基于DEM的分布式流域水文物理模型
SWAT模型下基于DEM的水文响应单元划分——以濂水流域为例
SWAT模型下基于DEM的水文响应单元划分——以濂水流
域为例
李志强;朱超霞;刘贵花
【期刊名称】《江西水利科技》
【年(卷),期】2017(043)006
【摘要】本文在SWAT模型的基础上,以赣江上游濂水流域为研究区域,设计了中小流域水文响应单元的划分方法.研究以DEM数据为基础,利用TM影像和Google Earth的矢量化数据为参考,采用适度指数法模拟出符合濂水流域的函数拟合,确定河网划分阈值,保障河网划分的准确度.结合土地利用数据、土壤数据和坡度数据将濂水流域划分为49个子流域和181个水文响应单元.通过对濂水流域水文响应单元的划分,避免了人为经验生成河网而导致子流域和水文响应单元划分的不准确性,为濂水及赣江上游子流域的分布式模型模拟提供参考.
【总页数】5页(P438-442)
【作者】李志强;朱超霞;刘贵花
【作者单位】江西师范大学地理与环境学院,江西南昌330022;江西师范大学地理与环境学院,江西南昌330022;江西师范大学地理与环境学院,江西南昌330022【正文语种】中文
【中图分类】TV12
【相关文献】
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分布式水文模型及3S技术简介
理模型；
1979年，Beven 提出的 TOPMODEL是目前最具代表性的半分布式物理水文模型。
垂 向 过 程
坡面径流RO、 暴雨壤中流RH、 直接基流RN、 长期基流RG、 地下水渗流GW
接口
侧向流过程
数据： GIS地图：DEM、土地、植被、土壤、河网、地表水划分、地下水深度等地图； 气象水文等。
分布式模型的构成
➢ 从水平方向将流域划分成一 系列的单元
✓ 单元被看作是一个有物理意 义的流域
✓ 单元流域有自己的物理特性 数据：DEM、植被类型、土 壤类型和降雨量
✓ 单元分成边坡单元、河道单 元和水库单元三种
适当分辨率的DEM对整个流 域进行划分
➢从垂直方向将单元分成三层
✓植被覆盖层（Canopy Layer）：地表 面至树叶顶部的空间区域。假定蒸散发 只发生在植被覆盖层，各单元流域的蒸 散发量之间没有相互影响 ✓地表层（Soil Layer）：地表面往地 下若干深度的浅表土壤层，具有调蓄水 能力 ✓地下层（Underground Layer）：地表 层以下的含水层 ✓对地下层不进行网格划分，整个流域 的地下层看作一个整体
成
流
程
单元积水面积生成
框
流域分水线识别 （自动生成流域）
图
水系生成
（c）按最大可能的水流流向；（d） 生成的水系（数字为汇入的格网数目）
• （2）空间技术与测控技术
•
随着作航天为航一空种科信学息及源遥感，、遥遥感测、技遥术测的技快速术发能展够，提为供获流取大域范围
ArcGIS教程之DEM应用——水文分析
ArcGIS教程之DEM应用——水文分析DEM（数字高程模型）是一种地理信息系统（GIS）中常用的数据模型，它表示了地表的高程信息。
DEM数据可应用于水文分析中，用于了解地形变化，确定流域边界，计算高程梯度和流量以及生成洪水模型等。
首先，使用DEM数据可以帮助我们了解地形变化。
通过DEM数据，可以直观地显示出地表高程的变化情况，包括山脉、河谷和平原等。
通过分析DEM数据，可以揭示出地表的坡度、高程和凹凸等特征，从而帮助我们理解地势状况，为水文分析提供基础。
其次，DEM数据还可以用于确定流域边界。
流域是指一个水系集合区域，包括了这个区域内所有的河流和支流。
通过DEM数据，我们可以提取出流域的边界，确定流域的大小和范围。
这对于水文分析非常重要，因为流域的大小和范围会直接影响水文过程和水资源管理。
此外，DEM数据还可以用于计算高程梯度和流量。
高程梯度指的是地表高程变化的速率，通过计算DEM数据中相邻单元格之间的高程差，可以得到各个区域的高程梯度。
高程梯度的大小可以用来评估地表坡度的陡峻程度，对于水文分析中的洪水预测和土壤侵蚀等有重要作用。
而流量是指单位时间内流过其中一点的水的体积，通过计算DEM数据中各个单元格的高程和相邻单元格之间的高程差，可以估算出流量的大小，有助于相关水文过程的分析和模拟。
最后，DEM数据还可以用于生成洪水模型。
洪水模型是一种基于地理信息的模拟模型，通过模拟区域内降雨过程、地表径流和河流洪水来预测洪水的发生和扩展情况。
DEM数据是洪水模型中必不可少的输入数据，通过DEM数据可以确定地势状况、流域范围和河道网络等信息，从而建立准确的洪水模型，并进行相关的洪水分析和预测。
DEM是数字高程模型
DEM是数字高程模型的英文简称(Digital Elevation Mode)，是流域地形、地物识别的重要原始资料。
自20世纪60年代以来,在利用数字高程模型DEM提取流域水文特征,模拟地表水文过程方面,国内外都开展了大量的研究。
1.1基于DEM进行流域分析的原理从DEM提取流域特征，一个良好的流域结构模式是确定算法的前提和关键。
1967年ShreveL¨描述的流域结构模式一直被后来的水文学者所引用．并设计了一些成熟的算法。
Shreve使用一个具有一个根的树状图来描述流域结构(如图1 流域结构模式图所示)。
在这个结构中，主要包括两个部分，一部分是结点集，一部分是界线集。
沟谷结合点和沟谷源点共同组成一个沟谷结点集。
所有的沟谷段组成沟谷段集，形成一个沟谷网络；所有的分水线段组成分水线段集，形成一个分水线网络；沟谷段集和分水线段集共同组成界线集。
沟谷网络中的每一段沟谷都有一个汇流区域，这些区域由流域分水线集来控制。
外部沟谷段有一个外部汇流区．而内部沟谷段有两个内部汇水区，分布在内部沟谷段的两侧。
整个流域被分割成一个个子流域．每个子流域好象是树状图上的一片“叶子”。
Shreve的树状图流域结构模型是简单明确的．虽然沟谷网络的结点模型和线模型与在栅格DEM中用于表示沟谷结点和沟谷线的栅格点和栅格链之间存在着拓扑不一致性。
但它给出了沟谷网络、分水线网络和子汇流区的定义，明确表达了它们之间的相关关系，成为设计流域特征提取技术的基础。
1.2 常用算法流向判定建立在3×3 的DEM 栅格网的基础上，其方法有单流向法和多流向法之分，但单流向法因其确定简单、应用方便而应用广泛。
1.2.1 单流向法单流向法假定一个栅格中的水流只从一个方向流出栅格，然后根据栅格高程判断水流方向。
目前应用的单流向法是D8法。
此外，还有Rho8 方法、DEMON 法、Lea 法和D∞ 法等。
最常用的是D8 法：假设单个栅格中的水流只能流入与之相邻的8 个栅格中。
半分步式及分布式分水文模型分析研究
分布式水文模型研究简况由于传统的流域水文模型本身所具有的局限性，同时随着水文循环中各个组成要素的深入研究，以及计算机、地理信息系统<GIS）和遥感技术的迅速发展，使构造具有一定物理基础的流域分布式水文模型成为可能。
流域分布式水文模型充分考虑流域下垫面空间分布不均对水文循环的影响。
在水平方向上将流域划分成许多单元网格和子流域<一般基于DEM），在垂直方向上将土壤分层，并依据流域产汇流的特性，使用一些物理的、水力学的微分方程<如连续方程与动量方程）求解径流的时空变化。
与传统的流域概念性集总水文模型相比具有以下显著的优点：①具有物理机理，能描述流域内水文循环的时空变化过程；②其分布式结构，容易与GCM嵌套，研究自然和气候变化对水文循环的影响；③由于建立在DEM基础之上，所以能及时地模拟人类活动和下垫面因素变化对流域水文循环过程的影响。
下面我简单介绍一下国内外的著名的分布式水文模型。
主要从模型名称，模型结构，输入输出变量，网格还是子流域为计算单元，适用性和范围等方面来描述。
一、分布式水文模型研究的发展现状----国际在国外，分布式水文模型的研究可以认为始于 Freeze 和 Harlan 于 1969 年发表的《一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图》这篇文章。
该文章提出了分布式水文物理模型的基本概念和框架。
随后，Hewlett 和 Troenale 在 1975 年提出了森林流域的变源面积模拟模型(简称 VSAS>。
1979 年 Bevenh 和 Kirbby 提出了以变源产流为基础的TOPMODEL 模型<TOPgraphy based hydrological MODEL）。
1 TOPMODEL 模型［1]<TOPgraphy based hydrological MODEL）该模型基于DEM推求地形指数，并利用地形指数来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响，模型的参数具有物理意义，能用于无资料流域的产汇流计算。
基于DEM的丹江口湿地保护区水文分析
环境保护·ENVIRONMENTAL PROTECTION基于DEM的丹江口湿地保护区水文分析杨君怡（广州大学地理科学学院，广东 广州 ５１０００６）摘要：数字高程模型(Digital Elevation Model)提供了丰富的地质、地貌和水文等相关流域的特征信息，是流域分析的主要数据源。
本文以丹江口湿地保护区部分区域为例，基于DEM 数据并结合D8(deterministic eight node)水文分析算法，对研究区进行水文模拟分析，包括水流方向、汇流累积量和水流长度等水文参数的计算。
结果表明：（1）研究区最大水流长度为335599m，与研究区内堵河长度相近；（2）研究区水系河道分为6个等级，主要以1～3级支流河道为主，占河道总数的89%，其余3个等级水系河道只占总数的11%，反映了研究区水系的空间分布规律。
上述研究结果可为进一步研究丹江口库区湿地保护区的植被生态环境演变提供基础数据和有益参考。
关键词：数字高程模型；水文分析；流域特征；丹江口湿地保护区引言：数字高程模型（ＤＥＭ）由于包含了地表高程信息，并且能够近似的模拟真实的地表，反映地表的地形地貌和水文环境的变化，因此在水文分析中得到了广泛的应用［１－２］。
在结合ＤＥＭ及地形资料进行水文分析方面，前人开展了很好的研究［３－６］。
比如，Ｍａｒｔｚ等利用ＤＥＭ数据对沟谷地形进行提取研究，发现沟谷中的平地难以有效提取，经过对数据方法的大量研究并结合ＤＥＭ和平原地区数据，最后提出了优化流域模拟的方法［７］。
张国珍等利用ＤＥＭ数据和传统地形数据，研究了东江湖风景区的水文特征，探究东江湖流域水系的空间分布规律和特征［８］。
谢顺平等在进行水文分析时，针对河谷平地流向难以提取的问题，引入了出流代价法，有效地计算了河谷平地栅格的流向［９］。
俞志强等针对ＤＥＭ数据提取水文信息时出现的伪河道和河道穿梭居民区的问题，提出了地物要素与ＤＥＭ融合的水文信息提取方法，在一定程度上减少了水文信息被提取时的误差问题等［１０］。
分布式流域水文模型原理与实践
分布式流域水文模型原理与实践一、引言随着水资源管理的重要性日益凸显，流域水文模型成为了研究流域水循环和水资源管理的重要工具。
传统的流域水文模型通常基于集中式的计算框架，但随着计算能力的提升和云计算等技术的广泛应用，分布式流域水文模型逐渐成为研究的热点。
本文将介绍分布式流域水文模型的原理与实践。
二、分布式流域水文模型原理分布式流域水文模型是一种将流域划分为多个子流域，并在每个子流域内进行水文过程模拟的方法。
其原理是通过将流域划分为多个小区域，每个小区域内考虑地形、土壤、植被等因素的空间变异性，以及降雨、蒸发等水文过程的时间变异性，从而更准确地模拟流域水循环的各个环节。
分布式流域水文模型通常基于物理过程描述和统计学方法，通过建立水文模型方程组来模拟流域内的水文过程。
三、分布式流域水文模型实践1. 数据准备：分布式流域水文模型需要大量的输入数据，包括降雨数据、地形数据、土壤参数、植被参数等。
这些数据可以通过观测站点、遥感技术等手段获取，并进行预处理和插值处理，以满足模型的要求。
2. 子流域划分：将流域划分为多个子流域是分布式流域水文模型的核心步骤之一。
常用的方法包括根据地形的坡度、地貌的特征、土地利用类型等进行划分。
划分后的子流域应具有相对独立的水文特征，以便进行独立的水文模拟。
3. 模型参数估计：分布式流域水文模型需要估计一系列的模型参数，包括土壤水分保持能力、蒸发抑制因子、径流产生系数等。
这些参数可以通过实地观测、实验室试验等手段获得，并结合模型的优化算法进行估计。
4. 模型求解：在得到模型输入数据和参数后，可以使用数值方法求解分布式流域水文模型方程组。
常用的求解方法包括有限元法、有限差分法、蒙特卡洛方法等。
通过迭代计算，可以得到各个子流域的水文过程模拟结果。
5. 模型评估与应用：对分布式流域水文模型进行评估是验证模型可靠性的重要步骤。
常用的评估指标包括径流系数、水平分布误差、峰值流量误差等。
在模型得到验证后，可以应用模型进行流域水资源管理、洪水预报、干旱监测等工作。
基于ArcGIS的DEM流域划分
基于ArcGIS的DEM流域划分程峥;李永胜;高微微【摘要】从数字高程模型DEM(Digit Elevation Models)直接提取河网及流域信息,是分布式水文模型开发与应用的基础.本文利用ArcGIS中的水文分析工具从DEM中提取了流域水文特征.主要包括:DEM的预处理、水流方向的确定、水流累积量提取、河网的提取、集水区的提取和流域的划分.本文探讨了两种不同划分流域的方法,为流域划分及水文分析提供参考.【期刊名称】《地下水》【年(卷),期】2011(033)006【总页数】3页(P128-130)【关键词】DEM;流域;河网;水文分析【作者】程峥;李永胜;高微微【作者单位】西北大学城市与环境学院,陕西西安710127;西北大学城市与环境学院,陕西西安710127;西北大学城市与环境学院,陕西西安710127【正文语种】中文【中图分类】TV212.4自20世纪50年代后期以来，DEM在测绘、土木、地质、防洪、农业、景观建筑、道路设计、城市规划、军事工程与战场仿真等领域取得了广泛应用。
在水文分析中的应用虽相对较晚，但其发展却相当迅速。
从DEM直接提取河网及相关流域信息，是分布式水文模型开发与应用的基础。
由DEM自动获取水系和子流域特征，是流域参数化方便而迅速的一种途径。
河网生成的准确性直接影响水文模型模拟的精度，生成的河网需尽可能反映区域地形。
要在栅格DEM上提取流域信息，栅格间流向的判别是基础［1］。
本文利用 ArcGIS软件的水文分析工具以两种不同方法从DEM中提取流域单元，并对两种方法进行了简单的对比，为基于DEM的流域划分提供参考。
1 ArcGIS下的水文分析水文分析是DEM数据应用的一个重要方面。
利用DEM生成的集水流域和水流网络，成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。
表面水文分析模型应用于研究与地表水流有关的各种自然现象如洪水水位及泛滥情况，或者划定受污染源影响的地区，以及预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等，应用在城市和区域规划、农业及森林、交通道路等许多领域，对地球表面形状的理解也具有十分重要的意义。