基于GIS的TOPMODEL模型在流域径流模拟中的应用
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随着GIS (Geographical Information System)、遥感和计算机等技术的发展,分布式水文模型在水资源开发利用、防洪减灾、城市规划、土地利用变化的水文过程响应等很多方面都有了广泛的应用。本论文通过将TOPMODEL模型与地理信息系统(GIS)结合,对流域径流过程进行模拟,从而实现为流域的洪水预报以及流域规划管理提供技术支持。本文主要研究了GIS辅助下的TOPMODEL水文模型在流域径流模拟中的应用。TOPMDEL水文模型因为结构简单,参数个数少而被广泛应用于许多流域。基于数据的易于获取性,本文主要是采用TOPMODEL模型,结合GIS分析工具,对美国宾州Pocono流域的径流过程进行了模拟研究,主要的研究成果如下:(1)完成了对流域地形地貌信息参数的提取。主要是利用GIS工具从分辨率10 m的流域数字高程模型(DEM)中提取流域地形地貌信息。流域信息包括流域的水流流向、汇流方向、汇流累积量、汇流长度和坡度等。同时利用VisualC语言对TOPMODEL模型中输入模块进行了改进,实现了模型输入文件的格式化,提高了模型的运算效率。(2)在分析TOPMODEL水文模型的结构、原理和基本方程的基础上,对TOPMODEL的核心——地形指数的定义和计算方法进行了研究,并对地形指数计算的三种方法——单流向法、多流向法和改进多流向法进行了比较。此外,本文中还采用模型子模块计算法和ARCGIS10计算法两种不同的方法对流域的地形指数进行计算,并且对结果进行了对比分析。(3)研究了不同尺度下的DEM对TOPMODEL模型模拟精度的影响,解决了输入数据快速格式化的问题,全面分析了水文模型中的不确定性概念、GLUE方法的原理和分析步骤,同时以TOPMODEL在Pocono流域的应用为例,根据经验给出的参数先验分布,随机产生参数来运行TOPMODEL模型。使用设定好参数的TOPMODEL模型对流域的径流进行模拟,将模拟输出的结果与实测进行对比,确定性系数在86%,模拟结果符合水文模拟精度要求,从而验证了在研究流域采用TOPMODEL的合理性。
摘要 | 第5-6页 |
Abstract | 第6页 |
第一章 绪论 | 第11-18页 |
1.1 研究背景 | 第11页 |
1.2 国内外水文模型研究动态 | 第11-15页 |
1.2.1 流域内信息的提取 | 第11-12页 |
1.2.2 国内外水文模型的发展 | 第12-15页 |
1.3 水文模型和 GIS 的耦合 | 第15页 |
1.4 主要研究内容及技术路线 | 第15-18页 |
1.4.1 研究内容 | 第16页 |
1.4.2 技术路线 | 第16-18页 |
第二章 流域地形地貌参数提取 | 第18-28页 |
2.1 DEM 概述 | 第18-19页 |
2.2 基于 DEM 的地形参数的提取 | 第19-26页 |
2.2.1 DEM 的预处理 | 第19-20页 |
2.2.2 水流方向的提取 | 第20-22页 |
2.2.3 流域河网的提取 | 第22-24页 |
2.2.4 流域汇流长度的提取 | 第24-25页 |
2.2.5 流域面积的计算 | 第25页 |
2.2.6 流域坡度的计算 | 第25-26页 |
2.2.7 等流时线 | 第26页 |
2.3 小结 | 第26-28页 |
第三章 TOPMODEL 模型原理及方法 | 第28-38页 |
3.1 TOPMODEL 模型产流模式 | 第28-30页 |
3.2 模型的基本结构 | 第30-31页 |
3.3 模型的基本方程 | 第31-37页 |
3.3.1 连续性方程 | 第31-33页 |
3.3.2 非饱和层水流运动方程 | 第33-34页 |
3.3.3 饱和层水分运动方程 | 第34-35页 |
3.3.4 饱和坡面流方程 | 第35页 |
3.3.5 河道汇流方程 | 第35-37页 |
3.4 模型参数 | 第37页 |
3.5 小结 | 第37-38页 |
第四章 TOPMODEL 模型前期研究 | 第38-46页 |
4.1 不同 DEM 分辨率对地形信息的影响分析 | 第38-39页 |
4.2 TOPMODEL 前期数据输入模块化 | 第39-41页 |
4.3 模型参数的不确定性分析 | 第41-45页 |
4.3.1 不确定性的概念 | 第41-42页 |
4.3.2 GLUE 方法基本原理 | 第42页 |
4.3.3 GLUE 的分析程序 | 第42-43页 |
4.3.4 GLUE 分析的步骤 | 第43-44页 |
4.3.5 GLUE 程序的应用 | 第44页 |
4.3.6 结果与分析 | 第44-45页 |
4.4 小结 | 第45-46页 |
第五章 模型应用比较与结果分析 | 第46-62页 |
5.1 流域自然地理概况 | 第46-47页 |
5.2 水文资料 | 第47-48页 |
5.3 流域地形指数算法实现 | 第48-52页 |
5.3.1 计算方法概述 | 第48-50页 |
5.3.2 地形指数参数的提取及算法实现 | 第50-52页 |
5.4 模型参数化方法 | 第52-54页 |
5.5 模型参数的确定 | 第54页 |
5.6 模型的模拟结果 | 第54-59页 |
5.7 模型模拟的结果分析 | 第59页 |
5.8 DEM 分辨率对 TOPMODEL 模拟分析 | 第59-60页 |
5.9 小结 | 第60-62页 |
第六章 结论与展望 | 第62-65页 |
6.1 结论 | 第62页 |
6.2 应用问题及解决办法 | 第62-63页 |
6.3 问题和展望 | 第63-65页 |
致谢 | 第65-66页 |
参考文献 | 第66-70页 |
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