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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