分布式水文模型2005-04-15

1中国水利水电科学研究院水资源所贾仰文分布式流域水文模型－WEP模型及SWAT模型简介2个人简历专业:水文水资源学习经历:1981-1988,BD,MD,清华大学水利工程系澜沧江水电站梯级最优开发次序;广东省水电站水库群的联合优化调度1994-1997,PhD,东京大学河川与流域环境分布式水文模型的开发及其在东京都圈的应用工作经历:1989-1994,水利部农水司、办公厅全国大型灌区的管理,亚行项目,洞庭湖治理规划等1997-1998,日本INA株式会社信息系统部洪水泛滥解析及河川GIS的开发应用1999-2002,日本科学技术特别研究员、日本土木研究所专门研究员流域水循环和物质循环的监测与解析模型的开发2002-现在,中国水利水电科学研究院水资源研究所“十五”国家科技攻关项目“黑河流域水资源调配管理信息系统建设”研究，黄河973项目“黄河水资源演变规律与二元演化模型”研究，水利部科技创新重点项目“干旱半干旱地区流域产汇流变化规律研究”等31.分布式水文模型发展现状2.WEP模型开发及应用1)基本原理与模型系统2)在国外应用情况3)在国内流域（黄河与黑河）规划与管理中的应用3.SWAT模型简介4.分布式水文模型的资料问题5.遥感技术应用（与ET的关系）报告内容41.分布式水文模型发展现状5地球水循环系统(Source:AppliedHydrology,VenTeChowetal.,1988)6概念及理论的确立流域水文模型的开发1960s～80s～1960s水文素过程的模型化分布式水文模型的开发1980s～01耦合式应用模型的开发2002～Darcy,Richards,ManningPenman(1948),Green-Ampt(1911),Philip,Horton(1933),Dunne,Jacob(1943),Sherman(1932),Nash(1957),SCS-curve(1956)Stanfordmodel(1966),HEC-1(1968),TANK(1967),XinAnJiangSHE,IHDM,SWAT,TOPMODEL,SWMM,PRMS,HSPF,WEP,……USGMS-MMS水文模型的发展阶段7水文模型的分类小流域空间时间分布式按时空间尺度划分洪水连续长期大流域中流域集总式经验式物理式确定型随机型混合型概念式按水文过程的描述划分小流域空间时间分布式按时空间尺度划分洪水连续长期大流域中流域集总式经验式物理式确定型随机型混合型概念式按水文过程的描述划分经验式物理式确定型随机型混合型概念式按水文过程的描述划分8分布式水文模型开发的必要性水资源可持续性开发与利用・有效的防洪对策・水环境的保护和恢复水资源评价、规划和管理的需要帮助定量化物质循环系统在气象研究中的应用时空变动的流域水循环系统的高精度定量化方法流域开发对生态系统的影响预测地球规模环境变化的影响预测流域环境变化的影响预测在观测数据不足流域(PUB)的应用水循环系统的恢复对策制定9分布式水文模型应用的可行性河道変化土壌水分河川　縦横断土地利用河川流況　(洪水時含む)植生　活性度津波・高潮湧水降雨　　降雪葉面積指数(蒸発散)水質堆砂施設被災状況氾濫状況(浸透)(地下水)地下水水位流量植生分布不法係留船堤防沈下量河川敷利用航走波土地利用地表温度(ﾋｰﾄｱｲﾗﾝﾄﾞ)地表温度(ﾋｰﾄｱｲﾗﾝﾄﾞ)水田湛水・作付け状況積雪面積，積雪水量森林活性度・緑被率透水能・保水能土地利用水循環・水環境指標计算机技术的发展观测技术（RS、GPS、Radar）的进步GIS技术的普及电子化数据的整备研究经验的积累10中科院刘昌明院士指出：分布式水文模型之所以成为当前水文水资源研究的热点之一，在于它能够反映水文水资源要素在空间上的变化，能够进行下垫面变化条件下的计算，特别是它具有更多的模拟功能，即能够把单一水量变化的模拟扩大到广泛的水文水资源与生态环境问题模拟，而这些是基于经验与黑箱方法的集总式水文模型所难以实现的。分布式水文模型的模拟领域涵盖了地表水与地下水计算、水资源数量与质量的联合评价、非点源污染、土壤侵蚀与水土流失、洪水预报、土地覆盖与土地利用变化对水文过程的影响、生态需水、水生物与生态系统修复、农田灌溉与农业节水、城市水文水环境的模拟计算，并且可通过尺度转换与大气环流模式耦合来预测全球变化对水文水资源的影响，从而纳入全球变化水文研究的前沿。由此可见分布式水文模型同时具有理论上的前沿性和应用上的广泛性。然而，分布式水文模型不仅需要的资料与数据众多，而且要求分辨率很高的空间信息，这是当前限制分布式水文模型广泛应用的主要问题。但应用遥感等空间信息和GIS技术，能促进水文水资源分布式模拟的发展。11模型举例-MIKESHE12模型举例–IHDM代表坡面13模型举例–SWATSWAT中所考虑的水文过程示意图14模型举例–WEP模型WEP模型的垂向结构152.WEP模型开发及应用163.SWAT模型简介174.分布式水文模型的资料问题•由于分布式流域水文模拟需要大量的基础数据，数据不足问题尤其显得突出除加强地面观测工作及数据管理外，今后将更多地依赖遥感与雷达等遥测技术解决数据不足问题•数据资料公开与共享问题①水文气象信息：1）19562000年系列1045个雨量站逐日雨量过程，19562000年45年系列904个雨量站点日内降水要素摘录信息；2）19562000年45年系列132个水文断面水文站逐日实测流量信息，64个水文站逐月还原径流信息；3）19562000年系列212个气象站点逐日的各气象要素信息；4）19982002年逐日GMS影像信息。②供用水及水质信息：1）三级区套地市为单元的1980、1985、1990、1995、2000年各用水门类的地表、地下水供、用、耗水信息；2）以二级区套省区19802000系列的不同用水门类的地表、地下水供、用、耗水信息；3）建国以来流域内省区不同口径供用水统计资料；4）各省区和典型灌区的年内用水过程和灌溉制度；5）黄河干流33个水库站、3个湖泊站和1006个主要排污口的入河废污水量和相关指标。③下垫面等环境信息：1）1986、1996和2000年三个时段的1∶10万土地利用图；2）黄河流域30ˊ陆地DEM信息；3）19802000年逐旬NOAA/AVHRR影像及提取信息；4）1980－2000年21年系列全流域各县水土保持建设信息；5）黄河流域1：25万地形数据信息；6）黄河流域119个面积10万亩以上大型灌区信息；7）黄河流域1:100万和1:10万土壤及其特征信息；8）黄河流域1:100万水文地质信息；9）依据1：25万地形数据库、《黄河水利工程志》、《黄河流域地图集》以及其他资料提取出来的水利工程信息等。④社会经济统计信息：建国以来黄河流域内省、县逐年社会经济统计信息，统计要素包括人口、粮食产量、GDP、工业产值等。185.遥感技术应用（与ET的关系）19典型地物（植被、土壤、水体）的光谱反射曲线从图上可以看出，植物的光谱反射曲线具有两个明显的特点：（1）作物在可见光波段具有一个反射峰。因为对绿色植物而言，在可见光的蓝色（中心波长0.45um）和红色区域（中心波长0.65um），反射率都非常低，这是因为在这两个光谱带，叶子中的叶绿素能吸收大部分的入射能量。在上述两个吸收带之间的绿色区域（中心波长0.54um），叶子的吸收作用较小，因此形成一个反射峰（图6-2）。这正是植物叶子在我们肉眼看来是绿色的原因。（2）更为显著的是，在可见光与近红外区域（0.7-0.9um）之间，约0.7um的地方,作物的反射率陡然增强，光谱反射曲线跃升的幅度十分明显（图6-2）。遥感信息上表现为可见光与近红外两波段光谱值的强烈反差。水体在近红外和中红外波段，几乎吸收全部的入射能量，因此水体在反射红外波段时相对于作物和土壤具有突出的低反射特征，在黑白红外卫星照片或多波段扫描影像上，水体的色调很黑，与其它地物反差很大，易于识别。土壤的反射特征受土壤的质地、含水量、表面粗糙度、有机质含量等因素的影响，但总的来说，其光谱反射曲线在可见光和近红外区域是缓慢上升的，两波段的差值明显小于农作物。因此，可用可见光和近红外两波段的差值大小来区分植被和土壤。20常用遥感数据源21遥感技术在流域水循环模拟中的应用概况•降水的遥感反演•土壤水分、表面温度的遥感反演•蒸散（ET）的遥感反演•植被参数的遥感反演22蒸散（ET）的遥感反演：1）数据源（1）气象卫星数据本系统的主要数据源是日本的静止气象卫星GMS-5和中国新发射的静止气象卫星风云二号（两种卫星数据任选一种）。本系统实时接受该卫星多通道扫描辐射计VISSR的信号，可以获取白天可见光、昼夜红外资料：（1）可见光波段VIS：空间分辨率1.25km，时间分辨率1小时，波谱范围0.55-1.05µm；（2）热红外波段TIR：空间分辨率5km，时间分辨率1小时,波谱范围10.5-12.5µm；（3）水汽波段WV：空间分辨率5km，时间分辨率1小时,波谱范围6.2-7.6µm。可见光波段、热红外波段用于后面的参数反演，水汽波段用于校正处理。各波段数据在接收以后，都进行了大气校正、辐射校正和几何校正，去除大气对辐射传输的，并使所有卫星影像具有统一的地理坐标。（2）地面观测数据地面观测数据用于遥感反演模型的构建以及模型输出结果的校验，主要有以下数据：1）站点观测数据：研究区的降雨量数据来源于国家气象局气象观测站，蒸散数据来源于荷兰Wageningen大学研制的大孔径闪烁仪（LargeApertureScintillometry－LAS）的地面观测；2）区域统计数据：黄河流域8个二级流域的降雨量、蒸散数据，其中降雨量数据来源于黄河水利委员会的《黄河水资源公报》；区域蒸散数据以流域水量平衡为原理，根据流域降水、径流、地表地下水蓄变量等基础数据匡算得到。23蒸散（ET）的遥感反演：2）计算方法能量平衡方程:其中，In：地表净辐射通量，W/m2；H：地表至大气的显热通量，W/m2；LE：地表至大气的潜热通量，即以能量为单位的实际蒸散，W/m2；G：由地表进入土壤层的热通量，W/m2。从气象卫星风云2号数据或GMS数据获取实际蒸散量，主要有以下几个步骤：计算净辐射、计算热通量、推算实际蒸散量。GLEHInngnLIaI)1())(4()1(03040aaanTTTTL))((0arcTTH0为地表比辐射率，a为大气比辐射率；为Stefan-Bolzman常数，0T、aT、T分别为地表温度、大气温度、地表温度与大气温度的平均值。a为反照率，由GMS气象卫星的可见光波段算出c、r分别为地表阻抗和大气阻抗；0T、aT分别为地表温度、大气温度24蒸散（ET）的遥感反演：3）反演结果25蒸散（ET）的遥感反演：4）校验020406080123456789101112时间（月）实际蒸散(mm)实测值遥感反演结果2000年郑州LAS站实测蒸散与遥感反演蒸散年度对比黄河流域蒸散反演结果校验反演蒸散框算蒸散框算－反演流域名称mm亿m3mm亿m3mm亿m3反演/框算（％）黄河流域324.72590.4363.32898.338.6307.989.4河源－龙羊峡368.5485.3321.6423.5-46.9-61.8114.6龙羊峡－兰州337.8315.0297.0277.0-40.8-38.0113.7兰州－河口镇227.3365.9257.7414.830.448.988.2河口镇－龙门286.1320.7323.6362.737.542.088.4龙门－三门峡384.3731.1479.1911.594.8180.480.2三门峡－花园口438.1182.0565.2234.8127.152.877.5花园口以下441.099.7880.2199.0439.299.350.1鄂尔多斯内流区198.990.9165.675.7-33.3-15.2120.1从对比关系看