分布式水文模型在森林暴雨模拟中的应用

分布式水文模型在森林暴雨模拟中的应用组员：王跃峰杨柳徐辉contents41235引言模型参数对比模型介绍结论国内应用现状一、引言森林覆盖区的降雨-径流是一个十分复杂的水文过程。想要较为精准地进行模拟，需要选用基于物理机制的分布式水文模型。分布式水文模型是在集总式水文模型的基础上发展起来的，这类模型能够对流域内发生的降雨、径流等水文过程进行数学模拟，而且是基于一定的物理过程。二、模型介绍1、HEC-HMSHEC（HydrologicEngineeringCenter）模型由美国陆军工程团水文工程中心开发研制，包括HEC-GeoHMS和HEC-HMS两部分。其中的HEC-HMS模块可用于场次暴雨的模拟，将每个子流域中的水循环划分为降水损耗、直接径流、基流和河道汇流4个部分。HEC-HMS模型在洪水模拟的过程中主要的计算方法有：初始损失和均匀损失法、指数损失率、SCS曲线数发、土壤蓄水容量法（SMA）等；直接径流计算方法有Clark单位线法、Snyder单位线法、SCS单位线法、Modclark法、运动波法、自定义累计曲线法等；对于汇流过程HEC-HMS模型提供了运动波、滞时-演进法、蓄量指标法、Muskingum法\Muskingum-Cunge法等方法来计算。1、HEC-HMS二、模型介绍二、模型介绍2、HIMSHIMS（HydroInformaticModelingSystem）是我国自行开发的一款基于模块结构的流域分布式水文模拟平台，包括：水循环多源信息平台、水循环多要素遥感定量反演、水循环多过程模拟无缝集成、多尺度模型定制以及水文分析工具箱，水文模型系统是它的核心部分。2、HIMS模型主结构示意图HIMS平台可用于场次暴雨模拟的计算方法主要有：基于LAI（叶面指数）和NDVI的截留模型的冠层截留模型；采用Horton、Philip、Kostiakow、GreenAmpt等下渗模型（小时）来计算单元产流量；通过“Muskingum”、运动波、等流时线、单位线等模型计算汇流量；采用Darcy运动模型计算地下水径流。二、模型介绍2、HIMS二、模型介绍3、MMS/PRMSMMS不是固定的模型,而是模型框架工具,不采用传统的主程序模块调用子过程或函数模块建立单个模型系统，而是每个水循环过程及其伴随过程由多种不同模拟模块组成的模型库系统。PRMS就是其中的一个模块化设计、分布参数的流域水文模型，主要用于评价降水、气候以及和土地覆被等变化对河流流量、泥沙冲击量和主河道水文过程的影响。PRMS模型主结构示意图PRMS模型在洪水模拟的计算中：主要通过HRU内主要植被类型的覆盖密度和可存储量函数计算净雨量，通过基于下渗理论的Green-Ampt公式或“贡献面积”法计算径流,利用有限差分近似方程或运动学波方法计算汇流，基流退水曲线计算地下水径流。二、模型介绍3、MMS/PRMS项目HEC-HMSHIMSPRMS开发者/机构美国水文工程中心(HEC)黄委会美国地质勘查局(USGS)模型类型半分布式水文模型半分布式水文模型半分布式水文模型模型结构流域描述,气象数据分析,降雨-径流模拟,参数计算,GIS连接降水、蒸发、融雪、截留、下渗、地表径流、地下径流，SuperMap连接太阳辐射分布,降雨、融雪、截留渗、地表径流、地下水温度分布时间尺度单次暴雨和连续模拟小时尺度、月尺度，连续模拟单次暴雨,连续模拟产/汇流计算方法单位线法计算径流,有限差分近似方程,运动波Horton、GreenAmpt等下渗模型、“Muskingum”、运动波、等流时线单位线,改进Clark,运动学波,改进Puls,Muskingum,Musking-Gunge模型特点主要用于树状流域,充分考虑了流域下垫面和气候因素的时空变异用语单场次洪水预报，大流域水资源管理和气候、土地覆被变化的水文效应用于评价降水、气候及地表植被等变化对河流流量、泥沙冲积量和主河道水文过程的影响HEC、HIMS、PRMS水文模型比较三、模型参数比较模型HEC-HMSHIMSPRMS前期基础数据地形数据、土壤类型数据、土地利用/覆被数据、气象数据、气象数据、次暴雨数据模型特征参数CN值LAI(叶面积指数)、fv(覆盖度)、NDVI（归一化植被指数）土壤厚度、土壤持水量、土壤渗透速度、植被覆盖率、枯落物持水量、林冠截留率主要率定参数畜量常数K和流量比重因子X“ClarkK”（调蓄系数）、k（消光系数）fc（稳定下渗率）rain-adj（降水随地形调整参数）四、国内应用现状（1）HEC-HMS模型在我国的晋江流域、太湖西苕溪流域和伊河流域得到应用。（2）HIMS模型主要应用在洛河卢氏以上地区、泾河流域、无定河以及潮白河流域，但小时尺度的研究仅限于洛河卢氏以上地区。（3）MMS/PRMS模型在我国应用地区主要包括三峡库区、卢氏以上流域、西北地区黑河上游等。项目HEC-HMSHIMSPRMS研究区域晋江流域卢氏以上地区三峡库区流域洪峰流量相对误差/%1.5~14.1-9~1620洪量相对误差/%1.5~14.17.720峰现时段误差/h+2+5+3确定性系数0.8~0.92_0.69~.082次洪模拟结果比较五、结论(1)三种模型均为半分布式水文模型，均可以进行场次暴雨的模拟，且在研究区都有较好的模拟效果。(2)三种模型均是在DEM影像的基础上获取相关的地形参数以及进行HDU的划分,且土壤类型和气象等资料的获取方式也基本相同，主要是依靠相关部门和水文年鉴。(3)三种模型计算前期雨量初损的方式有较大差别：HEC-HMS采用经验公式，HIMS通过基于LAI的林冠截留模型进行计算，PRMS采用基于实测的林冠截留率和覆盖率的公式方法计算。从参数的获取的途径来看，PRMS模型概化程度低，参数值与实际情况接近；HEC-HMS的计算方式概化程度高。五、结论(4)从实际应用的角度来看，产流量计算：HEC-HMS和PRMS模型主要采用单位线法计算，HIMS模型主要采用基于下渗理论的模型计算。三种模型在应用区的汇流计算方式基本相同，主要采用“Muskingum”法和运动波方法。存在的不足对文中叙述的模型不足，主要涉及模型的内在机制和结构，对水文过程的物理意义理解不足；缺乏各类模型在国外的研究应用文献；模拟结果评价中，选取模型的种类和研究区域均不同，使得文中第四部分的内容不具备很好的可比性。三、模型参数比较（1）基础数据：建立暴雨模型之前，需要做相关数据的准备。主要包括：地形数据、土壤类型数据、土地利用/覆被变化数据、气象数据、气象数据、次暴雨数据等。（2）特征参数在森林区进行场次暴雨的模拟时，林冠层的拦截和土壤的入渗都是一个十分复杂的过程，加大了净雨量（初损量）的计算。针对这一显示问题，上述模型采用了不同的计算方式。针对不同的模型的计算方式需要研究者获取不同的参数进行计算。（3）主要率定参数每个模型中包含的相关参数都很多，而且模型参数的选择与率定在很大程度上决定了模型的精度与适用性。所以模型建立初期首先要进行相关参数的敏感性分析，然后再对主要参数进行调整。