TOPMODEL模型中地形指数计算方法的研究进展

半分布式流域水文模型（TOPMODEL）是以计算地形指数ln（a/tanβ）及其分布为基础的.目前常用的计算地形指数的方法为多流向法,在现行的多流向法的计算中,当网格单元没有入流（即计算单元网格比周围单元地势高）时,公式中出现分母为零的情况,这给通过格网DEM自动计算地形指数带来了困难.笔者把栅格单元径流的流入与流出各自看成独立事件,提出了一种栅格流入与流出方向各自权重归一化的方法,并对多流向法进行了改进.     

DEM分辨率对TOPMODEL模拟精度影响研究

选取韩江流域梅河水系宁江河上游合水水库部分为研究区,采用多流向法对研究区内多分辨率的DEM数据提取地形指数以进行降雨-径流模拟,研究TOPMODEL在湿润地区小流域中应用的可行性,及DEM分辨率变化对TOPMODEL降雨-径流模拟精度的影响。     

TOPMODEL中地形指数的几点看法

在TOPMODEL模型中地形指数的计算方法基础上,针对一些地形指数的改进算法指出了其中的不妥之处,认为之所以会出现这种改进算法是因为对于"径流在任一位置上的累积趋势"理解有所偏差所致,据此对该点提出了自己的理解和建议;针对坡度为0的栅格地形指数的计算提出了解决方法,所得结论愿与读者共飨。     

基于地形的东江流域水文模拟

通过研究流域不同的面积大小和地形条件对模拟结果的影响来研究TOPMODEL的在东江流域的潜在实用性.选择东江上游8个受人类活动影响较小的小流域进行模拟研究,研究表明径流模拟的精度较高,参数变化范围较小,模型在此流域是合适的,为TOPMODEL在整个东江流域的模拟奠定基础.且可以为进一步研究东江流域水资源评价服务.     

基于TOPMODEL的DEM空间尺度转换关系探讨

由于地形指数的计算与数字高程模型DEM空间分辨率紧密联系,采用TOPMODEL进行水文过程的模拟通常受到DEM分辨率的影响。本文引入分辨率因子考虑DEM分辨率对单宽上坡集水面积的影响;对坡度应用分形的方法,将计算地形指数的尺度变化方法与TOPMODEL进行耦合,构建不受DEM分辨率影响的TOPMODEL,并将其应用于褒河流域的9场次洪模拟,结果表明,使用27″分辨率的DEM数据作为模型输入,不受DEM分辨率影响的TOPMODEL模拟得到的结果较接近于3″分辨率DEM数据下的结果。该方法能在一定程度上削弱DEM分辨率对TOPMODEL模拟精度的影响,是一种合理可行解决水文过程中尺度问题的有力工具。     

基于子流域的TOPMODEL模拟研究

 TOPMODEL是根据水文相似性——地形指数相同的栅格划分为同一产流单元进行产流计算,但是其不能考虑降雨和地形指数统计分布曲线等流域地形地貌信息的空间不均匀性。通过对流域DEM处理,建立了基于水系子流域的TOPMODEL。该模型考虑了降雨、地形指数分布曲线等空间不均匀性。将基于子流域的TOPMODEL和TOPMODEL应用在九州流域,并进行模拟比较,发现基于子流域的TOPMODEL更能反映流域的实际情况,模拟的结果更加合理。可以预测不同子流域降雨组合下的流域出口的流量过程。     

TOPMODEL模型在半湿润地区径流模拟分析中的应用及改进

为了使TOPMODEL模型结构更合理,并能够用于半湿润地区或半干旱地区的径流过程模拟,文章对TOPMODEL模型的蒸发产流模块以及汇流模块进行改进,在蒸发产流模块中添加植被冠层截留蒸散发模型和Holtan超渗产流模型,汇流模块中坡面汇流采用瞬时单位线模型,河道汇流采用马斯京根河道洪水演进模型。通过对半湿润地区流域内降雨径流过程的模拟验证,表明通过对TOPMODEL模型的改进,模型对半湿润地区的降雨径流过程模拟精度有很大的提高,拓展了TOPMODEL模型适用范围。     

用TOPMODEL模拟流域径流的应用研究

介绍了TOPMODEL模型的结构及其产汇流计算原理,分析了地形指数在TOPMODEL模型中的意义,并介绍了地形指数的计算方法。将TOPMODEL模型应用在修河水系的万家埠流域的径流模拟中,DEM分辨率取为500m×500m,时间步长为6小时,并与新安江模型作了比较分析。     

TOPMODEL模型改进及应用研究

为了使TOPMODEL模型结构更合理,并能够用于半湿润地区或半干旱地区的径流过程模拟,文章对TOPMODEL模型的蒸发产流模块以及汇流模块进行改进,在蒸发产流模块中添加植被冠层截留蒸散发模型和Holtan超渗产流模型,汇流模块中坡面汇流采用瞬时单位线模型,河道汇流采用马斯京根河道洪水演进模型。通过对半湿润地区流域内降雨径流过程的模拟验证,表明通过对TOPMODEL模型的改进,模型对半湿润地区的降雨径流过程模拟精度有很大的提高,拓展了TOPMODEL模型适用范围。     

TOPMODEL和新安江模型的应用比较

通过ArcView软件对淮河息县以上流域进行了流域信息的提取,并利用VB编程提取出该流域的地形指数与河网等流时线,使之成为TOPMODEL模型的客观物理参数。为了客观表示流域的初始状态,还建立了初始土壤缺水量与地形指数之间的关系式。最后将TOPMODEL模型和新安江模型分别应用于该流域的洪水模拟中,并在径流深相对误差、洪峰相对误差、确定性系数等方面进行了比较和分析。     

基于TOPMODEL的分布式水文模型应用研究

在TOPMODEL模型理论基础上，设计了一个分单元处理产流和汇流过程的分布式水文模型。该模型分单元计算地形指数和模拟产汇流过程，并通过引入Nash地貌瞬时单位线进行单元汇流演算。最后，用模型对一个流域的产汇流过程进行了模拟并和实测的径流量做了比较，结果表明此模型合理具有较高的精度。     

基于TOPMODEL的中小河流分布式洪水预报模型及其应用

近年来广东省中小河流洪水灾害频发,研究中小流域洪水预报模型对预防洪水灾害具有重要意义。本研究改进了传统的TOPMODEL模型,以栅格为单元构建了基于TOPMODEL的中小河流分布式洪水预报模型,并以高田水上游流域为研究对象,采用SCE-UA优选算法对1975—2008年的8场洪水进行参数优选,并对2010—2012年的4场洪水进行模型验证。模拟结果表明,本次预报在率定期和验证期平均确定性系数为0.85,径流深预报合格率为92%,峰现时间预报合格率为100%,模型模拟效果较为理想。用改进后的模型研究了某场洪水汇流过程不同时刻的空间分布情况,表明改进后的TOPMODEL模型能够直观地反映洪水的时空变化,模型具有一定的合理性和实用性。     

基于Sobol法的TOPMODEL模型全局敏感性分析

Sobol法是最具代表性的全局敏感性分析方法。应用Sobol全局敏感性分析方法分析TOPMODEL模型的参数对Nash-Sutcliffe效率系数、总水量平衡误差系数、低水流量误差系数和高水流量误差系数4个目标函数的敏感性。通过对白盆珠水库、流溪河水库的分析结果表明,较敏感的参数有M、lnT0、Sr0和Rv,Sobol方法给出的定量敏感度能衡量敏感性表现的差异,并反映出了模型"异参同效"的现象。     

DEM网格尺度对水文模拟影响的研究

选择汉江上游旬河流域为研究对象．研究了DEM网格尺度对提取流域地形特征参数的影响．采用基于地形指数的TOPMODEL模型进行水文模拟,进而分析DEM网格尺度和不同流向分配方法对径流模拟结果的影响。结果表明,DEM网格尺度对流域地形特征参数的影响还比较大,但由于模型参数率定采用了优选算法,掩盖了不同DEM网格尺度和不同流向分配方法计算的地形指数的差别．使得模拟的结果相差不大。但随着网格尺度的增大．多向分配法模拟的结果要比单向分配法好一些。     

地形指数与流域退水特征的关系分析

地形指数可反映流域土壤蓄水能力以及产流的空间分布,是表征流域水文相似性的一个重要指标。以新安江流域的8个子流域为研究对象,利用DEM提取了各子流域的地形指数,分析了地形指数与退水特征的关系。研究发现,地形指数均值及其标准差大的流域,其调蓄作用强,洪水退水指数较小,退水速率较慢,表明流域的地势起伏相对较小则含水层发育较好。通过研究,初步揭示了流域地形指数与退水特征之间存在的联系,成果可为新安江流域无资料区水文过程预测提供依据和参考。     

MOVPSO算法在TOPMODEL参数优化中的应用

为了对水文模型中难以直接测算的参数进行调试和优化,将多目标涡流粒子种群优化算法(Multi-Objective Vortex Particle Swarm Optimization,MOVPSO)应用于水文模型参数优化计算中,并以逼近性(Generational Distance,GD)及超体积值(Hyper-Volume,HV)作为算法性能评价指标。将MOVPSO算法与NSGA-Ⅱ算法及多目标粒子种群优化算法(Multi-Objective Particle Swarm Optimization,MOPSO)独立运行50次所得Pareto前沿的GD值及HV值进行统计分析,并结合方差分析比较3种算法的性能。将MOVPSO算法迭代过程中的粒子种群速率、种群半径的估计值与测量值进行对比分析并判别两者的拟合程度。用尼泊尔巴格玛蒂河流域2005~2011年期间实测洪水日径流过程资料作为TOPMODEL模型参数率定系列,运用MOVPSO算法对模型参数进行优化,得出Pareto最优解,并利用2013年5场洪水日径流过程进行模型检验。结果表明:MOVPSO算法所得Pareto解集性能优于NSGA-Ⅱ及MOPSO算法,拟合历史洪水平均确定性系数达到0.85,模型预报精度高,表明MOVPSO优化算法在解决多参数多目标优化问题中具有优势。