[发明专利]一种以栅格为模拟单元的分布式水文模型设计方法

说明书

技术领域

本发明以涉及一种水文模型的设计方法，更具体的说是一种以栅格为模拟单元的分布式水文模型(简称ESSI)的设计方法。 

背景技术

分布式水文模型作为一种探索水文循环机制、定量评估水资源动态变化的有力工具，不仅要在理论上向人们合理解释水文循环的物理基础，说明水是如何在SVAT系统中运动并驱动物质和能量的循环；而且更要有实用性和可操作性，因为只有具有良好实用性和可操作性的模型系统，才能作为一个有效的水文过程模拟平台，在对实际水问题的分析和模拟过程中为国民经济的发展提供正确、合理的分析结果和建议。所以尽管当前分布式水文模型发展很快，也取得了一定的社会经济效益，但分布式水文模型还存在进一步发展的空间。从以下五个方面来看： 

首先，基于水力学计算的分布式水文模型虽然物理机制突出，但是输入数据的准备工作繁琐，专业性强，而且对模型的模拟单元尺度有一定的限制，原因在于当模型运用到一个较大的流域时，计算开销量与模拟单元尺度的大小呈指数关系增长，因此模型不太适用于较大流域的水文过程模拟，而实际上目前中、大尺度流域甚至是全球尺度的水文过程模拟分析更有实用价值。这一类模型目前需要解决的主要问题在于协调网格单元的尺度与计算量以及模拟精度之间的平衡关系：网格精度越高，在一定程度上模型模拟越精确，但同时对分布式的输入数据要求以及计算机开销要求也越高；反之，网格精度降低，网格与网格之间的水力学关联就不那么紧密，相应地削弱了模型的水力学物理基础。因此除了模拟流域具备完整的模拟资料，而且计算机的计算和存储技术有很大改进，那么具有水力学物理基础的分布式水文模型由于尺度效应问题将很难在短期内运用到较大尺度的流域上。从当前的研究成果来看，具有物理基础的分布式水文模型和概念性分布式水文模型在模拟精度上并没有明显的区别，因此，将RS、GIS、DEM技术和概念性水文模型结合，在自然流域或相对较大尺度的栅格上进行分布式水文过程模拟，对水资源进行动态分析和评估，具有良好的应用前景和实际应用价值，是当前分布式水文模型发展的一个重要方向。 

其次，在分布式模拟技术和概念性水文模型结合的研究领域，国内外在RS、GIS、DEM等先进技术和概念性水文模型的耦合应用方面所采取的技术路线比较类似，但是，耦合应用在以下方面还可以进一步发展和提高：1)有效解决遥感数据的瞬时性和水文模拟的时序性之间的关系；2)充分利用遥感影像数据源，尽可能多地反演水文模型参数，如初始的土壤湿度场、地表反照率、地表粗糙度、NDVI、LAI等，并有效提高参数反演的精度；3)解决遥感数据尺度和水文模型的模拟单元尺度之间的匹配，提出水文模拟单元分辨率取值的合理建议方案；4)利用GIS技术，结合数学手段，在模型参数的空间离散化方面发挥更大的作用，使模型参数更加符合流域实际的气象、水文空间分布特征；5)GIS技术强大的可视化表达和结果分析功能可以使水文模型更好地分析和显示水文模拟结果。 

第三，先进技术的应用可以为分布式水文模型带来方法和手段上的更新，但并不能代表模型本身的高效性，需要通过分布式模拟技术加上先进的产汇流机理，才能构建出一个好的实用的分布式水文模型，因此在模型核心的产汇流机理研究方面还有很大的发展空间。 

产流过程应该是超渗和蓄满产流机制之间的有机结合和动态转换，只不过何时采用何种产流机制，两者之间的比例如何分配，起决定性作用的应该是流域的降雨量特征和下垫面土壤含水量特征的对比，而不是根据气候条件的干旱和湿润与否，在模型建模前决定采用那种产流机制。那么，采用何种方式来平衡两种已知的而且经过充分验证的产流机制，解决模型的产流问题，使模型能够适用于各种气候、植被、土壤状况下的水文过程模拟，就对我们提出以下的问题： 

超渗产流通过雨强来判断是否产流，需要对降雨过程采用数分钟至半小时的时间步长进行雨量观测，这些数据可用于暴雨过程的模拟，而对日步长以上的长时段水文过程模拟来说，输入的观测数据为日降雨数据，这些数据只能反映降雨量的数值大小，而不能反映雨强，那么如何利用这些日降雨量数据来恰当地估算雨强，从而在长时段水文过程模拟中考虑超渗产流的影响？或者干脆不能计算？同时降雨量观测的时间步长对超渗产流机制的影响到底有多大？ 

从空间上来讲，湿润地区可通过蓄满产流来模拟，干旱地区可通过超渗产流来模拟，那么，半干旱、半湿润地区用哪种产流机制来模拟？随着气候条件和下垫面条件的变化，处于蓄满和超渗产流过程中间的产流如何计算？两者的比例如何划分？从时间上来讲，流域的产流是一个动态变化的过程，那么如何来表达产流的这种动态变化？