数字小流域范文

数字小流域范文（精选3篇）

数字小流域 第1篇

随着数字水文的发展,基于数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)的分布式水文模拟成为当今水文界研究的热点和前沿问题[1]。通过DEM可以提取流域的许多重要水文特征参数,如流域网格单元的高程、坡度、坡向、地形指数、流域面积、汇流路径、流域边界线等,这些水文特征参数的提取为分布式水文模型的建立提供了基础数据。

DEM作为分布式水文模型的重要输入之一,其取样方式和空间分辨率等都会对信息量和流域特征的提取产生影响,从而影响水文模拟的结果,这也在一定程度上引起了分布式水文模型的不确定性。目前常用的DEM取样方法有网格平均法、中心取样法等[2,3],另外,根据流域汇流特点有学者采用了最低标高法进行取样[4],还有学者考虑网格累积流的权重因子而提出了ZB算法[5],并与网格平均法进行了比较[6],结果表明取样方法对流域特征的提取有较大影响;研究表明,DEM空间分辨率不同时,信息量会有不同程度的损失,从而影响分布式水文模拟的结果[7]。

本文在前人研究的基础上,采用SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)3s分辨率的DEM数据,利用ZB取样法、最低标高法、网格平均法分别生成6s、12s、18s、24s、30 s等5种分辨率的DEM数据,利用敖天其教授开发的不依赖于GIS软件的独立软件提取流域特征参数,将3种方法提取的高程、坡度、地形指数、流域面积和主河道长度进行统计分析,并利用信息墒对不同分辨率下的DEM信息量进行评价。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

本文选取日本富士川流域(35°-36°N,138°-139°E)为研究区域,所使用的DEM网格规模为1 200行1 200列。该流域为日本三大险峻河流之一,流域面积3 570 km2,主河道长度128 km,全流域大约88%被森林覆盖,平均降雨量约2 100 mm。流域数字化河网如图1所示。

1.2 流域特征提取方法

本文提取流域特征参数时,采用敖天其教授开发的不依赖于GIS软件的独立软件。这里主要对与当前GIS软件处理方式不同的洼地处理和河网生成方法做简要的介绍。

消除洼地时,针对现行方法容易生成伪河道和平行河道的问题,研究者认为DEM中闭合洼地和平坦区域是由于低质量的资料输入、生成DEM时的内插误差等引起的。该方法通过增加输入地形高程信息,避免了DEM中平坦区域和闭合洼地的生成,从而使由DEM生成的河网与实际河网能够精确拟合[8]。

河网生成时,为克服D8算法只限于8个水流方向的局限性,研究者提出了引入概率决定水流方向的Rho8方法,允许一个网格有多个水流方向的多方向法,融合数字河流与DEM的D8算法等改进算法[9]。

1.3 DEM取样方法

采用网格平均法由3s分辨率DEM生成更大网格尺度的DEM数据时,直接取横向和纵向的II个(I为DEM网格扩大的倍数)原始DEM数据的平均值作为一个新的网格尺度的DEM;采用最低标高法时,则取II个原始DEM数据的中的最小值作为一个新的网格尺度的DEM。

ZB算法由余钟波教授[5]提出,其思想是在由高分辨率的DEM数据聚集成低分辨率DEM数据的过程中,增加汇流面积大(即河道网格)的网格高程权重,而保持汇流面积小(即流域边界处)的网格高程,该方法引入含有河网和流域边界信息的网格累计流作为计算权重因子。具体步骤为:首先对3s分辨率的SRTM数据进行洼地消除、流向和分水线计算、网格累积流计算,然后将网格累积流作为权重因子,根据式(1)和式(2)生成大尺度网格DEM数据,同时以FAC作为算法控制变量,在计算过程中保持位于流域边界处的网格高程。

$\begin{array}{l}FAC(i,j)={\displaystyle \sum _{m=1}^{{\rm I}}{\displaystyle \sum _{n=1}^{{\rm I}}f}}ac[(i-1){\rm I}+m,(j-1){\rm I}+n](1)\\ elev(i,j)={\displaystyle \sum _{m=1}^{{\rm I}}{\displaystyle \sum _{n=1}^{{\rm I}}\{}}elev[(i-1){\rm I}+m,(j-1){\rm I}+n]\\ fac[(i-1){\rm I}+m,(j-1){\rm I}+n]\}/FAC(i,j)(2)\end{array}$

式中:fac为3s网格尺度DEM数据第(i,j)个网格的累积流,elev(i,j)表示3s网格尺度DEM的第(i,j)个网格的高程,m。

1.4 信息墒

信息墒理论来源于信号通讯理论,它是通过分析组成通讯信号的数字或符号的统计特征来定量表示信号通讯能力即信息量的大小[10]。信息墒对随机事件所含信息量大小的度量是依据不同信号出现的频率大小为依据。根据信息论的思想,可以认为DEM的一系列栅格为关于高程的一维离散平稳信源(xi,i=1,2,,N),信源的信息墒H是从整个信源的统计特性来考虑的,它表征了平均意义上信源的总体信息测度。信息墒H(X)的定义为:

${\rm H}(X)=-{\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}}{\rm P}}(x{}_i)\ln {\rm P}(x{}_i);{\displaystyle \sum {\rm P}}(x)x=1(3)$

当信号之间的距离充分小时,P(xi)可以用一个连续变化的概率密度分布与变量相乘代替,此时有:

$\begin{array}{l}{\rm H}(X)=-{\displaystyle \sum f}(x)x\text{l}\text{n}[f(x)x]=\\ -{\displaystyle \sum [}f(x)\text{l}\text{n}f(x)]x-{\displaystyle \sum [}f(x)\ln x]x=\\ -{\displaystyle \sum [}f(x)\text{l}\text{n}f(x)]x-\ln x(4)\end{array}$

当随机信号正态分布时,上式可化为:

${\rm H}(X)=\frac{{\rm N}}{2}\ln (2\text{π})+\frac{1}{2}\ln |\sigma |+\frac{{\rm N}}{2}-\ln x(5)$

式中:N为随机变量X的个数(即DEM网格个数);σ为随机信号的方差(即DEM数据的方差);Δx为随机信号之间的距离(即DEM数据的栅格边长)。

通过信息墒的分析,可以看出何种DEM取样方式提供的信息量更多,以及生成低分辨率DEM过程中信息量的损失情况。

2 流域特征参数分析

2.1 高 程

原始3s分辨率的DEM数据根据不同取样方法生成的5种低分辨率下的DEM数据高程统计值见表1。由表1可以看出,ZB算法计算得到的高程最大值在3种取样方法中最大,最低标高法得到的高程平均值减小最快,3种方法得到的高程最小值差别不大。ZB算法计算得到的均方差最大,最低标高法最小,这表明随着DEM分辨率的降低,采用最低标高标时,地形起伏变小程度最大,地形特征值损失较快,而ZB算法则最好的保留了地形的复杂性,并有使地形复杂度缓慢增大的趋势。另外,随着DEM分辨率的降低,高程信息墒逐渐减少,这表明DEM数据中的信息量随着分辨率变低逐渐有所损失,地形逐渐趋于坦化,并且ZB算法生成的DEM信息量损失最慢。

注:a为ZB算法;b为最低标高法;c为网格平均法。

2.2 坡 度

坡度是描述地面复杂度的一个指标,与DEM分辨率有很大的关系,对地表径流的产生、下渗及土壤流失等有很大影响,流域坡度统计见表2。由表2可以看出,3种取样方式得到的坡度最大值、平均值和均方差均随着DEM分辨率的降低而减小,这是因为DEM分辨率变低时,流域地形趋于平坦,坡度变缓,相应的地面坡度值也就变小了。比较相同分辨率下3种方法得到的统计值可以看出,ZB算法得到的坡度最大值、平均值、均方差、信息墒均为三者中最大,这表明ZB算法的坡度信息量衰减速度要小于其他两种方法。最低标高法除信息墒比网格平均法大外,其他统计值均比网格平均法小,这是由于按最低标高法取样时,往往舍弃了高程较大的点,从而使流域坡度值总体偏小。

注:a为ZB算法;b为最低标高法;c为网格平均法。

2.3 地形指数

地形指数是单宽上坡集水面积与相应坡度之商的自然对数,其值主要受地面坡度的影响。在分布式水文模型TOPMODEL及BTOPMC中,它决定着整个流域土壤饱和亏缺量的分布,因此对于产流过程也起着至关重要的作用,地形指数的变化将直接影响模型模拟的精度(表3)。从表3可以看出,随着DEM分辨率的降低,地形指数最小值和平均值逐渐增大,而最大值变化并不明显,这是因为地形指数的最小值是由坡度的最大值决定的,而最大值是由坡度最小值决定的,表2表明,坡度最大值随DEM分辨率的降低而减少,但坡度最小值相等。3种取样方法均方差变化相差不大,整体上ZB算法要略大。地形指数信息墒随着DEM分辨率降低而减少,ZB算法信息墒相对其他方法要大。

注:a为ZB算法;b为最低标高法;c为网格平均法。

2.4 流域面积

流域面积为河口或河流某断面以上分水线所包围区域的平面投影面积,是衡量河流大小和水文研究的重要参数(表4)。由表4可见,除个别情况外,随着DEM分辨率的降低,提取的流域面积整体上呈增大的趋势,这是因为流域边界的地形信息变化往往比较复杂,随着DEM分辨率的增大,边界处的复杂地形相应的综合概化,使得流域边界栅格流向的确定具有很大的随意性,从而导致提取的流域边界往往不一致。与研究区域的实际面积3 570 km2相比,ZB算法和最低标高法提取的流域面积要接近一些,而网格平均法提取的流域面积相对偏小。

注:a为ZB算法;b为最低标高法;c为网格平均法。

2.5 主河道长度

主河道长度是指自河源沿干流到流域出口的流程长度,它是影响产流特性的重要因素,对水文过程的时间特征非常重要。由表5可以看出,随着DEM分辨率的降低,主河道长度逐渐减小,且均小于实际主河道长度128 km,与实际主河道长度相比偏差在2.66%～10.43%。这种差别是由于网格大小的变化会导致网格流向的变化,河道起始点的空间位置也会发生相应的改变,引起河流长度的变化。对比不同取样方式生成的主河道长度,网格平均法略大,但差别总体上不大,偏差幅度仅在0.40%～2.84%。这说明主河道长度主要受DEM分辨率的影响,取样方法对其影响不大。

注:a为ZB算法;b为最低标高法;c为网格平均法。

3 结 语

数字流域特征参数对于基于DEM的分布式水文模拟是非常重要的,它将直接影响模拟的精度和径流特性。本文以富士川流域为例,采用SRTM3s的原始DEM数据,利用3种取样方式,分别生成了6 s、12 s、18 s、24 s、30 s 5种分辨率的DEM,并分析了不同取样方式和不同分辨率下生成的数字流域特征参数,主要得出以下结论。

(1)不同取样方式生成的数字流域特征参数不相同,总体而言,ZB算法对应的高程、坡度和地形指数的均方差和信息墒要大于其他两种方法,表明ZB算法在取样过程中较好的保持了流域的特征值,信息量的损失得到了较好的控制,而最低标高法和网格平均法的差别并不明显。不同取样方式对主河道长度的影响不大,网格平均法提取的流域面积较实际面积略小。

(2)DEM空间分辨率对数字流域特征参数影响明显,随着DEM分辨率的降低,流域地形发生坦化,平均坡度和主河道长度逐渐减小,平均地形指数和流域面积逐渐变大,其中流域面积和主河道长度变化不大。利用信息墒度量流域特征参数可以发现,信息墒随着DEM分辨率的较低减小速度较快,这说明随着DEM分辨率的降低,所提取的数字流域信息量逐渐减少。

本文只是从数字流域的特征参数方面进行了初步的研究,对于不同的取样方式和DEM空间分辨率对分布式水文模拟结果的影响,并没有做出定量的分析。在进行分布式水文模拟时,采用何种取样方式,在何种DEM分辨率下能获得最好的模拟结果,还有待进一步研究。

摘要：DEM空间分辨率和重取样方式对流域特征参数的提取会产生重要影响。以SRTM3s分辨率的DEM数据为基础,采用ZB算法、最小标高法、网格平均法3种取样方法,分别生成5种不同空间分辨率的DEM,并对提取的数字流域特征参数进行统计分析,引入墒的概念度量取样方法和DEM空间分辨率所包含的信息量。结果表明:DEM数据中的信息随着分辨率的降低逐渐有所损失,ZB算法较其他两种方法能减缓地形信息量的衰减速率。

关键词：取样方式,DEM分辨率,流域特征,墒

参考文献

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[9]Ao T Q,Takeuchi K,Ishidaira H.On the method of generatingartificial strean networks of large river basins and its effect onrunoff si mulation(in Japanese)[J].Annual Journal of HydraulicEngineering,JSCE,2001,45:139-144.

[10]张学文,马力.熵气象学[M].北京:气象出版社,1992.

跨流域调水工程小论文 第2篇

浅析南水北调中线工程跨流域调水

【摘 要】南水北调中线工程是由汉水及长江引水，缓解河南、河北和京津地区水资源危机的特大型跨流域调水工程。该工程以城市供水为主要目标，兼顾农业与生态用水，是党中央、国务院根据我国经济社会发展需要作出的重大决策，不仅经济效益巨大，而且政治意义深远。本文通过对近年中线工程实施情况的分析，力求比较客观、全面地介绍南水北调中线工程建设的发展水平与动向、社会经济效益、对自然环境的影响以及建设中遇到的问题。

【关键词】南水北调;效益;环境影响

1.调水工程所涉及的效益关系

1.1调水工程的经济效益

长距离大流量的调水要改变用水区的自然生态环境和经济结构，涉及许多地区居民的利益，因此不仅是个水利问题，而且是个社会问题。现在，随着调水工程技术的发展，采取调水措施大多是以多用途的综合利用水源为目标。设计周全的调水工程不仅改善了用水地区的农业灌溉，改变了缺水地区水、盐平衡状况及水土资源的综合平衡状况，极大的增加了农作物的产量。与此同时还能获得发电、城市和工业用水、航运、防洪等多方面的经济效益。

(1)灌溉：对于干旱、半干旱地区，人口增长与相应的粮食短缺和环境容量存在较为突出的矛盾，调水灌溉可以使粮食产量大幅度增加，从而解决粮食短缺的问题。但与此同时，也存在一些其它的矛盾。由于灌溉用水量大，而相对来说农产品的价值较低，灌溉用水效率低下，灌溉不当导致土地盐碱化等原因使调水灌溉经济效益低下。因此，在南水北调中线工程实施过程中这些因素度必须切实考虑，实现调水工程的最大效益。

(2)发电：以发电为目的是调水工程的一大特色。比如，在加拿大已建和在建的`调水工程中，95%的调水量是用于水力发电，因此，加拿大最近几年改变了策略，不再向美国出口水，而将电力输送到美国而获得巨大的经济效益。同样，世界的大多数调水工程也都有水力发电功能，且取得良好的经济效益。鉴于此，南水北调中线工程调的水是自流，完全可以利用地势落差来发电，这样经济效益会更大，而不仅仅是为农业城市供水。

(3)航运： 丹江口水库加高后，可使丹江的库容从目前的209.7亿m提高到330亿m ，使丹江地区的水域面积扩大，出现平湖，利于航运发展。比如在香花宋岗建设大型码头，加深河南南阳盆地与湖北江汉平原的经济交流，对促进中国主要粮棉地区地经济发展具有重要意义，同时也可拉动豫、陕、鄂交界贫穷地区的经济，帮助当地脱贫致富。

(4)工业发展：国家建设大型调水工程需要进行大量的投资，同时，大型调水具有调节水量的作用，可以促进调水工程沿途及受水区的生态循环。南水北调工程投资引起对水泥制造业、金属冶炼业、电器机械及器材制造业、石油化工业的需求。这些产业的发展以及利用中部地区技术、人才、教育优势和信息技术改造中部地区的传统农业，将带东中部地区高新技术产业的发展。其次，先节水、治污，再送水，是南水北调工程实施的一个基本原则，以节水、提高用水效率和治污为前提，发展节水农业、节水工业和低污染产业，促进中部地区产业结构的调整。

1.2调水工程的社会效益

从世界范围来看，一些大型长距离跨流域多用途调水工程的建设，不仅取得了巨大经济效益，而且促进了所在地区的社会进步，使得社会、经济全面向前发展。他们的这些正是我们实施南水北调工程可以借鉴的经验，通过与国外工程的比较，结合自身条件研发出适合自己发展的道路，将南水北调工程的效益发挥到极致。

1.3调水工程的生态环境效益

(1)调水有利于水循环、调水使受水区增加广阔的水域，导致大气圈与含水层之间的垂直水汽交换加强，有利于水循环。(2)调水形成薄层积水土壤的过湿地段湿地，可净化污水和空气补偿调节江湖水量、调节气候，有助于形成食物链基地，保护生物多样性。(3)调水灌溉可防止因超采地下水带来的危害。(4)调水灌溉还对地区防洪起到作用。(5)调水有利于休闲和旅游业。(6)调水有益于人类健康。(7)调水灌溉有利于环境变化的良性循环。

1.4调水工程的技术特性

一般来说，任何调水工程都是由水源工程、输水工程和供水工程所组成的，亦即都包括取水、输水和用户供水的各种水工建筑物。根据调水量、调水距离、用途、实现调水区域的自然地理条件，调水系统某些环节的工程技术方案可能很不相同。

1.4.1水源工程

(1)在人口稠密的丹江口地区，水利枢纽在河口范围内以调节河川径流以尽量减少淹没土地。

(2)在克服水水源工程中，根据地形条件，有时需要设置水泵站提水进入渠道，用水泵汲水来头差。

(3)在供水河流不能保证所需要的调水量的情况下，要建水库甚至是梯形水库，以便进行季调节和多年调节河川径流。

1.4.2输水工程

南水北调中线为长距离输水，因此主要采用渠道输水。从保持调水水质和水量以及保护生态环境的角度看，渠道中有无防渗护面和何种防渗护面是非常重要的。因此，在输水干渠上做防护层，甚至做混凝土防护层，以减少水量散失，为将高水质大量的湖水输送至北方缺水区奠定坚实的基础。

1.4.3供水工程

(1)在水被送到农业灌溉用水区后，再用水区要按照干、支、斗、农、毛的灌溉渠道等级体系，建设大量的灌溉配水区网。

(2)为了选择最佳的调水线路和工程结构方案，一般要进行多方案的设计。

(3)从水的调配来看，设计每一局部调水系统时，考虑其在大区或国家统一水利系统中的位置，用调水渠道把国家主要水源连接起来，形成国家统一水网。

2.中线优缺点

中线的优点是水质比较有保证，可以供水的范围比较大。中线只与汉水、长江的水质有密切关系，它不与淮河、黄河平交，因此水质较有保证。主要解决大中城市生活及工业用水，兼顾农村乡镇及农业用水问题。中线的缺点是丹江水量不够以及输水渠要穿过许多大小河汊，需要建许多交叉建筑物。这些渡槽、倒虹吸的规模都比较大。长的有几公里，短的也有好几百米，不仅工程量大、造价高而且运行、维护、管理也不容易，任何一座建筑物发生故障，就会影响到正常输水。另外中线渠线的北段，即淮河以北的很长距离内，缺少较大的水库来调蓄水量，运行上的灵活性要差些，再有倒虹吸的渠段均无法通航。另外，露天水渠的渠水有被污染的问题，因此在施工过程中必须把这些因素考虑进去，才能使其发挥巨大作用。 (下转第308页)

(上接第238页)3.结尾

南水北调中线工程无论是在规模上还是在技术难度上都可与世界上已建工程相媲美，同时也自然有一定的艰巨性和复杂性，在调水工程的规划、设计、建设和运行管理中，应根据自身的自然地理条件、工程地质、社会经济等实际情况和条件，设计创造出合适的调水模式。同时在调水渠道线路、工程施工、水工建筑物设计、环境与生态保护工程、节水、污染治理也可借鉴国外先进经验和技术，成功实施南水北调工程。 [科]

【参考文献】

小流域治理模式及效益分析 第3篇

[关键词]小流域：治理模式：效益分析

1、基本情况

1.1自然地理概况七家子乡海四台小流域位于阜新蒙古族自治县西部，属于细河流域伊马图河支流佛寺水库上游，流域面积13.18 8Km²，其中水土流失面积8.17Km²，属于石质低山丘陵区。地貌类型为低山丘陵区，海拔高程210－550m，相对高差340m。地势为西高东低。坡度范围6°－28°，沟壑密度2 9Km／Km2。土壤多为轻壤土，土层厚0.2－2.1m，有机质含量0.87％，PH值7.5左右。

项目区土地资源面积1318hm²，治理前土地利用状况为：农业用地381hm²，占金区面积的28.9％；林业用地254hm，占全区面积的19.3％；荒山荒坡面积615hm²，占全区面积的46.7％；其它用地68hm²，占全区面积的5.1％。治理后土地利用现状：农业用地面积没有变化，占28.9％；林业面积592hm²，占44.9％；草场面积307hm²，占23.3％；其它用地38hm，占2.9％。全区人均土地面积10.7亩，人均耕地面积3.1亩。

项目区治理前植被较差，林草面积355hm，覆盖率26.9％：治理后林草面积达到899hm²，覆盖率达到68.2％。水土流失治理程度由原来20.4％，达到90.3％。1.2社会经济状况流域内有人口1844人，其中：农业人口1703人。农业劳动力821人。人口密度为140人／Km²。农村产业结构：治理前以农业生产为主，农业总产值147万元，人均收入1028元，粮食平均亩产265kg；小流域治理后农、林、牧全面发展，农业总产值238万元，增长61.9％，人均收入1568元，增长52.5％，粮食平均亩产470kg，增长77.3％。

2、治理规模与模式

2.1治理规模小流域治理期为3年，治理程度由20.4％，达到90.3％，蓄水效益达71.1％，保土效益达91.5％，治理区水土流失得到有效控制，林、果、草初具规模。项目区增加林草面积544hm。林草面积占宜林宜草面积的100％，人为水土流失得到控制，水保工程安全度汛，生态环境达到良性循环。农、林、牧各业有较大的发展，总产值、总收入增加近60 55％，粮食产量增加70－80％，人均收入比治理前提高46－47％。

治理前水土流失面积817hm²，综合治理后治理工程总面积738hm²，其中：水平梯田113hm²，地埂植物带40.6hm²，经济林果30.7hm²，种10.5hm²，封禁治理664.9hm²，谷坊11座，蓄水池2座，沟头防护6.2Km，农田作业路7.8Km，淤坝地6座，方塘1座。