专利名称：一种高分辨率的全分布式水文模型topx的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种结合新的地形指数的全分布式水文模型设计方法，具体的说是一种借助于即考虑地形指数概念和新安江模型的水量平衡思想的TOPX模型，结合新的地形指数计算方法，建立耦合新的地形指数计算方法的具有地形指数尺度转换机制的高分辨率的全分布式水文模型TOPX的设计方法。
背景技术：
水文过程是一种非常复杂的大气、陆面及地下水循环现象，流域水文模型是水文科学研究的有效工具。所谓流域水文模型是用数学的方法描述和模拟水文循环的过程，即将流域概化成一个系统，降水量是系统的输入，流量是系统的输出，同样，蒸发和壤中流也可以被认为是输出。水文模型中典型代表有T0PM0DEL和新安江模型等。T0PM0DEL模型和新安江模型(徐精文.基于蓄水容量曲线和T0PM0DEL概念的流域水文模型构建及其与Noah LSM的耦合研究[D].北京中国科学院大气物理所，2009.)都是基于变动产流源面积理论的分布式概念性模型，这两个模型结构简单，优选参数少，尤其是T0PM0DEL模型的优选参数更少，而且与观测的物理水文过程有密切联系，模拟效果好， 已被应用到水科学研究的各个方面。然而，新安江模型只考虑了土壤中含水量的变化，无法有效表达地下水位的动态变化，而地下水位对大气模式和气候模式中水分和能量平衡有重要的影响。T0PM0DEL模型对地下水位的刻画上存在一个严重问题，即T0PM0DEL模型刻画地下水动态变化时存在与实际情况偏差的问题(平均地下水水位线高于地面)，而且仅仅通过改进该模式很难解决这一问题。具有地形指数尺度转换机制的大尺度陆面水文过程模型 TOPX (雍斌.陆面水文过程模型TOPX构建及其与区域气候模式RIEMS的耦合应用[D].南京南京大学，2008.)很好的解决这些问题，该模型能够简单高效的表达陆地表面地形地貌特征的，同时又能较好描述二维水文过程，提高了水文模型的模拟效果，对大尺度陆面水文过程模拟有良好的稳定性。在TOPX模型中，由于涉及大尺度，DEM网格大，地形指数的计算量小，应用方便。在对于高分辨率DEM的研究区域，面临以下问题涉及高分辨率的研究流域，DEM网格分辨率小，DEM网格数量多，DEM数据量大时， 地形指数的计算工作量则会非常巨大，处理大的DEM数据时非常耗时，导致死机，严重影响 TOPX模型在高分辨率的DEM区域的应用。
发明内容
1.发明要解决的技术问题本发明的目的是借助于考虑地形指数概念和新安江模型的水量平衡思想的TOPX 模型，结合新的地形指数计算方法，建立构建具有耦合新的地形指数方法的地形指数尺度转换机制高分辨率的全分布式水文模型TOPX(见
图1)，通过利用当地的数字高程模型数据、土壤类型矢量数据、土地利用类型栅格数据和水文气象数据，对高分辨率的全分布式水
6文模型TOPX模型参数进行率定，以便高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型能准确的模拟当地的水文过程。该模型能够简单高效的处理DEM数据，提高地形指数的效率，解决TOPX 模型在高分辨率研究流域情况下，DEM网格数量多，数据量大，地形指数的计算工作量非常巨大，处理大的DEM数据非常耗时，甚至导致死机的问题，有效的提高了 TOPX模型在在高分辨率的DEM区域的应用。2.技术方案本发明目的通过以下方案实现本发明的一种高分辨率的全分布式水文模型TOPX的设计方法，其步骤为A)高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型数据准备；B)高分辨率的全分布式水文模型TOPX地形指数的计算；C)高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型产流计算；D)高分辨率的全分布式水文模型TOPX 土壤湿度计算；E)高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型的汇流计算；F)模型测试结果及其分析。步骤A 高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型数据准备包括1)高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型需要的气象数据包括逐日的最高气温、最低气温、降水量、相对湿度、风速、日照时数和20cm小型蒸发皿蒸发量；2)高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型需要的水文数据逐日径流量数据和次洪数据；3)高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型需要的基础地理数据数字高程模型数据、土壤类型矢量数据和土地利用类型栅格数据。步骤B高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型地形指数的计算1)填洼算法填洼算法先建立两个栈(栈A和栈B)，把临时DEM中分位数最小的那些栅格的位置信息(i行j列)存储在栈A或栈B中，分位数最小的那一类中每个栅格(用c表示)进行循环处理，如果栅格单元属于洼地则令其等于其相邻栅格中最低的一个；若不是洼地则令其等于它对应的初始矩阵的值，并且将此栅格从栈中剔出，将没有被剔出的栅格存放到另一个栈中(栈B或栈A)。然后再对栈B或栈A进行类似的处理。重复此过程，直到栈中只剩下洼地为止，这些洼地的位置信息最终会保存在两个栈中的一个里。第一类洼地填充和平坦区处理的C++伪码如表3-1所示。表3-1中符号δ (η)要么为0，要么代表微小高程。如果δ (η)取值为0，洼地被填成平地；如果δ (η)取一个微小高程，比如对于对角线方向取0.000141，非对角线方向取 0. 0001，则初始DEM被新方法处理后，没有平坦区的存在。表3-1对分位数最小的一类进行填洼的算法伪码
权利要求
1.一种高分辨率的全分布式水文模型TOPX的设计方法，其步骤为A)高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型数据准备；B)高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型地形指数计算；C)高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型产流计算；D)高分辨率的全分布式水文模型TOPX土壤湿度计算；E)高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型的汇流计算。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率的全分布式水文模型TOPX的设计方法，其特征在于步骤A)中，所述高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型的数据准备包括气象数据、水文数据和基础地理数据，其中，气象数据包括日最高气温、日最低气温、日降水量、日相对湿度、日均风速、日照时数和20cm小型蒸发皿蒸发量；水文数据包括逐日径流量数据和次洪数据；基础地理数据包括土壤类型矢量数据、土地利用类型栅格数据和数字高程模型数据。
3.根据权利要求2所述的一种高分辨率的全分布式水文模型TOPX的设计方法，其特征在于步骤B)中模型地形指数计算，计算步骤如下(1)输入DEM栅格数据(除边界以外的所有点存储在二维数组A中)； 计算出高程数据的8个分位数； 创建一个大小和A —样的数组B ；对于数组A中的每一个元素，如果其值小于第1分位数，则将数组B中对应位置的值全部赋值为第一分位数；如果其值小于第二分位数且大于第一分位数，则将数组B中对应位置的值全部赋值为第二分位数；…；如果其值小于第八分位数且大于第七分位数，则将数组B中对应位置的值全部赋值为第八分位数； 创建两个完全一样的栈栈A和B ； 并将数组B中值为第一分位数的位置信息存储在栈A中；(a)令flag = False ；对于栈A或栈B中的每一个元素；对于任一栅格C，如果其在数组A中的值 >其在数组B中相邻的8个栅格的值 + δ (η) ？将栅格C在数组B中的值赋值为数组A对应位置的值，并令flag=TrUe，同时从栈A 或栈B中删除栅格C;(b)令flag =ture对于栈A或栈B中的每一个元素 flag = False ？ 结束数组B中第一类填洼完成，其他7类方法相同(c)令flag = False对于栈A或栈B中的每一个元素对于任一栅格C，如果其在数组A中的值=其在数组B中相邻的8个栅格的值+ δ (η) ？ 对于任一栅格C，如果其在数组B中的值〉其在数组B中相邻的8个栅格的值+ δ (η) ？将栅格C在数组B中的值赋值为这一相邻栅格的值，并令flag=TrUe，同时将栈Α/Β 中元素移到栈Β/Α中(d)令 flag = False对于栈A或栈B中的每一个元素对于任一栅格C，如果其在数组A中的值=其在数组B中相邻的8个栅格的值+ δ (η) ？对于任一栅格C，如果其在数组B中的值 < 其在数组B中相邻的8个栅格的值+ δ (η) ？flag = False ？结束数组B中第一类填洼完成，其他7类方法相同 (2)直接根据D8算法指定水流方向，计算地形指数 T=In (a /tan β ),式中In是指自然对数，α代表单位等高线长度上游集水面积，tan β表示坡度。
4.根据权利要求3所述的一种高分辨率的全分布式水文模型TOPX的设计方法，其特征在于步骤B)中高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型产流计算，推出一个混合式产流方案，即基线径流方案，其产流公式如下式中，Asat为饱和面积百分比，Srai为净降水，ι为土壤层深权重指数，Λ为最大地下径 i獵’ KsaM是土壤底层的饱和水力传导率，~为第i层的体积土壤水含量，^是土壤有效空隙度，和&是第i层的土壤深度和时间步长，々为缺水深，i 为土壤质地构造参数，Wbm蓄水容量参数。
5. 5.根据权利要求4所述的一种高分辨率的全分布式水文模型TOPX的设计方法，其特征在于步骤C)建立土壤蒸散发计算模型，模型公式如下 a.当 ΡΕ>0 (1) WU+PE-R>WUM WU+WL+PE-R-ffUM>ffLM WUM=WU WLM=WL
6.根据权利要求1、中任一项所述的一种高分辨率的全分布式水文模型高分辨率的全分布式水文模型TOPX的设计方法，其特征在于步骤D)采用栅格水系滞时演算法汇流来进行汇流处理，栅格汇流时间公式如下
7.根据权利要求广5中任一项所述的一种高分辨率的全分布式水文模型TOPX的设计方法，其特征在于步骤Ε)通过考虑不同径流类型的沿程传输损失，获得流域出口的流量过程，按以下公式计算式中，Q.^-% (子)流域出口处的汇流流量(m3 · S—1) ； δ,；为分水源后的栅格径流流量为汇流传输损失系数，通过率定得到；η为汇流时间的指数，指数越大，沿程损失越严重，通常取= 1，表示汇流流量与汇流时间成倒数关系。
全文摘要
本发明公开了一种高分辨率的全分布式水文模型TOPX的设计方法，属于全分布式水文模型的设计方法领域。本发明结合新的地形指数计算方法，建立具有地形指数尺度转换机制高分辨率的全分布式水文模型TOPX方法，其步骤为A)高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型数据准备；B)高分辨率的全分布式水文模型TOPX地形指数的计算；C)高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型产流计算；D)高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型土壤湿度计算；E)高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型的汇流计算；F)高分辨率的全分布式水文模型TOPX模型测试结果及其分析。本发明能够简单高效的处理DEM数据，提高地形指数的效率，有效的提高了TOPX模型在在高分辨率的DEM区域的应用。
文档编号G06F17/50GK102508961SQ20111033932
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月31日 优先权日2010年12月16日
发明者张万昌, 邵月红, 雍斌 申请人:南京大学