PDTank模型應用簡述

PDTank模型應用簡述摘要：PDTank模型是一種具有物理機制的分布式水文模型，是在水箱模型的基礎(chǔ)上改進而來的。水箱模型是一種概念性徑流模型，把對由降雨轉(zhuǎn)換為徑流的復雜過程簡單地歸納為對流域蓄水容量與出流的關(guān)系進行模擬。由于水箱模型是一種概念性的的集總式流域模型，因此對其進行了改進，使其成為具有物理機制的分布式水文模型。該模型能夠綜合考慮氣候、土地利用、植被、地表水、和地下水等條件，并且能夠和GIS、遙感技術(shù)有機結(jié)合。通過與GIS相關(guān)技術(shù)的緊密結(jié)合模型可以應用于流域水資源綜合管理，水資源利用規(guī)劃、評價，為流域管理者和決策者提供有力的支持。關(guān)鍵詞：PDTank模型；分布式水文模型；GIS;應用0引言水箱模型是日本菅原正巳博士在1961年提出，并不斷發(fā)展成為一種被各國廣泛采用的流域水文模型。水箱模型有很多優(yōu)點，盡管計算量較大，但是應用效果較好。隨著計算機技術(shù)和參數(shù)優(yōu)選技術(shù)的發(fā)展，模型也走出了日本，被世界各國所廣泛接受，在國外得到了較為廣泛的應用。水箱模型將流域水文過程的各個環(huán)節(jié)（產(chǎn)流、坡面匯流、河道匯流等）用若干個彼此相聯(lián)系的水箱進行模擬。以水箱中的蓄水深度為控制，計算流域的產(chǎn)流、匯流及下滲過程。如流域較小，可以采用若干個相串連的直列式水箱模擬出流和下滲過程?？紤]降雨和產(chǎn)、匯流的不均勻，對于較大流域需要分區(qū)計算，可用若干個串并聯(lián)組合的水箱，模擬整個流域的雨洪轉(zhuǎn)換過程。在水箱模型概念性集總式水文模型的基礎(chǔ)上改進為具有物理機制的分布式水文模型一一PDTank模型。PDTank模型與ArcGIS或者其他GIS軟件更加緊密的結(jié)合，充分利用GIS軟件的空間處理能力，為模型提供快捷的數(shù)據(jù)輸入和空間模擬能力。利用RS和GIS技術(shù)獲取流域內(nèi)高程、水文、坡向、土地利用、土壤類型、植被類型、表層地質(zhì)等數(shù)據(jù)，通過詳細的數(shù)據(jù)可以節(jié)省調(diào)整參數(shù)輸入時間，也便于體現(xiàn)參數(shù)的物理基礎(chǔ)。本文介紹模型與GIS的綜合應用，應用于對流域的模擬，提高計算精度。PDTank模型結(jié)構(gòu)PDTank模型的基本單元是一個蓄水水箱，圖1為PDTank模型的基本結(jié)構(gòu)。簡單的水箱模型為一組垂直串聯(lián)的水箱，每一個水箱旁邊有出流孔，底部有下滲孔，設(shè)有蓄水深度，通常最下層水箱只設(shè)一個邊孔，無下滲孔和蓄水深度。假定某時刻有來自上游水箱的來水，并有雨水進入頂層水箱，加上該水箱原有的蓄水深度，其和如果大于出流孔高度，則有出流，同時另一部分水量由下滲孔進人第二層水箱，再視該層的蓄水深度與出流孔高度，決定是否出流，依次類推.PDTank模型是一個綜合的水動力學模型（如圖2所示），基于用數(shù)字高程信息表示的地形。模型包括了用于模擬蒸散發(fā)的植被冠層模塊、模擬融雪的能量平衡模塊、模擬坡面流的地表模塊、模擬植被根系區(qū)的地下非飽和層模塊、模擬承壓和非承壓地下水的地下水模塊、模擬明渠流的河道模塊等。PDTank模型中土地利用、土壤屬性和地理特征都在每一個數(shù)字高程網(wǎng)格中預先定義。在每個計算步長中，對于流域上的每一個網(wǎng)格，模型建立了聯(lián)立的能量和水量平衡方程組，模型的總體結(jié)構(gòu)是基于一系列的存儲水箱而構(gòu)建的。圖1水箱的基本結(jié)構(gòu)表層水箱地表入流非飽和按水衿隔%?？诠ぁ璉［積F會湍口卜滲蒸發(fā)匕7T地表也沌回流河川徑流表層水箱地表入流非飽和按水衿隔%?？诠ぁ璉［積F會湍口卜滲蒸發(fā)匕7T地表也沌回流河川徑流非飽和b人流/北飽和修出流陵透地卜'水出流地卜地卜水人流地卜.水水箱圖2PDTank模型結(jié)構(gòu)PDTank模型主要的物理過程包括降雨、徑流、蒸散發(fā)、下滲、積雪融雪、地下徑流、地表徑流和河道流量演算過程.相應的，模型計算程序中包括積雪與融雪模塊、蒸散發(fā)模塊、地表徑流模塊、壤中流模塊、地下徑流模塊以及河川徑流演算模塊等。PDTank模型首先把流域劃分為大小相同的網(wǎng)格，在每個網(wǎng)格內(nèi)進行產(chǎn)流計算，并劃分地表層水箱、非飽和層水箱和地下水水箱來計算，然后按照匯流演算次序，沿各網(wǎng)格單元水流方向在坡地網(wǎng)格進行坡地匯流演算（坡面流、壤中流和地下徑流匯流計算），在河道網(wǎng)格進行河道匯流演算，最終計算出各河道斷面處的徑流過程，如圖3所示。

圖3圖3PDTank模型主要物理過程降水扣除蒸散發(fā)并經(jīng)截留后到達地面，截留過程中，超滲雨沿地面坡降直接以地表徑流形式匯入河網(wǎng)。下滲到土壤中的降水一部分補充土壤含水量形成壤中流，另一部分則繼續(xù)下滲至地下含水層并形成基流。當雨強超過土壤下滲能力時，則形成超滲產(chǎn)流，這一過程稱之為Horton產(chǎn)流過程，超滲產(chǎn)流量是雨強和下滲量之間的差值。當土壤含水層達到飽和時，形成蓄滿產(chǎn)流，也稱之為Dunne產(chǎn)流過程，在山坡底部與河槽附近，一般容易產(chǎn)生蓄滿產(chǎn)流。隨著地下水位的抬高，當土壤表層趨于飽和或是當雨強大于土壤下滲能力時，開始產(chǎn)生地表徑流.oPDTank模型的計算流程如圖4所示。流域內(nèi)DEM流域內(nèi)DEM數(shù)據(jù)的提取地形解析（生成匯流方向、河道網(wǎng)）模型參數(shù)設(shè)定產(chǎn)匯流計算圖4PDTank模型的計算流程PDTank模型使用過程河道網(wǎng)生成.DEM坡度計算坡度和坡向是兩個最常用的的基本地形因子，在DEM應用中擔當著十分重要的角色。地面上某點的坡度是表示地表面在該點傾斜程度的一個量。因此，它是一個既有大小又有方向的矢量。坡度矢量從數(shù)學上來講，其模等于地表曲面函數(shù)在該點的切平面與水平面夾角的正切值，其方向等于在該切平面上沿著最大傾斜方向的某一矢量在水平面上的投影方向（亦即坡向）?？梢宰C明：任一斜面的坡度等于它在該斜面上兩個互相垂直方向上的坡度分量的矢量。計算坡度的方法可以歸納為五種：四塊法、空間矢量法、擬合平面法、擬合曲面法、直接解法。.計算水流方向水流方向是指水流離開網(wǎng)格時的指向，決定著地表徑流的方向及網(wǎng)格單元之間流量的分配。目前，關(guān)于水流方向的確定方法有：D8方法（或單流向法）、Rh08方法、多流向法、Aspectdrive方法和DEMON方法等。應用比較廣泛的是D8方法和多流向法。3.填洼洼地是高程小于相鄰四周的地點，是進行地理信息提取的障礙之一。PDTank模型利用最大坡度法計算網(wǎng)格的匯流順序，當某一網(wǎng)格的高程低于周圍的8個網(wǎng)格時，就會產(chǎn)生水流集中于洼地，而使流向的搜索無法進行。在生成流向時，如果遇到洼地，則因此有必要先填洼，然后生成流向。.流域邊界的確定首先需要給定流域出口斷面的大致位置，即出口端面所在柵格單元的行列坐標，以2便由此準確地定位流域出庫斷面，一旦出口斷面位置確定，就可按照一定的算法勾畫出流域邊界，最終獲得一個定義流域內(nèi)外的矩陣。.河道網(wǎng)的生成分布式水文模型通常對匯流形態(tài)進行適當分類，PDTank模型采用了地表和河道兩種匯流方式。通過預先設(shè)定一個閾值，將流域方向累積矩陣中數(shù)據(jù)高于此閾值的網(wǎng)格連接起來，便可形成排水網(wǎng)絡(luò)。當閾值減小時，網(wǎng)絡(luò)的密度便相應增加。如果DEM經(jīng)過填充處理，則以此方式得到的排水網(wǎng)絡(luò)將是一完整連接的圖形，對此圖形進行從柵格到矢量的轉(zhuǎn)化處理，便可得到矢量格式的數(shù)據(jù)。.2水箱計算.表層水箱對于一個給定的區(qū)域而言，下滲能力取決于土壤及土地覆被類型，同時也受土壤含水量的影響。在干旱和半干旱地區(qū)，土壤含水量在降雨期間是不斷變化的，并依賴于兩個因素：一是實際的下滲狀況，取決于雨強與下滲能力的變化；是從上層土壤到下層土壤的下滲率，由土壤的形態(tài)及上層土壤的含水量決定。主要的地表產(chǎn)流過程可以概化為上下并列的兩個串聯(lián)水箱，一個是蓄水水箱，它有1個輸入2個輸出，另一個是調(diào)節(jié)水箱，它也有1個輸入2個輸出。2個水箱均有一個決定其出流量大小的狀態(tài)變量，并且通過一個反饋渠道來連接并

將蓄水水箱的狀況和信息傳送到調(diào)節(jié)水箱，兩者之間還存在另一種聯(lián)系，即調(diào)節(jié)水箱的一個輸出為蓄水水箱的輸入。當降雨量超過蓄水水箱最大蓄水能力時，則產(chǎn)生蓄滿性地表徑流，當雨強大于下滲能力時，則發(fā)生超滲產(chǎn)流。向土壤層水箱的下滲量Q0可以由下式估算:h—'Sf0Q0Q0=f。Sf2--Sf0式中：Q0為非飽和層水箱的下滲率；f0為穩(wěn)定下滲率；A為柵格面積；Sf0為發(fā)生壤中流垂直下滲的蓄水水位；Sfi為表層徑流發(fā)生的蓄水水位；Sf2為地表徑流發(fā)生的蓄水水位；h為柵格內(nèi)的蓄水水位。根系層出流量Qri可以根據(jù)下式估算：QriQrih-SfiSf2-Sf0式中：a為根系層徑流出流系數(shù)。地表徑流Qsf可以根據(jù)下是估算：Qsf=L1（h-Sf2）531n式中：L為柵格的長度；n為Manning粗糙系數(shù)；i為坡度。.非飽和水箱非飽和土壤層又稱包氣帶，是土壤水分劇烈變化的土壤層。非飽和土壤含水量直接影響到蒸發(fā)、下滲，并決定了降雨中產(chǎn)生徑流（地表徑流、壤中流和地下徑流）的比例，把降雨、下滲、蒸發(fā)及徑流等水文要素在徑流形成過程中有機地聯(lián)系起來。PDTank模型中假定各網(wǎng)格單元產(chǎn)生的壤中流和地下徑流按其網(wǎng)格流向分別在非飽和層水箱和地下水水箱往下游網(wǎng)格運動，直至匯入河道為止。各網(wǎng)格單元的壤中流和地下徑流均采用串聯(lián)水箱進行匯流計算。模型在計算蒸散發(fā)時，當蒸發(fā)量超過表層水箱容量時，如果非飽和層水箱能夠提供水量時，蒸發(fā)的其余水量由非飽和層水箱提供。非飽和層水箱溢出的部分成為地表水箱的回歸流。非飽和層水箱的水量平衡方程式為：dSfSff八Q"一f(EP-Eas)-Qf-QpdtSf,max式中Qfi為第i個來自相鄰網(wǎng)格的入流（mm）;Sf,max為非飽和層水箱最大蓄水容量（mm）;Qf為非飽和層出流（mm）;Qp為深層滲透（mm）;Eas為表層水箱的實際蒸散發(fā)量（mm）。.地下水水箱地下徑流一般作為河流的基流而存在。降水下滲進入土壤，沿垂直方向通過土壤剖面到達地下水層，在下滲過程中，一部分水流形成壤中流，到達地下含水層的則形成基流。模型對于地下徑流的模擬可以采用連續(xù)方程和達西定律。.河道水箱在河道水箱中，通過連續(xù)性方程可以推導出如下基本方程劣Qin-Qr

Ft-LB式中：Qin為入流量；Qr為河道出流量；L為河道長；B為河道寬。.3河道匯流模型計算步驟在河道匯流計算的準備階段需要從河道的斷面坐標中得到河道斷面的特征數(shù)據(jù)。產(chǎn)流模型中的流量計算值作為邊界條件輸入到河道模型中，通過匯流模型計算河道的實際流量如圖5所示。河道斷面特征數(shù)據(jù)的處理分布式產(chǎn)流模型中的流量傳遞到河道匯流模型中河道匯流計算模塊_＞第一步差分計算一第二步差分計算圖5河道匯流模型計算步驟.4PDTank模型應用步驟PDTank模型實際的運用過程主要有以下步驟：1、前期準備：水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、流域DEM、土壤數(shù)據(jù)、土地利用和植被覆蓋等基本數(shù)據(jù)；2、輸入數(shù)據(jù)，運行模型，根據(jù)模擬結(jié)果率定模型參數(shù)，并驗證參數(shù)的合理性；3、運行模型，模擬降雨徑流過程。.PDTank模型與GIS的結(jié)合GIS技術(shù)在現(xiàn)有的水文模型中主要包括前處理和后處理兩種應用模式。前處理包括對現(xiàn)有水文模型參數(shù)進行計算，后處理則主要指對水文模擬結(jié)果的顯示。在PDTank模型中，首先借助GIS技術(shù)的空間分析功能對復雜圖層進行疊加出來，并借助GIS技術(shù)將不同專題的數(shù)字地形轉(zhuǎn)換同一個標準格式。最后，在模擬計算結(jié)束后用GIS顯示有關(guān)計算結(jié)果，并為評估水文模擬結(jié)果進行有關(guān)的空間分析。主要包括六個地圖圖層，分別是：地形圖層、水文演算要素圖層、土地利用圖層、土壤分類圖層、地理分類圖層與流域及其亞流域圖層。在分布式水文模型中，首先將地形離散化建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通常用來描述空間分布的地形參數(shù)，如高程、土地利用、土壤分類等。數(shù)字地形數(shù)據(jù)最普遍的形式是以柵格單元存取。在PDTank模型中，先將流域劃分為一系列縱橫交錯的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格被作為一個基本水文單元，在這樣一個單元里，地形、河網(wǎng)、土壤類型以及土地利用這四類特征值均有GIS確定。.討論與總結(jié)流域水文模型是研究水文自然規(guī)律和解決水文實踐問題的主要工具。水文模型的研制對水資源開發(fā)利用與規(guī)劃、防洪減災、灌溉排水等都有重要的意義。PDTank模型以比較簡單直觀的形式來模擬徑流形成過程，把降雨轉(zhuǎn)換為徑流的復雜過程形象地歸納為流域的蓄水容量與出流之間的蓄泄關(guān)系進行模擬，使