第3章流域空間構(gòu)成靜態(tài)模型

第三章流域空間構(gòu)成—靜態(tài)模型易善楨電子信箱：yisz@手機(jī)節(jié)安排1數(shù)字流域概述2數(shù)字高程模型3靜態(tài)模型4動(dòng)態(tài)模型5,6,7,8流域時(shí)空數(shù)據(jù)模型10流域數(shù)據(jù)獲取9流域數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸與處理11數(shù)字流域模擬及應(yīng)用主要內(nèi)容流域尺度和構(gòu)成要素1.流域的地貌特征3.數(shù)字流域和數(shù)字水系4.流域水系網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?.1.1流域尺度和分類(lèi)1.2流域分級(jí)1.3流域構(gòu)成要素§1流域尺度和構(gòu)成要素1.1

流域尺度和分類(lèi)流域尺度大小和分類(lèi)流域邊界和分水線閉合流域坡面流：蓄滿產(chǎn)流

坡面流：超滲產(chǎn)流

河道流

雷暴雨

鋒面雨

壤中流

年降雨、蒸發(fā)日降雨、蒸發(fā)砂礫石含水層地下水流流域水文氣象的時(shí)空尺度

氣象地表水文地下水文SpaceTime流域尺度大小和分類(lèi)小流域：指面積一般不超過(guò)50km2的集水單元中等流域：100-1000km2大流域：1千—1萬(wàn)km2特大流域：大于1萬(wàn)km2*

大中小流域的劃分目前尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)流域功能分類(lèi)：林業(yè)流域、農(nóng)業(yè)流域、城市流域流域面積長(zhǎng)江：180萬(wàn)平方公里黃河：75萬(wàn)平方公里珠江：45萬(wàn)平方公里海河：31萬(wàn)平方公里漢江：15萬(wàn)平方公里新安江（錢(qián)塘江上游流域）：1萬(wàn)平方公里唐河（漢江子流域）：4千平方公里北京密云潮河流域面積：234平方公里長(zhǎng)江流域降水流域邊界和分水線divide流域邊界和分水線divide地形等高線中的極大值稱為山峰山峰的下坡方向?yàn)樯郊瓜噜徤椒逯g的區(qū)域稱為鞍部山峰、山脊和鞍部的連接線稱為分水線地面分水線和地下分水線分水線有地面分水線和地下分水線之分。地面分水線將地面水流分開(kāi)流向相鄰的兩條河流。地下分水線則將含水層中的地下水流分開(kāi)流向相鄰的兩條河流。地下水流向:地下分水線閉合流域非閉合流域閉合流域watershed閉合流域非閉合流域地面分水線包圍的區(qū)域稱為流域。流域有閉合流域和非閉合流域之分。地面分水線與地下分水線重合的流域稱為閉合流域。地面分水線與地下分水線不重合的流域稱為非閉合流域。1.2流域分級(jí)RiverbasinWatershedCatchment流域分級(jí)一個(gè)流域按流域內(nèi)的自然分水線可以劃分成若干個(gè)子流域，每個(gè)子流域按其內(nèi)部的自然分水線又可劃分成一些更小的子流域，這樣不斷地劃分下去，最后得到的不可再劃分的部分就是流域基本單元，即集水區(qū)（Catchment）。WATERSHEDCatchment流域分級(jí)NHDPlusBasins:AdministrativelychosendrainageareasWatersheds:AtesselationofabasinforaparticularpurposeCatchments:Atesselationofabasinusingphysicalrules排水系統(tǒng)尺度表示（ScalesofRepresentationofDrainageSystems）DigitalElevationModel:arepresentationofthelandsurfaceasaspatialcontinuum河流盆地RiverBasin根據(jù)盆地出水口來(lái)確定流域（watershed）流域的主要分級(jí)RiverBasin河流盆地Watershed流域Sub-Watershed子流域Catchment集水區(qū)坡面Slope是流域的內(nèi)部構(gòu)成，在流速計(jì)算中與河道有區(qū)別。1.3流域空間構(gòu)成要素流域水文空間要素水系網(wǎng)絡(luò)流域坡面河道節(jié)點(diǎn)流域環(huán)境空間要素土壤類(lèi)型土壤濕度流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)空間要素土地利用/覆蓋流域空間基本構(gòu)成要素流域地形DEM流域

watershed給定出水口，地面分水線包圍的區(qū)域，人為確定。集水區(qū)Catchment流域基本單元坡面slope流域中除水系以外的陸域部分河道Chanel/Gully(沖溝)土地利用/覆蓋Landuse/Cover流域地形流域邊界watershed流域是河網(wǎng)或河段上指定一點(diǎn)的上游集水區(qū)域集水區(qū)Catchment流域基本單元，形狀：扇形、書(shū)形；外緣集水區(qū)，內(nèi)部集水區(qū)外鏈集水區(qū)內(nèi)鏈集水區(qū)集水區(qū)是流域基本單元（Catchment）集水區(qū)對(duì)應(yīng)的河道河道水系集水區(qū)由坡面-河道組成流域中水系以外的陸域部分稱為坡面。除平原水網(wǎng)地區(qū)外，一個(gè)流域的水系的水面面積約占全流域面積的10%左右，其余90%左右即為坡地。坡面Slope按坡面的幾何形狀，可將坡地分為傾斜面、收斂曲面和發(fā)散曲面三種類(lèi)型。Slope與overland同義，overlandflow用于流域侵蝕研究。河道Channel坡面片流或面流匯集形成一維水流，具有河道或沖溝形態(tài)。與河道近義的有沖溝(Gully)，細(xì)溝（Rill）,他們用于流域侵蝕研究。河道坡面流域土地利用/覆蓋土壤類(lèi)型流域基礎(chǔ)設(shè)施-建筑-防洪設(shè)施§2流域水系網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?.1概述2.2水系的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?.3河段的分級(jí)和編碼2.1流域水系概述水系

Network流域中河道（河流）交匯形成的樹(shù)枝狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，亦稱河系（Streamnetwork）。河道水系水系Network自然形成的水系多為樹(shù)狀結(jié)構(gòu)人工開(kāi)挖形成的平原水系可為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)交匯點(diǎn)水系的形態(tài)特征平行狀水系的支流與干流大體成平行趨勢(shì)相交匯，相應(yīng)的流域形狀多為扇形。羽毛狀水系的支流自上游而下游，在不同的地點(diǎn)依次匯入干流，相應(yīng)的流域形狀多為狹長(zhǎng)形。混合狀水系的支流與干流的關(guān)系介于前兩者之間，相應(yīng)的流域形狀也介于狹長(zhǎng)和扇形之間。羽毛狀水系平行狀水系混合狀水系水系特征與流域出口流量關(guān)系面積相同、水系形狀不同，同樣一場(chǎng)暴雨形成的流域出口斷面流量過(guò)程線明顯不同。平行狀水系由于各支流匯集到流域出口斷面的同時(shí)性強(qiáng)，所以產(chǎn)生較尖瘦的洪水過(guò)程。羽毛狀水由于各支流匯集到流域出口斷面的時(shí)間相互錯(cuò)開(kāi)，所以產(chǎn)生較矮胖的洪水過(guò)程。混合狀水系產(chǎn)生的洪水過(guò)程則介于以上兩者之間。2.2水系的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ退档耐負(fù)鋵W(xué)特征主要表現(xiàn)為水系分叉、河流分級(jí)和滿足河數(shù)定律上。大量的觀測(cè)資料表明，自然界的天然水系一般屬于二分叉樹(shù)的形狀。構(gòu)成要素水系Network出口源節(jié)點(diǎn)鏈水系的拓?fù)涠x樹(shù)形結(jié)構(gòu)的“根”為水系的出口，且只有一個(gè)。樹(shù)形結(jié)構(gòu)的外沿“葉”節(jié)點(diǎn)為各個(gè)分支河流的源頭，稱為河源，簡(jiǎn)稱源。兩條河段的交匯點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)。出口與相鄰節(jié)點(diǎn)以及相鄰節(jié)點(diǎn)之間的河段稱為內(nèi)鏈，源與相鄰節(jié)點(diǎn)之間的河段稱為外鏈。內(nèi)鏈與外鏈統(tǒng)稱為鏈。外鏈內(nèi)鏈水系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)水系組成河源節(jié)點(diǎn)出口SchematicNetworkStandardArcHydrodatastructureSchematicLinksSchematicNodesType1NodesandLinksforWatershedsType2NodesandLinksforStreamsType3for…..SchematicNetworkProcessesNodeprocessesRainfall-runoffandpollutantloadsonwatershedsSummingflowsorloadsonstreamsWaterqualityinwaterbodiesLinkprocessesRoutingflowsinstreamsPollutantlossesinstreams在20世紀(jì)以前，人們對(duì)水系中大小不同的河流只有定性的認(rèn)識(shí)，僅將水系中的河流區(qū)分為支流和干流兩級(jí)。1914年以后，地貌學(xué)界普遍主張采用序列命名的法則，即將水系中各條河流按一定的次序排列成序列，并以序號(hào)對(duì)序列中的河流逐一加以命名。河流的河段(Riverreach或segment)是面向網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)庫(kù)的命名。2.3河段的分級(jí)和編碼河段的分級(jí)和編碼霍頓(Horton)分級(jí)法斯特拉勒(Strahler)分級(jí)法霍頓(Horton)分級(jí)編碼法將最小的不分叉的河流稱為1級(jí)河流，只接納1級(jí)河流匯入的河流稱為2級(jí)河流；只接納1，2兩級(jí)河流匯入的河流稱為3級(jí)河流，其余類(lèi)推，直至將水系中所有的河流命名完畢。www.HHU.EDU.cn斯特拉勒(Strahler)分級(jí)編碼法定義從河源出發(fā)的河流為1級(jí)河流；同級(jí)的兩條河流交匯形成的河流的級(jí)比原來(lái)增加1級(jí)；不同級(jí)的兩條河流交匯形成的河流的級(jí)等于兩者中較高者。11111111111122222333444Strahler分級(jí)法河段對(duì)應(yīng)的集水區(qū)每一個(gè)集水區(qū)都對(duì)應(yīng)一個(gè)河段（外鏈、內(nèi)鏈，任何級(jí)別的河段）。集水區(qū)匯水流量作用于河段的終止點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)與河段的拓?fù)潢P(guān)系和基數(shù)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)至少連接兩個(gè)上游河段。河源沒(méi)有上游河段，只是外鏈河段的起始點(diǎn)。出口沒(méi)有下游河段，是內(nèi)鏈河段的終止點(diǎn)。每個(gè)河段有一個(gè)起始點(diǎn)（源或節(jié)點(diǎn)，如果起始點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)，則起始節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)兩個(gè)以上上游匯入河段），有一個(gè)終止點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)或出口）。對(duì)于河網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)建模，需要明確的拓?fù)浜蛿?shù)量關(guān)系§3流域的地貌特征1流域面積分水線包圍區(qū)域的平面投影面積稱為流域面積AABC流域長(zhǎng)度B和寬度C2流域長(zhǎng)度和寬度從流域出口斷面至分水線的最大直線距離稱為流域長(zhǎng)度，與它正交方向的分水線之間的最大直線距離稱為流域?qū)挾?。格拉?Grag)通過(guò)對(duì)許多小流域資料的分析，發(fā)現(xiàn)流域長(zhǎng)度與流域面積有如下關(guān)系:3流域形狀形態(tài)因子：流域面積與流域長(zhǎng)度平方的比值圓度：流域面積與周長(zhǎng)為流域周長(zhǎng)的圓面積的比值伸長(zhǎng)比：面積等于流域面積的圓的直徑與流域長(zhǎng)度的比值當(dāng)A增加時(shí)，形態(tài)因子減小，這意味著對(duì)較大的流域，其形狀是趨于狹長(zhǎng)形的。4河網(wǎng)密度和河道維持常數(shù)單位流域面積上的河流長(zhǎng)度稱為河網(wǎng)密度河網(wǎng)密度的概念首先由霍頓于1945年引入，它表達(dá)了流域水系排水的有效性。河網(wǎng)密度的倒數(shù)稱為河道維持常數(shù),它的含義是為了維持單位長(zhǎng)度的河道必須要有多少匯水面積提供徑流。一般來(lái)說(shuō)，隨著河流級(jí)的增加，要求的給養(yǎng)面積也增加。5河流頻度和鏈頻度單位流域面積上的河流數(shù)目——河流頻度單位面積上的鏈數(shù)——鏈頻度6面積－河長(zhǎng)曲線7高程曲線河長(zhǎng)同相應(yīng)匯水面積之間的關(guān)系曲線8流域坡度流域上兩點(diǎn)間的高差與它們之間直線距離的比值——兩點(diǎn)之間的坡度最小二乘法高程曲線法高程曲線包圍的面積相當(dāng)于以面積為權(quán)重的平均流域高差面積河長(zhǎng)曲線包圍的面積相當(dāng)于以面積為權(quán)重的平均流域長(zhǎng)度它們的比值則相當(dāng)于平均流域高差與平均流域長(zhǎng)度之比值，即平均流域坡度§4

數(shù)字流域和數(shù)字水系§4

數(shù)字流域基本要素生成4.1概述4.2水系和流域面的生成4.1概述數(shù)字高程模型為流域地形地貌參數(shù)的計(jì)算、流域水系的生成等提供基于數(shù)字化的自動(dòng)處理方法?；镜匦蔚孛矃?shù)的提取自數(shù)字高程模型出現(xiàn)以來(lái)，人們就對(duì)如何利用數(shù)字高程模型計(jì)算坡度和坡向進(jìn)行大量的研究，提出了多種具體計(jì)算方法。流向和水系的生成4.2水系和流域面的生成水系和流域生成的流程圖（1）確定格網(wǎng)中水流的流向一般采用D8方法。該法認(rèn)為每個(gè)格網(wǎng)中水流有8個(gè)可能的流向，應(yīng)取最大坡度方向作為格網(wǎng)中水流實(shí)際發(fā)生的流向。凡匯入各個(gè)方向水流的格網(wǎng)稱為凹點(diǎn)，相鄰格網(wǎng)的高程相等而無(wú)法判定水流流向的稱為零點(diǎn)。凹點(diǎn)的集合稱為洼地，例如實(shí)際地形中的水庫(kù)、湖泊等。零點(diǎn)的集合稱為平坦區(qū)域，例如實(shí)際地形中的平地。洼地和平坦區(qū)域的存在使得確定水流流向發(fā)生了困難。因此，在用D8方法確定水流流向時(shí)，應(yīng)對(duì)原始數(shù)字高程模型進(jìn)行預(yù)先處理。DEM