基于srm模型的融雪徑流信息模型評(píng)價(jià)與分析

基于srm模型的融雪徑流信息模型評(píng)價(jià)與分析

1融雪徑流預(yù)測(cè)和模型建立的意義地理現(xiàn)象是復(fù)雜的，不僅表現(xiàn)為由因素引起的規(guī)律，而且還體現(xiàn)在多個(gè)因素的影響上。然后，從你的角度來(lái)看，有很多影響。相互轉(zhuǎn)換的模糊性。還有觀測(cè)數(shù)據(jù)的不足，導(dǎo)致內(nèi)部規(guī)律缺失的灰色不確定性。還有自我相似性和自我組織的得分形式的不確定性。因此地理信息建模往往遇到考慮因素繁多復(fù)雜的困難。對(duì)此,我們研究最多、最普遍的使用量綱分析的方法找出地理相似準(zhǔn)則,再進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,得到遙感新模型;實(shí)踐證明這是目前最佳的定量化途徑。作為一種地理現(xiàn)象,融雪徑流對(duì)地球表面的諸多地域意義甚大。中緯度干旱和半干旱山區(qū),融雪徑流對(duì)河流的補(bǔ)給量在春季甚至可達(dá)到75%以上;中國(guó)西部一些高海拔山區(qū),融雪水是極其重要的水資源,在春季干旱期間有水貴如油之說(shuō);歐洲Alps山區(qū)地區(qū),融雪水在水資源合理利用中扮演著及其重要的角色;瑞典、法國(guó)、意大利和奧地利等國(guó)家山區(qū)普遍分布著眾多大小規(guī)模的水電站,融雪水是這些水電站水庫(kù)蓄水的主要來(lái)源,占60%以上。因此,融雪徑流模擬和預(yù)測(cè)值得重視。同時(shí)隨著遙感/地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,大面積監(jiān)測(cè)雪蓋成為可能。1975年瑞士科學(xué)家J.Martinec在法國(guó)一個(gè)2.65km2的小流域建立了,第一個(gè)半物理機(jī)制的融雪徑流模型SnowmeltRun-offModel(SRM),使得融雪徑流模擬和預(yù)測(cè)成為現(xiàn)實(shí),并且不斷發(fā)展,成為與遙感圖像處理、地理信息系統(tǒng)緊密結(jié)合的山區(qū)雪蓋分析專(zhuān)家系統(tǒng)。那么,能否利用遙感信息建模理論,吸取SRM中的寶貴成分,從而設(shè)計(jì)出新的融雪徑流模型?本文就從這個(gè)角度進(jìn)行探討,利用地理相似準(zhǔn)則,設(shè)計(jì)出融雪徑流遙感信息模型,并對(duì)下一步工作提出了展望。2a—SRM模型簡(jiǎn)述SRM模型公式如下:Qn+1=[Csnan(Tn+ΔΤn)Sn+CRnΡn]A?1000086400(1-Κn+1)+QnΚn+1Tn)Sn+CRnPn]A?1000086400(1?Kn+1)+QnKn+1式中:n,n+1——天數(shù);Qn+1——平均日流量(m3/s);Csn——徑流系數(shù),表示損失比率(徑流量/降水量),即流出水量與可得水量(雪融水+雨水)之間差異。CS——雪的徑流系數(shù),CR——雨的徑流系數(shù);a——度—日因子(cm℃-1d-1),定義為每日溫度上升1℃所融化的積雪深度,其獲取方法是通過(guò)野外的實(shí)地測(cè)量(測(cè)量方法請(qǐng)閱讀參考文獻(xiàn)8);Tn——度—日數(shù)(℃d)ˉΤTˉˉˉ=Τmax+Τmin2=Tmax+Tmin2,測(cè)量值在地面站獲得。(注:原模型T量綱為℃d,筆者修正為℃,ΔT同;ΔTn——度—日數(shù)的高度校正(℃d),ΔΤ=γ?(hst-ˉh)?1100T=γ?(hst?hˉ)?1100,其中,γ=溫度梯度[℃/(100m)];hst——測(cè)量點(diǎn)的海拔高度(m),ˉhhˉ——地區(qū)平均測(cè)量高度(m);Sn——雪蓋面積百分比;通過(guò)衛(wèi)星影像可以獲取該數(shù)據(jù);Pn——日降水量(cm);(注:原模型量綱為cm,筆者修正為cmd-1);可以實(shí)地測(cè)量或者應(yīng)用歷史數(shù)據(jù);A——流域或者分帶面積(km2);可以通過(guò)衛(wèi)星影像測(cè)量;Kn+1——衰退系數(shù),Κ=Qm+1Qm(m?m+1K=Qm+1Qm(m?m+1是實(shí)際融雪期內(nèi)的天數(shù)序數(shù));(1-k)表示每日融雪水轉(zhuǎn)化為徑流的百分比,一般運(yùn)用歷史數(shù)據(jù);n——流量計(jì)算期內(nèi)的天數(shù)序列;10000864001000086400——cmkm2d-1轉(zhuǎn)化成m3s-1的系數(shù);QnKn+1——根據(jù)衰退系數(shù)的物理含義,表示雪水和雨水中由于地表吸收、凹凸不平等原因沒(méi)能轉(zhuǎn)化為當(dāng)日徑流的比例,QnKn+1表示這些殘留水可以匯入次日徑流而流出故而成為Qn+1的一部分(筆者注)。3基于雪的直徑流的地理模型3.1融雪因子s融雪徑流指的是高山地區(qū)積雪融化產(chǎn)生徑流。這種建模必然考慮許多氣候、光照、地表狀況等等因素。參考SRM建模特點(diǎn),筆者提出:研究融雪徑流量(Q),需要考慮的第一個(gè)因子是雪蓋面積(S);第二個(gè)因子是雪蓋地區(qū)的坡度(k);第三個(gè)因子自然是每日溫度(度—日數(shù))(Td);第四個(gè)因子是度日因子(λ),表示每日溫度升高1℃所融化的積雪深度;第五個(gè)因子是高山上的風(fēng)速(v);第六個(gè)因子是地區(qū)雪的比熱(c);第七個(gè)因子是徑流系數(shù)(η),表示流出水量與可得水量之間差異。某些地區(qū)在融雪期間可能有降雨,降雨因子的分析相對(duì)簡(jiǎn)單,而且可以和融雪因子分離;本模型暫不考慮降雨影響。3.2融雪徑流公式模型7個(gè)獨(dú)立因子得量綱分析方程如下:Q‖F(xiàn)[S,K,T,γ,V,C,η]各個(gè)獨(dú)立因子得量綱(攝氏度·厘米·克·秒制[引入量綱T(溫度)]):下面用∏定理進(jìn)行量綱分析,∏定理要求經(jīng)過(guò)運(yùn)算,∏得量綱為1,即無(wú)量綱化。選擇溫度因子(度—日數(shù))Td,面積S,風(fēng)速V為基準(zhǔn)因子,則:對(duì)于Q:∏Q=[L3t-1]/[Tt]a[L2]b[Lt-1]c因?yàn)閇L]∶[Τ]∶[t]∶[L]∶[T]∶[t]∶{3=2b+c0=a-1=a-c?????3=2b+c0=a?1=a?c所以{a=0b=1c=1?????a=0b=1c=1于是∏Q=Q/(SV)(1)對(duì)于λ:λ=[LT-1t-1]/[Tt]a[L2]b[Lt-1]c因?yàn)閇L]∶[Τ]∶[t]∶[L]∶[T]∶[t]∶{1=2b+c-1=a-1=a-c?????1=2b+c?1=a?1=a?c所以{a=-1b=1/2c=0?????a=?1b=1/2c=0于是∏λ=λ/(Τd-1S12)(2)∏λ=λ/(Td?1S12)(2)同理可得:∏C=C/(Τd-1S12V)(3)∏C=C/(Td?1S12V)(3)對(duì)于無(wú)量綱因子η,以及坡度k,同理易得:∏η=1(4)∏K=1(5)從而我們得到:Q/(SV)=F[λ/(Τd-1S12)?c/(Τd-1S12V),η,Κ]Q/(SV)=F[λ/(Td?1S12)?c/(Td?1S12V),η,K]根據(jù)經(jīng)驗(yàn),寫(xiě)成非線性指數(shù)函數(shù)關(guān)系:Q=θ(λ/(Τd-1S12))m(C/(Τd-1S12V)n(ηkSV)(6)Q=θ(λ/(Td?1S12))m(C/(Td?1S12V)n(ηkSV)(6)至此完成量綱分析,得到一個(gè)融雪徑流公式。3.3多元線性回歸方程(6)中θ為地理系數(shù),m,n為地理指數(shù)。它們需要通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)S,K,Td,λ,V,C,η,用最小二乘法求出。對(duì)(6)取對(duì)數(shù),則有:logQ=logθ+mlog(λΤd/S12)+nlogQ=logθ+mlog(λTd/S12)+nlog(cΤd/S12V))+log(ηkSV)令Y=a0+a1X1+a2X2+a3X3(7)7式為多元線性回歸方程。其中Y=logQa0=logθ,a1=m,a2=n,a3=1X1=log(λΤd/S12),X2=log(CΤd/S12V)?X3=log(ηKSV)回歸系數(shù)a0～a3,由下列方程組求出{L11a1+L12a2+L13=L10L21a1+L22a2+L23=L20L31a1+L32a2+L33=L10當(dāng)取S×P個(gè)像元實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),式中:Lij=∑{X[i,(s×p)]-ˉXi}{X[j,(s×p)]-ˉXi}i,j=1,2,3Li0=∑{X[i,(s×p)]-ˉXi}{Y(s×p)-ˉY}7式中常數(shù)項(xiàng)a0=ˉY-∑aiˉXi?i=1?2?3回歸平方和(S)與剩余平方和(E)分別為S=∑Li0aiE=∑L00-S式中:L00=∑[Y(s×p)-ˉY]2全相關(guān)系數(shù)(R)為R=(S/L00)123.4物理指標(biāo)的測(cè)定以上論述了模型以及計(jì)算方法,數(shù)據(jù)的獲取主要通過(guò)遙感影像以及野外實(shí)測(cè)。雪蓋面積(S)可以通過(guò)衛(wèi)星影像求得;雪蓋地區(qū)的坡度(k)可以通過(guò)高精度的DEM求得;每日溫度(度—日數(shù))(Td)可以由基站測(cè)定;度日因子(λ),表示每日溫度升高1℃所融化的積雪深度,會(huì)因地表狀況不同而呈現(xiàn)差異,要通過(guò)野外實(shí)測(cè);高山風(fēng)速(v)可以由氣象資料以及野外實(shí)測(cè)取得;地區(qū)雪的比熱(c)可以查資料或者室內(nèi)實(shí)驗(yàn)取得數(shù)據(jù);徑流系數(shù)(η),表示流出水量與可得水量之間差異,也是野外測(cè)定。獲取以上數(shù)據(jù)后,就可以進(jìn)行模型求解。4融雪徑流模型總結(jié)(1)遙感信息建模理論可以為定量化研究各種地理現(xiàn)象提供一條可行途徑,其應(yīng)用價(jià)值值