專利名稱：一種基于分布式水文模擬的旱情評(píng)估和預(yù)報(bào)模型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及干旱預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于分布式水文模擬的旱情評(píng)估和預(yù)報(bào)模型方法。
背景技術(shù)：
干旱缺水已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。我國(guó)歷史上旱災(zāi)頻繁，但目前出現(xiàn)的新趨勢(shì)卻更加令人憂慮，近年來(lái)全國(guó)幾乎所有省份，都發(fā)生過(guò)干旱，且旱災(zāi)損失呈增加趨勢(shì)。即使是南方濕潤(rùn)地區(qū)，局部旱災(zāi)損失甚至大于洪災(zāi)。近年干旱造成的損失嚴(yán)重，除與氣候變化引起的局部降水偏少原因外，也與水利基礎(chǔ)設(shè)施配套不全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)落后、難以抵御自然災(zāi)害的現(xiàn)狀有關(guān)。此外，干旱預(yù)報(bào)和預(yù)警的技術(shù)工作跟不上，也是一個(gè)重要的不利因素。目前的干旱預(yù)報(bào)工作，一是依賴于降水和氣溫等氣象預(yù)報(bào)信息，沒(méi)有建立專業(yè)的干旱預(yù)報(bào)和預(yù)警體系；二是依靠以往旱情觀測(cè)數(shù)據(jù)的概率統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析，而缺乏從干旱發(fā)生發(fā)展機(jī)理出發(fā)的干旱預(yù)報(bào)模型。這兩點(diǎn)在很大程度上導(dǎo)致對(duì)干旱的預(yù)防和應(yīng)對(duì)能力不強(qiáng)，只能“被動(dòng)抗旱”，而做不到“主動(dòng)防旱”。干旱的起因是降水偏少，但發(fā)展成為旱災(zāi)，則有一個(gè)緩慢的漸進(jìn)過(guò)程。該過(guò)程不僅取決于降水虧缺量及其持續(xù)時(shí)間，還與各地區(qū)的地勢(shì)地貌、土壤類型、作物種類、氣溫條件和水源狀況等多種因素密切相關(guān)。目前采用的干旱指標(biāo)和評(píng)估方法很多，大多數(shù)是從干旱成因條件(降水虧缺等)，或者是旱情的特征表象(土壤含水量下降、地表徑流減少等)，或者是干旱的災(zāi)害損失等某一方面，來(lái)評(píng)估旱情嚴(yán)重程度。實(shí)際上這些指標(biāo)并不是獨(dú)立的，相互之間有著水文轉(zhuǎn)化聯(lián)系。如果采用某一指標(biāo)來(lái)孤立地評(píng)估旱情，其結(jié)果是不全面的，有時(shí)甚至?xí)鹌缌x。而且有些指標(biāo)過(guò)于單一，沒(méi)有體現(xiàn)旱情隨降水虧缺及持續(xù)時(shí)間的發(fā)展變化，且難以反映旱情在地區(qū)間和季節(jié)上的差異。另外，已有的干旱評(píng)估方法和旱情等級(jí)指標(biāo)大多是用于對(duì)已發(fā)生的旱情狀況進(jìn)行評(píng)估，而缺乏預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于分布式水文模擬的旱情評(píng)估和預(yù)報(bào)模型方法，從水文循環(huán)過(guò)程的角度，采用機(jī)理性的分布式水文模型來(lái)模擬流域水文過(guò)程，獲悉流域內(nèi)各項(xiàng)氣象水文要素，藉此建立全面反映干旱等級(jí)特征及其發(fā)展變化的旱情指標(biāo)體系及其相應(yīng)的預(yù)報(bào)模型方法，為構(gòu)建干旱預(yù)警系統(tǒng)奠定指標(biāo)體系和模型方法。一種基于分布式水文模擬的旱情評(píng)估和預(yù)報(bào)模型方法，包括步驟I :構(gòu)建基于地理信息系統(tǒng)的流域空間地理信息庫(kù)，其中包括數(shù)字高程DEM、土壤類型分布圖、土地利用分布圖、植被葉面積指數(shù)LAI分布圖、河流水系分布圖和大中型水庫(kù)工程特性參數(shù)；步驟2 :在流域空間信息庫(kù)的基礎(chǔ)上，采用GIS空間分析工具，構(gòu)建基于地貌網(wǎng)格單元的分布式水文模型，以氣象數(shù)據(jù)作為模型的輸入條件，應(yīng)用分布式水文模型對(duì)流域水文過(guò)程進(jìn)行分布式模擬，模擬結(jié)果是輸出各項(xiàng)水文要素信息；步驟3 :依據(jù)分布式水文模擬獲得的各項(xiàng)氣象水文要素之間內(nèi)在關(guān)系，在水量平衡計(jì)算的基礎(chǔ)上，構(gòu)建干旱預(yù)報(bào)模型，并采用F1DSI (Palmer Drought Severity Index)指標(biāo)作為旱情的綜合衡量指標(biāo)，其步驟具體包括使用分布式水文模擬獲得的各項(xiàng)氣象水文要素計(jì)算各旬氣候水文常數(shù)，所述氣候水文常數(shù)包括蒸散常數(shù)α、補(bǔ)水常數(shù)β、徑流常數(shù)Y、失水常數(shù)δ、氣候特征常數(shù)k* ;依據(jù)所述各旬氣候水文常數(shù)，采用下式計(jì)算出逐旬的氣候適宜降水量
= + A1 + Aol - L1式中i為旬?dāng)?shù)為氣候適宜蒸發(fā)量，aPEr , PEi為每旬的可能蒸發(fā)量4為氣候適宜補(bǔ)水量，為=Ai3A ,PRi為每旬的可能補(bǔ)水量為氣候適宜徑流量，^O1 = r.PROt，PROi為每旬的可能徑流量{為氣候適宜失水量，尤=S.PLt，PLi為每旬的可能失水量；根據(jù)逐旬的實(shí)際降水Pi與其氣候適宜降水&之間的差值獲得逐旬的降水距平值d
和距平指數(shù)z
di = Pj —= k .Cii
5使用rosi指數(shù)X值來(lái)定量界定干濕等級(jí)，PDSI指數(shù)X與水分距平值z(mì)和持續(xù)時(shí)
i
間t之間的函數(shù)關(guān)系如下= ZVt692i + 37 + 1)
t=\ *
5干旱預(yù)報(bào)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下Xi = O. 867Xi—i+Zi/42. 792Zi = K. Cii
I 24式中:《=7964《/^>0，《'=1812111,+ 及 + 而)/((]5 + 印))+6.173,其中萬(wàn)為Cli絕對(duì)值D的多年平均值。需說(shuō)明的是上述公式中的常數(shù)只是針對(duì)示范地區(qū)的，在其它地區(qū)應(yīng)用時(shí)需要重新確定。本發(fā)明提出的基于分布式水文模擬的干旱預(yù)報(bào)模型，能從降水、蒸發(fā)、徑流和土壤水之間的內(nèi)在變化關(guān)系出發(fā)，定量描述旱情程度以及模擬干旱發(fā)生、發(fā)展直至結(jié)束的全過(guò)程，該模型能夠綜合反映水分虧缺量和持續(xù)時(shí)間因子對(duì)干旱程度的影響，能夠體現(xiàn)氣象和下墊面條件，如降水、氣溫、土壤、地形、土地利用類型和植被的時(shí)空變化對(duì)干旱程度的影響，相對(duì)于降水距平、干濕、徑流距平和土壤墑情等單一評(píng)估指標(biāo)而言，該模型的旱情模擬結(jié)果在表現(xiàn)旱情的地區(qū)分布特征和隨時(shí)間的演變態(tài)勢(shì)等方面具有優(yōu)勢(shì)；另外，本發(fā)明提出的旱情評(píng)估預(yù)報(bào)模型，可以結(jié)合氣象信息對(duì)災(zāi)情的進(jìn)一步發(fā)展變化進(jìn)行預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)，不僅為建立專業(yè)的干旱評(píng)估和預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)奠定了數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)，還有利于促進(jìn)單一的被動(dòng)抗旱向全面的主動(dòng)防旱轉(zhuǎn)變。


圖1是本發(fā)明基于分布式水文模擬的旱情評(píng)估和預(yù)報(bào)模型方法原理框圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例中水文過(guò)程模擬的示意圖；圖3是長(zhǎng)江上游代表性的27個(gè)地點(diǎn)的示意圖；圖4是用不同旱情指標(biāo)表示的2006年9月上旬干旱狀況；圖5是用本發(fā)明的rosi指標(biāo)表示的2006年7_9月期間干旱逐旬發(fā)展過(guò)程。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。圖1所示為本發(fā)明基于分布式水文模擬的干旱評(píng)估和預(yù)報(bào)模型方法原理框圖，具 體實(shí)施步驟如下步驟1 :構(gòu)建基于地理信息系統(tǒng)的流域空間地理信息庫(kù)，其中包括數(shù)字高程DEM、 土壤類型分布圖、土地利用分布圖、植被葉面積指數(shù)LAI分布圖、河流水系分布圖和大中型 水庫(kù)工程特性參數(shù)等。本發(fā)明實(shí)施例以長(zhǎng)江上游為例進(jìn)行說(shuō)明，其中數(shù)字高程DEM來(lái)自中國(guó)測(cè)繪局 25mX 25m網(wǎng)格的DEM數(shù)據(jù)；土地利用資料來(lái)源于USGS的全球土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)2. 0版，數(shù)據(jù) 空間分辨率是1km。土壤分類及其屬性資料來(lái)源于中科院南京土壤研究所，空間分辨率為 2km，在研究區(qū)域共劃分了 81種土壤類型；植被葉面積指數(shù)LAI表示植被的變化，該指數(shù)根 據(jù)逐月的NDVI數(shù)據(jù)(來(lái)源于N0AA遙感影像，分辨率為0. 1'弧度)來(lái)估算。步驟2 :在流域空間信息庫(kù)的基礎(chǔ)上，采用GIS空間分析工具，構(gòu)建基于地貌網(wǎng)格 單元的分布式水文模型，以氣象數(shù)據(jù)作為模型的輸入條件，應(yīng)用分布式水文模型對(duì)流域水 文過(guò)程進(jìn)行分布式模擬，模擬結(jié)果是輸出各項(xiàng)水文要素信息。具體的，根據(jù)所述流域空間信息庫(kù)中的地理信息生成以山坡單元組成的格網(wǎng)系統(tǒng) 和以河溝水系組成的河網(wǎng)系統(tǒng)，在所述格網(wǎng)系統(tǒng)中，采用分布式水文模型，以氣象輸入數(shù)據(jù) 為分布式水文模型的輸入條件，以山坡為基本計(jì)算單元，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為小時(shí)，采用距離方 向加權(quán)平均法將氣象輸入數(shù)據(jù)插值到流域格網(wǎng)系統(tǒng)中的每個(gè)計(jì)算單元上，進(jìn)行基本的山坡 水文過(guò)程模擬，包括降雨截留、地標(biāo)融雪、截留蒸發(fā)、葉面蒸騰、地表蒸發(fā)、土壤水分運(yùn)行、 坡面匯流和潛水出流等(見(jiàn)圖2)，其中所述氣象輸入數(shù)據(jù)包括每日的降水、氣溫、日照時(shí) 間、風(fēng)速和相對(duì)濕度等。格網(wǎng)系統(tǒng)中各山坡單元產(chǎn)流后，將匯入到河網(wǎng)系統(tǒng)中。在河網(wǎng)系統(tǒng) 中采用一維運(yùn)動(dòng)波方程來(lái)計(jì)算河道的匯流過(guò)程，從而得到各個(gè)子流域和全流域出口處的流 量。分布式水文模型輸出的各項(xiàng)水文要素信息，包括各子流域出口處的河道日流量 過(guò)程線，以及各項(xiàng)氣象和水文要素的空間分布圖(網(wǎng)格尺度為1 5km，時(shí)間尺度為旬或 周)，如地表徑流深、實(shí)際蒸發(fā)量和表層土壤含水量等，即采用分布式水文模型模擬流域水 文過(guò)程，可獲取流域內(nèi)徑流、蒸發(fā)和土壤水等各項(xiàng)水文要素信息。步驟3 :依據(jù)分布式水文模擬獲得的各項(xiàng)氣象水文要素之間內(nèi)在關(guān)系，在水量平 衡計(jì)算的基礎(chǔ)上，構(gòu)建干旱預(yù)報(bào)模型，并采用rosi指標(biāo)作為旱情的綜合衡量指標(biāo)。干旱預(yù) 報(bào)模型的構(gòu)建方法具體如下1、使用分布式水文模擬獲得的各項(xiàng)氣象水文要素計(jì)算各旬氣候水文常數(shù)，所述氣CN 102955863 A說(shuō)明書(shū)4/8 頁(yè)
候水文常數(shù)包括蒸散常數(shù)α、補(bǔ)水常數(shù)β、徑流常數(shù)Y、失水常數(shù)δ、氣候特征常數(shù)k'選擇具有代表性的網(wǎng)格單元(見(jiàn)圖3)，利用這些代表網(wǎng)格單元的氣象水文要素(分布式水文模擬輸出的)，分別統(tǒng)計(jì)各點(diǎn)的氣象水文常數(shù)，包括1)蒸散常數(shù)α = ΤΙ1^算中玉f、@分別為多年的旬均實(shí)際蒸發(fā)量和可能(潛在)蒸發(fā)量；2)補(bǔ)水常數(shù)4 = i/⑶，其中及、分別為多年的旬均實(shí)際補(bǔ)水量和可能補(bǔ)水量；3)徑流常數(shù)r = 其中]_分別為多年的旬均實(shí)際徑流量和可能徑流量；4)失水常數(shù)j = Wi5Z,其中z、瓦分別為多年的旬均實(shí)際失水量和可能失水量；5)氣候特征常數(shù)
F =其中表示多年的旬均水分需求，]5+f表示多年的旬均水分供
給，這兩者的比值能夠反映出不同地區(qū)和不同旬的水分氣候差異。每旬的實(shí)際蒸發(fā)量ETp可能蒸發(fā)量PEi和實(shí)際徑流量ROi是直接利用各網(wǎng)格單元的水文模擬結(jié)果，其它一些參量可以利用網(wǎng)格單元土壤含水量的模擬結(jié)果按下列的公式計(jì)
算實(shí)際補(bǔ)水量=Ri= max (O. 0，(Cw-Ci) X ( Θ s- Θ r) X Sd)(I)可能補(bǔ)水量=PRi= (I-Ci) X ( Θ s- Θ r) X Sd(2)可能徑流量=PROi= CiX(Os-Or)XSd⑶實(shí)際失水量=Li= min (Ci X ( Θ s- Θ r) X Sd, max (O. 0，ETi-P))(4)可能失水量PLi= min (CiX ( Θ s-Θ r) XSd, max (O. O, PEi-P))(5)在上述公式中，Ci為某一時(shí)段土壤相對(duì)含水量(％ )，Θ s為土壤飽和含水量，Θ r為土壤殘余含水量，Sd為土壤層有效厚度，一般I. 5-2. 0m。這樣，可依據(jù)分布式水文模擬結(jié)果，分別統(tǒng)計(jì)各參量1961-2000期間多年的旬平均值，從而計(jì)算出上述氣候常數(shù)α，β，Y，δ，k*。2、計(jì)算逐旬的氣候適宜降水量依據(jù)上面統(tǒng)計(jì)所得的各氣候常數(shù)，采用下式計(jì)算出逐旬的氣候適宜降水量(單位為 mm)
卜=^T1 + A1 + Aol -L1(6)式中i為旬?dāng)?shù)為氣候適宜蒸發(fā)量，&為氣候適宜補(bǔ)水量，
A1 = Pml 為氣候適宜徑流量= Ymoi式為氣候適宜失水量，厶=s.PLt。3、計(jì)算逐旬的降水距平值d和距平指數(shù)z降水距平值d(單位為mm)表示該旬的實(shí)際降水Pi與其氣候適宜降水&之間的差值
7
d, = P1 -P1(7)
由此可以初步求出各旬水分距平指數(shù)Z (即未經(jīng)修正的Z值)
Zi = k*. Cli(8)
z值反映的是計(jì)算單元的水分虧缺綜合狀態(tài)，不但可以表示干旱，而且也可以表示濕潤(rùn)。若z值為負(fù)，表示氣候?yàn)樨?fù)異常，也就是處于缺水干旱狀態(tài)；若z值為正，表示氣候?yàn)檎惓＃簿褪墙邓?。按照公?7)和(8)，可以依次計(jì)算出圖3中各代表網(wǎng)格在1961-2000期間的逐旬的z值。4、干旱預(yù)報(bào)推演公式式8計(jì)算出的z值只是反映了當(dāng)旬的水分虧缺情況，沒(méi)有反應(yīng)前I旬或前幾旬的缺水對(duì)該旬的影響，并不能直接用作干旱評(píng)估。因此，接下來(lái)需要確定一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，來(lái)明確干濕程度與水分虧缺值和持續(xù)時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系。通常所說(shuō)的干濕程度只是對(duì)干濕狀態(tài)的一個(gè)定性描述，為了能定量描述，采用Palmer方法，將干濕程度一共劃分了 9個(gè)級(jí)別，并采用了 rosi指數(shù)X值來(lái)定量界定干濕等級(jí)，見(jiàn)表I。表IPDSI的干濕等級(jí)劃分
權(quán)利要求
1.一種基于分布式水文模擬的旱情評(píng)估和預(yù)報(bào)模型方法，其特征在于包括步驟I :構(gòu)建基于地理信息系統(tǒng)的流域空間地理信息庫(kù)，其中包括數(shù)字高程DEM、土壤類型分布圖、土地利用分布圖、植被葉面積指數(shù)LAI分布圖、河流水系分布圖和大中型水庫(kù)工程特性參數(shù)；步驟2 :在流域空間信息庫(kù)的基礎(chǔ)上，采用GIS空間分析工具，構(gòu)建基于地貌網(wǎng)格單元的分布式水文模型，以氣象數(shù)據(jù)作為模型的輸入條件，應(yīng)用分布式水文模型對(duì)流域水文過(guò)程進(jìn)行分布式模擬，模擬結(jié)果是輸出各項(xiàng)水文要素信息；步驟3 :依據(jù)分布式水文模擬獲得的各項(xiàng)氣象水文要素之間內(nèi)在關(guān)系，在水量平衡計(jì)算的基礎(chǔ)上，構(gòu)建干旱預(yù)報(bào)模型，并采用rosi指標(biāo)作為旱情的綜合衡量指標(biāo)，其步驟具體包括使用分布式水文模擬獲得的各項(xiàng)氣象水文要素計(jì)算各旬氣候水文常數(shù)，所述氣候水文常數(shù)包括蒸散常數(shù)α、補(bǔ)水常數(shù)β、徑流常數(shù)Y、失水常數(shù)δ、氣候特征常數(shù)k* ;依據(jù)所述各旬氣候水文常數(shù)，采用下式計(jì)算出逐旬的氣候適宜降水量
2.如權(quán)利要求I所述的基于分布式水文模擬的旱情和預(yù)報(bào)模型方法，其特征在于所述步驟2具體包括根據(jù)所述流域空間信息庫(kù)中的地理信息生成以山坡單元組成的格網(wǎng)系統(tǒng)和以河溝水系組成的河網(wǎng)系統(tǒng)，在所述格網(wǎng)系統(tǒng)中，采用分布式水文模型，以氣象輸入數(shù)據(jù)為分布式水文模型的輸入條件，以山坡為基本計(jì)算單元，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為小時(shí)，采用距離方向加權(quán)平均法將氣象輸入數(shù)據(jù)插值到流域格網(wǎng)系統(tǒng)中的每個(gè)計(jì)算單元上，進(jìn)行基本的山坡水文過(guò)程模擬，包括降雨截留、地標(biāo)融雪、截留蒸發(fā)、葉面蒸騰、地表蒸發(fā)、土壤水分運(yùn)行、坡面匯流和潛水出流；格網(wǎng)系統(tǒng)中各山坡單元產(chǎn)流后，將匯入到河網(wǎng)系統(tǒng)中。
3.如權(quán)利要求2所述的基于分布式水文模擬的旱情評(píng)估和預(yù)報(bào)模型方法，其特征在于所述分布式水文模型輸出的各項(xiàng)水文要素信息包括各子流域出口處的河道日流量過(guò)程線，以及各項(xiàng)氣象和水文要素的空間分布圖。
4.如權(quán)利要求I所述的基于分布式水文模擬的旱情評(píng)估和預(yù)報(bào)模型方法，其特征在于每旬的實(shí)際蒸發(fā)量ETp可能蒸發(fā)量PEi和實(shí)際徑流量ROi是直接利用各網(wǎng)格單元的水文模擬結(jié)果，實(shí)際補(bǔ)水量、可能補(bǔ)水量、可能徑流量、實(shí)際失水量和可能失水量按下列的公式計(jì)算實(shí)際補(bǔ)水量=Ri = max (O. O, (Cw-Ci) X ( Θ s- Θ r) XSd)可能補(bǔ)水量=PRi = (I-Ci) X ( Θ s- Θ r) XSd可能徑流量=PROi = Ci X ( Θ s- Θ r) X Sd實(shí)際失水量=Li = min (Ci X ( Θ s- Θ r) X Sd, max (O. 0，ETi-P))可能失水量PLi = min (Ci X ( Θ s- Θ r) X Sd, max (0. 0, PEi-P))。
全文摘要
一種基于分布式水文模擬的旱情評(píng)估和預(yù)報(bào)模型方法，包括步驟1構(gòu)建基于地理信息系統(tǒng)的流域空間地理信息庫(kù)；步驟2在流域空間信息庫(kù)的基礎(chǔ)上，采用GIS空間分析工具，構(gòu)建基于地貌網(wǎng)格單元的分布式水文模型，以氣象數(shù)據(jù)作為模型的輸入條件，應(yīng)用分布式水文模型對(duì)流域水文過(guò)程進(jìn)行分布式模擬，模擬結(jié)果是輸出各項(xiàng)水文要素信息；步驟3依據(jù)各項(xiàng)氣象水文要素之間內(nèi)在關(guān)系，在水量平衡計(jì)算的基礎(chǔ)上，構(gòu)建干旱預(yù)報(bào)模型，并采用PDSI指標(biāo)作為旱情的綜合衡量指標(biāo)。本發(fā)明基于分布式水文模擬的干旱預(yù)報(bào)模型，在表現(xiàn)旱情的地區(qū)分布特征和隨時(shí)間的演變態(tài)勢(shì)等方面具有優(yōu)勢(shì)；另外可以結(jié)合氣象信息對(duì)災(zāi)情的進(jìn)一步發(fā)展變化進(jìn)行預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102955863SQ20111023584
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月17日
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