數(shù)字流域模型

　　本書是數(shù)字流域模型研究的總結(jié)。書中介紹了數(shù)字流域模型的框架結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)以及模型建立和運行等方面的成果；以黃河流域為例，給出了模型在流域水資源量計算、洪水模擬、侵蝕產(chǎn)沙、淤地壩規(guī)劃等領(lǐng)域的初步應(yīng)用成果，展示了模型在流域規(guī)劃和管理工作中的廣闊應(yīng)用前景。 本書可供水利工程、水土保持、環(huán)境工程等專業(yè)科技人員及高等院校相關(guān)專業(yè)師生閱讀和參考。 前言 數(shù)字流域模型能夠模擬全流域的降雨-徑流及產(chǎn)沙輸沙等過程，在流域防汛減災(zāi)、水量調(diào)度、水土保持等方面有重要應(yīng)用。近年來，數(shù)字河流建設(shè)得到重視并應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中，但是作為數(shù)字河流引擎的流域模型的開發(fā)還相對滯后，多數(shù)模型局限于中小流域，將其擴展到大流域時還比較粗糙，不能滿足數(shù)字河流建設(shè)的需要。為此，作者在國家"973"課題和國家自然科學(xué)基金的資助下，結(jié)合"數(shù)字黃河"工程建設(shè)，研究開發(fā)了大流域的數(shù)字流域模型，本書是對該方向成果的初步總結(jié)。 本書著眼于大流域的水沙過程模擬，提出并建立了數(shù)字流域模型系統(tǒng)的框架。模型框架依托DEM數(shù)據(jù)及其存取系統(tǒng)，以流域分級理論為依據(jù)，將全流域分為四級：坡面、小流域、區(qū)域（支流）和全流域，即在坡面上建立產(chǎn)流和產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型，在小流域河網(wǎng)、區(qū)域（支流）河網(wǎng)和全流域河網(wǎng)上分三級進行匯流演進。通過"坡面產(chǎn)流，逐級匯流"的組織方式，將四個層次的模型整合成一個完整的數(shù)字流域模型系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括五項關(guān)鍵技術(shù)，即大流域DEM數(shù)據(jù)存取、流域溝道參數(shù)提取、基于遙感圖像的模型參數(shù)提取、分布式降雨量數(shù)據(jù)存取和計算機集群并行計算。基于數(shù)字流域模型系統(tǒng)框架建立了坡面降雨-徑流模型和侵蝕產(chǎn)沙模型，并在岔巴溝流域進行了參數(shù)率定和模型驗證。此外，作為數(shù)字流域模型的應(yīng)用例子，結(jié)合黃河流域進行了四個方面的計算，包括： （1）模擬了1983年黃河流域花園口以上部分的水資源分布狀況和花園口等幾個重要水文斷面的徑流過程，統(tǒng)計了黃河上中游各省的地表水資源量。 （2）模型用不同的時間步長再現(xiàn)了伊洛河"82．8"洪水和1983年黃河小花間的汛期徑流過程。 （3）對黃河中游多沙粗沙區(qū)的1967年、1978年、1983年、1994年、1997年五個典型年汛期的產(chǎn)流產(chǎn)沙量進行了模擬計算，結(jié)果表明多沙粗沙區(qū)進入黃河于流河道的泥沙量與降雨量、降雨地點、降雨強度以及泥沙的粒徑有關(guān)，模型可以較好地模擬這些因素的影響。 （4）以岔巴溝為例進行了小流域淤地壩規(guī)劃的研究，在岔巴溝流域布設(shè)小型淤地壩541座，計算模擬了布置淤地壩前后的徑流輸沙變化，初步分析了淤地壩的減水減沙效益。 模型各項應(yīng)用的結(jié)果表明： （1）模型可用于大流域的降雨-徑流模擬和水資源量計算。 （2）模型系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同需要，采用不同的計算步長，模擬次洪和連續(xù)徑流過程。 （3）輔以降雨預(yù)報模塊，模型可用于洪水預(yù)報。 （4）模型可用于大區(qū)域或局部小流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙計算，為淤地壩規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。 本書的研究成果得到了國家自然科學(xué)創(chuàng)新研究群體基金項目"流域水沙過程與臨界調(diào)控機理（50221903）"、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）項目"黃河流域水資源演化規(guī)律與可再生性維持機理（G19990436）"的資助，在此一并表示感謝。 參加本項研究的主要人員除本書作者外，還有陳志祥、李鐵鍵、薛海、鄧?yán)取?由于作者水平所限，書中難免出現(xiàn)疏漏，敬請讀者批評指正。 作者 2005年9月于清華大學(xué)

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