分布式水文模拟计算

第六章分布式水文循环模型近年来，水文模型研究的重点已从集总式流域水文统计模型转向分布式水文模型的研究，分布式水文机理过程模型的开发成为人们关注的焦点。

分布式水文模型的研制首先需要获得大量的流域空间分布数据，目前的水文模拟技术则趋向于将水文模型与地理信息系统（GIS）的集成，以便充分利用GIS在数据管理、空间分析及可视性方面的功能。

而数字高程模型（DEM）是构成GIS的基础数据，利用DEM可以提取流域的许多重要水文特征参数，如坡度、坡向、水沙运移方向、汇流网络、流域界线等。

因此，基于DEM 的流域分布式水文模型是水文模拟技术发展的必然趋势，也是本文水资源量可再生性的理论与评价研究的重要基础。

6.1 流域数字高程模型DEM及在水文中的应用数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)是由美国麻省理工学院Chaires ler教授于1956年提出来的，其目的是用摄影测量或其他技术手段获得地形数据，在满足一定精度的条件下，用离散数字的形式在计算机中进行表示，并用数字计算的方式进行各种分析。

DEM作为地理信息系统的基础数据，已在测绘、地质、土木工程、水利、建筑等许多领域得到广泛应用。

本节将介绍DEM的基本知识及其在水文中的应用。

6.1.1 DEM的基本知识(1) 地形的数字描述20世纪中叶，随着计算机科学、现代数学和计算机图形学等的发展，各种数字的地形表达方式得到迅猛的发展。

1958年Miller和Laflamme提出了数字地形模型DTM(Digital Terrain Mold)的概念，并给出了以下的定义：数字地形模型是利用一个任意坐标场中大量选择的已知X、Y、Z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示。

实际上，数字地形模型DTM是通过地表点集的空间直角坐标(x,y,z)并视需要进一步伴随若干专题特征数据来表示地形表面的。

它的更通用的定义是描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列，从数学的角度，可以用以下二维函数系列来概括地表示数字地形模型的丰富内容和多样形式：()),,3,2,1;,,3,2,1( ,n p m k v u f K p p k p === （6.1.1）式中：K p ——第p 号地面点（可以是单一的点，但一般是某点及其微小邻域所划定的一个地表面元）上的第人类地面特性信息的取值；u p ,v p ——第p 号地面点的二维坐标，可以是采用任一地图投影的平面坐标，或者是经纬度和矩阵的行列号等；m ——地面特性信息类型的数目（m ≥1）；n ——地面点的个数。

1分布式地下水模拟模型模的种类及特点常用的地下水文模拟模型包括解析模型、数值模型、水均衡模型及物理模型等。

目前国际上较为流行的地下水数值模拟模型主要包括ModFlow和FeFlow，下面对其分别进行介绍和比较。

1.1ModFlow模型是一套专门用于孔隙介质中三维地下水流数值模拟的模型。

自ModFlow问世以来,它已经在全美甚至在全世界范围内,在科研、生产、环境保护、城乡发展规划、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用,成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算软件. ModFlow主要采用三维有限差分方法进行模拟。

其基本原理是：在不考虑水的密度变化的条件下，孔隙介质中地下水在三维空间的流动可以用下面的偏微分方程来表示. 1.2Feflow模型它采用有限元法进行复杂二维和三维稳定/非稳定水流和污染物运移模拟。

Feflow的有限元方法允许用户快速构建模型来精确地进行复杂三维地质体的地下水流及运移分析，在这方面其功能要强于ModFlow。

2流域生态水文过程与分布式水文模型有限的淡水资源已经成为社会经济可持续发展和生态系统健康的重要限制因子，现有的水利工程技术难以有效解决这一矛盾，需要探索新的方法和机制以解决水资源短缺、水质恶化和生物多样性减少等环境问题，生态水文学（Ecohydrology）正是在这种背景下发展成为水文学研究的一个重要分支。

3建模的关键技术 3.1遥感与GIS技术遥感作为信息采集的重要手段，已经为水文建模提供了丰富的空间属性数据资料，并且为模型验证提供了新的方法，而GIS技术为水文模型的数据管理和模型应用带来了较大的便利，遥感数据和GIS技术成为水文建模研究的重要方向由于流域下垫面高度的空间异质性，大多数遥感数据获取的水文属性参数与物理观测值之间并没有很好的相关关系，给模型的验证带来很大的难度，遥感数据参数化和特征值提取还有很多问题亟待进一步研究。

3.2流域水循环综合模拟模型随着计算机技术、系统科学和大量水文模型方法研究的进展，使得进行整个流域整体水循环模拟成为可能。

文章标题：深度剖析分布式水文模型区域分解并行计算方法及其应用在当今信息时代，大数据和并行计算技术已经成为科学研究和工程应用中不可或缺的重要工具。

在水文领域，分布式水文模型是对地表水文过程进行精细化模拟和预测的关键工具之一。

而区域分解并行计算方法，则是高效实现分布式水文模型的关键技术之一。

本文将深度剖析分布式水文模型区域分解并行计算方法及其应用，带您了解这一领域的最新进展和未来发展趋势。

一、分布式水文模型简介分布式水文模型是以地理信息系统（GIS）为支撑评台，通过将流域划分为若干个小单元，并在每个小单元内解算水文过程，最终整合为整个流域水文过程的模拟方法。

它具有对流域内部地形、土地利用、植被覆盖等空间异质性进行精细化描述的优势，能够更准确地模拟和预测降雨径流过程及水文响应。

二、区域分解并行计算方法概述区域分解并行计算方法是一种将整个模拟区域分解为若干个子区域，每个子区域独立进行水文模拟计算，最后通过合并各个子区域的计算结果得到整个模拟区域的水文过程的并行计算方法。

它能够充分利用并行计算的优势，提高计算效率和模拟精度。

三、分布式水文模型区域分解并行计算方法及其应用1. 区域分解算法在分布式水文模型中，通常将流域划分为若干个子区域，每个子区域内部进行水文模拟计算。

区域分解算法是确保子区域之间相互独立，并能够准确合并计算结果的关键。

目前主要采用基于地形特征的分解算法和基于统计特征的分解算法。

2. 并行计算框架区域分解并行计算方法需要一个高效的并行计算框架来将各个子区域的计算结果进行合并。

目前主要采用MPI（Message Passing Interface）和OpenMP（Open Multi-Processing）等并行计算框架。

3. 应用实例分布式水文模型区域分解并行计算方法已经在降雨径流模拟、洪水预测、流域水文响应等方面得到了广泛的应用。

以某某流域为例，通过采用区域分解并行计算方法，成功实现了对该流域的洪水过程进行了高精度、高效率的模拟和预测。

英文回答：Water basins are divided into sub—water catchments based on information on topography，land use，rainfall，evaporation，soil type， and hydrological processes are modelled and analysed for each sub—water catchment for the purpose of distributive hydrological modelling。

The process includes four main steps： data preparation， model construction， model operation and results analysis。

Data collection and pre—processing of such data as watershed topography， land use and soil type are required during the data preparation phase。

During the model construction phase， including input of parameters and configuration of models。

The model is thenrun and the simulation results analysed and evaluated。

The whole process requires data interaction and model integrationin conjunction with GIS and HMS systems。

Such a distributed hydrologic modelling process can contribute to an improved understanding and prediction of the hydrological processes in the basin and provide an important technical support for scientifically sound water resource management and protection。

基于分布式水文模型DHSVM的平通河流域水文模拟石超;龚霞;张行南;夏达忠【摘要】Due to lack of hydrological data and the short time of flood's concentration,the traditional hydrolog-ical model is difficult to obtain good simulation results in the prediction of medium and small river basins.To analyze the adaptability of DHSVM in Pingtong Riverbasin,modeling process,modeling method and the structure and parameters of the model are researched.Then the numerical simulation is performed combining with the Pingtong River's hydrological data.Results show that the simulated daily runoff shows general a-greement with the observations;the relative error is all below 10%;the model can be used in the Pingtong River basin.The research work of relative error generated from the simulation results is done.%中小河流域水文预报时，由于流域水文资料缺乏，洪水发生时间短，传统的水文模型难以取得良好的效果。

降雨产流计算
1. 经验公式法：这是一种基于观测数据和经验关系的方法。

通过对以往降雨和径流数据进行分析，可以建立经验公式来描述降雨与产流之间的关系。

这些公式通常基于流域的特征，如面积、坡度、土壤类型等。

常见的经验公式包括单位线法、SCS 曲线数法等。

2. 水箱模型法：水箱模型将流域视为一系列相互连接的水箱，每个水箱代表一个子流域或流域的一部分。

降雨进入水箱后，根据水箱的蓄水能力和出水特性，计算出水箱的出流量。

通过将各个水箱的出流量相加，可以得到整个流域的产流量。

3. 分布式水文模型：分布式水文模型将流域划分为多个单元，考虑了地形、土壤、植被等因素在空间上的分布。

通过对每个单元的降雨、入渗、蒸散发和产流过程进行模拟，可以更准确地计算降雨产流。

4. 物理模型法：物理模型法基于物理过程的原理，如质量守恒、能量守恒等，来描述降雨在流域内的运动和转化过程。

这些模型通常需要更详细的输入数据，如地形、土壤特性、植被分布等，并且计算过程较为复杂。

在进行降雨产流计算时，需要考虑流域的特征、降雨的时空分布、土壤水分状况等因素。

不同的方法适用于不同的流域和条件，选择合适的方法需要根据具体情况进行评估和比较。

同时，准确的输入数据和合理的模型参数也是确保降雨产流计算准确可靠的关键。

分布式水文模型区域分解并行计算方法及其应用分布式水文模型区域分解并行计算方法及其应用分布式水文模型区域分解并行计算方法是近年来在水文领域备受关注的研究方向。

在水文模型的应用中，对于大规模复杂水文系统进行计算和模拟往往需要耗费大量的时间和计算资源。

传统的串行计算方法已难以满足大规模水文系统的快速准确模拟需求，因此分布式水文模型区域分解并行计算方法成为一种重要的研究方向。

在本文中，我们将对分布式水文模型区域分解并行计算方法进行深入探讨，并结合实际应用案例，展示其在水文领域的重要性和价值。

一、分布式水文模型区域分解并行计算方法概述分布式水文模型是一种基于地理信息系统和数学模型相结合的水文模拟方法，能够对流域内的水文过程进行精细化描述和模拟。

而区域分解并行计算方法则是将复杂的水文模型系统分解成多个子模型，每个子模型分别进行并行计算，最后将结果整合得到最终的模拟结果。

通过这种并行计算方法，可以显著提高水文模型的计算效率和模拟精度。

二、分布式水文模型区域分解并行计算方法的关键技术1. 分布式水文模型的网格化划分分布式水文模型需要将流域进行网格化划分，将流域划分成多个网格单元，并对每个网格单元进行水文过程模拟。

针对不同的水文过程模拟需求，可以采用不同的网格化划分方法，如等距网格划分、基于地形的网格划分等。

2. 区域分解并行计算方法的任务分配在区域分解并行计算方法中，需要将计算任务合理地分配给不同的子模型进行并行计算。

通常可以采用静态任务分配或动态任务分配的方法，根据实际情况动态调整计算任务的分配，以实现负载均衡和计算效率的最大化。

3. 子模型之间的信息交换和整合在分布式水文模型区域分解并行计算过程中，不同的子模型之间需要进行信息交换和结果整合，以确保模拟结果的一致性和准确性。

因此需要设计高效的信息交换和整合算法，以降低通讯开销和提高计算效率。

三、分布式水文模型区域分解并行计算方法的应用案例分布式水文模型区域分解并行计算方法已在多个水文模拟系统中得到了成功的应用，极大地提高了水文模型的计算效率和模拟精度。

收稿日期:2004-05-28;修订日期:2004-09-11基金项目:国家重点基础发展规划项目[黄河流域水资源演化与可再生性维持机理,编号:G1999043601(973)]资助。

作者简介:李道峰(1975-),男,黑龙江省哈尔滨人,北京师范大学博士后,从事水资源、水环境和遥感GI S 应用研究。

E -mail:lid 2aofeng@mail .bnu .edu .cn分布式流域水文模型水量过程模拟———以黄河河源区为例李道峰1,2,吴悦颖2,刘昌明1,3(1.北京师范大学水科学研究院水沙科学教育部重点实验室,北京100875;2.国家环境保护总局环境规划院,北京100012;3.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)摘要:文章分析了分布式水文模型、遥感和地理信息系统技术在流域径流模拟过程中的结合点,采用数字网格技术,以流域水量变化对地表土地覆被和气候变化响应过程为目的,讨论利用分布式水文模型研究下垫面和气候变化下流域水量响应过程的一般方法,并以黄河河源区为实例进行验证。

关　键　词:地理信息系统;遥感;分布式水文模型;水量过程;黄河河源区中图分类号:P339.9 文献标识码:A 文章编号:1000-0690(2005)03-0299-06 当前水文学研究的热点方向之一是采用分布式流域水文模型模拟水循环要素过程,而流域水量变化又是水文过程中的最敏感因素。

气候变化和地表下垫面变化都影响着流域产水量,二者对于不同时空尺度的不同流域,其影响程度又大不相同。

传统水文学方法在径流变化研究过程中对资料输入处理、物理过程模拟和时空尺度匹配上都存在着局限性。

相反,基于物理过程的分布式水文模型在遥感(Re move Syste m ,RS )和地理信息系统(Geo 2graphic I nfor mati on Syste m ,GI S )技术的支持下,模拟地表覆盖、水土流失变化的径流响应及面源污染、陆面过程、气候变化影响评价等方面已显现出明显的优势。