第3章流域空間構成靜態(tài)模型

第三章流域空間構成—靜態(tài)模型易善楨電子信箱：yisz@手機節(jié)安排1數字流域概述2數字高程模型3靜態(tài)模型4動態(tài)模型5,6,7,8流域時空數據模型10流域數據獲取9流域數據存儲傳輸與處理11數字流域模擬及應用主要內容流域尺度和構成要素1.流域的地貌特征3.數字流域和數字水系4.流域水系網絡拓撲2.1.1流域尺度和分類1.2流域分級1.3流域構成要素§1流域尺度和構成要素1.1

流域尺度和分類流域尺度大小和分類流域邊界和分水線閉合流域坡面流：蓄滿產流

坡面流：超滲產流

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空尺度

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

大中小流域的劃分目前尚無統(tǒng)一的標準流域功能分類：林業(yè)流域、農業(yè)流域、城市流域流域面積長江：180萬平方公里黃河：75萬平方公里珠江：45萬平方公里海河：31萬平方公里漢江：15萬平方公里新安江（錢塘江上游流域）：1萬平方公里唐河（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為山脊相鄰山峰之間的區(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RiverbasinWatershedCatchment流域分級一個流域按流域內的自然分水線可以劃分成若干個子流域，每個子流域按其內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NHDPlusBasins:AdministrativelychosendrainageareasWatersheds:AtesselationofabasinforaparticularpurposeCatchments:Atesselationofabasinusingphysicalrules排水系統(tǒng)尺度表示（ScalesofRepresentationofDrainageSystems）DigitalElevationModel:arepresentationofthelandsurfaceasaspatialcontinuum河流盆地RiverBasin根據盆地出水口來確定流域（watershed）流域的主要分級RiverBasin河流盆地Watershed流域Sub-Watershed子流域Catchment集水區(qū)坡面Slope是流域的內部構成，在流速計算中與河道有區(qū)別。1.3流域空間構成要素流域水文空間要素水系網絡流域坡面河道節(jié)點流域環(huán)境空間要素土壤類型土壤濕度流域社會經濟空間要素土地利用/覆蓋流域空間基本構成要素流域地形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流域是河網或河段上指定一點的上游集水區(qū)域集水區(qū)Catchment流域基本單元，形狀：扇形、書形；外緣集水區(qū)，內部集水區(qū)外鏈集水區(qū)內鏈集水區(qū)集水區(qū)是流域基本單元（Catchment）集水區(qū)對應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。除平原水網地區(qū)外，一個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/覆蓋土壤類型流域基礎設施-建筑-防洪設施§2流域水系網絡拓撲2.1概述2.2水系的網絡拓撲模型2.3河段的分級和編碼2.1流域水系概述水系

Network流域中河道（河流）交匯形成的樹枝狀或網狀結構，亦稱河系（Streamnetwork）。河道水系水系Network自然形成的水系多為樹狀結構人工開挖形成的平原水系可為網狀結構交匯點水系的形態(tài)特征平行狀水系的支流與干流大體成平行趨勢相交匯，相應的流域形狀多為扇形。羽毛狀水系的支流自上游而下游，在不同的地點依次匯入干流，相應的流域形狀多為狹長形?；旌蠣钏档闹Я髋c干流的關系介于前兩者之間，相應的流域形狀也介于狹長和扇形之間。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系面積相同、水系形狀不同，同樣一場暴雨形成的流域出口斷面流量過程線明顯不同。平行狀水系由于各支流匯集到流域出口斷面的同時性強，所以產生較尖瘦的洪水過程。羽毛狀水由于各支流匯集到流域出口斷面的時間相互錯開，所以產生較矮胖的洪水過程?；旌蠣钏诞a生的洪水過程則介于以上兩者之間。2.2水系的網絡拓撲模型水系的拓撲學特征主要表現為水系分叉、河流分級和滿足河數定律上。大量的觀測資料表明，自然界的天然水系一般屬于二分叉樹的形狀。構成要素水系Network出口源節(jié)點鏈水系的拓撲定義樹形結構的“根”為水系的出口，且只有一個。樹形結構的外沿“葉”節(jié)點為各個分支河流的源頭，稱為河源，簡稱源。兩條河段的交匯點為節(jié)點。出口與相鄰節(jié)點以及相鄰節(jié)點之間的河段稱為內鏈，源與相鄰節(jié)點之間的河段稱為外鏈。內鏈與外鏈統(tǒng)稱為鏈。外鏈內鏈水系的拓撲結構水系組成河源節(jié)點出口SchematicNetworkStandardArcHydrodatastructureSchematicLinksSchematicNodesType1NodesandLinksforWatershedsType2NodesandLinksforStreamsType3for…..SchematicNetworkProcessesNodeprocessesRainfall-runoffandpollutantloadsonwatershedsSummingflowsorloadsonstreamsWaterqualityinwaterbodiesLinkprocessesRoutingflowsinstreamsPollutantlossesinstreams在20世紀以前，人們對水系中大小不同的河流只有定性的認識，僅將水系中的河流區(qū)分為支流和干流兩級。1914年以后，地貌學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，并以序號對序列中的河流逐一加以命名。河流的河段(Riverreach或segment)是面向網絡拓撲和數據庫的命名。2.3河段的分級和編碼河段的分級和編碼霍頓(Horton)分級法斯特拉勒(Strahler)分級法霍頓(Horton)分級編碼法將最小的不分叉的河流稱為1級河流，只接納1級河流匯入的河流稱為2級河流；只接納1，2兩級河流匯入的河流稱為3級河流，其余類推，直至將水系中所有的河流命名完畢。www.HHU.EDU.cn斯特拉勒(Strahler)分級編碼法定義從河源出發(fā)的河流為1級河流；同級的兩條河流交匯形成的河流的級比原來增加1級；不同級的兩條河流交匯形成的河流的級等于兩者中較高者。11111111111122222333444Strahler分級法河段對應的集水區(qū)每一個集水區(qū)都對應一個河段（外鏈、內鏈，任何級別的河段）。集水區(qū)匯水流量作用于河段的終止點。節(jié)點與河段的拓撲關系和基數每一個節(jié)點至少連接兩個上游河段。河源沒有上游河段，只是外鏈河段的起始點。出口沒有下游河段，是內鏈河段的終止點。每個河段有一個起始點（源或節(jié)點，如果起始點是節(jié)點，則起始節(jié)點對應兩個以上上游匯入河段），有一個終止點（節(jié)點或出口）。對于河網的數據庫建模，需要明確的拓撲和數量關系§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流域長度B和寬度C2流域長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度，與它正交方向的分水線之間的最大直線距離稱為流域寬度。格拉格(Grag)通過對許多小流域資料的分析，發(fā)現流域長度與流域面積有如下關系:3流域形狀形態(tài)因子：流域面積與流域長度平方的比值圓度：流域面積與周長為流域周長的圓面積的比值伸長比：面積等于流域面積的圓的直徑與流域長度的比值當A增加時，形態(tài)因子減小，這意味著對較大的流域，其形狀是趨于狹長形的。4河網密度和河道維持常數單位流域面積上的河流長度稱為河網密度河網密度的概念首先由霍頓于1945年引入，它表達了流域水系排水的有效性。河網密度的倒數稱為河道維持常數,它的含義是為了維持單位長度的河道必須要有多少匯水面積提供徑流。一般來說，隨著河流級的增加，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目——河流頻度單位面積上的鏈數——鏈頻度6面積－河長曲線7高程曲線河長同相應匯水面積之間的關系曲線8流域坡度流域上兩點間的高差與它們之間直線距離的比值——兩點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于以面積為權重的平均流域高差面積河長曲線包圍的面積相當于以面積為權重的平均流域長度它們的比值則相當于平均流域高差與平均流域長度之比值，即平均流域坡度§4

數字流域和數字水系§4

數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概述數字高程模型為流域地形地貌參數的計算、流域水系的生成等提供基于數字化的自動處理方法?；镜匦蔚孛矃档奶崛∽詳底指叱棠Ｐ统霈F以來，人們就對如何利用數字高程模型計算坡度和坡向進行大量的研究，提出了多種具體計算方法。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）確定格網中水流的流向一般采用D8方法。該法認為每個格網中水流有8個可能的流向，應取最大坡度方向作為格網中水流實際發(fā)生的流向。凡匯入各個方向水流的格網稱為凹點，相鄰格網的高程相等而無法判定水流流向的稱為零點。凹點的集合稱為洼地，例如實際地形中的水庫、湖泊等。零點的集合稱為平坦區(qū)域，例如實際地形中的平地。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，應對原始數字高程模型進行預先處理。DEM