GIS在水文模型中的应用

       GIS是运用系统工程和信息科学的理论,科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据,以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统[16]。近年来,GIS在水文模拟中得到了广泛的应用。借助于GIS强大的空间数据分析处理功能,水文模型的研究手段得到了根本性的转变。GIS不仅可以管理空间数据,用于模型的输入、输出,而且还可以将水文模块植入GIS系统,用户只需要根据GIS开发的界面操作,不需要涉及水文模型的本身。就目前的研究及应用看,GIS与水文模型的结合主要表现为三种方式,即GIS软件中嵌入水文分析模块、水文模型软件中嵌入部分GIS工具(松散型结合)及相互耦合嵌套的形式(紧密型结合)。

       水文陆面模拟中,地形是十分关键的因素,GIS用于水文模拟,可以用来获取、操作、显示这些与模型有关的空间数据和所得的成果,使模型进一步细化,从而深入认识水文现象的物理本质[17]。当今以数字地形模型(DTM)、数字高程模型(DEM)存储的地形信息, 为流域水系信息参数的自动化提取提供了可能[18]。通过GIS可以提取流域的基本特征,包括下垫面特征、水系、河网等,并可以依据河网等级对流域进行任意的子流域的划分或者进行网格化划分,不仅可以与传统的概念性流域水文模型相结合,管理提供基本的数据信息,并实现输入输出功能,更重要的是为分布式的水文物理模型研制提供了平台。由GIS可以实现不同数据的可视化结合、数据转换,并可以减少模型输入时的数据误差。GIS在流域水文模拟中得到广泛的应用,出现了许多商业化的集成软件和专业软件。如ESRI提供的Hydro模块,可以在Arc/info、Arcview中直接调用;RSI提供的RiverTools,目前发展到2.4版本,它的一个特点是可以处理很大的DEM数据;GarbrechtJ,MartzW.的TOPAZ工具等,这些工具在流域地形处理方面功能非常强大。

       还有一些基于GIS的专业水文处理软件,如WMS(WatershedModelingSystem)模型系统,它是美国BrighamYoung大学环境模型研究实验室(EMRL)开发的专业水文模拟处理软件,提供水文模拟全过程的工具。包括流域、子流域的自动生成、几何参数的计算、水文参数(如汇流时间、降雨深等)的计算等,并能实现模拟结果的可视化。WMS可以使用矢量地图、DEM、TIN等格式的数据来进行地形分析和水文模拟。嵌入了多种传统的概念性水文模型,包括HEC-1、NFF、TR-20、TR-55、RationalMethod、HSPF等,根据自动提取的流域参数进行水文模拟,可以用于洪水预报、水库设计、城市规划等。以地形空间变化为主要结构,用地形信息模拟水文响应的TOPMODEL概念提出后, 国外已有多方面的研究应用[19],国内也有较多的应用和研究报道。如,郭方等[20]将TOP- MODEL应用在淮河流域史河水系。任立良等[21,22]建立了基于DEM的数字流域水文模型, 该模型的基本结构是:在流域栅格DEM数据上,应用数字高程流域水系模型(DEDNM)[23] 的原理和方法自动提取流域水系,构建数字流域,主要过程包括凹陷区的识别处理、平坦部位水流流向设定、子流域集水单元勾划、河网生成、河网与子流域编码及河网拓扑关系的建立;然后对生成的每一集水子流域应用新安江模型建立产流模型,再根据河网结构拓扑关系,采用分段马斯京根法,建立数字河网汇流模型,构成了数字水文模型,并在淮河史灌河流域进行了实例应用研究,计算的黄泥庄站时流量过程和蒋集站日流量过程均能与实测过程较好的拟合。