基于GIS和RS的分布式融雪径流模型在干旱区的应用研究—以乌鲁木齐河为例
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摘要
在中国西部的一些高海拔山区，融雪水是极其重要的水资源，在水资源合理利用中扮演着极其重要的角色。对于山区水库与水电站而言，融雪水是这些水库水电站蓄水的主要来源，也是控制水库调蓄、合理安排工农业与生活用水的重要组成部分。天山北坡绿洲地带是新疆重要的经济带，其水资源主要来自天山北坡山区径流。春季为枯水季节，融雪径流是春播灌溉的重要水源，可缓解春旱灾害，但如果融雪形成春洪也会造成洪水灾害，因此，研究天山北坡河流融雪径流形成规律，对于正确地评价和合理开发利用该地区水资源具有十分重要的意义。
本文以乌鲁木齐河为实验流域，对分布式融雪径流模型在干旱区的应用进行了深入研究和分析，介绍了积雪遥感制图的方法和国内外研究现状，介绍了分布式水文模型的研究现状和发展趋势，比较了几种国外常用的融雪径流的水文模型，目的是建立一个适用于干旱区的分布式融雪径流模型，并适用于干旱区其他流域的研究和模拟。
乌鲁木齐河流域的补给方式是冰雪融水和雨水混合补给，流域内高差较大，产流类型分布不均匀，除了与高程有关，还与有无冰川积雪覆盖有关，这些特点要求在水文过程的模拟中，采用分布式的水文模型，即考虑流域内不同的空间位置上的不同情况，采用不同的计算方法、不同的参数、不同的输入变量。基于数字高程模型的分布式水文模型也是解决资料短缺地区的各种水文估计的有效途径。
本文采用PRMS模型中关于融雪日径流计算的部分内容，根据流域等高线和植被分布情况将对整个流域进行划分，划分成18个HRU（水文响应单元），其中按等高线分成的四个分带中，都有一个代表气象站，以此气象站的实测数据作为整个分带的输入数据。结合流域数字高程模型（DEM）和积雪积累和消融期的MODIS遥感影像，按照每个HRU单独进行融雪径流的模拟，最后，将每个HRU计算出的融雪量按照马斯京根法进行汇流演算，至流域出山口。与实测日径流过程线进行比较，发现模拟过程线的趋势与实测值较吻合，低值部分吻合较好，高值部分偏小。说明这种探索和研究对于干旱区水资源预测和管理具有一定的实用指导意义。其中HRU按照等高线以及植被的分布相结合进行划分，是该文的一个创新点。
该文利用了RiverTools软件处理乌鲁木齐河流域DEM。RiverTools是一个用于分析和显示数字地形、流域和河网的GIS应用软件，它的突出的功能就是可以根据非常大的DEM提取河网和分析水文特征，比ArcInfo或ArcView更快捷、更实用。
该文利用ENVI处理MODIS遥感影像，对已经经过投影转换和校正过的遥感影像进行波段计算。采用积雪覆盖指数法（NDSI（Normalized difference snow index）归一化积雪指数）来提取积雪覆盖面积，针对MODIS的波段，提出了自己的波段算法，然后对非积雪和积雪进行分类，以此来提取积雪。最后，通过MAPINFO对其进行矢量化，将积雪分配到各个HRU上，以此来计算每个HRU的产流量。
本文对今后的工作进行了展望，建议在对流域的综合情况进行深入细致研究后，增
加冻土对径流的影响研究和冰川融水的加入，并且，可以尝试以不同的方法进行HRU的划分，同时，建议获取多源遥感数据，计算HRU积雪面积，积雪深度和积雪表面反照率，更好的确定模型的参数和计算方法，以期达到更精确的模拟效果。
In some high-altitude mountainous area of the western China, snowmelt water is the most important water resources and plays an important role in reasonable use of the water resources. To the reservoirs and the water power stations, snowmelt water is the primary storing source and take an important part in controlling the quantity of the water in reservoirs and reasonably arranging the water used in industry, agriculture and living. The oasis in the northern slope of Tianshan Mountain is the most important economic exploitation region in Xinjiang Province and its water source comes principally from the runoff in mountainous area of the northern slope of Tianshan Mountain. Spring is the low water season. Snowmelt water is the important water source that can release the drought, but there will be flood if the snowmelt water cause spring flood. So doing research on the rule of the snowmelt generation in the northern slope of Tianshan Mountain has great meaning for developing，using，and managing water resources in this area.
This thesis takes the Urumqi River as experimental basin, making deep researches and analyses on application of the distributed model of snowmelt runoff in arid area, introducing the internal and external research actuality of remote sensing mapping for snow pack, introducing research actuality and developing trend of the distributed hydrological model, comparing several external common hydrological model about snowmelt runoff. This paper’s aim is to construct a distributed model of snowmelt runoff suitable for arid area and it can be used to research and simulate other basins in arid area.
The replenishment way of the Urumiqi River is the mixed replenishment of ice and snowmelt and rainwater. The inner drainage area has high-difference and unwell-balanced distributing types of runoff generation. Besides relating to altitude, it relates to ice and snow cover. These characters require adopting distributed hydrological model which can introduces different computing ways, different parameters and different input variables according to different situations when simulate the hydrological process. The distributed hydrological model based on DEM (digital elevation model) is also an available approach to resolve diversified hydrological estimation in the regions that are short of data.
This thesis adopts a part of PRMS (Precipitation-Runoff Modelling System) about computing daily runoff of snowmelt and accords to the contour and the distributing situations of the vegetation in the basin to divide the whole drainage area into eighteen HRU (hydrological response unit) ，in every contour zone there is a weather station and we can use practical data from weather station as the input data for whole belt. According to the elevation of HRU and different months, this research adjusts the temperature and precipitation of HRU in which the daily temperature of HRU is adjusted
by different lapse of temperature. The covering areas of snow in every HRU are calculated by MODIS image of the snow accumulation and melt. Combining the extracted snow area and DEM of basin, this research computes the runoff from quantity of snowmelt. Finally we calculate the flux from every HRU according to Muskingan rule, until to the basin export. Comparing the practical daily stream curve, this research finds that the trend of the simulated process curve inosculates the practical data and the part of low value is well meanwhile high value is smaller. The paper analyses and evaluates the error and proves this research has some utility direction meaning to water resources predictability and management in arid area. And divide the basin into HRU according to the contour and vegetation is one innovation of this thesis.
This thesis use Rivertools to process DEM of Urumqi river basin. Rivertools is a kind of applied GIS software, which can analyze and display digital terrain, basin and river network. Its projecting function is that it can extract and analyze the hydrological character according to the very big DEM, so it is more rapid
本文以乌鲁木齐河为实验流域，对分布式融雪径流模型在干旱区的应用进行了深入研究和分析，介绍了积雪遥感制图的方法和国内外研究现状，介绍了分布式水文模型的研究现状和发展趋势，比较了几种国外常用的融雪径流的水文模型，目的是建立一个适用于干旱区的分布式融雪径流模型，并适用于干旱区其他流域的研究和模拟。
乌鲁木齐河流域的补给方式是冰雪融水和雨水混合补给，流域内高差较大，产流类型分布不均匀，除了与高程有关，还与有无冰川积雪覆盖有关，这些特点要求在水文过程的模拟中，采用分布式的水文模型，即考虑流域内不同的空间位置上的不同情况，采用不同的计算方法、不同的参数、不同的输入变量。基于数字高程模型的分布式水文模型也是解决资料短缺地区的各种水文估计的有效途径。
本文采用PRMS模型中关于融雪日径流计算的部分内容，根据流域等高线和植被分布情况将对整个流域进行划分，划分成18个HRU（水文响应单元），其中按等高线分成的四个分带中，都有一个代表气象站，以此气象站的实测数据作为整个分带的输入数据。结合流域数字高程模型（DEM）和积雪积累和消融期的MODIS遥感影像，按照每个HRU单独进行融雪径流的模拟，最后，将每个HRU计算出的融雪量按照马斯京根法进行汇流演算，至流域出山口。与实测日径流过程线进行比较，发现模拟过程线的趋势与实测值较吻合，低值部分吻合较好，高值部分偏小。说明这种探索和研究对于干旱区水资源预测和管理具有一定的实用指导意义。其中HRU按照等高线以及植被的分布相结合进行划分，是该文的一个创新点。
该文利用了RiverTools软件处理乌鲁木齐河流域DEM。RiverTools是一个用于分析和显示数字地形、流域和河网的GIS应用软件，它的突出的功能就是可以根据非常大的DEM提取河网和分析水文特征，比ArcInfo或ArcView更快捷、更实用。
该文利用ENVI处理MODIS遥感影像，对已经经过投影转换和校正过的遥感影像进行波段计算。采用积雪覆盖指数法（NDSI（Normalized difference snow index）归一化积雪指数）来提取积雪覆盖面积，针对MODIS的波段，提出了自己的波段算法，然后对非积雪和积雪进行分类，以此来提取积雪。最后，通过MAPINFO对其进行矢量化，将积雪分配到各个HRU上，以此来计算每个HRU的产流量。
本文对今后的工作进行了展望，建议在对流域的综合情况进行深入细致研究后，增
加冻土对径流的影响研究和冰川融水的加入，并且，可以尝试以不同的方法进行HRU的划分，同时，建议获取多源遥感数据，计算HRU积雪面积，积雪深度和积雪表面反照率，更好的确定模型的参数和计算方法，以期达到更精确的模拟效果。
In some high-altitude mountainous area of the western China, snowmelt water is the most important water resources and plays an important role in reasonable use of the water resources. To the reservoirs and the water power stations, snowmelt water is the primary storing source and take an important part in controlling the quantity of the water in reservoirs and reasonably arranging the water used in industry, agriculture and living. The oasis in the northern slope of Tianshan Mountain is the most important economic exploitation region in Xinjiang Province and its water source comes principally from the runoff in mountainous area of the northern slope of Tianshan Mountain. Spring is the low water season. Snowmelt water is the important water source that can release the drought, but there will be flood if the snowmelt water cause spring flood. So doing research on the rule of the snowmelt generation in the northern slope of Tianshan Mountain has great meaning for developing，using，and managing water resources in this area.
This thesis takes the Urumqi River as experimental basin, making deep researches and analyses on application of the distributed model of snowmelt runoff in arid area, introducing the internal and external research actuality of remote sensing mapping for snow pack, introducing research actuality and developing trend of the distributed hydrological model, comparing several external common hydrological model about snowmelt runoff. This paper’s aim is to construct a distributed model of snowmelt runoff suitable for arid area and it can be used to research and simulate other basins in arid area.
The replenishment way of the Urumiqi River is the mixed replenishment of ice and snowmelt and rainwater. The inner drainage area has high-difference and unwell-balanced distributing types of runoff generation. Besides relating to altitude, it relates to ice and snow cover. These characters require adopting distributed hydrological model which can introduces different computing ways, different parameters and different input variables according to different situations when simulate the hydrological process. The distributed hydrological model based on DEM (digital elevation model) is also an available approach to resolve diversified hydrological estimation in the regions that are short of data.
This thesis adopts a part of PRMS (Precipitation-Runoff Modelling System) about computing daily runoff of snowmelt and accords to the contour and the distributing situations of the vegetation in the basin to divide the whole drainage area into eighteen HRU (hydrological response unit) ，in every contour zone there is a weather station and we can use practical data from weather station as the input data for whole belt. According to the elevation of HRU and different months, this research adjusts the temperature and precipitation of HRU in which the daily temperature of HRU is adjusted
by different lapse of temperature. The covering areas of snow in every HRU are calculated by MODIS image of the snow accumulation and melt. Combining the extracted snow area and DEM of basin, this research computes the runoff from quantity of snowmelt. Finally we calculate the flux from every HRU according to Muskingan rule, until to the basin export. Comparing the practical daily stream curve, this research finds that the trend of the simulated process curve inosculates the practical data and the part of low value is well meanwhile high value is smaller. The paper analyses and evaluates the error and proves this research has some utility direction meaning to water resources predictability and management in arid area. And divide the basin into HRU according to the contour and vegetation is one innovation of this thesis.
This thesis use Rivertools to process DEM of Urumqi river basin. Rivertools is a kind of applied GIS software, which can analyze and display digital terrain, basin and river network. Its projecting function is that it can extract and analyze the hydrological character according to the very big DEM, so it is more rapid
引文
商思臣，巴哈提， 帕尔哈提·艾孜木，乌鲁木齐河流域气温特征分析 ，新疆师范大学学报(自然科学版) ，1998年01期
李江风，乌鲁木齐河山区冰雪水资源及径流量丰枯频率，新疆气象， 2002年01期
梁云，吕斌，钟庆， 乌鲁木齐南山中山带气候特征分析， 新疆气象2002年 第三期
李震， 施建成，高光谱遥感积雪制图算法及验证 ， 测绘学报， 2001年2月
陈贤章，李新，鲁安新，李文君 ，积雪定量化遥感研究进展 ， 遥感技术与应用 ，1996年12月
傅国斌，刘昌明，遥感技术在水文学中的应用与研究进展 ，水科学进展 ，2001年12月， 第12卷第4期
陈仁升，康尔泗，杨建平，张济世，水文模型研究综述，中国沙漠，2003年5月
康尔泗，施雅风，杨大庆，张寅生，张国威，乌鲁木齐河山区流域径流形成的实验研究， 第四纪研究，1997年5月
周建伟，何新林，钱杰，天山山区径流模拟模型研究，石河子大学学报（自然科学版），2000年3月，第4卷 第1期
刘闯，陈圣波，Mo Dai，王正兴，EOS-MODIS数据在青藏高原冰雪季节性变化信息自动提取中的应用研究，遥感信息，2001，4
马虹，姜小光，余素芬，徐俊容，利用NOAA-AVHRR数据进行积雪监测与制图的方法研究，干旱区地理，1998年9月，第21卷第3期
周咏梅，贾生海，刘萍，利用NOAA-AVHRR资料估算积雪参量，气象科学，2001年3月， 第21卷第1期
王建，沈永平，鲁安新，王丽红，史正涛，气候变化对中国西北地区山区融雪径流的影响，冰川冻土，2001年3月，第23卷第1期
沈志宝，藏北地区冬季降雪对地面反射率的影响，高原气象，1 9 9 6 年5 月，第15 卷第2 期
俞鑫颖，刘新仁，分布式冰雪融水雨水混合水文模型， 河海大学学报（自然科学版），2002年9月，第30卷第5期
陈仁升，康尔泗，杨建平，张济世，水文模型研究综述，中国沙漠，2003年5月，第23卷第3期
郭生练，熊立华，杨井，彭辉，王金星，基于DEM的分布式流域水文物理模型， 武汉水利电力大学学报，2000年12月，第22卷 第6期
郭生练，熊立华，杨井，彭辉，王金星，分布式流域水文物理模型的应用和检验，武汉大学学报（工学版）， 2001年2月， 第34卷第1期
王中根，刘昌明，左其亭，刘青娥 ，基于DEM的分布式水文模型的建构方法，地理科学进展，2002年9月， 第21卷第5期
王中根，刘昌明，吴险峰，基于DEM的分布式水文模型研究综述，自然资源学报， 2003年3月，第18卷第2期
芮孝芳，朱庆平，分布式流域水文模型研究中的几个问题，水利水电科技进展，2002年3月
仇家琪，天山北坡中段春季融雪洪水及其灾害成因研究，干旱区地理，1994年9月， 第17卷第3期
魏文寿， 秦大河， 刘明哲，中国西北地区季节性积雪的性质与结构，干旱区地理， 2001年12月，第24卷第4期
王建，卫星遥感雪盖制图方法对比与分析，遥感技术与应用，1999年12月，第14卷第4期
Edwin T。Engman ，遥感数据在流域水文研究中的应用，水土保持科技情报，1996年第4期
刘玉洁，郑照军，王丽波，我国西部地区冬季雪盖遥感河变化分析，气候与环境研究， 2003年3月，第8卷第1期
李良序，黄镇，傅华，新疆雪盖特征分析，新疆气象，2001年，第24卷第5期
黄平，赵吉国，流域分布型水文数学模型的研究及应用前景展望，水文，1997年第5期
陈仁升，康尔泗，杨建平，张济世，内陆河流域分布式日出山径流模型―――以黑河干流山区流域为例，地球科学进展，2003年4月，第18卷第2期
任立良，刘新仁 ，数字高程模型在流域水系拓扑结构计算中的应用，水科学进展， 1999年6月，第10卷 第2期
刘时银，王宁练，丁永建，谢自楚，近30年来乌鲁木齐河流域冰川波动特征与流域高山带升温幅度的估算，地球科学进展，1999年6月，第14卷第3期
康尔泗，Atsumu Ohmura，天山冰川消融参数化能量平衡模型，地理学报，1994年9月，第49卷第5期
李江风，袁玉江，乌鲁木齐河山区流域360年径流量的重建，第四纪研究，1997年5月
杨新元，韩添丁，乌鲁木齐河源气候特性与冰川融水径流，冰川冻土，1994年6月，第16卷第2期
杨新元，韩添丁，乌鲁木齐河源气温和降水的变化趋势及其对冰川影响，冰川冻土，1996年，第18卷第2期
纪忠萍，汤懋苍，制约乌鲁木齐河源1号冰川消长诸因子初探，高原气象，1994年3月，第13卷第1期
蓝永超，曾群柱，河西地区融雪径流的灰色预测方法，冰川冻土，1997年，第19卷第2期
马虹，基于遥感的积雪水文模型研究，中国科学院研究生院博士学位论文，2002年
于澎涛，分布式水文模型的理论、方法与应用，中国林业科学研究院博士学位论文，
2001年
关志成，寒区流域水文模拟研究，河海大学博士学位论文，2002年
科学出版社：乌鲁木齐河山区水资源形成河估算，1992年第一版
天山北坡河流产流量规律研究课题组，天山北坡河流径流形成规律研究，1991年9月
新疆科技卫生出版社：乌鲁木齐市城市水资源精确测验与评价研究，1996年第一版
科学出版社：中国西北干旱区冰雪水资源与出山径流，2002年7月第一版
河海大学出版社：水文学原理（一）（二），1998年6月
P. Etchevers, E. Martin, R. rown, C. Fierz , Lejeune1SnowMIP, an intercomparison of snow models: first results
THOMAS W. ECONOPOULY1, Acquisition and Use of Snow Water Equivalent Data at the Northeast River Forecast Center, 59th EASTERN SNOW CONFERENCE， Stowe, Vermont USA 2002
Rae A.Melloh , A Synopsis and Comparison of Selected Snowmelt Algorithms， CRREL Report 99-8
A.Salvetti, W.Ruf, P.Burlando, U.Juon, C.Lehmann ,Hydrotope-based river flow simulation in a Swiss Alpine Catchment accounting for Topographic, Micro-climatic and Landuse Controls
Zong-Liang Yang, Robert E. Dickinson, Andrea N. Hahmann,1 Guo-Yue Niu M. Shaikh,1 Xiaogang Gao,2 Roger C. Bales,2 Soroosh Sorooshian2 and Jiming Jin2 , Simulation of snow mass and extent in general circulation models， Hydrol。 Process。 13, 2097±2113 (1999)
surfaces Jiming Jin,2 Xiaogang Gao,1* Soroosh Sorooshian,1 Zong-Liang Yang,1 Roger Bales,1 Robert E. Dickinson,1 Shu-Fen Sun2 and Guo-Xiong Wu2，One-dimensional snow water and energy balance model for vegetated，Hydrol Process, 13, 2467±2482 (1999)
Engineering and Design RUNOFF FROM SNOWMELT , Department of the Army U.S. Army Corps of Engineers Washington, DC 20314-1000 1110-2-1406 ， 31 March 1998
Robert W. Lichvar and James S. Wakeley, Review of Ordinary High Water Mark Indicators for Delineating Arid Streams in the outhwestern United States, January 2004
Model David G. Tarboton Tanveer G. Chowdhury Thomas H. Jackson，A Spatially Distributed Energy Balance Snowmelt Working Paper , WP-94-HWR-DGT/003，November 1994
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Controls A. Salvettia, W. Rufb, P. Burlandob, U. Juonb, C. Lehmannb， Hydrotope-based river flow simulation in a Swiss Alpine Catchment accounting for Topographic, Micro-climatic and Landuse
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http://edcdaac.usgs.gov/gtopo30/hydro/asia.asp
李江风，乌鲁木齐河山区冰雪水资源及径流量丰枯频率，新疆气象， 2002年01期
梁云，吕斌，钟庆， 乌鲁木齐南山中山带气候特征分析， 新疆气象2002年 第三期
李震， 施建成，高光谱遥感积雪制图算法及验证 ， 测绘学报， 2001年2月
陈贤章，李新，鲁安新，李文君 ，积雪定量化遥感研究进展 ， 遥感技术与应用 ，1996年12月
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俞鑫颖，刘新仁，分布式冰雪融水雨水混合水文模型， 河海大学学报（自然科学版），2002年9月，第30卷第5期
陈仁升，康尔泗，杨建平，张济世，水文模型研究综述，中国沙漠，2003年5月，第23卷第3期
郭生练，熊立华，杨井，彭辉，王金星，基于DEM的分布式流域水文物理模型， 武汉水利电力大学学报，2000年12月，第22卷 第6期
郭生练，熊立华，杨井，彭辉，王金星，分布式流域水文物理模型的应用和检验，武汉大学学报（工学版）， 2001年2月， 第34卷第1期
王中根，刘昌明，左其亭，刘青娥 ，基于DEM的分布式水文模型的建构方法，地理科学进展，2002年9月， 第21卷第5期
王中根，刘昌明，吴险峰，基于DEM的分布式水文模型研究综述，自然资源学报， 2003年3月，第18卷第2期
芮孝芳，朱庆平，分布式流域水文模型研究中的几个问题，水利水电科技进展，2002年3月
仇家琪，天山北坡中段春季融雪洪水及其灾害成因研究，干旱区地理，1994年9月， 第17卷第3期
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王建，卫星遥感雪盖制图方法对比与分析，遥感技术与应用，1999年12月，第14卷第4期
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黄平，赵吉国，流域分布型水文数学模型的研究及应用前景展望，水文，1997年第5期
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李江风，袁玉江，乌鲁木齐河山区流域360年径流量的重建，第四纪研究，1997年5月
杨新元，韩添丁，乌鲁木齐河源气候特性与冰川融水径流，冰川冻土，1994年6月，第16卷第2期
杨新元，韩添丁，乌鲁木齐河源气温和降水的变化趋势及其对冰川影响，冰川冻土，1996年，第18卷第2期
纪忠萍，汤懋苍，制约乌鲁木齐河源1号冰川消长诸因子初探，高原气象，1994年3月，第13卷第1期
蓝永超，曾群柱，河西地区融雪径流的灰色预测方法，冰川冻土，1997年，第19卷第2期
马虹，基于遥感的积雪水文模型研究，中国科学院研究生院博士学位论文，2002年
于澎涛，分布式水文模型的理论、方法与应用，中国林业科学研究院博士学位论文，
2001年
关志成，寒区流域水文模拟研究，河海大学博士学位论文，2002年
科学出版社：乌鲁木齐河山区水资源形成河估算，1992年第一版
天山北坡河流产流量规律研究课题组，天山北坡河流径流形成规律研究，1991年9月
新疆科技卫生出版社：乌鲁木齐市城市水资源精确测验与评价研究，1996年第一版
科学出版社：中国西北干旱区冰雪水资源与出山径流，2002年7月第一版
河海大学出版社：水文学原理（一）（二），1998年6月
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