流域水沙过程的细粒度建模框架研究

发布时间：2017-12-11 15:29

  本文关键词：流域水沙过程的细粒度建模框架研究

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【摘要】：流域水沙过程建模是水环境建模的重要组成部分,流域水沙过程模型是水资源管理和水环境决策的重要辅助工具。目前,流域水沙模型大部分仍未进行模块化或组件化,是"铁板一块"的整体模型。整体模型的修改和维护十分闲难,因此,国际上对流域水沙模型的模块化或组件化进行了大量研究,建立了多个著名的流域水沙模型框架来解决模型复用问题。流域水沙模型框架为构建新模型和模型不确定性研究提供了强有力的技术支撑,是一项重要的"促成"技术。然而,现有的流域水沙模型框架基本都属于中粒度框架,不能实现模型细粒度复用,构建新模型的灵活性不足,也限制了框架在模型结构不确定性研究中的应用。因此,本文在对流域水沙模型的细粒度分解和细粒度组件封装的基础上构建了一个流域水沙过程的细粒度建模框架,以期提高框架在构建新模型方面的灵活性,以及使框架可以用于研究细粒度层次上模型结构的不确定性问题。流域水沙过程的细粒度建模框架涉及的研究内容、方法与研究思路如下:(1)对流域水沙过程模型进行细粒度分解与组件封装。剖析流域水沙过程的各个子过程及相互的串联和依赖关系,从理论上对流域水沙过程模型进行概念层次上的分解。对流域水沙物理模型CASC2D-SED进行具体的细粒度分解,并将分解结果进行细粒度组件封装从而建立流域水沙过程的细粒度建模框架的基础组件库。(2)构建流域水沙模拟与GIS都可以高效访问的"共享数据模型"。以Madiment的Arc Hydro水利GIS "共享数据模型"为基础,根据流域水沙模拟的要素及特征,使用面向对象的建模方法构建流域水沙模拟与GIS实现紧密集成的"共享数据模型"。(3)构建一个流域水沙过程的细粒度建模框架。以CASC2D-SED模型分解的细粒度组件为基础,结合流域水沙模拟的相关研究成果,构建流域水沙模拟的细粒度组件库,在组件库和共享数据模型的基础上,运用面向对象的依赖注入设计模式和反射机制构建一个流域水沙过程的细粒度建模框架。(4)研究流域水沙过程的细粒度建模框架在模型结构和参数方面的扩展。在模型结构和模型参数两个方面研究框架的扩展方法。重点研究了框架在径流输沙能力和坡度分形尺度变换两块内容的扩展方法。(5)使用集成坡度尺度变换的小流域水沙过程模拟以及基于不同径流输沙能力方程的水沙过程模拟两个应用来验证框架的可用性和有效性。获取小流域水沙过程模拟所需数据:无人机航测影像和DEM、土壤含水量、土壤导水率、土壤颗粒组成和有机质含量,设计开发的ARCGIS流域水沙过程模拟插件,在坡度分形变换的基础上,使用该插件对砒砂岩区的一个小流域进行水沙过程模拟,以验证框架的可用性和有效性。使用KilincRichardson径流输沙能力方程和Govers径流输沙能力方程模拟小流域水沙过程以验证框架在模型结构方面的可扩展性,即验证框架在改进模型结构方面的可用性和有效性。本文的主要研究结论如下:(1)对流域水沙过程的机理和数学描述研究表明对流域水沙过程机理认识不一致,多种数学描述并存,导致了流域水沙过程模型的结构不确定性,形成了流域水沙过程模型中的可变对象。(2)流域水沙过程模型的细粒度分解与封装实现了流域水沙过程模型的细粒度复用。流域水沙过程模型的细粒度组件具有良好的可复用性,为构建流域水沙过程模型提供更大的灵活性。(3)建立的"共享数据模型"实现了GIS与水沙模型在数据结构层次的紧密集成。由于采用了面向对象的数据模型设计方法,并以Madiment的ArcHydro数据框架为基础,因此,设计的数据结构层次上的"共享数据模型"使GIS与流域水沙模型都可以进行高效的数据访问,实现了GIS与流域水沙模型的紧密集成。(4)构建的流域水沙过程的细粒度建模框架支持细粒度的模型构建和细粒度层次上模型结构不确定性研究。该建模框架采用了面向对象的依赖注入设计模式和.NET的反射机制,实现了框架中组件的即插即用,提高了该框架在构建新流域水沙模型方面的灵活性。该框架在细粒度层次上的可扩展性可以用于解决由细粒度对象导致的模型结构不确定性问题。(5)设计开发的流域水沙模拟ARCGIS插件实现了流域水沙模拟与GIS的无缝集成。基于"平台+插件"模型和ArcEngine组件库设计开发了一个流域水沙过程模拟ARCGIS插件,实现了二者的高效无缝集成。(6)坡度分形变换方法与流域水沙模拟可以实现集成,同时,研究表明框架在模型参数扩展中是可用的和有效的。小流域水沙过程模拟与坡度分形变换方法的集成案例表明构建的流域水沙过程的细粒度建模框架是可用的、高效的。(7)基于不同径流输沙能力方程的水沙过程模拟应用表明框架具有结构上的动态可扩展性,可以在不重新编译模型的情况下改变模型的结构,框架是可用的和有效的。框架是构建新模型以及研究模型结构不确定性的重要辅助工具。本文取得的创新性成果如下:(1)在深入剖析流域水沙过程发生机理和各种数学描述异同的基础上,提出了流域水沙过程模型中的可变对象概念。流域水沙过程模型的可变对象导致了模型的结构不确定性。基于可变对象原则和最小粒度原则首次对流域水沙过程模型进行了细粒度分解,构成了该建模框架的基础组件库。(2)构建的流域水沙过程的细粒度建模框架解决了流域水沙过程模型的细粒度复用问题,并且可以用于研究细粒度对象导致的模型结构不确定性问题。较早地将最新的面向对象设计模式-依赖注入模式应用于流域水沙过程的建模框架,结合反射机制实现了建模框架细粒度层次上的动态可扩展性,实现了该建模框架中细粒度组件的即插即用。(3)提出了一种坡度分形降尺度变换与流域水沙过程模拟的集成方法。由于框架的细粒度特性,坡度成为流域水沙模型的独立输入参数,对坡度进行分形降尺度变换后再输入流域输沙过程模型,实现了二者的集成。该建模框架的细粒度封装特性使得框架在构建新模型时具有更强的灵活性。该框架采用了依赖注入设计模式和反射机制,使得该框架具有细粒度层次上的动态可扩展特性,可以更好地支持框架在模型结构不确定性研究方面的应用。该建模框架提供了一种坡度分形尺度变换与流域水沙过程模拟的集成方法,在流域水沙过程模拟中考虑了坡度的尺度效应。流域水沙过程的细粒度建模框架丰富了流域水沙过程的建模理论,降低了流域水沙过程模型开发与修改的难度。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV14
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本文编号：1278994