基于GIS的梅江流域区域水文模拟数据模型的设计与集成外文翻译资料

 2022-02-06 07:02

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基于GIS的梅江流域区域水文模拟数据模型的设计与集成

Cui Chen ，Feng Sun ，Olaf Kolditz

摘要：本文介绍了基于GIS的梅江流域区域水文模拟数据模型的设计和整合。水文系统需要集成数据和模拟不同过程的数据模型。在这里，将使用统一建模语言介绍一个面向对象的方法，它支持基于地理信息系统地理数据库模型——地理水文/数据库(GH/DB)的开发。空间数据，如流域、流网和观测站点存储在特征类中。表中包含了时间序列及其属性。关系类用于链接相关对象。GH／DB数值模拟一体化是科学程序地理信息系统开发的一个新发展。图形用户界面实现了模拟的前处理和后处理。作为个案研究，已建立梅江流域地区的区域水文模型以了滤水从地表到地下通过的不同时间尺度土壤层。集成的数据库和建模工具代表了水文系统的综合，因此这是一个有用的工具去理解相关水文隔间的不同过程和相互作用。

关键词：地理信息系统（GIS）； 统一建模语言（UML）； 地理水文/数据库（GH/DB）；水文模拟； 梅江流域； 地理系统开发

缩写：

CASE 计算机辅助软件工程

DEM 数字高程模型

DLL 动态链接库

GDA 地理空间数据抽象库

GH/D 地理水文/数据库

GUI 图形用户界面

HS 水文系统

MPI 消息传递接口

OGS 地理系统开发

UML 统一建模语言

XMI XML元数据交换

介绍

水文过程包括水流在湖泊、河流和陆地表面的间隔，以及不饱和区和地下室中的含水层。这些车厢在各种地形和气候景观相互作用（索福克莱乌斯 2002）。有许多模拟系统现有的水文分析如modflow2000（哈博等人 2000），TOPMODEL模型（贝托尔迪等人 2004），Feflow-MIKE（研究软件 2004），MIKESHE（Abbott等人2001），Hydrogeosphere（Sudicky等人 2000），SWAT（阿诺德等人 1998），ParFlow（麦斯威尔等人 2014）和HSPF（Donigian和Imhoff 2006；京迪兹和咸海2005）；为了描述简单到复杂的过程，这些系统往往使不同过程的耦合通过简单的文件接口到灵活的界面管理器（科蒂茨等人2008）。模拟水文循环，包括地表和地下水相互作用和土层，可以有效地进行水资源管理和政策的制定（1999冬季）。例如，水文系统的一部分，opengeosys建模（OGS）（科蒂茨等人。2012a；kalbacher等人。2012）能够联合坡面流，土壤入渗，和地下水流动利用室方法在分割算法中独立求解和通过交换通量在隔间界面上的相关时间尺度上耦合（德尔夫斯等人，2011）。

这样的集成建模方法，提出了一个类似与数据管理系统集成的需要，通过不同的数据类型为同一个数据库的不同隔间操作可以直接和水文模拟进行交接。利用地理信息系统（GIS）结合模型及其时空信息得到了广泛的研究和应用（克劳斯等人2005；迪皮卡等人2013；赋等2013；sreedevi等人2013；林等人2013；陈等人2013；文等人2013）。由于GIS的快速发展，全球定位系统和遥感技术支持了大量的案例研究在水文模拟环境和水资源管理研究（Goodchild 1993, 1996）。过去有很多流域数据管理的研究，如早期的Scheidegger (2004); Woldenberg (1969);Reitsma 和 Albrecht (2005), Reitsma 和Dubayah (2007) and 等。ArcGIS的主要成果是集成数据库系统的构建，为GIS在水研究和研究领域的应用提供了坚实的基础。尽管存在地下水模型（Maidment 2002；斯特尔伯格和Maidment 2004）和地表水模型ArcHydro（Maidment 2002），两者的整合仍然是具有挑战性的。通过将地表、土壤和地下水成分集成到一个综合数据库数据模型中，用户将能够同时表示地表和次表层水的特征。其基本思想是将现代信息技术，如GIS、数据库和面向对象的编程技巧，为水文建模，采用并行技术和改进的耦合理论可以更好地理解它。

在这项研究中，引入了一种集成方法（图1），其中两个主要系统被集成：在基于GIS的数据模型中集成不同类型的地理信息系统和水资源数据；通过图形用户界面集成数据和建模工具。先进的系统设计理念统一建模语言（UML）促进基于GIS的数据库模型地理水文 /数据库（GH／DB）的设计。将各种空间GIS数据层与存储在该数据库管理系统中的关系数据相结合，这是支持水文分析和建模的地理空间和时态数据的综合。此外，实现图形用户界面对象和面向过程的数值模型地理系统开发和GH /DB的前和后处理的仿真任务之间的链接（Rink等人，2012）。这将简化分析直接可用的模拟器和仿真结果直接用于分析和可视化在外部系统所有水文隔间制造基于GIS的数据（拜尔克等人2014）。我们选择了梅江流域为概念的应用领域，梅江流域位于江西省南部，水土流失是一个严重的问题。为了实现地表水与地下水的相互作用，利用并行计算方法建立了一个高分辨率区域水文模型。该模型为梅江流域水文过程提供了更好的理解，是决策支持管理系统发展的基础。

材料与方法

基于GIS的数据库模型的开发

UML是支持面向对象软件开发的有用工具，它是系统的图形建模语言。本研究采用基于GIS的数据库模型GH/DB进行设计。利用计算机辅助软件工程（CASE）建立GH/DB模型，这个工具中的结果是一组UML图，用可视化的格式清楚地描述数据库模型的结构。它包含一组来自地表和地下分区的地质和水文对象模式。CASE工具创建空的GH / DB数据库的存储库或XMI基于UML图的文件。工作流（图2）对GH／DB模式的发展分为六个步骤进行：（1）发展的逻辑生长激素/数据库设计；（2）修改设计；（3）加载数据到GH /DB模型，即数据填充到空数据库文件；（4）建立拓扑关系；（5）测试功能的模型；（6）修改模型重复需要过程。水文数据模型的框架及其拓扑关系用UML图（未示出）来表示。工作流可以被重复，直到最终的GH/DB数据库模型被成功开发。GH/DB数据模型的组成包括三个部分：特征数据集、关系和对象。羽毛的数据集用于存储空间数据：点，线，多边形，如钻孔，蒸汽管网和子流域或流域面积。关系类的开发环节相关的地理空间数据和时间序列数据；对象可以是非空间数据，属性可以包含的信息，都保存在表里。此外，其他栅格数据源也可以包含在GH/DB模型中。

图1.数据和模型集成的概念图

图2. GH/DB模型的工作流程设计

GH/DB是一种利用合理的数据库管理系统将数据按特定的层次顺序组织起来的数据模型。这是一个概念的地表和地下室，以描述降水，土地利用，土壤，流域，含水层，河网，钻孔等。空间数据和非空间数据在水文模型的GH/DB中进行管理。GH/DB可以用不同的数据源（其他数据库文件、文本文件或不同的GIS文件）来填充水文分区。GIS领域中存在两种主要类型的数据：栅格数据和矢量数据。在当代GIS中，最常见的数据模型是使用点、线和多边形来表征离散现实世界空间特征的向量模型。图3显示了从梅江流域GH／DB模式（见“学习区”）。

图3.梅江流域GH/DB数据库模型

用户界面集成

这部分旨在实现图形用户界面（GUI）（图4, 5）作为GH/DB系统与水文模拟器OGS之间进行预处理和后处理的环节。在OGS内部实现的原始GIS接口（Chen 2005, 2006, 2008）具有集成GIS数据用于水文系统分析的能力，ArcGIS 图形文件可以导入到OGS系统中。在这里，接口的新开发是通过使用动态链接库（DLL）来实现的，动态链接库（DLL）是地理空间数据抽象库（GDAL）。它支持读取GH/DB数据库格式。GDAL将GH/DB中的所有特征表视为图层。支持大多数几何类型，包括三维数据。坐标系统信息与图层适当地关联。

GH/DB数据库的输入在同一个GDAL库中实现，空间数据和非空间属性信息可以同时导入。空间数据和非空间属性信息都可以同时导入。图5是GO/DB数据库接口到OGS。通过使用它，我们可以直接导入GH/DB数据模型。我们可以很容易地使用在GUI中实现的功能，将数据库转换成OGS输入文件，然后为感兴趣领域的地理计量建模准备数据。导入非空间表以生成属性文件（如材料组）。这些是输入数据的预处理，这里的所有数据都是为OGS中的过程建模准备的。对于后处理部分，可以将表中的具体结果再次导入GH/DB模型，并在相应的外部GIS环境中可视化/显示以进行数据分析和场景分析。我们还可以通过接口从GDAL库中使用空间过程函数，以方便地提取和处理几何信息。使用OGR库访问GH/DB数据模型的代码开发显示在下面的图6中。通过使用该接口，我们可以导入不同的矢量格式，如：形状文件、Mapinfo、MICROSTATE DGN、Oracle Studio、MySQL、ARCONFILE、GRASS GIS等，以及栅格数据，如地理表面数据、数字高程模型（DEM）等。通过ADO（微软ActiveX数据对象）提供者，访问来自GH/DB数据模型的非空间数据的时间序列数据。通过使用接口（图5），输入时间序列数据和其他非空间表信息，并实现用于建模的必要数据集并绘制出来。

图4 .地理信息系统开发的GH/DB接口

图5 .开发地理信息系统时间序列数据接口

水文模拟

地理信息系统开发（OGS）是开发多孔介质和裂隙介质中热-水-力-化学（THMC）过程数值模拟方法的科学源代码。OGS的应用领域目前是CO2封存（KOLDITZ等2012B）地热能（德莫特等2009）水资源管理（BeNHONN等2005；GrasWoHL等。2013）水文、修复（鲍尔等2006）和废物沉积（谢等2006）。为了开发一个适用于水文系统的数值模型，我们需要建立概念模型、平衡方程的数学描述、数值离散化、代码实现和基准测试来验证和验证。表面、土壤和地下水隔室中的流动过程的耦合是基于相邻隔室之间的通量交换。该系统实现了梅江流域综合水文系统分析的要求。

图6 .访问GHDB数据模型的代码开发

土壤水分模型

土壤层是地表层与地下水耦合的界面，蒸发模型和土壤水分模型是地表模型的两个重要子模型。降水的一部分向下，作为土壤水储存，部分蒸发和蒸腾到大气中，然后进入地下水。因此，土壤的水文响应很大程度上取决于土壤的持水能力。

水平方向上的非均质性程度比垂直方向小得多。因此，在垂直方向上，土壤剖面被认为是同型柱，而土壤类型在水平方向上是不均匀的。根据不同的土壤水分特征曲线描述不同的土壤类型。在杜等人（2009）利用理查兹模型（理查兹1931）开发了区域水文-土壤模型（RSM）。该模型模拟了非饱和带中的区域渗流。RHSM可以产生非均质土壤结构，从而代表了区域的过滤过程。研究表明，土壤系统在水平方向上的空间格局在垂直方向上是异质的和同质的。理查兹模型是基于经验水势-水含量和水电导率-水含量函数（土壤-水特征曲线）由萨克斯顿和罗尔斯（1986）给出。在Korddz和de Jonge（2004）中，王等人（2011）他们描述了理查兹模型实现的更多细节。

土壤中的矿物颗粒具有广泛的大小，如砂土、淤泥和粘土（萨克斯顿等1986）。该技术是一组广义方程，它描述了土壤的张力和电导率与作为沙子和粘土质地和有机物的函数的水分含量的关系（罗尔斯等人1982，1992, 1998；萨克斯顿等人1986；萨克斯顿和Willey 2006）。通过使用萨克斯顿和罗尔斯的方程，可以从水势-含水量和导水率-含水量之间的关系转换和计算饱和度-相对渗透率和饱和-帽压力之间的关系曲线。

结果与讨论

研究区域

研究区梅江流域（图7）是鄱阳湖的一个主要的上游，位于中国东南部的长江流域，面积6983平方公里。夏季降水很大程度上受亚洲夏季风的影响，几乎一半的降水发生在四月至六月。梅江流域是鄱阳湖流域作为一个重要的中国经济发展与生物多样性和生态保护的重要储备基地的主要水资源（他等人2013）。在气候变化影响下的水资源变化已经做了大量的前期研究（陈等人2011, 2014）。在这个项目中，至关重要的是在梅江流域全球变化背景下，了解水文过程的动态变化，该研究的栅格地图是以UTM（通用横坐标墨卡托）坐标系为地基准系统的DEM（数字高程模型）图。本文中的其他数据具有相同的坐标系统，是由中国项目合作伙伴精心准备的。

模型开发

对于梅江流域，水文系统包括地表水、土壤水和含水层三个主要的隔室。在分块方法的框架内，开发了梅江流域区域水文模型。

输入输出的准备

区域水文土壤模型的基本概念是使用局部一维土壤柱作为有效的模型段，该模型段由垂直于三维（基本垂直）的水运动的垂直线单元的网格表示不饱和带。用理查兹方程描述包气带中的矢状运动，并用有限元法求解。在数据导入、数据转换、有限元网格生成和材料分配之后，生成了用于运行有限元仿真的剩余数据。OGS项目由以下对象文件组成：几何数据GLI文件；Mesh数据；节点和元素MSH文件；进程；理查兹流PCS文件；时间离散化提姆文件；数值参数Num文件；输出控制参数OUT文件；初始条件IC文件；边界性质BC文件；源项，渗透ST文件；流体性质-MFP；多孔介质性质MMP文件。

三维几何建模

用DEM对流域边界进行了水文分析。稍后，可以将分水岭输入到OGS作为建模边界。流域面积的离散化是通过在OG

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