本文關鍵詞：流域水沙過程的細粒度建�？蚣苎芯�

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【摘要】：流域水沙過程建模是水環(huán)境建模的重要組成部分,流域水沙過程模型是水資源管理和水環(huán)境決策的重要輔助工具。目前,流域水沙模型大部分仍未進行模塊化或組件化,是"鐵板一塊"的整體模型。整體模型的修改和維護十分閑難,因此,國際上對流域水沙模型的模塊化或組件化進行了大量研究,建立了多個著名的流域水沙模型框架來解決模型復用問題。流域水沙模型框架為構建新模型和模型不確定性研究提供了強有力的技術支撐,是一項重要的"促成"技術。然而,現有的流域水沙模型框架基本都屬于中粒度框架,不能實現模型細粒度復用,構建新模型的靈活性不足,也限制了框架在模型結構不確定性研究中的應用。因此,本文在對流域水沙模型的細粒度分解和細粒度組件封裝的基礎上構建了一個流域水沙過程的細粒度建模框架,以期提高框架在構建新模型方面的靈活性,以及使框架可以用于研究細粒度層次上模型結構的不確定性問題。流域水沙過程的細粒度建模框架涉及的研究內容、方法與研究思路如下:(1)對流域水沙過程模型進行細粒度分解與組件封裝。剖析流域水沙過程的各個子過程及相互的串聯(lián)和依賴關系,從理論上對流域水沙過程模型進行概念層次上的分解。對流域水沙物理模型CASC2D-SED進行具體的細粒度分解,并將分解結果進行細粒度組件封裝從而建立流域水沙過程的細粒度建模框架的基礎組件庫。(2)構建流域水沙模擬與GIS都可以高效訪問的"共享數據模型"。以Madiment的Arc Hydro水利GIS "共享數據模型"為基礎,根據流域水沙模擬的要素及特征,使用面向對象的建模方法構建流域水沙模擬與GIS實現緊密集成的"共享數據模型"。(3)構建一個流域水沙過程的細粒度建模框架。以CASC2D-SED模型分解的細粒度組件為基礎,結合流域水沙模擬的相關研究成果,構建流域水沙模擬的細粒度組件庫,在組件庫和共享數據模型的基礎上,運用面向對象的依賴注入設計模式和反射機制構建一個流域水沙過程的細粒度建模框架。(4)研究流域水沙過程的細粒度建模框架在模型結構和參數方面的擴展。在模型結構和模型參數兩個方面研究框架的擴展方法。重點研究了框架在徑流輸沙能力和坡度分形尺度變換兩塊內容的擴展方法。(5)使用集成坡度尺度變換的小流域水沙過程模擬以及基于不同徑流輸沙能力方程的水沙過程模擬兩個應用來驗證框架的可用性和有效性。獲取小流域水沙過程模擬所需數據:無人機航測影像和DEM、土壤含水量、土壤導水率、土壤顆粒組成和有機質含量,設計開發(fā)的ARCGIS流域水沙過程模擬插件,在坡度分形變換的基礎上,使用該插件對砒砂巖區(qū)的一個小流域進行水沙過程模擬,以驗證框架的可用性和有效性。使用KilincRichardson徑流輸沙能力方程和Govers徑流輸沙能力方程模擬小流域水沙過程以驗證框架在模型結構方面的可擴展性,即驗證框架在改進模型結構方面的可用性和有效性。本文的主要研究結論如下:(1)對流域水沙過程的機理和數學描述研究表明對流域水沙過程機理認識不一致,多種數學描述并存,導致了流域水沙過程模型的結構不確定性,形成了流域水沙過程模型中的可變對象。(2)流域水沙過程模型的細粒度分解與封裝實現了流域水沙過程模型的細粒度復用。流域水沙過程模型的細粒度組件具有良好的可復用性,為構建流域水沙過程模型提供更大的靈活性。(3)建立的"共享數據模型"實現了GIS與水沙模型在數據結構層次的緊密集成。由于采用了面向對象的數據模型設計方法,并以Madiment的ArcHydro數據框架為基礎,因此,設計的數據結構層次上的"共享數據模型"使GIS與流域水沙模型都可以進行高效的數據訪問,實現了GIS與流域水沙模型的緊密集成。(4)構建的流域水沙過程的細粒度建�？蚣苤С旨毩６鹊哪Ｐ蜆嫿ê图毩６葘哟紊夏Ｐ徒Y構不確定性研究。該建�？蚣懿捎昧嗣嫦驅ο蟮囊蕾囎⑷朐O計模式和.NET的反射機制,實現了框架中組件的即插即用,提高了該框架在構建新流域水沙模型方面的靈活性。該框架在細粒度層次上的可擴展性可以用于解決由細粒度對象導致的模型結構不確定性問題。(5)設計開發(fā)的流域水沙模擬ARCGIS插件實現了流域水沙模擬與GIS的無縫集成�；�"平臺+插件"模型和ArcEngine組件庫設計開發(fā)了一個流域水沙過程模擬ARCGIS插件,實現了二者的高效無縫集成。(6)坡度分形變換方法與流域水沙模擬可以實現集成,同時,研究表明框架在模型參數擴展中是可用的和有效的。小流域水沙過程模擬與坡度分形變換方法的集成案例表明構建的流域水沙過程的細粒度建模框架是可用的、高效的。(7)基于不同徑流輸沙能力方程的水沙過程模擬應用表明框架具有結構上的動態(tài)可擴展性,可以在不重新編譯模型的情況下改變模型的結構,框架是可用的和有效的。框架是構建新模型以及研究模型結構不確定性的重要輔助工具。本文取得的創(chuàng)新性成果如下:(1)在深入剖析流域水沙過程發(fā)生機理和各種數學描述異同的基礎上,提出了流域水沙過程模型中的可變對象概念。流域水沙過程模型的可變對象導致了模型的結構不確定性�；诳勺儗ο笤瓌t和最小粒度原則首次對流域水沙過程模型進行了細粒度分解,構成了該建模框架的基礎組件庫。(2)構建的流域水沙過程的細粒度建�？蚣芙鉀Q了流域水沙過程模型的細粒度復用問題,并且可以用于研究細粒度對象導致的模型結構不確定性問題。較早地將最新的面向對象設計模式-依賴注入模式應用于流域水沙過程的建�？蚣�,結合反射機制實現了建模框架細粒度層次上的動態(tài)可擴展性,實現了該建�？蚣苤屑毩６冉M件的即插即用。(3)提出了一種坡度分形降尺度變換與流域水沙過程模擬的集成方法。由于框架的細粒度特性,坡度成為流域水沙模型的獨立輸入參數,對坡度進行分形降尺度變換后再輸入流域輸沙過程模型,實現了二者的集成。該建�？蚣艿募毩６确庋b特性使得框架在構建新模型時具有更強的靈活性。該框架采用了依賴注入設計模式和反射機制,使得該框架具有細粒度層次上的動態(tài)可擴展特性,可以更好地支持框架在模型結構不確定性研究方面的應用。該建模框架提供了一種坡度分形尺度變換與流域水沙過程模擬的集成方法,在流域水沙過程模擬中考慮了坡度的尺度效應。流域水沙過程的細粒度建模框架豐富了流域水沙過程的建模理論,降低了流域水沙過程模型開發(fā)與修改的難度。
【學位授予單位】：河南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TV14
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本文編號：1278994