流域水文模型

1、1234567分類b（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型b（2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）模型 把水文事件當(dāng)成與時間無關(guān)的隨機(jī)變量，常見的概率模型有對數(shù)正態(tài)模型等。8b（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型b（2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）模型 把水文事件當(dāng)成與時間有關(guān)的隨機(jī)過程。9數(shù)學(xué)模型的分類：b（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型b（2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型

2、分散（塊）模型10b（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型b（2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）模型 指在建立模型時，基本上不考慮徑流形成的物理過程，而僅作一些必要的假設(shè)，至于假設(shè)是否合理幾乎全部依賴于實測的輸入和輸出資料。僅輸入為已知的，其他均為未知“黑箱”，該模型又稱為非參數(shù)模型。111213數(shù)學(xué)模型的分類：b（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型b（2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）模型 先對徑流形成過程中每個子過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，然后按照各子

3、過程在徑流形成過程中內(nèi)在的聯(lián)系組合成一個數(shù)學(xué)模型。14數(shù)學(xué)模型的分類：b（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型b（2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）模型 把全流域作為一個整體研究，忽略輸入變量與參數(shù)的時空分布的差異。15數(shù)學(xué)模型的分類：b（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型b（2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）模型 先把全流域按徑流形成的要求，劃分成幾個單元流域（或單元面積），分別對每一個單元流域的徑流形成過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，然后綜合，它考慮了輸入

4、變量及參數(shù)在時間空間上的分布的差異。16隨機(jī)性模型隨機(jī)性模型確定性模型確定性模型概率模型概率模型隨機(jī)模型隨機(jī)模型概念性模型概念性模型黑箱模型黑箱模型整體模型整體模型過程模型過程模型集中模型集中模型分散模型分散模型171819202122232425蒸散發(fā)蒸散發(fā)E E降雨降雨 實測水面實測水面蒸發(fā)蒸發(fā)EwEw,0,0透水面積不透水面積土壤濕度W WEUEDEL上層WU下層WL深層WD直接徑流R Rd d地下徑流R Rg g徑流R R直接徑流過程Q Qd d地下徑流過程Q Qg g單元面積總出流過程流域出口總出流過程26新安江流域單元面積圖 27計算程序1.單元面積的產(chǎn)流量計算、直接徑流與地下徑流

5、的劃分；2.單元面積上直接徑流及地下徑流匯流過程計算；3.單元面積以下河槽匯流計算。b這里有三個劃分：流域分塊；徑流分為直接徑流及地下徑流兩種水源；匯流分為單元面積內(nèi)部及單元面積以下兩個階段。28（二）各個分部結(jié)構(gòu)的計算方法（二）各個分部結(jié)構(gòu)的計算方法1、單元面積劃分及代表性流域2、產(chǎn)流量計算及水源劃分3、單元面積流域匯流計算4、河糟匯流計算29單元面積劃分b主要是考慮降雨在面上分布的不均勻性，要求單元面積大小適當(dāng)，使得每塊面積上降雨比較均勻，并有一定的雨量站。b其次，應(yīng)盡可能使單元面積與自然流域相吻合，使單元面積自然條件相近，并便于利用流域上小流域的實測水文資料。 30新安江流域單元面積圖

6、31新安江水庫以上流域單元面積32衢縣流域單元面積的劃分33代表性流域 流域劃分單元后，不是每個單元面積都具有水文資料，原則上屬于無資料地區(qū)。模型采用代表性流域的方法，即在流域內(nèi)或自然條件相近的附近地區(qū)找一個面積與單元面積相近，具有實測資料的小流域，作為代表性流域，移用它的分析成果到各單元面積，作為計算的初值。34產(chǎn)流量計算b應(yīng)用蓄滿產(chǎn)流模型，但增加了不透水面積IMP，即流域上不透水面積占流域面積之比。有了這個參數(shù)，則： WmWm(1-IMP)/(1+b) WmWm/(1+b) RgFcR-IMP(P-E)/(P-E) RgFcR/(P-E) RsR-Rgb蒸散發(fā)計算采用三層模型，產(chǎn)流及蒸散發(fā)

7、計算框圖見下圖。3536拋物線型流域蓄水容量曲線01 (1)bmmFWFW 37新安江模型產(chǎn)流量及蒸散發(fā)計算框圖38模型參數(shù) 模型參數(shù)計有Kc、WM(及其分量)、b、Fc、IMP。 IMP：對半干旱地區(qū)及濕潤地區(qū)的干旱季節(jié)有影響，原則上可由地圖量測，實用上常采用分析的方法。取干旱期小洪水，如完全由不透水面積產(chǎn)生，可求其徑流系數(shù)作為IMP。 b: 蓄水容量曲線的方次，與流域地形地質(zhì)條件相關(guān)； Kc：蒸發(fā)能力換算系數(shù)； Wm：流域平均蓄水容量； Fc：穩(wěn)定下滲率39單元面積流域匯流計算地表bQd采用時段單位線法。 根據(jù)代表性流域求得單位線（UH）后，計算式應(yīng)為,1mdtniiQh q40單元面積流

8、域匯流計算地下bQg采用線性水庫演算法。 具體進(jìn)行時可簡化，不對單元面積分別演算，而是全流域總算。由于地下徑流的匯流歷時很長，大大超過河槽匯流歷時，所以不考慮地下徑流在流域面上分布的不均勻性，誤差不大。如新安江水庫流域，分析得K為84h，而單元面積至流域出口的最大匯流歷時只有9hb這部分計算參數(shù)為UH及K。414243444546474849不透水面積透水面積張力水UZTW自由水UZFW下滲1-PEREEPEREE張力水 自由水自由水LZTW LZFPLZFSRSERV深層地下水蒸發(fā)蒸發(fā)蒸發(fā)蒸發(fā)蒸發(fā)降雨量不透水面徑流地面流壤中流淺層地下水河槽總?cè)肓鞣峙浜瘮?shù)河道徑流地下水不閉合的地面水出流不閉合

9、的地下水出流505152UZFWMUZFWCDEFRZPBASERATEREXP)1 (53PBASELZFPMLZPK十LZFSMLZSK 其中，LZFPM、LZFSM是下層兩種自由水的容量，LZPK、LZSK是相應(yīng)的日出流系數(shù)，即KP5455UZTWMUZTWCEEP1LZTWMUZTWMLZTWCEEEP)(12565758下滲水量補(bǔ)充自由水的比例5960616263( (一）單一水箱蓄量與時段出流量、時段下滲量的一）單一水箱蓄量與時段出流量、時段下滲量的關(guān)系圖關(guān)系圖646566676869707172737475767778概念性水文模型的局限性概念性水文模型的局限性b由于流域水文過程

10、中的空間分異性和復(fù)雜性，使得水文研究人員至今還不能采用數(shù)學(xué)物理方程來描述徑流形成過程中的各個子過程，在產(chǎn)流、匯流等環(huán)節(jié)上仍然主要借助于概念性水文模型、水量平衡方程或經(jīng)驗公式。b在一些比較著名的模型，如美國的斯坦福模型和薩克門托模型、日本的水箱模型以及中國的新安江和陜北模型等，常采用簡單的下滲經(jīng)驗公式、經(jīng)驗流域蓄水曲線或水箱側(cè)孔、底孔出流等來模擬產(chǎn)流過程；采用單位線、線性或非線性水庫及渠道來模擬匯流過程。79分布式水文模型（D）b分布式或半分布式流域水文模型是目前國際上水文研究的熱點。在分布式水文模型中，考慮了降雨的空間變化，計算區(qū)域的空間分異，如土壤與地形的空間分布。這與以前的概念模型有了很大

11、的差別。在分布式水文模型中仍有一些假定:b降雨空間分布不平衡，但不考慮其時間變化。b在暴雨期間，土壤含水量的再分配不考慮， 土壤與降雨的空間相關(guān)關(guān)系被忽略。80 GIS技術(shù)在水文模型中的應(yīng)用bGIS 中用于空間數(shù)據(jù)及非空間屬性數(shù)據(jù)的獲取、存儲、分析和顯示的功能已非常成熟， 可為水文模型提供非常詳盡的背景環(huán)境描述(如DEM ， 土地利用類型等)。b由于GIS 在水文中的應(yīng)用，基于過程的分布式水文模型得到了關(guān)注與發(fā)展，這是由于其應(yīng)用連續(xù)的空間單位(格網(wǎng)單元) 用于數(shù)據(jù)存儲和處理， 使數(shù)據(jù)易于進(jìn)行疊加分析，并且可從DEM 中提取水文網(wǎng)絡(luò)以用于建立水文模型。81bGIS 能夠處理不同源的數(shù)據(jù)： 地圖、

12、航空照片，衛(wèi)星影像和研究區(qū)的監(jiān)測與實測數(shù)據(jù)資料。其在水文模型中以下幾方面能發(fā)揮重要作用： (1) 管理空間數(shù)據(jù)；(2) 由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層生成新數(shù)據(jù)層；(3) 為模型參數(shù)的自動獲取提供可能；(4) 為水文建模提供方便；(5) GIS 有利于分析計算的過程及結(jié)果可視化表達(dá)。82遙感數(shù)據(jù)在水文分析中的應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)在水文分析中的應(yīng)用b復(fù)雜而又具有物理意義的分布式水文模型的發(fā)展極大地提高了對空間數(shù)據(jù)的要求。同時，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集部門受到了極大的壓力，傳統(tǒng)地面觀測站網(wǎng)的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足模型對數(shù)據(jù)的要求。b遙感方法被認(rèn)為是花費較少的數(shù)據(jù)獲取方法。如在洪水演進(jìn)模型中，土地利用類型圖可用于估算計算網(wǎng)格的糙率系數(shù)。83數(shù)

13、字高程模型(DEM)b數(shù)字高程模型(DEM) 最為有用，因DEM不僅表達(dá)了地面高程的空間分布，而且據(jù)此可以自動生成流域水系和分水線、流向、河流形狀、自動提取地形坡度和其它地貌參數(shù)。 b將DEM與表達(dá)土壤、植被、地質(zhì)、水文地質(zhì)特性的參數(shù)的空間分布疊加在一起，還可以描述這些下墊面參數(shù)與地面高程之間的關(guān)系。8485868788芮孝芳，蔣成煜，張金存. 流域水文模型的發(fā)展, 水文，2006:26(3）,22-26.89b“異參同效”，嚴(yán)格地說是指對于相同的模型結(jié)構(gòu)和相同的模型輸入，會有多個最優(yōu)參數(shù)組使所獲得的模型輸出具有相同的擬合精度。b現(xiàn)行流域水文模型，由于其對水文物理過程的描寫與定量計算過于粗略和概化，實際上只具有“模擬”功能，屬于