水文模型的分類

1、水文模型的分類一、 試題簡述流域水文模型的類型及其應用問題水文模型的基本類型有哪些各有哪些作用論述流域水文模型的類型及其特征？水文模型的分類水文模型分為物理模型和數(shù)學模型兩類。物理模型是一種比尺或比擬模型模擬，前者將研究對象的原型按一定的比例在實驗室內(nèi)建成物理模型，先對模型進行觀測分析，然后根據(jù)相似律再對原型的物理過程進行定性或定量分析，后者是以一些物理量來比擬水的某些特性的模型。數(shù)學模型則首先針對人們已掌握的流域徑流形成的物理機制，應用物理定律建立其數(shù)學描述方程式，然后用數(shù)學方法時行求解，從而獲得各種情況下流域降雨與徑流之間的定量關(guān)系。數(shù)學模型又可分為確定性模型和隨機模型兩類。確定性模型是描

2、述水文現(xiàn)象必然規(guī)律的數(shù)學結(jié)構(gòu)；隨機模型描述水文現(xiàn)象隨機性規(guī)律的數(shù)學結(jié)構(gòu)。確定性模型可分為集總式和分散式模型兩種，前者忽略水文現(xiàn)象的空間分布差異。數(shù)學模型相對于物理模型的優(yōu)點：1、數(shù)學模型的所有條件都可以由原型所觀測的數(shù)據(jù)直接給出，不受比尺的限制，即數(shù)學模型無相似律問題。2、數(shù)學模型的邊界及其它條件既可嚴格控制，也可隨時按實際需要改變。3、數(shù)學模型的通用性強，只要研制出一種適合的軟件就可用于解決不同的實際問題。4、數(shù)學模型具有理想的抗干擾能力，只要條件不變，重復模擬可得到完全相同的結(jié)果，不會因人、因地而異。5、數(shù)學模型的研制費用相對便宜，運行處理費用更加便宜。流域水文模型的分類流域水文模型以流域

3、為研究對象，對流域內(nèi)發(fā)生降雨徑流這一特定的水文過程進行數(shù)學模擬，即把流域上的降雨過程，模擬計算出流域出口斷面的流量過程。從流域水文模型的發(fā)展和應用來看，流域水文模型屬于數(shù)學模型，可分為確定性模型和隨機模型，我們通常所說的是指確定性模型。從反映水文運動物理規(guī)律的科學性和復雜性程度而言，流域水文模型通常被分為三大類：系統(tǒng)模型（即黑箱模型，back-box model）、概念性模型（conceptual model）、物理模型（physically-based model）。系統(tǒng)模型將所研究的流域或區(qū)間視作一種動力系統(tǒng)，利用輸入（一般指雨量或上游干支流來水）與輸出（一般指流域控制斷面流量）資料，建立

4、某種數(shù)學關(guān)系，然后可由新的輸入推測輸出。系統(tǒng)模型只關(guān)心模擬結(jié)果的精度，而不考慮輸入輸出之間的物理因果關(guān)系。系統(tǒng)模型和線性的和非線性的，時變的和時不變的，單輸入單輸出的，多輸入單輸出的，多輸入多輸出的等多種類型。代表性模型有：總徑流線性響應模型（TLR）、線性振擾動模型（LPM）、以及神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）等。概念性模型利用一些簡單的物理概念和經(jīng)驗公式，如下滲曲線、匯流單位線、蒸發(fā)公式、或有物理意義的結(jié)構(gòu)單元，如線性水庫、線性河段等，組成一個系統(tǒng)來近似地描述流域水文過程。代表性模型有：美國的斯坦福模型（SWM）、日本的水箱模型（Tank）、我國的新安江模型（XJM）等。物理模型依據(jù)水流的連續(xù)方程和動

5、量方程來求解水流在流域的時間和空間的變化規(guī)律。代表模型有SHE模型，DBSIN模型等。從反映水流運動的空間變化能力而言，水文模型可分二類為：集總式模型（lumped model）和分布式模型（distributed model）。集總式模型認為流域表面上各點的水力學特征是均勻分布的，對流域表面上的任何一點上的降雨，其下滲、滲漏等縱向水流運動都是相同和平行的，不和周圍的水流發(fā)生任何聯(lián)系，即不存在水平運動。集總模型把全流域當作一個整體來建立模型，即對流域參數(shù)進行均勻處理。分布式模型認為流域表面上的各點的水力學特征是非均勻分布的，水流在流域表面上的分布并不均勻，應將流域劃分為很多小單元，在考慮水流在

6、每個小單元體縱向運動時，也要考慮各個單元之間的水量的橫向交換。分布式水文模型可分為松散型和耦合型兩類。前者假定每個單元面積對整個流域響應的貢獻是互不影響的，可通過每個單元的疊加來確定整個流域響應；后者是用一組微分方程及其定解條件構(gòu)成的定解問題，必須通過聯(lián)立求解才能確定整個流域的響應。概念性分布式流域水文模型多是松散的，具有物理基礎(chǔ)的分布式流域水文模型有耦合型的也有松散型的。概念性分布式流域水文模型解算方法一般比較簡單，但反映徑流形成機制不夠完善。具有物理基礎(chǔ)的耦合型分布式流域水文模型，雖然在描述徑流形成過程時物理概念清楚，但解算比較困難，甚至不一定有穩(wěn)定解，介于兩者間的具有物理結(jié)構(gòu)的分布式流域

7、水文模型是近期值得開發(fā)的一種分布式流域水文模型。另外，介于集總式模型和分布式模型之間，還有一種所謂的半分布式模型，其典型代表是以地形為水文過程空間變異性基礎(chǔ)的TOPMODEL模型。集總式流域水文模型的缺陷集總式流域水文模型的最基本特征是將流域作為一個整體來模擬其徑流的形成過程。就模型結(jié)構(gòu)而言，現(xiàn)有集總式流域水文模式絕大多數(shù)都是由概念性元素按徑流形成過程組合而構(gòu)成的。1、構(gòu)成模型的概念性元素一般只能模擬水文現(xiàn)象的宏觀表現(xiàn)，而不能涉及水文現(xiàn)象的本質(zhì)或物理機制。因此，現(xiàn)有集總式流域水文模型的結(jié)構(gòu)對徑流形成過程的描述是近似的，甚至是粗略的，所包含的參數(shù)大多數(shù)缺乏明確的物理意義。2、將事實上呈空間分布狀

8、態(tài)的降雨輸入當成模型的集總輸入，這顯然與流域徑流形成是分散輸入、集總輸出的實際情況不符。3、有些模型雖然設法考慮下墊面條件空間分布不均對徑流形成過程的影響，但由于采用的是統(tǒng)計分布曲線，因而無法同時考慮降雨空間分布的影響。4、模型包含的參數(shù)一般都有多于2個甚至于十幾個要通過率定方法來確定，即由實測水文氣象資料反求。這種稱為反問題的數(shù)學問題，在理論上完全依賴于目標函數(shù)、約束條件的擬定和實測水文氣象資料條件，會出現(xiàn)異參同效現(xiàn)象。因此很難保證解的唯一性和合理性。流域水文模型發(fā)展中的問題及展望半個世紀以來，一方面是傳統(tǒng)模型繼續(xù)發(fā)揮著重要作用，另一方面是新的流域水文模型不斷出現(xiàn)，其普適性卻無法解決，理論基

9、礎(chǔ)研究進展緩慢。究竟是什么原因?qū)е铝饔蛩哪Ｐ偷陌l(fā)展遭遇到這種困境呢？1、模型缺乏中間觀測資料的檢驗：目前水文模型的中間過程（如土壤水、壤中流、地下水）參數(shù)基本上由個別實驗小流域?qū)崪y資料或經(jīng)驗關(guān)系先確定取值范圍，其最終率定則要服從模型輸出結(jié)果（降雨徑流關(guān)系）的精度需要，這勢必影響對提示水文規(guī)律的中間復雜過程的研究。比如許多概念性模型都有分割各層徑流的模型，也輸出一些中間成果，如土壤含水量等，但是沒有流域的實測資料，加上調(diào)參的唯一檢驗是總徑流過程線，很難說明中間成果接近流域?qū)嶋H；對分布式流域水文模型，雖模型參數(shù)都有物理意義，但由于存在同樣的問題，只能從理論上而無法從實踐上證明其必然優(yōu)勢。再加上物

10、理模型的復雜性，在一些中小流域，系統(tǒng)模型和概念性模型依然得到廣泛的應用。因此改進和利用遙感、雷達等先進的技術(shù)獲得準確和直接的中間水文過程資料，然后依據(jù)這些資料分析和檢驗復雜的水文規(guī)律，而不是主要用總徑流過程線來調(diào)試參數(shù)，進而從水文物理結(jié)構(gòu)而不是單純的數(shù)學物理公式或參數(shù)優(yōu)化方面來推動流域水文模型的發(fā)展，是水文模型發(fā)展要解決的迫切問題。2、降雨徑流資料的誤差和還原問題：大部分流域降雨徑流資料由于測量技術(shù)受到限制，其精度可能無法真實的反映真實水文現(xiàn)象。其次是由于人類活動的影響會導致某些水文因素的變化，使歷史資料無法直接與現(xiàn)狀資料統(tǒng)一應用，而無論是修正歷史歷史資料還是還原現(xiàn)狀資料都有一定的難度，從而影

11、響水文模型的參數(shù)率定和應用。在依靠先進測量技術(shù)不斷提高水文數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時，加強氣候變化和人類活動對水文過程影響的理論研究，利用獲取的信息對原資料進行修正和還原，是解決水文模型資料的關(guān)鍵。3、水文時空尺度問題：不同時間和空間尺度的水文系統(tǒng)規(guī)律通常有很大的差異。表現(xiàn)在流域水文模型上則為一些小尺度的流域?qū)嶒灚@得的參數(shù)往往不能直接應用到大流域的水文模擬，不同時間尺度的模型變量或參數(shù)也往往不能通過簡單疊加或分解進行轉(zhuǎn)換。水文尺度問題也是造成應用水文模型層出不窮，普適性模型難于研制和實踐的主要原因之一。因此，解決尺度問題，探索不同尺度模型變量或參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律，是建立普適性水文模型和實現(xiàn)水文模型與大氣環(huán)流等其它模型進行耦合的關(guān)鍵。4、參數(shù)不確定性問題：兩場不同的降雨可能導致同一個模型輸出兩組不同的參數(shù)值；就是同一場降雨，由于目標函數(shù)模式的不同，模型參數(shù)取值也往往不同，這勢必影響流域水文模型輸出結(jié)果的可