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(yīng)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(xué)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)建成物理模型，先對模型進(jìn)行觀測分析，然后根據(jù)相似律再對原型的物理過程進(jìn)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(xué)模型則首先針對人們已掌握的流域徑流形成的物理機(jī)制，應(yīng)用物理定律建立其數(shù)學(xué)描述方程式，然后用數(shù)學(xué)方法時(shí)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(xué)模型又可分為確定性模型和隨機(jī)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(xué)結(jié)構(gòu)；隨機(jī)模型描述水文現(xiàn)象隨機(jī)性規(guī)律的數(shù)學(xué)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(xué)模型相對于物理模型的優(yōu)點(diǎn)：1、數(shù)學(xué)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(xué)模型無相似律問題。2、數(shù)學(xué)模型的邊界及其它條件既可嚴(yán)格控制，也可隨時(shí)按實(shí)際需要改變。3、數(shù)學(xué)模型的通用性強(qiáng)，只要研制出一種適合的軟件就可用于解決不同的實(shí)際問題。4、數(shù)學(xué)模型具有理想的抗干擾能力，只要條件不變，重復(fù)模擬可得到完全相同的結(jié)果，不會(huì)因人、因地而異。5、數(shù)學(xué)模型的研制費(fèi)用相對便宜，運(yùn)行處理費(fèi)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(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，即把流域上的降雨過程，模擬計(jì)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(yīng)用來看，流域水文模型屬于數(shù)學(xué)模型，可分為確定性模型和隨機(jī)模型，我們通常所說的是指確定性模型。從反映水文運(yùn)動(dòng)物理規(guī)律的科學(xué)性和復(fù)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(dòng)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(xué)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(shí)變的和時(shí)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(yīng)模型（TLR）、線性振擾動(dòng)模型（LPM）、以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等。概念性模型利用一些簡單的物理概念和經(jīng)驗(yàn)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(gè)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(dòng)

5、量方程來求解水流在流域的時(shí)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(yùn)動(dòng)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(rèn)為流域表面上各點(diǎn)的水力學(xué)特征是均勻分布的，對流域表面上的任何一點(diǎn)上的降雨，其下滲、滲漏等縱向水流運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。集總模型把全流域當(dāng)作一個(gè)整體來建立模型，即對流域參數(shù)進(jìn)行均勻處理。分布式模型認(rèn)為流域表面上的各點(diǎn)的水力學(xué)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(yīng)將流域劃分為很多小單元，在考慮水流在

6、每個(gè)小單元體縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，也要考慮各個(gè)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(gè)單元面積對整個(gè)流域響應(yīng)的貢獻(xiàn)是互不影響的，可通過每個(gè)單元的疊加來確定整個(gè)流域響應(yīng)；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(gè)流域的響應(yīng)。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(jī)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(shí)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(gè)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(jī)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(shí)上呈空間分布狀

8、態(tài)的降雨輸入當(dāng)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(shí)際情況不符。3、有些模型雖然設(shè)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(jì)分布曲線，因而無法同時(shí)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(gè)甚至于十幾個(gè)要通過率定方法來確定，即由實(shí)測水文氣象資料反求。這種稱為反問題的數(shù)學(xué)問題，在理論上完全依賴于目標(biāo)函數(shù)、約束條件的擬定和實(shí)測水文氣象資料條件，會(huì)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(gè)世紀(jì)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(jìn)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(yàn)：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(gè)別實(shí)驗(yàn)小流域?qū)崪y資料或經(jīng)驗(yàn)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(fù)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(shí)測資料，加上調(diào)參的唯一檢驗(yàn)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(shí)踐上證明其必然優(yōu)勢。再加上物

10、理模型的復(fù)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(yīng)用。因此改進(jìn)和利用遙感、雷達(dá)等先進(jìn)的技術(shù)獲得準(zhǔn)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(yàn)復(fù)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(jìn)而從水文物理結(jié)構(gòu)而不是單純的數(shù)學(xué)物理公式或參數(shù)優(yōu)化方面來推動(dòng)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(shí)的反映真實(shí)水文現(xiàn)象。其次是由于人類活動(dòng)的影響會(huì)導(dǎo)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(yīng)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(yīng)用。在依靠先進(jìn)測量技術(shù)不斷提高水文數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時(shí)，加強(qiáng)氣候變化和人類活動(dòng)對水文過程影響的理論研究，利用獲取的信息對原資料進(jìn)行修正和還原，是解決水文模型資料的關(guān)鍵。3、水文時(shí)空尺度問題：不同時(shí)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?yàn)獲得的參數(shù)往往不能直接應(yīng)用到大流域的水文模擬，不同時(shí)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(jìn)行轉(zhuǎn)換。水文尺度問題也是造成應(yīng)用水文模型層出不窮，普適性模型難于研制和實(shí)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(shí)現(xiàn)水文模型與大氣環(huán)流等其它模型進(jìn)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(dǎo)致同一個(gè)模型輸出兩組不同的參數(shù)值；就是同一場降雨，由于目標(biāo)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