流域水循環(huán)分布式模擬與調(diào)控

目錄

前言

第1章 緒論 1

1.1 引言 1

1.2 分布式水資源模擬 3

1.2.1 國外分布式水資源模擬研究進展 3

1.2.2 我國分布式水資源模擬研究進展 5

1.3 水資源配置 6

1.3.1 國外水資源配置研究 7

1.3.2 我國水資源配置研究 10

1.4 本書的主要內(nèi)容 14

1.5 技術路線 15

第2章 水循環(huán)過程 17

2.1 天然狀態(tài)下的水循環(huán)過程 17

2.2 人類活動影響下的水循環(huán)過程 18

2.3 “天然-人工”雙驅(qū)動因素相互影響與耦合 19

2.3.1 人工驅(qū)動因素對天然狀態(tài)下水循環(huán)過程的影響 19

2.3.2 天然驅(qū)動因素對人工側(cè)支用水的影響 21

2.3.3 “天然-人工”雙驅(qū)動因素的耦合 21

2.4 基于“天然-人工”雙驅(qū)動因素的徑流演化 22

2.5 本章小結(jié) 23

第3章 “天然-人工”雙拓撲結(jié)構(gòu)數(shù)字水系構(gòu)建 24

3.1 地理信息系統(tǒng) 24

3.1.1 地理信息系統(tǒng)的概念 24

3.1.2 數(shù)字地面模型概述 26

3.1.3 地理信息系統(tǒng)在分布式水資源模擬模型研究中的應用 29

3.2 傳統(tǒng)的基于DEM提取流域排水結(jié)構(gòu)方法 30

3.2.1 基于DEM的單元劃分方法 30

3.2.2 DEM的預處理 31

3.2.3 流向判斷 32

3.2.4 河網(wǎng)提取 35

3.3 基于“天然-人工”雙拓撲結(jié)構(gòu)建立數(shù)字水系 37

3.3.1 雙拓撲結(jié)構(gòu)數(shù)字水系構(gòu)建流程 37

3.3.2 基于DEM與DRLN自動提取河網(wǎng) 38

3.3.3 基于等流時帶的子流域劃分方法 46

3.3.4 引入人工影響因素的數(shù)字河網(wǎng)的構(gòu)建 50

3.4 土壤類型和土地利用分布概化 54

3.4.1 下墊面條件變化對水循環(huán)的影響 54

3.4.2 遙感信息反演 54

3.4.3 土壤類型和土地利用在子流域內(nèi)的概化 61

3.5 本章小結(jié) 61

第4章 基于“天然-人工”雙拓撲結(jié)構(gòu)的水資源模擬 63

4.1 建模思路及整體框架 63

4.1.1 建模思路 63

4.1.2 整體框架 64

4.2 地表能量平衡 67

4.2.1 太陽輻射量 67

4.2.2 大氣對太陽輻射的影響 68

4.2.3 日凈輻射 69

4.3 氣象資料模擬 70

4.3.1 實測資料生成 70

4.3.2 自動生成資料 73

4.3.3 氣象資料的高程修正 74

4.3.4 降雪和融雪 75

4.4 天然因素的模擬 77

4.4.1 蒸散發(fā) 77

4.4.2 截留 81

4.4.3 下滲與土壤水分運動 82

4.4.4 地表徑流 85

4.4.5 匯流 88

4.5 人工影響因素的模擬 89

4.5.1 灌區(qū)水循環(huán)模擬 89

4.5.2 城鎮(zhèn)地區(qū)水循環(huán)模擬 92

4.5.3 水利工程調(diào)蓄作用模擬 95

4.5.4 其他用水模擬 96

4.6 本章小結(jié) 97

第5章 分布式水資源模擬模型參數(shù)率定 99

5.1 目標函數(shù)及評價指標 99

5.1.1 模型率定目標函數(shù) 99

5.1.2 模型模擬效率評判準則 100

5.2 分布式水資源模擬模型參數(shù)率定方法 102

5.2.1 試錯法 102

5.2.2 傳統(tǒng)數(shù)學優(yōu)化方法 103

5.2.3 幾種常用的全局優(yōu)化算法 105

5.3 分布式水資源模擬模型參數(shù)靈敏度分析 113

5.3.1 擾動分析法 113

5.3.2 RSA方法 113

5.3.3 GLUE方法 114

5.4 本章小結(jié) 114

第6章 用水部門需水預測 115

6.1 需水概念及分類 115

6.2 需水要素的預測 117

6.2.1 生活需水 117

6.2.2 工業(yè)需水 119

6.2.3 建筑業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)需水 125

6.2.4 農(nóng)業(yè)需水 126

6.2.5 生態(tài)需水 131

6.2.6 綜合需水分析與計算 143

6.3 需水要素的時間展布 144

6.3.1 生活需水 144

6.3.2 生產(chǎn)需水 144

6.3.3 生態(tài)需水 145

6.4 需水要素的空間展布 145

6.4.1 沒有輔助數(shù)據(jù)的面插值 146

6.4.2 有輔助數(shù)據(jù)的面插值 148

6.4.3 需水要素的空間展布 148

6.5 用水效益計算方法 149

6.5.1 農(nóng)業(yè)用水效益計算 149

6.5.2 工業(yè)供水效益計算 154

6.5.3 其他部門用水效益計算 156

6.6 本章小結(jié) 157

第7章 流域水資源優(yōu)化配置模型的構(gòu)建 159

7.1 水資源優(yōu)化配置的概念 159

7.1.1 水資源優(yōu)化配置的目標 159

7.1.2 水資源優(yōu)化配置的原則 160

7.1.3 水資源優(yōu)化配置的手段 161

7.2 基于“天然-人工”雙拓撲結(jié)構(gòu)的水資源系統(tǒng)基本框架 163

7.2.1 系統(tǒng)概化方法 163

7.2.2 系統(tǒng)框架 165

7.2.3 供水的時延性 166

7.3 流域水資源優(yōu)化配置模型 168

7.3.1 全流域水資源優(yōu)化配置數(shù)學模型 168

7.3.2 計算單元水資源優(yōu)化配置數(shù)學模型 170

7.4 本章小結(jié) 171

第8章 流域水資源優(yōu)化配置模型的求解 172

8.1 大系統(tǒng)概述 172

8.1.1 大系統(tǒng)優(yōu)化的分解協(xié)調(diào)技術 172

8.1.2 大系統(tǒng)優(yōu)化方法概述 175

8.1.3 水資源大系統(tǒng)優(yōu)化 179

8.2 分解協(xié)調(diào)方法 181

8.2.1 系統(tǒng)描述 181

8.2.2 系統(tǒng)分解與協(xié)調(diào) 183

8.2.3 非線性耦合的推廣 189

8.3 水資源優(yōu)化配置大系統(tǒng)遞階結(jié)構(gòu) 190

8.3.1 水資源優(yōu)化配置模型分析 190

8.3.2 各層目標函數(shù)的選取 191

8.4 協(xié)調(diào)步驟 192

8.4.1 空間分解法分解協(xié)調(diào) 192

8.4.2 混合法分解協(xié)調(diào) 195

8.5 本章小結(jié) 196

第9章 實例研究 197

9.1 流域概況 197

9.1.1 自然地理 197

9.1.2 地形地貌 197

9.1.3 土壤植被 198

9.1.4 氣候 199

9.1.5 河流水系 200

9.2 資料分析 200

9.2.1 地理信息 200

9.2.2 氣象資料 202

9.2.3 水文資料 202

9.2.4 宏觀經(jīng)濟資料 205

9.3 黃河流域基于“天然-人工”雙拓撲結(jié)構(gòu)數(shù)字河網(wǎng)的建立 210

9.3.1 黃河流域數(shù)字河網(wǎng)的生成 210

9.3.2 等流時帶的劃分及參數(shù)率定 212

9.3.3 人工影響因素的引入 212

9.3.4 子流域間拓撲關系的建立 213

9.4 黃河流域基于“天然-人工”雙拓撲結(jié)構(gòu)分布式水資源模擬 213

9.4.1 模型參數(shù)率定 213

9.4.2 模擬結(jié)果及分析 214

9.5 黃河流域水資源優(yōu)化配置 219

9.5.1 系統(tǒng)概化 219

9.5.2 情景選取 220

9.5.3 配置結(jié)果 228

9.6 本章小結(jié) 238

第10章 結(jié)論與展望 239

10.1 結(jié)論 239

10.2 展望 242

參考文獻 243 2100433B

《流域水循環(huán)分布式模擬與調(diào)控》基于天然水循環(huán)和人工側(cè)支用水過程耦合模擬的思想，利用數(shù)字高程模型和數(shù)字河湖網(wǎng)資料，構(gòu)建了基于“天然-人工”雙拓撲結(jié)構(gòu)的數(shù)字河網(wǎng)和分布式水資源模擬模型。針對大流域配水供需單元之間往往存在時延性的情況，利用等流時帶概念，通過空間上等流時帶的平移反映調(diào)蓄工程放水在時間上的滯后性影響，建立流域水資源優(yōu)化配置模型。利用大系統(tǒng)優(yōu)化的分解協(xié)調(diào)方法進行求解，實現(xiàn)整體系統(tǒng)不同層次的優(yōu)化。所建模型，不僅可用于模擬土地利用/土地覆被變化等不同下墊面條件對水資源形成轉(zhuǎn)化的影響，而且可用于模擬人工側(cè)支用水對水資源形成轉(zhuǎn)化與利用的影響，以及大流域水資源的優(yōu)化調(diào)控。

《流域水循環(huán)分布式模擬》是國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目（“973”，G19990436）的研究成果之一，主要內(nèi)容是分布式水文模型系統(tǒng)的研發(fā)與集成。全書共分10章。第一章介紹了分布式水文模型的基本概念和國內(nèi)外研究進展；第二章探討了分布式水文模型的理論基礎；第三章闡述了分布式水文模型的相關支撐技術；第四章介紹了自主開發(fā)的流域分布式水文模擬系統(tǒng)HIMS的結(jié)構(gòu)和功能；第五章至第七章介紹了自主開發(fā)的三種時空民度的分布式水文模型；第八章和第九章介紹了國外分布式水文模型在黃河流域的應用；第十章對分布式水文模型的研究進行了總結(jié)，分析子分布式水文模型存在的問題及其發(fā)展前景。

《流域水循環(huán)分布式模擬》重在理論研究與應用實踐的結(jié)合，在流域水循環(huán)分布式模擬研究方面，具有很好的指導和示范作用，可供水利工程、環(huán)境工程、地質(zhì)工程、地球科學等專業(yè)的科技工作者參考，也可作為相關專業(yè)教師、研究生、本科生的輔助教材。

前言

第一章 緒論

第一節(jié) 流域水文循環(huán)過程

第二節(jié) 流域水文循環(huán)的數(shù)學模擬

第三節(jié) 分布式水文模型研究進展

第二章 流域分布式水文模型理論基礎

第一節(jié) 水文模擬中的尺度問題

第二節(jié) 空間異質(zhì)性與空間離散

第三節(jié) 分布式水文模型建模范式

第四節(jié) 典型的分布式水文模型

第三章 分布式水文模擬的技術支撐

第一節(jié) GIS與分布式水文模型

第二節(jié) 遙感與分布式水文模擬

第三節(jié) 基于DEM的流域特征信息提取

第四節(jié) 水文信息空間插值

第四章 流域分布式水文模擬系統(tǒng)

第一節(jié) HIMS系統(tǒng)的總體設計

第二節(jié) 基于組建式GIS的水循環(huán)信息系統(tǒng)

第三節(jié) HIMS水文函數(shù)庫的構(gòu)造

第四節(jié) HIMS水文模型系統(tǒng)的建立

第五章 分布式暴雨洪水模型及其應用

第一節(jié) 單元產(chǎn)流模型

第二節(jié) 匯流模型

第三節(jié) 水庫調(diào)蓄模型

第四節(jié) 黃河小花間產(chǎn)匯流特性分析

第五節(jié) 黃河小花間暴雨洪水過程分布式模擬

第六章 流域日水文過程分布式模擬

第一節(jié) 模型原理與主結(jié)構(gòu)

第二節(jié) 單元水文模型

第三節(jié) 河網(wǎng)匯流演算

第四節(jié) 模型的運行控制

第五節(jié) 實例應用研究

第七章 分布式時變增益模型及其應用

第一節(jié) 水文非線性系統(tǒng)模型

第二節(jié) 分布式時變增益模型

第三節(jié) 黃河流域月水文過程模擬

第八章 SWAT模型在黃河流域的應用

第一節(jié) SWAT的基本原理

第二節(jié) SWAT的結(jié)構(gòu)與控制

第三節(jié) SWAT的主要子模型

第四節(jié) SWAT模型的應用研究

第九章 SVAT&HYCY模型的應用

第一節(jié) 大氣一陸面交互作用一維模型

第二節(jié) 流域產(chǎn)匯流模型

第三節(jié) SVAT&HYCY模型的應用

第十章 流域分布式水文模型的發(fā)展趨勢

第一節(jié) 分布式水文模擬的難題與局限

第二節(jié) 分布式水文模型發(fā)展趨勢

附錄 分布式水文模型：神話還是現(xiàn)實？

參考文獻

附圖

《采煤沉陷區(qū)分布式水循環(huán)模擬與水利工程效用研究》主要介紹面向?qū)ο竽K化的“河道－沉陷區(qū)－地下水”分布式水循環(huán)模擬模型的開發(fā)及其在采煤沉陷區(qū)應用的相關內(nèi)容。通過建立符合當?shù)厮h(huán)形成轉(zhuǎn)化特征的分布式水循環(huán)模擬模型來論證采煤沉陷區(qū)的積水機理和水資源形成轉(zhuǎn)化機制，不同沉陷發(fā)展階段的蓄洪除澇能力、可供水量，及沉陷區(qū)水資源開發(fā)利用對淮河干流的環(huán)境影響、礦區(qū)環(huán)境對沉陷區(qū)水質(zhì)的影響和水質(zhì)保護等方面內(nèi)容。