水文模型概述

水文現(xiàn)象是由眾多因素相互作用的復(fù)雜過(guò)程，它與大氣圈、地殼圈、生物圈都有著十分密切的關(guān)系，屬于綜合性的自然現(xiàn)象。迄今為止，人們還不可能對(duì)水文現(xiàn)象用嚴(yán)格的物理定律來(lái)描述。常見(jiàn)的研究方法是將復(fù)雜水文現(xiàn)象加以概化，忽略次要的與隨機(jī)的因素，保留主要因素和具有基本規(guī)律的部分，建立具有一定物理意義的數(shù)學(xué)物理模型，并在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。流域水文模型是為模擬流域水文過(guò)程所建立的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，被模擬的水文現(xiàn)象稱為原型，模型則是對(duì)原型的物理和邏輯過(guò)程的概化。

水文模型在進(jìn)行水文規(guī)律研究和解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題中起著重要的作用，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，以計(jì)算機(jī)和通信為核心的信息技術(shù)在水文水資源及水利工程科學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使水文模型的研究得到迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于水文基本規(guī)律研究、水旱災(zāi)害防治、水資源評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)利用、水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、氣候變化及人類活動(dòng)對(duì)水資源和水環(huán)境影響分析等領(lǐng)域。因此，水文模型的開(kāi)發(fā)研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

自然系統(tǒng)(natural system),在水文學(xué)中是自然界的水文循環(huán)或我們根據(jù)需要所假設(shè)的水文循環(huán)的一部分。

模擬(simulation),是水文模型對(duì)自然系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)描述,也可以說(shuō)是對(duì)自然系統(tǒng)行為的模范。

子模型(submodel)算法(routine)組件(component),是復(fù)雜水文模型的組成部分。

對(duì)象(object)是人們能夠想到的物體和過(guò)程：

行為(agent)是根據(jù)對(duì)對(duì)象獲取了知識(shí),并將知識(shí)應(yīng)用于其他對(duì)象的過(guò)程。

國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)研制的水文模型眾多，結(jié)構(gòu)各異，按照模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，水文模型可分為物理模型、概念性模型和系統(tǒng)理論模型三類。

水文模型水文物理模型

水文現(xiàn)象和水文規(guī)律十分復(fù)雜，利用實(shí)體場(chǎng)景研究水文過(guò)程變化規(guī)律，以及某些要素物理性質(zhì)的模型稱為水文物理模型。水文實(shí)驗(yàn)是水文物理模型的核心環(huán)節(jié)，它是為探求和研究水文現(xiàn)象和過(guò)程并對(duì)其作出成因分析的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。水文現(xiàn)象受許多自然因素制約和人類活動(dòng)影響，一般的水文觀測(cè)和分析難以清楚地揭示其物理過(guò)程和相互關(guān)系，需要在野外或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)用特定的程序、裝置和設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的、有控制的觀測(cè)和試驗(yàn)。水文實(shí)驗(yàn)研究的主要目的在于揭示天然條件下和人類活動(dòng)影響下水文現(xiàn)象的物理機(jī)制，以及各種水文要素之間的相互聯(lián)系；在研究現(xiàn)有水文學(xué)理論和應(yīng)用中有待認(rèn)識(shí)和解決的問(wèn)題；檢驗(yàn)已有的規(guī)律與理論。

當(dāng)前水文物理模型(實(shí)驗(yàn)、試驗(yàn))的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，如：

(1)水文過(guò)程研究，包括蒸散發(fā)、降雨徑流關(guān)系、水文過(guò)程及動(dòng)態(tài)的研究。

(2)水化學(xué)平衡和植物生態(tài)研究。

(3)不同自然地理?xiàng)l件和人類活動(dòng)影響下的水文規(guī)律研究。

(4)特殊地區(qū)(如巖溶、凍土地區(qū))和特殊徑流形式的水文研究等。

水文模型概念性水文模型

概念性流域水文模型是以水文現(xiàn)象的物理概念和一些經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)構(gòu)造的水文模型，它將流域的物理基礎(chǔ)(如下墊面等)進(jìn)行概化(如線性水庫(kù)、土層劃分、蓄水容量曲線等)，再結(jié)合水文經(jīng)驗(yàn)公式(如下滲曲線、匯流單位線、蒸散發(fā)公式等)來(lái)近似地模擬流域水流過(guò)程。按對(duì)模擬流域的處理方法，概念性水文模型又可分為集總式模型和分散式模型。集總式概念性模型把全流域當(dāng)作一個(gè)整體來(lái)建立模型，即對(duì)流域參數(shù)(變量)進(jìn)行均化處理；分散式概念性模型則按流域下墊面不同特征和降水的不均勻性把流域分為若干個(gè)單元，對(duì)每一單元采用不同特征參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，然后依據(jù)各單元的水力聯(lián)系和水量平衡原理，通過(guò)匯流演算得到全流域的輸出結(jié)果。

世界上知名的概念性模型已不下20種，主要的計(jì)算步驟大同小異。在我國(guó)，最著名的概念性水文模型是新安江流域水文模型(簡(jiǎn)稱新安江模型)。新安江模型是河海大學(xué)趙人俊教授等在長(zhǎng)期研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，于1973年對(duì)新安江水庫(kù)作入庫(kù)流量預(yù)報(bào)工作時(shí)提出的降雨徑流模型。新安江模型主要由4部分組成：蒸散發(fā)計(jì)算、蓄滿產(chǎn)流計(jì)算、水源劃分和匯流計(jì)算。模型主要特點(diǎn)是：

(1)在產(chǎn)流計(jì)算中應(yīng)用蓄滿產(chǎn)流概念。

(2)將水源分為地面、壤中與地下3種。

(3)在河道洪水演算中應(yīng)用馬斯京根法。

新安江模型的核心是提出蓄水容量曲線表達(dá)包氣帶蓄水能力(容量)的空間不均勻性。

新安江模型是分散性模型，它把全流域分成若干單元面積，對(duì)每塊單元面積分別作產(chǎn)匯流計(jì)算，得出各單元面積的出口流量過(guò)程，再分別將各單元出口流量過(guò)程經(jīng)河道洪水演算至流域出口斷面，把同時(shí)刻的流量相加即求得流域出口的流量過(guò)程。

如圖是三水源新安江模型的結(jié)構(gòu)。新安江模型根據(jù)輸入的實(shí)測(cè)水面蒸發(fā)與當(dāng)時(shí)的土壤濕度，代入蒸散發(fā)模型，可計(jì)算出流域蒸散發(fā)。再根據(jù)輸入的實(shí)測(cè)降雨與計(jì)算的蒸散發(fā)，代入產(chǎn)流方程，可計(jì)算出徑流，同時(shí)調(diào)整了土壤濕度。把徑流代入分水源方程可分出地面徑流、壤中流與地下徑流。地面徑流用單位線計(jì)算流量過(guò)程，壤中流與地下徑流采用水庫(kù)演算計(jì)算流量過(guò)程，合而成為流域的出流過(guò)程。再應(yīng)用河道洪水演算，求得下游某斷面的流量過(guò)程。

水文模型水文系統(tǒng)理論模型

水文系統(tǒng)是指研究對(duì)象中，由相互作用和相互依賴的水文要素組成的具有水文循環(huán)功能的整體。水文系統(tǒng)至少包含3個(gè)部分，即系統(tǒng)的輸入、輸出和系統(tǒng)的功能。對(duì)于河流而言，上斷面的水位或流量為輸入，下斷面的水位或流量是輸出；對(duì)于流域產(chǎn)匯流而言，降雨與蒸發(fā)是輸入，流域出口的流量過(guò)程為輸出。水文系統(tǒng)的功能是與系統(tǒng)所處的地理位置、流域或河系的地貌、植被與下墊面特性，以及人類活動(dòng)影響等因素相聯(lián)系。當(dāng)系統(tǒng)的輸入與輸出之間的轉(zhuǎn)化滿足線性疊加原理的稱為線性系統(tǒng)，反之，稱為非線性系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)輸入與輸出轉(zhuǎn)化關(guān)系中的參數(shù)隨時(shí)間變化時(shí)，稱為時(shí)變系統(tǒng)，反之，定常參數(shù)的系統(tǒng)稱為時(shí)不變系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)輸入、輸出或參數(shù)不存在空間變化的稱為集總系統(tǒng)，反之稱為分散系統(tǒng)。從系統(tǒng)的觀點(diǎn)看，真實(shí)的流域系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境因素的共同作用下，多半是非線性、時(shí)變和分散的。

系統(tǒng)理論模型又稱系統(tǒng)響應(yīng)模型，這類模型將研究對(duì)象視為一種動(dòng)力系統(tǒng)，一般采用回歸分析方法，利用已有降雨徑流資料建立某種數(shù)學(xué)關(guān)系，然后由此用新的輸入推求輸出。系統(tǒng)理論模型只關(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，因此又被稱為黑箱子模型。

《分布式水文模型應(yīng)用與實(shí)踐》為作者多年從事分布式水文模型系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用過(guò)程中所積累的一些研究成果總結(jié)，研究?jī)?nèi)容涉及分布式水文模型的參數(shù)優(yōu)選、初值設(shè)定、敏感區(qū)識(shí)別、土壤墑情、水情預(yù)報(bào)和產(chǎn)輸沙模擬。全書在分布式水文模型的框架剖析和應(yīng)用概述之上，重點(diǎn)對(duì)一種參數(shù)優(yōu)選算法——“變域遞減隨機(jī)搜索算法”、一種分布式土壤含水量初值的設(shè)定方法等內(nèi)容進(jìn)行了闡述。《分布式水文模型應(yīng)用與實(shí)踐》可供水文學(xué)、水資源、氣象、水利工程等學(xué)科的科研人員參考。

前言

第1章 水文模型概述

1.1 水文模型發(fā)展歷程

1.2 現(xiàn)代水文模型的發(fā)展和特點(diǎn)

1.3 現(xiàn)代水文模型面臨的主要問(wèn)題

1.4 分布式水文模型介紹

第2章 水文模型主要模塊

2.1 降水模塊

2.2 產(chǎn)流模塊

2.3 匯流模塊

第3章 分布式水文模型對(duì)流域特征參數(shù)的處理

3.1 流域特征參數(shù)

3.2 現(xiàn)代流域特征參數(shù)空間變異的加劇

3.3 分布式水文模型對(duì)流域特征參數(shù)空間變異處理

3.4 分布式水文模型處理流域特征參數(shù)面臨的問(wèn)題

第4章 降水?dāng)?shù)據(jù)的分布式處理

4.1 自然界降水

4.2 降水?dāng)?shù)據(jù)獲取

4.3 分布式水文模型對(duì)降水?dāng)?shù)據(jù)的要求

4.4 空問(wèn)插值理論基礎(chǔ)

4.5 分布式降水模型介紹

4.6 分布式降水模型實(shí)例分析比較

第5章 分布式水文模型中流量分配算法問(wèn)題

5.1 流向及流量分配算法分類

5.2 流向及流量分配算法在分布式水文模型中的應(yīng)用

5.3 流向及流量分配算法存在的問(wèn)題

5.4 流域坡面特征對(duì)流向及流量分配算法的影響

第6章 分布式水文模型坡面糙率問(wèn)題

6.1 糙率的歷史淵源

6.2 坡面糙率的影響因素

6.3 流向及流量分配算法對(duì)糙率影響的考慮

6.4 矢量糙率理論

6.5 矢量糙率理論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

第7章 阻力與坡度共同作用下的分布式水文模型建立探索

7.1 坡面流阻力的表征

7.2 阻力對(duì)坡面流影響作用

7.3 目前分布式水文模型對(duì)坡面流阻力作用的處理

7.4 考慮阻力作用的坡面徑流流向及流量分配算法

參考文獻(xiàn)

第1章 剖析分布式水文模型

1．1 整體認(rèn)識(shí)

1．2 建模基礎(chǔ)

1．3 模型結(jié)構(gòu)

1．4 參數(shù)確定

1．5 單元?jiǎng)澐?

1．6 算法實(shí)現(xiàn)

1．7 資料及其他

第2章 分布式水文模型應(yīng)用概述

2．1 洪水預(yù)報(bào)預(yù)警

2．2 地下水?dāng)?shù)值模擬

2．3 生態(tài)模擬

2．4 農(nóng)田水利

2．5 城市雨洪

2．6 水資源開(kāi)發(fā)管理

2．7 變化環(huán)境影響研究

2．8 缺/無(wú)資料地區(qū)水文問(wèn)題

2．9 巖溶地區(qū)水文過(guò)程模擬

第3章 分布式水文模型的參數(shù)優(yōu)選

3．1 研究區(qū)域與資料

3．2 算法描述

3．3 應(yīng)用

3．4 結(jié)論與展望

第4章 分布式土壤含水量初值設(shè)定

4．1 定性分析

4．2 模型介紹

4．3 定量分析

4．4 應(yīng)用實(shí)例

4．5 結(jié)論和展望

第5章 水文敏感區(qū)

5．1 水文敏感區(qū)

5．2 流域地表產(chǎn)流概率

5．3 邊界月份敏感線

5．4 平均水文敏感線

5．5 季節(jié)性水文敏感線

5．6 水文敏感區(qū)范圍的界定

第6章 基于TOPMODEL的水文敏感區(qū)識(shí)別

6．1 流域概況

6．2 算例構(gòu)建

6．3 參數(shù)率定

6．4 典型流域地表產(chǎn)流及平均水文敏感線

6．5 典型流域月地表產(chǎn)流概率及季節(jié)性水文敏感線

6．6 典型流域水文敏感區(qū)范圍的生成

6．7 本章小結(jié)

第7章 平原區(qū)分布式土壤墑情模型

7．1 模型構(gòu)建

7．2 參數(shù)率定

7．3 模型檢驗(yàn)

7．4 推廣應(yīng)用情況

7．5 效益分析

第8章 丘陵區(qū)分布式土壤墑情模型

8．1 模型結(jié)構(gòu)

8．2 土壤水逐日遞推計(jì)算

8．3 壤水側(cè)向運(yùn)動(dòng)

8．4 檢驗(yàn)與應(yīng)用

第9章 用于流域洪水預(yù)報(bào)的分布式水文模型Il

9．1 任務(wù)背景

9．2 流域概況

9．3 數(shù)字流域構(gòu)建

9．4 分布式水文模型構(gòu)建

9．5 應(yīng)用示例

第10章 分布式產(chǎn)輸沙模型

10．1 背景

10．2 可耦合產(chǎn)輸沙的分布式水文模型

10．3 分布式產(chǎn)輸沙計(jì)算

10．4 分布式模擬成果

10．5 結(jié)論與展望

參考文獻(xiàn)