流域水文模型Word

　　第八章第一节

　　流域水文模型概述

　　一、水文模型的定义和分类 二、建立水文模型的的步骤 三、水文模型的特点及作用

　　第二节

　　几种常用的流域水文模型

　　一、新安江流域模型 二、萨克拉门托(Sacramento)模型 三、水箱(Tank)模型1

　　一、水文模型的定义和分类 水文模型是模拟水文现象而建立的实体

　　结构和数据结构。是对实际水文现象过 程的概化。 被模拟的水文现象称为原型，模型是对 原型的概化。 仿造原型制作模型的工作就称之为模拟。 对水文学来说，模型是描述一种现象转 换为另一种现象的工具。2

　　水文模型涉及内容和研究尺度 水文模型涉及的内容可以是水量、水质

　　或某一个水文过程等。 研究问题的尺度，可以大到全球水文循 环系统，也可以小到一棵树的蒸散发过 程。 所有的水文模型必须能反映被模拟的水 文现象的基本特征。3

　　(一)流域水文模型的定义流域水文模型(流域模型)是以一个数学模型 来模拟流域降雨—径流形成过程或融雪—径流 形成过程，即定量分析从降水、蒸发、融雪、 截流、下渗、填洼、径流成分划分、坡地汇流 和河槽汇流到形成流域出口断面的径流过程线 的全过程。 复杂的水文循环系统和降雨径流形成过程，是 由若干子系统和子过程组成的，所以一个完整 的流域水文模型是由几个子模型组成，模型中 常含大量的参数，所以用这种方法来研究水文 现象的，又称为“参数水文学”或称参数数学 模型。 4

　　数学模型的分类：

　　( 1 )随机性模型(非确 定性模型) A、概率模型 B、随机模型

　　把水文事件当成与 时间无关的随机变量 ，常见的概率模型有 对数正态模型等。

　　(2)确定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整体模型 过程模拟模型 集中模型 分散(块

　　)模型

　　数学模型的分类：

　　( 1 )随机性模型(非确 定性模型) A、概率模型 B、随机模型

　　把水文事件当成 与时间有关的随机过 程。

　　(2)确定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整体模型 过程模拟模型 集中模型 分散(块)模型

　　数学模型的分类：

　　( 1 )随机性模型(非确 定性模型) A、概率模型 B、随机模型

　　(2)确定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整体模型 过程模拟模型 集中模型 分散(块)模型

　　指在建立模型时 ，基本上不考虑径流 形成的物理过程，而 仅作一些必要的假设 ，至于假设是否合理 几乎全部依赖于实测 的输入和输出资料。 仅输入为已知的，其 他均为未知——“黑 箱”,该模型又称为 10 非参数模型。

　　数学模型的分类：

　　( 1 )随机性模型(非确 定性模型) A、概率模型 B、随机模型

　　(2)确定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整体模型 过程模拟模型 集中模型 分散(块)模型

　　在一定程度上考 虑径流形成过程的物 理过程，在该模型中 常用一些物理和经验 参数来概括径流形成 的物理现象，又称为 参数模型。

　　数学模型的分类：

　　( 1 )随机性模型(非确 定性模型) A、概率模型 B、随机模型

　　将径流形成过程作 为一个整体来模拟( 不分产流、汇流)。

　　(2)确定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整体模型 过程模拟模型 集中模型 分散(块)模型

　　数学模型的分类：

　　( 1 )随机性模型(非确 定性模型) A、概率模型 B、随机模型

　　把全流域作为一 个整体研究，忽略输 入变量与参数的时空 分布的差异。

　　(2)确定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整体模型 过程模拟模

　　型 集中模型 分散(块)模型

　　数学模型的分类：

　　( 1 )随机性模型(非确 定性模型) A、概率模型 B、随机模型

　　(2)确定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整体模型 过程模拟模型 集中模型 分散(块)模型

　　先把全流域按径 流形成的要求，划分 成几个单元流域(或 单元面积),分别对 每一个单元流域的径 流形成过程进行数学 模拟，然后综合，它 考虑了输入变量及参 数在时间空间上的分 布的差异。15

　　流域水文模型分类图流域水文数学模型

　　随机性模型

　　确定性模型

　　概率模型

　　随机模型

　　概念性模型

　　黑箱模型

　　整体模型

　　过程模型

　　集中模型

　　分散模型

　　二、建立水文模型的的步骤

　　模型结构 降雨径流的流域水文模型的模型结构为 降雨径流过程中的产流汇流的各主要阶 段，对水文物理现象规律进行数学模拟 时的推演关系和概化特点。它是由一系 列数学函数和逻辑判断所组成。

　　模型参数

　　●区别于不同流域水文特征的一类待定参 数。 模型结构确定后，以降雨、蒸发资料作为 输入，以流域出口断面的流量资料作为输 出，则模型参数常常可以用系统分析来率 定。流域上各水文要素模拟量如植物截留、 下渗、流域蓄量、坡面流、表层流、地下 径流等则是系统的状态变量。18

　　建立概念性水文模型的主要步骤

　　( 1 )以框图或流程图形式，表达从降雨到流域 出口断面发生径流过程各个环节之间的相互关 系。 ( 2 )建立模型各个部件的数学表达式或逻辑计 算系统。 ( 3 )根据实测降雨、径流观测资料，初步确定 模型中所包含的待定参数。 ( 4 )对所建立的模型进行必要的检验，其中不 但要对模型的计算精度、适用范围作出客观的 估计和评价，而且要尽可能地对模型结构加以 合理性检查和论证，经过适当调整后付诸应用。19

　　水文模型的特点 整体性：模型能考虑降雨径流形成的完

　　整过程以及各子过程间的相互联系作用。 复杂性：表现在各子过程间的关系且它 们具有强烈的时空变化。 借助电子计算机：整体性及复杂性导致 流域水文模型研究的工作量庞大，只能 以电子计算机解决优化参数及检验。20

　　流域水文模型的作用/应用水文资料的生成和水文资料的延长； 水文预报：洪水预报 城市水文效应，森林的水文效应，环境水文效 应，土地利用的水文效应，人类活动的水文效 应，气候变化的水文效应…… 流域规划——城市的防洪规划/

　　水资源管理，防洪工程安全运行及经济效益的 提高。21

　　新安江流域单元面积图

　　新安江流域单元面积图

　　代表性流域流域划分单元后，不是每个单元面 积都具有水文资料，原则上属于无资料 地区。模型采用代表性流域的方法，即 在流域内或自然条件相近的附近地区找 一个面积与单元面积相近，具有实测资 料的小流域，作为代表性流域，移用它 的分析成果到各单元面积，作为计算的 初值。33

　　降雨径流关系

　　抛物线型流域蓄水容量曲线F0 Wm b 1 (1 ) F Wm '

　　模型参

　　数模型参数计有 Kc 、 WM( 及其分量 ) 、 b 、 Fc 、 IMP。 IMP :对半干旱地区及湿润地区的干旱季节有 影响，原则上可由地图量测，实用上常采用分 析的方法。取干旱期小洪水，如完全由不透水 面积产生，可求其径流系数作为IMP。 b: 蓄水容量曲线的方次，与流域地形地质条件 相关； Kc:蒸发能力换算系数； Wm:流域平均蓄水容量； Fc:稳定下渗率38

　　单位线

　　河糟汇流计算采用马斯京根连续演算法。计算参 数有演算段数 ( 单元河段数 )n ,每个 单元河段的马斯京根法系数XE与KE。

　　参数确定

　　n 是单元面积出口至流域出口的河槽汇流段数。 首先确定计算时段 t 及汇流速度 C ,得 t 行距 L = tC,即单元河段长度。据 L,由河口向上沿 河网划分单元河段。各单元面积的 n 即该面积出 口离流域出口的单元河段数。 新安江水库流域取 t = 3h ,又根据流域中下游水 文实测资料，求得中、高水 C = 2.0m/s ,得 L = 20km。以水库周边为起点向上划分，全流域分为 3个单元河段。 取KE= t,XE用公式XE=0.5—l/(2 L)推求。其 中L=2km,代人XE计算式，得XE=0.45。 由 t、KE及XE,可得单元河段马期京根法系数 C0、 C1、C2。44

　　流域单元面积及河段数

　　( 三 ) 新 安 江 模 型 流 程46

　　二、萨克拉门托(Sacramento)模型

　　由美国萨克拉门托河流预报中心提出，于1973 年开始使用。 模型是在斯坦福 (Standford)IV 号模型的基础上 发展的。 把流域分为不透水面积、透水面积及变动的不 透水面积三部分。 径流来源于不透水面积上的直接径流，透水面 积上的地面径流、壤中流、浅层与深层地下水， 变动的不透水面积上的直接径流。其主体为透

　　水面积。48

　　(一)产流结构及计算方法简述 将土层分为两层。每层蓄水量又分为张

　　力水与自由水两种。降雨先补充上层张 力水，张力水满足，再补足上层自由水。 张力水的消退为蒸散发，自由水提供下 渗及河槽入流，并可补充张力水。

　　下渗曲线

　　下渗曲线采用霍尔坦型，表示为下渗率与土层缺水量 的关系，其计算公式为：REXP

　　RATE PBASE (1 Z DEFR

　　UZFWC ) UZFWM

　　RATE——稳定下渗率； PBASE——下层亏水比，等于下层缺水量与下层容量 之比； Z——系数，决定下层最干旱时的最大下渗率； DEFR——土层缺水量 REXP——系数，表示下渗率随土层蓄水量变化的函数 形式，当REXP=1相当于线性函数； UZFWC——上层自由水蓄量； UZFWM——上层自由水容量。

　　(二)蒸散发计算 1)上层张力水：

　　UZTWC E1 E P UZTWM 2)下层张力水：

　　LZTWC E2 ( EP E1 ) UZTWM LZTWM55

　　(三)参数确定UZTWM :可以看作为最大初损值。选夏季久 旱后，未产生多少径流的小雨，计算其降雨损 失量。计算多次，取其中较大者用之。 UZFWM :不能从实测资料中直接估算，一般 可取15至30mm。 UZK:难以精确估算，可根据实测流量过程壤 中流退水段估算，下式中 N为壤中流退水天数： UZK=1-(0.1)1/N 56

　　参数确定 LZTWM:对于湿润地区，可取历史上次

　　洪降雨最大损失量与上层张力水容量 UZTWM之差。 LZPK:选择久早

　　不雨的退水过程后期， 可认为是慢速地下水出流，计算式为 LZPK=1-(QN/Q0)1/N UZK同理得，但假定QN/Q0=0.1。57

　　参数确定LZFWM :等于最大慢速地下水流量 (以时段内 mm表示)除以LZPK。 LZSK :流量过程的地下水退水期，扣除慢速 地下水后，用计算LZPK的方法计算。 LZFSM :同上，扣除慢速地下水后，与计算 LZFWW的方法同。 Z、REXP:优选，或移用自然地理条件相似的 流域数值。 PFREE :下渗水量补充自由水的比例，应该是 变数。模型一般取 0.2 到 0.5 ,据地下水丰富程 度及地下水起涨速度而定出。 58

　　萨克拉门托模型参数

　　三、水箱(Tank)模型 水箱模型于 20 世纪 60 年代初由日本国立

　　防灾研究中心提出。 模型的基本结构是水箱(蓄水容器)。 将降雨径流过程模拟为若干个水箱的调 蓄作用。

　　水箱模型示意图单孔水箱

　　地表径流

　　壤中流

　　两孔水箱 基流 多层直立式水箱62

　　单一水箱蓄量与时段出流量、时段下渗量 的关系图

　　模型水分运动有效降雨首先注入顶层水箱中，当 雨深超过出流孔高，右侧孔开始出流， 下渗则与降雨注入同时发生，并由底孔 渗出。上一层的下渗即下一层的入流。 出流与下渗各按前述Q、F计算.

　　2、蒸散发量E计算 大多数河流采用以下简单的方法：年内

　　各天都用常数值。此值约为蒸发皿E值的 70~80%。 如雨量小于E,从剩余蓄水深中扣除剩余 E部分，不够时，从下渗量中扣除，再不 够，从下一层水箱的蓄水深中扣除。 无雨时，扣除E从顶部水箱蓄水深开始， 其余同上。70

　　流域分带示意图

　　1、模型结构 每一带用几个垂直串联的水箱来模拟，

　　其中顶层水箱具有土壤含水量结构，各 带结构可以不同。 顶层以下，各带同层次水箱的结构相同。 如此组成了由n(垂向水箱数)m(分带数) 个水箱组成的并联水箱模型。

　　模非 型湿 结润 构地 示区 意的 图并 联 水 箱74

　　2、模型水分运动○模型把构成土壤含水量的水分称封存水，其它 称自由水。 ○自由水沿水平和垂直二个方向运动，同带各层 水箱，水分由上向下流动，同时，还有一个向 上的输送水，即由毛细管作用，将下层自由水 传递给封存水。水平方向是异带同级水箱由分 水岭逐次向下一带流出。 ○ 顶层水箱设有两种出流孔， A 型孔出流量直接 进入河槽， B 型孔出流量进入下一带同层水箱。75

　　计算实例 湖南省湘江水系东江站曾用简单水箱模

　　型编制了预报方案，用两层直列水箱。

　　模型参数如下(试算):

　　计算时段为6h

　　GIS技术在水文模型中的应用 GIS 中用于空间数据及非空间属性数据的获 取、存储、分析和显示的功能已非常成熟， 可为水文模型提供非常详尽的背景环境描述 (如DEM , 土地利用类型等)。 由于GIS 在水文中的应用，基于过程的分布 式水文模型得到了关注与发展，这是由于其 应用连续的空间单位(格网单元) 用于数据存 储和处理， 使数据易于进行叠加分析，并且 可从DEM 中提取水文网络以用于建立水文模 型。 80

　　遥感数据在水文分析中的应用 复杂而又具有物理意义的分布式水文模

　　型的发展极大地提高了对空间数据的要 求。同时，传统数据收集部门受到了极 大的压力，传统地面观测站网的密度远 远不能满足模型对数据的要求。 遥感方法被认为是花费较少的数据获取 方法。如在洪水演进模型中，土地利用 类型图可用于估算计算网格的糙率系数。82

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　　芮孝芳，蒋成煜，张金存. 流域水文模型的发展, 水文，2006:26(3),22-26.

　　水文模型能满足需要吗？ “异参同效”,严格地说是指对于相同的

　　模型结构和相同的模型输入，会有多个 最优参数组使所获得的模型输出具有相 同的拟合精度。 现行流域水文模型，由于其对水文物理 过程的描写与定量计算过于粗略和概化， 实际上只具有“模拟”功能，属于“模 拟模型”。 在科学上和应用中，最具有价值、能预 测未来的是“预 测模型”。89