1、1,第八章 流域水文模型,第一節(jié) 概述 一、水文模型的定義和分類 二、建立水文模型的的步驟 三、水文模型的特點(diǎn)及作用 第二節(jié) 幾種常用的流域水文模型 一、新安江流域模型 二、薩克拉門托(Sacramento)模型 三、水箱(Tank)模型,2,一、水文模型的定義和分類,水文模型是模擬水文現(xiàn)象而建立的實(shí)體結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。是對(duì)實(shí)際水文現(xiàn)象過程的概化。 被模擬的水文現(xiàn)象稱為原型，模型是對(duì)原型的概化。 仿造原型制作模型的工作就稱之為模擬。 對(duì)水文學(xué)來說，模型是描述一種現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為另一種現(xiàn)象的工具。,3,水文模型涉及內(nèi)容和研究尺度,水文模型涉及的內(nèi)容可以是水量、水質(zhì)或某一個(gè)水文過程等。 研究問題的尺度，可

2、以大到全球水文循環(huán)系統(tǒng)，也可以小到一棵樹的蒸散發(fā)過程。 所有的水文模型必須能反映被模擬的水文現(xiàn)象的基本特征。,4,（一）流域水文模型的定義,流域水文模型（流域模型）是以一個(gè)數(shù)學(xué)模型來模擬流域降雨徑流形成過程或融雪徑流形成過程，即定量分析從降水、蒸發(fā)、融雪、截流、下滲、填洼、徑流成分劃分、坡地匯流和河槽匯流到形成流域出口斷面的徑流過程線的全過程。 復(fù)雜的水文循環(huán)系統(tǒng)和降雨徑流形成過程，是由若干子系統(tǒng)和子過程組成的，所以一個(gè)完整的流域水文模型是由幾個(gè)子模型組成，模型中常含大量的參數(shù)，所以用這種方法來研究水文現(xiàn)象的，又稱為“參數(shù)水文學(xué)”或稱參數(shù)數(shù)學(xué)模型。,5,(二)模型的分類,1.實(shí)體模型：將自然界

3、發(fā)生的真實(shí)水文過程按一定比尺縮小到實(shí)驗(yàn)室或試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行模型試驗(yàn)，模型和原型的區(qū)別在于比尺不同，兩者的物理過程本質(zhì)是相同的。因此，實(shí)體模型是保持同一物理本質(zhì)的。 2.數(shù)學(xué)模型：對(duì)水文現(xiàn)象進(jìn)行模擬而建立的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)稱作為數(shù)學(xué)模型。,6,數(shù)學(xué)模型的分類：,（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型 （2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）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)。 一個(gè)流域數(shù)學(xué)模型對(duì)相同的模型輸入，由于模型本身的特征，而不能產(chǎn)生相同的模型輸出，或者說產(chǎn)生隨機(jī)性的模型輸出。,7,數(shù)學(xué)模型的分類：,（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型

4、） A、概率模型 B、隨機(jī)模型 （2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）模型,把水文事件當(dāng)成與時(shí)間無關(guān)的隨機(jī)變量，常見的概率模型有對(duì)數(shù)正態(tài)模型等。,8,數(shù)學(xué)模型的分類：,（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型 （2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）模型,把水文事件當(dāng)成與時(shí)間有關(guān)的隨機(jī)過程。,9,數(shù)學(xué)模型的分類：,（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型 （2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）模型,一個(gè)流域的

5、數(shù)學(xué)模型對(duì)相同的模型輸入，總是產(chǎn)生相同的模型輸出。 描述水文現(xiàn)象的必然性規(guī)律的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)稱為確定性模型。,10,數(shù)學(xué)模型的分類：,（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型 （2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）模型,指在建立模型時(shí)，基本上不考慮徑流形成的物理過程，而僅作一些必要的假設(shè)，至于假設(shè)是否合理幾乎全部依賴于實(shí)測(cè)的輸入和輸出資料。僅輸入為已知的，其他均為未知“黑箱”，該模型又稱為非參數(shù)模型。,11,數(shù)學(xué)模型的分類：,（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型 （2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型

6、整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）模型,在一定程度上考慮徑流形成過程的物理過程，在該模型中常用一些物理和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來概括徑流形成的物理現(xiàn)象，又稱為參數(shù)模型。,12,數(shù)學(xué)模型的分類：,（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型 （2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）模型,將徑流形成過程作為一個(gè)整體來模擬（不分產(chǎn)流、匯流）。,13,數(shù)學(xué)模型的分類：,（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型 （2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）模型,先對(duì)徑流形成過程中每

7、個(gè)子過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，然后按照各子過程在徑流形成過程中內(nèi)在的聯(lián)系組合成一個(gè)數(shù)學(xué)模型。,14,數(shù)學(xué)模型的分類：,（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型 （2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）模型,把全流域作為一個(gè)整體研究，忽略輸入變量與參數(shù)的時(shí)空分布的差異。,15,數(shù)學(xué)模型的分類：,（1）隨機(jī)性模型（非確定性模型） A、概率模型 B、隨機(jī)模型 （2）確定性模型 “黑箱”模型 概念性模型 整體模型 過程模擬模型 集中模型 分散（塊）模型,先把全流域按徑流形成的要求，劃分成幾個(gè)單元流域（或單元面積），分別對(duì)每一個(gè)單元流域的徑流形

8、成過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，然后綜合，它考慮了輸入變量及參數(shù)在時(shí)間空間上的分布的差異。,16,流域水文模型分類圖,17,二、建立水文模型的的步驟,模型結(jié)構(gòu) 降雨徑流的流域水文模型的模型結(jié)構(gòu)為降雨徑流過程中的產(chǎn)流匯流的各主要階段，對(duì)水文物理現(xiàn)象規(guī)律進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬時(shí)的推演關(guān)系和概化特點(diǎn)。它是由一系列數(shù)學(xué)函數(shù)和邏輯判斷所組成。,18,模型參數(shù),區(qū)別于不同流域水文特征的一類待定參數(shù)。 模型結(jié)構(gòu)確定后，以降雨、蒸發(fā)資料作為輸入，以流域出口斷面的流量資料作為輸出，則模型參數(shù)常常可以用系統(tǒng)分析來率定。流域上各水文要素模擬量如植物截留、下滲、流域蓄量、坡面流、表層流、地下徑流等則是系統(tǒng)的狀態(tài)變量。,19,建立概念性水文

9、模型的主要步驟,（1）以框圖或流程圖形式，表達(dá)從降雨到流域出口斷面發(fā)生徑流過程各個(gè)環(huán)節(jié)之間的相互關(guān)系。 （2）建立模型各個(gè)部件的數(shù)學(xué)表達(dá)式或邏輯計(jì)算系統(tǒng)。 （3）根據(jù)實(shí)測(cè)降雨、徑流觀測(cè)資料，初步確定模型中所包含的待定參數(shù)。 （4）對(duì)所建立的模型進(jìn)行必要的檢驗(yàn)，其中不但要對(duì)模型的計(jì)算精度、適用范圍作出客觀的估計(jì)和評(píng)價(jià)，而且要盡可能地對(duì)模型結(jié)構(gòu)加以合理性檢查和論證，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整后付諸應(yīng)用。,20,水文模型的特點(diǎn),整體性：模型能考慮降雨徑流形成的完整過程以及各子過程間的相互聯(lián)系作用。 復(fù)雜性：表現(xiàn)在各子過程間的關(guān)系且它們具有強(qiáng)烈的時(shí)空變化。 借助電子計(jì)算機(jī)：整體性及復(fù)雜性導(dǎo)致流域水文模型研究的工作量

10、龐大，只能以電子計(jì)算機(jī)解決優(yōu)化參數(shù)及檢驗(yàn)。,21,流域水文模型的作用/應(yīng)用,水文資料的生成和水文資料的延長(zhǎng)； 水文預(yù)報(bào)：洪水預(yù)報(bào) 城市水文效應(yīng)，森林的水文效應(yīng)，環(huán)境水文效應(yīng)，土地利用的水文效應(yīng)，人類活動(dòng)的水文效應(yīng)，氣候變化的水文效應(yīng) 流域規(guī)劃城市的防洪規(guī)劃/ 水資源管理，防洪工程安全運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益的提高。,22,第二節(jié) 幾種常用的流域水文模型 一、新安江流域模型 二、薩克拉門托(Sacramento)模型 三、水箱(Tank)模型,23,一、新安江流域模型,流域模型的發(fā)展，國(guó)外從60年代初開始。我國(guó)對(duì)其中一些模型曾作過驗(yàn)證，但缺少實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)。在生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，我國(guó)提出了一個(gè)適用于濕潤(rùn)地區(qū)及部

11、分半濕潤(rùn)地區(qū)的流域模型，因首先應(yīng)用于新安江水庫(kù)，取名為“新安江模型”。,24,（一）模型結(jié)構(gòu),是一個(gè)具有分散參數(shù)的概念性模型。將流域劃分為若干(N個(gè))單元面積，對(duì)每個(gè)單元面積，計(jì)算出到達(dá)流域出口的出流過程，N個(gè)過程線性疊加，得流域總出流過程。,25,新安江模型示意圖,蒸散發(fā) E,降雨 P,實(shí)測(cè)水面 蒸發(fā)Ew,0,透水面積,不透水面積,土壤濕度 W,EU,ED,EL,WUM,WLM,C,上層WU,下層WL,深層WD,直接徑流 Rd,地下徑流 Rg,徑流 R,直接徑流過程 Qd,地下徑流過程 Qg,單元面積 總出流過程,流域出口 總出流過程,K0,WM B,IMP,UH,KG,FC,KE,XE,2

12、6,新安江流域單元面積圖,27,計(jì)算程序,1.單元面積的產(chǎn)流量計(jì)算、直接徑流與地下徑流的劃分； 2.單元面積上直接徑流及地下徑流匯流過程計(jì)算； 3.單元面積以下河槽匯流計(jì)算。 這里有三個(gè)劃分：流域分塊；徑流分為直接徑流及地下徑流兩種水源；匯流分為單元面積內(nèi)部及單元面積以下兩個(gè)階段。,28,（二）各個(gè)分部結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法,1、單元面積劃分及代表性流域 2、產(chǎn)流量計(jì)算及水源劃分 3、單元面積流域匯流計(jì)算 4、河糟匯流計(jì)算,29,單元面積劃分,主要是考慮降雨在面上分布的不均勻性，要求單元面積大小適當(dāng)，使得每塊面積上降雨比較均勻，并有一定的雨量站。 其次，應(yīng)盡可能使單元面積與自然流域相吻合，使單元面積自

13、然條件相近，并便于利用流域上小流域的實(shí)測(cè)水文資料。,30,新安江流域單元面積圖,31,新安江水庫(kù)以上流域單元面積,32,衢縣流域單元面積的劃分,33,代表性流域,流域劃分單元后，不是每個(gè)單元面積都具有水文資料，原則上屬于無資料地區(qū)。模型采用代表性流域的方法，即在流域內(nèi)或自然條件相近的附近地區(qū)找一個(gè)面積與單元面積相近，具有實(shí)測(cè)資料的小流域，作為代表性流域，移用它的分析成果到各單元面積，作為計(jì)算的初值。,34,產(chǎn)流量計(jì)算,應(yīng)用蓄滿產(chǎn)流模型，但增加了不透水面積IMP，即流域上不透水面積占流域面積之比。有了這個(gè)參數(shù)，則： WmWm(1-IMP)/(1+b) WmWm/(1+b) RgFcR-IMP(P

14、-E)/(P-E) RgFcR/(P-E) RsR-Rg 蒸散發(fā)計(jì)算采用三層模型，產(chǎn)流及蒸散發(fā)計(jì)算框圖見下圖。,35,降雨徑流關(guān)系,36,拋物線型流域蓄水容量曲線,37,新安江模型產(chǎn)流量及蒸散發(fā)計(jì)算框圖,38,模型參數(shù),模型參數(shù)計(jì)有Kc、WM(及其分量)、b、Fc、IMP。 IMP：對(duì)半干旱地區(qū)及濕潤(rùn)地區(qū)的干旱季節(jié)有影響，原則上可由地圖量測(cè)，實(shí)用上常采用分析的方法。取干旱期小洪水，如完全由不透水面積產(chǎn)生，可求其徑流系數(shù)作為IMP。 b: 蓄水容量曲線的方次，與流域地形地質(zhì)條件相關(guān)； Kc：蒸發(fā)能力換算系數(shù)； Wm：流域平均蓄水容量； Fc：穩(wěn)定下滲率,39,單元面積流域匯流計(jì)算地表,Qd采用時(shí)

15、段單位線法。 根據(jù)代表性流域求得單位線（UH）后，計(jì)算式應(yīng)為,40,單元面積流域匯流計(jì)算地下,Qg采用線性水庫(kù)演算法。 具體進(jìn)行時(shí)可簡(jiǎn)化，不對(duì)單元面積分別演算，而是全流域總算。由于地下徑流的匯流歷時(shí)很長(zhǎng)，大大超過河槽匯流歷時(shí)，所以不考慮地下徑流在流域面上分布的不均勻性，誤差不大。如新安江水庫(kù)流域，分析得K為84h，而單元面積至流域出口的最大匯流歷時(shí)只有9h 這部分計(jì)算參數(shù)為UH及K。,41,單位線,42,馬司京根法連續(xù)演算框圖,單元河段數(shù)N,時(shí) 段 數(shù) M,43,河糟匯流計(jì)算,采用馬斯京根連續(xù)演算法。計(jì)算參數(shù)有演算段數(shù)(單元河段數(shù))n，每個(gè)單元河段的馬斯京根法系數(shù)XE與KE。,44,參數(shù)確定,

16、n是單元面積出口至流域出口的河槽匯流段數(shù)。首先確定計(jì)算時(shí)段t及匯流速度C，得t行距LtC，即單元河段長(zhǎng)度。據(jù)L，由河口向上沿河網(wǎng)劃分單元河段。各單元面積的n即該面積出口離流域出口的單元河段數(shù)。 新安江水庫(kù)流域取t3h，又根據(jù)流域中下游水文實(shí)測(cè)資料，求得中、高水C2.0m/s，得L20km。以水庫(kù)周邊為起點(diǎn)向上劃分，全流域分為3個(gè)單元河段。 取KEt，XE用公式XE0.5l(2L)推求。其中L2km，代人XE計(jì)算式，得XE0.45。 由t、KE及XE，可得單元河段馬期京根法系數(shù)C0、C1、C2。,45,流域單元面積及河段數(shù),46,（三）新安江模型流程,47,（四）模型的改進(jìn),將地下水單一水源改為

17、三種水源，引進(jìn)地下水分水源模型。加上直接徑流，在透水面積上共劃分為四種水源。 引進(jìn)FC為變量的模型. 對(duì)壤中流豐富的地區(qū)，將原來的兩水源，改為地面、壤中、地下三種水源,48,二、薩克拉門托(Sacramento)模型,由美國(guó)薩克拉門托河流預(yù)報(bào)中心提出，于1973年開始使用。 模型是在斯坦福(Standford)IV號(hào)模型的基礎(chǔ)上發(fā)展的。 把流域分為不透水面積、透水面積及變動(dòng)的不透水面積三部分。 徑流來源于不透水面積上的直接徑流，透水面積上的地面徑流、壤中流、淺層與深層地下水，變動(dòng)的不透水面積上的直接徑流。其主體為透水面積。,49,不透水面積,透水面積,張力水 UZTW,自由水 UZFW,下滲,

18、1-PEREE,PEREE,張力水,自由水,自由水,LZTW,LZFP,LZFS,RSERV,深層地下水,蒸發(fā),薩克拉門托模型,降雨量,不透水面徑流,地面流,壤中流,淺層地下水,河槽總?cè)肓?分配函數(shù),河道徑流,地下水,不閉合的地面水出流,不閉合的地下水出流,50,（一）產(chǎn)流結(jié)構(gòu)及計(jì)算方法簡(jiǎn)述,將土層分為兩層。每層蓄水量又分為張力水與自由水兩種。降雨先補(bǔ)充上層張力水，張力水滿足，再補(bǔ)足上層自由水。張力水的消退為蒸散發(fā)，自由水提供下滲及河槽入流，并可補(bǔ)充張力水。,51,四水源產(chǎn)流,地面徑流由上層張力水及自由水全部蓄滿，雨強(qiáng)超過壤中流排出率與上層至下層的下滲率產(chǎn)生，為飽和坡面流。 壤中流由上層自由水

19、橫向排泄形成，其蓄泄關(guān)系模擬為線性水庫(kù)。 上層自由水還向下層滲透，其滲透率由下滲曲線控制，為模型的核心部分。滲透水量以一定比例PEREE分配給下層自由水，產(chǎn)生淺層及深層(快速及慢速)兩種地下水，其蓄泄關(guān)系都模擬為線性水庫(kù)，比例系數(shù)PEREE反映了地下徑流的產(chǎn)流面積。,52,下滲曲線,下滲曲線采用霍爾坦型，表示為下滲率與土層缺水量的關(guān)系，其計(jì)算公式為： RATE穩(wěn)定下滲率； PBASE下層虧水比，等于下層缺水量與下層容量之比； Z系數(shù)，決定下層最干旱時(shí)的最大下滲率； DEFR土層缺水量 REXP系數(shù)，表示下滲率隨土層蓄水量變化的函數(shù)形式，當(dāng)REXP1相當(dāng)于線性函數(shù)； UZFWC上層自由水蓄量；

20、UZFWM上層自由水容量。,53,REXP對(duì)下滲曲線的影響,PBASELZFPMLZPK十LZFSMLZSK 其中，LZFPM、LZFSM是下層兩種自由水的容量，LZPK、LZSK是相應(yīng)的日出流系數(shù)，即KP,54,河槽總?cè)肓髁?各種自由水蓄量通過線性水庫(kù)，轉(zhuǎn)換為河槽總?cè)肓髁俊Ｈ缛乐辛?，令出流系?shù)為UZK； QUZFWCUZK,UZFWC上層自由水蓄量,55,（二）蒸散發(fā)計(jì)算,1)上層張力水： 2)下層張力水：,56,(三)參數(shù)確定,UZTWM：可以看作為最大初損值。選夏季久旱后，未產(chǎn)生多少?gòu)搅鞯男∮?，?jì)算其降雨損失量。計(jì)算多次，取其中較大者用之。 UZFWM：不能從實(shí)測(cè)資料中直接估算，一般可取

21、15至30mm。 UZK：難以精確估算，可根據(jù)實(shí)測(cè)流量過程壤中流退水段估算，下式中N為壤中流退水天數(shù)： UZK1（0.1）1/N,57,參數(shù)確定,LZTWM：對(duì)于濕潤(rùn)地區(qū)，可取歷史上次洪降雨最大損失量與上層張力水容量UZTWM之差。 LZPK：選擇久早不雨的退水過程后期，可認(rèn)為是慢速地下水出流，計(jì)算式為 LZPK1(QN/Q0)1/N UZK同理得，但假定QN/Q00.1。,58,參數(shù)確定,LZFWM：等于最大慢速地下水流量(以時(shí)段內(nèi)mm表示)除以LZPK。 LZSK：流量過程的地下水退水期，扣除慢速地下水后，用計(jì)算LZPK的方法計(jì)算。 LZFSM：同上，扣除慢速地下水后，與計(jì)算LZFWW的方

22、法同。 Z、REXP：優(yōu)選，或移用自然地理?xiàng)l件相似的流域數(shù)值。 PFREE：下滲水量補(bǔ)充自由水的比例，應(yīng)該是變數(shù)。模型一般取0.2到0.5，據(jù)地下水豐富程度及地下水起漲速度而定出。,59,薩克拉門托模型參數(shù),60,分段計(jì)算,模型還有一個(gè)特點(diǎn)是計(jì)算時(shí)段取定(一般取6或24h)后，在時(shí)段內(nèi)按雨量5mm分段計(jì)算，目的是處理差分計(jì)算誤差。計(jì)算時(shí)段變化了，有的參數(shù)要作時(shí)段轉(zhuǎn)換。如出流系數(shù)的轉(zhuǎn)換式為 KP,T1(1KP,T)T/T,61,三、水箱(Tank)模型,水箱模型于20世紀(jì)60年代初由日本國(guó)立防災(zāi)研究中心提出。 模型的基本結(jié)構(gòu)是水箱(蓄水容器)。 將降雨徑流過程模擬為若干個(gè)水箱的調(diào)蓄作用。,62,

23、水箱模型示意圖,單孔水箱,兩孔水箱,地表徑流,壤中流,基流,多層直立式水箱,63,(一）單一水箱蓄量與時(shí)段出流量、時(shí)段下滲量的關(guān)系圖,H1為時(shí)段初的蓄水量，Q1為時(shí)段出流量，F(xiàn)1為時(shí)段下滲量，均以深度表示；為出流孔時(shí)段出流系數(shù)，其中0為下滲孔，均以水深的比例表示；h為出流孔高度。,64,由圖711： Q10 H1h1 一孔出流： Q1（H1h1）1 h2H1h1 二孔出流：Q（H1h1）1+（H1h2）2 H1h2 F1H10 H1hS 式中HS為飽和深度；若水箱內(nèi)H1超過HS，則下滲量達(dá)飽和值FS： FSHS0 設(shè)時(shí)段末的蓄水深為H2，時(shí)段雨量為P，蒸散發(fā)為E，則：H2H1-P-E-Q1-F

24、1,65,水箱的出流孔有2個(gè)或更多,流量與蓄量的關(guān)系不是線性的。隨著蓄量的增加，當(dāng)Hh2 (圖示G點(diǎn))，徑流將加速增長(zhǎng)，HQ關(guān)系在G點(diǎn)轉(zhuǎn)折。因此，增加出流孔可以模擬Q與H間的非線性關(guān)系。 舉一個(gè)極端的例子，如果設(shè)有無窮多個(gè)出流孔(圖711b)，則QH為一平滑曲線。,66,單一水箱蓄量與時(shí)段出流量、時(shí)段下滲量的關(guān)系圖,67,（二）濕潤(rùn)地區(qū)的簡(jiǎn)單水箱模型,1、模型結(jié)構(gòu) 2、蒸散發(fā)量E計(jì)算,68,1、模型結(jié)構(gòu),常用幾個(gè)垂直串聯(lián)的直列式水箱模型模擬降雨徑流關(guān)系。通常頂層水箱設(shè)置2個(gè)或3個(gè)出流孔，其它層水箱每一層只設(shè)1個(gè)出流孔，最底層水箱的出流孔常安排在與水箱底同一水平上。 一般認(rèn)為，頂層相應(yīng)于地表結(jié)構(gòu)

25、，產(chǎn)生地面徑流，第二層水箱相應(yīng)于壤中流，第三、四層水箱相應(yīng)于地下徑流。 各層水箱右側(cè)出流孔的流量相加，即為流域總流量過程。為考慮河槽調(diào)蓄，可以再并聯(lián)一個(gè)水箱，令由以上計(jì)算的結(jié)果再經(jīng)過一次線性水庫(kù)的調(diào)蓄。,69,模型水分運(yùn)動(dòng),有效降雨首先注入頂層水箱中，當(dāng)雨深超過出流孔高，右側(cè)孔開始出流，下滲則與降雨注入同時(shí)發(fā)生，并由底孔滲出。上一層的下滲即下一層的入流。出流與下滲各按前述Q、F計(jì)算,70,2、蒸散發(fā)量E計(jì)算,大多數(shù)河流采用以下簡(jiǎn)單的方法：年內(nèi)各天都用常數(shù)值。此值約為蒸發(fā)皿E值的7080。 如雨量小于E，從剩余蓄水深中扣除剩余E部分，不夠時(shí)，從下滲量中扣除，再不夠，從下一層水箱的蓄水深中扣除。

26、無雨時(shí)，扣除E從頂部水箱蓄水深開始，其余同上。,71,（三）非濕潤(rùn)地區(qū)的并聯(lián)水箱模型,模型結(jié)構(gòu)與濕潤(rùn)地區(qū)不同點(diǎn)為：考慮土壤含水量的影響，在頂層水箱底部設(shè)置土壤含水量的結(jié)構(gòu)?？紤]產(chǎn)流面積的不均一，在流域上分帶。 在非濕潤(rùn)流域，部分地區(qū)濕潤(rùn)，其余地區(qū)干旱，只有在濕潤(rùn)面上才產(chǎn)生地面徑流。而在干旱面積上，全部雨量被土壤吸收成為土壤含水量。雨季開始后，濕潤(rùn)面積沿河谷向上逐漸擴(kuò)展。為模擬這種變化，把流域從河岸到山區(qū)，分成幾個(gè)帶。,72,流域分帶示意圖,73,1、模型結(jié)構(gòu),每一帶用幾個(gè)垂直串聯(lián)的水箱來模擬，其中頂層水箱具有土壤含水量結(jié)構(gòu)，各帶結(jié)構(gòu)可以不同。 頂層以下，各帶同層次水箱的結(jié)構(gòu)相同。如此組成了由n

27、(垂向水箱數(shù))m(分帶數(shù))個(gè)水箱組成的并聯(lián)水箱模型。,74,非濕潤(rùn)地區(qū)的并聯(lián)水箱模型結(jié)構(gòu)示意圖,75,2、模型水分運(yùn)動(dòng),模型把構(gòu)成土壤含水量的水分稱封存水，其它稱自由水。 自由水沿水平和垂直二個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，同帶各層水箱，水分由上向下流動(dòng)，同時(shí)，還有一個(gè)向上的輸送水，即由毛細(xì)管作用，將下層自由水傳遞給封存水。水平方向是異帶同級(jí)水箱由分水嶺逐次向下一帶流出。 頂層水箱設(shè)有兩種出流孔，A型孔出流量直接進(jìn)入河槽，B型孔出流量進(jìn)入下一帶同層水箱。,76,3、蒸發(fā)計(jì)算 基本上同濕潤(rùn)地區(qū),干化過程： 流域上水分干化過程是最高帶最先變干，然后第二、第三等帶變成干旱。這是由于自由水流向河谷的水平運(yùn)動(dòng)，最高帶消退最

28、快。當(dāng)下層沒有自由水補(bǔ)充封存水時(shí)，土壤含水量開始由于蒸散發(fā)而減少，最高帶首先干化，然后向河谷方向發(fā)展。較低帶還要接受上一帶的水平來水，所以不易干旱。 濕化過程 濕化過程則反之，最低帶首先濕潤(rùn)，然后逐級(jí)向上。,77,計(jì)算實(shí)例,湖南省湘江水系東江站曾用簡(jiǎn)單水箱模型編制了預(yù)報(bào)方案，用兩層直列水箱。模型參數(shù)如下（試算）： 計(jì)算時(shí)段為6h,78,概念性水文模型的局限性,由于流域水文過程中的空間分異性和復(fù)雜性，使得水文研究人員至今還不能采用數(shù)學(xué)物理方程來描述徑流形成過程中的各個(gè)子過程，在產(chǎn)流、匯流等環(huán)節(jié)上仍然主要借助于概念性水文模型、水量平衡方程或經(jīng)驗(yàn)公式。 在一些比較著名的模型，如美國(guó)的斯坦福模型和薩克

29、門托模型、日本的水箱模型以及中國(guó)的新安江和陜北模型等，常采用簡(jiǎn)單的下滲經(jīng)驗(yàn)公式、經(jīng)驗(yàn)流域蓄水曲線或水箱側(cè)孔、底孔出流等來模擬產(chǎn)流過程；采用單位線、線性或非線性水庫(kù)及渠道來模擬匯流過程。,79,分布式水文模型（Distributed/Lumped）,分布式或半分布式流域水文模型是目前國(guó)際上水文研究的熱點(diǎn)。在分布式水文模型中，考慮了降雨的空間變化，計(jì)算區(qū)域的空間分異，如土壤與地形的空間分布。這與以前的概念模型有了很大的差別。在分布式水文模型中仍有一些假定: 降雨空間分布不平衡，但不考慮其時(shí)間變化。 在暴雨期間，土壤含水量的再分配不考慮， 土壤與降雨的空間相關(guān)關(guān)系被忽略。,80,GIS技術(shù)在水文模型

30、中的應(yīng)用 GIS 中用于空間數(shù)據(jù)及非空間屬性數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、分析和顯示的功能已非常成熟， 可為水文模型提供非常詳盡的背景環(huán)境描述(如DEM ， 土地利用類型等)。 由于GIS 在水文中的應(yīng)用，基于過程的分布式水文模型得到了關(guān)注與發(fā)展，這是由于其應(yīng)用連續(xù)的空間單位(格網(wǎng)單元) 用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理， 使數(shù)據(jù)易于進(jìn)行疊加分析，并且可從DEM 中提取水文網(wǎng)絡(luò)以用于建立水文模型。,81,GIS 能夠處理不同源的數(shù)據(jù)： 地圖、航空照片，衛(wèi)星影像和研究區(qū)的監(jiān)測(cè)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料。其在水文模型中以下幾方面能發(fā)揮重要作用： (1) 管理空間數(shù)據(jù)； (2) 由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層生成新數(shù)據(jù)層； (3) 為模型參數(shù)的自動(dòng)獲取提

31、供可能； (4) 為水文建模提供方便； (5) GIS 有利于分析計(jì)算的過程及結(jié)果可視化表達(dá)。,82,遙感數(shù)據(jù)在水文分析中的應(yīng)用 復(fù)雜而又具有物理意義的分布式水文模型的發(fā)展極大地提高了對(duì)空間數(shù)據(jù)的要求。同時(shí)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集部門受到了極大的壓力，傳統(tǒng)地面觀測(cè)站網(wǎng)的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足模型對(duì)數(shù)據(jù)的要求。 遙感方法被認(rèn)為是花費(fèi)較少的數(shù)據(jù)獲取方法。如在洪水演進(jìn)模型中，土地利用類型圖可用于估算計(jì)算網(wǎng)格的糙率系數(shù)。,83,數(shù)字高程模型(DEM),數(shù)字高程模型(DEM) 最為有用，因DEM不僅表達(dá)了地面高程的空間分布，而且據(jù)此可以自動(dòng)生成流域水系和分水線、流向、河流形狀、自動(dòng)提取地形坡度和其它地貌參數(shù)。 將DEM與表達(dá)土壤、植被、地質(zhì)、水文地質(zhì)特性的參數(shù)的空間分布疊加在一起，還可以描述這些下墊面參數(shù)與地面高程之間的關(guān)系。,84,85,86,87,88,芮孝芳，蔣成煜，張金存. 流域水文模型的發(fā)展, 水文，2006:26(3）,22-26.,89,水文模型能滿足需要嗎？,“異參同效”，嚴(yán)格地說是指對(duì)于相同的模型結(jié)構(gòu)和相同的模型輸入，會(huì)有多個(gè)最