水文模型的分类

一、 试题

简述流域水文模型的类型及其应用问题

水文模型的基本类型有哪些？各有哪些作用？

论述流域水文模型的类型及其特征？

水文模型的分类

水文模型分为物理模型和数学模型两类。

物理模型是一种比尺或比拟模型模拟，前者将研究对象的原型按一定的比例在实验室内建成物理模型，先对模型进行观测分析，然后根据相似律再对原型的物理过程进行定性或定量分析，后者是以一些物理量来比拟水的某些特性的模型。

数学模型则首先针对人们已掌握的流域径流形成的物理机制，应用物理定律建立其数学描述方程式，然后用数学方法时行求解，从而获得各种情况下流域降雨与径流之间的定量关系。

数学模型又可分为确定性模型和随机模型两类。确定性模型是描述水文现象必然规律的数学结构；随机模型描述水文现象随机性规律的数学结构。确定性模型可分为集总式和分散式模型两种，前者忽略水文现象的空间分布差异。

⎪⎪⎪⎩

⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧随机模型分散式模型集总式模型确定性模型数学模型比拟模拟比尺模拟物理模型水文模型

数学模型相对于物理模型的优点：

1、数学模型的所有条件都可以由原型所观测的数据直接给出，不受比尺的限制，即数学模型无相似律问题。

2、数学模型的边界及其它条件既可严格控制，也可随时按实际需要改变。

3、数学模型的通用性强，只要研制出一种适合的软件就可用于解决不同的实际问题。

4、数学模型具有理想的抗干扰能力，只要条件不变，重复模拟可得到完全相同的结果，不会因人、因地而异。

5、数学模型的研制费用相对便宜，运行处理费用更加便宜。

流域水文模型的分类

流域水文模型以流域为研究对象，对流域内发生降雨径流这一特定的水文过程进行数学模拟，即把流域上的降雨过程，模拟计算出流域出口断面的流量过程。从流域水文模型的发展和应用来看，流域水文模型属于数学模型，可分为确定性模型和随机模型，我们通常所说的是指确定性模型。

从反映水文运动物理规律的科学性和复杂性程度而言，流域水文模型通常被分为三大类：系统模型（即黑箱模型，back-box model）、概念性模型（conceptual model）、物理模型（physically-based model）。

系统模型将所研究的流域或区间视作一种动力系统，利用输入（一般指雨量或上游干支流来水）与输出（一般指流域控制断面流量）资料，建立某种数学关系，然后可由新的输入推测输出。系统模型只关心模拟结果的精度，而不考虑输入－输出之间的物理因果关系。系统模型和线性的和非线性的，时变的和时不变的，单输入单输出的，多输入单输出的，多输入多输出的等多种类型。代表性模型有：总径流线性响应模型（TLR）、线性振扰动模型（LPM）、以及神经网络（ANN）等。

概念性模型利用一些简单的物理概念和经验公式，如下渗曲线、汇流单位线、蒸发公式、或有物理意义的结构单元，如线性水库、线性河段等，组成一个系统来近似地描述流域水文过程。代表性模型有：美国的斯坦福模型（SWM）、日本的水箱模型（Tank）、我国的新安江模型（XJM）等。

物理模型依据水流的连续方程和动量方程来求解水流在流域的时间和空间的变化规律。代表模型有SHE模型，DBSIN模型等。

从反映水流运动的空间变化能力而言，水文模型可分二类为：集总式模型（lumped model）和分布式模型（distributed model）。

集总式模型认为流域表面上各点的水力学特征是均匀分布的，对流域表面上的任何一点上的降雨，其下渗、渗漏等纵向水流运动都是相同和平行的，不和周围的水流发生任何联系，即不存在水平运动。集总模型把全流域当作一个整体来建立模型，即对流域参数进行均匀处理。

分布式模型认为流域表面上的各点的水力学特征是非均匀分布的，水流在流域表面上的分布并不均匀，应将流域划分为很多小单元，在考虑水流在每个小单元体纵向运动时，也要考虑各个单元之间的水量的横向交换。

分布式水文模型可分为松散型和耦合型两类。前者假定每个单元面积对整个流域响应的贡献是互不影响的，可通过每个单元的叠加来确定整个流域响应；后者是用一组微分方程及其定解条件构成的定解问题，必须通过联立求解才能确定整个流域的响应。概念性分布式流域水文模型多是松散的，具有物理基础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较简单，但反映径流形成机制不够完善。具有物理基础的耦合型分布式流域水文模型，虽然在描述径流形成过程时物理概念清楚，但解算比较困难，甚至不一定有稳定解，介于两者间的具有物理结构的分布式流域水文模型是近期值得开发的一种分布式流域水文模型。

另外，介于集总式模型和分布式模型之间，还有一种所谓的半分布式模型，其典型代表是以地形为水文过程空间变异性基础的TOPMODEL模型。

集总式流域水文模型的缺陷

集总式流域水文模型的最基本特征是将流域作为一个整体来模拟其径流的形成过程。就模型结构而言，现有集总式流域水文模式绝大多数都是由概念性元素按径流形成过程组合而构成的。

1、构成模型的概念性元素一般只能模拟水文现象的宏观表现，而不能涉及水文现象的本质或物理机制。因此，现有集总式流域水文模型的结构对径流形成过程的描述是近似的，甚至是粗略的，所包含的参数大多数缺乏明确的物理意义。

2、将事实上呈空间分布状态的降雨输入当成模型的集总输入，这显然与流域径流形成是分散输入、集总输出的实际情况不符。

3、有些模型虽然设法考虑下垫面条件空间分布不均对径流形成过程的影响，但由于采用的是统计分布曲线，因而无法同时考虑降雨空间分布的影响。

4、模型包含的参数一般都有多于2个甚至于十几个要通过率定方法来确定，即由实测水文气象资料反求。这种称为反问题的数学问题，在理论上完全依赖于目标函数、约束条件的拟定和实测水文气象资料条件，会出现异参同效现象。因此很难保证解的唯一性和合理性。

流域水文模型发展中的问题及展望

半个世纪以来，一方面是传统模型继续发挥着重要作用，另一方面是新的流域水文模型不断出现，其普适性却无法解决，理论基础研究进展缓慢。究竟是什么原因导致流域水文模型的发展遭遇到这种困境呢？

1、模型缺乏中间观测资料的检验：目前水文模型的中间过程（如土壤水、壤中流、地下水）参数基本上由个别实验小流域实测资料或经验关系先确定取值范围，其最终率定则要服从模型输出结果（降雨径流关系）的精度需要，这势必影响对提示水文规律的中间复杂过程的研究。比如许多概念性模型都有分割各层径流的模型，也输出一些中间成果，如土壤含水量等，但是没有流域的实测资料，加上调参的唯一检验是总径流过程线，很难说明中间成果接近流域实际；对分布式流域水文模型，虽模型参数都有物理意义，但由于存在同样的问题，只能从理论上而无法从实践上证明其必然优势。再加上物理模型的复杂性，在一些中小流域，系统模型和概念性模型依然得到广泛的应用。

因此改进和利用遥感、雷达等先进的技术获得准确和直接的中间水文过程资料，然后依据这些资料分析和检验复杂的水文规律，而不是主要用总径流过程线来调试参数，进而从水文物理结构而不是单纯的数学物理公式或参数优化方面来推动流域水文模型的发展，是水文模型发展要解决的迫切问题。

2、降雨径流资料的误差和还原问题：大部分流域降雨径流资料由于测量技术受到限制，其精度可能无法真实的反映真实水文现象。其次是由于人类活动的影响会导致某些水文因素的变化，使历史资料无法直接与现状资料统一应用，而无论是修正历史历史资料还是还原现状资料都有一定的难度，从而影响水文模型的参数率定和应用。

在依靠先进测量技术不断提高水文数据质量的同时，加强气候变化和人类活动对水文过程影响的理论研究，利用获取的信息对原资料进行修正和还原，是解决水文模型资料的关键。

3、水文时空尺度问题：不同时间和空间尺度的水文系统规律通常有很大的差异。表现在流域水文模型上则为一些小尺度的流域实验获得的参数往往不能直接应用到大流域的水文模拟，不同时间尺度的模型变量或参数也往往不能通过简单叠加或分解进行转换。水文尺度问题也是造成应用水文模型层出不穷，普适性模型难于研制和实践的主要原因之一。

因此，解决尺度问题，探索不同尺度模型变量或参数之间的转换规律，是建立普适性水文模型和实现水文模型与大气环流等其它模型进行耦合的关键。

4、参数不确定性问题：两场不同的降雨可能导致同一个模型输出两组不同的参数值；