水文模型的分类
水文测井解释模型
水文测井解释模型是一种用于分析测井资料、识别各类地层和控制含水层的有效工具。
它通过把岩性特征、测井参数和地质结构特征结合起来，以及把水文地球化学参数联系起来，使用户能够更好地识别和解释测井资料，进而更好地控制含水层。
水文测井解释模型可以分为三大部分：岩性特征、测井参数和地质结构特征。
岩性特
征部分包括岩石类型、岩性结构、岩性变化，以及岩性参数，如孔隙度、渗透率等。
测井
参数部分包括测井曲线，如电阻率曲线、电磁曲线等。
地质结构特征部分包括地层的厚度、倾角、倾向，以及地层的分布特征。
水文地球化学参数与测井参数有着密切的联系，可以有效地反映地层含水情况，帮助
用户更好地控制含水层。
水文地球化学参数可以分为三大类：水化学参数、土壤化学参数
和水源化学参数。
水化学参数可以反映水的性质，如水的电导率、PH值、溶解性固体等；土壤化学参数可以反映土壤的组成及其营养状况；水源化学参数可以反映水源的成分及其稳定性等。
总之，水文测井解释模型是一种有效的工具，可以帮助用户更好地识别和解释测井资料，进而更好地控制含水层，从而提高水文勘探的效率和精度。
流域水文模型
产流量计算
应用蓄满产流模型，但增加了不透水面积IMP， 即流域上不透水面积占流域面积之比。有了这 个参数，则： Wm＝Wm’(1-IMP)/(1+b) Wm＝Wm’/(1+b) Rg＝Fc[R-IMP×(P-E)]/(P-E) Rg＝Fc[R/(P-E)] Rs＝R-Rg 蒸散发计算采用三层模型，产流及蒸散发计算 框图见下图。
43
流域单元面积及河段数
44
（ 三 ） 新 安 江 模 型 流 程
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（四）模型的改进
将地下水单一水源改为三种水源，引进 地下水分水源模型。加上直接径流，在 透水面积上共划分为四种水源。 引进FC为变量的模型. 对壤中流丰富的地区，将原来的两水源， 改为地面、壤中、地下三种水源
3
(二)模型的分类
1.实体模型：将自然界发生的真实水文过 程按一定比尺缩小到实验室或试验场进 行模型试验，模型和原型的区别在于比 尺不同，两者的物理过程本质是相同的。 因此，实体模型是保持同一物理本质的。
2.数学模型：对水文现象进行模拟而建立 的数学结构称作为数学模型。
4
数学模型的分类：
（1）随机性模型（非确 定性模型）
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。
1
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。
水文模型介绍
水文模型
水文模型
水文模型
分类：பைடு நூலகம்
水文模型
分类：
按水体对象分 ① 河流水文模型 ; ② 湖泊水文模型 ; ③ 沼泽水文模型 ; ④ 冰 川水文模型 ; ⑤ 水文气象模型 ; ⑥ 地下水文模型 ; ⑦海洋水 文模型 ; ⑧ 冻土水文模型 ; ⑨ 生态水文模型 ;⑩ 土壤水文模 型等 。 按研究手段分 ① 随机水文模型 ; ② 模糊水文模型 ; ③ 系统水文模型 ; ④ 遥 感水文模型 ; ⑤ 同位素水文模型等 。 按研究区域划分 ①流域水文模型 ; ② 河口水文模型 ; ③ 山地水文模型 ;④ 坡 地水文模型 ; ⑤ 平原水文模型 ; ⑥ 干旱地区水文模型 ; ⑦ 岩 溶水文模型 ; ⑧ 寒区水文模型等
新安江模型
三水源新安江模型：
4）汇流计算——Muskingum method
新安江模型
三水源新安江模型：
新安江模型
三水源新安江模型：
新安江模型
三水源新安江模型：
谢谢！
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水文模型 作用：
通过模拟水文循环的过程，了解流域内水 文因子的改变如何影响水循环的过程，例 如人类活动和气候变化对水循环的影响。
将水文模型用于水文预报和水资源的规划 和管理
汇报提纲
1. 水文模型的基本知识
2. 常用的水文模型
概念性水文模型
新安江模型：
1973年赵人俊教授在对新安江水库做入流流量预 报时提出了新安江模型，该模型是一个松散性模 型，水文模拟过程中，把一个流域分成若干单元 流域分别进行汇流计算和河道演算，再进行流量 叠加。 最初的新安江模型为两水源即只分地表径流和地 下径流； 20世纪80年代初期，模型研制者将萨克拉门托模 型与水箱模型中的用线性水库函数划分水源的概 念引入新安江模型，提出了三水源新安江模型
水文模型率定研究
水文模型率定研究水文模型是一种数学模型，用于描述水文过程，包括降雨、蒸发、径流等。
水文模型的建立和率定是水文学研究的重要内容之一。
本文将介绍水文模型的基本概念和建立方法，并以一个实例来说明水文模型的率定过程。
一、水文模型的基本概念水文模型是一种描述水文过程的数学模型，它可以用来预测水文变量的变化，如降雨、蒸发、径流等。
水文模型通常包括两个部分：输入和输出。
输入是指模型所需的数据，如降雨量、蒸发量、土地利用类型等；输出是指模型预测的结果，如径流量、地下水位等。
水文模型可以分为两类：分布式模型和集中式模型。
分布式模型是指将流域划分为若干个小区域，每个小区域都有自己的输入和输出。
集中式模型是指将整个流域看作一个整体，只有一个输入和一个输出。
分布式模型通常比集中式模型更准确，但也更复杂。
水文模型的建立需要考虑多种因素，如流域的地形、土地利用类型、降雨量、蒸发量等。
建立水文模型的过程通常包括以下几个步骤：1. 收集数据：收集流域的地形、土地利用类型、降雨量、蒸发量等数据。
2. 建立模型：根据收集到的数据，建立数学模型，描述流域的水文过程。
3. 参数估计：根据实测数据，估计模型中的参数。
4. 模型率定：将模型预测的结果与实测数据进行比较，调整模型参数，使模型预测结果更加准确。
5. 模型验证：使用另外一组数据来验证模型的准确性。
二、水文模型的建立方法水文模型的建立方法有很多种，常用的方法包括统计模型、物理模型和组合模型。
1. 统计模型：统计模型是根据历史数据建立的模型，它通常基于统计学原理，如回归分析、时间序列分析等。
统计模型的优点是简单易用，但缺点是对数据的要求较高，需要有足够的历史数据支持。
2. 物理模型：物理模型是基于物理原理建立的模型，它通常包括流体力学、热力学等方面的知识。
物理模型的优点是准确性高，但缺点是建模过程较为复杂，需要大量的实验数据支持。
3. 组合模型：组合模型是将统计模型和物理模型结合起来建立的模型，它既考虑了历史数据的影响，又考虑了物理原理的影响。
水文模型
模型发展过程CREAMS模型：是20世纪70年代美国农业部农业研究服务中心研发的基于过程的非点源模拟模型，该模型是基于田间尺度的模型，主要用于模拟土地管理对水、沙和营养盐的影响。
SWAT模型：是一个日尺度的连续模型，可以将流域划分为成百上千个子流域和栅格单元，该模型解决了SWRRB模型和ROTO模型组合过程中输入文件繁多、占用大量计算空间，并且SWRRB模型模拟过程需独立运行，然后将其结果输入到ROTO模型才能完成汇流运算的问题。
MATSALU模型是由爱沙尼亚研发的，该模型主要是针对当地海湾农业流域和海湾生态系统，评估不同管理情景对海湾富营养化产生的影响。
该模型的空间划分主要是基于基于基础流域图、土地利用图、和土壤图三个图层的叠加，以此获得基本的污染区域。
其缺点是只针对特定的区域流域设计，模型可移植性较差。
SWIM模型：融合了SWAT和MATSALU模型，保留了原来模型的优点，其模型代码主要基于SWAT，先将MATSALU模型空间三层划分方案引入到SWAT中，之后调整模型，并删除SWAT 中重复参数化的一些模块功能。
模型结构SWIM模型综合了流域尺度的水文、侵蚀、植被以及氮/磷的动态变化等过程，并以气候数据农业管理资料作为模型的外部驱动因子。
其中，水文模块以水量平衡方程为基础，考虑了降水、蒸散发、渗透、地表径流和各层土壤的土壤中流等因素。
SWIM模型中土壤的水文过程流程图水文模拟系统由四个层组成；土壤表层，根系层，浅水层以及深水层。
模型的空间划分：基本思路是：先将中尺度的流域划分为适当的子流域（该过程可以通过一些GIS软件实现），之后基于土地利用情况和土壤类型在每个子流域上做进行水文相应单元的划分，这些单元是一些互不连接的单元，内部具有相同的土地利用方式和土壤类型，并具有统一的水文响应特征。
结语：SWIM模型的开发首先是为了在德。
四种水文模型的比较
四种⽔⽂模型的⽐较四种⽔⽂模型的⽐较摘要：⽔⽂模型是⽤数学的语⾔对现实⽔⽂过程进⾏模拟和预报，在进⾏⽔⽂规律的探讨和解决⽔⽂及⽣产实际问题中起着重要作⽤。
本⽂分别介绍了新安江模型、萨克拉门托（SAC）模型、SWAT模型以及TOPMODEL模型，并对这四种⽔⽂模型的蒸发计算、产流机制、汇流计算、适⽤流域、参数以及模型特点等不同⽅⾯进⾏了⽐较分析。
并结合对着4种模型之间的⽐较，作出了总结分析和展望。
关键词：新安江模型；SAC模型；SWA T模型；TOPMODEL模型；模型⽐较引⾔流域⽔⽂模型在进⾏⽔⽂规律研究和解决⽣产实际问题中起着重要的作⽤。
新安江模型是⼀个概念性⽔⽂模型，1973年由赵⼈俊教授领导的研究组在编制新安江预报⽅案时，汇集了当时在产汇流理论⽅⾯的成果，并结合⼤流域洪⽔预报的特点，设计出的我国第⼀个完整的流域⽔⽂模型，⾄今仍在我国湿润和半湿润地区的洪⽔预报中得到⼴泛应⽤；萨克拉门托⽔⽂模型，简称SAC模型，是R.C.伯纳什（Burnash）和R.L.费雷尔（Ferral）以及R.A.麦圭⼉（Mcguire）于20世纪60年代末⾄70年代初研制的，是⼀个连续模拟模型，模型研制完成时间相对较晚，其功能较为完善，兼有蓄满产流和超渗产流，⼴泛应⽤于美国⽔⽂预报中；SWAT模型是美国农业部农业研究中⼼研制开发的⽤于模拟预测⼟地利⽤及⼟地管理⽅式对流域⽔量、⽔质过程影响的分布式流域⽔⽂模型；TOPMODEL为基于地形的半分布式流域⽔⽂模型，于1979年由Beven和Kirkby提出，其主要特征是将数字⾼程模型（DEM）的⼴泛适⽤性与⽔⽂模型及地理信息系统（GIS）相结合，基于DEM数据推求地形指数，并以此来反映下垫⾯的空间变化对流域⽔⽂循环过程的影响，描述⽔流趋势。
本⽂对这四中⽔⽂模型从蒸发计算、产汇流计算、适⽤流域以及参数等⽅⾯进⾏分析⽐较，并得出结论。
1模型简介1.1新安江模型新安江模型是赵⼈俊等在对新安江⽔库做⼊库流量预报⼯作中，归纳成的⼀个完整的降⾬径流模型。
水文模型介绍
则R PE WM W0 WM (1
' 当PE A Wmm时
PE A 1 B ) ' Wmm
则R PE (WM W0 )
新安江模型 三水源新安江模型：
3）水源划分
若R S SM , 则地表径流 RS R S SM 壤中流RI和地下径流RG分别为 RI=KI SM RG=KG SM
2）产流计算：蓄满产流 ：
' Wm B f 1 (1 ' ) F Wmm ' ' Wmm Wmm f ' WM (1 ) dWm 0 F B 1 W0 B1 1 ' A Wmm [1 (1 ) ] WM ' 当PE A Wmm时
模型的输入为PE=P-E ， 参数包括流域蓄水容量 WM 和抛物线指数B ； 输出为流域产流量R 及 流域时段末蓄水量W
当R S SM 时，地表流、壤中流 和地下径流分别为 RS=0 RI=KI(R+S) RG=KG(R+S)
S为自由蓄水量，R为总 径流量，SM为容量深度
新安江模型 三水源新安江模型：
3）水源划分
SMF′为产流面积FR上某一点的自由水容量；SMMF 为产流面积FR上最大一点的自由水蓄水容量；FS 为 自由水蓄水能力≤ SMF′值的流域面积；AU为相应平 均蓄水深的最大蓄水深；EX 为流域自由水蓄水容量 曲线的指数。
水文模型 作用：
通过模拟水文循环的过程，了解流域内水 文因子的改变如何影响水循环的过程，例 如人类活动和气候变化对水循环的影响。
将水文模型用于水文预报和水资源的规划 和管理
汇报提纲
1. 水文模型的基本知识
水文模型分类
水文模型分类水文模型是水文学家用来表示水文系统特性的，它对于对水文研究具有重要意义。
水文模型能够解释水文系统中发生的复杂过程，并且可以应用于地形、水文、生态等诸多方面。
模型研究为水文研究者提供了一个有效的方法，用来分析和管理水文过程。
1.空坐标模型时空坐标模型是一种基于计算机的模型，它可以对汇流量进行任意时间和地点的分析。
它通过计算坐标系统中的坐标点，来模拟时空变化过程，来计算汇流量。
时空坐标模型采用了坐标点数据，结合传统水文学和统计分析，计算时间空间分析的汇流量变化规律。
2.点模型格点模型也叫空间格点模型，它是一种基于地理信息系统（GIS）的模型。
格点模型使用GIS数据，以某一点为中心，通过改变某些变量，来模拟水文系统中的过程，如地貌特征、水文参数、气象参数等，从而计算汇流量变化规律。
它可以快速模拟出水文系统上的流动过程，并对水文系统中出现的变化具有很好的描述性能。
3.率建模模型概率建模模型是一种基于概率统计理论的模型，它能够从水文系统中抽取数据，建立概率模型，并且可以识别出汇流量变化的概率分布特征，进而估算汇流量变化的趋势。
概率建模模型的优点在于它可以表示汇流量变化的多样性，并且具有较强的准确度和可操作性，在水文管理和水文调控方面具有重要意义。
4.经网络模型神经网络模型是一种基于模糊逻辑原理的模型，它采用神经网络算法来模拟水文系统中的复杂过程，从而实现对汇流量变化的准确预测。
它具有模型简单、复用性强、可视化等优点，特别是在分类和预测等方面具有较强的识别性能。
除了上述提到的几种水文模型，还有不少水文模型，比如代价函数模型、模糊模型、基于支持向量机的模型等，它们可以使水文研究变得更深入、更准确。
水文模型的应用范围广泛，它们可以用来预测和控制水文系统中发生的复杂过程，可以用于水库和水质管理，也可以用于水资源利用和可持续利用的研究。
水文模型的发展有助于深入了解水文系统的演变过程，并为水文研究提供了一种有效的工具。
水文模型大全
Water Rights Analysis Package (WRAP)
GIS Application in Hydrology and Hydraulics
Automated Geospatial Watershed Assessment Tool eCoastal Program BASINS version 4.0 GIS Weasel HAZUS-MH HEC-GeoRAS HEC-GeoHMS MapWindow NHDPlus Append Tool NRCS Geo-Hydro_ArcGIS NRCS Geo-Hydro_ArcView StreamStats Soil and Water Assessment Tool (SWAT)
Environmental Models
Agricultural Non-Point Source Pollution Models (AGNPS 98) Areal Nonpoint Source Watershed Environmental Simulation (ANSWERS)
Continuous Annual Simulation Model (CALSIM) Erosion Productivity-Impact Calculator/ Environmental Policy Integrated Climate (EPIC) Hydrologic Simulation Program-Fortran (HSPF) LOAD ESTimator (LOADEST) One-dimensional Transport with EQuilibrium chemistry (OTEQ) Illinois Least-Cost Sewer System Design Model (ILSD) Illinois Urban Storm Runoff Model (IUSR) Water Quality/Solute Transport (OTIS) Soil Water Assessment Tool (SWAT) Large Scale Catchment Model, formerly CALSIM (WRIMS)
常用水文预报模型介绍
参数物理意义及范围
（2）x 在实际工作中，一般使用
W K [ xI (1 x )O ] KQ
在洪水演算中，x主要体现洪水过程的坦化。x值越小表明 河段槽蓄作用越大，演算出的过程线坦化程度越大。例如，对 水库而言，槽蓄作用大，入流量I不起作用，过程线坦化程度
参数物理意义及范围
（2）x 马法在建立槽蓄曲线时，引入x（流量比重系数），而特 征河长法（存在一个河长，使W、Q成单值关系）引入l（特 征河长。 经分析推导，可得：
x分两部分： ①x1 为水面 曲线形状，反映楔蓄大小 （一般天然河道其值为 1/2）；②L/l，为河段L按 l分成的段数 ，反映河段 调蓄能力。
参
数
意
义
（8、9）KG、KI：自由水蓄水库对地下径流和壤中流的出流 系数，是并联的。KG反映基岩和深层土壤的渗透性，KI反映表 层土的渗透性。KG+KI代表自由水出流的快慢，KG/KI代表地下 径流与壤中流之比（RG/RI），对具体流域一般都为固定值。 一般雨止到洪水消退历时为3天，则[1-(KG+KI)]3≈0可得KG +KI=0.7。若KG+KI =0.8，表示历时为2天。当历时超过3天时， 表示深层壤中流在起作用，则不需要调整KG+KI值，而用壤中 流消退系数CI来处理。 上述为日模（24h），若转换为次模（一天分为D个时段） ，则公式为：
Sʹ ：流域各点的自由水蓄水容量值
MS：流域最大的Sʹ Fr ：流域产流面积 Fs ：流域内自由水蓄水容量≤某一 Sʹ 值的面积
水
计算公式：
源
划
分
R + AU >0时才出流 R+ AU ≥ MS
R + AU < MS
(完整word版)三种水文模型比较
三种水文模型的比较新安江模型是一个概念性水文模型，新安江水文模型在我国已经应用多年，且效果显著，随着水文学和信息技术的不断发展，萨克拉门托（SAC）模型、TOPMODEL模型也逐渐在我国得到应用。
本文主要从产流机制、适用范围、参数以及汇流过程对三种水文模型进行了对比和总结。
下面结合表格从几方面来具体说明三个模型的相同点和不同点。
从产汇流原理及计算模式来说，新安江模型在每个子流域先进行蒸散发和产流计算，计算出子流域总产流量后通过自由水蓄水库结构进行三水源划分，对已经划分好的三种水源（地表径流、壤中流、地下水径流）分别按照各自的退水规律进行汇流计算（比如采用线性水库），得到子流域出口流量过程，对子流域出口的流量过程进行出口以下的河道汇流计算（比如马斯京根法）得到子流域在全流域出口的流量过程，然后将每块单元流域在全流域出口的流量过程同时刻线性叠加，即得到全流域出口总的流量过程，因此综合来看，是一个总—分—总的计算模式。
SAC模型中流域被划分为透水、不透水及变动不透水面积三部分，透水面积为主体；在透水面积上，根据土壤垂向分布不均土层分为上下两层；根据水分受力特征，上下土层蓄水量分为张力水蓄量和自由水蓄量，自由水可以补充张力水，但张力水不能补充自由水，上下土层通过下渗曲线连接，下渗计算是整个模型的核心。
径流来源于永久不透水面积和可变不透水面积上的直接径流，透水面积和可变不透水面积上的地面径流，透水面积上的壤中流、浅层与深层地下水。
汇流计算分为坡面汇流和河网汇流两部分，计算出的直接径流和地面径流直接进入河网，而壤中流、快速地下水和慢速地下水可用线性水库模拟。
各种水源的总和扣除时段内的水面蒸发4E ，即得河网总入流。
河网汇流一般采用无因次单位线。
总的来看是一个分—总的过程。
新安江模型在每个子流域先进行蒸散发和产流计算，计算出子流域总产流量后通过自由水蓄水库结构进行三水源划分，对已经划分好的三种水源（地表径流、壤中流、地下水径流）分别按照各自的退水规律进行汇流计算（比如采用线性水库），得到子流域出口流量过程，对子流域出口的流量过程进行出口以下的河道汇流计算（比如马斯京根法）得到子流域在全流域出口的流量过程，然后将每块单元流域在全流域出口的流量过程同时刻线性叠加，即得到全流域出口总的流量过程，因此综合来看，是一个总—分—总的计算模式。
水文循环模拟与预测
水文循环模拟与预测水资源是人类生产和生活中必不可少的资源。
然而，随着人类活动的不断增加，水资源的供应和需求的差距越来越大，加之自然环境的不断变化，导致了水资源的不平衡。
因此，水文循环模拟和预测成为了当今水资源管理的重要手段。
一、水文循环模拟水文循环模拟指的是对水文循环过程进行计算机模拟，在空间和时间上对水文循环过程进行预测，以便更好地了解水资源的分布和利用情况。
1. 模型类型在水文循环模拟中，主要采用流域水文模型和水文循环模型。
流域水文模型是指模拟流域内多个或单个河流的流量、水位和洪水过程等水文要素的计算机模型。
水文循环模型则是模拟整个水文循环过程的模型，包括水的输入、输出和储存等环节。
2. AHP模型AHP模型是一种综合模型，也是一种常用的水文循环模型。
该模型的核心是层次分析法（AHP），以因素分析为基础，将多个指标进行比较和权重分配，综合考虑水资源的各方面因素，在空间和时间上进行水文循环模拟。
3. 模型应用水文循环模拟在水资源管理中有着广泛的应用。
它可以预测洪水、干旱、水质变化等水文事件，为水资源管理决策提供科学依据。
在水资源开发利用规划中，水文循环模拟可以评估水资源的潜力和供水能力，指导水资源的规划和管理。
二、水文循环预测水文循环预测是指在基于历史数据的基础上，对未来水文循环过程进行预测。
它是水文循环模拟的延伸和实践，为水资源管理提供了更有效的方法。
1. 模型类型水文循环预测主要分为统计模型和物理模型两种。
统计模型是用历史数据对未来水文过程进行预测的模型。
它包括回归分析、时序模型和神经网络模型等。
在广泛应用的时间序列模型中，ARIMA模型是其中的代表。
物理模型是通过建立水文循环过程的数学模型，利用自然规律和基本原理对未来水文循环过程进行预测的模型。
物理模型包括水文气象预报模型、水动力模型和地下水渗流模型等。
2. 模型应用水文循环预测在水资源管理中有着重要的应用价值。
它可以为水资源管理提供未来水量、水质及可能出现的水灾预测，指导水资源管理决策和规划。
水文模型发展综述
水文模型发展综述
水文模型是一种通过数学模型来分析和预测水文过程的方法。
它以水文变量为输入，如降水、蒸发、径流等，通过数学方程来模拟水文过程的演化。
水文模型的发展历程可以被分为三个阶段：
1. 经验模型阶段：20世纪50年代，由于计算机技术的发展，经验模型开始出现，该模型基于经验公式和数据关系，以经验参数为基础来描述水文过程。
2. 物理模型阶段：20世纪60年代，在计算机技术的支持下，物理模型被广泛应用。
它基于物理规律和系统分析来揭示水文过程的内在机理。
3. 数值模型阶段：20世纪80年代，随着计算机技术和数值分析技术的发展，数值模型成为主流。
它通过数学计算来模拟水文过程，具有高精度和高效率的特点。
目前，水文模型已经成为水文学研究和水资源管理的重要工具。
未来，随着数据量的增加和计算机技术的不断提高，水文模型将在水文学领域继续发挥重要作用。
- 1 -。
第六章水文模型
7
三,总径流线性响应模型(SLM模型) 总径流线性响应模型就是通过水文系统理论方法(通常为线性卷积 方程),建立流域面上总降雨过程与流域出口断面总径流过程之间的转 化关系.转换关系并不考虑流域的产流和汇流内部机理. 1,总径流线性响应模型的系统方程 假定流域是一个线性,时不变,集总的确定性水文系统,则降雨径 流关系可用一个线性卷积方程来描述:
= ET E = (Y XH ) (Y XH )
T
(6-8)
= Y T Y 2H T XT Y + H T XT XH
最小二乘法求得响应函数为:
H = XT X
[
] [X Y]
1 T
(6-9)
3,总径流线性响应模型的水文概念 流域的平均径流系数:从水量平衡的角度,总降雨量与总径流量之 12 差就是降雨的损失,流域平均径流系数即为总径流量与总降雨量的比值:
k
与观测值Y (k )之间的离差 模型预报误差:模型预报误差用预报值 Y (k ) 平方和来表示 F1 = ∑ Y (k ) Y (k ) 2 (6-2)
[
]
k
3
模型效率:模型预报和均值预报之间误差的减少程度,计为DC.
F DC = 1 0 ×100% F 1
(6-3)
当 DC ≤ 0 时,模型的方差大过均值预报方程,模型相对于均值预报 不提供任何新的信息,甚至还不如均值预报.当 DC = 100%时,模型方程 为零,模型计算值与实测值完全相符.一般情况下,DC < 100% ,DC愈大 表示模型的预报能力愈强,因而效率愈高.
2
二,水文模型建立的步骤 ① 流程图(或框图):用框图或流程图表示径流形成各环节之间的关 系. ② 建模:用数学或逻辑计算式将以上各关系量化表示. ③ 参数识别:利用实测资料,按照一定的准则,对模型中的各种参数 进行率定. ④ 模型检验:用另外一组没有参与建模的观测资料,对模型的精度 (或效率)进行评价.只有达到精度要求的模型才能应用. 三,模型效率 均值预报误差:在没有任何其他信息补充的情况下,对一种现象的 最佳预报是观测数据的平均值,其预报误差用观测值Y (k ) 与均值 Y的 离差平方和来表示 F0 = ∑ [Y (k ) Y ] 2 (6-1)
水文地质概念模型
水文地质概念模型Conceptual hydrogeological model把含水层实际的边界性质、内部结构、渗透性能、水力特征和补给排泄等条件概化为便于进行数学与物理模拟的基本模式。
（1）透水边界Permeable boundary渗透性良好的含水层边界。
（2）隔水边界Confining boundary渗透性极差的含水层边界，即法向方向水力梯度（或流量）等于零的边界。
（3）弱透水边界Weakly-permeable boundary能通过一定流量的渗透性较弱的含水层边界。
（4）已知水位边界（一类边界）Boundary of known water level已知外节点水位值的边界。
（5）已知流量边界（二类边界）Boundary of known flow已知地下水流入或流出量的边界。
（6）混合边界（三类边界）Mixed boundary由已知水位和已知流量边界共同组成的计算渗流场的边界。
（7）定水头边界Boundary of fixed water level水位数值不变的已知水位边界。
（8）定流量边界Boundary of fixed flow流量数值不变的已知流量边界。
1 目的与任务（1）充分收集研究区以往各类地质、水文地质、地形地貌、气象、水文、钻孔、水资源开发利用等资料，进行系统的分析与研究，明确研究区的水文地质条件；（2）对研究区水文地质条件进行合理的概化，使概化模型达到即反映水文地质条件的实际情况，又能用先进的工具进行计算的目的，并最终提交概化的框图、平面图、剖面图及其文字说明。
2.模型概化原则（1）实用性地下水流模拟是一实用性很强的技术，解决现实问题是它的根本目的。
因此，建立的水文地质概念模型须与一定时期的科学技术水平以及研究区的水文地质调查研究程度相适应，能用于解决社会、经济发展中所面临的地下水模拟与管理问题。
（2）完整性概念模型必须尽可能真实全面地反映实体系统的内部结构与动态特征，专业人员既要到现场进行调查，又要广泛收集有关的各种信息，必要时还要补充部分现场调查（包括观测、试验等）工作，详细分析系统的输入、输出、状态演变、功能作用以及它与周围环境的相互作用关系等，以达到对于真实系统全面深入的掌握，保证模型在理论上的完整性，提高地下水流系统模拟的精度。
新安江流域水文模型
⑵概念性模型
• 是以水文现象的物理概念作基础进行水文过程模拟的，它所 模拟的不完全是真的物理实体，而要对物理现象进行概化。
• 例如，概念性模型常把流域的包气带概化成两层或三层，每 层看作是均匀的土层，以便有效地模拟流域蒸散发和径流的 形成。其中，上层代表疏松的表土层，下层代表较坚实的土 层；潜水面以下的地下含水层看作是一个线性水库，以便模 拟地下径流。
• 由于数学模型不受客观条件限制，容易制作，因而得到广泛应 用，特别是在不能建立物理模型的情况下，例如，研究地球大 气环流物理系统，建立模型的唯一选择只能是数学模型，即建 立大气环流物理方程，然后进行数值仿真，以揭示大气环流运 动的客观规律。
3.1 随机模型：
• 指模拟水文现象随机性的模型，包括统计模型和时间序列模 型等。统计模型模拟水文现象的统计规律( 随机规律 )，例如， 频率计算、相关分析都是统计模型的例子。随机水文学中所 研究的AR(p) 、MA(p，q)等模型属于时间序列模型。
• 瞬时单位线（纳西单位线），利用流域的降雨和前期输出与 当前输出建立关系的总径流响应模型是系统模型的例子。
• 系统模型根据其建模方程是线性方程或非线性，方程又可分 为线性模型和非线性模型两类。每类又视其参数是否随时间 变化分为时变模型和非时变模型两种模型。
4.水文数学模型：
• 水文数学模型是根据水文循环中各个环节的物理规律建立起 来的“数学系统”。一般文献中指的水文模型实际上是水文 数学模型。
数学模型
水文模型
物理模型
随机模型
确定性模型
实验模型
原型模型
数学物理模型
概念性模型
集总模型
分散模型
时
时时
时
变
不变
第四章 新安江流域水文模型
第四章新安江流域水文模型4.1 概述流域水文模型可分为物理模型、概念性模型和系统模型。
在水文预报中，概念性模型和系统模型应用较多，此处主要介绍概念性流域水文模型。
概念性流域水文模型属于数学模型，它与物理模型相比，具有许多优点：一是它的所有条件均可由原型观测资料直接给出，不受比尺的限制，即数学模型无相似律问题；二是它的边界条件及其它条件可严格控制，也可随时按实际需要改变；三是它的通用型较强，只要研制出一种适用的应用软件，就可用来解决不同的实际问题；四是它具有理想的抗干扰性能，只要条件不变，重复模拟可以得到相同的结果，不会因人、因地而异；五是它的研制费用相对较低。
因此，流域水文模型的研制和应用受到水文学家和水文工作者的普普遍重视。
世界上第一个流域水文模型－Stanford模型出现在20世纪60年代，目前全世界已提出数以百计的流域水文模型。
主要包括由美国天气局V. T. Sitten提出的API模型、N. H. Crawford和R. K. Linsley提出的斯坦福模型以及R. J. C. Bernash 等提出的萨克拉门托模型，日本国立防灾科学研究中心菅原正已教授提出的水箱模型，丹麦技术大学提出的NAM模型，以及原华东水利学院赵人俊教授提出的新安江模型。
这些概念性水文模型对流域的降雨径流过程进行了较为细致的模拟。
由于这些模型具有较好的结构形式和良好的模拟预报精度，因此在洪水实时预报中得到广泛地应用。
本文主要介绍国内应用最为广泛的新安江三水源模型。
4.2 新安江模型的基本原理原华东水利学院的赵人俊教授于1963年初次提出湿润地区以蓄满产流为主的观点，主要根据是次洪的降雨径流关系与雨强无关，而只有用蓄满产流概念才能解释这一现象。
上个世纪70年代国外对产流问题展开了理论研究，最有代表性的著作是1978年出版的《山坡水文学》，它的结论与赵人俊先生的观点基本一致：传统的超渗产流概念只适用于干旱地区，而在湿润地区，地面径流的机制是饱和坡面流，壤中流的作用很明显。
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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；
就是同一场降雨，由于目标函数模式的不同，模型参数取值也往往不同，这势必影响流域水文模型输出结果的可靠性，不利于模型的发展和广泛应用。
解决参数不确定性问题，一是加强具有物理基础的分布式水文模型的研究，更加合理的模拟和描述水文过程，不断缩小模型和原型的差异。
二是利用和不断充实已有的水文数据库，进行参数不确定性分析，在明确物理意义的基础上，提高参数的精度。
水文模型的发展方向
1、3S应用研究
2、水文过程物理规律研究
3、水文尺度研究
4、与其它系统模型耦合研究。