斯坦福流域水文模型研究综述
HSPF水文水质模型应用研究综述_李兆富
．
图1 Fig． 1
16 ］ HSPF 模型结构与功能［14 ，
Structure and function chart of HSPF
GIS 集成分析工 除了模型核心组分 WinHSPF， 具（ BASINS GIS ） 、 工具分析软件 （ WDMUtil ） 、 决策 支持分析工具 （ GenScn ） 等做为支撑部分用于模型 BASINS 采用了开 数据准备与模拟结果分析． 目前， 将 GIS 核心插件与 源的 MapWindow 作为 GIS 平台， 模型整合起来， 自动叠加和处理 DEM、 土壤、 土地利 用数据， 表征地形、 覆被特性， 并设定参数， 提取河段 信息， 完成水文响应单元准备， 为 HSPF 模型提供完 备的空间属性数据信息； WDMUtil 程序主要用于时 间序列文件的检验、 运行以及 WDM 文件的生成， 是 气象水文时间序列数据的有效分析处理工具 ； 决策 支持 分 析 工 具 GenScn （ Generation and Analysis of Model Simulation Scenarios） 是一项人机交互数据处 — — —“产生模拟情景分析模型 ” ． 该工具交互 理模型 式提供改变输入序列的能力、 运行水文模型、 观察绘
（ 1. College of Resources and Environmental Sciences， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095 ， China； 2. College of Geography，Nanjing Normal University，Nanjing 210046 ，China） Abstract： Hydrological Simulation ProgramFORTRAN （ HSPF） ，written in FORTRAN，is one of the best semidistributed hydrology and water quality models，which was first developed based on the Stanford Watershed Model． Many studies on HSPF model application were conducted． It can represent the contributions of sediment， nutrients， pesticides， conservatives and fecal coliforms from agricultural areas，continuously simulate water quantity and quality processes，as well as the effects of climate change and land use change on water quantity and quality． HSPF consists of three basic application components： PERLND （ Pervious Land Segment ） ， IMPLND （ Impervious Land Segment ） ，and RCHRES （ freeflowing reach or mixed reservoirs ） ． In general，HSPF has extensive application in the modeling of hydrology or water quality processes and the analysis of climate change and land use change． However， it has limited use in China． The main problems with HSPF include： ① some algorithms and procedures still need to revise， ② due to the high standard for input data，the accuracy of the model is limited by spatial and attribute data，③the model is only applicable for the simulation of wellmixed rivers，reservoirs and onedimensional water bodies，it must be integrated with other models to solve more complex problems． At present，studies on HSPF model development are still undergoing，such as revision of model platform，extension of model function，method development for model calibration，and analysis of parameter sensitivity． With the accumulation of basic data and improvement of data sharing，the HSPF model will be applied more extensively in China． Key words： HSPF model； simulation of hydrology and water quality； nonpoint source pollution； land use； climate change； watershed
流域水文模型研究进展综述
流域水 文模型可 以生成年 、 日径流 系列以及流 月、
量过程线 ， 还可 以求得流域的实 际蒸散发 系列 。因此它
２ 常用 的 流域 水 文模 型 及 其特 点
阶段大约为随后 的 ８ ０年代 。从 ２ 世 纪 ９ ０ ０年代至今是 的应用范围是非常广泛的。
该阶段 由于地理信息系统和卫星遥感技术的广泛应用 ，
件规定 ， 时发出赶工指令 ， 及 要求 其按照既定 的 日期完 划编排 的基础上 ， 及时对 各分项工程的进度执行情况进
成工程 。只有分项工程的工期 目标实现 了， 才能有力地 行跟踪核算 ， 发现工期滞后 的项 目， 分析其产生的原 因 ，
保证 总工 期 目标 的实 现 。 尽 快整 改 。
在 ２ ０世纪 ５ 年代 中期 ， ０ 随着计算机 的出现 ， 界 世
于外部环境的 ，要及时与有关部门和单位进行协调 ， 及 因素造成的 ， 具有很 大的不可预 见性 ， 也会 影响到局部 时解 除障碍 ； 属于工程 内部施工拖 后 的， 要依 据合 同文 各分 项工期 目标 的实现 ， 因此 ， 在施 工组织设计工 期计
４ 抓进度 的跟踪核算与反馈 ． ２
在编排施工组织设 计 ４ 抓 整 改 ． ３
在分析 出某些分项工程工期滞后 的原因
时编排 的工期计划 只是一种 比较理想的 ， 在工 程施工 过 后， 根据实际情况 ， 提出弥补工期的合理措施 ， 将各分项 目
程中 ， 会遇到种种难 以预料 的因素 ， 响工程 的施工进 标有机结合起来 ， 影 对不合理和不切实际的目标进行必要调 度， 这些因素 ， 除了 自身 内部施工管理 、 人员和设备 的影 整 ， 同时 ， 对某些分项工程 的工期通过人员、 设备等的合理 响外 ， 大部分来 自于外部施工环境 的干扰 ， 是不 可抗力 调动， 加快施工进度， 实现对总工期的 从而 控制。 ＿ Ｉ
斯坦福流域水文模型
Stanford Watershed Model IV (SWMIV)
目
1. 2. 3. 概述
录
斯坦福流域水文模型的组成 斯坦福模型的总体结构
2012-1-12
2
1、概述
号斯坦福流域水文模型(SWMIV)，是最早最著名 第IV号斯坦福流域水文模型 号斯坦福流域水文模型 ， 的流域水文模型，是一种确定性模型， 的流域水文模型，是一种确定性模型，是用数学 水法模拟水文物理现象的模型。 水法模拟水文物理现象的模型。
CB=1
CC=1
2012-1-12
11
六、壤中流 假定地表滞蓄量和地下水滞蓄量在整个流域上都是不相同的， 假定地表滞蓄量和地下水滞蓄量在整个流域上都是不相同的，同时按 直线变化，其位置有b乘以 乘以c（ 应该大于 应该大于1）决定。 称为壤中流因子 称为壤中流因子， 直线变化，其位置有 乘以 （c应该大于 ）决定。c称为壤中流因子， 也是LZS/LZSN的函数，并随下土壤层中水分的变化而变化。 的函数， 也是 的函数 并随下土壤层中水分的变化而变化。 CC:控制壤中流、坡面漫流相对水平的参数。约为0.5~3.0。 控制壤中流、坡面漫流相对水平的参数。约为 控制壤中流 。 则可以根据图计算壤中流滞蓄增量 SR 则可以根据图计算壤中流滞蓄增量∆ GX 壤中流出流量INTF（mm/时段）按与壤中流滞蓄量的线性关系计算： 时段） 壤中流出流量 （ 时段 按与壤中流滞蓄量的线性关系计算： INTF = LIRC4·SRGX LIRC4: 壤中流蓄泻系数，或称壤中流出流系数； 壤中流蓄泻系数，或称壤中流出流系数； SRGX: 壤中流滞蓄量（mm）（时段均值）。 壤中流滞蓄量（ ） 时段均值） 当计算时段为15min时(4*24) 当计算时段为 时 LIR 4 =1.0−(IR )1/96 C C (B.S. Barnes) IRC:壤中流日退水系数，即壤中流退水的现时流量与前 壤中流日退水系数， 流量之比。 壤中流日退水系数 即壤中流退水的现时流量与前24h流量之比。 流量之比 壤中流滞蓄量SRGX用时段初、末壤中流滞蓄量的平均值，即： 用时段初、 壤中流滞蓄量 用时段初 末壤中流滞蓄量的平均值， SRGX=1/2(SRGX1+SRGX2) 时段末壤中流滞蓄量用壤中流水量平水水程计算： 时段末壤中流滞蓄量用壤中流水量平水水程计算： SRGX2=SRGX1+ SRGX-INTF
基于贝叶斯法的HYMOD模型参数不确定性分析
基于贝叶斯法的HYMOD模型参数不确定性分析徐一鸣;林凯荣;李朋俊【摘要】结合HYMOD水文模型在枫树坝水库控制流域的应用,采用贝叶斯结合Metropolis-Hastings算法对模型参数进行不确定性分析,得到90％置信区间的流量过程.结果表明,基于贝叶斯的不确定性估计方法能有效降低HYMOD模型参数带来的不确定性.【期刊名称】《人民珠江》【年(卷),期】2015(036)004【总页数】4页(P1-4)【关键词】贝叶斯;HYMOD模型;不确定性分析;径流预报【作者】徐一鸣;林凯荣;李朋俊【作者单位】中山大学水资源与环境系,广东广州510275;华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室,广东广州510275;中山大学水资源与环境系,广东广州510275;华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室,广东广州510275;中山大学水资源与环境系,广东广州510275;华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室,广东广州510275【正文语种】中文【中图分类】X824从斯坦福大学开发出SWM模型(Stanford Watershed Model)起，流域水文模型历经60多年的发展，模拟精度越来越高，在水文预测与模拟等方面发挥了重要作用。
然而，为得出确定的估计值而产生的流域水文模型本身却存在着诸多不确定性因素。
基于简化思路与计算而进行的概化，使得不确定性成为流域水文模型的固有属性。
因此，研究水文模型的不确定性以提高预报模拟精度成为水文科学发展中一大前沿课题[1-3]。
现以枫树坝水库控制流域为例，采用贝叶斯法对HYMOD水文模型进行参数优化，并进行不确定性径流模拟预报。
HYMOD模型是国外学者于20世纪80年代中期提出的集总式水文模型[4]。
流域被视为无数个相互独立的点的集合，这是HYMOD模型区别于一般集总式水文模型之处。
模型采用了蓄满产流的概念，模型结构较为简单，产流过程见图1。
流域经历一场降水后，超渗部分通过3个高流速水箱基于参数Rq产流；其余超过cmax的水量分为两部分，一部分以α为分配因子同样进入高流速水箱进行产流，剩余部分则进入一个低流速水箱基于参数Rs产流。
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。
流域水文模型
(1)物理模型
• 其特点是： 对水文现象的描述机制清楚，具有物理严密性， 通用性好，预测和外延能力强； 但由于模型的结构复杂， 边界值和参数值的困难。 受人们对水文现象认识水平、水文现象及其边界条件的复杂 性和原始资料的局限性与可靠性等因素的限制，现阶段完全
• 3水源新安江模型的流程图。模型设计将全流域 划分为若干个自然条件相似的小流域，然后分 别对每个单元从降水开始包括产流、汇流等径 流形成的全过程进行分析计算，模型以包气带 为转换装置，将实测降雨量P、实测水面蒸发量 EM输入；输出为出口流量Q、流域蒸散发E。模 ②产流量计算；③分水源计算；④汇流计算。
应用上不可避免地要遇到求解非线性数学难题和估计初始值、
物理化的物理模型应用于流域水文模拟还存在很大的难度。
(2)概念性模型
以物理成因机制作为基础，对水文现象提出假设、概 化和数学模拟的模型称为概念性模型。 其特点是：模型结构较物理模型简单，具有一定的物 理成因机制，易于推广应用，当假设条件与实际情况相近， 概化合理时，预测效果好，但通用性较物理模型差。 随着人们对水文现象认识水平的不断提高，物理成因 机制的逐步物理化，概念性模型可以发展为物理模型。概 念性模型既可以描述自然界中水循环的全过程，称为全程 模型；也可以描述水循环的子过程，称为分量(或分层)模 型，如蒸散发模型、产流模型、水源划分模型、汇流模型 等。
型结构及计算方法分为4大部分：①蒸散发计算；
总式模型，而物理模型是分布式模型。
流域水文模型研究进展综述
流域水文模型研究进展综述摘要：介绍了流域水文模型的发展，总结了常用的流域水文模型及特点，最后对流域水文模型的发展进行展望。
关键词：水文模型；分布式水文模型；概念模型；GIS；展望流域水文模型把流域总体看成是一个系统，输入为降雨等，输出为出流流量等。
流域内的水文过程则是系统的状态，是根据水文概念推理计算出来的。
随着全球性缺水问题日益严重，水污染、水资源分布不均衡等问题的日益突出，就要求人们不断加强水文学的定量化研究，而流域水文模型就是其中发展较为迅速的研究领域。
它有助于我们在利用水资源、分配水资源中提供合理的、科学的依据。
流域水文模型在进行水文规律的研究和解决生产实际问题中起着重要的作用。
因此，掌握常见的流域水文模型是必要的。
1流域水文模型的发展特点随着计算机技术的诞生，流域水文模型应运而生。
20世纪50年代后期，系统理论应用迅速发展，水文学提出了流域水文模型的概念。
随后的二、三十年是流域水文模型的蓬勃发展时期。
当前流域水文模型在洪水预报、流域规划等领域起着越来越重要的作用。
其模型的发展主要呈现以下几个特点：1.1时间上呈阶段性随着电子计算机技术的迅速发展，流域水文模型的发展较快，按照发展的时间大约划分为原始、近代、现代三个阶段。
其原始阶段，即水文模型起步阶段，发展时间大约在20世纪50年代后期至70年代初期。
近代发展阶段大约为随后的80年代。
从20世纪90年代至今是模型发展的现代阶段，也是水文模型突破性发展阶段。
该阶段由于地理信息系统和卫星遥感技术的广泛应用，分布式水文模型成为世界各国水文科学家研究的主流，该模型基于数字高程模型，以流域面上分散的水文参数和变量来描述流域水文时空变化的特性。
1.2模型研究的区域不均衡美国和欧洲等发达国家在流域模型研究方面占有重要的地位，而发展中国家在该方面的研究相对落后，具有一定影响力的模型很少。
在我国，除了新安江模型的发展影响较大外，还没有其它影响较为深远的模型。
流域水文模型研究综述
流域水文模型研究综述何长高１，２，董增川１，陈卫宾１（１．河海大学水文水资源及水利工程科学国家重点实验室，江苏南京２１００９８；２．江西省水利厅，江西南昌３３０００９）摘要：流域水文模拟是用数学的方法描述和模拟水文循环的过程．按照水文循环运动的物理规律和空间变化规律介绍了流域水文模型的分类及其特点，回顾了流域水文过程模型的研究进展，总结、介绍了国内外分布式流域水文模型的开发研究成果，结合当前流域水文模型研究中存在的尺度、非线性、模型动态耦合等主要问题，提出了发展方向．关键词：流域；研究进展；水文模型中图分类号：Ｐ３３文献标识码：Ａ文章编号：１００４－４７０１（２００８）０１－００２０－０６收稿日期：２００７－１１－１４基金项目：江西省重大关键技术攻关计划项目（２００５ＩＡ０５００１０１）作者简介：何长高（１９６２－），男，在读博士，教授级高工．０引言水文模型是水资源评价、配置、开发和利用的基础，在防洪减灾、水库调度、生态环境需水、水资源开发利用、道路、城市规划、面源污染评价、人类活动的流域响应等诸多方面均需要水文模型的支持。
因此，水文模型的研究一直是水文学研究的重点，并建立了一系列水文模型。
特别是近几十年，随着水资源问题日益突出和计算机技术的快速发展，人们对流域水文模型的研究、应用的广度和深度日渐加大，研制出了大量的各具特色的流域水文模拟模型。
流域水文模拟是用数学的方法描述和模拟水文循环的过程，即将流域概化成一个系统，根据系统输入条件（一般为降雨、融雪、水质、泥沙过程以及流域的蒸散发能力），对流域内发生的水文过程进行模拟计算，求解输出结果（如流域出口断面的流量过程和流域实际蒸散发等）。
１流域水文模型的分类流域水文模型是在计算机技术和系统理论的发展中产生的，经过２０世纪六十、七十年代和九十年代的蓬勃发展，涌现出了大量的流域水文模型。
纵观已有流域水文模型，从反映水文循环运动物理规律的过程性和复杂度来看，流域水文模型可划分为系统模型（即“黑箱”模型）、概念性模型和物理模型。
流域水文模型综述
０ 前 言
随着 现代科 学 技术 的 飞 速发 展 ， 以计 算 机 和
类 活动对 洪水、 资源 和水 环境影 响 的有 效工 水
具 ¨。
流域水文模型 的种类 有很 多， 但是 目前 在水 文学科领域影响最大、 发展较快 的主要还是概念 性流域水文模型 和分布式流域水文模型两大类。
关键词 ： 水文模型 ； 概念性 ； 分布式
中 图分 类号 ：３ ８ ６ Ｐ ３ ． 文献标识码 ： Ａ
Ｓ ｍｍ ａ ｙ ｏ ｄ ｏ ｏ ｉａ ｏ ｅ ｕ ｒ ｆＨｙ ｒ ｌｇ ｃ ｌＭ ｄ ｌ
Ｆ ｈ ｎ ． Ｈ ＮＧ Ｑ ａｇ Ｕ Ｃ ｕ Ｚ Ａ ｉ ｎ
（ ． ｒｈｔ ｔｒ Ｅ ｇｎ ｅｉｇＤ ｐ ｒ ｅ ｔ ｆ ａ ｅ ａ ｇＵ ｉｅ ｉ ，ｉ ｇ ｉ ａ ｅ ａ ｇ３ ０ ３ Ｒ １ Ａ ｃ ｉ ｃ ｅ ｎ ｉｅ ｒ ｅ ａｔ ｎ ｎ ｈ ｎ ｎｖ ｒ ｔ Ｊ ｎ ｘ Ｎ ｎ ｈ ｎ ３ ０ １Ｐ Ｃ； ｅｕ ｎ ｍ ｏＮ ｓｙ ａ
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第２ ６卷
第 ４期
江
西
科
学
Ｖｏ ． １２６ Ｎｏ． ４ Ａｕ ２ ０ ｇ． ０ ８
２０ ０ ８年 ８ 月
Ｅ ＪＡＮＣ Ｓ ＥＮＣ Ｉ ｒ ｌ ＸＩ ＣＩ
文章 编号 ：０ １— ６ ９ ２ ｏ ） ４— ５ ８一 ６ １０ ３ ７ （ｏ ８ ｏ ０ ８ Ｏ
机 制 并 易 于推 广 应 用 的新 安 江模 型 （ 水 源 ） Ｓ Ｃ ＡＭ Ｎ Ｏ模 型 、 Ａ Ｋ模 型 等 概 念 性 流 域水 文模 型 和 基 于 三 、Ａ Ｒ Ｅ Ｔ ＴＮ
Ｇ Ｓ和 Ｒ Ｉ ｓ的 Ｔ Ｐ Ｄ Ｌ模 型、ＷＡ Ｏ ＭＯ Ｅ Ｓ Ｔ模 型和 Ｓ Ｅ模型等分布 式流域 水文模 型。各 种模 型结构各 异 ， Ｈ 构思各 有特 点。应理性 的看待这 两类模 型 ， 汲取 它们建模 思想 的精髓 ， 以推 动流域水文模型研 究的进一步发展。
国外流域水资源配置模型研究进展
收稿日期:2005Ο02Ο01基金项目:国家重点基础发展规划“973”资助项目(G 1999043601);水利发展“十一五”规划重大课题资助项目作者简介:柳长顺(1975—),男,山西临县人,工程师,博士,主要从事水资源管理研究.国外流域水资源配置模型研究进展柳长顺1,陈 献1,刘昌明2,杨 红3(1.水利部发展研究中心,北京 100038;2.北京师范大学水科学研究所,北京 100875;3.S wiss Federal Institute for Environmental Science and T echnology ,S witzerland Duebendor f CH Ο8600)摘要:对国外水资源配置模型研究进行了综述,总结了水资源配置模型研究发展的趋势,即单目标模型向多目标模型发展,模拟与优化模型相结合,以及不确定性和模糊优化模型的建立.建议开发多目标、多层次、多用户、群决策的流域水资源优化配置模型系统,为流域水资源合理配置与科学管理实践提供科学的决策依据.关键词:流域;水资源配置模型;多目标;群决策中图分类号:T V213.9 文献标识码:A 文章编号:1000Ο1980(2005)05Ο0522Ο03流域水资源合理配置是在流域水资源可持续利用思想指导下,遵循自然规律与经济规律,通过工程和非工程措施,借助于先进决策理论和计算机技术,干预水资源的天然时空分配,统一调配流域地表水、地下水、废污水、外流域调水、微咸水和海水等水源,以合理的费用保质保量地适时满足不同用户用水需求,充分发挥流域水资源的社会功能和生态环境功能,促进流域及区域经济的持续稳定发展和生态系统的健康稳定[1,2].流域水资源配置非常复杂,具有不确定性,经常要解决不同层次、不同目标、不同用户间的相互竞争,有时是相互冲突的问题,而水资源配置模型为决策者解决此类问题提供了必要的工具[3].本文重点对国外水资源配置模型研究进行综述,总结水资源配置研究发展趋势,以期对我国水资源配置模型研究有所帮助.1 研究概述流域水资源配置模型的研究始于20世纪50年代中期,六七十年代得到了迅猛发展,线性规划、动态规划、多目标规划、群决策和大系统理论被广泛应用于水资源配置.优化模型是六七十年代研究的主流.20世纪60年代,由于系统工程理论与计算机技术的发展,系统分析方法应用到流域水资源系统规划中[4].最早由工程、社会与自然科学等学科的专家们组成的美国哈佛大学“哈佛水资源规划组(Harvard Water Program )”,于1955年提出了将水资源与环境系统统一考虑的设想,探索经济目标、工程分析和政府决策间的关系,于1962年发表了《水资源系统分析》一书,将系统分析引入水资源规划[5],开始了流域水资源配置模型研究,从此,水资源配置模型在欧美受到极大的重视[6].20世纪70年代以后,美国的麻省理工学院、加州大学等学校和工程兵团等工程单位用系统分析方法在水资源规划与设计方面做了大量的工作;同时,前苏联、加拿大、英国、法国等国家也先后开始用系统分析方法研究水资源问题.1972年,Buras [7]出版的《水资源科学分配》一书是由福特基金从20世纪60年代中期开始资助的“数学分析在水资源工程中的应用”项目的成果,系统进行了线性规划和动态规划在水资源配置中应用的研究,并提出水资源系统模拟的一些思路.同年,Haimes 等[8]把多目标分析应用于水资源规划中,G rigg 等[9]对系统动力学应用于水资源系统进行了研究.1977年,Haimes 等[10]将层次分析法(AHP )和大系统分解原理应用于水资源配置模型中,简化了流域水资源优化配置的方法,将流域大系统分解为若干相对独立的子系统,每个子系统应用优化技术分别求出优化解,然后通过全局变量把各子系统优化结果反馈给流域大系统优化模型,得到整个流域的优化解.1978年,Singh 等[11]在前人研究的基础上,就流域系统分解、优化和控制理论进行了探讨.1982年,美国召开“水资源多目标分析”会议,推动了水资源管理多目标决策技术的研究和应用[12].K rzysztofowicz 等探讨了水资源多目标分析中的群决策问题[13].第33卷第5期2005年9月河海大学学报(自然科学版)Journal of H ohai University (Natural Sciences )V ol.33N o.5Sep.2005水资源配置通常是多目标的,有时目标会相互冲突,最优解往往不存在或难以达到,水资源管理中应用模拟和决策支持技术同样需要.20世纪80年代以后,随着计算机的普及、地理信息系统(GIS )的发展以及公众参与水资源管理意识的不断提高,开发多用户参与的交互式多目标水资源配置模型得到了重视.Salewicz 等[14]开发了水资源协商Ο交互式流域模拟模型IRIS.不同的用户可以输入自己的数据进行协商,帮助冲突各方快速解决冲突争议.Camara 等[15]介绍了水资源管理的综合决策辅助模拟模型,该模型通过逻辑关系和矢量计算,把数字、语言、图片等自然语言用于水资源管理决策,增加了决策的可视化程度.Sim onoviv [16]就可持续水资源管理决策支持系统的概念进行了界定,并通过实例对决策支持系统在水资源管理中的应用进行了探讨.Hamalalnen 等[17]讨论了多准则水资源管理和多用户协商决策支持系统的框架,并将其应用于芬兰的K ymijoki 流域.K ipkorir 等[18]为肯尼亚的Perkerra 灌区开发了灌溉辅助实时决策系统,优化结果说明,通过决策系统可以优化种植结构.20世纪90年代中期以后,流域水资源配置模型出现了新的趋势.一方面,基因算法和灰色模拟等计算技术不断引入模型中;另一方面表现为水资源管理模型与地理信息系统、水文模型和经济模型的耦合.Minsker 等[19]应用遗传算法(G enetic Alg orithms )建立了不确定性条件下的水资源配置多目标分析模型.R osegrant 等[20]为评价改善水资源配置和利用的效益,将经济模型与水文模型进行耦合,并把模型应用于智利的Maipo 流域.Xu 等[21]将分布式水文模型与地理信息系统有机结合,解决了传统方法不能解决的大量水资源配置方案的检验问题,同时,能形象展示决策者由于条件变化对流域水资源管理的改变,为开发流域水资源管理空间决策支持系统(S DSS )奠定了基础.地理信息系统可以表示流域水资源系统的空间关系和属性特征,解决复杂的水资源配置和管理问题.1992年,Walsh [22]对地理信息系统扩展到水资源领域进行了综合的讨论与分析,随后许多专家学者对如何连接地理信息系统与水资源配置模型进行了有益的尝试.Mckinny 等[23]利用面向对象技术把水资源管理模型与地理信息系统有机地结合,模拟流域水资源分配.2 发展趋势a.单一水利工程模型向流域系统模型发展,单一目标模型向多目标模型发展.目前流域水资源配置模型以单一水利工程如水库、灌区等工程的用水、配水管理模型为主,对流域尺度研究较少.实现流域水资源的持续利用,以支持流域经济社会的可持续发展,需要把社会、生态等难以量化的目标引入流域水资源配置模型的目标函数中,建立多目标配置模型.b.开发模拟与优化耦合模型.虽然流域水资源配置问题非常复杂,往往不存在最优解,仅仅通过优化技术难以得到满意的结果,而且结果难以执行并指导生产,但可以计算不同方案对应的不同解.模拟与优化模型相耦合,可以较快得出易于各方接受和实施的满意解.c.建立多层次、多用户的面向对象的交互式决策支持系统.流域水资源配置属于一类半结构化的决策问题,具有多层次的、多目标、多水源、多用户、多功能的特点,用单一模型是不可能描述的.流域水资源配置面临许多具体的问题,要实现水资源的可持续利用,需要用水户参与决策管理和配置.d.不确定性和模糊优化模型是未来流域水资源配置模型的发展方向.水资源配置常遇到许多不确定性或模糊性问题,需要不确定性模型或模糊模型予以解决.近年来,不确定性问题与模糊问题的优化方法发展较快,为流域水资源配置模型的开发提供了有力的工具.e.“3S ”技术与分布式水文模型(包括地下水模型)有机结合是流域水资源配置模型研究的重要领域.“3S ”技术的发展及其在流域水资源管理中的广泛应用,为流域水资源配置模型提供了强有力的工具与丰富详实的数据.分布式水文模型不断完善,为流域水资源管理科学决策奠定了基础.目前,这方面的研究较少.参考文献:[1]柳长顺.流域水资源合理配置与管理研究[D].北京:北京师范大学,2004.[2]李令跃,甘泓.试论水资源合理配置和承载力概念与可持续发展的关系[J ].水科学进展,2000,9(3):307—313.[3]G UPT A R A.River basin management :a case study of Narmada Valley development with special reference to the Sardar Project inG ujarat ,India[J ].Water Res ources Development ,2001,17(1):55—78.[4]华士乾.水资源系统分析指南[M].北京:水利电力出版社,1988.1—21.325第5期柳长顺,等 国外流域水资源配置模型研究进展425河海大学学报(自然科学版)第33卷[5]M AASS A,H UFSCH MI DT M M,DORF M AN R,et al.Design of water res ource management[M].Cambridge:Harvard UniversityPress,1962.1—8.[6]李慈君.水资源与环境系统管理模型研究现状[J].水文地质工程地质,1990,(3):23—27.[7]BURAS N.Scientific allocation of water res ources:water res ources development and utilization—a rational approach[M].New Y ork:American E lsevier Publishing C om pany,Inc,1972.1—5.[8]H AI MES Y Y,H A LL W A,FRE DM AND H T.Multiobjective optimization in water res ources systems:the surrogate w orth trade offmethod[M].New Y ork:E lesvier,1972.3—8.[9]G RIGG N S,BRG S ON M C.Interactive simulation for water system dynamics[J].J of The Urban Planning and Development Division,1975,126(3):116—124.[10]H AI MES Y Y.Hierarchical analysis of water res ources systems:m odeling and optimization of large2scale systems[M].New Y ork:McG raw Hill,1977.1—10.[11]SI NG H M G,TIT LI A.System:decom 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management m odels:an object2oriented method[J].EnvironmentalM odeling&S oftware,2002,17:413—425.R evie w of foreign river basin w ater resources allocation modelsLIU Chang2shun1,CHEN Xian1,LIU Chang2ming2,YANG H ong3(1.Development Research Centre o f Ministry o f Water Resources,Beijing100038,China;2.Institute o f Water Sciences,Beijing Normal Univer sity,Beijing100875,China;3.Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology,Duebendor f,CH28600,Switzerland)Abstract:The development trend of water res ources allocation m odels was integrated,i.e.the development of multi2 objective m odels to replace single objective m odels,the combination of simulation m odels with optimization m odels,and the establishment of uncertain and fuzzy optimization m odels.It is suggested that river basin water res ources optimal allocation m odels of multi2objective,multi2user,and multi2layer with group decisions should be developed to serve decision makers for rational allocation and scientific management of river basin water res ources.K ey w ords:river basin;water res ources allocation m odel;multi2objective;group decision。
流域水文模型研究进展
流域水文模型研究进展流域水文模型研究进展姓名：杨柳专业班级：水文学及水资源研1017班学号：1008150845 摘要：流域水文模型是水文研究的重要工具之一。
本文较全面、较系统地对其概念、分类和国内外研究进展情况进行了综述，并简要介绍了分布式流域水文模型。
探讨了未来的发展方向,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词：流域，水文模型，分布式流域水文模型，发展Abstract: Hydrological model is an important tool for hydrological research. This more comprehensive, more systematic way of its concepts, classifications and research progress at home and abroad were reviewed, and briefly describes the distributed hydrological model. And it explored the future direction of development. I believe that it has important reference value and reference in peer-related work.Keywords: river basin; hydrological model; distributed hydrological model; development1前言流域水文模型把流域总体看成是一个系统，输入为降雨等，输出为出流流量等。
流域内的水文过程则是系统的状态，是根据水文概念推理计算出来的。
随着全球性缺水问题日益严重，水污染、水资源分布不均衡等问题的日益突出，就要求人们不断加强水文学的定量化研究，而流域水文模型就是其中发展较为迅速的研究领域。
流域水文模型综述
流域水文模型综述摘要：本文分别综述了集总式流域水文模型和分布式水文模型的研究进展，并简单介绍了几种常用的集总式和分布式流域水文模型及特点，最后对流域水文模型的发展进行了展望。
关键词：流域，水文模型，集总式流域水文模型，分布式流域水文模型水资源作为人类社会的一大资源，在不断地满足社会经济发展与生态环境需要的同时，水资源短缺与污染的趋势也在不断加剧。
为了促进水资源的可持续利用与保护，美国率先提出了流域管理的概念。
流域管理一作为水资源利用与保护的主要途径，是目前水资源管理的主要模式，在世界上得到了广泛应用，尤其在美国、欧洲和澳大利亚等国家，整个研究领域己逐步走向成熟。
水文学（hydrology）是地球物理学和自然地理学的分支学科。
研究存在于大气层中、地球表面和地壳内部各种形态水在水量和水质上的运动、变化、分布，以及与环境及人类活动之间相互的联系和作用。
是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律，以及运用这些规律为人类服务的知识体系。
水文模型(Hydrologic Model)，是自然系统的抽象，真实世界的概化，是符号的综合体，是自然系统或部分自然系统的符号化，是数学模型用数学语言将自然现象符号化的的水文学应用，是为了模拟水文现象而建立的实体结构和数学结构与逻辑结构。
流域水文模型把流域总体看成是一个系统，输入为降雨等，输出为出流流量等。
流域内的水文过程则是系统的状态，是根据水文概念推理计算出来的，随着全球性缺水问题日益严重，水污染水资源分布不均衡等问题的日益突出，就要求人们不断加强水文学的定量化研究，而流域水文模型就是其中发展较为迅速的研究领域。
它有助于我们在利用水资源分配水资源中提供合理的科学的依据。
流域水文模型在进行水文规律的研究和解决生产实际问题中起着重要的作用，因此，掌握常见的流域水文模型是必要的[1]。
1.流域水文模型研究进展流域水文模型的研究大约始于21世纪50年代后期[2]，随即有SSARR模型和Stanford模型等模型出现，这些模型从定量上分析了流域出口端面流量过程线形成的全部过程，包括降水、蒸发、截留、下渗、地表径流、壤中流、地下径流等产流环节，也包括了坡面调蓄和河网调蓄等汇流环节[3]。
流域水文模型研究进展
流域水文模型研究进展流域是指由一片地表或地下水集结起来的地理单位，具有一定的流域边界。
流域水文模型是对流域内水文过程进行数学建模的方法，用于预测降水-径流过程、洪水演变、土壤水分变化等流域水文过程。
近年来，随着计算机技术的发展和观测数据的积累，流域水文模型的研究取得了一系列进展。
主要表现在以下几个方面：1.模型的精度提高：传统的流域水文模型主要采用水文连续模型，如水动力方程、水文平衡等，这些模型对流域水文过程的描述存在一定的误差。
近年来，随着数据的积累和计算机技术的发展，一些新的水文模型被提出，如基于机器学习的方法，能够精确预测降水-径流过程、洪水演变、土壤水分变化等。
2.数据驱动的流域水文模型：数据驱动的流域水文模型不依赖于具体的物理机制，而是通过大量的观测数据，建立起具有一定规律的预测模型。
这种模型能够充分利用现有数据，提高模型的预测精度。
3.集成模型的发展：集成模型是将多个单一模型结合起来使用，以达到更好的预测效果。
集成模型可以分为串联模型和并联模型。
串联模型将多个单一模型串联起来，每个模型的输出作为下一个模型的输入。
并联模型将多个单一模型并联起来，每个模型独立运行，最终将它们的结果进行加权融合。
集成模型能够充分发挥不同模型的优势，提高预测的准确性。
4.不确定性分析：流域水文模型的预测结果存在一定的不确定性，这主要来自于模型参数的不确定性、输入数据的误差以及模型本身的简化假设等。
近年来，不确定性分析逐渐成为流域水文模型研究的重要内容。
不确定性分析能够对模型结果的准确性进行评估，并为决策提供合理的科学依据。
总之，随着计算机技术和观测数据的进展，流域水文模型的研究取得了显著的进展。
未来的研究方向包括提高模型的精度和预测能力、加强数据驱动的模型研究、开展集成模型的应用研究以及进一步完善不确定性分析方法等。
这些研究成果将为流域管理和水资源规划提供更好的科学支持。
流域水文模型
流域水文模型发展与研究的综述摘要本文简述了流域水文模型的发展历史,介绍了流域水文模型的分类及现代水文模型的主要类型，并对目前常用的几种水文模型进行了简单介绍，并概述其理论基础及功能，对各个类型的流域水文模型在模型结构、资料需求、应用范围能方便的不足进行总结吧，并且对流域水文模型的未来做出展望，分布式水文模型由于其自身特点及优势，是未来发展的趋势。
关键词：产汇流；流域水文模型；概念性模型；分布式模型1、引言随着现代科学技术的飞速发展，以计算机和动心为核心的信息技术在水文水资源及水利工程科学领域的广泛应用，使流域水文模型的研究得意迅速发展。
流域水文模型在进行水文规律的研究和解决生产实际问题中起着重要的作用，如防洪减灾，水资源可持续利用，水环境和生态系统保护等。
流域水文模型还是分析研究气候变化和人类活动对洪水，水资源和水环境影响的有效工具。
2、历史与现状流域水文模型的研究始于20 世纪50 年代，早期主要依据传统产汇流理论和数理统计方法建立数学模型，应用于水利工程规划设计和洪水预报等领域。
其间系统理论模型和概念性水文模型得到了快速充分的发展，国外曾出现了几个著名的概念性水文模型。
比如，最简单的包顿模型和最具代表性的第IV斯坦福模型。
包顿模型是澳大利亚的包顿（W . C Boughton ）先生于1966 年研制成功的一个以日为计算时段的流域水文模型，在澳大利亚、新西兰等国有着广泛的应用，比较适用于干旱和半干旱地区。
由N . H ．克劳福特先生和R . K ．林斯雷先生研制的第IV斯坦福模型 ( SWM-IV ）是世界上最早也是最有名的流域水文模型，此模型物理概念明确，结构层次分明，为以后许多模型的建立提供了基础。
此后比较有名的还有萨克拉门托模型和水箱模型。
国内的流域水文模型在20 世纪70 年代至80 年代中期也得到蓬勃的发展，其中典型代表为赵人俊教授等于70 年代提出的新安江模型。
新安江模型在湿润半湿润地区得到广泛应用，模拟精度也比较高，对我国水文模型的发展起了重要的作用。
流域水环境系统模型研究及其应用
流域水环境系统模型研究及其应用一、本文概述本文旨在探讨流域水环境系统模型的研究及其在实际应用中的重要性。
流域水环境系统模型是一个集成了水文学、水力学、生态学、环境科学等多个领域的复杂系统，它通过数学模型和计算机技术，对流域内的水资源分布、水质变化、生态环境演变等过程进行模拟和预测。
本文首先将对流域水环境系统模型的基本概念、发展历程和主要类型进行概述，分析其在水资源管理、水环境保护、生态修复等领域的潜在应用价值。
接着，本文将重点介绍流域水环境系统模型的研究方法和技术手段，包括模型的构建原理、参数设置、模型验证与优化等方面。
通过对现有研究成果的梳理和评价，本文旨在揭示流域水环境系统模型在理论和实践中的挑战与机遇，探讨如何进一步提高模型的精度和可靠性，以更好地服务于流域水资源的可持续利用和水环境的保护。
本文将通过案例分析的方式，展示流域水环境系统模型在实际应用中的成效和局限性。
通过具体案例的剖析，本文旨在探讨如何根据实际应用需求，选择合适的流域水环境系统模型，以及如何在实践中不断优化和完善模型，以提高其在解决实际问题中的效用。
通过本文的研究，旨在为流域水环境系统模型的进一步发展和应用提供有益的参考和借鉴。
二、流域水环境系统模型的理论基础流域水环境系统模型的研究和应用离不开深厚的理论基础。
这些理论涵盖了水文学、环境科学、生态学、系统科学等多个领域，为模型的构建提供了科学依据。
水文学理论是流域水环境系统模型的基础。
它涉及到降水的形成、地表水与地下水的相互作用、水流的运动规律等。
这些理论为模型提供了流域内水循环过程的详细描述，从而能够模拟和预测不同时空尺度下的水流动态。
环境科学理论为流域水环境系统模型提供了关于水质、水生态等方面的认识。
水质的变化受到多种因素的影响，如污染源的排放、水体的自净能力等。
环境科学理论可以帮助我们理解这些因素之间的相互作用，从而构建出能够反映实际水质状况的模型。
生态学理论也是流域水环境系统模型的重要组成部分。
斯坦福流域水文模型研究综述
斯坦福流域水文模型SWMM研究综述摘要：自然界的水文现象,是一种多因素相互作用的复杂过程,由于其形成机理还不完全清楚,水文模型成为一种研究复杂水文现象的重要工具。
本文在在查阅文献的基础上,从斯坦福流域水文模型，国内外 SWMM 研究进展，斯坦福模型主要组成，其他流域水文模型的研究进展个方面对斯坦福模型的研究现状及进展进行了整理和分析，并在此基础上探讨了流域水文模型研究的发展趋势。
关于流域水文模型的研究成果有目共睹，但仍需要深入研究。
总之,流域水文模型与GIS、遥感技术的结合越来越多的受到重视,必将成为今后研究中的一个主要方面。
关键词：斯坦福流域水文模型；综述；研究进展；1.斯坦福流域水文模型流域水文模型的起源是从水文预报模型开始的,即降雨-径流模型。
1932年Sherman用叠加原理提出了单位线模型，单位线模型统治水文界20多年。
随后Nash和Dooge对单位过程线进行了改进,提出了连续变化的暴雨响应模型。
第一个真正的流域水文模型就是1959年Linsley&Crawford开发的斯坦福流域水文模型，并经过改进和扩展,于1966年发展了SWM-IV。
属于概念性集总式水文模型,将整个流域看作一个整体,不考虑流域内的空间变化,数据输入、流域特征描述(土壤类型、土地利用和坡度)通常采用平均值。
这个时期的水文模型应用计算机模拟水循环系统,而不是简单地利用数学公式计算洪峰和降雨-径流关系。
模型已可以模拟降雨、截留、入渗、蒸散发、河道流等水文过程,但模型中的参数大都缺乏明确的物理意义,以经验公式为主,不能反映流域水文过程空间上分散性输入和集中性输出的特点,且模型参数对水文实测资料的依赖性很大,无法模拟产汇流的空间分布规律,以及气候变化、土地利用/覆被等因素对水文过程变化的影响;这个时期的模型还主要表现在以模拟水量为主,无法模拟污染物等的迁移。
虽然这些模型考虑的因素较粗,模拟精度不足,但在资料不完善地区仍然应用广泛。
SWAT模型研究进展
结课论文2019-2020学年第一学期课程名称：产汇流理论论文题目：SWAT模型国内外研究进展学院：水文水资源学院专业：水文学及水资源班级：水文二班学生姓名：刘涛学号：191301010085指导教师：石朋SWAT模型国内外研究进展流域水文模型是为了模拟地球中各种水文现象而建立的一种实体与数学框架，是对水文现象的一种简化描述。
如美国的“斯坦福模型”（Stanford）及“萨克拉门托模型”（Sacramento）、日本的纯数学模型——“坦克模型”（Tank）、中国具有分层、分水源、分块的概念性水文模型——“新安江模型”。
流域水文模型中，由于集总式水文模型缺乏对流域内水文现象的考虑，无法满足精确的满足当地水资源的优化配置，因此具有物理基础且更加精确的分布式水文模型诞生了。
从全世界来看，目前使用最广泛的是由美国农业部于1988年成功研发的SWAT分布式水文模型，并在此之后的数十年内不断将水文、气候、土壤、土地利用和植被生长等模块添加到该模型当中，使得SWAT分布式水文模型在全世界内广泛使用[14]。
SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型主要用于模拟预测各种管理措施及气候变化对水资源供给的影响，评价流域非点源污染现象[15]。
该模型在模拟水文现象过程中主要包括两个部分：陆面部分（流域产流及坡面汇流）、水面部分（河道汇流）。
陆面部分模拟任一个子流域的产流、产沙、化学物质等的输入量；水面过程控制着任一子流域在出口断面的水、沙等物质的输出量。
SWAT模型自开发以来在美国、欧洲、亚洲和澳洲等地区都有许多应用实例，并在应用中得到了不断发展[16]。
该模型的一个最大特点是公开源代码，各位学者能够很方便的在SWAT网站上下载最新的程序，并会在网站上及时公布修改过的新的源代码，世界各地的学者可以在SWAT模型论坛上讨论自己所遇到的问题，大大加快了模型的更新速度，使得其发展十分迅速，并被广泛使用。
《2024年SWAT分布式流域水文物理模型的改进及应用研究》范文
《SWAT分布式流域水文物理模型的改进及应用研究》篇一一、引言随着全球气候变化和人类活动的不断加剧，流域水文过程的研究变得日益重要。
分布式流域水文模型作为研究流域水文过程的重要工具，对于理解流域水文循环、水资源管理、洪水预测和生态环境保护等方面具有重要意义。
SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型作为一种分布式流域水文物理模型，因其强大的物理基础和广泛的适用性，受到了广泛关注。
然而，SWAT模型在实际应用中仍存在一些不足和局限性。
因此，本文旨在研究SWAT模型的改进方法及其在流域水文过程中的应用。
二、SWAT模型概述SWAT模型是一种基于物理过程的分布式流域水文模型，可模拟流域内的水文循环过程，包括降雨、径流、蒸发、地下水运动等。
SWAT模型将流域划分为多个子流域，根据子流域的土壤类型、植被覆盖、地形地貌等特征，计算各子流域的水文过程。
SWAT模型具有较高的物理基础和较强的可操作性，已被广泛应用于全球各地的流域水文研究中。
三、SWAT模型的改进方法尽管SWAT模型具有诸多优点，但在实际应用中仍存在一些不足。
为了进一步提高SWAT模型的模拟精度和适用性，本文提出以下改进方法：1. 优化模型参数：通过引入新的参数优化算法，如遗传算法、粒子群优化算法等，优化SWAT模型的参数，提高模型的模拟精度。
2. 引入新的数据源：利用遥感数据、地理信息系统数据等新的数据源，提高SWAT模型的空间分辨率和时间分辨率，更好地反映流域内水文过程的时空变化。
3. 考虑人类活动影响：在模型中引入人类活动因素，如土地利用变化、水利工程等，以更准确地反映人类活动对流域水文过程的影响。
4. 完善模型物理机制：针对SWAT模型中存在的物理机制不足，如地下水运动模拟、溶质运移模拟等，进行深入研究和改进，以提高模型的模拟精度和适用性。
四、SWAT模型的应用研究经过改进的SWAT模型可广泛应用于以下领域：1. 水资源管理：通过模拟流域内的水文循环过程，评估流域内的水资源状况，为水资源管理和保护提供科学依据。
水文模型研究综述_陈仁升
中 国 沙 漠 23 卷 222
发展历程作一概述 。 2. 1 径流过程模型 2. 1. 1 土壤水分迁移模型 影响土壤水分迁移的因素有土壤特性 、气候因 子、 水文要素 、 土地利用要素和管理要素等 。 土壤水 分迁移模型的发展经历了从考虑少量要素的简单模 型到包括多个要素的复杂模型的阶段 , 经历了以简 单的水量平衡为基础的模型[ 15 ～ 17] 到以能水平衡为 基础的动力学模型 的阶段 , 经历了从以单点试 验为基础的简单模型到应用遥感等新技术为基础的 分布式模型[ 20 , 21] 的阶段 。 2. 1. 2 坡面过程模型 坡面过程模拟属于山坡水文学的研究范畴 。 早期的坡面过程模拟主要应用 Ho rt on 模型 , 后来逐 渐考虑森林对水文过程的影响[ 11 ～ 13] 。 以后的研究 不仅考虑坡面流 , 而且考虑壤中流和地下水之间的 相互作用 , 考虑土壤势在各种土壤空隙下的变 化[ 24 , 25] 。 当前坡面过程研究更将土壤动力模式与 植被截留联系起来 , 主要考虑物理过程研究[ 26] , 有 时也应用统计模式 。 2. 1. 3 降水模型 传统的单点降水观测经过校正后[ 27] , 其观测数 据是基本可靠的 , 关键是面降水量的准确定量 。 在径 流过程模拟中 , 降水模型也主要体现在面降水量的推 求上 。 传统的面降水量的计算方法如算术平均法 、 泰 森多边形法 、距离权函数法 、三角形法 、 等值线法 、 等 高线法等 , 都具有人为武断的特点 , 因此影响了计算 精度 。 降雨雷达的使用 , 提高了面降水量的计算精 度 。 但是由于系统误差及自然因素如风速等的影响 , 该方法计算的降水量也需校正 。 在这方面的研究主 要有 Battan 、 Greene 2. 1. 4 蒸散发模型
[ 28 ] [ 29 ] [ 22 , 23] [ 14] [ 18 , 19]
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斯坦福流域水文模型SWMM研究综述摘要：自然界的水文现象,是一种多因素相互作用的复杂过程,由于其形成机理还不完全清楚,水文模型成为一种研究复杂水文现象的重要工具。
本文在在查阅文献的基础上,从斯坦福流域水文模型，国内外 SWMM 研究进展，斯坦福模型主要组成，其他流域水文模型的研究进展个方面对斯坦福模型的研究现状及进展进行了整理和分析，并在此基础上探讨了流域水文模型研究的发展趋势。
关于流域水文模型的研究成果有目共睹，但仍需要深入研究。
总之,流域水文模型与GIS、遥感技术的结合越来越多的受到重视,必将成为今后研究中的一个主要方面。
关键词：斯坦福流域水文模型；综述；研究进展；1.斯坦福流域水文模型流域水文模型的起源是从水文预报模型开始的,即降雨-径流模型。
1932年Sherman用叠加原理提出了单位线模型，单位线模型统治水文界20多年。
随后Nash和Dooge对单位过程线进行了改进,提出了连续变化的暴雨响应模型。
第一个真正的流域水文模型就是1959年Linsley&Crawford开发的斯坦福流域水文模型，并经过改进和扩展,于1966年发展了SWM-IV。
属于概念性集总式水文模型,将整个流域看作一个整体,不考虑流域内的空间变化,数据输入、流域特征描述(土壤类型、土地利用和坡度)通常采用平均值。
这个时期的水文模型应用计算机模拟水循环系统,而不是简单地利用数学公式计算洪峰和降雨-径流关系。
模型已可以模拟降雨、截留、入渗、蒸散发、河道流等水文过程,但模型中的参数大都缺乏明确的物理意义,以经验公式为主,不能反映流域水文过程空间上分散性输入和集中性输出的特点,且模型参数对水文实测资料的依赖性很大,无法模拟产汇流的空间分布规律,以及气候变化、土地利用/覆被等因素对水文过程变化的影响;这个时期的模型还主要表现在以模拟水量为主,无法模拟污染物等的迁移。
虽然这些模型考虑的因素较粗,模拟精度不足,但在资料不完善地区仍然应用广泛。
HSPF模型是在斯坦福模型(Stanford-IV)的基础上发展萨克模型是集总参数型的连续运算的确定性流域水文模型,是在第IV斯坦福模型基础上改进和发展的。
2.国内外SWMM研究进展2.1国外SWMM 研究进展SWMM 是由美国环保局于 1971 年推出的，在世界各地获得了广泛的关注，为降雨径流方面的研究提供了可靠的技术支持，并且应用在面源污染负荷计算、城市防洪、雨洪调蓄、径流计算、雨水利用等方面。
1975 年 Marsalek等人对美国3 个流域内的12 场暴雨事件进行研究，结果表明 SWMM 模型、TRRL模型和 UCURM 模型在典型小流域模拟中的结果与实测径流较为接近。
2001 年 ZaghloulN A 等人运用人工神经网络 ANN 对 SWMM 模型的参数敏感性进行模拟分析研究。
同年 Steven JBurian 等运用 SWMM 模型对西班牙桑坦德市降雨径流水质进行预测研究。
2002 年 Patrick L Bre-zonik 等人对美国明尼苏达州双城大都会区域的暴雨径流量、污染负荷量和污染物浓度进行分析。
同年 Sands等人对 1999 年 8 月26 日曾发生的洪水淹没纽约事件运用 SWMM 模型进行了相关模拟分析。
2.2.国内SWMM 研究进展国内对于 SWMM 模型的研究虽然相对比较晚，但是发展迅速。
2001 年刘俊和徐向阳等人引进了美国 SWMM 模型，并且以天津市区某二级河道为研究对象进行了排涝模拟的实验，计算出了市区内相关的控制断面出流的过程。
2006 年任伯帜等人采用了 SWMM 模型对长沙市霞凝港区的 3 场降雨径流过程进行了模拟分析。
同年丛翔宇等人以 SWMM 模型为基础，选取了北京市的典型小区，研究在不同的暴雨条件下，小区的排水情况，积水的问题以及形成道路坡面流等情况。
2008 年黄卡等人，运用 SWMM 模型，结合广州新白云机场的实际资料，率定各相关的参数。
同年董欣等人以城市不透水的地区为研究对象，运用 SWMM模型进行地表径流模拟实验，并对参数进行识别与验证。
赵冬泉等人基于地理信息系统利用SWMM 模型对城市排水管网进行构建，并在澳门进行应用与案例分析。
2009 年陈鑫等人运用SWMM 模型对郑州市区某区域进行了模拟研究。
2010 年黄卡应用 SWMM 模型在南宁心圩江模拟设计洪水。
2012 年马晓宇等人以城市住宅区产生的非点源污染负荷为研究对象利用 SWMM 模型进行了模拟计算。
3.斯坦福模型主要组成3.1 SWM-IV模型简介：第IV号斯坦福流域水文模型(SWMIV)，是世界上最早最著名的流域水文模型，是一种确定性模型，是用数学方法模拟水文物理现象的模型。
斯坦福模型的研制，从1959开始，到1966年完成第IV号模型，一共用了8年时间。
主要研制人是N.H.克劳福持和R.K.林斯雷。
物理概念明确，模型结构环环相扣，层次鲜明。
小流域采用集总模型方式，大流域采用分块模型方式。
斯坦福模型的建立以水量平衡为基础: 4个蓄水层：上土壤层蓄积、下土壤层蓄积、地下水（浅层）蓄积和深层地下水蓄积。
壤中流滞蓄和坡面滞蓄只是临时性蓄积。
模型中河川径流来源：不透水面积上的直接径流；坡面漫流；壤中流；浅层地下水。
蒸散发来源：融雪蓄积；截留蓄积；上土壤层蓄积；下土壤层蓄积；地下水蓄积；河湖表面。
模型是逐时段连续演算的模型。
演算时段不能太长，否则，时段内的各项物理过程变化太大。
SWMIV采用15min或1h作演算时段。
3.2斯坦福流域水文模型的组成(1)流域（或每一分块）平均降雨量用流域代表性测站雨量乘上一个常数，此常数等于多年平均的流域平均年雨量与该测站多年平均年雨量之比。
这对模拟年、月径流量是合适的，对于雨洪的模拟，国内多采用泰森多边形法。
等雨量法(2)不透水面积流域不透水面积，主要指河槽（包括直接连通的湖泊）及与河槽毗连的不透水面积。
这部分面积上的降雨没有损失，直接注入河槽。
水流畅通的河、湖表面面积上的降雨也直接注入河槽，但有蒸发损失。
共同特点：没有下渗损失，一般面积较小，大多数乡村流域不超过1%-2%，城市可以大于20%。
不透水面积这一参数用A表示，指不透水面积与流域总面积之比。
可分为有效不透水面积无效不透水面积：降雨不能直接形成径流的，如路面、屋顶、池塘、不汇入河槽的湖泊，不算入模型的不透水面积。
在雨小时，因无截留损失，不透水面积上的降雨是径流的唯一来源。
（3）植物截留在透水面积上发生，形成截留蓄积，最终消失于蒸发。
截留蓄积：植物枝叶表面可以截住一部分雨水，被截住的这部分雨水停于枝叶表面上，称为截留蓄积。
截留容量（EPXM）：截留蓄积的极限值。
一般为0～5mm。
假定降雨满足截流蓄积后才产生落地雨，流域平均的时段落地雨量用 X表示（4）落地雨i）计算中要求获得的数据：时段截留蒸发量EPX，时段截留蒸发后剩余的蒸散发能力E0（临时变量），时段末截留蓄积量EPXX2，落地雨Xii）计算中所用其它符号P 时段降雨量E 时段蒸散发能力EPXM 截留容量EPXX1 时段初的截留蓄积EPXX0 初算的时段末截留蓄积iii）分三种情况计算① EPXX1+P<E 时：EPX=EPXX1+PEO=E-(EPXX1+P)EPXX2=0落地雨=0② EPXX1+P=E 时：EPX=E; EO=0; EPXX2=0;落地雨=0③ EPXX1+P>E 时：EPX=E; EO=0;EPXXO=EPXX1+P-E,又可分为：EPXXO<EPXM：则EPXX2=EPXXO,落地雨=0EPXXO=EPXM：则EPXX2=EPXM,落地雨=0EPXXO>EPXM：则EPXX2=EPXM,落地雨=EPXXO-EPXM由此可见，只有最后一种情况才会产生落地雨。
（5）直接下渗模型中对下渗模拟，分直接下渗和滞后下渗两部分。
我们讨论的是直接下渗，落地雨去路：i）形成地表滞蓄增量可能产流ii）形成壤中流滞蓄增量可能产流iii）直接下渗IND可能产流模型假定任何时间的下渗容量在整个流域上是不相同的，并假定是按直线变化斯坦福模型中所采用的下渗函数和壤中流函数（6）蒸散发蒸散发以蒸散发能力所具有的强度从截留蓄积和上土壤层蓄积中产生。
蒸散发能力：蒸发能力等于河湖表面蒸发能量或其他的水体蒸发量，当只有蒸发皿时，可以乘以一个系数。
蒸发皿只有日数据，需转为时段的：Moore & Claborn用偏态正弦曲线（日出30min至日落1小时之间）1、截留蓄积的蒸发量E截按蒸散发能力进行。
较少时有多少蒸发多少。
2、上土壤层蓄积的蒸散发量E上截留蒸发不能满足蒸散发能力时，由上土壤层蒸散发来继续满足。
3、下土壤层蓄积的蒸散发量E下，上土壤层仍不能满足时，由下土壤层蒸散发来继续满足。
4.其他流域水文模型的研究进展流域水文模型的研究始于20世纪50年代,在这之前,水文模拟及水文分析计算多是针对某一水文环节进行、随着计算机技术的发展,人们开始把水文循环作为一个整体,在大的空间尺度卜进行系统的研究,井在50年代后期提出了流域水文模型的概念。
在70年代到80年代中期,由丁国际水文十年和国际水文计划的相继实施,流域水文模型的研究取得了重人突破,一些比较著名的模型,如美国的斯坦福(Sanford)流域水文模型和萨克拉门托(Sacramento)模型,日本的水箱(Tank)模型,SHE模型以及我国的新安江模型等都形成丁这一时期。
80年代后期至今,全世界范围内流域水文模型的研究进展缓慢,主要是利用伴随先进的计算机技术出现的地理信息系统、数字化高程模型等对原有流域水文模型作一些修改和完善,如MIKESHE模型等,但理论卜并无大的突破。
流域水文模型出现的必然性众所周知,探索流域径流形成规律的基本途径除对原型进行观测研究外,还有物理模拟和数学模拟两类。
物理模拟是一种比例尺模拟,即将研究对象的原型按一定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。
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,然后用数学方法进行求解,从而获得各种情况下流域降雨与径流之间的定量关系。
与物理模型相比,数学模型的优点是:(1)数学模型的所有条件都可以由原型所观测到的数据直接给出,不受比尺的限制,即数学模型无相似律问题。
(2)数学模型的边界条件及其它条件既可严格控制,也可随时按实际需要改变。
象是随机过程,研究方法是概率论与微分方程论的结合,给出的解是随机过程或其某些统计特征值。
随机微分方程统一处理了包括在一种物理过程内的确定规律部分和随机性规律部分,能够将流域水文模型的计算结果和模型的随机误差统一在一起考虑,这种新的建模手段是值得深入探讨的。