计算水文学与水文模拟答案2019

一、阐述水文模拟中蒸散发及实际蒸散发计算的主要方法。

1流域蒸散发：流域上不同蒸发面(水面、裸土、岩石、植被等)的蒸发和散发总称为流域蒸散发。

蒸散量的计算方法：
（1）野外试验方法(水面蒸发观测、蒸渗仪试验、气孔计蒸腾测量以及活枝离体称重法等)（小尺度）
（2）流域水量平衡法。

（较大尺度）
（3）热力学和空气动力学原理为基础的质量输送法、空气动力学法、能量平衡法、Penman 综合法、辐射一气温相关法等
2 实际蒸散发的估算：
关于实际蒸散发的估算方法有多种，主要包括：水量平衡法、水热平衡法、互补相关法和遥感法等。

(1)水量平衡法：根据水量平衡原理，对于一个闭合流域，其水量平衡方程
式中：P 、E 、R 、ΔW ——流域降水量、蒸散发量、径流量和蓄水量变化值，mm 。

对于多年平均情况，流域蓄水量变化值趋于0，因此，流域水量平衡方程可简化为：
R P E -=
(2)概念性模型中常用的方法
实际蒸发是潜在蒸发和土壤干燥程度的函数。

基本形式：()SMC SMT f ET AET ∙=
（3）水热平衡法：综合考虑水量和热量的平衡关系计算流域蒸散发的方法，经常使用的几种基于水热平衡的蒸散发计算公式包括：Schreiber 公式、OL ’dekop 公式、Budyko 公式、傅抱璞公式和Zhang L.公式等。

(4)互补相关法：
a. Bouchet 认为，可能蒸散发的大小取决于实际蒸散发，即实际蒸散发是因，可能蒸散发是果。

实际蒸散发与可能蒸散发成反比。

b. Morton 用大量的实验数据证明了局地蒸发潜力与实际蒸散发之间的互补相关确实存在，而且两者成负指数关系。

(5)遥感（RS ）法
目前，利用遥感研究蒸散发的方法有很多，可概况为以下三种：
a.统计模型。

b.物理模型。

c.数值模型。

d.全遥感信息模型
二、主要的下渗模型
1、近似理论模型
（1）格林安普特模型
又称活塞模型，模型研究的是初始干燥的土壤在薄层积水时的入渗问题。

基本假定：入渗时存在明确的水平湿润锋面，将湿润和未湿润的区域截然分开。

W R E P ∆=--
K 有效水力传导度，F 累积入渗量，Sf 湿润锋面的有效吸力， 土壤孔隙率， 初始含水量，
（2）菲利普公式：建立在包气带中水动力平衡和质量守恒原理的基础上，考虑均质土壤、起始含水量均匀分布及充分供水等条件
f 下渗率，S 吸收率，A 经验参数，在0.33Ks~1Ks 之间，Ks 为土壤饱和水力传导 2经验模型
（1）霍顿公式：结构简单，在充分供水条件下与实际资料配合较好，至今仍被广泛应用。

反映了下渗强度随时间递减，并最终趋于稳定下渗。

Horton 模型公式只适用于有效降雨强度大于稳定下渗率的情况，其中的三个参数必须根据实测资料来率定。

f p= f 0+( f 0- f c )e -kt
f 0 ——暴雨开始时的最大下渗率；f c ——稳定下渗率；k ——经验参数；t — —时间
（2）霍尔坦公式：认为下渗率是土壤缺水量的函数，应用比较少，认为土壤蓄水量、与地面相通的孔隙以及根茎作用是影响入渗能力的主要因素，并给出修正后的公式(Holtan 和Lopez,1971)
式中：f ——下渗率；f c ——稳定下渗率；GI ——作物生长指数，在生长季节中从0.1
变化到1.0；
A ——下渗能力与有效蓄水量的1.4次方之比值；Sa ——是地表层有效蓄水量。

（3）考斯加柯夫公式：主要用于灌溉情况，它需要一组实测下渗资料以率定参数。

在水文模拟中用得比较少，现在农田水文中用到
K ，a 经验参数，取决于土壤和初始条件
3、霍顿产流机制与山坡水文学产流机制的主要特征及相互关系。

① 霍顿产流机制：
（1）发生地点：干旱和半干旱地区，植被稀少，土壤包气带薄，硬质表层荒地和
冻土等地区
（2）降雨径流由地面径流和地下径流两部分组成
（3）降雨强度超过地面下渗能力，超渗形成地面径流。

（4）包气带缺水量得到满足，达到田间持水量，从而稳定下渗，形成地下径流。

② 山坡水文学产流机制：
（1）发生地点：湿润地区，植被良好，有很厚的腐殖土层，下渗能力很大，很难超渗。

（2）在两种透水性有差别的土层形成的相对不透水界面上，可形成临时饱和带，其侧向流动即成为壤中径流；
（3）如果该界面上土层的透水性远远好于其下面土层的透水性，则随着降雨的继续，这种临时饱和带容易向上发展，直至上层土壤全部达到饱和含水量，这时如仍有降雨补给，则将出现地面径流现象。

（4）在流域面上的分布具有不均匀性
山坡水文学产流理论使得人们对自然界复杂的产流有了更深入的认识，是对霍顿产流理论的重要补充，克服了“超渗”和“蓄满”两种产流机制忽略的地形坡度、土层各向异性、非饱和侧向流对产流的影响之不足。

也解决了霍顿产流机制不能很好解释湿润地区径流形成的过程。

4、水文模拟、水文模型分类、建模过程
（1）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）。

（2）水文模型分类
1）按照水文现象的成因规律分类，可分为确定性水文模型和随机性水文模型
2）按照模型的性质分类，可分为概念性模型和系统模型、
3）按照水流运动的空间变化分类，可分为集总式流域水文模型和分布式流域水文模型
4）按照时空尺度分类，可分为时段水文模型和月、日水文模型
（3）建模过程研制水文模型的基本步骤
1)分析流域径流形成机制，提出模型中应包含的各分量，并研究如何考虑它们的时空分布，从而确定模型的总体结构；
2)建立各分量的数学函数式，并建立各分量间定量关系的数学表达式，由此便可确定模型中应有哪些参数；
3)确定参数的优选方法；
4)绘制计算框图；
5)编制模型运算的计算机程序，
6)用多个流域的实测水文、气象资料对模型进行检验，并对模型的总体结构和各分量微结构进行调整，以便最后制成一个机制上合理、精度高且运算简便的实用模型。

由此可见；建模的过程就是对流域径流形成机制的认识逐步深化的过程，也是对用数学方法模拟径流形成的反复实践的过程。

5、新安江模型
新安江模型是一个分块式的概念性流域降雨径流模数型，可以用于湿润地区和半湿润地区的湿润季节。

模型的总结构：小流域为集总模型，大面积流域为分块模型。

分块模型把流域分成许多块单元流域，对每个单元流域做产汇流计算，可以得到单元流域的出口流量过程。

再进行出口以下的河道洪水演算，并得流域的流量过程。

把每个单元流域的出流过程相加，就求得了流域出口的总出流过程。

二水源模型结构：地表径流、地下径流
三水源模型结构：地面径流、壤中流、地下径流
新安江模型按照三层蒸散发模型计算流域蒸散发，按蓄满产流概念计算降雨产生的总径流量，采用流域蓄水曲线考虑下垫面不均匀对产流面积变化的影响。

在径流成分划分方面，对三水源情况，按“山坡水文学”产流理论用一个具有有限容积和测孔、底孔的自由水蓄水库把总径流划分为饱和地面径流、壤中流和地下径流。

在汇流计算方面，单元面积的地面径流汇流一般采用单位线法，壤中流和地下径流的汇流采用线型水库法。

河网汇流一般采用分段连续演算的马斯京根法或滞时演算法。

新安江模型的参数按照物理意义分为4层：（1）蒸散发参数：K、WUM、WLM、C；(2)产流量参数：WM、B、IMP；(3)水源划分参数：SM、EX、KSS、KG；(4)汇流参数：KKSS、KKG、CS、L。

参数的率定可以按照蒸散发～产流～分水源～汇流的次序进行，各类参数基本上是相互独立的。

按照以下次序率定参数。

1) 三水源新安江模型主要参数及意义
(1)蒸散发参数：K、WUM、WLM、C
K为蒸散发能力折算系数，是指流域蒸散发能力与实测水面蒸发值之比。

WUM为上层蓄水容量，它包括植物截留量。

WLM为下层蓄水容量。

C为深层蒸散发系数。

(2)产流量参数：WM、B、IMP
WM为流域蓄水容量，是流域干旱程度的指标。

B为蓄水容量曲线的方次。

IMP为不透水面积占全流域面积之比。

(3)水源划分参数：SM、EX、KSS、KG
SM为流域平均自由水蓄水容量；EX为自由水蓄水容量曲线指数，它表示自由水容量分布不均匀性。

KSS为自由水蓄水库对壤中流的出流系数，KG为自由水蓄水库对地下径流出流系数，这两个出流系数是并联的，其和代表着自由水出流的快慢。

(4)汇流参数：KKSS、KKG、CS、L
KKSS为壤中流水库的消退系数。

KKG为地下水库的消退系数。

CS为河网蓄水消退系数，L为滞时，它们决定于河网地貌
2) 二水源三水源的意义：
二水源模型包括地表水和地下水的作用，由于没有考虑壤中流作用，故在壤中流丰富流域常常得不到好的模拟结果。

三水源模型认为土壤中水有张力水（田间持水量以下的水）和自由水（田间持水量以上的水）之分。

二水源模型只考虑了张力水的调蓄作用，没有考虑自由水的调蓄作用。

因此，新三模型中增加了一个自由水蓄水库，把总径流划分成三种水源：地面径流、壤中流、地下径流，代替新二模型中用稳定下渗量划分水源的办法。

6、参数率定的方法，日模率定和次洪模型人工率定的基本顺序
模型参数的优化决定了模型的拟合精度。

调整参数使模型拟合实测资料最好，即达到最优化成为模型率定。

人工率定：试错法。

半自动率定。

自动率定：以模拟值与实测值差别最小为目标，采用数学算法
参数率定（日模型）
(1)定出各参数的初始值。

(2)比较多年总径流。

这是最基本的水量平衡校核。

如有误差，要首先修改K值，K是影响蒸发计算最大的参数。

冬季蒸发不可能用E601观测，则应考虑把分为冬、夏各月定
为不同的数值。

(3)多年总水量基本平衡后，再比较每年的径流，看很干旱的年与湿润年份有无系统误差。

如有应调整WUM、WLM和C。

WUM减小将使少雨季节的蒸发减少，而对于很干旱的季节则无影响。

WLM的作用与此相仿。

加大C值将使很干旱的季节的蒸散发增大，而对于有雨季节则无此影响。

在北方半湿润地区可以找到干旱年份与湿润年份之间的系统误差，而在南方湿润地区则不易找到。

(4)如上述差别并不明显，则应比较年内干旱季与湿润季之间的差别。

在南方，主要是
伏旱季的蒸散发计算是否正确的问题。

如伏旱以后的初次洪水具有系统误差，例如，各年中这种洪水的计算值都偏大，则应调整WUM、WLM和值C，使基本符合。

如果在计算中发现值在久旱后W出现负值，则应加大WM，不改变WUM和WLM。

在计算中当为负值时以零处理是不对的，它破坏了产流量计算的前提。

新安江模型是蓄满型，只要蒸散发计算基本正确了，产流总量的精度也就有保证了。

一般流域，有80%左右的年份的年径流误差在7%以下是可能做到的。

(5)比较枯季地下径流。

如有系统偏大偏小，则应调整KSS、KG，调整地下径流、壤中流的比重。

如有系统偏快偏慢，则应调整kkss、kkg，以改变汇流速度
参数率定（次洪模型）：调试时通常以洪水总量、洪峰值及峰现时间按允许误差统计合
格率最高为目标函数。

(1)比较洪水径流总量。

影响计算次洪径流总量的主要因素除降
雨外显然是流域初始含水量W0，但当已确定的情况下，可通过调整水源的比重来影响计算次洪径流量，可调整SM和KG，两个参数数值越大，地下径流的比重越大，使次洪径流量减少。

(2)比较洪峰值。

洪峰流量主要由地面径流和壤中流组成，主要取决于SM、KKSS、CS等参数，当SM确定后，调整KKSS和CS等参数，尤其CS是对洪峰起着很大
的作用。

(3)如果流量过程现出现整体的提前，主要调整L。

7、斯坦福水文模型的主要输入及模型结构
主要输入量从降水、蒸散发能力、辐射、温度这四个角度考虑，可分为：
1) 各种起始条件，如初始土壤含水量；
2) 气候因素，降水、蒸发、温度、辐射；
3) 河川径流资料，逐时段流量、逐日；
4) 等流时面积柱状图；
5) 模型参数。

模型结构：
8、BASINS软件及HSPF模型主要组成模块及其功能
平台式系统BASINS是一套基于GIS技术的整合式平台，内嵌了HSPF、SWAT、PLOAD、AGWA 等水文模型和工具分析软件（WDMUtil）、决策支持分析工具（GenScn）等辅助工具。

1）BASINS GIS：表征地形、地貌、覆被特征，并设定参数，提取河段信息，完成水文响应单元准备，为内嵌的SWAT、HSPF等水文模型提供完备的空间属性数据信息。

2）WDMUtil：时间序列文件的检验、运行以及WDM文件的生成。

管理WDM文件，分解合成新的时间序列，可以填补、完善原有序列中缺失的数据。

3）GenScn工具：产生模拟情景分析模型可交互式提供改变输入序列的能力，能运行水文模型、观察绘图形式的结果，便于对输出结果的分析整理和数据的宏观把握，在模型参数调整时作为主要参考。

HSPF模型的内部主模块包括以下四个部分：
1）透水地段水文水质模拟模块(PERLND)：
①ATEMP,不同高度的气温校正
②SNOW,模拟雪的积累转化过程
③PWATER,模拟水的收支变化过程
④SEDMNT,模拟泥沙的迁移转化过程
⑤PSTEMP,模拟土壤温度
⑥PWTGAS,模拟水温和溶解气体浓度
⑦PQUAL,利用污染物与泥沙的简单关系模拟污染物浓度
⑧MSTLAY,估算土壤湿度和土壤中输送的溶解物比例
⑨PEST,详细模拟农药的迁移转化过程
⑩NITR,模拟含氮物质的迁移转化过程
⑪PHOS,模拟含磷物质的迁移转化过程
⑫TRACER,模拟保守性物质迁移转化过程
⑬PPTOT,将输出点数据放入INPAD
⑭PBAROT,将输出平均数据放入INPAD
⑮PPRINT,生成可显示的输出数据
2）不透水地段水文水质模拟模块(IMPLND)：
①ATEMP,根据海拔变化进行温度修正
②SNOW,模拟冰雪的蓄积和消融过程
③IWATER,模拟非透水地段水收支变化
④SOLIDS,模拟固体物质的蓄积和运移
⑤IWTGAS,模拟水温以及溶解气体浓度
⑥IQUAL,根据沉淀物与产沙量的简单关系模拟水质
⑦IPTOT,将输出点数据放入INPAD
⑧IBAROT,将输出平均数据放入INPAD
⑨IPRINT,生成可显示的输出数据
3）河流水库水文水质模拟模块(RCHRES)：
①HYDR,水体中流体力学特性
②ADCALC,为模拟河水纵向运动和物质运动提供参数
③CONS,模拟稳定物质迁移沉积过程
④ADVECT,模拟水平对流中物质的迁移
⑤HTRCH,模拟热量交换以及河水温度
⑥SEDTRN,模拟无机沉积物的迁移沉淀
⑦GQUAL,模拟普通组分的水力学行为
⑧RQUAL,模拟生物化学组分发生转化及水力学行为
⑨RPTOT,将输出点数据放入INPAD
⑩RBAROT,将输出平均数据放入INPAD
⑪RPRINT,生成可显示的输出数据
4）辅助模块：序列数据转换模块(COPY)、序列数据写入模块(PLTGEN) 、序列数据运行模块(GENER)及优化管理模块(BMP)。

HSPF模型提供水解、氧化、光解、生物降解、挥发和吸收等化学作用模式，并结合水动力学实现砂、粉砂和粘土三种沉积物以及BOD 、DO、氮、磷、农药等多种污染物的地表径流、壤中流过程和蓄积、迁移、转化的综合模拟。

9.TOPMODEL地形指数及变动源面积的含义
（1）地形指数是影响径流响应的重要因子，决定重力作用下流域中水分运动的趋势；体现了土壤湿度、地表饱和度的空间分布和径流生成的过程；作为水文响应单元来反映径流运动的分布规律，不论空间位置的水文单元，只要有着相同地形指数，其水文学特性就相似。

(2)变动源面积的含义是坡面流只在整个流域的在降雨事件中地下水位上升至地表的饱和区域产生，此时降落到这个饱和区域上的降水将形成直接径流。

在整个降水过程中，源面积是不断变化的，流域源面积的位置受流域地形和土壤水力特性的影响。

饱和区域土壤水力传导性差、坡面平缓，一般位于河道附近，随着下渗的持续，饱和区域向河道两边的坡面延伸，在一定意义上，变动源面积可看作是河道系统的延伸。

在变动源面积的概念中，饱和区域上形成的径流有两种方式：饱和坡面流和壤中流。

10、介绍一种分布式水文模型主要原理及其主要特点，分析其应用领域并论述其应用效果
MIKE SHE模型是在SHE模型基础上进一步发展起来的模型系统，是一个综合性、确定性且具有物理意义的分布式水文系统模型。

与SHE 相比，MIKE SHE增加了溶质的对流和扩散模块、地球化学过程模块、作物生长和根系氮的运行模块、土壤侵蚀模块、双相介质的孔隙模块以及灌溉模块。

主要原理：由于流域下垫面和气候因素具有时空异质性，为了提高模拟的精度，MIKE SHE通常将研究流域在水平方向上，划分成一系列的相互联系的单元，各自具有不同的物理参数，而在垂直方向上又被划分成若干层，包括冠层、不饱和层和饱和层。

它反应的流域水文过程主要包括降水、蒸散发、含植物冠层截留、地表汇流、河道汇流、非饱和壤中流和饱和地下径流等过程，每一个子过程分别进行建模。

主要特点：（1）高度灵活性。

包括简单和高级过程描述，充分提高计算效率；灵活的模块结构；轻松链接区域性和局部性的模型。

（2）通用性。

可链接ArcView进行GIS高级应用：包括可替代过程描述，用于不同应用；包含一个与MODFLOW和MODFLOW-HMS的接口。

（3）简单操作性。

MIKE SHE带有一个新的先进的用户界面，可以链接原始数据而不是输入数据；包含一个动态数据树，可以精确浏览所以数据；带有自动的数据和模型验证程序；支持复杂输出，包括动画演示。

应用领域：流域规划、供水、灌溉和排水、污水排放点和水污染、农业生产的使用影响、土壤和水资源管理、土地利用变化的影响、气候变化的影响、生态评价应用效果：MIKE SHE的研究已经成熟并在逐步完善，模型的功能非常强大，软件开发非常成熟，能很好地反应流域的水文过程。

但是也有一些困难存在，（1）MIKE SHE
模型需要高精度的流域物理特性数据，这些数据加工成本高，且获取有一定难度。

（2）MIKE SHE是要根据流域的物理特性数据，从物理意义上确定各个单元的模型参数，确定模型参数较困难。

（3）该模型要求更高效的模型算法。