水電能源學(xué)課件

1、水電能源學(xué)課件水電能源學(xué)水水 電電 能能 源源 學(xué)學(xué)20092009年年8 8月月水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)5.1 概述第五章 徑流預(yù)報 在水庫的運行過程中，必須根據(jù)流域徑流的信息，在水庫的運行過程中，必須根據(jù)流域徑流的信息，合理安排發(fā)電和泄洪計劃，做到經(jīng)濟，合理，安全合理安排發(fā)電和泄洪計劃，做到經(jīng)濟，合理，安全運行。水庫調(diào)度的的依據(jù)就是徑流預(yù)報。運行。水庫調(diào)度的的依據(jù)就是徑流預(yù)報。 徑流預(yù)報是根據(jù)流域的水文要素（流量、水位等）徑流預(yù)報是根據(jù)流域的水文要素（流量、水位等）或其影響要素（降雨、溫度等）的過去或現(xiàn)在狀態(tài)，或其影響要素（降雨、溫度等）的過去或現(xiàn)在狀態(tài)，對其未來狀態(tài)做作出

2、估計。對其未來狀態(tài)做作出估計。一、徑流預(yù)報的基本概念一、徑流預(yù)報的基本概念水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 要使發(fā)布的徑流預(yù)報具有實際意義，就必須給要使發(fā)布的徑流預(yù)報具有實際意義，就必須給出正確的預(yù)報值和預(yù)見期。出正確的預(yù)報值和預(yù)見期。 t)(tQmaxQmaxt0tTt 0TttdttQW00)( 下圖為某次洪水預(yù)報過程線。圖中，下圖為某次洪水預(yù)報過程線。圖中， 為當(dāng)前時為當(dāng)前時刻；刻； 為預(yù)見期；為預(yù)見期； 為峰值；為峰值； 為峰值時間。為峰值時間。0tTmaxQmaxt水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 理論預(yù)見期指按照水文要素變化或演變規(guī)律獲理論預(yù)見期指按照水文要素變化或

3、演變規(guī)律獲得的預(yù)見期；得的預(yù)見期； 有效預(yù)見期指在進(jìn)行預(yù)報時，必須從理論預(yù)見有效預(yù)見期指在進(jìn)行預(yù)報時，必須從理論預(yù)見期中扣除信息傳遞和分析計算花費的時間后剩余期中扣除信息傳遞和分析計算花費的時間后剩余的預(yù)見期。的預(yù)見期。 顯然，有效預(yù)見期小于或等于理論預(yù)見期。有顯然，有效預(yù)見期小于或等于理論預(yù)見期。有效預(yù)見期才具有真正的實際意義。效預(yù)見期才具有真正的實際意義。 預(yù)見期有理論預(yù)見期和有效預(yù)見期之分：預(yù)見期有理論預(yù)見期和有效預(yù)見期之分：水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 凡預(yù)報的預(yù)見期小于或等于流域匯流時間的稱為凡預(yù)報的預(yù)見期小于或等于流域匯流時間的稱為短期徑流預(yù)報，否則稱為中長期徑流預(yù)報。

4、短期徑流預(yù)報，否則稱為中長期徑流預(yù)報。 徑流預(yù)報按照預(yù)見期可以分為短期徑流預(yù)報和中徑流預(yù)報按照預(yù)見期可以分為短期徑流預(yù)報和中長期徑流預(yù)報。一般以流域匯流時間為界：長期徑流預(yù)報。一般以流域匯流時間為界：水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 如何提高徑流預(yù)報精度和增長有效預(yù)見期，是徑如何提高徑流預(yù)報精度和增長有效預(yù)見期，是徑流預(yù)報中的兩個重要問題。流預(yù)報中的兩個重要問題。 因此，開展對水文要素變化及演變規(guī)律的研究，因此，開展對水文要素變化及演變規(guī)律的研究，建立精確的預(yù)報方法，以及應(yīng)用包括遙測遙感、信建立精確的預(yù)報方法，以及應(yīng)用包括遙測遙感、信息實時處理等現(xiàn)代化測報技術(shù)是十分必要的。息實時處理等

5、現(xiàn)代化測報技術(shù)是十分必要的。 水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 徑流的形成過程：徑流的形成過程：地面徑流地面徑流壤中徑流壤中徑流地下徑流地下徑流蒸散發(fā)蒸散發(fā)流域蓄水流域蓄水流域降雨流域降雨坡地匯流坡地匯流徑流徑流產(chǎn)流過程產(chǎn)流過程P降雨量蓄水量W蒸散發(fā)損失蒸散發(fā)損失E產(chǎn)流量WEPRQ河網(wǎng)匯流河網(wǎng)匯流GSRRR水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 水文現(xiàn)象是一種非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，它不僅受水文現(xiàn)象是一種非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，它不僅受降雨的時空分布特性的影響，還受流域下墊面、人降雨的時空分布特性的影響，還受流域下墊面、人類活動等因素的影響。因此，多年來水文學(xué)者一直類活動等因素的影響。因此，

6、多年來水文學(xué)者一直在不斷探索和研究，以便揭示水文現(xiàn)象及其發(fā)展變在不斷探索和研究，以便揭示水文現(xiàn)象及其發(fā)展變化規(guī)律。化規(guī)律。二、二、 流域水文模型及其發(fā)展流域水文模型及其發(fā)展水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 但是，至今仍有許多問題沒有解決。在沒有完全但是，至今仍有許多問題沒有解決。在沒有完全弄清楚水文規(guī)律之前，水文學(xué)家總是試圖通過建立弄清楚水文規(guī)律之前，水文學(xué)家總是試圖通過建立模型對水文過程進(jìn)行模擬。在對復(fù)雜的水文過程進(jìn)模型對水文過程進(jìn)行模擬。在對復(fù)雜的水文過程進(jìn)行研究時，水文模型可以認(rèn)為是描述水文現(xiàn)象和水行研究時，水文模型可以認(rèn)為是描述水文現(xiàn)象和水文過程的有效工具。即：流域水文模型是對

7、自然界文過程的有效工具。即：流域水文模型是對自然界中復(fù)雜水文現(xiàn)象的近似模擬，是水文科學(xué)研究的重中復(fù)雜水文現(xiàn)象的近似模擬，是水文科學(xué)研究的重要手段。要手段。 流域水文模型的發(fā)展主要經(jīng)歷了如下三個階段：流域水文模型的發(fā)展主要經(jīng)歷了如下三個階段：水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)1 1、概念、理論的確立以及系統(tǒng)黑箱模型階段、概念、理論的確立以及系統(tǒng)黑箱模型階段 自上世紀(jì)自上世紀(jì)2020年代開始，一批重要的水文原理和計年代開始，一批重要的水文原理和計算方法陸續(xù)出現(xiàn)，如：以達(dá)西定律為代表的非飽和算方法陸續(xù)出現(xiàn)，如：以達(dá)西定律為代表的非飽和土壤水運動方程；以霍頓公式為代表的下滲曲線公土壤水運動方程；

8、以霍頓公式為代表的下滲曲線公式；以彭曼方程為代表的流域蒸散發(fā)計算方法；式；以彭曼方程為代表的流域蒸散發(fā)計算方法；ShermanSherman的單位線法；尤其是的單位線法；尤其是霍頓超滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)霍頓超滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)流概念的提出，使人們認(rèn)識到自然界中存在兩種截流概念的提出，使人們認(rèn)識到自然界中存在兩種截然不同的產(chǎn)流機制。這些理論和方法在實踐中不斷然不同的產(chǎn)流機制。這些理論和方法在實踐中不斷得到發(fā)展和完善，為水文模型的雛形得到發(fā)展和完善，為水文模型的雛形經(jīng)驗性的經(jīng)驗性的“黑箱黑箱”模型亦應(yīng)運而生。模型亦應(yīng)運而生。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)2 2、概念性水文模型階段、概念性水文模型階

9、段 進(jìn)入上世紀(jì)進(jìn)入上世紀(jì)5050年代以后，隨著人們對下滲理論、年代以后，隨著人們對下滲理論、土壤水運動理論和河道水力學(xué)理論認(rèn)識的不斷加深，土壤水運動理論和河道水力學(xué)理論認(rèn)識的不斷加深，以及將計算機技術(shù)引入水文學(xué)研究領(lǐng)域，水文學(xué)家開以及將計算機技術(shù)引入水文學(xué)研究領(lǐng)域，水文學(xué)家開始把水文循環(huán)的整體過程作為一個完整的系統(tǒng)來研究始把水文循環(huán)的整體過程作為一個完整的系統(tǒng)來研究，并于，并于5050年代后期提出了年代后期提出了“流域模型流域模型”的概念。的概念。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 到了上世紀(jì)到了上世紀(jì)5050年代中期至年代中期至8080年代中期，概念性水年代中期，概念性水文模型進(jìn)入蓬勃

10、發(fā)展階段，其中代表性模型有美國文模型進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段，其中代表性模型有美國的的StanfordStanford模型和模型和HEC-1HEC-1模型、日本模型、日本TankTank模型、瑞典模型、瑞典的的HBVHBV模型、我國的新安江模型等。模型、我國的新安江模型等。 概念性模型比經(jīng)驗黑箱模型先進(jìn)，但其最大缺陷概念性模型比經(jīng)驗黑箱模型先進(jìn)，但其最大缺陷是忽略了氣象強迫輸入和地形、土壤、植被等流域是忽略了氣象強迫輸入和地形、土壤、植被等流域下墊面特性的空間不均勻性，且無法給出水文變量下墊面特性的空間不均勻性，且無法給出水文變量在流域內(nèi)的分布，滿足不了規(guī)劃管理和預(yù)報實踐中在流域內(nèi)的分布，滿足不了規(guī)劃

11、管理和預(yù)報實踐中對流域內(nèi)各個位置的水位水量情報的需要。對流域內(nèi)各個位置的水位水量情報的需要。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)3 3、分布式水文模型階段、分布式水文模型階段 上世紀(jì)上世紀(jì)8080年代中期開始，隨著計算機、年代中期開始，隨著計算機、GISGIS和遙和遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，具有一定物理基礎(chǔ)并能反映流感技術(shù)的迅速發(fā)展，具有一定物理基礎(chǔ)并能反映流域內(nèi)各種要素空間異質(zhì)特性的分布域內(nèi)各種要素空間異質(zhì)特性的分布式水文模型開始式水文模型開始興起，國際上較成熟的興起，國際上較成熟的分布分布式水文模型式水文模型有有TOPMODELTOPMODEL、SHESHE、SWATSWAT等。針對我國實況

12、建立具有我國流域特等。針對我國實況建立具有我國流域特色的分布色的分布式水文模型，近式水文模型，近1010年來取得了不少創(chuàng)新性年來取得了不少創(chuàng)新性研究成果。研究成果。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 隨著環(huán)境變化下水文水資源影響問題的日益關(guān)注隨著環(huán)境變化下水文水資源影響問題的日益關(guān)注，現(xiàn)代分布，現(xiàn)代分布式水文模型開始更多地考慮地球生物圈式水文模型開始更多地考慮地球生物圈、全球氣候變化及人類活動的影響，同時對土壤濕、全球氣候變化及人類活動的影響，同時對土壤濕度的側(cè)向分布、產(chǎn)流機制、匯流機制、蒸發(fā)估計等度的側(cè)向分布、產(chǎn)流機制、匯流機制、蒸發(fā)估計等方面的描述更加完善。為改進(jìn)陸面過程模擬，實現(xiàn)方

13、面的描述更加完善。為改進(jìn)陸面過程模擬，實現(xiàn)大氣水文模式的耦合提供了可能。大氣水文模式的耦合提供了可能。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 概念性水文模型用概化的方法表達(dá)流域的水文過概念性水文模型用概化的方法表達(dá)流域的水文過程，雖然有一定的物理基礎(chǔ)，但都是經(jīng)驗性概述。程，雖然有一定的物理基礎(chǔ)，但都是經(jīng)驗性概述。 分布分布式物理模型的參數(shù)具有明確的物理意義，可式物理模型的參數(shù)具有明確的物理意義，可以通過連續(xù)方程和動力方程求解，因而能更準(zhǔn)確地以通過連續(xù)方程和動力方程求解，因而能更準(zhǔn)確地描述水文過程，具有很強的適應(yīng)性，在模擬土地利描述水文過程，具有很強的適應(yīng)性，在模擬土地利用、水土流失變化的水文

14、響應(yīng)及非點源污染、陸面用、水土流失變化的水文響應(yīng)及非點源污染、陸面過程、氣候變化影響評價等方面得到了廣泛應(yīng)用。過程、氣候變化影響評價等方面得到了廣泛應(yīng)用。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 在徑流預(yù)報和水文計算中都需要對大面積以至全在徑流預(yù)報和水文計算中都需要對大面積以至全流域的降水量進(jìn)行計算。流域的降水量進(jìn)行計算。5.2 流域的降水量計算 從降水成因及分類可知，降水在空間的分布是不從降水成因及分類可知，降水在空間的分布是不均勻的，往往某一局部范圍內(nèi)的降雨量相對其周圍均勻的，往往某一局部范圍內(nèi)的降雨量相對其周圍要大，而其它位置的降雨量則隨距離加大而逐漸減要大，而其它位置的降雨量則隨距離加

15、大而逐漸減少。我們將降雨集中處稱為暴雨中心。少。我們將降雨集中處稱為暴雨中心。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 由于暴雨中心在流域上的分布是隨機的，因此需由于暴雨中心在流域上的分布是隨機的，因此需要有足夠多的雨量觀測站捕捉多變的降雨量，才能要有足夠多的雨量觀測站捕捉多變的降雨量，才能較好地反映降雨的空間分布。較好地反映降雨的空間分布。 由于水文工作多以流域為對象，因此所謂降雨量由于水文工作多以流域為對象，因此所謂降雨量，多指流域的平均降雨量。，多指流域的平均降雨量。 根據(jù)雨量觀測站測量的降雨量來估算流域平均降根據(jù)雨量觀測站測量的降雨量來估算流域平均降雨量的方法有算術(shù)平均法和泰森多邊形法

16、等。雨量的方法有算術(shù)平均法和泰森多邊形法等。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)一、算術(shù)平均法一、算術(shù)平均法 設(shè)：在流域上均勻分布了設(shè)：在流域上均勻分布了 個雨量觀測站；在某個雨量觀測站；在某時段第時段第 個雨量觀測站測量的降雨量為個雨量觀測站測量的降雨量為 ；流域的平；流域的平均降雨量為均降雨量為 ，則算術(shù)平均法的計算式為，則算術(shù)平均法的計算式為niiPnP11iPPni 算術(shù)平均法適用于流域內(nèi)地形起伏不大，雨量站算術(shù)平均法適用于流域內(nèi)地形起伏不大，雨量站網(wǎng)分布均勻且較稠密的地區(qū)。網(wǎng)分布均勻且較稠密的地區(qū)。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)二、泰森多邊形法二、泰森多邊形法 泰森多邊

17、形法又稱為垂直平分法。該法是將相鄰泰森多邊形法又稱為垂直平分法。該法是將相鄰雨量站用直線連接成若干三角形，然后對每個三角雨量站用直線連接成若干三角形，然后對每個三角形各邊作垂直平分線，連接這些垂直線的交點，得形各邊作垂直平分線，連接這些垂直線的交點，得若干多邊形，每個多邊形各有一個雨量站。若干多邊形，每個多邊形各有一個雨量站。1a2a3a水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 泰森多邊形法即以此多邊形面積泰森多邊形法即以此多邊形面積 作為該雨量站作為該雨量站所控制的面積，并按下式計算流域的平均降雨量所控制的面積，并按下式計算流域的平均降雨量niiiPaAP11ia 泰森多邊形法適用于雨量站網(wǎng)

18、分布不均勻的流域泰森多邊形法適用于雨量站網(wǎng)分布不均勻的流域。該法假定雨量站點所代表的區(qū)域在不同降雨過程。該法假定雨量站點所代表的區(qū)域在不同降雨過程中視為固定不變，因此與實際降水空間分布不完全中視為固定不變，因此與實際降水空間分布不完全符合。符合。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)5.3 流域的蓄水容量曲線 考察流域上沿垂向的土柱結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，以地考察流域上沿垂向的土柱結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，以地下水面為界，土柱被分為兩個不同的土壤含水帶：下水面為界，土柱被分為兩個不同的土壤含水帶： 地下水面以下，土壤處于飽和含水狀態(tài)，是土壤地下水面以下，土壤處于飽和含水狀態(tài)，是土壤顆粒和水分組成的兩相系統(tǒng)，稱

19、為飽和帶；顆粒和水分組成的兩相系統(tǒng)，稱為飽和帶； 地下水面以上，土壤含水量處于非飽和狀態(tài)，是地下水面以上，土壤含水量處于非飽和狀態(tài)，是土壤顆粒、水分和空氣組成的三相系統(tǒng)，稱為包氣土壤顆粒、水分和空氣組成的三相系統(tǒng)，稱為包氣帶。帶。地下水面地下水面地表地表包氣帶包氣帶飽和帶飽和帶水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 在降雨過程中，流域上產(chǎn)生徑流的區(qū)域稱為產(chǎn)流在降雨過程中，流域上產(chǎn)生徑流的區(qū)域稱為產(chǎn)流區(qū)，其占有的面積稱為產(chǎn)流面積。在降雨過程中，區(qū)，其占有的面積稱為產(chǎn)流面積。在降雨過程中，流域的產(chǎn)流面積變化的。流域的產(chǎn)流面積變化的。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 降雨特性主要指降雨量、

20、降雨強度和降雨的時間降雨特性主要指降雨量、降雨強度和降雨的時間和空間分布；和空間分布； 流域下墊面特性主要指包氣帶的厚薄、土質(zhì)、土流域下墊面特性主要指包氣帶的厚薄、土質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)和土壤濕度等的空間分布。壤結(jié)構(gòu)和土壤濕度等的空間分布。 流域的產(chǎn)流面積的變化與降雨特性和流域下墊面流域的產(chǎn)流面積的變化與降雨特性和流域下墊面特性有關(guān)：特性有關(guān)：水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 蓄水容量曲線是將流域內(nèi)各個點，按照包氣帶蓄蓄水容量曲線是將流域內(nèi)各個點，按照包氣帶蓄水容量的大小排列，所得到的一條蓄水容量和面積水容量的大小排列，所得到的一條蓄水容量和面積關(guān)系的統(tǒng)計曲線關(guān)系的統(tǒng)計曲線 ，如圖。，如圖。)

21、(mWfaFA01mWmmWmmWmmWdWfW0)(1 )(mWfaiaimW,水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 由于蓄水容量曲線實質(zhì)上反映了包氣帶缺水容量由于蓄水容量曲線實質(zhì)上反映了包氣帶缺水容量（張力水容量），因而曲線上（張力水容量），因而曲線上 可當(dāng)作流域上各點缺可當(dāng)作流域上各點缺水容量值，水容量值， 為其中最大值；曲線與坐標(biāo)軸包圍的面為其中最大值；曲線與坐標(biāo)軸包圍的面積積 為全流域缺水容量值。為全流域缺水容量值。 圖中：圖中： 為流域內(nèi)各點包氣帶蓄水容量值，為流域內(nèi)各點包氣帶蓄水容量值，為最大值；為最大值； 為流域各點包氣帶蓄水容量為流域各點包氣帶蓄水容量 的面積的面積；為流

22、域面積。；為流域面積。 AF)(mmWmmWmWmWmmWmW水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 流域的總徑流量（降雨產(chǎn)流量）流域的總徑流量（降雨產(chǎn)流量） 為地面徑流量為地面徑流量與地下徑流量與地下徑流量 之和，即之和，即 。5.4 流域總徑流量的計算 當(dāng)降雨空間分布均勻時，超蓄產(chǎn)流的總徑流量可當(dāng)降雨空間分布均勻時，超蓄產(chǎn)流的總徑流量可根據(jù)蓄水容量曲線確定根據(jù)蓄水容量曲線確定: 若流域某時段的初始蓄水為若流域某時段的初始蓄水為 ，且該時段的降，且該時段的降雨量為雨量為 ，則該時段蓄水容量的增量為：，則該時段蓄水容量的增量為：SRGRGSRRRR00WPmmEPWdWfW)(1 0水電能源

23、學(xué)課件其中，其中， 為該時段的蒸散發(fā)損失；為該時段的蒸散發(fā)損失； 第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 該時段的總徑流量為：該時段的總徑流量為： RFf01EP mmEPWdWfW)(1 0mmWmWmmEPWdWfEPR)(1 0E水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 設(shè)流域的初始蓄水設(shè)流域的初始蓄水 ，由蓄水容量曲線得，由蓄水容量曲線得0W由于由于 已知，故已知，故 可根據(jù)上式求出。可根據(jù)上式求出。0WammaWdWfW)(1 00aRFf01EP W)(mWf0WmmWmW水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 于是產(chǎn)流的總徑流量及蓄水容量增量的分別為：于是產(chǎn)流的總徑流量及蓄水容量增量的分別

24、為： mmaEPWdWfEPR)(1 0mmaEPaWdWfW)(1 若若 則出現(xiàn)全流域超蓄產(chǎn)流。則出現(xiàn)全流域超蓄產(chǎn)流。 若若 則流域上為局部面積超蓄產(chǎn)流；則流域上為局部面積超蓄產(chǎn)流；mmWaEPmmWaEP水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 流域蓄水容量曲線常采用如下拋物線函數(shù)：流域蓄水容量曲線常采用如下拋物線函數(shù)： 對于閉合流域，可導(dǎo)出下列一組公式：對于閉合流域，可導(dǎo)出下列一組公式：式中，式中， 為經(jīng)驗常數(shù)。為經(jīng)驗常數(shù)。 ；bmmmWbW11)1 (1 110bmmmWWWabmmmmWWWfa)1 (1)()1 ()1(11bmmbmmmWaEPWaWEPR，當(dāng)，當(dāng) 時時mmWaE

25、P，當(dāng)，當(dāng) 時時)(0WWEPRmmmWaEP水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 流域的水量平衡方程式為：流域的水量平衡方程式為： 式中：式中： 為時段初和時段末的流域蓄水容量為時段初和時段末的流域蓄水容量 ； 為時段降雨量；為時段降雨量； 為時段蒸散發(fā)量；為時段蒸散發(fā)量； 為時段總徑為時段總徑流量流量; 為時段長；為時間。為時段長；為時間。 ttttttREPWWtttWW,tPtEtRtt水電能源學(xué)課件 為流域的蒸散發(fā)能力，其取值與平均溫度和為流域的蒸散發(fā)能力，其取值與平均溫度和日照等因素有關(guān)；日照等因素有關(guān)； 為最大流域蓄水容量。為最大流域蓄水容量。第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 流域

26、的蒸散發(fā)主要由流域的土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)流域的蒸散發(fā)主要由流域的土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)決定。設(shè)流域的蒸散發(fā)量決定。設(shè)流域的蒸散發(fā)量 與流域的蓄水容量與流域的蓄水容量 成正成正比，則蒸散發(fā)量可采用下列實用計算式計算比，則蒸散發(fā)量可采用下列實用計算式計算EW式中，式中，mE 上式也稱為一層蒸散發(fā)計算模型。上式也稱為一層蒸散發(fā)計算模型。WWEEmmmmmW5.5 流域蒸散發(fā)量的估算水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 由于一層蒸散發(fā)模型在久旱之后的情況下誤差較由于一層蒸散發(fā)模型在久旱之后的情況下誤差較大，此時可采用如下大，此時可采用如下蒸散發(fā)計算方法：蒸散發(fā)計算方法： 根據(jù)流域蓄水情況，可將流域根據(jù)流

27、域蓄水情況，可將流域蒸散發(fā)分為三個不蒸散發(fā)分為三個不同階段（如圖）。其中第一個臨界流域蓄水量同階段（如圖）。其中第一個臨界流域蓄水量 應(yīng)應(yīng)該略小于田間持水量，第二個臨界流域蓄水量該略小于田間持水量，第二個臨界流域蓄水量 應(yīng)應(yīng)該比毛管斷裂含水量小。該比毛管斷裂含水量小。aWbWbmabmabaamWWCEWWWEWWWWCWWEE.,)(11,mEE /0 . 1WaWbW0C15. 005. 0C水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)5.6 流域總徑流量的劃分 由于超蓄產(chǎn)流時地面徑流形成條件之一是包氣帶由于超蓄產(chǎn)流時地面徑流形成條件之一是包氣帶達(dá)到田間持水量后的超滲，即降雨強度超過穩(wěn)定下達(dá)到

28、田間持水量后的超滲，即降雨強度超過穩(wěn)定下滲率，因此可得到如下總徑流量的劃分方法：滲率，因此可得到如下總徑流量的劃分方法： 考慮到地下徑流考慮到地下徑流 和地面徑流和地面徑流 在匯流特性上的在匯流特性上的差異，將流域的總徑流差異，將流域的總徑流 劃分為地下徑流劃分為地下徑流 和地面徑和地面徑流流 兩部分：兩部分： SRGRSGRRRRGRSR水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 在超蓄產(chǎn)流的情況下，若穩(wěn)定下滲率空間分布均在超蓄產(chǎn)流的情況下，若穩(wěn)定下滲率空間分布均勻勻EPRa式中，為產(chǎn)流面積式中，為產(chǎn)流面積 相對于流域面積相對于流域面積 的比重的比重 。 則流域上分布均勻的降雨所產(chǎn)生的地下徑流

29、量則流域上分布均勻的降雨所產(chǎn)生的地下徑流量 ，取決于產(chǎn)流面積上降雨強度取決于產(chǎn)流面積上降雨強度 與穩(wěn)定下滲率與穩(wěn)定下滲率 的對的對比關(guān)系。比關(guān)系。aAFFAa GRtP0f水電能源學(xué)課件 如果如果 ，則該時段降雨所產(chǎn)生的地下徑流，則該時段降雨所產(chǎn)生的地下徑流量量 應(yīng)為：應(yīng)為：第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)tfEP0GRtfEPRtafRG00 如果如果 ，則有：，則有：tfEP0REPaRG)( 令流域穩(wěn)定下滲率為令流域穩(wěn)定下滲率為 ，計算時段為，計算時段為 ，時段降，時段降雨量和蒸發(fā)量分別為雨量和蒸發(fā)量分別為 和和 ；由該時段降雨所產(chǎn)生；由該時段降雨所產(chǎn)生的總徑流量和相應(yīng)的產(chǎn)流面積比重為的總徑流

30、量和相應(yīng)的產(chǎn)流面積比重為 和和 。0ftPERa水電能源學(xué)課件例：根據(jù)實測的洪水過程線來求取流域的下滲率。例：根據(jù)實測的洪水過程線來求取流域的下滲率。已知某流域的一次洪水過程所產(chǎn)生的地下徑流量已知某流域的一次洪水過程所產(chǎn)生的地下徑流量為為 ，相應(yīng)的降雨、蒸散發(fā)過程及產(chǎn)流計算，相應(yīng)的降雨、蒸散發(fā)過程及產(chǎn)流計算所得的時段總徑流量、時段末的產(chǎn)流面積列于下表所得的時段總徑流量、時段末的產(chǎn)流面積列于下表（計算時段（計算時段 ），試確定該流域的下滲率），試確定該流域的下滲率 。 第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)mmRG0 .28ht60f 由以上計算式可知，只要已知流域的由以上計算式可知，只要已知流域的 ，就可

31、把，就可把超蓄產(chǎn)流的總徑流量劃分為地面徑流量和地下徑流超蓄產(chǎn)流的總徑流量劃分為地面徑流量和地下徑流量兩部分。量兩部分。0f水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)時間時間 17日 8:00 14:004.22.00.48 20:0014.610.50.7218日 2:0031.629.10.92 8:0025.925.91.00 14:000 20:00019日 2:000)(mmEP )(mmR)()/(mmEPRa0ftEP水電能源學(xué)課件 以上兩項之和為以上兩項之和為 ，不等于，不等于 ，故說，故說明假定明假定 不合理。不合理。 設(shè)設(shè)

32、，則根據(jù)上表數(shù)據(jù)有，則根據(jù)上表數(shù)據(jù)有 第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)mmRG0 .28hmmf/0 . 10mmtEPRftfEP8 .156)00. 192. 072. 0(100mmRtfEP3 . 66 . 05 . 02 . 320mm1 .22hmmf/0 . 10水電能源學(xué)課件 再設(shè)再設(shè) ，則有，則有 第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)hmmf/4 . 10mmtEPRftfEP1 .226)00. 192. 072. 0(4 . 100mmRtfEP3 . 66 . 05 . 02 . 320 該兩項之和為該兩項之和為 ，與，與 很接近，故得很接近，故得本次洪水過程的下滲率本次洪水過程的下滲

33、率 。mm4 .28mmRG0 .28hmmf/4 . 10水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)5.7 流域匯流計算 河網(wǎng)匯流由各級河流交匯而成；河網(wǎng)匯流由各級河流交匯而成； 流域降雨所產(chǎn)生的徑流匯集到流域出口斷面的過流域降雨所產(chǎn)生的徑流匯集到流域出口斷面的過程稱為匯流。流域的匯流可劃分為坡地匯流和河網(wǎng)程稱為匯流。流域的匯流可劃分為坡地匯流和河網(wǎng)匯流兩個階段。匯流兩個階段。 坡地則指流域上能使雨水直接匯入到各級河流的坡地則指流域上能使雨水直接匯入到各級河流的那部分面積。那部分面積。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 由此可見，流域匯流是一種很復(fù)雜的水流運動。由此可見，流域匯流是一種很

34、復(fù)雜的水流運動。但水文學(xué)研究流域匯流的目的，只是為尋找將流域但水文學(xué)研究流域匯流的目的，只是為尋找將流域上降雨過程轉(zhuǎn)變?yōu)榱饔虺隹跀嗝婧樗^程的方法。上降雨過程轉(zhuǎn)變?yōu)榱饔虺隹跀嗝婧樗^程的方法。 坡地匯流一般又可分為地面徑流匯流、壤中徑流坡地匯流一般又可分為地面徑流匯流、壤中徑流匯流、地下徑流匯流等匯流形式。匯流、地下徑流匯流等匯流形式。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)一、地面匯流計算一、地面匯流計算 單位線的是指：在單位時間內(nèi)，流域上分布均勻單位線的是指：在單位時間內(nèi)，流域上分布均勻的一個單位地面凈雨量形成的流域出口斷面地面徑的一個單位地面凈雨量形成的流域出口斷面地面徑流過程線，記為流

35、過程線，記為 。 在工程實踐中常應(yīng)用單位線法對地面徑流進(jìn)行匯在工程實踐中常應(yīng)用單位線法對地面徑流進(jìn)行匯流計算。流計算。UH水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 單位凈雨量是指單位時段內(nèi)流域的單位凈雨深，單位凈雨量是指單位時段內(nèi)流域的單位凈雨深，一般取一般取 。 單位時段長可選取為單位時段長可選取為 等，具體等，具體取值取值視流域的大小而定視流域的大小而定； mm10hhhht12,6,3,1時間時間流量過程流量過程單位凈雨量單位凈雨量UH)(tiqt01q2q3q4q5q6q7q8q9q10q11q水電能源學(xué)課件 如果單位時段內(nèi)凈雨深不是一個單位，而是如果單位時段內(nèi)凈雨深不是一個單位，而是

36、 個個單位，它所形成的出流過程線，總歷時與單位，它所形成的出流過程線，總歷時與 相同，相同，流量則為流量則為 的的 倍；倍； 第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 如果如果凈雨歷時不是一個時段，而是凈雨歷時不是一個時段，而是 個時個時段，則段，則各時段凈雨所形成的出流過程之間互不干擾，出流各時段凈雨所形成的出流過程之間互不干擾，出流斷面的流量過程等于斷面的流量過程等于 個流量個流量過程之和。過程之和。 UHUHnmmn水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 單位線法計算圖示：單位線法計算圖示：mm10iqtmm1 .15iqtmm6 . 5iqttiq水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 單位線法

37、計算的步驟可寫成公式的形式：單位線法計算的步驟可寫成公式的形式： 11110qhQ 122121010qhqhQ1322313101010qhqhqhQ14233241410101010qhqhqhqhQ式中式中: 為時段末地面徑流出流量為時段末地面徑流出流量 ； 為單位線的縱標(biāo)值為單位線的縱標(biāo)值 ； 為時段地面凈雨量為時段地面凈雨量 。, 3 , 2 , 1, iQi)/(3sm)/(3sm)(mm, 3 , 2 , 1, iqi, 3 , 2 , 1, ihi水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)均為已知，故成為一個以均為已知，故成為一個以 為未知數(shù)的線為未知數(shù)的線性代數(shù)方程組，求解即可

38、得到單位線縱坐標(biāo)值。性代數(shù)方程組，求解即可得到單位線縱坐標(biāo)值。 , 3 , 2 , 1, iQi, 3 , 2 , 1, iqi, 3 , 2 , 1, ihi 當(dāng)流域具有實測降雨和徑流資料時，以上各式的當(dāng)流域具有實測降雨和徑流資料時，以上各式的和和水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 地下水匯流的分析計算，理論上屬于滲流力學(xué)地下水匯流的分析計算，理論上屬于滲流力學(xué)問題。但實踐證明，地下水的貯水構(gòu)造可視作為問題。但實踐證明，地下水的貯水構(gòu)造可視作為一個線性水庫，地下凈雨量為其入流，地下水流一個線性水庫，地下凈雨量為其入流，地下水流量過程為其出流。量過程為其出流。二、地下水匯流計算二、地下水

39、匯流計算線性水庫線性水庫地下水出流地下水出流地下凈雨量地下凈雨量地面地面水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 因此，在水文學(xué)中通?；诼?lián)立求解以下兩式因此，在水文學(xué)中通?；诼?lián)立求解以下兩式來處理地下水匯流問題：來處理地下水匯流問題：dtdWEQIsssssssQKW 式中：式中： 為地下凈雨率，即為降雨對地下水的補給強度；為地下凈雨率，即為降雨對地下水的補給強度；為地下水出流量；為地下水出流量；為地下水蒸發(fā)量；為地下水蒸發(fā)量；為地下水蓄量；為地下水蓄量；為地下水蓄量常數(shù)。為地下水蓄量常數(shù)。sIsQsEsWsK水量平衡方程水量平衡方程線性水庫方程線性水庫方程水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水

40、電能源學(xué) 若用有限差分法求解以上兩式，則可導(dǎo)出地下若用有限差分法求解以上兩式，則可導(dǎo)出地下水匯流計算的基本公式水匯流計算的基本公式式中：式中：為時段初，末地下水出流量；為時段初，末地下水出流量；為地下凈雨率的時段平均值；為地下凈雨率的時段平均值；為時段長。為時段長。2 ,1 ,ssQQ)(5 . 05 . 05 . 05 . 01 ,2 ,sssssssEItKtQtKtKQ為地下水蒸發(fā)時段平均值；為地下水蒸發(fā)時段平均值；sIsEt水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 新安江模型是我國水文工作者經(jīng)過多年的研究新安江模型是我國水文工作者經(jīng)過多年的研究與實踐，建立的流域短期徑流預(yù)報模型，在水庫

41、與實踐，建立的流域短期徑流預(yù)報模型，在水庫運行的實踐中得到了廣泛地應(yīng)用。運行的實踐中得到了廣泛地應(yīng)用。5.8 新安江模型水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)一、新安江模型的基本原理一、新安江模型的基本原理出口斷面出口斷面)(tQ11F10F9F8F6F7F5F4F2F3F1F 新安江模型屬分散性概念模型，它把全流域分成若新安江模型屬分散性概念模型，它把全流域分成若干個（干個（ 個）單元面積。個）單元面積。n水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 新安江模型的輸入為流域降雨量新安江模型的輸入為流域降雨量 和和流域蒸散發(fā)能力流域蒸散發(fā)能力 ；輸出為單元面積蒸發(fā)量；輸出為單元面積蒸發(fā)量 和和單

42、元面積出口斷面流量過程單元面積出口斷面流量過程 。EM 新安江模型如圖所示，模型方框內(nèi)為狀態(tài)變量，新安江模型如圖所示，模型方框內(nèi)為狀態(tài)變量，方框外為模型參數(shù)。方框外為模型參數(shù)。), 2 , 1(niPiiE)(tQi水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)新安江模型新安江模型水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 在新安江模型中，首先對每個單元面積作產(chǎn)匯流計在新安江模型中，首先對每個單元面積作產(chǎn)匯流計算，得出各單元面積的出流過程算，得出各單元面積的出流過程niTEMtPQtQiiiiiii, 2 , 1;, 0;),()( 然后進(jìn)行河道洪水演算，得到流域出流過程然后進(jìn)行河道洪水演算，得到流域

43、出流過程 把由每個單元面積算得的流域出流過程相加起來，把由每個單元面積算得的流域出流過程相加起來，最后得到流域出口斷面總的出流過程最后得到流域出口斷面總的出流過程niTtQQtQiiicic, 2 , 1;, 0;)()(,niicctQtQ1,)()(水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 新安江模型包括產(chǎn)流計算、蒸散發(fā)計算、分水源新安江模型包括產(chǎn)流計算、蒸散發(fā)計算、分水源計算和單元面積的匯流計算。其中：計算和單元面積的匯流計算。其中： 采用超蓄產(chǎn)流概念進(jìn)行產(chǎn)流計算，并用流域蓄水采用超蓄產(chǎn)流概念進(jìn)行產(chǎn)流計算，并用流域蓄水容量曲線考慮產(chǎn)流面積的變化；容量曲線考慮產(chǎn)流面積的變化； 蒸散發(fā)損失按

44、三層蒸散發(fā)模型計算；蒸散發(fā)損失按三層蒸散發(fā)模型計算； 采用三水源模型將流域的總徑流劃分為地上流、采用三水源模型將流域的總徑流劃分為地上流、地下流和壤中流三部分，進(jìn)行分水源計算；地下流和壤中流三部分，進(jìn)行分水源計算； 在單元面積的匯流計算中，地上流采用單位線法；在單元面積的匯流計算中，地上流采用單位線法；壤中和地下流采用線性水庫來模擬。壤中和地下流采用線性水庫來模擬。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 新安江模型采用三層蒸散發(fā)模型新安江模型采用三層蒸散發(fā)模型: : 把最大流域蓄水容量把最大流域蓄水容量WMWM分為上層分為上層WUMWUM、下層、下層WLMWLM與與深層深層WDMWDM；流域

45、土壤蓄水量；流域土壤蓄水量W W分為上層分為上層WUWU、下層、下層WLWL和和深層深層WDWD。 在降雨補充土壤蓄水（或土壤蒸發(fā)）時：先補充在降雨補充土壤蓄水（或土壤蒸發(fā)）時：先補充（或蒸發(fā)）上層的蓄水（或蒸發(fā)）上層的蓄水WU WU ，上層蓄滿（或蒸發(fā)殆盡），上層蓄滿（或蒸發(fā)殆盡）再補充（蒸發(fā)）下層的；同理，再轉(zhuǎn)入深層蓄水再補充（蒸發(fā)）下層的；同理，再轉(zhuǎn)入深層蓄水WDWD。 （1 1）蒸散發(fā)層計算）蒸散發(fā)層計算 二、新安江模型的計算二、新安江模型的計算水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 新安江模型的產(chǎn)流層采用蓄滿產(chǎn)流原理：新安江模型的產(chǎn)流層采用蓄滿產(chǎn)流原理：（2 2）產(chǎn)流層計算）產(chǎn)流層

46、計算 應(yīng)用蓄水容量曲線來考慮流域面積上蓄水能力的不應(yīng)用蓄水容量曲線來考慮流域面積上蓄水能力的不均勻性。在這個層次中，雨強對產(chǎn)流量沒有作用，產(chǎn)均勻性。在這個層次中，雨強對產(chǎn)流量沒有作用，產(chǎn)流流R R決定于決定于降雨量降雨量P P，以及蒸發(fā)量，以及蒸發(fā)量E E與與W W之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：mmaEPWdWfEPR)(1 0 具體的計算方法已在前面進(jìn)行了介紹。具體的計算方法已在前面進(jìn)行了介紹。 水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 新安江模型把界面上的產(chǎn)流機制，用一個線性自由新安江模型把界面上的產(chǎn)流機制，用一個線性自由水庫來模擬。其中：水庫來模擬。其中：S S為自由水蓄量，為自由水蓄量，SM

47、SM為其最大值。為其最大值。（3 3）分水源層計算分水源層計算 EP SSMRGTRGTRSSTRSSTRS壤中流水庫壤中流水庫地下水庫地下水庫自由水庫自由水庫地面徑流地面徑流壤中流壤中流地下水出流地下水出流水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 當(dāng)當(dāng)SSMSSMSSM時，則多余的部分就要形時，則多余的部分就要形成地面徑流成地面徑流TRSTRS。此時的地下水出流（。此時的地下水出流（TRGTRG）為）為SMSM乘乘于相應(yīng)的出流系數(shù)。于相應(yīng)的出流系數(shù)。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 計算出來的計算出來的RGRG可認(rèn)為已進(jìn)入地下水庫，再經(jīng)過地可認(rèn)為已進(jìn)入地下水庫，再經(jīng)過地下水庫的消退，

48、就是地下水對河網(wǎng)的總?cè)肓飨滤畮斓南?，就是地下水對河網(wǎng)的總?cè)肓鱐RGTRG。 計算出來的計算出來的RSSRSS可以認(rèn)為已是壤中流對河網(wǎng)的總?cè)肟梢哉J(rèn)為已是壤中流對河網(wǎng)的總?cè)肓髁鱐RSSTRSS，上圖還設(shè)置了一個壤中流水庫，再做一次，上圖還設(shè)置了一個壤中流水庫，再做一次調(diào)蓄作用。調(diào)蓄作用。 按照蓄滿產(chǎn)流模型求出的產(chǎn)流量按照蓄滿產(chǎn)流模型求出的產(chǎn)流量R R，先進(jìn)入自由水，先進(jìn)入自由水蓄量，再劃分水源。另外，蒸散發(fā)是在蓄量，再劃分水源。另外，蒸散發(fā)是在流域土壤蓄流域土壤蓄水水W W中消耗，自由水中消耗，自由水S S全部產(chǎn)流。全部產(chǎn)流。 水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)（4 4）匯流層計算匯流層計

49、算 新安江模型的匯流過程分為兩個部分：新安江模型的匯流過程分為兩個部分： 其一是單位面積上的匯流過程，包括地面徑流的其一是單位面積上的匯流過程，包括地面徑流的匯流，地下水匯流和壤中流匯流；其二是單位面積匯流，地下水匯流和壤中流匯流；其二是單位面積以下的河網(wǎng)匯流過程。以下的河網(wǎng)匯流過程。 在單位面積上的地面徑流采用單位線法進(jìn)行計算；在單位面積上的地面徑流采用單位線法進(jìn)行計算； 單位面積上的地下和壤中徑流的出流過程則采用單位面積上的地下和壤中徑流的出流過程則采用線性水庫來模擬。線性水庫來模擬。 水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 新安江模型屬分散性概念性模型：新安江模型屬分散性概念性模型：

50、因此，新安江模型的參數(shù)應(yīng)按其物理意義，通過實因此，新安江模型的參數(shù)應(yīng)按其物理意義，通過實測來率定。測來率定。 所謂分散性，是指新安江模型把全流域分成若干個所謂分散性，是指新安江模型把全流域分成若干個單元面積，分別進(jìn)行產(chǎn)匯流計算；單元面積，分別進(jìn)行產(chǎn)匯流計算； 所謂概念性，是指新安江模型的參數(shù)是具有一定的所謂概念性，是指新安江模型的參數(shù)是具有一定的物理意義。物理意義。三、新安江模型參數(shù)率定方法三、新安江模型參數(shù)率定方法水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 通常采用的新安江模型參數(shù)率定方法是：通常采用的新安江模型參數(shù)率定方法是：（1 1）按）按實測值或經(jīng)驗選擇參數(shù)的初始值；實測值或經(jīng)驗選擇參數(shù)

51、的初始值；（2 2）將所選擇的參數(shù)初始值代入模型，計算產(chǎn)匯流過將所選擇的參數(shù)初始值代入模型，計算產(chǎn)匯流過程；程；（3 3）將計算的產(chǎn)匯流過程與實測過程進(jìn)行比較，并以將計算的產(chǎn)匯流過程與實測過程進(jìn)行比較，并以誤差最小為原則，確定模型參數(shù)的最佳值；誤差最小為原則，確定模型參數(shù)的最佳值；（4 4）按參數(shù)的物理意義進(jìn)行論證，檢查模型參數(shù)是否按參數(shù)的物理意義進(jìn)行論證，檢查模型參數(shù)是否合理，有必要時返回合理，有必要時返回（2 2）再進(jìn)）再進(jìn)行調(diào)整。行調(diào)整。 水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)5.9 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)(ANN)理論是理論是2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代

52、中后期年代中后期迅速發(fā)展起來的一個新的研究領(lǐng)域。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展起來的一個新的研究領(lǐng)域。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模仿生物結(jié)構(gòu)和功能的信息處理系統(tǒng)，具有高度是模仿生物結(jié)構(gòu)和功能的信息處理系統(tǒng)，具有高度非線性，能夠進(jìn)行信息存儲、大規(guī)模并行分布處理、非線性，能夠進(jìn)行信息存儲、大規(guī)模并行分布處理、學(xué)習(xí)分類和優(yōu)化計算等，因此是處理非線性系統(tǒng)的學(xué)習(xí)分類和優(yōu)化計算等，因此是處理非線性系統(tǒng)的有利工具。有利工具。 水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在水文分析和水文預(yù)測中的近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在水文分析和水文預(yù)測中的應(yīng)用越來越廣泛，并取得良好效果。應(yīng)用越來越廣泛，并取得良好效果。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)種類有

53、多種，其中應(yīng)用最為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)種類有多種，其中應(yīng)用最為廣泛的為為BPBP人工人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Error-Back-Propagation-Network(Error-Back-Propagation-Network誤誤差差反向傳播網(wǎng)絡(luò)反向傳播網(wǎng)絡(luò))。 水文系統(tǒng)是一個嚴(yán)格的非線性系統(tǒng)，它包含著系水文系統(tǒng)是一個嚴(yán)格的非線性系統(tǒng)，它包含著系統(tǒng)時間和空間變化的非線性特性。統(tǒng)時間和空間變化的非線性特性。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)一、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本概念一、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本概念 人類大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由許多細(xì)小的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人類大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由許多細(xì)小的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)細(xì)胞單元（簡稱細(xì)胞單元

54、（簡稱“神經(jīng)元神經(jīng)元”）所組成，它們相互連接）所組成，它們相互連接構(gòu)成人類大腦中立體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。構(gòu)成人類大腦中立體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。樹突 軸突 突觸 神經(jīng)細(xì)胞 水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 在人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，最基本的單元是神經(jīng)元。在人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，最基本的單元是神經(jīng)元。每一個神經(jīng)元包括神經(jīng)細(xì)胞體和突起兩部分。其中：每一個神經(jīng)元包括神經(jīng)細(xì)胞體和突起兩部分。其中： 神經(jīng)細(xì)胞體不僅是新陳代謝的中心，而且還是接收神經(jīng)細(xì)胞體不僅是新陳代謝的中心，而且還是接收與處理信息的部件。與處理信息的部件。 神經(jīng)元不僅通過突起向其它神經(jīng)元發(fā)送生物電信息，神經(jīng)元不僅通過突起向其它神經(jīng)元發(fā)送生物

55、電信息，而且還通過突起收集來自其它神經(jīng)元的生物電信號。而且還通過突起收集來自其它神經(jīng)元的生物電信號。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 由此可見，人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)具有并行、分布的由此可見，人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)具有并行、分布的特點，信息的處理與存儲是通過大量的神經(jīng)元的分布特點，信息的處理與存儲是通過大量的神經(jīng)元的分布來實現(xiàn)的，因而具有極高的容錯能力、快速的推理能來實現(xiàn)的，因而具有極高的容錯能力、快速的推理能力和強大的聯(lián)想能力，與傳統(tǒng)的馮力和強大的聯(lián)想能力，與傳統(tǒng)的馮諾依曼式串行計算諾依曼式串行計算機的處理方式有著根本的不同。機的處理方式有著根本的不同。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源

56、學(xué)二、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)二、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是對人類大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是對人類大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一種物理結(jié)構(gòu)上的模擬，即以計算機仿真的方法，從物種物理結(jié)構(gòu)上的模擬，即以計算機仿真的方法，從物理結(jié)構(gòu)上模擬人腦，以使系統(tǒng)具有人腦的某些智能。理結(jié)構(gòu)上模擬人腦，以使系統(tǒng)具有人腦的某些智能。 也就是說，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理來源于人類的也就是說，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理來源于人類的大腦，其結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)算法、性能分析都是模擬大腦工大腦，其結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)算法、性能分析都是模擬大腦工作的產(chǎn)物。作的產(chǎn)物。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué)隱含層隱含層輸輸入入層層輸輸出出層層x1x2x3x

57、4x5A1A2A3y1y2O1O2w1w2( (a a) ) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)( (b b) ) 作用函數(shù)作用函數(shù)xiiiefowx11 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖峡梢钥闯墒且陨窠?jīng)元為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖峡梢钥闯墒且陨窠?jīng)元為結(jié)點，用加權(quán)有向弧連結(jié)而成的有向圖。結(jié)點，用加權(quán)有向弧連結(jié)而成的有向圖。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 網(wǎng)絡(luò)由輸入節(jié)點層、隱節(jié)點層、輸出節(jié)點層和層間網(wǎng)絡(luò)由輸入節(jié)點層、隱節(jié)點層、輸出節(jié)點層和層間節(jié)點的連接所組成節(jié)點的連接所組成: 輸入節(jié)點層各節(jié)點分別表示輸入數(shù)據(jù)的一項，其節(jié)輸入節(jié)點層各節(jié)點分別表示輸入數(shù)據(jù)的一項，其節(jié)點個數(shù)與輸入數(shù)據(jù)的維數(shù)一致；點個數(shù)與輸入數(shù)據(jù)的維

58、數(shù)一致； 輸出節(jié)點層則對應(yīng)于輸出數(shù)據(jù)，與期望輸出值的維輸出節(jié)點層則對應(yīng)于輸出數(shù)據(jù)，與期望輸出值的維數(shù)相一致；數(shù)相一致； 隱節(jié)點層則為中間過渡節(jié)點層，參與從輸入到輸出隱節(jié)點層則為中間過渡節(jié)點層，參與從輸入到輸出的變換，可以不止一層，相當(dāng)于增加了映射的次數(shù)。的變換，可以不止一層，相當(dāng)于增加了映射的次數(shù)。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 在上圖所示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，假定單元在上圖所示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，假定單元 是輸出層是輸出層中的一個典型單元，而單元中的一個典型單元，而單元 是前面一層中的一個典型是前面一層中的一個典型單元。在給定了初始權(quán)值和輸入樣本值后，后一層中單元。在給定了初始權(quán)值和輸入樣本

59、值后，后一層中的單元首先從前層單元接收輸入激勵的單元首先從前層單元接收輸入激勵 ：jijnetiijijwonet式中：式中： 是前層中第是前層中第 個單元的活性水平；個單元的活性水平；是前層中第是前層中第 個單元同后層第個單元同后層第 個單元間的連個單元間的連接權(quán)值。接權(quán)值。ioijwiij水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 然后，該單元使用總加權(quán)輸入的某個作用函數(shù)來計然后，該單元使用總加權(quán)輸入的某個作用函數(shù)來計算活躍值算活躍值 。對非線性網(wǎng)絡(luò)，一般使用。對非線性網(wǎng)絡(luò)，一般使用SigmoidSigmoid函數(shù)：函數(shù)：jojnetjeo11 這樣，網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的活躍值便可以逐層傳至輸出結(jié)點。

60、這樣，網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的活躍值便可以逐層傳至輸出結(jié)點。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 由此可見，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層間節(jié)點通過作用強度由此可見，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層間節(jié)點通過作用強度連接；從輸入到輸出的節(jié)點值的傳播是由連接強度和連接；從輸入到輸出的節(jié)點值的傳播是由連接強度和作用函數(shù)來實現(xiàn)的；作用函數(shù)將節(jié)點收集到的輸入作作用函數(shù)來實現(xiàn)的；作用函數(shù)將節(jié)點收集到的輸入作非線性變換，從而使網(wǎng)絡(luò)具有非線性。非線性變換，從而使網(wǎng)絡(luò)具有非線性。水電能源學(xué)課件第五章 徑流預(yù)報水電能源學(xué) 當(dāng)確定了所有輸出單元的活躍值之后，網(wǎng)絡(luò)誤差便當(dāng)確定了所有輸出單元的活躍值之后，網(wǎng)絡(luò)誤差便可依下式得出可依下式得出式中：式中： 為網(wǎng)