現(xiàn)代水文模型重點

1、今日不背書，明日死翹翹現(xiàn)代水文模型復(fù)習1_緒論-1u 流域水文模型的定義以一個數(shù)學(xué)模型來模擬流域降雨徑流形成過程或融雪徑流形成過程，即定量分析從降水、蒸發(fā)、融雪、截留、下滲、填洼、徑流成分劃分、坡地匯流和河槽匯流到形成流域出口斷面的徑流過程線的全過程。u 分類方法按模型構(gòu)建基礎(chǔ)分類；按對水文過程描述離散程度分類；其它分類（數(shù)學(xué)分類、模型結(jié)構(gòu)、模型參數(shù)）；按時間尺度分類2_緒論-2u 降水成因 降水：水分以各種形式從大氣到達地面統(tǒng)稱降水。包括雨、雪、露、霜、冰雹等。u 土壤水分類和水分常數(shù)土壤水:存于包氣帶中的水稱為土壤水，指吸附于土壤顆粒和存在于土壤孔隙中的水。 土壤水分常數(shù)：最大吸濕量、最大

2、分子持水量、凋萎含水量、毛管斷裂含水量、田間持水量、飽和含水量。 最大吸濕量：在飽和空氣中，土壤能夠吸附的最大水汽量稱為最大吸濕量。 最大分子持水量：由土粒分子力所結(jié)合的水分的最大量稱為最大分子持水量。 凋萎含水量：植物根系無法從土壤中吸收水分，開始凋萎，開始枯死時的土壤含水量稱為凋萎含水量。 毛管斷裂含水量：毛管懸著水的連續(xù)狀態(tài)開始斷裂時的含水量。 田間持水量(field capacity)：土壤中所能保持的最大毛管懸著水量。 飽和含水量(soil moisture content saturation)：土壤中所有孔隙被水充滿時的土壤含水量。 u 控制蒸發(fā)的條件 供水條件: 蒸發(fā)面存儲的水

3、分多少 能量條件: 蒸發(fā)面上水分子獲得能量的多少動力條件: 水汽輸送條件u 下滲的三個階段滲潤階段：分子力滲漏階段：毛管力滲透階段：重力u 四種產(chǎn)流機制發(fā)生的物理條件超滲地面徑流（Rs）的產(chǎn)流機制 (1)要有界面，即地面(下滲能力fp)； (2)要有供水，即降雨(雨強i)； (3)要供水大于下滲，即i fp，rs= ifp。地下水徑流（Rg）的產(chǎn)流機制 整個包氣帶土壤含水量達到田間持水量。壤中水徑流（Rint）的產(chǎn)流機制 (1)包氣帶中必須存在相對不透水層，且上層土壤質(zhì)地比下層粗； (2)至少要上層的土壤含水量達到田間持水量。飽和地面徑流（Rsat）的產(chǎn)流機制 (1)存在相對不透水層，且上層土

4、壤的透水性遠強于下層土壤的透水性； (2)上層土壤含水量達到飽和含水量。共同的基本物理條件： (1)在兩種不透水性物質(zhì)的界面上產(chǎn)生的； (2)上層介質(zhì)的透水性必須好于下層介質(zhì)的透水性。u 可能的徑流成分組合u 不同水源在退水段上的終止時刻特征不同水源成分由于匯集到流域出口斷面所經(jīng)歷的時間不同，因此在出口斷面洪水過程線的退水段上表現(xiàn)出不同的終止時刻。槽面降水形成的出流終止時刻tr最早，坡地地面徑流形成的出流終止時刻ts較次，坡地地下徑流形成的出流終止時刻tg最遲。u 流域調(diào)蓄作用的概念和原因流域調(diào)蓄作用：在流域匯流過程中，隨著洪水的漲落所呈現(xiàn)出的流域蓄水量增加與減少的現(xiàn)象。造成流域調(diào)蓄作用的物理

5、原因： 降水并非從一個地點注入流域； 實際上由于流域各處水力條件(如糙率、坡度、)不同，流域各處水質(zhì)點的速度也將不同。換言之，流域上的流速分布是不均勻的。u 單位線特征單位線：是指單位時段內(nèi)，均勻分布的單位凈雨量在流域出口斷面形成的地面徑流過程線。單位凈雨深一般取10mm，單位時段則依流域性質(zhì)不同，取3、6、12、24h等。單位線反映了流域的坡地和河網(wǎng)綜合調(diào)蓄后的洪水運動規(guī)律。倍比定律假定、疊加法則假定，上述兩個假定是把流域視線性系統(tǒng)。u 河道洪水演算方法的分類河道洪水演算可采用水力學(xué)和水文學(xué)兩類方法。u 馬斯京根法的基本原理 馬斯京根法依據(jù)的基本原理為水量平衡方程和槽蓄方程，其形式為： t(

6、I-Q)=W2-W1 （1） W=kxI+(1-x)Q （2）3_蒸散發(fā)u 流域?qū)嶋H蒸散發(fā)和潛在蒸散發(fā)的定義實際蒸發(fā)是指實際被蒸發(fā)的水分量；潛在蒸散發(fā)是指充分供水下墊面（即充分濕潤表面或開闊水體）蒸發(fā)/蒸騰到空氣中的水量，又稱可能蒸發(fā)量或蒸發(fā)能力。u 土壤蒸發(fā)過程 土壤含水量W田：土壤中存在著自由重力水，土層中毛細管上下溝通，供水充分，土壤蒸發(fā)只受氣象條件的影響。蒸發(fā)量大而穩(wěn)定。 W斷WW田：土壤中毛細管的連續(xù)狀態(tài)將逐漸受到破壞，土層內(nèi)部由毛細管作用上升到表面的水分也將逐漸減少，蒸發(fā)量與氣象因素和土壤含水量有關(guān)。 WW斷，這時毛管水不再連續(xù)，毛管向土壤表面輸送水分的機制遭到破壞，水分只能以膜狀

7、水形式或氣態(tài)水形式向上層土壤表面移動。u 流域總蒸散發(fā)量的估算方法 估算流域蒸散發(fā)量的方法可概括為三類: (1) 基于彭曼假設(shè)的方法，(2) 基于互補理論的方法，(3) 基于水熱耦合平衡的方法。 通常采用的方法是基于彭曼假設(shè)的方法，即認為流域?qū)嶋H蒸散發(fā)量與潛在蒸發(fā)量成正比，根據(jù)潛在蒸發(fā)量和流域內(nèi)土壤及植被情況來估算。4_第二章 概念性水文模型 HBV模型u HBV模型對產(chǎn)匯流過程的描述（即模型框架）HBV模型是一個降雨-徑流模型，它包括了流域尺度的水文過程的概念性數(shù)值描述。一般水量平衡方程的定義為：式中，P為降水；E為蒸散發(fā)；Q為流量；SP為雪蓋；SM為土壤含水量；UZ為表層地下含水層；LZ為

8、深層地下水含水層；lakes為水體體積。HBV模型通常包括3個主要的子模塊：積雪和融雪模擬；土壤含水量計算；河道流量演算。5_第二章 概念性水文模型 新安江模型u 新安江模型不同層次的功能u 流域蓄水容量曲線特征單增曲線唯一性（對一個固定流域而言，天然條件下）最小值可以是0（流域中存在不透水區(qū)域）u 水源劃分（二水源計算）二水源劃分結(jié)構(gòu)：根據(jù)霍頓的產(chǎn)流概念，用穩(wěn)定下滲率進行水源劃分。u 水文模型參數(shù)概念及分類流域水文模型中表征流域物理過程的某些未知常量，即模型參數(shù)。按參數(shù)對模型模擬計算精度影響程度的大小，可分為敏感性參數(shù)和不敏感性參數(shù)；按參數(shù)所具有的意義，可分為物理參數(shù)和經(jīng)驗參數(shù)；按參數(shù)在流域

9、降雨徑流形成過程中所起的作用，可分為蒸散發(fā)參數(shù)、產(chǎn)流參數(shù)、分水源參數(shù)和匯流參數(shù)；參數(shù)是否隨時間變化，可分為時變參數(shù)和時不變參數(shù)。u 參數(shù)敏感性的定義參數(shù)敏感性(Parameter sensitivity)：模型參數(shù)值的適當改變對模擬結(jié)果和目標函數(shù)的影響程度。6_4.1 分布式水文模型概述u 分布式水文模型的定義分布式模型（Distributed model）：按流域各處地形、土壤、植被、土地利用和降水等的不同，將流域劃分為若干個水文模擬單元，在每一個單元上用一組參數(shù)反映該部分的流域特性。u 建模特點和基本結(jié)構(gòu)基于DEM的分布式水文模型具有以下特點： 具有物理基礎(chǔ)，能夠描述水循環(huán)的時空變化過程；

10、由于其分布式特點，能夠與GCM（大氣環(huán)流模式）嵌套，研究自然變化和氣候變化對水循環(huán)的影響；同RS和GIS相結(jié)合，能夠及時地模擬出人類活動或下墊面因素的變化對流域水循環(huán)過程的影響。7_4.2 基于DEM的流域數(shù)字特征提取u DEM定義及特點DTM: Digital Terrain Model，數(shù)字地形模型，是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。u 基于DEM提取流域特征的原理和主要內(nèi)容原理：柵格的匯流累積量代表該柵格的水流量。當匯流量達到一定值的時候，就會產(chǎn)生地表水流，那么所有那些匯流量大于那個臨界數(shù)值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就

11、是河網(wǎng)。1）預(yù)處理：對平坦區(qū)域和閉合洼地的處理；2）流向：網(wǎng)格水流方向是指水流流出該網(wǎng)格的指向；3）水流累積量：直接或間接流經(jīng)某一個網(wǎng)格的所有單元格的總數(shù)。每一個網(wǎng)格的水流累積值乘以一個單元格的面積尺寸（長和寬可能不相等），就可以得到該單元格上的上游集水面積；4）河網(wǎng)：水系流域中大大小小河流交匯形成的樹枝狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；5）河流分級：水系拓撲學(xué)的特征表現(xiàn)之一；6）分水線、子流域劃分：流域河網(wǎng)形成以后，可以確定整個流域界限并進行子流域的劃分。確定流域界限必須要先確定整個流域的總出口。u 臨界集水面積閾值的定義及其對提取河網(wǎng)的影響臨界集水面積閾值CSA（Critical Source Area）：指

12、形成永久性河道所必需的最小面積。集水面積等于閾值的網(wǎng)格是河網(wǎng)的起點，集水面積最大的點是流域的出口。閾值的大小決定了河網(wǎng)提取的詳細程度和精度，閾值越大，則提取出的河網(wǎng)越粗化。u 斯特拉勒分級法斯特拉勒(Strahler)分級法：定義從河源出發(fā)的河流為1級河流；同級的兩條河流交匯形成的河流的級比原來增加1級；不同級的兩條河流交匯形成的河流的級等于兩者中較高者。8_4.3 VIC水文模型u VIC水文模型的特點對水循環(huán)過程，同時考慮了水分收支和能量收支過程，積雪融雪及土壤凍融過程，冠層蒸發(fā)、葉叢蒸騰和裸土蒸發(fā)，地表徑流和基流兩種徑流成分的參數(shù)化過程，還考慮了基流退水的非線性問題。對于次網(wǎng)格，分別考慮

13、了地表植被類型的不均勻性、土壤蓄水容量的空間分布不均勻性和降水的空間分布不均勻性。u 考慮的徑流成分u 上層土壤產(chǎn)生的是直接徑流Qd；下層土壤產(chǎn)生基流Qb。9_4.4 SWAT模型u SWAT模擬的流域水文過程SWAT模擬的流域水文過程分為兩大部分：水循環(huán)的陸面部分（即產(chǎn)流和坡面匯流部分）；水循環(huán)的水面部分（即河網(wǎng)匯流部分）。 前者控制著每個子流域內(nèi)主河道的水、沙、營養(yǎng)物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)等輸入量；后者決定水、沙等物質(zhì)從河網(wǎng)向流域出口的輸移過程。u SCS產(chǎn)流方法CN值可針對不同的土壤類型、土地利用和植被覆蓋的組合查表獲得，CN值是無量綱的反映降雨前期流域特征的一個綜合參數(shù)，將前期土壤濕度、坡度、土

14、地利用方式和土壤類型狀況等因素綜合在一起。 10_4.5 分布式新安江模型和HMS （無）11_5.1 陸氣耦合-引言u 資料同化資料同化是指充分利用觀測資料（常規(guī)、非常規(guī)），結(jié)合預(yù)報模式，盡可能準確地給出大氣或海洋運動真實狀態(tài)的估計。u 天氣預(yù)報內(nèi)容形勢預(yù)報、要素預(yù)報第一步形勢預(yù)報是對天氣系統(tǒng)（高壓、低壓、鋒面等）的移動、強度、變化和生成、消亡的預(yù)報；第二步要素預(yù)報是對氣溫、氣壓、濕度、能見度、風、降水等要素和天氣現(xiàn)象的預(yù)報。兩者密切相關(guān)，一個地區(qū)天氣的變化決定于天氣系統(tǒng)的變化，所以形勢預(yù)報是要素預(yù)報的基礎(chǔ)，是氣象要素預(yù)報的基本依據(jù)。u 數(shù)值天氣預(yù)報概念將支配大氣運動的偏微分方程，以觀測值為

15、初始條件，利用計算機的數(shù)值解法(時間積分)求得的預(yù)報稱為數(shù)值天氣預(yù)報。12_5.2-5.3 WRF+VIC耦合u 陸氣相互作用定義陸氣相互作用是指陸面和地表附近大氣通過物理、動力和水文過程而相互作用的現(xiàn)象。u 大氣模式輸出的降尺度方法分類動力降尺度、統(tǒng)計降尺度（回歸方法、環(huán)流分型技術(shù)、天氣發(fā)生器）14_水文模型的校正u 水文模型預(yù)報誤差來源水文預(yù)報實時校正所依據(jù)的基本資料是水文預(yù)報模型的預(yù)報值與實測值的差值，即預(yù)報誤差。預(yù)報誤差的來源大致有如下幾個方面。(1)模型結(jié)構(gòu)誤差 預(yù)報方案采用的預(yù)報方法或水文預(yù)報模型都是對實際流域進行概化后建立的，例如將空間分布的水文氣象要素表示成流域上平均值的處理；

16、將水文循環(huán)過程進行人為分離，并用不同程度簡化的模型予以描述等，這樣不完善性處理引起的誤差稱為模型結(jié)構(gòu)誤差。(2)模型參數(shù)估計誤差 水文模型中的參數(shù)不論采用何種方法優(yōu)選率定，即為模型參數(shù)識別，其識別的模型參數(shù)對其值來講，總是存在著誤差的。另外，根據(jù)各場洪水優(yōu)選的模型參數(shù)，它反映的是以往各場洪水平均最優(yōu)的情況，而對某一特定場次的洪水，它并非是最合適的。(3)模型輸入資料誤差進行水文預(yù)報所輸入的資料通常是降雨、流量和蒸發(fā)量，這些資料或由實測獲得，或根據(jù)天氣預(yù)報估算得到。前者存在著測驗和時段統(tǒng)計平均誤差，后者則存在著相當大的預(yù)報誤差。u 實時預(yù)報校正內(nèi)容為了提高洪水預(yù)報精度，就必須盡量減少預(yù)報誤差。根

17、據(jù)預(yù)報誤差來源的不同，實時預(yù)報校正可采用如下方法。1.對模型參數(shù)的實時校正采用這種方法認為水文預(yù)報方法或水文模型的結(jié)構(gòu)是有效的，只是由于存在數(shù)據(jù)的觀測誤差，導(dǎo)致率定的模型參數(shù)不準確，或是率定的模型參數(shù)對具體場次的洪水并非最優(yōu)。因此，在實際作業(yè)預(yù)報過程中，根據(jù)實際的預(yù)報誤差不斷地修正模型參數(shù)，以提高此后的預(yù)報精度。對模型參數(shù)進行實時校正的方法有最小二乘估計等算法。2.對模型預(yù)報誤差的實時校正對已出現(xiàn)的預(yù)報誤差時序過程進行分析，尋求其變化規(guī)律建立合適的預(yù)報誤差模型，通過推求未來的誤差值以校正尚未出現(xiàn)的預(yù)報值，從而達到提高預(yù)報精度的目的。3.對模型的狀態(tài)變量進行估計預(yù)報模型中能控制當前及以后時刻系統(tǒng)

18、狀態(tài)和行為的變量，稱為狀態(tài)變量，對狀態(tài)變量的估計，是認為預(yù)報誤差來源于狀態(tài)估計的偏差和實際觀測的誤差，通過實時修正狀態(tài)變量來校正以后的預(yù)報值，從而提高預(yù)報精度。u 組合預(yù)報的背景及特點在實際應(yīng)用中，單選取某一種模型的預(yù)報，效果往往不理想，原因在于：每一種模型都有它適用的環(huán)境，而流域的各類環(huán)境都是在實時變化的，我們很難通過某一種模型結(jié)構(gòu)就能完全適應(yīng)這種變化，因而使得預(yù)報結(jié)果不穩(wěn)定。當選用某種模型對某一次洪水作預(yù)報時，或許效果讓人們很滿意；然而當把它用于另一場洪水的預(yù)報中，由于各種條件改變，又可能達不到滿意的效果，這時別的模型預(yù)報效果可能更好一些，也就有了應(yīng)用流域最優(yōu)模型選擇的爭論?！八哪Ｐ徒M合預(yù)報”，就是通過模型權(quán)重系數(shù)放大某個模型的優(yōu)點，減少該模型自身缺點對預(yù)報結(jié)果的影響，然后把多個模型的優(yōu)點組合起來，可以一定程度上減小模型誤差，避免了對某流域最優(yōu)預(yù)報模型選擇的爭論，也可以在某種程度上提高洪水預(yù)報精度，并且大大增強了洪水預(yù)報結(jié)果的穩(wěn)定性。u 水文模型不確定性水文模型一