流域水文模型.ppt

1流域水文模型流域水文模型 第一节第一节 概述概述一、水文模型的定义和分类一、水文模型的定义和分类一、水文模型的定义和分类一、水文模型的定义和分类二、建立水文模型的的步骤二、建立水文模型的的步骤二、建立水文模型的的步骤二、建立水文模型的的步骤三、水文模型的特点及作用三、水文模型的特点及作用三、水文模型的特点及作用三、水文模型的特点及作用 第二节第二节 几种常用的流域水文模型几种常用的流域水文模型一、新安江流域模型一、新安江流域模型一、新安江流域模型一、新安江流域模型二、萨克拉门托二、萨克拉门托二、萨克拉门托二、萨克拉门托(Sacramento)(Sacramento)(Sacramento)(Sacramento)模型模型模型模型三、水箱三、水箱三、水箱三、水箱(Tank)(Tank)(Tank)(Tank)模型模型模型模型2一、水文模型的定义一、水文模型的定义和分类和分类bb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。bb被模拟的水文现象称为原型，模型是对原型的概化。bb仿造原型制作模型的工作就称之为模拟。bb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。3水文模型涉及内容和研究尺度bb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。bb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。bb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。4（一）流域水文模型的定义bb流流域域水水文文模模型型（流流域域模模型型）是是以以一一个个数数学学模模型型来来模模拟拟流流域域降降雨雨径径流流形形成成过过程程或或融融雪雪径径流流形形成成过过程程，即即定定量量分分析析从从降降水水、蒸蒸发发、融融雪雪、截截流流、下下渗渗、填填洼洼、径径流流成成分分划划分分、坡坡地地汇汇流流和和河河槽槽汇汇流流到到形形成成流流域域出出口口断断面面的的径径流流过过程程线线的全过程。的全过程。bb复复杂杂的的水水文文循循环环系系统统和和降降雨雨径径流流形形成成过过程程，是是由由若若干干子子系系统统和和子子过过程程组组成成的的，所所以以一一个个完完整整的的流流域域水水文文模模型型是是由由几几个个子子模模型型组组成成，模模型型中中常常含含大大量量的的参参数数，所所以以用用这这种种方方法法来来研研究究水水文文现现象象的的，又又称称为为“参参数数水水文文学学”或或称称参参数数数数学学模型模型。5(二二)模型的分类模型的分类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。6数学模型的分类：bb（1 1）随随机机性性模模型型（非非确确定性模型）定性模型）A A、概率模型、概率模型 B B、随机模型、随机模型bb（2 2）确定性模型）确定性模型“黑箱黑箱”模型模型 概念性模型概念性模型 整体模型整体模型 过程模拟模型过程模拟模型 集中模型集中模型 分散（块）模型分散（块）模型 描描述述水水文文现现象象随随机性规律机性规律的数学结构。的数学结构。一一个个流流域域数数学学模模型型对对相相同同的的模模型型输输入入，由由于于模模型型本本身身的的特特征征，而而不不能能产产生生相相同同的的模模型型输输出出，或或者者说说产产生生随机性的模型输出。随机性的模型输出。7数学模型的分类：b（1）随机性模型（非确定性模型）A、概率模型B、随机模型b（2）确定性模型“黑箱”模型概念性模型整体模型过程模拟模型集中模型分散（块）模型 把水文事件当成与时间无关的随机变量，常见的概率模型有对数正态模型等。8数学模型的分类：b（1）随机性模型（非确定性模型）A、概率模型B、随机模型b（2）确定性模型“黑箱”模型概念性模型整体模型过程模拟模型集中模型分散（块）模型 把水文事件当成与时间有关的随机过程。9数学模型的分类：b（1）随机性模型（非确定性模型）A、概率模型B、随机模型b（2）确定性模型“黑箱”模型概念性模型整体模型过程模拟模型集中模型分散（块）模型 一个流域的数学模型一个流域的数学模型对相同的模型输入，对相同的模型输入，总是产生相同的模型总是产生相同的模型输出。输出。描述描述水文现象的必然水文现象的必然性规律性规律的数学结构称的数学结构称为确定性模型。为确定性模型。10数学模型的分类：b（1）随机性模型（非确定性模型）A、概率模型B、随机模型b（2）确定性模型“黑箱”模型概念性模型整体模型过程模拟模型集中模型分散（块）模型 指在建立模型时，基本上不考虑径流形成的物理过程，而仅作一些必要的假设，至于假设是否合理几乎全部依赖于实测的输入和输出资料。仅输入为已知的，其他均为未知“黑箱”，该模型又称为非参数模型。11数学模型的分类：bb（1 1）随随机机性性模模型型（非非确确定性模型）定性模型）A A、概率模型、概率模型 B B、随机模型、随机模型bb（2 2）确定性模型确定性模型“黑箱黑箱”模型模型 概念性模型概念性模型 整体模型整体模型 过程模拟模型过程模拟模型 集中模型集中模型 分散（块）模型分散（块）模型 在一定程度上考在一定程度上考虑径流形成过程的物虑径流形成过程的物理过程，在该模型中理过程，在该模型中常用一些常用一些物理和经验物理和经验参数参数来概括径流形成来概括径流形成的物理现象，又称为的物理现象，又称为参数模型参数模型。12数学模型的分类：bb（1 1）随随机机性性模模型型（非非确确定性模型）定性模型）A A、概率模型、概率模型 B B、随机模型、随机模型bb（2 2）确定性模型）确定性模型“黑箱黑箱”模型模型 概念性模型概念性模型 整体模型整体模型 过程模拟模型过程模拟模型 集中模型集中模型 分散（块）模型分散（块）模型 将径流形成过程作将径流形成过程作为一个整体来模拟为一个整体来模拟（不分产流、汇流）。（不分产流、汇流）。13数学模型的分类：b（1）随机性模型（非确定性模型）A、概率模型B、随机模型b（2）确定性模型“黑箱”模型概念性模型整体模型过程模拟模型集中模型分散（块）模型 先对径流形成过程中每个子过程进行数学模拟，然后按照各子过程在径流形成过程中内在的联系组合成一个数学模型。14数学模型的分类：b（1）随机性模型（非确定性模型）A、概率模型B、随机模型b（2）确定性模型“黑箱”模型概念性模型整体模型过程模拟模型集中模型分散（块）模型 把全流域作为一个整体研究，忽略输入变量与参数的时空分布的差异。15数学模型的分类：b（1）随机性模型（非确定性模型）A、概率模型B、随机模型b（2）确定性模型“黑箱”模型概念性模型整体模型过程模拟模型集中模型分散（块）模型 先把全流域按径流形成的要求，划分成几个单元流域（或单元面积），分别对每一个单元流域的径流形成过程进行数学模拟，然后综合，它考虑了输入变量及参数在时间空间上的分布的差异。16流域水文模型分类图流域水文数学模型流域水文数学模型随机性模型随机性模型确定性模型确定性模型概率模型概率模型随机模型随机模型概念性模型概念性模型黑箱模型黑箱模型整体模型整体模型过程模型过程模型集中模型集中模型分散模型分散模型17二、建立水文模型的的步骤二、建立水文模型的的步骤模型结构 降雨径流的流域水文模型的模型结构为降雨径流过程中的产流汇流的各主要阶段，对水文物理现象规律进行数学模拟时的推演关系和概化特点。它是由一系列数学函数和逻辑判断所组成。18模型参数区别于不同流域水文特征的一类待定参数。bb模型结构确定后，以降雨、蒸发资料作为输入，以流域出口断面的流量资料作为输出，则模型参数常常可以用系统分析来率定。流域上各水文要素模拟量如植物截留、下渗、流域蓄量、坡面流、表层流、地下径流等则是系统的状态变量。19建立概念性水文模型的主要步骤（1 1）以以框框图图或或流流程程图图形形式式，表表达达从从降降雨雨到到流流域域出出口口断断面面发发生生径径流流过过程程各各个个环环节节之之间间的的相相互互关关系。系。（2 2）建建立立模模型型各各个个部部件件的的数数学学表表达达式式或或逻逻辑辑计计算系统算系统。（3 3）根根据据实实测测降降雨雨、径径流流观观测测资资料料，初初步步确确定定模型中所包含的模型中所包含的待定参数待定参数。（4 4）对对所所建建立立的的模模型型进进行行必必要要的的检检验验，其其中中不不但但要要对对模模型型的的计计算算精精度度、适适用用范范围围作作出出客客观观的的估估计计和和评评价价，而而且且要要尽尽可可能能地地对对模模型型结结构构加加以以合理性检查和论证合理性检查和论证，经过适当调整后付诸应用。，经过适当调整后付诸应用。20水文模型的特点水文模型的特点bb整体性：模型能考虑降雨径流形成的完整过程以及各子过程间的相互联系作用。bb复杂性：表现在各子过程间的关系且它们具有强烈的时空变化。bb借助电子计算机：整体性及复杂性导致流域水文模型研究的工作量庞大，只能以电子计算机解决优化参数及检验。21流域水文模型的作用/应用bb水文资料的生成和水文资料的延长；水文资料的生成和水文资料的延长；bb水文预报：洪水预报水文预报：洪水预报bb城城市市水水文文效效应应，森森林林的的水水文文效效应应，环环境境水水文文效效应应，土土地地利利用用的的水水文文效效应应，人人类类活活动动的的水水文文效效应，气候变化的水文效应应，气候变化的水文效应bb流域规划流域规划城市的防洪规划城市的防洪规划/bb水水资资源源管管理理，防防洪洪工工程程安安全全运运行行及及经经济济效效益益的的提高。提高。22第二节第二节 几种常用的流域水文模型几种常用的流域水文模型一、新安江流域模型一、新安江流域模型一、新安江流域模型一、新安江流域模型二、萨克拉门托二、萨克拉门托二、萨克拉门托二、萨克拉门托(Sacramento)(Sacramento)(Sacramento)(Sacramento)模型模型模型模型三、水箱三、水箱三、水箱三、水箱(Tank)(Tank)(Tank)(Tank)模型模型模型模型23一、新安江流域模型一、新安江流域模型 流域模型的发展，国外从60年代初开始。我国对其中一些模型曾作过验证，但缺少实用的经验。在生产实践的基础上，我国提出了一个适用于湿润地区及部分半湿润地区的流域模型，因首先应用于新安江水库，取名为“新安江模型”。24（一）模型结构（一）模型结构bb是一个具有分散参数的概念性模型。将流域划分为若干(N个)单元面积，对每个单元面积，计算出到达流域出口的出流过程，N个过程线性叠加，得流域总出流过程。25新安江模型新安江模型示意图示意图蒸散发蒸散发E E降雨降雨P P P P实测水面实测水面蒸发蒸发EwEw,0,0透水面积不透水面积土壤湿度W WEUEDELWUMWUMWLMWLMC C上层WU下层WL深层WD直接径流R Rd d地下径流R Rg g径流R R直接径流过程Q Qd d地下径流过程Q Qg g单元面积总出流过程流域出口总出流过程K K0 0WM WM B BIMPIMPUHUHKGKGF FC CK KE EX XE E26新安江流域单元面积图 27计算程序1.单元面积的产流量计算、直接径流与地下径流的划分；2.单元面积上直接径流及地下径流汇流过程计算；3.单元面积以下河槽汇流计算。b这里有三个划分：流域分块；径流分为直接径流及地下径流两种水源；汇流分为单元面积内部及单元面积以下两个阶段。28（二）各个分部结构的计算方法（二）各个分部结构的计算方法1、单元面积划分及代表性流域2、产流量计算及水源划分3、单元面积流域汇流计算4、河糟汇流计算29单元面积划分b主要是考虑降雨在面上分布的不均匀性，要求单元面积大小适当，使得每块面积上降雨比较均匀，并有一定的雨量站。b其次，应尽可能使单元面积与自然流域相吻合，使单元面积自然条件相近，并便于利用流域上小流域的实测水文资料。30新安江流域单元面积图 31新安江水库以上流域单元面积32衢县流域单元面积的划分33代表性流域 流域划分单元后，不是每个单元面积都具有水文资料，原则上属于无资料地区。模型采用代表性流域的方法，即在流域内或自然条件相近的附近地区找一个面积与单元面积相近，具有实测资料的小流域，作为代表性流域，移用它的分析成果到各单元面积，作为计算的初值。34产流量计算b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：WmWm(1-IMP)/(1+b)WmWm/(1+b)RgFcR-IMP(P-E)/(P-E)RgFcR/(P-E)RsR-Rgb蒸散发计算采用三层模型，产流及蒸散发计算框图见下图。35降雨径流关系36抛物线型流域蓄水容量曲线37新安江模型产流量及蒸散发计算框图38模型参数模型参数计有Kc、WM(及其分量)、b、Fc、IMP。IMP：对半干旱地区及湿润地区的干旱季节有影响，原则上可由地图量测，实用上常采用分析的方法。取干旱期小洪水，如完全由不透水面积产生，可求其径流系数作为IMP。b:蓄水容量曲线的方次，与流域地形地质条件相关；Kc：蒸发能力换算系数；Wm：流域平均蓄水容量；Fc：稳定下渗率39单元面积流域汇流计算地表bQd采用时段单位线法。根据代表性流域求得单位线（UH）后，计算式应为40单元面积流域汇流计算地下bQg采用线性水库演算法。具体进行时可简化，不对单元面积分别演算，而是全流域总算。由于地下径流的汇流历时很长，大大超过河槽汇流历时，所以不考虑地下径流在流域面上分布的不均匀性，误差不大。如新安江水库流域，分析得K为84h，而单元面积至流域出口的最大汇流历时只有9hb这部分计算参数为UH及K。41单位线42马司京根法连续演算框图单元河段数单元河段数N N时时段段数数M M43河糟汇流计算 采用马斯京根连续演算法。计算参数有演算段数(单元河段数)n，每个单元河段的马斯京根法系数XE与KE。44参数确定bbn n是是单单元元面面积积出出口口至至流流域域出出口口的的河河槽槽汇汇流流段段数数。首首先先确确定定计计算算时时段段 t t及及汇汇流流速速度度C C，得得 t t行行距距 L L tCtC，即即单单元元河河段段长长度度。据据 L L，由由河河口口向向上上沿沿河河网网划划分分单单元元河河段段。各各单单元元面面积积的的n n即即该该面面积积出出口口离流域出口的单元河段数。离流域出口的单元河段数。bb新新安安江江水水库库流流域域取取 t t3h3h，又又根根据据流流域域中中下下游游水水文文实实测测资资料料，求求得得中中、高高水水C C2.0m/s2.0m/s，得得 L L20km20km。以以水水库库周周边边为为起起点点向向上上划划分分，全全流流域域分分为为3 3个单元河段。个单元河段。bb取取K KE E t t，X XE E用用公公式式X XE E0.5l0.5l(2(2 L)L)推推求求。其其中中L L2km2km，代人，代人X XE E计算式，得计算式，得X XE E0.450.45。bb由由 t t、K KE E及及X XE E，可可得得单单元元河河段段马马期期京京根根法法系系数数C C0 0、C C1 1、C C2 2。45流域单元面积及河段数46（三）新安江模型流程47（四）模型的改进（四）模型的改进bb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。bb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48二、萨克拉门托二、萨克拉门托(Sacramento)模型模型bb由由美美国国萨萨克克拉拉门门托托河河流流预预报报中中心心提提出出，于于19731973年开始使用。年开始使用。bb模模型型是是在在斯斯坦坦福福(Standford)IVStandford)IV号号模模型型的的基基础础上上发展的。发展的。bb把把流流域域分分为为不不透透水水面面积积、透透水水面面积积及及变变动动的的不不透水面积透水面积三部分。三部分。bb径径流流来来源源于于不不透透水水面面积积上上的的直直接接径径流流，透透水水面面积积上上的的地地面面径径流流、壤壤中中流流、浅浅层层与与深深层层地地下下水水，变变动动的的不不透透水水面面积积上上的的直直接接径径流流。其其主主体体为为透透水面积。水面积。49不透水面积透水面积张力水UZTW自由水UZFW下渗1-PEREEPEREE张力水 自由水自由水LZTW LZFPLZFSRSERV深层地下水蒸发蒸发蒸发蒸发蒸发萨克拉门托模型萨克拉门托模型降雨量不透水面径流地面流壤中流浅层地下水河槽总入流分配函数河道径流地下水不闭合的地面水出流不闭合的地下水出流50（一）产流结构及计算方法简述（一）产流结构及计算方法简述bb将土层分为两层。每层蓄水量又分为张力水与自由水两种。降雨先补充上层张力水，张力水满足，再补足上层自由水。张力水的消退为蒸散发，自由水提供下渗及河槽入流，并可补充张力水。51四水源产流bb地地面面径径流流由由上上层层张张力力水水及及自自由由水水全全部部蓄蓄满满，雨雨强强超超过过壤壤中中流流排排出出率率与与上上层层至至下下层层的的下下渗渗率率产产生，为生，为饱和坡面流饱和坡面流。bb壤壤中中流流由由上上层层自自由由水水横横向向排排泄泄形形成成，其其蓄蓄泄泄关关系模拟为线性水库。系模拟为线性水库。bb上上层层自自由由水水还还向向下下层层渗渗透透，其其渗渗透透率率由由下下渗渗曲曲线线控控制制，为为模模型型的的核核心心部部分分。渗渗透透水水量量以以一一定定比比例例PEREEPEREE分分配配给给下下层层自自由由水水，产产生生浅浅层层及及深深层层(快快速速及及慢慢速速)两两种种地地下下水水，其其蓄蓄泄泄关关系系都都模模拟拟为为线线性性水水库库，比比例例系系数数PEREEPEREE反反映映了了地地下下径径流的产流面积。流的产流面积。52下渗曲线bb下下渗渗曲曲线线采采用用霍霍尔尔坦坦型型，表表示示为为下下渗渗率率与与土土层层缺缺水水量量的关系，其计算公式为：的关系，其计算公式为：bbRATERATE稳定下渗率；稳定下渗率；bbPBASEPBASE下层亏水比，等于下层缺水量与下层容量下层亏水比，等于下层缺水量与下层容量之比；之比；bbZZ系数，决定下层最干旱时的最大下渗率；系数，决定下层最干旱时的最大下渗率；bbDEFRDEFR土层缺水量土层缺水量 bbREXPREXP系数，表示下渗率随土层蓄水量变化的函数系数，表示下渗率随土层蓄水量变化的函数形式，当形式，当REXPREXP1 1相当于线性函数；相当于线性函数；bbUZFWCUZFWC上层自由水蓄量上层自由水蓄量；bbUZFWMUZFWM上层自由水容量。上层自由水容量。53REXP对下渗曲线的影响 PBASELZFPMLZPK十LZFSMLZSK 其中，LZFPM、LZFSM是下层两种自由水的容量，LZPK、LZSK是相应的日出流系数，即KP54河槽总入流量bb各种自由水蓄量通过线性水库，转换为河槽总入流量。如壤中流，令出流系数为UZK；QUZFWCUZKUZFWCUZFWC上层自由水蓄量上层自由水蓄量55（二）蒸散发计算（二）蒸散发计算bb1)上层张力水：bb2)下层张力水：56(三三)参数确定参数确定bbUZTWMUZTWM：可可以以看看作作为为最最大大初初损损值值。选选夏夏季季久久旱旱后后，未未产产生生多多少少径径流流的的小小雨雨，计计算算其其降降雨雨损损失量。计算多次，取其中较大者用之。失量。计算多次，取其中较大者用之。bbUZFWMUZFWM：不不能能从从实实测测资资料料中中直直接接估估算算，一一般般可取可取1515至至30mm30mm。bbUZKUZK：难难以以精精确确估估算算，可可根根据据实实测测流流量量过过程程壤壤中流退水段估算，下式中中流退水段估算，下式中N N为壤中流退水天数为壤中流退水天数：UZKUZK1 1（0.10.1）1/N1/N57参数确定参数确定bbLZTWM：对于湿润地区，可取历史上次洪降雨最大损失量与上层张力水容量UZTWM之差。bbLZPK：选择久早不雨的退水过程后期，可认为是慢速地下水出流，计算式为LZPK1(QN/Q0)1/NbbUZK同理得，但假定QN/Q00.1。58参数确定参数确定bbLZFWMLZFWM：等等于于最最大大慢慢速速地地下下水水流流量量(以以时时段段内内mmmm表示表示)除以除以LZPKLZPK。bbLZSKLZSK：流流量量过过程程的的地地下下水水退退水水期期，扣扣除除慢慢速速地下水后，用计算地下水后，用计算LZPKLZPK的方法计算。的方法计算。bbLZFSMLZFSM：同同上上，扣扣除除慢慢速速地地下下水水后后，与与计计算算LZFWWLZFWW的方法同。的方法同。bbZ Z、REXPREXP：优优选选，或或移移用用自自然然地地理理条条件件相相似似的的流域数值。流域数值。bbPFREEPFREE：下渗水量补充自由水的比例，应应该该是是变变数数。模模型型一一般般取取0.20.2到到0.50.5，据据地地下下水水丰丰富富程程度及地下水起涨速度而定出。度及地下水起涨速度而定出。59萨克拉门托模型参数60分段计算bb模型还有一个特点是计算时段取定(一般取6或24h)后，在时段内按雨量5mm分段计算，目的是处理差分计算误差。计算时段变化了，有的参数要作时段转换。如出流系数的转换式为KP,T1(1KP,T)T/T61三、水箱三、水箱(Tank)模型模型bb水箱模型于20世纪60年代初由日本国立防灾研究中心提出。bb模型的基本结构是水箱(蓄水容器)。bb将降雨径流过程模拟为若干个水箱的调蓄作用。62水箱模型示意图单孔水箱单孔水箱两孔水箱两孔水箱地表径流地表径流地表径流地表径流壤中流壤中流壤中流壤中流基流基流基流基流多层直立式水箱多层直立式水箱63(一）单一水箱蓄量与时段出流量、时段下渗量的一）单一水箱蓄量与时段出流量、时段下渗量的关系图关系图bbH H1 1为时段初的蓄水量，为时段初的蓄水量，Q Q1 1为时段出流量，为时段出流量，F F1 1为时段下渗量，均以为时段下渗量，均以深度表示；深度表示；为出流孔时段出流系数，其中为出流孔时段出流系数，其中 0 0为下渗孔，均以水深为下渗孔，均以水深的比例表示；的比例表示；h h为出流孔高度。为出流孔高度。64由图711：Q10H1h1一孔出流：Q Q1 1（H H1 1h h1 1）1 1hh2 2HH1 1h h1 1二孔出流：Q Q（H H1 1h h1 1）1 1+（H H1 1h h2 2）22HH1 1hh2 2F1H10H1hS式中HS为饱和深度；若水箱内H1超过HS，则下渗量达饱和值FS：FSHS0设时段末的蓄水深为H2，时段雨量为P，蒸散发为E，则：H2H1-P-E-Q1-F165水箱的出流孔有2个或更多bb流量与蓄量的关系不是线性的。随着蓄量的增加，当Hh2(图示G点)，径流将加速增长，HQ关系在G点转折。因此，增加出流孔可以模拟Q与H间的非线性关系。bb举一个极端的例子，如果设有无穷多个出流孔(图711b)，则QH为一平滑曲线。66单一水箱蓄量与时段出流量、时段下渗量单一水箱蓄量与时段出流量、时段下渗量的关系图的关系图67（二）湿润地区的简单水箱模型（二）湿润地区的简单水箱模型bb1、模型结构bb2、蒸散发量E计算681、模型结构 常常用用几几个个垂垂直直串串联联的的直直列列式式水水箱箱模模型型模模拟拟降降雨雨径径流流关关系系。通通常常顶顶层层水水箱箱设设置置2 2个个或或3 3个个出出流流孔孔，其其它它层层水水箱箱每每一一层层只只设设1 1个个出出流流孔孔，最最底底层层水水箱的出流孔常安排在与水箱底同一水平上。箱的出流孔常安排在与水箱底同一水平上。一一般般认认为为，顶顶层层相相应应于于地地表表结结构构，产产生生地地面面径径流流，第第二二层层水水箱箱相相应应于于壤壤中中流流，第第三三、四四层层水水箱相应于地下径流。箱相应于地下径流。各各层层水水箱箱右右侧侧出出流流孔孔的的流流量量相相加加，即即为为流流域域总总流流量量过过程程。为为考考虑虑河河槽槽调调蓄蓄，可可以以再再并并联联一一个个水水箱箱，令令由由以以上上计计算算的的结结果果再再经经过过一一次次线线性性水水库的调蓄。库的调蓄。69模型水分运动有效降雨首先注入顶层水箱中，当雨深超过出流孔高，右侧孔开始出流，下渗则与降雨注入同时发生，并由底孔渗出。上一层的下渗即下一层的入流。出流与下渗各按前述Q、F计算702、蒸散发量E计算bb大多数河流采用以下简单的方法：年内各天都用常数值。此值约为蒸发皿E值的7080。bb如雨量小于E，从剩余蓄水深中扣除剩余E部分，不够时，从下渗量中扣除，再不够，从下一层水箱的蓄水深中扣除。bb无雨时，扣除E从顶部水箱蓄水深开始，其余同上。71（三）非湿润地区的并联水箱模型（三）非湿润地区的并联水箱模型bb模模型型结结构构与与湿湿润润地地区区不不同同点点为为：考考虑虑土土壤壤含含水水量量的的影影响响，在在顶顶层层水水箱箱底底部部设设置置土土壤壤含含水水量量的的结结构构。考考虑虑产产流流面面积积的的不不均均一一，在在流流域域上上分带。分带。bb在在非非湿湿润润流流域域，部部分分地地区区湿湿润润，其其余余地地区区干干旱旱，只只有有在在湿湿润润面面上上才才产产生生地地面面径径流流。而而在在干干旱旱面面积积上上，全全部部雨雨量量被被土土壤壤吸吸收收成成为为土土壤壤含含水水量量。雨雨季季开开始始后后，湿湿润润面面积积沿沿河河谷谷向向上上逐逐渐渐扩扩展展。为为模模拟拟这这种种变变化化，把把流流域域从从河河岸岸到到山山区区，分分成成几个带。几个带。72流域分带示意图731、模型结构bb每一带用几个垂直串联的水箱来模拟，其中顶层水箱具有土壤含水量结构，各带结构可以不同。bb顶层以下，各带同层次水箱的结构相同。如此组成了由n(垂向水箱数)m(分带数)个水箱组成的并联水箱模型。74非非湿湿润润地地区区的的并并联联水水箱箱模模型型结结构构示示意意图图752、模型水分运动 模模型型把把构构成成土土壤壤含含水水量量的的水水分分称称封封存存水水，其其它它称称自由水自由水。自自由由水水沿沿水水平平和和垂垂直直二二个个方方向向运运动动，同同带带各各层层水水箱箱，水水分分由由上上向向下下流流动动，同同时时，还还有有一一个个向向上上的的输输送送水水，即即由由毛毛细细管管作作用用，将将下下层层自自由由水水传传递递给给封封存存水水。水水平平方方向向是是异异带带同同级级水水箱箱由由分分水岭逐次向下一带流出。水岭逐次向下一带流出。顶顶层层水水箱箱设设有有两两种种出出流流孔孔，A A型型孔孔出出流流量量直直接接进进入河槽，入河槽，B B型孔型孔出流量进入下一带同层水箱。出流量进入下一带同层水箱。763、蒸发计算基本上同湿润地区基本上同湿润地区 干化过程：干化过程：流流域域上上水水分分干干化化过过程程是是最最高高带带最最先先变变干干，然然后后第第二二、第第三三等等带带变变成成干干旱旱。这这是是由由于于自自由由水水流流向向河河谷谷的的水水平平运运动动，最最高高带带消消退退最最快快。当当下下层层没没有有自自由由水水补补充充封封存存水水时时，土土壤壤含含水水量量开开始始由由于于蒸蒸散散发发而而减减少少，最最高高带带首首先先干干化化，然然后后向向河河谷谷方方向向发发展展。较较低低带带还还要要接接受受上上一一带带的的水水平平来来水，所以不易干旱。水，所以不易干旱。湿化过程湿化过程 湿湿化化过过程程则则反反之之，最最低低带带首首先先湿湿润润，然然后后逐逐级级向上。向上。77计算实例bb湖南省湘江水系东江站曾用简单水箱模型编制了预报方案，用两层直列水箱。模型参数如下（试算）：bb计算时段为6h78概念性水文模型的局限性概念性水文模型的局限性b由于流域水文过程中的空间分异性和复杂性，使得水文研究人员至今还不能采用数学物理方程来描述径流形成过程中的各个子过程，在产流、汇流等环节上仍然主要借助于概念性水文模型、水量平衡方程或经验公式。b在一些比较著名的模型，如美国的斯坦福模型和萨克门托模型、日本的水箱模型以及中国的新安江和陕北模型等，常采用简单的下渗经验公式、经验流域蓄水曲线或水箱侧孔、底孔出流等来模拟产流过程；采用单位线、线性或非线性水库及渠道来模拟汇流过程。79分布式水文模型（Distributed/Lumped）b分布式或半分布式流域水文模型是目前国际上水文研究的热点。在分布式水文模型中，考虑了降雨的空间变化，计算区域的空间分异，如土壤与地形的空间分布。这与以前的概念模型有了很大的差别。在分布式水文模型中仍有一些假定:b降雨空间分布不平衡，但不考虑其时间变化。b在暴雨期间，土壤含水量的再分配不考虑，土壤与降雨的空间相关关系被忽略。80GIS技术在水文模型中的应用bGIS中用于空间数据及非空间属性数据的获取、存储、分析和显示的功能已非常成熟，可为水文模型提供非常详尽的背景环境描述(如DEM，土地利用类型等)。b由于GIS在水文中的应用，基于过程的分布式水文模型得到了关注与发展，这是由于其应用连续的空间单位(格网单元)用于数据存储和处理，使数据易于进行叠加分析，并且可从DEM中提取水文网络以用于建立水文模型。81bGIS能够处理不同源的数据：地图、航空照片，卫星影像和研究区的监测与实测数据资料。其在水文模型中以下几方面能发挥重要作用：(1)管理空间数据；(2)由基础数据层生成新数据层；(3)为模型参数的自动获取提供可能；(4)为水文建模提供方便；(5)GIS有利于分析计算的过程及结果可视化表达。82遥感数据在水文分析中的应用遥感数据在水文分析中的应用b复杂而又具有物理意义的分布式水文模型的发展极大地提高了对空间数据的要求。同时，传统数据收集部门受到了极大的压力，传统地面观测站网的密度远远不能满足模型对数据的要求。b遥感方法被认为是花费较少的数据获取方法。如在洪水演进模型中，土地利用类型图可用于估算计算网格的糙率系数。83数字高程模型(DEM)b数字高程模型(DEM)最为有用，因DEM不仅表达了地面高程的空间分布，而且据此可以自动生成流域水系和分水线、流向、河流形状、自动提取地形坡度和其它地貌参数。b将DEM与表达土壤、植被、地质、水文地质特性的参数的空间分布叠加在一起，还可以描述这些下垫面参数与地面高程之间的关系。8485868788芮孝芳，蒋成煜，张金存.流域水文模型的发展,水文，2006:26(3）,22-26.89水文模型能满足需要吗？b“异参同效”，严格地说是指对于相同的模型结构和相同的模型输入，会有多个最优参数组使所获得的模型输出具有相同的拟合精度。b现行流域水文模型，由于其对水文物理过程的描写与定量计算过于粗略和概化，实际上只具有“模拟”功能，属于“模拟模型”。b在科学上和应用中，最具有价值、能预测未来的是“预 测模型”。90地震能预测吗？bb临震预测方面，美国有人一直从事这方面的研究临震预测方面，美国有人一直从事这方面的研究工作。工作。20042004年，美国加州大学洛杉矶分校年，美国加州大学洛杉矶分校（UCLAUCLA）的一位非常有名的）的一位非常有名的7070多岁的俄国籍科学多岁的俄国籍科学家，通过几十年的研究建立了一个模型，并用他家，通过几十年的研究建立了一个模型，并用他的模型成功验证了无数个已经发生过的地震，时的模型成功验证了无数个已经发生过的地震，时间、空间和震级等参数都能一一对应。于是，在间、空间和震级等参数都能一一对应。于是，在20042004年年4 4月份召开的美国地震学会年会上，他用这月份召开的美国地震学会年会上，他用这个模型预测，该年度个模型预测，该年度1010月份在南加州某个地方会月份在南加州某个地方会有地震。很多媒体对他的预测都进行了报道。结有地震。很多媒体对他的预测都进行了报道。结果到时候地震并没有发生，一年半载之后别的地果到时候地震并没有发生，一年半载之后别的地方有小震发生，但跟他预测的完全不同。这还是方有小震发生，但跟他预测的完全不同。这还是著名的地震学家做出的工作。这位科学家的模型著名的地震学家做出的工作。这位科学家的模型是基于已经发生的地震的参数进行的模拟，但是是基于已经发生的地震的参数进行的模拟，但是对未来的地震并不能够进行准确的预测对未来的地震并不能够进行准确的预测。91b水文模型是在研究水文现象和水文规律中产生的，并在不断的发展和完善。目前广泛使用的绝大多数仍为概念性的水文模型，既具有一定的物理基础，又有良好的适用性，在水文模拟中发挥了巨大的作用，但在越来越受水文界关注的尺度问题、生态水文过程、人类活动及气候变化的水文响应等热点问题上缺乏有力的解决方案，有待进一步的发展和完善。92数字流域bb综合运用综合运用3S3S（遥感（遥感 RSRS、地理信息系统、地理信息系统 GISGIS、全球定位系统全球定位系统 GPSGPS）技术、网络技术、多媒体）技术、网络技术、多媒体及虚拟现实等现代高新技术对及虚拟现实等现代高新技术对全流域的地理环全流域的地理环境、自然资源、人文景观、社会和经济状态等境、自然资源、人文景观、社会和经济状态等各种信息进行采集和数字化管理，构建全流域各种信息进行采集和数字化管理，构建全流域综合信息平台和三维影像模型综合信息平台和三维影像模型，使各级部门能，使各级部门能够有效管理整个流域的经济建设，做出宏观的够有效管理整个流域的经济建设，做出宏观的资源利用与开发决策。资源利用与开发决策。93数字流域模型bb模型的框架结构、关键技术以及模型建立和运行等方面的内容；bb黄河数字流域模型：以黄河流域为例，给出了模型在流域水资源量计算、洪水模拟、侵蚀产沙、淤地坝规划等领域的初步应用成果，展示了模型在流域规划和管理工作中的广阔应用前景。