流域水文模型综述.docx

流域水文模型综述-1--5-流域水文模型综述当今社会科学技术发展越来越迅猛人们对于数字化的要求也越来越高。水文学作为一门历史悠久的学科也越来越趋向于数字化与定量化。在这样的大背景下水文模型则应运而生。水文模型是在防洪与水利工程的实际运用和实践中渐渐发展起来的它早期用于实时洪水与实时水位预报中。现在水文模型的作用范围更加广泛它在防洪减灾、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起到了不可或缺的重要作用。因此水文模型的研究已经成为水文学的热点问题。并且相应于河口水文模型山坡水文模型等其他水文模型而言流域水文模型的研究更加具备实际意义。1定义根据何长高董增川等发表的论文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对流域内发生的水文过程进行模拟计算求解输出结果。更进一步流域水文模型就是用于流域水文模拟的这个系统。流域水文模型是基于人们对客观世界的长期观测和理解认识所提出能够高度概化现实世界并用于预测未来的工具。2基本架构不管是何种流域水文模型以机制为基础还是以模式为基础流域水文模型都包含着几个必不可少的模型阶段即坡面产流阶段坡面汇流阶段和河网汇流阶段。2.1坡面产流阶段1933年霍顿提出了超渗产流理论相应在国外的产汇流计算中有了超渗产流机制。霍顿提出：当雨强I大于下渗能力fp时雨强一部分按照下渗能力fp下渗到土壤当中另一部分产生地面径流rs；当雨强I小于下渗能力fp时雨强按照其自身的强度全部下渗到土壤当中。在实际的勘测与实践中人们发现在植被覆盖良好地表疏松的地方即使雨强I小于下渗能力fp也会存在地面径流。邓恩在六十年代提出了蓄满产流机制。邓恩认为：土壤在垂直结构上并不是仅有一个层次实际上土壤上层是有较大土壤颗粒的淋溶层而土壤下层是有较小土壤颗粒的淀积层这两层之间存在一个相对不透水层。当雨强I小于下渗能力fp时雨强会在相对不透水层上产生饱水带随着饱水带厚度渐渐增加直至充满整个上土层多余的水量会溢出产生地面径流。超渗产流机制一般适用于包气带较厚植被覆盖率较差的地区。而蓄满产流机制则适用于湿润地区。2.2坡面汇流阶段在坡面产流阶段有的模型会通过两水源或是三水源划分出各径流成分的径流量如新安江模型；另外一些则一开始就计算出了各径流成分的径流量如SAC模型。在坡面汇流常用的方法有单位线法和线性水库法。单位线法有两个苛刻的假定即倍比假定和叠加假定。由于不能考虑降雨和下垫面的时空分布不均匀使得该法推流的较大误差来源就来自于此。单位线推流适用于短历时降雨原因在于如果降雨时段增多那么对于出流时洪水过程的划分就会相应的增加计算过程变得麻烦而且计算结果也会变得不准确。该方法由于测量误差会使单位线后部呈现锯齿形状此时应该加入控制条件加以修正。有时净雨时段长与单位线的时段长不一致还要进行单位线的时段转换。单位线法目前已经是发展成熟的坡面汇流方法因此被工作单位广泛的使用。在新安江模型中地下水的坡面汇流用的一般就是线性水库方法实际上地面径流也是可以运用线性水库的。根据不同径流成分的消退系数就可以得到各个径流成分的坡面汇流公式。2.3河槽汇流模型河槽汇流主要有两种方法：一个是水文学方法一个是水力学方法。水文学方法主要运用水量平衡方程和槽蓄方程另以圣维南方程组的简化形式为辅而得出结果该方法的特点是物理概念性较强常用的方法有马斯京根法和特征河长法。而水力学方法主要是以圣维南方程组为基础的一系列河道演算方法该方法的特点是中间断面的每一个过程都比较清晰但是方程只能用数值解表示。水文学方法不适用于流域下游受回水顶托的地方以及河网地区但是水力学方法的圣维南方程组却可以在河网地区适用。圣维南方程组是偏微分方程组所以要引入差分格式来进行数值解代替解析解的计算。常见的差分格式有蛙跳格式中心差分格式等其中普利斯曼隐式格式由于其差分的传播误差很小而广泛应用于水力学方法的计算中。3分类按照模型构建有无物理基础来划分流域水文模型可以分为物理模型概念性模型和黑箱子模型。完全物理化的模型的通用性非常好这是水文工作者希望提出的理想化模型。概念性模型就是模型中含有物理意义但是又不是完全的遵循物理规律需要提出一定的假设条件。现在大多数发展起来的概念性模型有新安江模型SAC模型VIC模型等等。黑箱子模型是一种完全没有物理背景的模型它的大概模式就是：输入-运转-输出。这样的模型大多数都是随机水文模型比如BP人工神经网络模型回归模型模糊数学模型等等。按照模型构建的尺度大小可以分为集总式模型和分布式模型。集总式模型把流域当作一个整体来考虑统一的进行分析和处理它存在一个特别大的问题那就是忽略了下垫面和降雨的时空分布不均匀性。随着科学技术的日益发展学者们提出的分布式水文模型具备更高的精度。分布式水文模型有