水文模型pdf

① 流域水文模型的类型有哪些原理

1. 水悉带侍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。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睁吵具。

2. 流域水文模型（流域模型）是以一个数学模型来模拟流域降雨—径流形成过程或融雪—径流形成过程，即定量分行亩析从降水、蒸发、融雪、截流、下渗、填洼、径流成分划分、坡地汇流和河槽汇流到形成流域出口断面的径流过程线的全过程。

3. 流域水文模型可分为实体模型和数据模型：

   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。

   数据模型：对水文现象进行模拟而建立的数学结构称作为数学模型。

4. 常见的水文模型有：新安江流域模型；萨克拉门托(Sacramento)模型；水箱(Tank)模型。

② 　水文地质模型概化及其数值模拟模型

一、水文地质模型概化

（一）边界条件

根据工作区区域地质、水文地质条件，以松散岩类孔隙水含水层为本次计算的目的层，将黑龙江、乌苏里江、松花江、鸭蛋河、梧桐河、挠力河、七星河、别拉洪河及安邦河概化为一类水流边界，即地下水与江河水位有较密切的水力联系。平原与山地接触地带，地下水自山地向平原侧向径流的补给边界，概化为二类水流边界；而季节性积水的沼泽湿地为三类边界。山地区（含区内的残山丘陵区）及前第四系为隔水含水层，在计算模型中为不计算单元。边界条件概化结果见图4-1 。

图4-1 三江平原边界条件概化图

（二）含水层参数分区

第四纪不同时期，工作区不同位置沉积了不同厚度与粒度的松散堆积物，使含水层在水平方向与垂直方向上均有分区性，根据工作区不同时期的岩相古地理特征，将工作区的含水层参数分成6个区，见图4-2～图4-5。

二、数值模拟模型

将工作区地下水流系统概化为非均质各向同性、三维、非稳定流系统，用以下微分方程的定解问题描述：

三江平原地下水资源潜力与生态环境地质调查评价

式中：Ω为渗流区域，即工作区内有效计算单元所构成的区域，面积为39 415.68km²；Γ₀为渗流区上边界，即地下水的自由表面；Γ₁为一类边界，包括黑龙江、乌苏里江、松花江、鸭蛋河、梧桐河、挠力河、外七星河、别拉洪河及安帮河等常年流水且与地下水有密切水力联系的河流；Γ₂为二类边界，即除黑龙江、乌苏里江以外的工作区边界；Γ₃为三类边界，即工作区内季节性积水的沼泽湿地；h为含水层水位标高，m；h₀为初始水位，m；h₁为一类边界江河水位，m；h_s为三类边界沼泽湿地水位，m；K为含水层渗透系数，返指m/d；S为地下水自由面以下含水层的储水系数，m^-1；μ为潜水含水层在潜水面上的重力给水度；ε为含水层源汇项，d^-1；p为潜水面的蒸发和裤肢降水补给等源汇项；q₂为二类边界单位面积流量，m³/d；σ为沼泽湿地底部弱透水层的阻漏纯配力系数，σ＝L/K_S，L为弱透水层厚度，m，K_S为弱透水层垂向渗透系数，m/d。

上述数学模拟模型应用三维模拟计算软件进行求解计算。

③ 水文模型的介绍

指用模拟方法将复杂的水文现象和过程经概正渣化所给出的近似的科学模型。按模拟方式分为水文物理模型(实体模型、比尺模型)和水文数学模型两种基本类型。水文物理模型是具有原型(即研究对象)主要物理性质的模型，如在实验室中将一个流域按相似原理缩小，或将原土样搬到实验室所做的实验等;水文数举斗悄学模型则是遵循数学表达式相似的原理来描述水文现象物理过程的模型，却不考虑原型的物理本质，如汇流，既不把河段搬到实验室，也不仿造一个人工河段进行实验，而是用一个物理本质与其不同却具有相同数学表达式的方程式表示汇流，从而描述出实际汇流的物理过程。这两种模型之间存在着密切的联系，因为物理模型的研究是数学模型的基础，销激而数学模型则是物理模型的有力表达方式。水文模型在水文理论研究和实践中具有重要意义。

④ 水文模型的分类

国内外开发研制的水文模型众多，结构各异，按照模型构建的基础，水文模型可分为物理模型、概念性模型和系统理论模型三类。 水文现象和水文规律十分复杂，利用实体场景研究水文过程变化规律，以及某些要素物理性质的模型称为水文物理模型。水文实验是水文物理模型的核心环节，它是为探求和研究水文现象和过程并对其作出成因分析的科学实验。水文现象受许多自然因素制约和人类活动影响，一般的水文观测和分析难以清楚地揭示其物理过程和相互关系，需要在野外或实验室内用特定的程序、装置和设备进行系统的、有控制的观测和试验。水文实验研究的主要目的在于揭示天然条件下和人类活动影响下水文现象的物理机制，以及各种水文要素之间的相互联系；在研究现有水文学理论和应用中有待认识和解决的问题；检验已有的规律与理论。
当前水文物理模型(实验、试验)的应用领域越来越广泛，如：
(1)水文过程研究，包括蒸散发、降雨径流关系、水文过程及动态的研究。
(2)水化学平衡和植物生态研究。
(3)不同自然地理条件和人类活动影响下的水文规律研究。
(4)特殊地区(如岩溶、冻土地区)和特殊径流形式的水文研究等。 概念性流域水文模型是以水文现象的物理概念和一些经验公式为基础构造的水文模型，它将流域的物理基础(如下垫面等)进行概化(如线性水库、土层划分、蓄水容量曲线等)，再结合水文经验公式(如下渗曲线、汇流单位线、蒸散发公式等)来近似地模拟流域水流过程。按对模拟流域的处理方法，概念性水文模型又可分为集总式陪判模型和分散式模型。集总式概念性模型把全流域当作一个整体来建立模型，即对流域参数(变量)进行均化处理；分散式概念性模型则按流域下垫面不同特征和降水的不均匀性把流域分为若干个单元，对每一单元采用不同特征参数进行模拟计算，然后依据各单元的水力联系和水量平衡原理，通过汇流演算得到全流域的输出结果。
世界上知名的概念性模型已不下20种，主要的计算步骤大同小异。在我国，最着名的概念性水文模型是新安江流域水文模型(简称新安江模型)。新安江模型是河海大学赵人俊教授等在长期研究与实践的基础上，于1973年对新安江水库作入库流量预报工作时提出的降雨径流模型。新安江模型主要由4部分组成：蒸散发计算、蓄满产流计算、水源划分和汇流计算。模型主要特点是：
(1)在产流计算中应用蓄满产流概念。
(2)将水源分为地面、壤中与地下3种。
(3)在河道洪水演算中应用马斯京根法。
新安江模型的核心是提出蓄水容量曲线表达包气带蓄水能力(容量)的空间不均匀性。
新安江模型是分散性模型，它把全流域分成若干单元面积，对每块单元面积分别作产汇流计算，得出各单元面积的出口流量过程，再分别将各单元出口流量过程经河道洪水演算至流域出口断面，把同时刻的流量相加即求得流域出口的流量过程。
如图是三水源新安江模型的结构。新安清罩江模型根据输入的实测水面蒸发与当时的土壤湿度，代入蒸散发模型，可计算出流域蒸散发。再根据输入的实测降雨与计算的蒸散发，代入产流方程，可计算出径流，同时调整了土壤湿度。把径流代入分水源方程可分出地面径流、壤中流与地下径流。地面径流用单位线计算流量过程，壤中流与地下径流采用水库演算计算流量过程，合而成为流域的出流过程。再应用河道洪水演算，求得下游某断面的流量过程。 水文系统是指研究对象中，由相互作用和相互依赖的水文要素组成的具有水文循环功能的整体。水文系统至少包含3个部分，即系统的输入、输出和系统的功能。对于河流而言，上断面的水位或流量为输入，下断面的水位或流量是输出；对于流域产汇流而言，降雨与蒸发是输入，流域出口的流量过程为输出。水文系统的功能是与系统所处的地理位置、流域或河系的地貌、植被与下垫面特性，以及人类活动影响等因素相联系。当系统的输入与输出之间的转化满足线性叠加原理的称为芦正改线性系统，反之，称为非线性系统。当系统输入与输出转化关系中的参数随时间变化时，称为时变系统，反之，定常参数的系统称为时不变系统。当系统输入、输出或参数不存在空间变化的称为集总系统，反之称为分散系统。从系统的观点看，真实的流域系统在复杂环境因素的共同作用下，多半是非线性、时变和分散的。
系统理论模型又称系统响应模型，这类模型将研究对象视为一种动力系统，一般采用回归分析方法，利用已有降雨径流资料建立某种数学关系，然后由此用新的输入推求输出。系统理论模型只关心模拟结果的精度，而不考虑输入输出之间的物理因果关系，因此又被称为黑箱子模型。

⑤ 流域水文模型的简介

流域水文模型把流域总体看成是一个系统，输入为降雨等，输出为出流流量等。流域内的水文过程则是系统的状态，是根据水文概念推理计算出来的。所谓模拟，就是对水文现象作出合理的概括建余余立模型，进行计算处理。世界知名的概念性模型已不下20种，主要的计算步骤大同小异。下面以中国的新安江辩简流域水文模型为例（附加图片），根据输入的实测水面蒸发与当时的土壤湿度，代入蒸散发模型，可计算出流域蒸散发。再根据输入的实测降雨与计算的蒸散发，代入产流方程，可计算出径流，竖灶滚同时调整了土壤湿度。把径流代入分水源方程可分出地面径流、壤中流与地下径流。地面径流用单位线计算流量过程，壤中流与地下径流各用水库演算计算流量过程，合而成为流域的出流过程。再应用河道洪水演算，求得下游某断面的流量过程。上述计算步骤以及所用的各种方程构成流域水文模型的结构，可以写成为一个计算机程序。计算方程中的各种参数，需要根据流域情况及历史资料推求出来。有了结构与参数以后，在计算机上实现，就能把任何输入转换成相应的输出。