1、WORWOR 格式 專業資料整理 一、試題 簡述流域水文模型的類型及其應用問題 水文模型的基本類型有哪些？各有哪些作用？ 論述流域水文模型的類型及其特征？ 水文模型的分類 水文模型分為物理模型和數學模型兩類。 物理模型是一種比尺或比擬模型模擬，前者將研究對象的原型按一定的比例在實驗室 內建成物理模型，先對模型進行觀測分析，然后根據相似律再對原型的物理過程進行定性 或定量分析，后者是以一些物理量來比擬水的某些特性的模型。 數學模型則首先針對人們已掌握的流域徑流形成的物理機制，應用物理定律建立其數 學描述方程式，然后用數學方法時行求解，從而獲得各種情況下流域降雨與徑流之間的定 量關系。 數學模型又

2、可分為確定性模型和隨機模型兩類。確定性模型是描述水文現象必然規律 的數學結構；隨機模型描述水文現象隨機性規律的數學結構。 確定性模型可分為集總式和分 前者忽略水文現象的空間分布差異。 比尺模擬 物理模型 比擬模擬 隨機模型 數學模型相對于物理模型的優點： 1、 數學模型的所有條件都可以由原型所觀測的數據直接給出，不受比尺的限制， 即數學模型無相似律問題。 2、 數學模型的邊界及其它條件既可嚴格控制，也可隨時按實際需要改變。 3、 數學模型的通用性強，只要研制出一種適合的軟件就可用于解決不同的實際問題。 4、 數學模型具有理想的抗干擾能力，只要條件不變，重復模擬可得到完全相同的結果， 不會因人、

3、因地而異。 5、 數學模型的研制費用相對便宜，運行處理費用更加便宜。 流域水文模型的分類 散式模型兩種 水文模型 確定性模型 數學集總式模型 r 分散式模型 WORWOR 格式 專業資料整理 流域水文模型以流域為研究對象，對流域內發生降雨徑流這一特定的水文過程進行數 學模擬，即把流域上的降雨過程，模擬計算出流域出口斷面的流量過程。從流域水文模型的發 展和應用來看，流域水文模型屬于數學模型，可分為確定性模型和隨機模型，我們通常所說的 是指確定性模型。 從反映水文運動物理規律的科學性和復雜性程度而言，流域水文模型通常被分為三大 類：系統模型（即黑箱模型， back-boxmodel ）、概念性模型

4、（conceptualmodel ）、物理模型 （physically-basedmodel ）。 系統模型將所研究的流域或區間視作一種動力系統，利用輸入（一般指雨量或上 游干支流來水）與輸出（一般指流域控制斷面流量）資料，建立某種數學關系，然后 可由新的輸入推測輸出。系統模型只關心模擬結果的精度，而不考慮輸入一輸出之間 的物理因果關系。 系統模型和線性的和非線性的， 時變的和時不變的，單輸入單輸出的， 多輸入單輸出的，多 輸入多輸出的等多種類型。代表性模型有：總徑流線性響應模型（ TLR）、線性振擾動模型 （LPM、以及神經網絡（ANN等。 概念性模型利用一些簡單的物理概念和經驗公式，如下滲

5、曲線、匯流單位線、蒸發公 式、或有物理意義的結構單元， 如線性水庫、線性河段等，組成一個系統來近似地描述流域 水文過程。代表性模型有：美國的斯坦福模型（ SWM、日本的水箱模型（Tank）、我國的新 安江模型（XJM）等。 物理模型依據水流的連續方程和動量方程來求解水流在流域的時間和空間的變化規律。 代表模型有 SHE模型，DBSIN模型等。 從反映水流運動的空間變化能力而言，水文模型可分二類為：集總式模型（ lumpedmodel） 和分布式模型（distributedmodel ）。 集總式模型認為流域表面上各點的水力學特征是均勻分布的，對流域表面上的任何一 點上的降雨，其下滲、滲漏等縱向

6、水流運動都是相同和平行的， 不和周圍的水流發生任何聯 系，即不存在水平運動。集總模型把全流域當作一個整體來建立模型，即對流域參數進行均 勻處理。 分布式模型認為流域表面上的各點的水力學特征是非均勻分布的，水流在流域表面上 的分布并不均勻，應將流域劃分為很多小單元，在考慮水流在每個小單元體縱向運動時，也要 考慮各個單元之間的水量的橫向交換。 分布式水文模型可分為松散型和耦合型兩類。前者假定每個單元面積對整個流域響應 的貢獻是互不影響的， 可通過每個單元的疊加來確定整個流域響應； 后者是用一組微分方程 及其定解條件構成的定解問題， 必須通過聯立求解才能確定整個流域的響應。 概念性分布式 流域水文模

7、型多是松散的，具有物理基礎的分布式流域水文模型有耦合型的也有松散型的。 概念性分布式流域水文模型解算方法一般比較簡單， 但反映徑流形成機制不夠完善。 具有物 理基礎的耦合型分布式流域水文模型， 雖然在描述徑流形成過程時物理概念清楚， 但解算比 較困難，甚至不一定有穩定解，介于兩者間的具有物理結構的分布式流域水文模型是近 期值得開發的一種分布式流域水文模型。 WORWOR 格式 專業資料整理 另外，介于集總式模型和分布式模型之間，還有一種所謂的半分布式模型，其典型代 表是以地形為水文過程空間變異性基礎的 TOPMODEL模型。 集總式流域水文模型的缺陷 集總式流域水文模型的最基本特征是將流域作為

8、一個整體來模擬其徑流的形成過 程。就模型結構而言，現有集總式流域水文模式絕大多數都是由概念性元素按徑流形成 過程組合而構成的。WORWOR 格式 專業資料整理 1、 構成模型的概念性元素一般只能模擬水文現象的宏觀表現，而不能涉及水文現象的 本質或物理機制。因此，現有集總式流域水文模型的結構對徑流形成過程的描述是近 似的，甚至是粗略的，所包含的參數大多數缺乏明確的物理意義。 2、 將事實上呈空間分布狀態的降雨輸入當成模型的集總輸入，這顯然與流域徑 流形成是分散輸入、集總輸出的實際情況不符。 3、 有些模型雖然設法考慮下墊面條件空間分布不均對徑流形成過程的影響，但 由于采用的是統計分布曲線，因而無

9、法同時考慮降雨空間分布的影響。 4、 模型包含的參數一般都有多于 2個甚至于十幾個要通過率定方法來確定，即由實測 水文氣象資料反求。這種稱為反問題的數學問題，在理論上完全依賴于目標函數、約束條件的 擬定和實測水文氣象資料條件，會出現異參同效現象。因此很難保證解的唯一性和合理性。 流域水文模型發展中的問題及展望 半個世紀以來，一方面是傳統模型繼續發揮著重要作用，另一方面是新的流域水文模 型不斷出現，其普適性卻無法解決，理論基礎研究進展緩慢。究竟是什么原因導致流域水文 模型的發展遭遇到這種困境呢？ 1、模型缺乏中間觀測資料的檢驗：目前水文模型的中間過程（如土壤水、壤中流、地 下水）參數基本上由個別

10、實驗小流域實測資料或經驗關系先確定取值范圍， 其最終率定則要 服從模型輸出結果 （降雨徑流關系） 的精度需要，這勢必影響對提示水文規律的中間復雜過 程的研究。比如許多概念性模型都有分割各層徑流的模型，也輸出一些中間成果，如土壤含水 量等，但是沒有流域的實測資料，加上調參的唯一檢驗是總徑流過程線，很難說明中間成果接 近流域實際；對分布式流域水文模型，雖模型參數都有物理意義，但由于存在同樣的問題，只 能從理論上而無法從實踐上證明其必然優勢。再加上物理模型的復雜性，在一些中小流域，系 統模型和概念性模型依然得到廣泛的應用。 因此改進和利用遙感、雷達等先進的技術獲得準確和直接的中間水文過程資料， 然后

11、依據這些資料分析和檢驗復雜的水文規律，而不是主要用總徑流過程線來調試參 數，水文物理結構而不是單純的數學物理公式或參數優化方面來推動流域水文模型的 發展，文模型發展要解決的迫切問題。 2、降雨徑流資料的誤差和還原問題：大部分流域降雨徑流資料由于測量技術受到限 制，其精度可能無法真實的反映真實水文現象。其次是由于人類活動的影響會導致某些水 文因素 的變化，使歷史資料無法直接與現狀資料統一應用，而無論是修正歷史歷史資料還是還原 現狀資料都有一定的難度，從而影響水文模型的參數率定和應用。 在依靠先進測量技術不斷提高水文數據質量的同時，加強氣候變化和人類活動對水文 過程影響的理論研究，利用獲取的信息對

12、原資料進行修正和還原，是解決水文模型資料的關 鍵。 3、水文時空尺度問題：不同時間和空間尺度的水文系統規律通常有很大的差異。 表現在流域水文模型上則為一些小尺度的流域實驗獲得的參數往往不能直接應用到大 流域的水 進而 從 是水 WORWOR 格式 專業資料整理 文模擬，不同時間尺度的模型變量或參數也往往不能通過簡單疊加或分解進行轉換。水文尺度 問題也是造成應用水文模型層出不窮，普適性模型難于研制和實踐的主要原因之一。 因此，解決尺度問題，探索不同尺度模型變量或參數之間的轉換規律，是建立 普適性水文模型和實現水文模型與大氣環流等其它模型進行耦合的關鍵。 4、參數不確定性問題：兩場不同的降雨可能導致同一個模型輸出兩組不同的參數值;WORWOR 格式 專業資料整理 就是同一場降雨，由于目標函數模式的不同，模型參數取值也往往不同，這勢必影響流域水 文模型輸出