4第五章-流域水文模型.ppt
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第五章第五章流域水文模型流域水文模型第五章第五章流域水文模型流域水文模型摘摘要要了解确定性概念模型了解确定性概念模型降雨径流流域模型的基降雨径流流域模型的基础是水文现象的客观规律性础是水文现象的客观规律性了解新安江模型结构的特点、计算方法以及参了解新安江模型结构的特点、计算方法以及参数调试数调试掌握萨克模型、水箱模型、掌握萨克模型、水箱模型、API模型的基本特模型的基本特点和计算原理点和计算原理了解模型参数率定的方法了解模型参数率定的方法了解模型实时校正的基本方法了解模型实时校正的基本方法目目录录第一节第一节水文模型概述水文模型概述第二节第二节新安江模型新安江模型第三节第三节萨克拉门托(萨克拉门托(Sacramento)模型)模型第四节第四节水箱(水箱(tank)模型)模型第五节第五节陕北模型陕北模型第六节第六节模型参数的率定模型参数的率定第一节第一节水文模型概述水文模型概述水文模型物理模型数学模型随机模型确定性模型水文现象的成因规律水文现象的成因规律模型的性质模型的性质水流运动的空间变化水流运动的空间变化时空尺度时空尺度第一节第一节水文模型概述水文模型概述第一节第一节水文模型概述水文模型概述一、基本概念一、基本概念一、基本概念一、基本概念1、确定性模型、确定性模型水文模型常将研究过程看成一个系统,确定性模型研究系统的输入、水文模型常将研究过程看成一个系统,确定性模型研究系统的输入、输出和变量间的定量关系、当这种关系可以依据明确的物理概念,则称输出和变量间的定量关系、当这种关系可以依据明确的物理概念,则称为概念性模型;若系统的输入、输出转换仅仅依靠一种数学函数来进行,为概念性模型;若系统的输入、输出转换仅仅依靠一种数学函数来进行,只有数学概念而无明确物理意义,系统的转换犹如在看不见的黑箱中进只有数学概念而无明确物理意义,系统的转换犹如在看不见的黑箱中进行,则称行,则称“黑箱模型黑箱模型”2、确定性概念模型、确定性概念模型确定性概念模型将流域看作一个系统,研究其降雨、蒸发、出流确定性概念模型将流域看作一个系统,研究其降雨、蒸发、出流等流域物理过程,常称为降雨径流流域模型或流域水文模型等流域物理过程,常称为降雨径流流域模型或流域水文模型第一节第一节水文模型概述水文模型概述一、基本概念一、基本概念一、基本概念一、基本概念确定性概念模型是以流域的水文物理过程为依据,通过概化而建立的确定性概念模型是以流域的水文物理过程为依据,通过概化而建立的数学模型。
流域降雨径流模型中,输入是降雨,输出是出口断面流量。
作数学模型。
流域降雨径流模型中,输入是降雨,输出是出口断面流量。
作为水文模型,是用模拟技术对降雨径流的复杂自然现象加以科学概化,抓为水文模型,是用模拟技术对降雨径流的复杂自然现象加以科学概化,抓住主要矛盾,保留是事物间的基本联系,并用数学函数来表示住主要矛盾,保留是事物间的基本联系,并用数学函数来表示降雨径流流域模型中,将流域系统分成若干子系统,如产流、汇流子降雨径流流域模型中,将流域系统分成若干子系统,如产流、汇流子系统等。
产流子系统又可根据坡面水量平衡情况进行土壤水、地表水、壤系统等。
产流子系统又可根据坡面水量平衡情况进行土壤水、地表水、壤中流和地下水来计算。
汇流系统中,可对不同水源成分进行坡面汇流和河中流和地下水来计算。
汇流系统中,可对不同水源成分进行坡面汇流和河网汇流计算网汇流计算第一节第一节水文模型概述水文模型概述二、水文模型特点二、水文模型特点二、水文模型特点二、水文模型特点水文模型将流域作为一个有机联系的系统,从系统学的水文模型将流域作为一个有机联系的系统,从系统学的角度研究系统的输入角度研究系统的输入、输出和各状态变量的时序过程及、输出和各状态变量的时序过程及内在联系,可以得到三者的函数关系内在联系,可以得到三者的函数关系水文模型能解决实测资料范围以外的外延问题水文模型能解决实测资料范围以外的外延问题水文模型有助于认识流域水文规律,提高模拟精度水文模型有助于认识流域水文规律,提高模拟精度国内外水文模型研究进展国内外水文模型研究进展2020世纪世纪6060年代:
年代:
水文模型的起步:
斯坦福(简写为SWM,StanfordwatershedModel),现在为HSPF,流域水文模型进入蓬勃发展的时期,Sacramento模型、Tank模型、前期降水指标(API)模型、新安江模型、SHE模型,TOPMODEL等是这一时期的典型代表。
20世纪世纪80年代:
年代:
流域水文模型处于相对缓慢的发展阶段20世纪世纪90年代以后:
年代以后:
流域水文模型的模拟技术得到了不断的发展,随着信息技术的不断发展,分布式流域水文模型成为现在研究的热点,利用GIS、RS等技术提取到的信息不断被应用到流域水文模型中。
(1)国外水文模型研究进展国外水文模型研究进展国外不同时期的代表模型:
国外不同时期的代表模型:
Stanford模型;Sacramento模型;API模型;SCS模型。
Tank模型。
SHE模型。
TOPMODEL。
ARNO模型;VIC模型(VIC-2L,VIC-3L以及具有Horton和Dunne机制的地表径流参数化方法),HBV、CLS模型、SSARR模型以及一些分布式半分布式流域水文模型都是应用比较广泛的。
据不完全统计至少有上百种流域水文模型。
(2)国内水文模型的研究进展国内水文模型的研究进展概念性模型:
概念性模型:
以新安江模型为代表的:
姜弯径流模型,双超产流模型以及河北雨洪模型蓄满超渗兼容模型垂向混合模型;以及对国外模型的改进和应用:
API模型、Tank模型、Sacramento模型、NAM模型、CLS模型等在生产实践中通过一定的改进后也取得了较好的应用效果。
另外,通过模型应用的不断总结,模型的优化与一些模型参数在地区上的分布已经积累了大量的经验。
分布式水文模型:
分布式水文模型:
20世纪90年代末期:
李兰等提出了一种分布式水文物理模型;任立良和刘新仁在数字高程模型(DEM)的基础上,应用新安江模型建立数字产流模型;郭生练等(2000;2001)提出和建立了一个基于DEM的分布式流域水文物理模型。
(3)(3)模型的应用情况模型的应用情况降雨径流及洪水预报、其它诸如环境和生态管理。
l美国:
HEC-HMS以及NWS(NationalWeatherService,Burnash,etc.,1973)模型是常用的洪水预报模型,SWM模型现已发展为HSPF模型以及它的水质扩张模型是美国环境保护局的流域水文模型;l加拿大:
径流预报常用的模型是WATFLOOD(WaterFloodSystem)(Kouwen,1993)模型;lTOPMODEL和SHE模型是欧洲国家常用的水文分析模型。
lHBV模型是斯堪的纳维亚地区的径流预报模型。
lARNO模型,以及TOPIKAPI模型在意大利被广泛应用。
l日本TANK模型。
中国新安江模型。
第二节第二节新安江模型新安江模型新安江(三水源)模型新安江(三水源)模型新安江(三水源)模型新安江(三水源)模型第二节第二节新安江模型新安江模型新安江(三水源)模型新安江(三水源)模型新安江(三水源)模型新安江(三水源)模型第二节第二节新安江模型新安江模型蒸散发计算蒸散发计算蒸散发计算蒸散发计算第二节第二节新安江模型新安江模型产流计算产流计算产流计算产流计算第二节第二节新安江模型新安江模型产流计算产流计算产流计算产流计算第二节第二节新安江模型新安江模型产流计算产流计算产流计算产流计算第二节第二节新安江模型新安江模型水源划分水源划分水源划分水源划分1、二水源的水源划分结构、二水源的水源划分结构第二节第二节新安江模型新安江模型水源划分水源划分水源划分水源划分2、三水源的水源划分结构、三水源的水源划分结构第二节第二节新安江模型新安江模型水源划分水源划分水源划分水源划分2、三水源的水源划分结构、三水源的水源划分结构第二节第二节新安江模型新安江模型水源划分水源划分水源划分水源划分2、三水源的水源划分结构、三水源的水源划分结构第二节第二节新安江模型新安江模型水源划分水源划分水源划分水源划分2、三水源的水源划分结构、三水源的水源划分结构第二节第二节新安江模型新安江模型差分计算误差差分计算误差水源划分水源划分水源划分水源划分时段转换时段转换第二节第二节新安江模型新安江模型汇流计算汇流计算汇流计算汇流计算1、二水源的汇流计算、二水源的汇流计算第二节第二节新安江模型新安江模型汇流计算汇流计算汇流计算汇流计算1、二水源的汇流计算、二水源的汇流计算第二节第二节新安江模型新安江模型汇流计算汇流计算汇流计算汇流计算2、三水源的汇流计算、三水源的汇流计算壤中流汇流壤中流汇流第二节第二节新安江模型新安江模型模型参数模型参数模型参数模型参数1蒸散发能力折算系数KC2流域平均张力水容量WM3流域蓄水容量面积分布曲线指数B4不透水面积占全流域面积的比例IM5深层蒸散发扩散系数C6自由水蓄水容量SM7自由水蓄水容量面积分布曲线指数EX第二节第二节新安江模型新安江模型模型参数模型参数模型参数模型参数8自由水蓄水库对地下水和壤中流的日出流系数KG+KI9地下水消退系数CG10壤中流消退系数CI11河网单位线UH12地面径流消退系数CS13河网蓄水消退系数CR14滞后时间L15马斯京根法参数KE、XE第二节第二节新安江模型新安江模型第二节第二节新安江模型新安江模型模型评述模型评述三分特点,即分单元计算产流、分水源坡面汇流和分阶段三分特点,即分单元计算产流、分水源坡面汇流和分阶段流域汇流;流域汇流;模型参数少且大多数具有明确的物理意义,容易确定;模型参数少且大多数具有明确的物理意义,容易确定;模型参数与流域自然条件的关系比较清楚,可以寻找到参模型参数与流域自然条件的关系比较清楚,可以寻找到参数的区域规律;数的区域规律;模型中未设超渗产流机制,适用于湿润与半湿润地区。
模型中未设超渗产流机制,适用于湿润与半湿润地区。
第二节第二节新安江模型新安江模型模模型型应应用用第二节第二节新安江模型新安江模型模模型型应应用用第二节第二节新安江模型新安江模型模模型型应应用用第二节第二节新安江模型新安江模型模型应模型应用用第三节第三节萨克拉门托(萨克拉门托(Sacramento)模型)模型一、模型结构一、模型结构一、模型结构一、模型结构第三节第三节萨克拉门托(萨克拉门托(Sacramento)模型)模型二、模型参数二、模型参数二、模型参数二、模型参数第三节第三节萨克拉门托(萨克拉门托(Sacramento)模型)模型二、模型参数二、模型参数二、模型参数二、模型参数第三节第三节萨克拉门托(萨克拉门托(Sacramento)模型)模型三、模型评述三、模型评述三、模型评述三、模型评述蓄满产流与超渗产流兼有,流域分单元和总径流分水源;模型参数虽有物理意义,但参数多,难于优选;产流计算复杂,汇流计算相对简单甚至可以根据需要自行配置;模型中设有超渗产流机制,可以根据不同的自然地理条件,采用不同的参数组合,描述不同的产流机制,在湿润与半湿润地区以蓄满产流为主,在干旱与半干旱地区以超渗产流为主,其适应范围广;模型参数的独立性差,最优解很不惟一,参数的自动优选问题很难解决。
第四节第四节水箱(水箱(Tank)模型)模型一、一、一、一、湿润地区的串联水箱模型湿润地区的串联水箱模型湿润地区的串联水箱模型湿润地区的串联水箱模型顶层水箱:
模拟地表径流,设置个出流口顶层水箱:
模拟地表径流,设置个出流口第二层水箱:
模拟壤中流第二层水箱:
模拟壤中流第三层水箱:
模拟地下径流第三层水箱:
模拟地下径流、水箱结构、水箱结构、参数估算、参数估算蒸发量取值比较简单,年内各天取为常数,蒸发量取值比较简单,年内各天取为常数,约为实测水面蒸发值的约为实测水面蒸发值的0.70.8,有降雨时,可,有降雨时,可以从降雨中扣除,如小于时,可先从顶层水箱以从降雨中扣除,如小于时,可先从顶层水箱的剩余蓄水量中扣除,不够时再从下渗量中扣除。
的剩余蓄水量中扣除,不够时再从下渗量中扣除。
第四节第四节水箱(水箱(Tank)模型)模型二、二、二、二、半湿润地区的并联水箱模型半湿润地区的并联水箱模型半湿润地区的并联水箱模型半湿润地区的并联水箱模型关键:
非湿润地区,产流特点必须考虑流域上土壤蓄水量的影响和流域产关键:
非湿润地区,产流特点必须考虑流域上土壤蓄水量的影响和流域产流面积的变化,模型结构在直列串联水箱的基础上,增加了顶层水箱地步流面积的变化,模型结构在直列串联水箱的基础上,增加了顶层水箱地步设置土壤水结构和将流域分带的内容设置土壤水结构和将流域分带的内容第四节第四节水箱(水箱(Tank)模型)模型三、模型评述三、模型评述三、模型评述三、模型评述以水箱作为蓄水容器,将降雨径流过程模拟为若干水箱的调蓄作用;模型结构简单,而且不定,水箱个数和孔数等均可以改变,参数值也不受物理概念的约束,所以适应性好,在湿润地区易于取得成功;模型的物理概念不是直接的,没有明确的土壤含水量的概念,参数多且没有一个客观的数学方法来描述,主要依靠试错法来确定参数;由于线性水库的出流没有洪峰滞时,所以计算的出流过程需要作一定时间的滞后才能与实测出流过程相符,这就相当于河网汇流。
第五节第五节陕北模型陕北模型一、一、一、一、模型结构模型结构模型结构模型结构二、二、二、二、模型参数模型参数模型参数模型参数第五节第五节陕北模型陕北模型第五节第五节陕北模型陕北模型三、三、三、三、模型评述模型评述模型评述模型评述为了考虑降雨分布的不均匀性和下垫面分布的不均匀性,将流域划分为若干块单元面积;在每块单元面积内又将其划分为不透水面积和透水面积;在透水面积上降雨量扣除蒸散发后,用霍尔顿或菲利普下渗公式计算径流量;在不透水面积上降雨扣除蒸散发后产生径流量;模型参数具有一定的物理意义;模型适用于干旱或半干旱地区。
其他模型其他模型HBVHBV模型模型模型模型其他模型其他模型SMARSMAR模型模型模型模型其他模型其他模型SIMHYDSIMHYD模型模型模型模型其他模型其他模型TOPMODELTOPMODEL模型模型模型模型第六节第六节模型参数率定模型参数率定一、一、一、一、模型参数模型参数模型参数模型参数、地理参数、地理参数反映流域自然地理特征的参数,可根据流域特性和地形图等资料测得反映流域自然地理特征的参数,可根据流域特性和地形图等资料测得、过程参数、过程参数数学方程中的待定参数,大多具有明确的物理意义,可对流域水数学方程中的待定参数,大多具有明确的物理意义,可对流域水文气象、地质等资料分析后初定,如蒸散发能力、土壤蓄水容量、稳文气象、地质等资料分析后初定,如蒸散发能力、土壤蓄水容量、稳渗率、地下水槽蓄系数等则必须优先确定渗率、地下水槽蓄系数等则必须优先确定模型参数的率定,主要是指率定过程参数,其方法利用历史资料,模型参数的率定,主要是指率定过程参数,其方法利用历史资料,在一定输入条件下用模型再现系统的输出,不同的参数具有不同的输出,在一定输入条件下用模型再现系统的输出,不同的参数具有不同的输出,与历史资料相比,精度最优的输出,其相应的参数即为所求与历史资料相比,精度最优的输出,其相应的参数即为所求第六节第六节模型参数率定模型参数率定二、二、二、二、目标函数目标函数目标函数目标函数误差平均和误差平均和误差绝对值误差绝对值确定性系数确定性系数第六节第六节模型参数率定模型参数率定三、三、三、三、模型参数的率定方法模型参数的率定方法模型参数的率定方法模型参数的率定方法、试错法、试错法、自动优选法、自动优选法、半自动优选法、半自动优选法作业与思考作业与思考什么是流域水文模型?
什么是流域水文模型?
新安江流域水文模型的原理、结构和新安江流域水文模型的原理、结构和计算方法?
计算方法?
流域水文模型的分类?
流域水文模型的分类?
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