ch6流域水文模型解析ppt课件

LOGO第六章第六章第六章第六章 流域水文模型流域水文模型流域水文模型流域水文模型第六章 流域水文模型1ContentsContents流域水文模型的概念流域水文模型的概念1概念性流域水文模型概念性流域水文模型2分布式流域水文模型分布式流域水文模型3流域水文模型研究与检验流域水文模型研究与检验4Contents流域水文模型的概念1概念性流域水文模型2分布21 1 流域水文模型的概念流域水文模型的概念1、水文模型概述、水文模型概述思考：什么是流域水文模型，其作用是什么思考：什么是流域水文模型，其作用是什么?河道汇流河道汇流地下水汇流地下水汇流流域汇流流域汇流流域产流流域产流1 流域水文模型的概念1、水文模型概述流域水文模型的物理基31 1 流域水文模型的概念流域水文模型的概念 早期的水文分析计算大多采用一些经验相关早期的水文分析计算大多采用一些经验相关的方法，如：相应水位（或流量）法、降雨径流的方法，如：相应水位（或流量）法、降雨径流相关图法、单位线法等。相关图法、单位线法等。2020世纪世纪5050年代后期先后年代后期先后有流量综合与水库调节、斯坦福等模型出现。这有流量综合与水库调节、斯坦福等模型出现。这些模型从定量上分析了流域出口断面流量过程形些模型从定量上分析了流域出口断面流量过程形成的全部过程。成的全部过程。6060年代先后涌现出了大量的多参年代先后涌现出了大量的多参数、复杂的概念性降雨径流模型，比较著名的有数、复杂的概念性降雨径流模型，比较著名的有萨克拉门托、水箱等模型。河海大学萨克拉门托、水箱等模型。河海大学19731973年研制年研制的新安江模型是一个分散参数的概念性降雨径流的新安江模型是一个分散参数的概念性降雨径流模型，在我国湿润与半湿润地区广为应用，并取模型，在我国湿润与半湿润地区广为应用，并取得好的效果。得好的效果。1 流域水文模型的概念 早期的水文分析计算大多采用41 1 流域水文模型的概念流域水文模型的概念2 2、水文模型分类、水文模型分类（1 1）按模型构建的基础分类）按模型构建的基础分类水文模型水文模型水文模型水文模型黑箱模型黑箱模型黑箱模型黑箱模型物理模型物理模型物理模型物理模型概念性概念性概念性概念性模型模型模型模型1 流域水文模型的概念2、水文模型分类水文模型黑箱模型物理51 1 流域水文模型的概念流域水文模型的概念v思考：上述三类模型的优缺点比较。思考：上述三类模型的优缺点比较。物理机制、计算复杂度、应用难易、通用性、预物理机制、计算复杂度、应用难易、通用性、预测和外延能力测和外延能力v（2）按对流域水文过程描述的离散程度分类）按对流域水文过程描述的离散程度分类1 1集总式模型集总式模型2 2半分布式模型半分布式模型3 3分布式模型分布式模型PERD DS1 流域水文模型的概念思考：上述三类模型的优缺点比较。1集61 1 流域水文模型的概念流域水文模型的概念v比较各类模型，哪种模型更优？比较各类模型，哪种模型更优？v从水文模拟和所需资料角度考虑。从水文模拟和所需资料角度考虑。3、模型研究与发展、模型研究与发展 从经验相关到模型研究期从经验相关到模型研究期 思考：思考：哪些是经验相关方法？哪些是经验相关方法？1 流域水文模型的概念比较各类模型，哪种模型更优？72 2 新安江模型概述新安江模型概述v1973年，河海大学赵仁俊教授领导的研究组在年，河海大学赵仁俊教授领导的研究组在编制新安江洪水预报方案时，汇集当时在产汇流编制新安江洪水预报方案时，汇集当时在产汇流理论方面的研究成果，并结合大流域洪水预报的理论方面的研究成果，并结合大流域洪水预报的特点，设计了国内第一个完整的流域水文模型特点，设计了国内第一个完整的流域水文模型新安江流域水文模型。新安江流域水文模型。v水源：由二水源发展为三水源。水源：由二水源发展为三水源。v产流计算：蓄满产流产流计算：蓄满产流v汇流计算：线性水库汇流计算：线性水库v河道汇流：马斯京根分段连续演算或滞后演算法河道汇流：马斯京根分段连续演算或滞后演算法2 新安江模型概述1973年，河海大学赵仁俊教授领导的研82 2 新安江模型概述新安江模型概述小流域集总模型大流域分块模型 分块模型把流域分成许多块单元流域，对每个单元流域做产汇流计算，可以得到单元流域的出口流量过程。再进行出口一下的河道洪水演算，并得流域的流量过程。把每个单元流域的出流过程相加，就求得了流域出口的总出流过程。划分单元的目的：处理降雨分布的不均匀性 因此，单元流域面积要适中，使得在每块面积上降雨比较均匀，并有一定数目的雨量站；其次，尽可能是单元流域与自然流域相一致；若流域中有大中型水库，则水库以上的集水面积即可作为一个单元流域。2 新安江模型概述小流域集总模型92 2 新安江模型二水源模型结构新安江模型二水源模型结构降雨P蒸发皿蒸发EI透水面积土壤湿度W上层WU下层WL深层WD径流REUELED蒸散发EWUMWLMC不透水面积IMPWMB地面径流RS地下径流RGFC地面径流过程地下径流过程单元流域出流过程UHKKGKEXE径流R2 新安江模型二水源模型结构降雨P蒸发皿蒸发EI透水面积102 2 新安江模型三水源模型结构新安江模型三水源模型结构输入降雨P，蒸发皿蒸发量EI透水面积不产流面积1FR产流面积FR产流量R张力水W上层WU下层WL深层WD自由水S不透水面积产流量RIMPWMBIMP输出蒸散发EEUEUEUWUMWLMC地面径流RS壤中流RSS地下径流RGSMEXKSSKG地下径流流域出口流量KKG地面径流及壤中流总入流地面径流及壤中流总入流UH输出总流量Q三水源新安江模型流程图2 新安江模型三水源模型结构输入降雨P，蒸发皿蒸发量EI112 2 新安江模型不同水源模型区别新安江模型不同水源模型区别 二水源模型由于没有考虑壤中流作用，故在壤中流丰二水源模型由于没有考虑壤中流作用，故在壤中流丰富流域常常得不到好的模拟结果。富流域常常得不到好的模拟结果。三水源模型认为，土壤中水有张力水（田间持水量三水源模型认为，土壤中水有张力水（田间持水量以下的水）和自由水（田间持水量以上的水）之分。二水以下的水）和自由水（田间持水量以上的水）之分。二水源模型只考虑了张力水的调蓄作用，没有考虑自由水的调源模型只考虑了张力水的调蓄作用，没有考虑自由水的调蓄作用。因此，新三模型中增加了一个自由水蓄水库，把蓄作用。因此，新三模型中增加了一个自由水蓄水库，把总径流划分成三种水源：地面径流、壤中流、地下径流，总径流划分成三种水源：地面径流、壤中流、地下径流，代替新二模型中用代替新二模型中用FC划分水源的办法。划分水源的办法。2 新安江模型不同水源模型区别 二水源模型由于122 2 新安江模型模型计算新安江模型模型计算vv蒸散发计算蒸散发计算蒸散发计算蒸散发计算 蒸散发计算采用三个土层的模型，其参数有上层张力蒸散发计算采用三个土层的模型，其参数有上层张力水容量水容量UM，下层张力水容量，下层张力水容量LM，深层张力水容量，深层张力水容量DM，流域平均张力水容量流域平均张力水容量WM，蒸散发折算系数，蒸散发折算系数KC，深层蒸，深层蒸散发系数散发系数C，计算公式为：，计算公式为：WM=UM+LM+DM W=WU+WL+WD E=EU+EL+ED EP=KC EM2 新安江模型模型计算蒸散发计算132 2 新安江模型新安江模型蒸散发计算 EU,WU,WUM EL,WL,WLM ED,WD,WDM上层上层(Upper layer)下层下层(Lower layer)深层深层(Deep layer)上土层蒸发量上土层蒸发量：EU=EP 下土层蒸发量下土层蒸发量：EL=EP.WL/WLM 深土层蒸发量深土层蒸发量：ED=C.EP土壤蒸发量土壤蒸发量：E=EU+EL+ED (notes:同时刻相加）同时刻相加）2 新安江模型蒸散发计算 EU,WU,WUM EL,142 2 新安江模型新安江模型蒸散发计算1)当当WU+P=EP,EU=Ep,EL=0,ED=0;2)当当WU+P=C.WLM,EU=WU+P,EL=(EP-EU)*WL/WLM,ED=0;3)当当WU+PEP,C.(EP-EU)=WLC.WLM,EU=WU+P,EL=C*(EP-EU),ED=0;4)当当WU+PEP,WL=EP,2)152 2 新安江模型新安江模型产流计算产流计算 根根据据蓄蓄满满产产流流的的概概念念，参参数数有有流流域域平平均均张张力力水水容容量量WM，张张力力水水蓄蓄水水容容量量曲曲线线的的方方次次B，不不透透水水面面积积占占全全流流域域面面积积的的比比值值IM。张张力力水水蓄水容量曲线与降雨径流关系见下图。蓄水容量曲线与降雨径流关系见下图。2 新安江模型产流计算 根据蓄满产流162 2 新安江模型新安江模型产流计算产流计算计算公式为：计算公式为：计算公式为：计算公式为：2 新安江模型产流计算计算公式为：172 2 新安江模型新安江模型产流计算产流计算 当当当当P-EP-E0 0，则产流，否则不产流，产流量计算方法为：，则产流，否则不产流，产流量计算方法为：，则产流，否则不产流，产流量计算方法为：，则产流，否则不产流，产流量计算方法为：若若若若P-E+AP-E+AWMM WMM 则则则则 R=P-E-WM+W+WM R=P-E-WM+W+WM 若若若若P-E+AWMM P-E+AWMM 则则则则 2 新安江模型产流计算 当P-E0，则产流，否则182 2 新安江模型新安江模型分水源计算 将将水水源源分分为为地地面面径径流流RS，壤壤中中流流RI和和地地下下径径流流RG。参参数数有有表表层层土土自自由由水水蓄蓄水水容容量量SM，表表层层土土自自由由水水蓄蓄水水容容量量曲曲线线的的方方次次EX，表表层层土土自自由由水水蓄蓄水水量量对对地地下下水水的的出出流流系系数数KG及及对对壤壤中中流流的的出出流流系系数数KI。按按蓄蓄满满产产流流模模型型计计算算出出的的产产流流量量R，先先进进入入自自由由水水蓄蓄水水库库，再再划划分分水水源源。自自由由水蓄水库结构见下图。水蓄水库结构见下图。2 新安江模型分水源计算 将水源192 2 新安江模型新安江模型分水源计算R+SSM:R+SSM:R+S=SM:202 2 新安江模型新安江模型分水源计算Sm2 新安江模型分水源计算Sm212 2 新安江模型新安江模型分水源计算 MS=SM(1+EX)RG=KGSFRRI=KISFR若S+P-ESM 则若S+P-ESM 则 RS=(S+P-E-SM)FR2 新安江模型分水源计算 MS=SM(1+E222 2 新安江模型新安江模型汇流计算(1）地面径流的坡地汇流）地面径流的坡地汇流 地地面面径径流流的的坡坡地地汇汇流流时时间间不不计计，直直接接进进入入河河网网，计算公式为：计算公式为：QS(I)=RS(I)U (2)壤中流汇流壤中流汇流 表表层层自自由由水水以以KI侧侧向向出出流流后后成成为为表表层层壤壤中中流流，进进入入河河网网。但但如如土土层层较较厚厚，表表层层自自由由水水尚尚可可渗渗入入深深层层土土，经经过过深深层层土土的的调调蓄蓄作作用用，才才进进入入河河网网。深深层层自自由由水水用用线线性性水水库库模模拟拟，其其消消退退系系数数为为CI，计算公式为：计算公式为：QI(I)=CIQI(I-1)+(1-CI)RI(I)U 2 新安江模型汇流计算(1）地面径流的坡地汇流232 2 新安江模型新安江模型汇流计算(3)(3)地下径流汇流地下径流汇流 地地下下径径流流汇汇流流用用线线性性水水库库模模拟拟,其其消消退退系系数数为为CGCG，出出流流进进入入河河网网。表表层层自自由由水水以以KGKG向向下下出出流流后后，再再向向地地下下水水库库汇汇流的时间不另计，包括在流的时间不另计，包括在CGCG之内，计算公式为：之内，计算公式为：QG(I)=CGQG(I-1)+(1-CG)RG(I)UQG(I)=CGQG(I-1)+(1-CG)RG(I)U(4)(4)单元面积河网汇流单元面积河网汇流 单单元元面面积积的的河河网网汇汇流流用用滞滞后后演演算算法法，参参数数有有滞滞后后量量L L与与消退系数消退系数CSCS，计算公式为：，计算公式为：Q(I)=CSQ(I-1)+(1-CS)QT(I-L)Q(I)=CSQ(I-1)+(1-CS)QT(I-L)QT(I)=QS(I)+QI(I)+QG(I)QT(I)=QS(I)+QI(I)+QG(I)2 新安江模型汇流计算(3)地下径流汇流242 2 新安江模型新安江模型汇流计算(5)单元面积以下的河道汇流单元面积以下的河道汇流 单元面积以下的河道汇流用马斯京根分段演算单元面积以下的河道汇流用马斯京根分段演算法，即：法，即：合解上述两式得合解上述两式得:Q2=C0I2+C1I1+C2O1 2 新安江模型汇流计算(5)单元面积以下的河道汇流252 2 新安江模型新安江模型模型参数模型参数的物理意义模型参数的率定本节主要内容2 新安江模型262 2 新安江模型新安江模型模型参数Um上层张力水容量Lm 下层张力水容量Dm 深层张力水容量 B 张力水蓄水容量曲线方次Im 不透水面积比例K 蒸发能力折算系数C 深层蒸散发系数Sm 表土自由水蓄水容量Ex 表土自由水蓄水容量曲线方次Kg 自由水蓄水水库对地下水的出流系数Ki 自由水蓄水水库对壤中流的出流系数Ci 壤中流的消退系数Cg 地下水库的消退系数Cs 河网蓄水量的消退系数Ke、Xe 马斯京根法单元河段的两个参数2 新安江模型模型参数Um上层张力水容量272.1 2.1 2.1 2.1 模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定 前面已述，新安江模型的前面已述，新安江模型的参数可风分为蒸散发、产流计参数可风分为蒸散发、产流计算、分水源计算和汇流计算，算、分水源计算和汇流计算，可根据其物理意义来确定初值。可根据其物理意义来确定初值。（1）蒸散发能力折算系数）蒸散发能力折算系数KC KC控制着水量平衡，对控制着水量平衡，对产流量计算起着重要作用。可产流量计算起着重要作用。可根据实测资料来直接推求根据实测资料来直接推求,如如图所示。图所示。2.1 模型参数的物理意义及初值的确定28因为根据条件因为根据条件W2=W1=Wm,W2=W1=Wm,所以所以 所以有：所以有：（2 2）流域平均张力水缺水量）流域平均张力水缺水量WMWM WM WM表示流域的干旱程度，表示流域的干旱程度，WM=UM+LM+DMWM=UM+LM+DM 100mm 100mm 北方半湿润地区北方半湿润地区 WM=WM=170mm 170mm 南方地区南方地区2.1 2.1 2.1 2.1 模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定因为根据条件W2=W1=Wm,所以2.1 模型参数的物理意义29 5mm 缺林地缺林地 UM=20mm 多林地多林地 LM=6090mm，根据实验，在此范围内蒸散发大约，根据实验，在此范围内蒸散发大约与土湿成正比。与土湿成正比。DM=WM-UM-LM WM可用实测资料来分析。选择前期特别干旱，本次可用实测资料来分析。选择前期特别干旱，本次降雨足够大，大得可使全流域蓄满的洪水进行分析。根据降雨足够大，大得可使全流域蓄满的洪水进行分析。根据水量平衡：水量平衡：2.2 2.2 模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定 5mm 30 因为前期特别干旱，所以有因为前期特别干旱，所以有 ，雨后，雨后 全流域蓄满，全流域蓄满，所以，所以，（3）张力水蓄水容量曲线方次张力水蓄水容量曲线方次B B值决定张力水蓄水条件的不均匀分布，通常与流值决定张力水蓄水条件的不均匀分布，通常与流域面积有关。域面积有关。0.1 A5Km2 B=0.20.3 几百几百A1000Km2 2.2 2.2 模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定 因为前期特别干旱，所以有 31 (4)深层蒸发系数深层蒸发系数C 此值决定深根植物的覆盖面积此值决定深根植物的覆盖面积,根据现有经验根据现有经验 0.18 南方多林地区南方多林地区 C=0.09 北方半湿润地区北方半湿润地区 (5)不透水面积占全流域面积的比例不透水面积占全流域面积的比例IM 0.010.02 天然流域天然流域 IM=可以很大可以很大 城镇地区城镇地区 2.2 2.2 模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定 (4)深层蒸发系数C 2.2 模型参数的物理意义及初32 (6)表层土自由水容量表层土自由水容量SM 表土层是腐植土，表土层是腐植土，SM 的作用相当于二水源模型中的的作用相当于二水源模型中的稳定下渗率稳定下渗率FC。SM受降雨资料时段长均化影响很大，当受降雨资料时段长均化影响很大，当以日为时段长时以日为时段长时 10mm 或更小或更小 土层很薄的山区土层很薄的山区 SM=50mm 或更大或更大 土深林茂透水性强土深林茂透水性强 1020mm 一般流域一般流域2.2 2.2 模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定 (6)表层土自由水容量SM2.2 模型参数的物理意义及33 当所采用时段减小时，当所采用时段减小时，SMSM要加大。要加大。SMSM这个参数对地这个参数对地面径流的多少起决定性作用，是一个重要参数。面径流的多少起决定性作用，是一个重要参数。SMSM大则大则RSRS小，小，RGRG大大;反之反之SMSM小则小则RSRS大，大，RGRG小。小。(7)(7)表层自由水蓄水容量曲线指数表层自由水蓄水容量曲线指数EXEX EX EX决定于表层自由水蓄水条件的不均匀分布。在山决定于表层自由水蓄水条件的不均匀分布。在山坡水文学中，它决定了饱和坡面流产流面积的发展过程。坡水文学中，它决定了饱和坡面流产流面积的发展过程。由于缺乏定性分析，所以定量有困难，由于缺乏定性分析，所以定量有困难，EX=1.0 EX=1.0 1.51.5。2.2 2.2 模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定 当所采用时段减小时，SM要加大。SM34（8）KG，KI KG与与KI是表层自由水蓄水库对地下水与壤中流是表层自由水蓄水库对地下水与壤中流的出流系数，是并联的。的出流系数，是并联的。KG+KI代表出流的快慢，代表出流的快慢，KG/KI代表地下径流与壤中流之比，对一个特定流域他代表地下径流与壤中流之比，对一个特定流域他们都是常数。们都是常数。0.7 雨止到壤中流止的时间为三天雨止到壤中流止的时间为三天 KG+KI=0.8 雨止到壤中流止的时间为二天雨止到壤中流止的时间为二天2.2 2.2 模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定（8）KG，KI2.2 模型参数的物理意义及初值的确定35 KG的大小决定于基岩与深土的渗透性；的大小决定于基岩与深土的渗透性；KI的大小决的大小决定于表土层的渗透性。定于表土层的渗透性。KG/KI=RG/RIQtRSRIRG2.2 2.2 模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定 KG的大小决定于基岩与深土的渗透性；K36 (9)深层壤中流消退系数深层壤中流消退系数CI 0 无深层壤中流无深层壤中流 CI=0.9 深层壤中流丰富，相当于退水历时十天。深层壤中流丰富，相当于退水历时十天。(10)地下水消退系数地下水消退系数CG 用无雨期退水流量确定。用无雨期退水流量确定。CG=Q t+t/Qt 由槽蓄方程和退水段水量平衡方程由槽蓄方程和退水段水量平衡方程 W=KQ (1)-Qdt=dW (2)2.2 2.2 模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定 (9)深层壤中流消退系数CI2.2 模型参数的物理意义及37 联解（联解（1）、（）、（2）式得）式得Q t+t=Qt 令令CG=则则 CG=Q t+t/Qt （11）河网蓄水消退系数）河网蓄水消退系数CS与滞时与滞时L 由槽蓄方程和水量平衡方程由槽蓄方程和水量平衡方程 W=KQ（t）(1)I(t)-Q(t)dt=dW (2)联解（联解（1）、（）、（2）式得）式得2.2 2.2 模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定 联解（1）、（2）式得Q t+t=Qt 38 (12)马斯京根分段连续演算参数马斯京根分段连续演算参数KE,XE 可以根据河段特性用水力学或水文学方可以根据河段特性用水力学或水文学方 法推求。法推求。2.2 2.2 模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的物理意义及初值的确定2.2 模型参数的物理意义及初值的确定39 模型参数率定，就是根据特定的目标准则，确定模型参数率定，就是根据特定的目标准则，确定一套固定的参数寻找法则，按该法可以估计出模型的一套固定的参数寻找法则，按该法可以估计出模型的参数值，使得模型用这一估计得到的参数值计算出的参数值，使得模型用这一估计得到的参数值计算出的结果在给定准则下最优。模型参数率定步骤如图示。结果在给定准则下最优。模型参数率定步骤如图示。准则判断优或否？寻找结束寻找新的参数资料输入参数初值模型输出优否模型计算2.3 2.3 模型参数率定模型参数率定 模型参数率定，就是根据特定的目标准40模型参数率定的准则选择如下形式：模型参数率定的准则选择如下形式：式中，式中，k k 为正整数，一般取为正整数，一般取1 1或或2 2；t t=(=(1 1 ,2 2 ,t t),),参数向量参数向量;R Rn n为为n n维得式数空间域；维得式数空间域；Q Q0 0为实测值；为实测值；Qc Qc 为模型计算值。为模型计算值。参数率定就是选择一个参数向量参数率定就是选择一个参数向量Qp,Qp,使得使得ER(Qp)ER(Qp)最最小，即小，即 2.3 2.3 模型参数率定模型参数率定模型参数率定的准则选择如下形式：2.3 模型参数率定41v率定目标的选择率定目标的选择:预报规范，多目标优化预报规范，多目标优化v率定方法率定方法手工率定手工率定自动率定自动率定二者结合二者结合:自动率定方法自动率定方法自动率定方法自动率定方法vRosenbrockvSimplexvGeneticvPSOvSCE-UA2.3 2.3 模型参数率定模型参数率定率定目标的选择:预报规范，多目标优化2.3 模型参数率定422.4 参数的独立性与相关性分析 为了解决参数独立性的问题，将新安江模型分为四个层次；为了解决参数独立性的问题，将新安江模型分为四个层次；按其层次结构分层次率定参数；每个层次分别采用目标函数的按其层次结构分层次率定参数；每个层次分别采用目标函数的优化方法。新安江模型参数之间的不独立主要存在于层次之内，优化方法。新安江模型参数之间的不独立主要存在于层次之内，层次之间的参数基本上是相互独立的。若一个层次的参数共起层次之间的参数基本上是相互独立的。若一个层次的参数共起一种作用，采用一个函数，必然存在较大的相关性。一种作用，采用一个函数，必然存在较大的相关性。1 1、层次之间参数的相关性分析、层次之间参数的相关性分析 （1 1）第一、第二次层次之间。）第一、第二次层次之间。当第二层次参数当第二层次参数WMWM、B B、IMIM有变化时，对产流量有变化时，对产流量R R的计算的计算结果有影响，因此影响水量平衡，也就影响了第一层次参数结果有影响，因此影响水量平衡，也就影响了第一层次参数的调试结果。但这种作用很小，因为它只在局部蓄满产流时的调试结果。但这种作用很小，因为它只在局部蓄满产流时起作用，当全流域蓄满时就没有作用了。起作用，当全流域蓄满时就没有作用了。2.4 参数的独立性与相关性分析 为了解决参数独立43 （2 2）第二、第三层次之间。）第二、第三层次之间。参数参数B B可根据次洪的降雨径流关系求出，因此与第三层次可根据次洪的降雨径流关系求出，因此与第三层次参数无关。参数无关。WMWM只与只与B B有关，与第三层次参数也无关，有关，与第三层次参数也无关，IMIM也与其也与其它参数无关。它参数无关。（3 3）第三、第四层次参数之间在性质上是完全独立的。）第三、第四层次参数之间在性质上是完全独立的。汇流计算只处理河网汇流问题，与水源划分无关。但在汇流计算只处理河网汇流问题，与水源划分无关。但在优化参数时，都是根据流域出口断面的流量过程线，因此在优化参数时，都是根据流域出口断面的流量过程线，因此在定量上有一定相关性。但流量过程线与这两个层次间参数的定量上有一定相关性。但流量过程线与这两个层次间参数的关系，可以通过流量过程线的分段处理来解决。在大流量部关系，可以通过流量过程线的分段处理来解决。在大流量部分基本上由地面径流和壤中流组成，主要调整参数分基本上由地面径流和壤中流组成，主要调整参数SMSM、EXEX、KG+KIKG+KI、CSCS和和L L；洪水退水段的尾部基本上由壤中流组成，主；洪水退水段的尾部基本上由壤中流组成，主要调整参数要调整参数KG/KIKG/KI、CICI；小流量基本上由地下水组成，主要调；小流量基本上由地下水组成，主要调整整2.4 参数的独立性与相关性分析 （2）第二、第三层次之间。（3）第三、第四层次参数之间44参数参数KG/KIKG/KI、CGCG。因此，若分段采用不同的目标函数，可以克。因此，若分段采用不同的目标函数，可以克服某些参数间不独立的问题。服某些参数间不独立的问题。2 2、同一层次中参数的相关性分析、同一层次中参数的相关性分析 （1 1）在在第第一一层层次次，若若加加大大参参数数UMUM、LMLM、C C的的值值，计计算算的的蒸蒸散散发发量量E E值值就就会会增增加加。因因此此，为为了了控控制制水水量量平平衡衡，调调试试时时就就会会减减小小KCKC的的值值。深深层层蒸蒸散散发发折折减减系系数数C C值值只只对对干干旱旱季季节节起起作作用用，对对湿湿润润地地区区一一般般情情况况下下它它是是不不敏敏感感的的，但但对对半半湿湿润润地地区，它则是重要的。区，它则是重要的。（2 2）在在第第二二层层次次WMWM与与B B是是不不独独立立的的，它它们们共共同同确确定定了了张张力力水水蓄蓄水水容容量量曲曲线线。据据分分析析知知，WMWM与与流流域域的的干干旱旱程程度度有有关关，在在地地区区上上有有一一定定分分布布规规律律，其其变变化化范范围围在在120120170170；B B值值与与流流域面积大小有关，其值大致在域面积大小有关，其值大致在0.10.10.40.4之间。之间。2.4 参数的独立性与相关性分析 参数KG/KI、CG。因此，若分段采用不同的目标函数，可以克45 （3 3）在第三层次中）在第三层次中SMSM与与KGKG、KIKI有关，见下图，这是一个有门有关，见下图，这是一个有门槛与并联出口的线性水库。若槛与并联出口的线性水库。若KG+KIKG+KI不变，当不变，当SMSM增大时，增大时，RSRS要要减小；若同时减小减小；若同时减小KG+KIKG+KI，则，则RSRS可以保持不变；若可以保持不变；若KG/KIKG/KI也不变，也不变，则则RIRI与与RG RG 也保持不变。这时水也保持不变。这时水源划分的结果与模拟精度都相同，源划分的结果与模拟精度都相同，这表示三个参数之间是不独立的。这表示三个参数之间是不独立的。在在第第二二层层次次SMSM与与EXEX之之间间存存在在同同样样问问题题，它它们们共共同同确确定定了了自自由由水水蓄蓄水水容容量量曲曲线线。据据分分析析研研究究，值值大大体体上上表表达达了了坡坡面面地地面径流产流面积的发展过程。其值可定为面径流产流面积的发展过程。其值可定为1.51.5，不参加优化。，不参加优化。2.4 参数的独立性与相关性分析 （3）在第三层次中SM与KG、KI有关，见下图，这是46 （4 4）在汇流层次中，）在汇流层次中，CGCG决定于地下水，决定于地下水，L L与与CS CS 决定决定于洪水，相关很不密切，于洪水，相关很不密切，CSCS与与L L的功能不同，前者处理平移，的功能不同，前者处理平移，后者处理坦化，相互间是很独立的。后者处理坦化，相互间是很独立的。由上述分析可见，分水源层次参数的独立性问题特别由上述分析可见，分水源层次参数的独立性问题特别复杂，必须要加结构性约束才能解决。水源划分虽无实测复杂，必须要加结构性约束才能解决。水源划分虽无实测资料组作直接验证，但由于计算结果具有广泛的稳定性，资料组作直接验证，但由于计算结果具有广泛的稳定性，可以作为最优解的一种标准。可以作为最优解的一种标准。2.4 参数的独立性与相关性分析 （4）在汇流层次中，CG决定于地下水，L与CS 决473 3 分布式流域水文模型分布式流域水文模型 具体来说，分布式模型分布式模型是按照流域上各处土壤、植被、土地利用和降水等的不同，把流域分成若干部分，每一部分以一组参数表示该部分流域的各种特殊自然地理状况，并以这样的部分流域作为水文模拟的基本单元，然后通过径流演算而得全流域的总输出。而集总式模型集总式模型则认为那些参数在空间上变化较小，可以视为在空间上是均匀的。3 分布式流域水文模型 具体来说，分布式模型是按48Hillslope ModellingHillslope ModellingPrecipnStreamflowLateral subsurface flowETdrydrywetwetPrecipitation&ETStreamflowHillslope ModellingPrecipnStr49Larger Scale ModellingLarger Scale ModellingSPrecipitation&ETStreamflowPrecipitationETStreamflowLumped ModelSemi-lumped ModelDistribution ModelStreamflowArea=70%Area=20%mediumdrywetLarger Scale ModellingSPrecipi503 3 3 3 分布式流域水文模型分布式流域水文模型分布式流域水文模型分布式流域水文模型3 分布式流域水文模型513 3 3 3 分布式流域水文模型分布式流域水文模型分布式流域水文模型分布式流域水文模型3 分布式流域水文模型52v思考：分布式水文模型的特点思考：分布式水文模型的特点v具有物理基础，模型结构严谨，参数意义明确，具有物理基础，模型结构严谨，参数意义明确，可以利用常规理论描述各水文要素随时空的变化可以利用常规理论描述各水文要素随时空的变化过程；过程；v可以结合地理信息系统可以结合地理信息系统(GIS)、遥感、遥感(RS)等技术，等技术，获取更为详细的与实际相符合的基础数据资料；获取更为详细的与实际相符合的基础数据资料；v由于模型建立在数字化高程模型由于模型建立在数字化高程模型(DEM)基础上，基础上，因此可以及时反映人类活动和下垫面因素的变化因此可以及时反映人类活动和下垫面因素的变化对流域水文过程的影响。对流域水文过程的影响。3 3 分布式流域水文模型分布式流域水文模型思考：分布式水文模型的特点3 分布式流域水文模型533 3 3 3 分布式流域水文模型分布式流域水文模型分布式流域水文模型分布式流域水文模型v 分布式水文模型是当今水文研究的前沿和方向v分布式模型的发展前景：（1）与GIS和RS的结合：a.目前水文模型与GIS的结合有三种方式，即松散式结合、半松散式结合和完全结合（嵌入式）b.RS作为一种很有效的面数据来源，其栅格形式与分布式模型的网格划分十分一致 （2）与并行式算法结合 3 分布式流域水文模型 分布式水文模型是当今水文研究的前沿543 3 3 3 分布式流域水文模型分布式流域水文模型分布式流域水文模型分布式流域水文模型Catchments are defined for each river reach and waterbody3 分布式流域水文模型Catchments are def553 3 3 3 分布式流域水文模型分布式流域水文模型分布式流域水文模型分布式流域水文模型Watersheds are defined from outlet points on the Hydro Network3 分布式流域水文模型Watersheds are def563 3 分布式流域水文模型分布式流域水文模型Basins are standardized watersheds used for labeling and packaging hydro data sets 3 分布式流域水文模型Basins are standar57New Zealand South IslandLocation Map of the Grey RiverLocation Map of the Grey RiverLocation Map of the Grey RiverLocation Map of the Grey RiverChristchurchGreymouthBasin Area:3817 km2Flow:12.1 x 109 m3Flow/Area:3184 mmNew Zealand South IslandLocati58Grey Digital Elevation ModelGrey Digital Elevation ModelGrey Digital Elevation ModelGrey Digital Elevation Model2815 rows3675 columns30 m gridGrey Digital Elevation Model2859Channel Network Extraction Channel Network Extraction Channel Network Extraction Channel Network Extraction Contributing areaChannels defined using curvature thresholdChannel Network Extraction Con60subbasin delineationsubbasin delineationsubbasin delineationsubbasin delineationsubbasin delineation61subbasin delineationsubbasin delineationsubbasin delineationsubbasin delineationsubbasin delineation62VegetationVegetationVegetationVegetationVegetation63Depth Weighted Depth Weighted Depth Weighted Depth Weighted MacroporosityMacroporosityMacroporosityMacroporosityDepth Weighted Macroporosity64Rain and streamflow gaugesRain and streamflow gaugesRain and streamflow gaugesRain and streamflow gaugesRain and streamflow gauges65RainfallRainfallRainfallRainfallRainfall663 3 3 3 分布式流域水文模型分布式流域水文模型分布式流域水文模型分布式流域水文模型3 分布式流域水文模型673 3 3 3 分布式流域水文模型分布式流域水文模型分布式流域水文模型分布式流域水文模型3 分布式流域水文模型684 4 流域水文模型研究与检验流域水文模型研究与检验v建模思路建模思路v模型检验模型检验4 流域水文模型研究与检验建模思路694.1 模型研究思路 1 1、假设和概化、假设和概化 根根据据具具体体研研究究的的对对象象和和目目的的，以以是是否否符符合合客客观观水水文文现现象象为为标标准准，找找出出影影响响水水文文规规律律的的因因素素，并并分分析析这这些些因因素素对对水水文文规规律律影影响响的的大大小小；忽忽略略次次要的或随机因素，提出假设和概化的数学表达式。要的或随机因素，提出假设和概化的数学表达式。4.1 模型研究思路 1、假设和概化70 2、模型结构、模型结构 模模型型结结构构设设计计就就是是要要在在认认识识、分分析析水水文文规规律律的的基基础础上上，建建立立尽尽可可能能符符合合客客观观水水文文现现象象的的、具具有有比比较较明明确确的的物物理理意意义义的的总总体体结结构构和和总总体体结结构构下下的的层层次次结构。结构。4.14.1 模型研究思路 2、模型结构4.1 模型研究思路 71 3 3、模型参数、模型参数 模模型型结结构构要要符符合合客客观观水水文文现现象象，要要物物理理意意义义化化，模模型型结结构构中中的的参参数数也也一一定定要要具具有有比比较较明明确确的的物物理理意意义义。根根据据设设计计的的模模型型总总体体结结构构和和总总体体结结构构下下的的层层次次结构，初定模型参数。结构，初定模型参数。4 4、模型模拟、模型模拟 以流域产汇流基本理论为指导，计算机模拟技以流域产汇流基本理论为指导，计算机模拟技术为工具，实验流域和实际流域的实测资料为检验术为工具，实验流域和实际流域的实测资料为检验依据，对已建模型进行模拟。根据模拟值与实测值依据，对已建模型进行模拟。根据模拟值与实测值比较结果，调整模型结构和模型参数。比较结果，调整模型结构和模型参数。4.14.1 模型研究思路 3、模型参数4.1 模型研究思路 724.2 模型检验 1 1、模型结构合理性检验模型结构合理性检验 一一般般是是将将实实测测水水文文资资料料系系列列分分为为率率定定和和检检验验两两个个时时期期。首首先先用用率率定定期期的的资资料料估估计计模模型型参参数数；然然后后用用检检验验期期的的资资料料进进行行模模型型计计算算；将将模模型型计计算算值值与与实实测值进行比较，检验模型结构的合理性。测值进行比较，检验模型结构的合理性。4.2 模型检验 1、模型结构合理性检验 一般是73 用用于于模模型型结结构构合合理理性性检检验验的的实实测测资资料料系系列列不不仅仅要要具具有有代代表表性性，而而且且要要有有足足够够的的样样本本容容量量。因因为为水水文文现现象象十十分分复复杂杂，在在概概念念性性模模型型的的结结构构设设计计过过程程中中，或或多多或或少少地地对对某某些些过过程程和和要要素素进进行行了了一一定定地地假假设设和和概概化化。不不同同的的概概化化过过程程和和假假设设条条件件，模型结构有所不同。模型结构有所不同。根根据据经经验验，率率定定期期日日模模型型需需68年年连连续续资资料料，检检验验期期24年年连连续续资资料料；次次洪洪水水模模型型若若系系列列代代表表性性好好，率率定定期期和和检检验验期期分别需分别需10场左右大、中、小洪水。场左右大、中、小洪水。4.2 模型检验 用于模型结构合理性检验的实测资料系列不仅要742 2、模型参数分析检验模型参数分析检验 （1 1）参数率定）参数率定 一般是首先确定目标准则，初定一组参数值，一般是首先确定目标准则，初定一组参数值，用模型进行模拟计算，比较计算与实测结果，若满用模型进行模拟计算，比较计算与实测结果，若满足，该组参数即可确定；若不满足，调整参数，重足，该组参数即可确定；若不满足，调整参数，重新计算，直至满足目标准则。模型参数率定与模型新计算，直至满足目标准则。模型参数率定与模型结构合理性检验基本相同，所选用的实测资料系列结构合理性检验基本相同，所选用的实测资料系列不尽要具有代表性，而且要有足够的样本容量。不尽要具有代表性，而且要有足够的样本容量。4.2 模型检验 2、模型参数分析检验 （1）参数率定4.2 模型检75（2 2）参数区域对比）参数区域对比 通通过过参参数数区区域域对对比比，如如果果一一个个模模型型参参数数的的区区域域规规律律好好，说说明明模模型型结结构构和和参参数数的的物物理理意意义义化化强强，模模型型的的可可移移植植性性就就高高。相相反反，如如果果模模型型参参数数没没有有区区域域规规律律，说说明明模模型型结结构构和和参参数数的的物物理理意意义义化化不不强，模型不能在区域上移植强，模型不能在区域上移植4.2 模型检验 （2）参数区域对比4.2 模型检验 76（3）模型结构的地区对比）模型结构的地区对比 对对一一个个模模型型，需需要要用用尽尽可可能能多多的的流流域域进进行行检检验验。应应在在地地理理位位置置、地地形形、植植被被和和土土质质等等方方面面具具有有代代表表性性。只只有有当当模模型型结结构构对对各各种种不不同同条条件件都都能能做做出出统统一一的的解解释释时时，这些结构的客观规律性才能得到基本的肯定。这些结构的客观规律性才能得到基本的肯定。4.2 模型检验 （3）模型结构的地区对比4.2 模型检验 77（4 4）方法之间的比较）方法之间的比较 前前面面介介绍绍了了四四个个流流域域水水文文模模型型。除除水水箱箱模模型型外外，另另外外三三个个模模型型的的汇汇流流部部分分结结构构设设计计比比较较接接近近，主主要要差差别别在在产产流流结结构构部部分分。新新安安江江模模型型没没有有超超渗渗产产流流结结构构，萨萨克克模模型型设设有有超超渗渗产产流流结结构构。用用湿湿润润地地区区的的同同一一资资料料系系列列分分别别用用新新安安江江模模型型和和萨萨克克模模型型进进行行计计算算，发发现现在在大大多多数数情情况况下下萨萨克克模模型型的的超超渗渗结结构构没没有有起起什什么作用。么作用。4.2 模型检验 （4）方法之间的比较4.2 模型检验 78（5）模型的有效性检验模型的有效性检验 模型的有效性检验使用确定性系数，其数学表达式为：模型的有效性检验使用确定性系数，其数学表达式为：式中：式中：为确定性系数为确定性系数 ；为实测；为实测；为模型计算值；为模型计算值；为为 的平均值。的平均值。4.2 模型检验 （5）模型的有效性检验式中：为确定性系数 79 确确定定性性系系数数反反映映模模型型描描述述水水文文实实际际规规律律的的近近似似成成度，是检验模型的一个比较重要的、可量化的指标。度，是检验模型的一个比较重要的、可量化的指标。一一个个概概念念性性水水文文模模型型的的优优劣劣比比较较是是综综合合性性的的。无无论论是是研研究究模模型型，还还是是应应用用模模型型，都都需需要要用用实实测测水水文文资资料对模型结构和参数的合理性作充分的检验料对模型结构和参数的合理性作充分的检验 4.2 模型检验 确定性系数反映模型描述水文实际规律的近似成度，是检验80小小 结结v新安江模型二水源、三水源模型结构新安江模型二水源、三水源模型结构v流域水文模型的建模方法与预报方法流域水文模型的建模方法与预报方法v新安江模型程序设计新安江模型程序设计v了解分布式水文模型了解分布式水文模型小 结新安江模型二水源、三水源模型结构81LOGOThank You!82