概念性水文模型初探
概念性流域水文模型参数优选技术研究_张洪刚
20
武汉大学学报 (工学版)
2004
劣”的法则 ,将适者生存与自然界基因变异 、繁衍等 相结合 ,从各参数的若干可能取值中 , 逐步求得最 优值[5 ] .
目前在水文模型参数优选中应用最为广泛的 方法是基因法 , 罗森布瑞克法和单纯形法. 三种优 化方法中以罗森布瑞克法的运算速度最快 ,单纯形 法次之 ,基因法略差 ; 参数初值的选定对基因法的 影响较小 ,而对罗森布瑞克法和单纯形法的影响较 大 ;各方法以单纯形法的精度最高 , 罗森布瑞克法 次之 ,基因法略差. 综合上述三种方法的优点 ,建议 以基因法的优选结果作为参数初值 ,然后采用罗森 布瑞克法 ,最后再采用单纯形法进一步优化 , 一般 可得到模型参数的最佳值[2 ,6 ] .
1 概 述
概念性流域水文模型广泛应用于洪水预报和 水资源管理等众多领域 ,它可以帮助我们分析各种 不同的信息 ,解决一些复杂的水资源和水环境问 题. 模型的模拟结果与模型结构以及模型的参数值 密切相关 ,为此我们面临两个问题 : ①如何选取一 个适用于所选流域的水文模型 ; ②如何选择一组模 型参数使得模拟结果与实测资料尽可能接近. 从理 论上讲 ,模型参数可以从流域直接或间接获得 ,但 由于概念性水文模型参数既有其物理意义 ,又有其
Nash 与 Sutcliffe 在 1970 年提出了模型效率
系数 (也称确定性系数) 来评价模型模拟结果的精
度 ,确定性系数是式 (2) 的另一种表现形式 ,它更直
观的体 现 了 实 测 与 模 拟 流 量 过 程 拟 合 程 度 的 好
坏[4 ] ,确定性系数公式如下 :
N
∑ Qobs , i - Q sim , i 2
在第一层中 , 增大 W U M 、W L M 的值会对 K 产生影响 , 但由于 W U M 、W L M 的值有一定的变 化范围 ,因此这种影响是有限的 , 图 1 绘出了不同 的蒸散发折算系数 K 对与不同的上层土壤蓄水容 量系数 x x = W U M/ W M ,0 < x < 1. 0 条件下 , 模拟结果的水量相对误差 R E , 可以看出 K 对 水量相对误差的影响较大 , 而 W U M 的影响很小 , 同理可证明 W L M , W M 对模拟结果的影响也不 显著. 在第三层中 , 对表层土自由水容量 S M 与表 层土自由水蓄水库对地下水的出流系数 KG 分别 取不同的值作网格交叉计算 , 结果见图 2 , 可以看 出 S M 与 KG 对模型确定性系数 R2 的影响都较 大 ,属于敏感参数. 同理对其他参数进行分析 ,发现 表层土自由水蓄水库对地下水的出流系数 KI 、地 下水库的消退系数 CG 、壤中流的消退系数 CI 对 模拟结果的影响也较大 , 需要仔细优选 ; 其他参数 的影响不显著 , 可根据一般经验确定 , 不必参加仔 细优选[2 ,7 ] .
水利工程中的水文模型与预测
水文模型的预测功能：预测未 来水文情势，为水利工程提供 依据
提高精度和可靠性的方法：优 化模型参数、改进计算方法、
增加监测数据等
5
水文模型在水利工 程中的实践案例
水文模型在洪水预报中的应用
水文模型简介：介绍水文 模型的基本概念、原理和 分类
洪水预报的重要性：阐述 洪水预报在水利工程中的 重要性和作用
现象的本质和规律
统计性模型：利用历史观 测数据，通过统计分析建
立水文变量之间的关系
数值模拟模型：通过数值 求解偏微分方程，模拟水
文现象的时空变化
混合模型：结合概念性、 统计性和数值模拟模型的 优点，提高预测精度和可
靠性
水文模型的发展历程
早期水文模型： 基于经验公式
和统计方法
现代水文模型： 基于物理过程
程效益
6
水文模型的发展趋 势和未来展望
水文模型的发展趋势
模型精度提高： 通过改进算法和 增加数据量，提 高模型的预测精 度
模型集成：将多 个模型进行集成， 提高预测的准确 性和可靠性
模型应用范围扩 大：从传统的洪 水预测、水资源 评估等领域，扩 展到气候变化、 环境污染等领域
模型与信息技术 的融合：利用大 数据、人工智能 等技术，提高模 型的智能化和自 动化水平
象的变化趋势。
水文模型预测的方法：包括黑 箱模型、灰箱模型和白箱模型 等，每种方法都有其适用的场
景和局限性。
水文模型预测的应用：在水资 源管理、防洪减灾、生态环境 保护等领域具有重要应用价值。
水文模型预测的步骤和方法
数据收集：收集历史水文数据、气象 数据等
模型选择：选择合适的水文模型，如 黑箱模型、灰色模型等
水文模型的未来展望
水文模型浅谈
技 术应用
２ ０ １ ５ 年２ 月 ・ ６ ７・
水文模 型浅 谈
戚 特
４ ０ ４ １ ０ ０ ） （ 三峡学院环境与化学工程 学院，重庆
摘 要 ： 随着现代科 学技 术的飞速发展 ， 以计 算机 通信为核心 的信 息技 术在 水文水 资源及水利 工程科 学领域 的广泛使 用， 使 水文模 型的研 究得到迅速发展 并广泛应用 于水文基本规律研 究 ，如水旱 灾害防治，水资源评价与开发利 用，水环境和 生态 系 统保护 ，气候 变化及人 类活动对水资源和环境影响分析等领域。水文模 型 以３ ｓ为技 术手段 ，计算机 为依 托，在电脑上模 拟现 实
是 基 于 黄 河 流 域 水 资 源 短 缺 和 水 土 流 失 两 个 主 要 问题 的前 提 下 建立起来 的，适用于黄河流域现状 的基于物理机理 的分布式 的 水沙过程连续模拟模 型。它 的主要支撑技术包括 四部分 ： 数字
１ 水文模型 简介 由于工业 的快速发展 ，城市化进程 的加快 ，人 口膨胀导致 的 水 体 污 染 问题 屡 见 不 鲜 。１ ９ ５ ６ 年 日本 熊 本 县 水 俣 镇 发 生 的 水俣病 以及 日本富 山县镉 中毒 引起 的骨痛病都是 由于水污染 引 起的 。据 中国环境统计数据 显示 ，各地 区城市污水排放量和 工 业废水排放量正逐年递增 ，主要 以广 东，江苏 ，山东等沿海城 市 的城市污水排放量最 高。我 国是一个水 资源 匮乏的国家，水 资源短缺 ，针对水 资源难 于保护 和监 管，所以水文模 型的开发 和应用得 到广 大水 文工 作者前所 未有 的青 睐和关注 ，各种水文 模 型 如 雨 后春 笋般 涌现 出 来 ， 各 种研 究层 出 不 穷 。 自２ ０ 世纪 ５ Ｏ 年 代 中 期 起 ， 水 文 学 领 域 开 始 把 水 文 循 环 的 整 体过程 作 为一个 完整 的系统 来研 究。Ｓ Ｓ Ａ Ｒ Ｒ和 Ｓ ｔ ａ ｎ ｆ ｏ ｒ ｄ模 型的出现 ，这些模型从定量上开始分析流域出 口断面流量过程 线形 成的全部过程 ，包括降水 ，蒸发 ，截 留，下渗 。而流域水 模 型也是在 对流域 内复杂的水文物 理现象进行抽 象的基础 上， 采 取 系 统 的 理 论 方 法 或 者 利 用 一 些 简 单 的物 理 概 念 和 经 验 关 系，对流域产 ，汇流过程进行描述而建立起来 的数学模型 。水 文模型是模拟流域水文过程和认识水文规律 的重要工具 ，对流 域产汇流计算 ，水分析与预报水资源优化配置与调度等具有重 要的现实意义 。 流域水 文模型 的产 生是对水 文循环规律 研究 的必然 结果， 模型 的发展一方面 归功于计算机技术 的快速发展 ，别一方面 也 体现 了对水文循环激励认识 的进一步 。随着全球社会经济 的快 速发展 ，水科学研 究也取得 了累累硕果 ，研 究理论 、技术和方 法 日新月异 ，研 究对 象向微观纵深发展 的同时，也进一 步向宏 观层面拓展 ， 研 究尺 度 从 区域 、 流域扩展到大陆乃至全球范围 。 本文主要借助两种水文模 型，从微观和宏观上介绍 水模 型的发 展现状 。 １ ． １ ｃ Ｅ — — Ｑ ｕ Ａ Ｌ — —Ｉ Ｃ Ｍ模 型 Ｃ Ｅ —Ｑ Ｕ ＡＬ —Ｉ Ｃ Ｍ 模 型 是 现 在 世 界 上 应 用 比 较 广 泛 的 测 量 水 中各 因素 的模 型 。 它 由 美 国 陆 军 工程 兵 团 水体 试验 基 地 的 Ｃ ａ ｒ ｌ Ｆ ． Ｃ ｅ ｒ ｃ ｏ和 Ｔ ｈ ｏ ｍａ ｓ Ｃ ｏ ｌ ｅ 【 ２ 开发的，能模拟 一维、二维、三 维水体结 构，能够模拟 大量 的水质变 量，如 ： 不同种类藻、不 同形态碳 、 不 同形态氮 、 不 同形态磷 、 不同形态硅 、 化学 需氧量 、 溶解氧 、盐度 、温度、金属等，对于这些状态变量可 以根据 自 己的需求 进行开关设置。它 以浮游植物和水生生物的生长动力 学为核心 ， 以 ｃ： Ｎ： Ｐ这三个 主要元 素的 比例反 映浮游植 物 和水 生生物与水体 环境中营养盐之间的竞争转化关系 。模型不 仅 考 虑 了 浮游 植 物 的 三 种 藻 类 （ 蓝 藻 、 绿 藻 和 硅 藻 ） 以及 用 不 同的动力学参数、半饱和常数、新陈代谢速率等影响因子加 以 区别 ，还 考虑 了有机营养盐在矿化过程 中根据 降解速率 的不 同 分为 难分解的营养盐、易分解的营养盐和溶解 的营养盐 。但它 本身没有 水动力模块 ，所 以必须从别 的模型 中获得流量 、扩散 系 数 和 蓄 水 量 等 信 息 。所 以利 用 它 和 其 他 数 字 流 域 模 型 和 ＧＩ Ｓ 连用 ，既可 以解决只考虑地形就不能考虑怎么测量和计算水体 各通 量 的 麻 烦 ，可 以 同时 在 此 模 型 中模 仿 流 体 的能 动 ，也 能 测 量 水 质 中 各 污 染 物 超 标 的情 况 ，可 以及 时 作 出预 警 ，使 相 关 部 门提 前做好防范 ，以减免生命和财产 的损失 。 １ ． ２ 黄河数字流域模型
水文模型介绍
则R PE WM W0 WM (1
' 当PE A Wmm时
PE A 1 B ) ' Wmm
则R PE (WM W0 )
新安江模型 三水源新安江模型：
3）水源划分
若R S SM , 则地表径流 RS R S SM 壤中流RI和地下径流RG分别为 RI=KI SM RG=KG SM
2）产流计算：蓄满产流 ：
' Wm B f 1 (1 ' ) F Wmm ' ' Wmm Wmm f ' WM (1 ) dWm 0 F B 1 W0 B1 1 ' A Wmm [1 (1 ) ] WM ' 当PE A Wmm时
模型的输入为PE=P-E ， 参数包括流域蓄水容量 WM 和抛物线指数B ； 输出为流域产流量R 及 流域时段末蓄水量W
当R S SM 时，地表流、壤中流 和地下径流分别为 RS=0 RI=KI(R+S) RG=KG(R+S)
S为自由蓄水量，R为总 径流量，SM为容量深度
新安江模型 三水源新安江模型：
3）水源划分
SMF′为产流面积FR上某一点的自由水容量；SMMF 为产流面积FR上最大一点的自由水蓄水容量；FS 为 自由水蓄水能力≤ SMF′值的流域面积；AU为相应平 均蓄水深的最大蓄水深；EX 为流域自由水蓄水容量 曲线的指数。
水文模型 作用：
通过模拟水文循环的过程，了解流域内水 文因子的改变如何影响水循环的过程，例 如人类活动和气候变化对水循环的影响。
将水文模型用于水文预报和水资源的规划 和管理
汇报提纲
1. 水文模型的基本知识
概念性水文模型与智能模型在中小河流洪水模拟中的比较研究
概念性水文模型与智能模型在中小河流洪水模拟中的比较研究王越;李巧玲;肖杨
【期刊名称】《水文》
【年(卷),期】2024(44)1
【摘要】相较于大江大河的流域水文预报研究,中小流域的研究相对匮乏。
以沅江河溪水文站以上流域为例,研究LSTM(Long Short-Term Memory)模型和新安江模型在场次洪水中的模拟效果。
通过对比,新安江模型的整体模拟精度较高,洪量、洪峰、峰现时间的平均相对误差分别为9.39%、9.55%、1.6h,确定性系数为0.73,综合合格率为100%,达到甲级精度标准;LSTM模型的模拟精度较低,洪量、洪峰、峰现时间的平均相对误差分别为11.76%、12.33%、2.3 h,确定性系数为0.60,综合合格率为75%,达到乙级精度标准。
结果表明,新安江模型和LSTM模型是中小河流洪水预报的有效方法,均可用于河溪流域的正式预报,且对于河溪流域,新安江模型的模拟精度比LSTM模型更高。
【总页数】6页(P44-49)
【作者】王越;李巧玲;肖杨
【作者单位】河海大学水文水资源学院;五凌电力有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】P338;TV124
【相关文献】
1.MIKE SHE 分布式水文模型在广东省中小河流洪水预报中的应用展望
2.HEC-HMS水文模型在流域洪水模拟中的应用r——以山西石楼县义牒河流域为例
3.四个概念性水文模型在黑河流域上游的应用与比较分析
4.非线性时变增益模型在新疆喀什中小河流洪水模拟中的适用性研究
5.水文模型系统在峨嵋河流域洪水模拟中的应用
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水文模型的研究进展概述
水文模型的研究进展概述周祥 2014217890 给排水14-1班摘要:水文模型是人们认识水文循环过程,进行水文预报和水资源管理的重要工具和手段。
在水文预报和水资源管理事务中,针对具体的预报和决策目标,需要根据研究区本身特征、各类数据现状,选择符合实际需求的水文模型。
详细分析水文模型选择的必要性及其在水文建模及模型应用中的地位,在回顾水文模型选择研究现状基础上,总结水文模型选择的基本原则,并对各种水文模型选择方法进行分类,进而明确提出水文模型选择的概念,最后提出基于知识、水文模型特性及数据资料等相结合的综合水文模型智能选择框架,探讨水文模型选择的发展趋势。
关键词:水文模型;发展状况;研究现状1.水文模型概念水文模型是对自然界中复杂水文现象的近似模拟,是水文科学研究的一种手段和方法。
描述水文过程的模型,是一切与水文过程有关的过程模拟的基础。
从20世纪30年代Horton提出著名的下渗理论。
至今,在近一个世纪以来,各国水文学家在水文规律研究及水文过程模拟方面做了大量的研究工作,获得了丰硕的成果,也提出了众多的水文模型。
按模型的性质和建模技术,水文模型可分为:实体模型、类比模型和模拟模型。
其中,模拟模型是最常用的一类水文模型,也是各国学者着力研究的重点。
该类模型的特征是运用数学的语言和方式描述水文原型的主要特征关系和过程,因此也称为水文数学模型。
2.水文模型发展过程水文模型是水文学发展的产物,并伴随着水文学的发展而发展。
现代水文模型出现于应用水文学兴起的20世纪30年代],特别是Sherman提出水文单位线过程的概念和Horton提出下渗理论以后。
在50年代以前,水文模拟大多是针对某一个水文环节(如产流、汇流等)进行的。
进入50年代以后,随着人们对入渗理论、土壤水运动理论和河道理论等的综合认识,以及将计算机引入水文研究领域,开始把水文循环的整体过程作为一个完整的系统来研究,在50年代后期提出了“流域模型”的概念。
水利工程中的水文建模与预测技术
输出结果：预测 未来的降水、径 流等水文要素
水文预测的分类
定性预测：基 于经验和专业 知识进行预测
相关分析法：分 析变量之间的相
关性进行预测
定量预测：利用 数学模型和统计
方法进行预测
动态预测：考虑 时间因素，预测
未来水文情况
趋势外推法： 根据历史数据 预测未来趋势
模糊预测：处理 不确定性和模糊
性，进行预测
深度学习在水文 建模与预测中的 应用
强化学习在水文 建模与预测中的 应用
迁移学习在水文 建模与预测中的 应用
分布式水文模型与区域水资源管理
分布式水文模型在水资源管 理中的应用
分布式水文模型与区域水资 源管理的关系
分布式水文模型的概念和特 点
分布式水文模型在水资源管 理中的发展趋势和挑战
气候变化对水文建模与预测的影响及应对策略
水库调度中的水文建模
水库调度的重要性：保障水资源合理利用，防止洪涝灾害
水文建模的目的：预测水库入库流量，为水库调度提供依据
水文建模的方法：水文统计法、水文数值模拟法等 水文建模的应用：制定水库调度方案，优化水资源配置，提高水库运行效 率
水文模型在水利工程规划设计中的应用
水文模型在水利工 程规划设计中的作
常用水文预测方法
水文统计法：通过历史Hale Waihona Puke 文数据，建立统计模型进行预测
水文数值模拟法：利用数 学模型和计算机模拟，预 测水流和污染物传输过程
水文信息融合法：结合多 种水文数据和信息，提高
预测准确性
水文人工智能法：利用机 器学习、深度学习等方法， 实现水文预测的自动化和
智能化
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水利工程中的水文预测技术
模型选择等
水文地质概念模型
把含水层实际的边界性质、内部结构、渗透性能、水力特征和补给排泄等条件概化为便于进行数学与物理模拟的基本模式。
（1）透水边界Permeable boundary渗透性良好的含水层边界。
（2）隔水边界Confing boundary渗透性极差的含水层边界，即法向方向水力梯度（或流量）等于零的边界。
（3）弱透水边界Weakly-permeable boundary能通过一定流量的渗透性较弱的含水层边界。
（4）已知水位边界（一类边界）Boundary of known water level 已知外节点水位值的边界。
（5）已知流量边界（二类边界）Boundary of known flow已知地下水流入或流出量的边界。
（6）混合边界（三类边界）Mixed boundary由已知水位和已知流量边界共同组成的计算渗流场的边界。
（7）定水头边界Boundary of fixed water level水位数值不变的已知水位边界。
（8）定流量边界Boundary of fixed flow流量数值不变的已知流量边界。
1目的与任务（1）充分收集研究区以往各类地质、水文地质、地形地貌、气象、水文、钻孔、水资源开发利用等资料，进行系统的分析与研究，明确研究区的水文地质条件；（2）对研究区水文地质条件进行合理的概化，使概化模型达到即反映水文地质条件的实际情况，又能用先进的工具进行计算的目的，并最终提交概化的框图、平面图、剖面图及其文字说明。
2.模型概化原则（1）实用性地下水流模拟是一实用性很强的技术，解决现实问题是它的根本目的。
因此，建立的水文地质概念模型须与一定时期的科学技术水平以及研究区的水文地质调查研究程度相适应，能用于解决社会、经济发展中所面临的地下水模拟与管理问题。
（2）完整性概念模型必须尽可能真实全面地反映实体系统的内部结构与动态特征，专业人员既要到现场进行调查，又要广泛收集有关的各种信息，必要时还要补充部分现场调查（包括观测、试验等）工作，详细分析系统的输入、输出、状态演变、功能作用以及它与周围环境的相互作用关系等，以达到对于真实系统全面深入的掌握，保证模型在理论上的完整性，提高地下水流系统模拟的精度。