水文模型介绍
工程水文学 第6章 水文模型
新安江（三水源）流域水文模型
新安江三水源模型简介
流域蒸发： 三层模式 土壤含水量：递推公式 流域产流： 蓄满产流模式 分水源： 自由水水库 坡面汇流： 线性水库 河网汇流： 无因次时段单位线 河道汇流： 马斯京根法
流域三层蒸发模式
WUm WLm
上层蒸发 Eu=EP EP=βE水
下层蒸发
AU+R<S’mmFr
S’mmFr
F R S S RS
1 (1 S 'm )EX
r
S 'mmFr
mFr
R AU+P AU
S 'mmeFr
[1 (1
S SmFr
]1/(1EX )
S
AU
ΔS
RsmΔFSr
AU R S'mmFr
S
0
β
1.0 Rss =FrKSSS
Rg =FrKgS
分水源公式
TRg TRg，i+1 = KKgTRg,i +(1- KKg)Rg,i TRss,i+1 = KKssTRss,i +(1- KKss)Rss,i
TRss
河网汇流无因次时段单位线
u
t
河道汇流马斯京根法
Q下，2 ＝ Ｃ０Q上，2 ＋Ｃ１ Q上，1 ＋Ｃ２ Q下，1
C0
0.5t Kx K Kx 0.5t
AU+R≥SmmF
Rs Fr R S SmFr
Rss=SmFrKss Fr
Rg=SmFrKg Fr
AU+R<SmmF
Rs
Fr
R
S
SmF
SmF [1
(R AU )]1EX SmmF
流域水文模型
产流量计算
应用蓄满产流模型，但增加了不透水面积IMP， 即流域上不透水面积占流域面积之比。有了这 个参数，则： Wm＝Wm’(1-IMP)/(1+b) Wm＝Wm’/(1+b) Rg＝Fc[R-IMP×(P-E)]/(P-E) Rg＝Fc[R/(P-E)] Rs＝R-Rg 蒸散发计算采用三层模型，产流及蒸散发计算 框图见下图。
43
流域单元面积及河段数
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（ 三 ） 新 安 江 模 型 流 程
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（四）模型的改进
将地下水单一水源改为三种水源，引进 地下水分水源模型。加上直接径流，在 透水面积上共划分为四种水源。 引进FC为变量的模型. 对壤中流丰富的地区，将原来的两水源， 改为地面、壤中、地下三种水源
3
(二)模型的分类
1.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。
2.数学模型：对水文现象进行模拟而建立 的数学结构称作为数学模型。
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数学模型的分类：
（1）随机性模型（非确 定性模型）
一、水文模型的定义和分类
水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。 被模拟的水文现象称为原型，模型是对 原型的概化。 仿造原型制作模型的工作就称之为模拟。 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具。
1
水文模型涉及内容和研究尺度
水文模型涉及的内容可以是水量、水质 或某一个水文过程等。 研究问题的尺度，可以大到全球水文循 环系统，也可以小到一棵树的蒸散发过 程。 所有的水文模型必须能反映被模拟的水 文现象的基本特征。
水文模型率定研究
水文模型率定研究水文模型是一种数学模型，用于描述水文过程，包括降雨、蒸发、径流等。
水文模型的建立和率定是水文学研究的重要内容之一。
本文将介绍水文模型的基本概念和建立方法，并以一个实例来说明水文模型的率定过程。
一、水文模型的基本概念水文模型是一种描述水文过程的数学模型，它可以用来预测水文变量的变化，如降雨、蒸发、径流等。
水文模型通常包括两个部分：输入和输出。
输入是指模型所需的数据，如降雨量、蒸发量、土地利用类型等；输出是指模型预测的结果，如径流量、地下水位等。
水文模型可以分为两类：分布式模型和集中式模型。
分布式模型是指将流域划分为若干个小区域，每个小区域都有自己的输入和输出。
集中式模型是指将整个流域看作一个整体，只有一个输入和一个输出。
分布式模型通常比集中式模型更准确，但也更复杂。
水文模型的建立需要考虑多种因素，如流域的地形、土地利用类型、降雨量、蒸发量等。
建立水文模型的过程通常包括以下几个步骤：1. 收集数据：收集流域的地形、土地利用类型、降雨量、蒸发量等数据。
2. 建立模型：根据收集到的数据，建立数学模型，描述流域的水文过程。
3. 参数估计：根据实测数据，估计模型中的参数。
4. 模型率定：将模型预测的结果与实测数据进行比较，调整模型参数，使模型预测结果更加准确。
5. 模型验证：使用另外一组数据来验证模型的准确性。
二、水文模型的建立方法水文模型的建立方法有很多种，常用的方法包括统计模型、物理模型和组合模型。
1. 统计模型：统计模型是根据历史数据建立的模型，它通常基于统计学原理，如回归分析、时间序列分析等。
统计模型的优点是简单易用，但缺点是对数据的要求较高，需要有足够的历史数据支持。
2. 物理模型：物理模型是基于物理原理建立的模型，它通常包括流体力学、热力学等方面的知识。
物理模型的优点是准确性高，但缺点是建模过程较为复杂，需要大量的实验数据支持。
3. 组合模型：组合模型是将统计模型和物理模型结合起来建立的模型，它既考虑了历史数据的影响，又考虑了物理原理的影响。
(完整版)SWAT水文模型
SWAT水文模型介绍1概述SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是美国农业部（USDA)农业研究局（ARS）开发的基于流域尺度的一个长时段的分布式流域水文模型。
它主要基于SWRRB模型，并吸取了CREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO的主要特征.SWAT具有很强的物理基础,能够利用GIS和RS提供的空间数据信息模拟地表水和地下水的水量和水质，用来协助水资源管理，即预测和评估流域内水、泥沙和农业化学品管理所产生的影响。
该模型主要用于长期预测，对单一洪水事件的演算能力不强,模型主要由8个部分组成:水文、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、营养物、农业管理和杀虫剂。
SWAT模型拥有参数自动率定模块，其采用的是Q.Y.Duan等在1992年提出的SCE-UA算法。
模型采用模块化编程，由各水文计算模块实现各水文过程模拟功能，其源代码公开,方便用户对模型的改进和维护。
2模型原理SWAT模型在进行模拟时，首先根据DEM把流域划分为一定数目的子流域,子流域划分的大小可以根据定义形成河流所需要的最小集水区面积来调整，还可以通过增减子流域出口数量进行进一步调整。
然后在每一个子流域内再划分为水文响应单元HRU。
HRU是同一个子流域内有着相同土地利用类型和土壤类型的区域。
每一个水文响应单元内的水平衡是基于降水、地表径流、蒸散发、壤中流、渗透、地下水回流和河道运移损失来计算的。
地表径流估算一般采用SCS径流曲线法。
渗透模块采用存储演算方法，并结合裂隙流模型来预测通过每一个土壤层的流量,一旦水渗透到根区底层以下则成为地下水或产生回流。
在土壤剖面中壤中流的计算与渗透同时进行.每一层土壤中的壤中流采用动力蓄水水库来模拟。
河道中流量演算采用变动存储系数法或马斯金根演算法。
模型中提供了三种估算潜在蒸散发量的计算方法—Hargreaves、Priestley-Taylor和Penman-Monteith。
水文模型介绍范文
水文模型介绍范文
水文模型是水资源、土壤侵蚀、水土保持等研究的重要工具，是水文过程的抽象、精炼和总结，具有重要的理论意义和实际应用价值。
水文模型由水文参数和水文过程构成，可以准确描述水文系统的变化和对环境的影响，包括：地表径流、降水、地下径流、植被的减少、水质污染、水位变化等，是水文研究和资源管理的有力工具。
水文模型主要用于研究径流演变、水资源利用、水库运行、水土保持等水文过程，是水文学研究的重要工具，为水文研究提供了理论依据。
水文模型主要由两部分组成：水文参数模型和水文过程模型。
水文参数模型是由输入水文参数构成的模型，其包括雨量、土壤特性、植被覆盖度等，用于估算水文系统中的水资源分布。
水文过程模型是基于水文参数建立的模型，用于评价模拟水文过程，如水库运行、径流模拟、侵蚀蚀损模拟等。
水文模型的主要作用：
（1）水资源开发利用：水文模型可以较好地模拟水库洪水管理，评估水库洪水治理能力，进而决定水库的容量和最大洪水防洪标准；
（2）水质保护：水文模型可以模拟水质诊断、淤泥动力学和水质污染物的运移。
水文模型综述
三、分布式模型
三、分布式模型
1 TOPMODEL模型
2 SWAT模型
3 SHE模型
1 TOPMODEL模型
优点
能用于无资料流域的产汇流计算； 对日径流过程有着较高的模拟精度。
不足
对水文要素的空间变异性及水文水文单元的相互关系考虑不足； 除了计算地形指数，网格没有实际意义。
2 SWAT模型
优点
目录 Contents
一、水文模型分类
二、概念性水文模型
三、分布式水文模型
四、总结
一、水文模型分类
一、水文模型分类
概念性水文模型：
所谓概念性流域水文模型，就是根据水文循环的概念，采用概化和推理的 方法对流域水文现象进行数学模拟，建立符合水文实际，结构和参数都尽可能 有较为明确的物理意义的模型。概念型水文模型的核心是模型的结构和参数。
3 TANK模型（水箱模型）
1 新安江模型（三水源）
优点
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，可以寻找到参数的区域规律。
不足
干旱半干旱地区的模拟效果不佳； 小流域模拟效果一般。
适用条件：
湿润半湿润地区
2 SACRAMENTO模型（SAC模型）
优点
分布式水文模型：
随着计算机技术，电子技术，GIS技术和RS技术的发展，出现了分布式水文 模型，因为其能全面考虑降雨和下垫面空间不均匀性的模型，能够充分反映流 域内降雨和下垫面要素空间变化对洪水形成的影响，成为未来水文模型发展的 必然趋势。
二、概念性模型
二、概念性模型
1 新安江模型（三水源）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 SACRAMENTO模型（SAC模型）
水文模型分类
水文模型分类水文模型是水文学家用来表示水文系统特性的，它对于对水文研究具有重要意义。
水文模型能够解释水文系统中发生的复杂过程，并且可以应用于地形、水文、生态等诸多方面。
模型研究为水文研究者提供了一个有效的方法，用来分析和管理水文过程。
1.空坐标模型时空坐标模型是一种基于计算机的模型，它可以对汇流量进行任意时间和地点的分析。
它通过计算坐标系统中的坐标点，来模拟时空变化过程，来计算汇流量。
时空坐标模型采用了坐标点数据，结合传统水文学和统计分析，计算时间空间分析的汇流量变化规律。
2.点模型格点模型也叫空间格点模型，它是一种基于地理信息系统（GIS）的模型。
格点模型使用GIS数据，以某一点为中心，通过改变某些变量，来模拟水文系统中的过程，如地貌特征、水文参数、气象参数等，从而计算汇流量变化规律。
它可以快速模拟出水文系统上的流动过程，并对水文系统中出现的变化具有很好的描述性能。
3.率建模模型概率建模模型是一种基于概率统计理论的模型，它能够从水文系统中抽取数据，建立概率模型，并且可以识别出汇流量变化的概率分布特征，进而估算汇流量变化的趋势。
概率建模模型的优点在于它可以表示汇流量变化的多样性，并且具有较强的准确度和可操作性，在水文管理和水文调控方面具有重要意义。
4.经网络模型神经网络模型是一种基于模糊逻辑原理的模型，它采用神经网络算法来模拟水文系统中的复杂过程，从而实现对汇流量变化的准确预测。
它具有模型简单、复用性强、可视化等优点，特别是在分类和预测等方面具有较强的识别性能。
除了上述提到的几种水文模型，还有不少水文模型，比如代价函数模型、模糊模型、基于支持向量机的模型等，它们可以使水文研究变得更深入、更准确。
水文模型的应用范围广泛，它们可以用来预测和控制水文系统中发生的复杂过程，可以用于水库和水质管理，也可以用于水资源利用和可持续利用的研究。
水文模型的发展有助于深入了解水文系统的演变过程，并为水文研究提供了一种有效的工具。
水利工程中的水文模型与数值模拟技术
水利工程中的水文模型与数值模拟技术水文模型与数值模拟技术是水利工程领域中常用的工具和方法。
它们通过对水文过程的建模和数值模拟，能够有效预测水文变量的变化，提高水资源的合理利用。
本文将介绍水文模型与数值模拟技术的基本原理、应用范围以及未来的发展趋势。
一、水文模型水文模型是指对水文过程进行抽象和描述的数学模型。
它基于数理统计原理和水文学理论，通过对水文数据的处理和分析，建立起描述水文过程的数学关系。
常用的水文模型有径流模型、蒸发模型和降雨模型等。
这些模型通过对水文过程的定量描述，能够提供水文变量的长期平均值、频率分布以及其它统计特征，为水利工程的设计和规划提供依据。
径流模型是水文模型中应用最广泛的一种模型。
它通过分析降雨和流域特征，建立起降雨和径流之间的关系。
常见的径流模型有单位线模型和UH模型等。
单位线模型认为流域的单位线响应是一个线性系统，通过卷积运算的方式，能够得到流域的径流过程。
UH模型则将流域的降雨过程离散化为一系列单位线，通过线性组合的方式，得到流域的径流过程。
这些模型在水利工程中被广泛应用于洪水预报、水资源评价等领域。
二、数值模拟技术数值模拟技术是指通过数值方法对水文过程进行模拟和计算的技术。
它基于数值计算方法，将水文模型中的方程转化为差分方程，利用计算机对流域内的水文过程进行数值求解。
数值模拟技术不仅能够模拟流域内的水文变量分布，还可以模拟复杂的水文过程，如河流水动力学、地下水流动等。
数值模拟技术的核心是数值计算方法。
常用的数值计算方法有有限差分法、有限元法和网格法等。
这些方法通过对流域内的离散化，将流域划分为一系列离散的节点或单元。
然后在各个节点或单元上求解水文模型中的方程，得到流域内的水文变量。
数值模拟技术在水利工程中的应用非常广泛，可以用于洪水预报、水库调度、水文预测等方面。
三、水文模型与数值模拟技术的应用水文模型与数值模拟技术在水利工程领域的应用非常广泛。
首先，它们可以用于洪水预报和防洪规划。
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水文模型
水文模型
水文模型
分类：பைடு நூலகம்
水文模型
分类：
按水体对象分 ① 河流水文模型 ; ② 湖泊水文模型 ; ③ 沼泽水文模型 ; ④ 冰 川水文模型 ; ⑤ 水文气象模型 ; ⑥ 地下水文模型 ; ⑦海洋水 文模型 ; ⑧ 冻土水文模型 ; ⑨ 生态水文模型 ;⑩ 土壤水文模 型等 。 按研究手段分 ① 随机水文模型 ; ② 模糊水文模型 ; ③ 系统水文模型 ; ④ 遥 感水文模型 ; ⑤ 同位素水文模型等 。 按研究区域划分 ①流域水文模型 ; ② 河口水文模型 ; ③ 山地水文模型 ;④ 坡 地水文模型 ; ⑤ 平原水文模型 ; ⑥ 干旱地区水文模型 ; ⑦ 岩 溶水文模型 ; ⑧ 寒区水文模型等
新安江模型
三水源新安江模型：
4）汇流计算——Muskingum method
新安江模型
三水源新安江模型：
新安江模型
三水源新安江模型：
新安江模型
三水源新安江模型：
谢谢！
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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
2. 常用的水文模型
概念性水文模型
新安江模型：
1973年赵人俊教授在对新安江水库做入流流量预 报时提出了新安江模型，该模型是一个松散性模 型，水文模拟过程中，把一个流域分成若干单元 流域分别进行汇流计算和河道演算，再进行流量 叠加。 最初的新安江模型为两水源即只分地表径流和地 下径流； 20世纪80年代初期，模型研制者将萨克拉门托模 型与水箱模型中的用线性水库函数划分水源的概 念引入新安江模型，提出了三水源新安江模型
水文模型
分类：
按照应用学科划分 ① 工程水文模型 ; ② 农业水文模型 ; ③ 土壤水文模 型 ; ④ 森林水文模型 ; ⑤ 都市水文模型等 。 依照研究对象分类 ① 降水模型 ;② 气温模型 ; ③ 蒸散发模型 ; ④ 土壤 水模型 ; ⑤ 地下水模型 ; ⑥ 地表径流模型 ; ⑦ 水资 源模型 ; ⑧ 水质模型等 。 按照研究对象的目标分 ① 水量模型 ; ②水质模型 ; ③ 管理模型等 。。
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。
新安江模型 二水源新安江模型：
水源分为直接径流和地下径流 产流计算方法用蓄满产流 流域蒸发采用二层或者三层蒸发 水源划分用的稳定下渗法 直接径流坡面汇流用的是单位线法 地下径流坡面汇流用线性水库法
河道汇流采用Muskingum method
三水源划分法
以雨量站划分 产流计算单元
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
新安江模型
三水源新安江模型：
4）汇流计算 新安江模型将流域汇流划分为两个阶段进行:河网 汇流阶段，河道汇流阶段。 河网汇流阶段采用一个时变线性系统按地面、壤 中和地下径流分别进行汇流计算，然后将经过流域调 蓄的各径流成分累积，并将总的径流 Q 演算到单元流 域的出口。 河道汇流采用马斯京根分段演算法。
三水源新 安江模型
问题：
降雨空间分布不均匀 稳定下渗率参数随洪水变化而变化
新安江模型
三水源新安江模型：
1) 2) 3) 4) 蒸发计算 产流计算 水源划分 汇流计算
新安江模型
三水源新安江模型：
1) 蒸发计算
计算中假定土壤的吸湿及蒸发都遵循以下规律:降雨补充土 壤蓄水(土壤蒸发)时，先补充(蒸发)上层，上层蓄满(蒸发殆尽) ，再补充(蒸发)下层。同理，再由下层转至深层。
水文模型 涉及过程：
降水过程模拟 地表节流和入渗过程模拟 蒸散发过程模拟 地下水过程模拟 产汇流过程模拟
水文模型 应用步骤：
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 分析问题, 确立目标; 搜集资料; 确定计算设备及其计算能力; 分析其他经济和社会约束条件; 从一类可能需要的模型中选择一种最恰当的模型； 率定模型, 优选参数; 检验模型并予以评估; 模型应用.
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
各层蒸散发的计算原则是，上层按蒸散发能力蒸发，上层 含水量蒸发量不够蒸发时，剩余蒸散发能力从下层蒸发，下层 蒸发与蒸散发能力及下层蓄水量成正比，并要求计算的下层蒸 发量与剩余蒸散发能力之比不小于深层蒸散发系数 C。否则， 不足部分由下层蓄水量补给，当下层蓄水量不够补给时，用深 层蓄水量补给。
新安江模型
汇报提纲
1. 水文模型的基本知识
2. 常用的水文模型
水文模型 定义：
据 Di ski n和 Clarke对模型所下的定义 : 模型是一 个复杂系统的简化体现 ,那么水文模型就是对复杂 水文系统的一种简化体现 。 具体地说 ,水文模型就是用一种特定的表达方式来 概化一定的水文系统 ,使它能够代表实际的水文系 统 ,并在一定的目标下代替实际的水文系统 。 通俗地说 , 水文模型就是用数学语言或物理模型 对现实水文系统进行刻划或比拟 , 并在一定的条 件下对水文变量的变化进行模拟和预报 。