分布式水文模拟计算
SWAT水文模型
试验测算 值既费时又费力，1971年一些学者发展了一个通用方程来计算土壤侵蚀因子 值，该方程在土壤黏土和壤土组成少于70%时适用。
图2-1 SWAT模型产流计算流程图
2.1.1地表径流
当落到地表的降水量多余入渗量时产生地表径流。SWAT模型采用SCS径流曲线法计算。
SCS曲线方程自上世纪50年代逐渐得到广泛使用，属于经验模型，是对全美小流域降水与径流关系20多年的研究成果。模型能反应不同土壤类型和土地利用方式及前期土壤含水量对降雨径流的影响，它是基于流域的实际入渗量（F）与实际径流量（Q）之比等于流域该场降雨前的最大可能入渗量（S）与最大可能径流量（ ）之比的假定基础上建立的
（1）潜在蒸散发
模型提供了Penman-Monteith、Priestley-Taylor和Hargreaves三种计算潜在蒸散发的方法，另外还可以使用实测资料或已经计算好的逐日潜在蒸散发资料。一般采用Penman-Monteith方法来计算流域的潜在蒸散发。
（2）实际蒸散发
实际蒸散发以潜在蒸散发为计算基础。在计算流域实际蒸散发量的时候，模型首先计算植物冠层截留水分的蒸发，然后计算最大蒸腾量、最大升华量和最大土壤蒸发量，最后计算实际的升华量和土壤水分蒸发量。
2.2土壤侵蚀
泥沙生成量用MUSLE方程来预测，计算渠道泥沙输移量的公式为：
式中： 为输移能力，t/m3； 为流速，m/s；a和b是常数。
根据天气条件，泥沙输移量可以高于或者低于输移能力，导致沉积过量的泥沙通过渠道侵蚀再悬浮输移泥沙。流速方程为：
分布式水文模型word
第六章分布式水文循环模型近年来，水文模型研究的重点已从集总式流域水文统计模型转向分布式水文模型的研究，分布式水文机理过程模型的开发成为人们关注的焦点。
分布式水文模型的研制首先需要获得大量的流域空间分布数据，目前的水文模拟技术则趋向于将水文模型与地理信息系统（GIS）的集成，以便充分利用GIS在数据管理、空间分析及可视性方面的功能。
而数字高程模型（DEM）是构成GIS的基础数据，利用DEM可以提取流域的许多重要水文特征参数，如坡度、坡向、水沙运移方向、汇流网络、流域界线等。
因此，基于DEM 的流域分布式水文模型是水文模拟技术发展的必然趋势，也是本文水资源量可再生性的理论与评价研究的重要基础。
6.1 流域数字高程模型DEM及在水文中的应用数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)是由美国麻省理工学院Chaires ler教授于1956年提出来的，其目的是用摄影测量或其他技术手段获得地形数据，在满足一定精度的条件下，用离散数字的形式在计算机中进行表示，并用数字计算的方式进行各种分析。
DEM作为地理信息系统的基础数据，已在测绘、地质、土木工程、水利、建筑等许多领域得到广泛应用。
本节将介绍DEM的基本知识及其在水文中的应用。
6.1.1 DEM的基本知识(1) 地形的数字描述20世纪中叶，随着计算机科学、现代数学和计算机图形学等的发展，各种数字的地形表达方式得到迅猛的发展。
1958年Miller和Laflamme提出了数字地形模型DTM(Digital Terrain Mold)的概念，并给出了以下的定义：数字地形模型是利用一个任意坐标场中大量选择的已知X、Y、Z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示。
实际上，数字地形模型DTM是通过地表点集的空间直角坐标(x,y,z)并视需要进一步伴随若干专题特征数据来表示地形表面的。
它的更通用的定义是描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列，从数学的角度，可以用以下二维函数系列来概括地表示数字地形模型的丰富内容和多样形式：()),,3,2,1;,,3,2,1( ,n p m k v u f K p p k p === （6.1.1）式中：K p ——第p 号地面点（可以是单一的点，但一般是某点及其微小邻域所划定的一个地表面元）上的第人类地面特性信息的取值；u p ,v p ——第p 号地面点的二维坐标，可以是采用任一地图投影的平面坐标，或者是经纬度和矩阵的行列号等；m ——地面特性信息类型的数目（m ≥1）；n ——地面点的个数。
分布式水文模拟模型在流域水资源管理中的应用
1分布式地下水模拟模型模的种类及特点常用的地下水文模拟模型包括解析模型、数值模型、水均衡模型及物理模型等。
目前国际上较为流行的地下水数值模拟模型主要包括ModFlow和FeFlow，下面对其分别进行介绍和比较。
1.1ModFlow模型是一套专门用于孔隙介质中三维地下水流数值模拟的模型。
自ModFlow问世以来,它已经在全美甚至在全世界范围内,在科研、生产、环境保护、城乡发展规划、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用,成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算软件. ModFlow主要采用三维有限差分方法进行模拟。
其基本原理是：在不考虑水的密度变化的条件下，孔隙介质中地下水在三维空间的流动可以用下面的偏微分方程来表示. 1.2Feflow模型它采用有限元法进行复杂二维和三维稳定/非稳定水流和污染物运移模拟。
Feflow的有限元方法允许用户快速构建模型来精确地进行复杂三维地质体的地下水流及运移分析，在这方面其功能要强于ModFlow。
2流域生态水文过程与分布式水文模型有限的淡水资源已经成为社会经济可持续发展和生态系统健康的重要限制因子，现有的水利工程技术难以有效解决这一矛盾，需要探索新的方法和机制以解决水资源短缺、水质恶化和生物多样性减少等环境问题，生态水文学（Ecohydrology）正是在这种背景下发展成为水文学研究的一个重要分支。
3建模的关键技术 3.1遥感与GIS技术遥感作为信息采集的重要手段，已经为水文建模提供了丰富的空间属性数据资料，并且为模型验证提供了新的方法，而GIS技术为水文模型的数据管理和模型应用带来了较大的便利，遥感数据和GIS技术成为水文建模研究的重要方向由于流域下垫面高度的空间异质性，大多数遥感数据获取的水文属性参数与物理观测值之间并没有很好的相关关系，给模型的验证带来很大的难度，遥感数据参数化和特征值提取还有很多问题亟待进一步研究。
3.2流域水循环综合模拟模型随着计算机技术、系统科学和大量水文模型方法研究的进展，使得进行整个流域整体水循环模拟成为可能。
分布式水文模型区域分解并行计算方法及其应用
文章标题：深度剖析分布式水文模型区域分解并行计算方法及其应用在当今信息时代，大数据和并行计算技术已经成为科学研究和工程应用中不可或缺的重要工具。
在水文领域，分布式水文模型是对地表水文过程进行精细化模拟和预测的关键工具之一。
而区域分解并行计算方法，则是高效实现分布式水文模型的关键技术之一。
本文将深度剖析分布式水文模型区域分解并行计算方法及其应用，带您了解这一领域的最新进展和未来发展趋势。
一、分布式水文模型简介分布式水文模型是以地理信息系统（GIS）为支撑评台，通过将流域划分为若干个小单元，并在每个小单元内解算水文过程，最终整合为整个流域水文过程的模拟方法。
它具有对流域内部地形、土地利用、植被覆盖等空间异质性进行精细化描述的优势，能够更准确地模拟和预测降雨径流过程及水文响应。
二、区域分解并行计算方法概述区域分解并行计算方法是一种将整个模拟区域分解为若干个子区域，每个子区域独立进行水文模拟计算，最后通过合并各个子区域的计算结果得到整个模拟区域的水文过程的并行计算方法。
它能够充分利用并行计算的优势，提高计算效率和模拟精度。
三、分布式水文模型区域分解并行计算方法及其应用1. 区域分解算法在分布式水文模型中，通常将流域划分为若干个子区域，每个子区域内部进行水文模拟计算。
区域分解算法是确保子区域之间相互独立，并能够准确合并计算结果的关键。
目前主要采用基于地形特征的分解算法和基于统计特征的分解算法。
2. 并行计算框架区域分解并行计算方法需要一个高效的并行计算框架来将各个子区域的计算结果进行合并。
目前主要采用MPI（Message Passing Interface）和OpenMP（Open Multi-Processing）等并行计算框架。
3. 应用实例分布式水文模型区域分解并行计算方法已经在降雨径流模拟、洪水预测、流域水文响应等方面得到了广泛的应用。
以某某流域为例，通过采用区域分解并行计算方法，成功实现了对该流域的洪水过程进行了高精度、高效率的模拟和预测。
geo-hms分布式水文建模流程
英文回答：Water basins are divided into sub—water catchments based on information on topography，land use，rainfall，evaporation，soil type， and hydrological processes are modelled and analysed for each sub—water catchment for the purpose of distributive hydrological modelling。
The process includes four main steps： data preparation， model construction， model operation and results analysis。
Data collection and pre—processing of such data as watershed topography， land use and soil type are required during the data preparation phase。
During the model construction phase， including input of parameters and configuration of models。
The model is thenrun and the simulation results analysed and evaluated。
The whole process requires data interaction and model integrationin conjunction with GIS and HMS systems。
Such a distributed hydrologic modelling process can contribute to an improved understanding and prediction of the hydrological processes in the basin and provide an important technical support for scientifically sound water resource management and protection。
分布式水文模型-精选
分布式水文模型的参数是一个反映流域下垫面和 气象因素空间变化的数集。它的确定方法包括：
①在单元上采用传统的概念性模型，不改变原有模型的 结构和参数，但每一个单元上水文模型的参数值随空间 变化。参数值的大小根据空间信息图进行分类计算。
②重新设计单元水文模型的结构与参数。尽量选择或者 重新构造那些既反映空间变化，又具有物理意义，且便 于计算的指标作为模型的参数。
9.3.2 TOPMODEL
TOPMODEL（TOPgraphy based hydrological
MODEL）是一个以地形为基础的、基于变源面积概念的半
分布式水文模型。由Beven和Kirkby于1979年提出，经过
20多年的发展，TOPMODEL与DTM（或DEM）相结合在
水文领域得到了十分广泛的应用。
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9.2.2.2 模型的结构与参数
基于DEM的分布式水文模型在结构上一般分为三 部分： ① 分布式输入模块，用于处理流域空间分布信息，为 水文模块提供空间输入数据和确定模型参数的信息。 ② 单元水文模型，是坡面产汇流计算的核心部分。 ③ 河网汇流模型。有些基于网格的分布式水文模型忽 略了该部分。
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9.2.2 基于DEM的流域分布式水文模拟
9.2.2.1 模型的特点与分类
基于DEM的分布式水文模型具有以下特点：①具有物 理基础，能够描述水循环的时空变化过程。②由于其分 布式特点，能够与GCM（大气环流模式）嵌套，研究自 然变化和气候变化对水循环的影响。③同RS和GIS相结 合，能够及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对 流域水循环过程的影响。
典型应用包括：流域规划、供水、灌溉和排水、污 染物堆放场的污染物、农业耕作的影响（包括农用化学 品和化肥的使用）、土壤和水资源管理、土地利用变化 的影响、气候变化的影响和生态评价（包括沼泽区域）。
基于分布式水文模型DHSVM的平通河流域水文模拟
基于分布式水文模型DHSVM的平通河流域水文模拟石超;龚霞;张行南;夏达忠【摘要】Due to lack of hydrological data and the short time of flood's concentration,the traditional hydrolog-ical model is difficult to obtain good simulation results in the prediction of medium and small river basins.To analyze the adaptability of DHSVM in Pingtong Riverbasin,modeling process,modeling method and the structure and parameters of the model are researched.Then the numerical simulation is performed combining with the Pingtong River's hydrological data.Results show that the simulated daily runoff shows general a-greement with the observations;the relative error is all below 10%;the model can be used in the Pingtong River basin.The research work of relative error generated from the simulation results is done.%中小河流域水文预报时，由于流域水文资料缺乏，洪水发生时间短，传统的水文模型难以取得良好的效果。
降雨产流计算
降雨产流计算
1. 经验公式法：这是一种基于观测数据和经验关系的方法。
通过对以往降雨和径流数据进行分析，可以建立经验公式来描述降雨与产流之间的关系。
这些公式通常基于流域的特征，如面积、坡度、土壤类型等。
常见的经验公式包括单位线法、SCS 曲线数法等。
2. 水箱模型法：水箱模型将流域视为一系列相互连接的水箱，每个水箱代表一个子流域或流域的一部分。
降雨进入水箱后，根据水箱的蓄水能力和出水特性，计算出水箱的出流量。
通过将各个水箱的出流量相加，可以得到整个流域的产流量。
3. 分布式水文模型：分布式水文模型将流域划分为多个单元，考虑了地形、土壤、植被等因素在空间上的分布。
通过对每个单元的降雨、入渗、蒸散发和产流过程进行模拟，可以更准确地计算降雨产流。
4. 物理模型法：物理模型法基于物理过程的原理，如质量守恒、能量守恒等，来描述降雨在流域内的运动和转化过程。
这些模型通常需要更详细的输入数据，如地形、土壤特性、植被分布等，并且计算过程较为复杂。
在进行降雨产流计算时，需要考虑流域的特征、降雨的时空分布、土壤水分状况等因素。
不同的方法适用于不同的流域和条件，选择合适的方法需要根据具体情况进行评估和比较。
同时，准确的输入数据和合理的模型参数也是确保降雨产流计算准确可靠的关键。
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9.1.1.2 几点讨论
流域分布式水文模型还有待于进一步完善，多 数还存在（或很少考虑）以下几个问题。
①分布式水文模型的真实性问题。
②尺度转换问题（或者模型参数的有效性问题）。
③模型的检验问题。 ④计算时间和数据存储的问题。
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9.1.2 分布式水文模型的发展
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ZHENGZHOU UNIVERSITY
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TOPMODEL通过土壤含水量（或土壤饱和缺水 量）来确定流域产流面积的大小和位置，而土壤 饱和缺水量由地形指数计算得到。对于一个单元 流域TOPMODEL的计算流程为：①基于DEM计算地形 指数，并求出每类地形指数的面积分布；②根据 地形指数逐类进行产流计算，得到单元流域的产 流量；③进行单元流域的汇流计算。
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9.3 几个典型分布式水文模型的介绍
9.3.1 MIKE SHE模型
MIKE SHE是对SHE模型的发展和完善，它能够模拟 水循环陆面过程中主要的水文过程包括水量、水质及 沉积物输移。它能用于解决与地表水和地下水相关的 资源和环境问题，以及地表水和地下水之间的动态相 互作用关系。 典型应用包括：流域规划、供水、灌溉和排水、污 染物堆放场的污染物、农业耕作的影响（包括农用化学 品和化肥的使用）、土壤和水资源管理、土地利用变化 的影响、气候变化的影响和生态评价（包括沼泽区域）。
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9.2 基于DEM的流域分布式水文模型 9.2.1 流域水文过程及其数学模拟
9.2.1.1 流域水循环过程
流域是陆地系统中最为重要的自然集水区域。流域 水循环主要包括降水、冠层截留、径流（坡面流、壤中 流和地下径流）、下渗、蒸发（包括土壤蒸发、水面蒸 发、植被蒸腾、潜水蒸发）等几个环节。在这几个环节 中，伴随着水量的转化和物质及能量的交换，同时还受 到气候变化、大气降水动力学过程及流域地形、地貌、 人类活动等多种因素的影响。因此，流域水循环是一个 十分复杂的过程。
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SWAT模型结构示意图
降 灌 溉 降 雨 水 降 雪 融 雪 盖 雪
下
渗
地 表 径 流 输 移 损 失 池塘/水库调蓄 池塘/水库蒸发 河 流
土 壤 水 土壤水分层（10层）
灌溉用水 输移损失 河段出流量
土壤水蒸发
灌
溉
植物蒸散发
池塘/水库出流 池塘/水库渗透
ห้องสมุดไป่ตู้
壤 中 流 浅层地下水 渗 漏 灌 溉 潜水蒸发 渗 透 回归流
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流域分布式水文模型的一般框架
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目前，基于DEM的分布式水文模型主要有两 种建模方式：
①应用数值分析来建立相邻网格单元之间的时空 关系，如SHE模型等。 ②在每一个网格单元（或子流域）上应用传统的 概念性（或系统理论）模型来推求净雨，再进行 汇流演算，最后求得出口断面流量，如SWAT模型 等。
目前，基于模块的分布式水文模拟系统的研制在国 内还较为少见。在国外，USGS （美国地质调查局）在 MMS (Modular Modeling System)的基础上已联合欧洲等 国着手开发OMS (Objective Modeling System)，以JAVA 为开发语言，基于Internet实现网络数据共享。此外， USGS与BOR（复垦局）合作开展流域与河流系统管理计划 （WARSMP），目标是发展操作性强、以数据库为中心、 面向复杂的资源管理问题的决策支持系统。 总体上看，集成不同的水循环模型，基于模块化结构， 构建面向多目标的水文模拟系统是现代水文模拟技术发展 的又一个重要方向。
第九章 分布式水文模拟 技术
Zuo Qiting
第九章 分布式水文模拟技术
主要内容
9.1 9.2 9.3
分布式水文模型的发展
基于DEM的流域分布式水文模型
几个典型分布式水文模型的介绍
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9.1 分布式水文模型的发展
9.1.1 分布式水文模型的研究进展
9.1.1.1 研究进展
分布式水文模型的研究可以认为起始于1969年Freeze 和Harlan发表的《一个具有物理基础数值模拟的水文响应 模型的蓝图》的文章。 后期比较具有代表性的水文模型包括SHE模型、IHDM模 型、SWAT模型、THALES模型以及DTVGM模型等。 进入20世纪90年代以后，随着计算机技术、GIS/RS技术、 信息技术和通讯技术的发展与普及，分布式水文模型也因此 获得了长足发展。
深层地下水 灌 溉
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SWAT采用类似于HYMO（Hydrologic Modeling） 模型（Williams and Hann,1973）的命令结构来控 制径流和化学物质的演算。通过子流域命令，进行 分布式产流计算；通过汇流演算命令，模拟河网与 水库的汇流过程；通过叠加命令，把实测的数据和 点源数据输入到模型中同模拟值进行比较；通过输 入命令，接受其他模型的输出值；通过转移命令， 把某河段（或水库）的水转移到其他的河段（或水 库）中，或直接用作农业灌溉。SWAT模型的命令代 码能够根据需要进行扩展。
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MIKE SHE的水循环及模拟示意图
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MIKE SHE模型的核心是描述研究区域水分运动 的MIKE SHE WM模块。MIKE SHE WM模块的主结构包 括六个部分，分别描述了六个水文物理过程：截留 /植物蒸散发(ET)、坡面和河道径流（OC）、不饱 和层（UZ）、饱和层（SZ）、融雪（SM）和蓄水层 与河道间的交换。
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TOPMODEL模型具有参数较少，模拟精度高的 特点。TOPMODEL利用地形指数计算饱和缺水量， 将产流计算与易于获得的地形信息建立联系，这 一点对于构建基于DEM的分布式水文模型具有很好 的启迪作用。但同大多数模型类似，TOPMODEL模 型并不适合所有的流域。这是因为模型的蓄满产 流机制和饱和地下水稳定流的假设在一些流域并 不成立。
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9.2.2 基于DEM的流域分布式水文模拟
9.2.2.1 模型的特点与分类
基于DEM的分布式水文模型具有以下特点：①具有物 理基础，能够描述水循环的时空变化过程。②由于其分 布式特点，能够与GCM（大气环流模式）嵌套，研究自然 变化和气候变化对水循环的影响。③同RS和GIS相结合， 能够及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对流域 水循环过程的影响。
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SWAT模型在产流计算上可以采用经验方法 SCS模型或者Green - Ampt下渗概念模型。流域 离散可以采用多种方法，如，子流域、山坡或 网格。SWAT模型的参数大多具有物理概念，但 由于参数繁多，在实际应用时仍然面临很多的 问题。SWAT模型作为第二类分布式水文模型的 典型代表，其模型结构和运行控制方式为构造 流域分布式水文模型（特别是日过程模型）提 供了很好的借鉴。
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分布式水文模型的参数是一个反映流域下垫面 和气象因素空间变化的数集。它的确定方法包括 ：
①在单元上采用传统的概念性模型，不改变原有模型的 结构和参数，但每一个单元上水文模型的参数值随空间 变化。参数值的大小根据空间信息图进行分类计算。 ②重新设计单元水文模型的结构与参数。尽量选择或者 重新构造那些既反映空间变化，又具有物理意义，且便 于计算的指标作为模型的参数。 ③将原有模型的参数同易于获取的空间指标（主要是通 过RS影像或者DEM提取的空间指标）建立起某种对应关 系（一般是统计关系），从而得到分布式水文模型的参 数计算方法。
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9.3.3 SWAT模型
SWAT（Soil and Water Assessment Tool ）模型是在 SWRRB（Simulater for Water Resources in Rural Basins）模型（Williams et al.,1985; Arnold et al., 1990）基础上发展起来的一个长时段的流域分布式水文模 型。它具有很强的物理基础，适用于具有不同土壤类型、 不同土地利用方式和管理条件下的复杂大流域，并能在资 料缺乏的地区建模，在加拿大和北美寒区具有广泛的应用。 SWAT属于第二类分布式水文模型，即在每一个网格单 元（或子流域）上应用传统的概念性模型来推求净雨，再 进行汇流演算，最后求得出口断面流量。
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MIKE SHE WM模块的结构图
融雪
贡献于网格降雨
网格降雨
截留
潜在蒸散发
网格降雨
实际截流容量
蒸散发
水面蒸发
根带土壤含水量
蒸腾/土壤蒸发
下渗
坡面和河道径流
不饱和层
水位
基流/河 道损失 浅层地下水面
排泄 流量
浅层地下水面
补给/ 排水
交换模块
基流/河道损失
饱和层
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9.2.2.2 模型的结构与参数
基于DEM的分布式水文模型在结构上一般分为三 部分： ① 分布式输入模块，用于处理流域空间分布信息，为 水文模块提供空间输入数据和确定模型参数的信息。 ② 单元水文模型，是坡面产汇流计算的核心部分。 ③ 河网汇流模型。有些基于网格的分布式水文模型忽 略了该部分。
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流域水循环过程示意图
蒸腾 降水 冠层截留 蒸发
土壤调蓄 地下调蓄 蒸散发 降雨 冠层截留 地表调蓄 河 网 调 蓄
下渗 壤中流
坡面流
径流
河流 基流
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9.2.1.2 流域水循环的数学模拟
由于流域水循环过程极其复杂，在建立水文模型时 通常对复杂水文现象进行抽象和概化。目前，水文模型 的种类繁多，按模型的性质和建模技术可分为：实体模 型（如比例尺模型）、类比模型（如用电流欧姆定律类 比渗流达西定律的模型）和模拟模型。其中，数学模拟 模型是人们最常用的一类水文模型。