第一篇第六章水文模型评估
雨水的水文模型评价
雨水的水文模型评价雨水是大自然赋予我们的宝贵资源，对人类生活和生态环境都具有重要影响。
为了更好地利用和管理雨水资源，水文模型评价成为一种有效的方法。
本文将对雨水的水文模型评价进行探讨和分析。
一、水文模型评价的背景和意义雨水是地球上不可或缺的水资源之一。
然而，气候变化和人类活动对雨水的分配和利用产生了影响，因此需要进行科学的水文模型评价。
水文模型评价可以帮助我们更好地了解雨水资源的供给和分布情况，为水资源的管理和规划提供决策依据。
二、雨水的水文模型评价指标在进行水文模型评价时，需要考虑以下指标：1. 准确性：水文模型的预测结果与实际观测值的接近程度。
2. 稳定性：水文模型对不同时间尺度和空间尺度的适应性。
3. 敏感性：水文模型对输入参数的敏感程度。
4. 可靠性：水文模型预测的可信度和稳定性。
5. 可解释性：水文模型的结果是否能够被解释并用于决策。
三、常见的雨水模型评价方法1. 比较分析法：将不同水文模型的输出结果进行比较和分析，评估其准确性和稳定性。
2. 统计指标法：使用统计学方法对模型输出结果与实际观测值进行定量分析，例如相关系数、均方根误差等。
3. 灵敏度分析法：通过改变水文模型的输入参数，评估模型对参数变化的响应情况，判断模型的敏感性和可靠性。
4. 不确定性分析法：考虑输入数据和模型结构引入的不确定性，评估模型输出的不确定度。
四、应用案例分析以某城市降雨模型为例，通过比较分析不同水文模型的输出结果，评估模型的准确性和稳定性。
同时，采用统计指标法计算模型输出结果与实际观测值之间的相关系数和均方根误差。
进一步，进行灵敏度分析，探究模型对降雨量、地形等参数的敏感程度。
最后，结合不确定性分析，评估模型输出结果的可靠性。
五、结论通过水文模型评价的方法，可以更全面、客观地评估雨水的水文模型。
准确性、稳定性、敏感性、可靠性和可解释性是评价水文模型的重要指标。
在实际应用中，需要根据具体情况选取合适的评价方法，并结合实际观测数据进行分析。
第6章 水文分析
图6.6 洼地提取对话框 图6.7 洼地提取结果
无洼地DEM生成
• 洼地填充
洼地的存在，导致不能得到正确的真实的水流方向，在进行水 文分析之前需要进行洼地区域的填充。
填充前 图6.8 洼地填充示意图
填充后
无洼地DEM生成
• 洼地填充
由于有些洼地也是真实地形的反映，在填充前需要进行洼地深 度的计算，从而判定填充阈值。
图6.10 洼地区域计算 图6.6 洼地区域最低高程计算
无洼地DEM生成
• 洼地深度的计算
洼地区域最低出水口计算
双击spatial analysis tools工具箱中zonal工具集下的zonal fill工具，弹出 zonal fill对话框。
洼地深度计算
加载Spatial Analyst模块，点击Spatial Analyst模块的下拉箭头，选择
图6.23 河网的生成
河网的提取
• 栅格河网矢量化
双击hydrology工具集中的的 stream to feature工具，打 开栅格河网矢量化 对话框
hydrology工具集中的的 stream to feature工具不仅 仅只是将栅格形式河网数据转 化为矢量形式的数据，它利用 了水流方向数据进行辅助分析， 使得矢量化后的河网更真实、 更合理
图6.24 栅格河网矢量化操作
图6.25 得到的矢量化的河网图
河网的提取
• stream link的生成
Stream link是记录着河网 中的一些节点之间的连接 信息，主要记录着河网的 结构信息。
图6.26
弧段
结点
Stream link示意图
双击hydrology工具集中的 stream link工具，弹出如图所 示的stream link计算的对话框。
MIKE中文教程
MIKE中文教程《MIKE中文教程》第一章：简介MIKE是一款强大而全面的水文水资源模拟软件。
MIKE软件系列是丹麦水利研究所（DHI）开发的，已经在全球范围内得到广泛应用。
MIKE软件主要用于水文水资源研究和管理工作，包括河流、湖泊、海洋等水域模拟以及水资源评估等方面。
第二章：安装和配置第三章：基础概念本章介绍MIKE软件中的基础概念，包括水文学基础、水资源管理概述、模型基础等。
用户需要了解这些基础概念，才能更好地理解和应用MIKE软件。
第四章：模型建立本章介绍如何在MIKE软件中建立水文水资源模型。
包括数据导入、模块选择、模型参数设置等方面的内容。
用户需要掌握模型建立的方法和步骤，以便能够灵活地应用MIKE软件进行模拟分析。
第五章：模型运行本章介绍如何对建立好的模型进行运行和分析。
包括模型参数调整、模拟结果分析等方面的内容。
用户需要学会合理地调整模型参数，并能够准确地评估模拟结果。
第六章：模型评估本章介绍如何对模型进行准确性评估。
包括观测数据对比、模型表现评价等方面的内容。
用户需要学会评估模型的准确性，以便能够对模拟结果提供可靠的科学依据。
第七章：模型应用本章介绍如何将MIKE软件应用于具体的水资源管理工作中。
包括洪水预测、水质评估、水资源规划等方面的内容。
用户需要学会将MIKE软件与实际工作相结合，提供可行的管理措施和建议。
第八章：常见问题解答本章收集了使用MIKE软件过程中常见的问题及解答，帮助用户更好地解决遇到的困惑。
第九章：案例分析本章选取一些典型的水文水资源管理案例，进行详细分析和讨论。
用户可以通过这些案例了解实际应用中的问题和解决方法，提高自己的模拟分析能力。
第十章：进阶技巧本章介绍一些高级的模拟技巧和工具，帮助用户深入了解MIKE软件的功能和应用。
包括参数优化、模型调试等方面的内容。
第十一章：附录本章提供了一些相关的附加资料，包括MIKE软件的文献文档、参考书目等。
用户可以通过这些附录资料进一步扩展自己的知识面。
水文模型
模型发展过程CREAMS模型：是20世纪70年代美国农业部农业研究服务中心研发的基于过程的非点源模拟模型，该模型是基于田间尺度的模型，主要用于模拟土地管理对水、沙和营养盐的影响。
SWAT模型：是一个日尺度的连续模型，可以将流域划分为成百上千个子流域和栅格单元，该模型解决了SWRRB模型和ROTO模型组合过程中输入文件繁多、占用大量计算空间，并且SWRRB模型模拟过程需独立运行，然后将其结果输入到ROTO模型才能完成汇流运算的问题。
MATSALU模型是由爱沙尼亚研发的，该模型主要是针对当地海湾农业流域和海湾生态系统，评估不同管理情景对海湾富营养化产生的影响。
该模型的空间划分主要是基于基于基础流域图、土地利用图、和土壤图三个图层的叠加，以此获得基本的污染区域。
其缺点是只针对特定的区域流域设计，模型可移植性较差。
SWIM模型：融合了SWAT和MATSALU模型，保留了原来模型的优点，其模型代码主要基于SWAT，先将MATSALU模型空间三层划分方案引入到SWAT中，之后调整模型，并删除SWAT 中重复参数化的一些模块功能。
模型结构SWIM模型综合了流域尺度的水文、侵蚀、植被以及氮/磷的动态变化等过程，并以气候数据农业管理资料作为模型的外部驱动因子。
其中，水文模块以水量平衡方程为基础，考虑了降水、蒸散发、渗透、地表径流和各层土壤的土壤中流等因素。
SWIM模型中土壤的水文过程流程图水文模拟系统由四个层组成；土壤表层，根系层，浅水层以及深水层。
模型的空间划分：基本思路是：先将中尺度的流域划分为适当的子流域（该过程可以通过一些GIS软件实现），之后基于土地利用情况和土壤类型在每个子流域上做进行水文相应单元的划分，这些单元是一些互不连接的单元，内部具有相同的土地利用方式和土壤类型，并具有统一的水文响应特征。
结语：SWIM模型的开发首先是为了在德。
第6章水文模型
坡面汇流线性水库
Rg Rss
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 ＝ Ｃ ０ Q上 ， 2 ＋ Ｃ １ Q上 ， 1 ＋ Ｃ ２ Q下 ， 1
S’m
S’mmFr
β = 1 − (1 −
S 'm EX ) S 'mmFr
SmFr = S
mFr
S'mmFr 1+ EX
Sm
部分产流 全面产流
自由水水库 （位于产流面积） 位于产流面积）
Fr0 S = S0 S Fr
β=Fs/Fr
Fr=R/Pe
(R + AU) 1+EX Rs = Fr R + S − SmFr + SmFr [1− ] 分水源自由水水库 SmmFr
' A+ P < Wmm e ' A+ P ≥ Wmm e
W 1+b ' 1 A =W [ − ( − 0 ) ] mm 1 W m
1
已知： R 、Pe 、 S0 、Fr0 参数： 已知：分水源自由水水库 ：EX 、Sm 参数
S'mm = Sm (1+ EX )
S’mm
S'mmFr = S'mm [1− (1− Fr )1+EX ]
S
Kg
Rs
ch6流域水文模型解析
流域产流
河道汇流
地下水汇流
流域汇流
第三页，共八十三页。
§1 流域(liúyù)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 的方法(fāngfǎ)，如：相应水位（或流量）法、降雨 径流相关图法、单位线法等。20世纪50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。60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 有萨克拉门托、水箱等模型。河海大学1973年研 制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 取得好的效果。
E=EU+EL+ED EP=KC × EM
第十三页，共八十三页。
§2 新安江模型(móxíng)－蒸散发计算
上层 (Upper layer) EU, WU,WUM
下层
EL, WL,WLM
(Lower layer)
深层 (Deep layer) ED, WD,WDM
上土层(tǔ cénɡ)蒸发量： EU=EP 下土层(tǔ cénɡ)蒸发量： EL=EP.WL/WLM
5mm
缺林地
UM=
20mm
多林地
LM=60~90mm，根据实验，在此范围内蒸散发大约与土 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，本次降雨足
够(zúgòu)大，大得可使全流域蓄满的洪水进行分析。根据水量平 衡：
第三十页，共八十三页。
2.2 模型(móxíng)参数的物理意义及初值的
法，即：
合解上述两式得: Q2=C0I2+C1I1+C2O1
第六章水文模型
(6-6)
9
式中, m为流域的记忆长度,即任一输入 X 的作用效应只持续 m 个 t 时 Y 段,X (k i + 1) 为离散化第 (k i + 1) 个 t 时段流域平均降雨(mm), (k )是 H 离散化后的第 k 个 t 时段末出口断面径流(m3/s)或(mm), (i )是第 i 个 t 时段的系统响应函数,其因次取决于降雨径流的关系.实际应用 中,通常先把径流统一转化为与降雨相同的单位(mm),则 h(i ) 为无 因次的变量. 2,总径流线性响应函数的推求 水文系统识别:根据观测的输入,输出资料来辨识水文系统模型中 未知或待定的部分.对于总径流线性响应模型,水文系统辨识就是通过 观测的流域平均降雨和流域出口断面流量 [X (k ), Y (k )] ,推求系统的响应 函数 H (i ),通常依据6~10年的连续观测的日(或时)降雨径流序列资料 进行最优估计,最简单的是矩阵最小二乘法. 假定该系统线性方程为
dQ2 (t ) + aQ2 (t ) = bx2 (t ) dt
将上两式相加可得:
d [Q1 (t ) + Q2 (t )] + a[Q1 (t ) + Q2 (t )] = b[x1 (t ) + x2 (t )] dt
6
即系统对输入 x1 (t ) + x2 (t ) 的响应等于单个输入响应之和 Q1 (t ) + Q2 (t ).然而
7
三,总径流线性响应模型(SLM模型) 总径流线性响应模型就是通过水文系统理论方法(通常为线性卷积 方程),建立流域面上总降雨过程与流域出口断面总径流过程之间的转 化关系.转换关系并不考虑流域的产流和汇流内部机理. 1,总径流线性响应模型的系统方程 假定流域是一个线性,时不变,集总的确定性水文系统,则降雨径 流关系可用一个线性卷积方程来描述:
水循环过程与原理
Na Zhao Zuo Qiting
2.2.2.4 土壤—植被—大气界面的水热传输
土壤—植被—大气间的水热传输（Soil-VegetationAtmosphere Transfer, SVAT）问题是陆面过程研究的重 点之一。 SVAT目前发展到含有多个植被层的物理-化学-生物 联合模式，并对水平方向的不均匀性进行了考虑。按其对 植被冠层的处理可分为单层模型、双层模型和多层模型。 现行的对土壤-植被-大气连续体内水分交换的估计， 主要基于能量平衡方程，即利用波纹比能量平衡法。
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2.2.2.3 地表能量平衡一般方程
根据能量守恒原理，地表能量的收支平衡关系如下：
Rn Ae LE H G Po Ad
（2.2.1）
式中：Rn 为净辐射，其值为到达地面的总辐射（包括短波辐射和长 波辐射）减去返回大气的辐射；LE为潜热通量，其中L代表汽化潜热 （2.45MJ/Kg），E为被蒸发水量；H为显热通量，代表与大气的显热 交换；G为地中热传导，代表通过地表物质的热量传输； Po为植物生化 过程的能量转换，其中植物光合作用的能量吸收约占净辐射的2％； Ae Ad为移流项 为人工热辐射量（燃料等消耗对地表产生的能量释放）； （因空气或水的水平流动引起的能量净损失）。
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“天然—人工”水循环示意图
Na Zhao Zuo Qiting
内因（水的物理特性）
外因（太阳辐射和地心引力）
水 循 环
Na Zhao Zuo Qiting
2.2 水循环原理
2.2.1 水量平衡原理
Water balance（水量平衡）是指在任一时段内研究区 的输入与输出水量之差等于该区域内的储水量的变化值。水 量平衡研究的对象可以是全球、某区（流）域、或某单元的 水体（如河段、湖泊、沼泽、海洋等）。研究的时段可以是 分钟、小时、日、月、年，或更长的尺度。水量平衡原理是 物理学中“物质不灭定律”的一种表现形式。
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参数评估
进一步减小参数初估的不确定性。可以采用多种 方法减小参数初估的不确定性。典型的方法是首 先在参数取值范围内选取一个初值，然后通过人 工或计算机自动调整参数，使得模型更适用于该 流域。
参数率定方法
人工率定
通常采用试错法进行调参。 缺点：缺少普遍公认、客观的度量准则来确定何时 终止率定过程。
自动率定
又称为参数优选。参数自动优化过程就是采用数 学算法、通过系统的反复试验改变模型参数值的 大小，使得河流特征模拟值和实测值的差别最小。 这些反复的试验称为“迭代”。
3 模型验证
模型选取应该考虑以下几个关键问题：
① 模型的输出信息是否满足决策需求 ② 模型的适用区 ③ 模型的当前状态 ④ 模型的数据需求 ⑤ 模型对不同数据源获取信息的能力 ⑥ 模型对用户的要求 ⑦ 采用该模型软件的开销及可获得的技术支持状况
模型选取的标准：
① 模型预测的精度
② 模型的简易性
③ 参数估计的一致性
思考题
1. 为什么要进行水文模型评估？
2. 如何进行水文模型的评估？关键步骤是什么？ 3. 结合以后学习的具体水文模型，思考水文模型 评估的重要性和必要性。
现代水文模型
主讲教师： 曾小凡 zengxiaofan@ 孙怀卫 huaiweisun@ 赵娜 na.zhao.2011@
第一篇 水文模型基础（8课时）
第一章 绪论
第二章 水循环过程与原理
第三章 降雨径流过程 第四章 蒸散发过程模拟
第五章 产汇流过程模拟
第六章 水文模型评估
《现代水文模型》
水文模型评估
水文模型评估概述
模型选取 （根据研究问题选取模型）
模 型 评 估 的 步 骤
模型率定 （模型参数的估计）
模型验证 （该模型适合吗？） 适合 模型应用
不适合
主要内容
1. 2. 3. 4.
模型选取
模型率定
模型验证
模型评价
1 模型选取
客观、准确的选取模型可以有效地促进水文工作。目前， 供我们使用的水文模型非常之多，如何选择真正适合的水文模 型，是需要解决的首要问题。
残差序列相互独立性检验 残差序列同方差检验 残差序列正态分布检验
4 模型评价
模型不确定性评价
不确定性来源：资料或信息误差问题；模型结构； 模型参数的优选调试。
模型适用性评估
国际：如果流域处于湿润地区，简单模型与复杂 模型可以取得同样的效果，但是，对于干旱或半 干旱的流域，很多模型就无能为力了。 国内：在湿润区，只要能控制住水量平衡，结构 简单和结构复杂的模型精度相差不明显；适用于 干旱、半干旱、喀斯特流域和平原水网流域的流 域水文模型仍比较缺乏。
过程参数
指不能够通过直接测量得到的表征流域特性的参 数，随流域降雨径流特性以及下垫面条件不同而 不同，包括：各土层最大蓄水容量、自由水库最 大容量、蒸散发系数以及各种水流的出流、消退 系数等。这类参数在模型中不具有明确的物理含 义，可以通过物理成因分析推导或计算。
ห้องสมุดไป่ตู้
模型参数的确定过程
参数初估
④ 参数的敏感性
2 模型率定
无论选择哪种模型，都包含很多表征物理过程的未 知参数。 使用模型模拟径流过程之前，必须对模型参数进行 赋值，也就是说必须评估这些参数使得模拟径流过程
和实测径流过程达到最佳程度的拟合，这一过程称为
“模型率定”。
模型参数
具有物理意义的参数
指能够通过直接测量得到的用来表征流域特性的 参数。包括：河长、河道坡度、雨量站权重、流 域面积、不透水面积的比率等，这类参数一经确 定不再修改。
降雨－径流模型最主要的目的是根据降雨情况模拟径流序列 ，因此考察模型性能的第一步也是最关键的一步就是比较模 拟和实测径流过程线。模型验证又被称为“诊断检查”。
《水文情报预报规范SL250-2000》中规定检验期定为“2年
”是参照国际通行的下限要求，当资料充分时，应使用更多
一些的资料。
需要验证的内容---残差分析