壤中流模型研究的现状及存在问题
紫色土区坡耕地壤中流磷素流失特征研究
紫色土区坡耕地壤中流磷素流失特征研究何淑勤;宫渊波;郑子成【期刊名称】《水土保持学报》【年(卷),期】2014(28)2【摘要】采用人工模拟降雨装置,通过野外径流小区试验,研究紫色土坡耕地玉米生长季磷素流失特征。
结果表明:(1)壤中流磷素流失以可溶性磷素流失为主,横坡垄作壤中流磷素流失最多,远远高于其它2种措施。
壤中流TP和DTP平均浓度大小依次为:横坡垄作>顺坡垄作>平作。
横坡垄作壤中流TP总量最大是平作和顺坡垄作的3.2倍和3.1倍,其壤中流DTP磷素流失总量也最严重,是平作的3.5倍,顺坡垄作的2.9倍。
(2)不同坡度之间壤中流浓度在玉米生育期的苗期和抽雄期呈现出较大差别,坡度越大,地表径流带走的磷素越多,壤中流总磷越小。
(3)坡耕地上合理的耕作措施对磷素流失的调控具有一定作用,但有别于其它类型坡耕地,横坡垄作并不是一种综合效益很好的耕作方式,相比而言平作控制水土流失及磷素流失效果更好。
【总页数】5页(P20-24)【关键词】紫色土;坡耕地;壤中流;磷流失【作者】何淑勤;宫渊波;郑子成【作者单位】四川农业大学林学院;四川农业大学资源环境学院【正文语种】中文【中图分类】S157.1【相关文献】1.紫色土坡耕地磷素流失特征及施肥方式的影响 [J], 周明华;朱波;汪涛;王振华2.紫色土坡耕地磷素径流流失特征分析 [J], 唐春霞;姚军;何丙辉3.不同坡度和雨强条件下紫色土壤中流氮磷养分流失特征研究 [J], 冯勇4.二次降雨条件下紫色土壤中流的氮磷流失特征研究 [J], 王玉霞;龙天渝;卢齐齐5.紫色土壤中流氮磷淋溶流失特征综述 [J], 吴昊阳因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
壤中流形成机制及其生态水文效应研究进展
DOI: 10.12357/cjea.20210277赵宇寒, 曹建生, 朱春雨, 阳辉. 壤中流形成机制及其生态水文效应研究进展[J]. 中国生态农业学报 (中英文), 2022, 30(1):38−46ZHAO Y H, CAO J S, ZHU C Y, YANG H. Research progress on the formation mechanism of subsurface flow and its eco-hydrolo-gical effects[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2022, 30(1): 38−46壤中流形成机制及其生态水文效应研究进展*赵宇寒1,2, 曹建生1**, 朱春雨1, 阳 辉1(1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/河北省土壤生态学重点实验室/中国科学院农业水资源重点实验室 石家庄 050022; 2. 中国科学院大学 北京 100049)摘 要: 水是人类生存和经济社会发展的重要基础资源, 在气候变化和人类活动的双重影响下, 陆地水循环发生了深刻变化。
壤中流是水循环的重要环节, 径流过程的重要组成部分, 河湖水的重要补给来源, 对流域径流形成、水源涵养、养分运移等过程产生重要影响, 是水文学和土壤学及生态水文学的研究热点、难点与重要科学问题。
文章分析发现1990—2020年中国壤中流的发文数量和被引频次均逐渐增多，研究方向主要集中在环境、工程、水资源以及农业等方面, 主题分布在紫色土、湿地、氮素等方面。
壤中流形成的主要影响因素包括土壤、地形、植被、降雨等。
壤中流的几种生态水文效应包括土壤养分运移效应、水土保持、径流调节、水文预报效应等。
最后文章提出了目前壤中流研究中的一些局限性, 并对未来的研究重点进行了展望，为重要生态系统修复与水源涵养功能提升提供参考。
关键词: 壤中流; 土壤; 降雨入渗; 生态水文效应中图分类号: S157.2开放科学码(资源服务)标识码(OSID):Research progress on the formation mechanism of subsurface flow and its eco-hydrological effects*ZHAO Yuhan 1,2, CAO Jiansheng 1**, ZHU Chunyu 1, YANG Hui1(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Soil Ecology / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)Abstract: Water is an important basic resource for human survival and economic and social development. However, the water cycle has undergone profound changes under the dual influence of climate change and human activities. Subsurface flow, a key part of the runoff process and a major replenishment source for rivers and lakes, has a critical impact on runoff formation, water conservation,and nutrient transport. The understanding of subsurface flow processes is an important and popular topic in the fields of hydrology,soil science, and ecohydrology, however, it is a complex scientific problem that is difficult to disentangle. In this article, it was found that from 1990 to 2020, the number citation frequency of published articles related to subsurface flow in China have gradually in-creased. The researches mainly focused on the environment, engineering, water resources, and agriculture, focusing on topics such as purplish soil, wetlands, and nitrogen. In addition, we analyzed the main factors affecting subsurface flow formation, including soil, to-* 河北省重点研发计划项目(20324203D)、河北省创新能力提升计划项目(20536001D)和国家自然科学基金项目(4187072165)资助** 通信作者: 曹建生, 主要从事山地生态水文过程与降水资源调控机制研究。
2.1土壤大孔隙流机理及产汇流模型研究简要信息
2.1 土壤大孔隙流机理及产汇流模型研究¾简要信息【获奖类型】应用一等奖【任务来源】国家自然科学基金项目、教育部博士点基金项目、教育部霍英东基金项目等【课题编号】50609005 50309002 50479017 20050294002 101075【课题起止时间】1999年09月01日～2010年8月31日【完成单位】中国水利水电科学研究院华南理工大学珠江水利委员会珠江水利科学研究院河海大学江苏科技大学【主要完成人】冯杰、黄国如、解河海、郝振纯、李致家、杨涛、张东辉、杨志勇、张小娜、尚熳廷¾立项背景由于土壤的干湿作用造成的收缩和膨胀，土壤中可溶性物质的溶解、冻融的循环交替、人类耕种等活动、蚯蚓和啮齿动物的活动、植物根系的生长，土壤中存在着大量的大孔隙。
当土壤中存在大孔隙时，进入土壤中的水及溶质就绕过大部分土壤基质，经过大孔隙快速到达土壤深处或地下水中，即使在土壤基质没有完全饱和的情况下也会发生。
大孔隙中的水流速度远大于土壤基质流，其中水流运动不符合达西定律。
大量的室内和田间实验表明，大孔隙流是土壤中的一种普通存在的现象，而不是一种例外。
近年来，气候变化导致降雨时空分布更加不均匀，干旱灾害频繁发生，农业用水时常不能得到保障，严重威胁到了我国农业生产与粮食安全。
而在当前国家粮食安全形势非常严峻的情况下，保障农业用水是非常重要的。
这就要求一方面必须准确预报土壤墒情，一方面要开展节水灌溉。
研究考虑大孔隙分布的入渗模型和产汇流模型及其解法，可以应用于土壤墒情预报和节水灌溉工作中，不仅可以提高土壤墒情的预测精度，而且可以提高节水效果。
随着农业生产的发展，农业上大量使用化肥和农药，降雨和灌溉都可能使化肥和农药进入土壤中，经过大孔隙快速到达地下水中，污染地下水。
特别是农业生产中施放到土壤表面的营养物质，也随雨水或灌溉水通过大孔隙很快进入土壤深处或地下水中，而来不及被土壤基质吸附和被植物利用，既造成了肥料利用率的降低又造成了地下水的污染。
紫色土坡地壤中流特征
紫色土坡地壤中流特征徐勤学,王天巍,李朝霞,蔡崇法,史志华(华中农业大学农业部亚热带农业资源与环境重点实验室,湖北武汉 430070)摘要:壤中流是紫色土坡地径流的重要组成部分。
通过野外人工模拟降雨试验,研究了不同降雨条件下紫色土坡地壤中流特征和地表状况变化对壤中流的影响,结果表明:①未扰动荒坡地壤中流径流系数是裸露坡耕地的3～15倍,平均流量是坡耕地的7～33倍,荒坡地和坡耕地壤中流特征差异在大雨强条件下表现更为明显;②坡耕地壤中流径流系数随降雨强度的增加而显著减少,但荒坡地壤中流受雨强的影响不明显;③荒坡地壤中流随地表状况变化而改变,植被覆盖的减少和降雨对疏松地表的压实导致壤中流明显减少。
关键词:紫色土;降雨强度;壤中流;地表状况中图分类号:P33412 文献标志码:A 文章编号:100126791(2010)022*******收稿日期:2009204206基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2007CB407201);国家自然科学基金资助项目(40501040;40671114)作者简介:徐勤学(1982-),男,湖南新宁人,博士研究生,主要从事水土保持与农业生态研究。
E 2mail:xqx@web mail 1hzau 1edu 1cn通信作者:李朝霞,E 2mail:zxli@mail 1hzau 1edu 1cn壤中流是坡地径流的重要组成部分,对流域径流产生、养分流失等都有重要的影响[1]。
流域范围内的壤中流受地形、土层厚度、土地利用等多种因素的影响,国内外学者对壤中流的产生机制[2]、优先路径[324]、临界性和非线性[5],以及壤中流的影响因子[627]进行了广泛的研究。
由于土壤自身性质的影响,壤中流在紫色土地区普遍存在且在总径流量中占有相当的份额。
刘刚才等[8]对常规耕作制度下紫色土坡地壤中流进行了研究,发现壤中流在大雨、暴雨或土壤饱和后才发生,雨停后的壤中流历时与降雨强度无关;贾海燕等[9]通过人工降雨试验发现在紫色土地区壤中流是硝态氮流失的主要途径;丁文峰等[10]比较了不同坡度和降雨强度下紫色土壤中流,结果表明壤中流占总径流量的比例受坡度和降雨强度影响明显。
陆面过程模式CLASS径流模拟的改进和应用
陆面过程模式CLASS径流模拟的改进和应用1吴志勇，陆桂华河海大学水问题研究所(210098)email: wuzhiyong_110@摘要：针对陆面过程模式CLASS（Canadian Land Surface Scheme）产流模拟方面的不足，提出考虑壤中流产流机制的产流模拟方案。
利用淮河流域能量和水分循环试验（HUBEX）资料，在史灌河流域上对改进前后的模型进行了对比试验。
结果表明，提出的产流模拟改进方案，大大提高了CLASS的径流模拟能力，同时改善了模式对土壤含水量的模拟。
关键词：陆面过程模式 径流 CLASS HUBEX1. 引言陆面是陆气系统的重要组成部分，它控制着地表能量在感热和潜热间的分配，以及地表水分在蒸发和径流之间的分配，对全球和区域气候有重要影响作用[1,2]。
为有效表述陆面和大气间动量、能量和物质的交换过程，许多繁简各异的陆面过程模式被开发出来，并耦合到气候模式中。
早期的陆面过程模式，多以“水桶”模式[3]为代表。
“水桶”模式假定土壤具有一个固定的持水容量，当土壤含水量超过这一容量时，多余的降水则产生径流。
由于早期的陆面过程模式很少（或没有）考虑植被的生物物理过程，模式在模拟有植被地表时，其蒸发计算，会产生系统偏大的问题。
为此，Deardorff提出了考虑植被对陆面过程影响的陆面过程模式[4]。
近20年来，基于物理过程并考虑了植被影响的陆面过程模式不断涌现出来。
早先的两个模式分别为Dickinson 等提出的BATS（生物—大气圈交换）模式和Sellers等发展的SiB（简化生物圈）模式。
随后，其他模式也纷纷被提出，如Verseghy等[5~7]开发的CLASS（Canadian Land Surface Scheme）等。
这些模式整体上改进了陆面过程模式对蒸发的模拟，模拟的实际蒸发比早期的“水桶”模型有所减少，与实际情况更为接近。
为了提高对陆气相互作用的理解，进一步改进、完善陆面过程模式，国际间开展了陆面参数化方案比较计划（PILPS）[8]。
容许土壤流失量的研究现状及其设想
* 收稿 日 期 ：2 005 -02 -05；修 回日 期 ：2 005 -0 6-29 . * 基金 项 目 ：国 家自 然 科学 青 年基 金 项 目“紫 色 土 土壤 允 许侵 蚀 量 原 态 定 位 研 究”（编 号 ：402 01029）；国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 规 划 项 目 “长 江上 游 环 境变 化 与产 水 产沙 作 用 机制”（编 号 ：2003 CB41 5202）资 助 . 作者 简 介 ：李 兰（198 0-），女 ，陕 西汉 中 人，硕士 研 究生 ，主要 从 事土 壤 生态 与 侵 蚀方 面 的研 究 .E -m ail：l i＿lan＠ m ai ls.
起来，认为 T 值是“维持土地生产力不至于下降的 年平均土壤流失量”。1962 年，美国农业部水土保 持局进一步将 T 值定义为“能长期经济地维持高的 作物生产力水平的年最大土壤流失量”。我国水利 部［6］于1997 年，将 T 值定义为“在长时期内能保持 土壤肥力和维持土地生产力所允许的最大土壤侵蚀 强度”，在超过这一量值时，土地生产力将开始遭受 破坏而下降，需要采取水土保持措施进行治理。
壤中流对紫色土坡面养分流失影响研究进展
壤中流对紫色土坡面养分流失影响研究进展
宋想斌;方向京;李贵祥;马晶晶
【期刊名称】《云南农业大学学报》
【年(卷),期】2015(030)002
【摘要】地表径流及壤中流中氮(N)、磷(P)的流失是造成面源污染的主要原因.在紫色土地区,壤中流不仅会导致坡面水土流失,同时,还会加速地表水体的富营养化.鉴于此,本文简要综述了壤中流的研究进展及其影响因素,以及壤中流对紫色土坡面养分流失的影响,并对该领域未来的研究方向进行了展望.
【总页数】6页(P311-316)
【作者】宋想斌;方向京;李贵祥;马晶晶
【作者单位】西南林业大学环境科学与工程学院,云南昆明650224;云南省林业科学院,云南昆明650204;云南省林业科学院,云南昆明650204;西南林业大学环境科学与工程学院,云南昆明650224
【正文语种】中文
【中图分类】S157
【相关文献】
1.紫色土坡面壤中流形成与坡面侵蚀产沙关系试验研究 [J], 丁文峰;张平仓;王一峰
2.不同起始条件下坡面薄层紫色土水分和壤中流响应 [J], 付智勇;李朝霞;蔡崇法;郭忠录
3.不同坡度和雨强条件下紫色土壤中流氮磷养分流失特征研究 [J], 冯勇
4.水文条件对紫色土坡面土壤侵蚀及养分流失的影响 [J], 崔艳平;郑粉莉;刘雨
5.紫色土坡面壤中流养分输出特征 [J], 丁文峰;张平仓
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物理成因产沙模型研究中亟待解决的几个问题
物理成因产沙模型研究中亟待解决的几个问题摘要：剖析了HUM-一、THU和CSU三个国内外有代表性的物理成因产沙模型的结构、特点和存在的问题，分析了物理成因产沙模型应该考虑和解决的主要水沙物理进程，指出该类模型当前急需解决的六个问题和大体思路。
关键词：物理成因产沙模型模型结构泥沙输移参数区域规律水土维持1 引言流域侵蚀产沙模型是对流域内土壤侵蚀和泥沙输移现象的概化和近似表达，包括统计模型和物理成因模型两大类。
前者基于大量的实测气象、水文、泥沙观测资料，经统计分析取得。
又可分单位线法、经验方程和随机模型等，其中，以经验方程形式多样，研究和应用最多；后者以流域上实际发生的水沙物理进程为基础，用一个或多个数学方程加以描述并用必然的数值方式加以求解，参数具有物理意义。
又可分为集中性模型和分散性模型。
经验性模型是按如实际资料应用统计相关的方式成立起来的，其结构简单，利用方便，在制定公式利用的资料范围内有足够的精度，在实际生产中取得了普遍的应用。
但它们缺乏充分的物理基础，外延效果差，在作地域移用和向设计条件延伸时精度难以控制，不能反映侵蚀产沙的时空转变进程和人类活动影响后所发生的转变。
物理进程模拟模型试图对流域内发生的侵蚀产沙进程进行概化和近似，并用数学方程描述流域上侵蚀产沙的主要物理进程，再用比较严格的数值解法计算水沙运动进程。
模型的物理基聪强，外延精度高，有利于地域移用和向设计条件延伸，能够模拟侵蚀产沙的时空转变，并可通过参数反映人类活动影响后水沙的转变。
鉴于此，物理成因产沙模型的研究与应用为大家所重视，国内外有关学者都在探索研制当中，近20年来进展专门快，代表性的模型有美国的CSU、ANSWERS、FESHM、ARM和中国的HUM-一、THU等模型。
本文着重剖析了HUM-一、THU和CSU三个典型的分散性物理成因模型，通过度析比较，指出当前物理成因模型研究中亟待解决的若干问题。
2 典型模型的剖析按照反映模型结构的参数不同，物理成因模型又分为集中性模型和分散性模型。
水文模型的分类
精心整理一、 试题简述流域水文模型的类型及其应用问题水文模型的基本类型有哪些？各有哪些作用？论述流域水文模型的类型及其特征？水文模型的分类水文模型分为物理模型和数学模型两类。
1、234异。
5流域水文模型的分类流域水文模型以流域为研究对象，对流域内发生降雨径流这一特定的水文过程进行数学模拟，即把流域上的降雨过程，模拟计算出流域出口断面的流量过程。
从流域水文模型的发展和应用来看，流域水文模型属于数学模型，可分为确定性模型和随机模型，我们通常所说的是指确定性模型。
从反映水文运动物理规律的科学性和复杂性程度而言，流域水文模型通常被分为三大类：系统模型（即黑箱模型，back-boxmodel ）、概念性模型（conceptualmodel ）、物理模型（physically-basedmodel ）。
系统模型将所研究的流域或区间视作一种动力系统，利用输入（一般指雨量或上游干支流来水）与输出（一般指流域控制断面流量）资料，建立某种数学关系，然后可由新的输入推测输出。
系统模型只关心模拟结果的精度，而不考虑输入－输出之间的物理因果关系。
系统模型和线性的和非线性的，时变的和时不变的，单输入单输出的，多输入单输出的，多输入多输出的等多种类型。
代表性模型有：总径流线性响应模型（TLR）、线性振扰动模型（LPM）、以及神经网络（ANN）等。
概念性模型利用一些简单的物理概念和经验公式，如下渗曲线、汇流单位线、蒸发公式、或有物理意义的结构单元，如线性水库、线性河段等，组成一个系统来近似地描述流域水文过程。
代表性模型有：美国的斯坦福模型（SWM）、日本的水箱模型（Tank）、我国的新安江模型（XJM）等。
物理模型依据水流的连续方程和动量方程来求解水流在流域的时间和空间的变化规律。
代表模型有SHE模型，DBSIN模型等。
从反映水流运动的空间变化能力而言，水文模型可分二类为：集总式模型（lumpedmodel）和分布式模型（distributedmodel）。
流域水文模型论文
流域水文模型课程论文学院资源环境学院学生姓名陈建飞专业水文与水资源工程学号 222009********* 年级 2009级 1班流域水文模型参数识别方法及研究进展陈建飞西南大学资源环境学院，重庆 400715摘要：流域水文模型是计算水文参数的各种重要模型，而参数的识别和优化是水文模型发展中的一个重要部分。
本文参考各类相关文献，主要介绍了几种主要的流域水文模型的参数识别和优化方法。
在系统研究现代优化算法与传统优化算法的基础上，建立各种优化算法的融合技术和法则可能是进一步提高参数优化算法性能的方向，为更好地发展和研究参数优化方法提供了依据。
关键词：流域；水文模型；参数识别；参数优化Hydrological model parameter identification methods andresearch progressJianfei ChenCollege of Resources and Environment, Southwest University.Chongqing,China,400715. Abstract: The hydrological model a variety of important model to calculate the hydrological parameters, parameter identification and optimization is an important part in the development of hydrological models. In this paper refer to the various types of literature, several major hydrological model parameter identification and optimization methods. In the system of modern optimization algorithms and traditional optimization algorithm based on the integration of the various optimization algorithms and rules may further improve the direction of the parameter optimization algorithm performance, and provides a basis for better development and parameter optimization method.Key words: Watershed; Hydrological model; Parameter identification; Parameter optimization0 引言水文模型在流域水文预报中起着重要的作用.以往的水文模型，包括集总式、半分布式、分布式水文模型，实际中一般通过已有长期水文历史资料率定得到.从理论上讲，模型参数可以从流域直接或间接获得，但由于水文模型参数既有其物理意义，又有其推理、概化的成分，因此大部分模型参数只能是对实测资料进行分析的基础上，通过参数优选得到，由于受天文、气候、气象、下垫面、人文等众多因素的综合影响，水文模型的参数一般较多，并不完全独立，常常表现出不确定、高维、高度非线性和庞杂的信息类型川，传统优化方法难以处理上述优化问题，一般来说，参数越多、非线性越强，优化时间就越多，同时也不能够保证优化算法收敛到全局最优[2].Newton法、共扼梯度法、变尺度算法、单纯形法、步长加速法、方向加速法和Rosenbrock法等传统优化方法都是与初始点有关的局部优化方法，常常是找出初始点附近的一个极值点来，至于它是否为全局极值点，在多数情况下不得而知.当给参数以不同的初值时，传统优化方法优化的结果有时很不相同，导致优化结果的不稳定性川，这种参数优化的不稳定性和局部优化的结果，将直接影响洪水预报的精度和可靠性，进而影响到洪水调度与水资源管理的科学性和合理性.1 参数识别的传统及现代优化方法比较1. 1 流域水文模型参数识别的传统优化方法早在1970 年, Nash 等[3]提出了用模型效率系数来评价模型模拟结果的精度; Ibbit t 等[4]设计了概念性流域水文模型参数的拟合方法; Johnsto n等[5]对流域水文模型参数优选进行了探讨; Pickup[6]对降雨-径流模型自动率定的算法及其搜索策略的有效性进行了测试; Gupta[7]等利用基于导数的优化方法对水文模型的参数进行自动率定. 以上这些研究者主要是对模型参数优化的传统方法进行研究, 传统优化方法是基于单点迭代的局部优化方法, 难以解决复杂水文模型参数优化问题.1. 2 流域水文模型参数识别的现代优化方法研究进展20 世纪80 年代, 随着模拟智能的全局优化算法—遗传算法( GAs) 的兴起, Wang[8]最早将GAs 应用于概念降水-净雨模型的产流参数优选;Duan 等[9]使用SCE-UA( 洗牌复形演化算法) 复合进化方法对流域水文模型参数的全局优化进行了自动率定, 将SCE-U A算法应用于NWSRFS-SMA模型中, 并对参数值域进行比较评估, 并观察到参数识别的问题的难度主要取决于模型结构和参数估计方法. Hapuarachchi 等[10]应用SCE-U A算法对新安江模型进行了参数标定, 发现SCE-U A算法在新安江模型中的全局优化效果较好.概括起来, 目前在水文模型参数识别方面,主要采用得优化方法有: Newton 法、Rosen-brock法、Simplex 法、经验优选法、模式搜索法、二进制加速遗传算法、实编码加速遗传算法、Gray 码编码遗传算法和SCE-U A复合进化方法等算法. 水文模型参数识别研究方向及贡献可以概括为以下几个方面: 1) 寻求一种解决模型参数识别问题的最佳方法; 2) 选择多少数据及选择什么样的数据来进行参数优选; 3) 如何有效统计分析模型结构与模型参数的不确定性, 以及这种不确定性对模型输出的影响; 4) 参数优选算法比较研究; 5) 模型参数自动率定的收敛准则; 6) 多目标参数自动优选方法与单目标参数自动优选方法比较研究. 从国内外对水文模型参数识别方法研究的发展趋势来看, 逐步从传统的优化方法过渡到现代优方法; 逐步从单一的优化方法过渡到混合优化方法; 逐步从单目标优化方法过渡到多目标优化方法.2 参数识别的现代化优化方法介绍目前常用的优化算法大都是在几种基础优化算法的基础之上进行的, 几种应用较多的参数优化算法介绍如下:2. 1 模拟退火算法( Simulated Annealing Alg orithm)模拟退火算法中包含以下3 个函数, 其中函数自变量x与水文模型参数a相对应(在模拟退火理论框架内, x被称为系统的状态) : (1) 生成函数g( T, ∆x ) : 生成函数定义了系统下一状态与当前状态之差∆x 的概率密度函数, 也就是说, ∆x 是一个概率密度函数为g (T , ∆ x ) 的随机变量;(2) 接受函数h( T , ∆E) : 在求得一个新状态后, 模拟退火算法基于接受函数的值, 决定是否接受这个状态, 能量差∆E 是接受函数的自变量; (3) 退火时间表T( k ) : 退火时间表, 控制算法迭代过程中的温度T的变化, k 为退火进程的迭代次数.在模拟退火算法的各种应用中, 正态分布、均匀分布、柯西分布和一些特定的分布, 如Ingber分布, 都可以用于规定∆x . 在算法设计时, 作为生成函数的g( T, x ) , 即为∆x 的随机数发生器, g( T,x ) 采用的概率分布不同, 模拟退火算法的性能和搜索特点会有很大的差异. 虽然模拟退火算法是一个经过大量验证的成熟算法, 但算法中有多个需要应用者确定的参数和选项, 如果这些参数和选项设置不符合问题特征, 可能造成算法收敛速度过慢, 甚至不能保证解的质量.因此, 在应用模拟退火算法求解水文模型参数估计中的优化问题时, 在选择模拟退火算法的时间表与发生函数时需要格外注意. 另外, 由于模拟退火算法中应用多个物理学规则与统计学工具, 因而需要对算法的参数进行合理的设置, 使算法不背离原有的设置.2. 2 遗传算法( Genetic Algorithm)遗传算法( GAs) 是不严格地建立在自然能选择和进化论概念基础上的一种非倒数随机优化方法.其最早由美国密歇根大学的John Holland 于1975年提出, 并逐步发展为一种通用的优化工具, 在许多领域得到了重要应用, 是当今影响最广泛得优化算法之一.一般认为, 遗传算法有5 个基本组成部分: (1)问题解的遗传表达, 在水文模型研究中为模型参数的遗传表达; (2)创建解的初始种群的方法; (3)根据个体适应度值对其进行优次判断的函数; (4) 用于改变复制过程中产生子代个体遗传编码的遗传算子; (5) 遗传算法的参数值.遗传算法有灵活的算法配置, 即不同杂交算子、变异算子以及选择算子的组合, 有些算子在深度搜索方面表现好, 而有些算子有更好的广度搜索能力, 在具体应用中, 一定要通过合理的算子组合, 使遗传算法同时具有广度搜索和深度搜索能力. 另外为了确保能搜索到最优参数, 参数的可行范围一般较大, 也就是说优化问题的约束比较宽松.2.3 SCE-UA( Shuffled Complex Evolution Algorithm 洗牌复形演化算法)洗牌复形演化算法中的洗牌指的是洗牌算法,复形指的是有多个点在优化问题的解空间中构成的超四面体, 演化指的是演化机制, 即类似于遗传算法一样, 通过种群的演化更新搜索空间, 进而获得优化问题的最优解. U A 指的是University o f Arizona, SCE-UA 是Duan( 段青云) 等开发的一个具有优化策略的优化算法, 它在水文模型参数估计的研究和实践中获得了广泛的应用和普遍的认可.SCE-UA 算法为了解决一些局部搜索算法在水文模型参数自动标定过程中因常常陷入局部极值区而很难收敛于全局极值区而设计, SCE-UA 算法发展了下山单纯形法, 采用了多个单纯形并行地搜索解空间的策略. 这种策略被证明有助于克服下山单纯形方法可能会收敛于局部最小值的缺点.在SCE-UA 算法中, 初始解按照一定的规则被划分成若干组, 每一组内的点被组织在被称为“复形”的数据结构内, 每一复形内的点按照竞争机制选出部分构成一个单纯形. 然后利用下山单纯形算法进行演化计算, 搜索完成后, 再将所有的点放回到一个缓冲区, 应用洗牌算法重新排列点在缓冲区内的位置内, 完成一代演化, 然后SCE-UA 算法将缓冲区的点再进行洗牌操作, 打乱原有顺序, 然后按照既定的规则将缓冲区内的点重新分配到复形内, 再开始新的一代演化计算. 这种将缓冲区内的点分配到若干复形内, 再开始新的演化计算的方式就是SCE-UA 算法各个复形间共享信息的机制.SCE 算法是非常稳健的算法, 尽管因为参数的配置不同, 算法的性能存在着一定差异, 但这些差异相对于算法的整体性能来说是很微小的.2. 4 PSO( Particle Swarm Optimization 粒子群优化)粒子群优化是一种启发于生物种群协作机制的启发式优化算法, 是一种基于种群的演化式搜索算法, 即按照一系列确定性和随机的规则的组合, 从一个点集演化到下一个点集, 通过多次迭代, 最终的点集收敛到解空间的全局最优区域. 研究表明, 粒子群优化算法不但具有遗传算法一样的全局优化性能, 而且在计算效率( 即算法的时间复杂性) 上优于遗传算法, 目前PSO 已经在科学研究和工业生产等领域有了广泛的应用.并行计算是提高算法效率的一个通用方法, 而PSO 算法、SCE-U A 算法和遗传算法都隐含并行处理的思想, 比较容易实现. Wang 等发展了一个以PSO 算法为核心, 以SCE-UA 算法的主控流程为总体框架的并行优化算法SCPSO, 在SCPSO 算法中, 具有全局搜索能力的PSO 算法取代了SCEUA 中的下山单纯形法, 这样使整个算法的性能和效率得到了进一步的保证. 有研究表明SCPSO 算法的性能和效率大于等于SCE 算法.3 对于缺资料流域的参数研究常用的区域化方法有参数移植法、参数回归法、插值法、平均法等，其中参数移植法和参数回归法是最常用的两种方法.3.1 参数移植法参数移植法又包括距离相近法和属性相似法两种. 二者都是通过移植参证流域的参数到缺资料流域，不同点在于对相似流域的判定上. 其中，距离相近法是指寻找与缺资料流域在地理位置上相邻的一个或多个流域；流域属性相似法是指寻找与缺资料流域在属性（如地形、植被、土壤、气候等）上相似的流域. 目前此方法主要集中在欧洲和澳大利亚，在国内研究还较少. 参数移植法与水文站点密度有很大关系，对于站点密度较大的区域，如欧洲许多国家，很容易找到与缺资料流域相似的流域，参数移植的效果相对要好一些[11] .3.2 参数回归法中国的研究主要集中在新安江模型参数的识别. 如，井立阳、张行南等[12]将新安江模型中的自由蓄水容量SM、地下水出流系数KG 和壤中流出流系数KI、马斯京根法汇流参数X 与森林覆盖率、岩石面积比、平均坡道比降建立相关关系. 袁飞等[13]将自由蓄水容量SM 与植被的根系深度、土壤有与流域面积、马斯京根法汇流河效空隙率等建立关系. 徐倩、李致家等[14]建立流域河网退水系数CS段数与河长的经验关系.4 结语及前景展望本文就水文模型参数识别算法的传统与现代化研究做了较为详细的阐述. 并对3种现代优化算法的研究状况作了详细介绍.近几年来在算法方面的一些改进, 尤其是混合遗传算法的提出, 以及各种混合现代优化算法在水文模型参数识别中的应用给传统的方法注入了新的活力.但从国内外研究的现状及进展来看, 目前对水文模型参数识别算法的研究仍存在许多急需解决的问题: (1) 标准遗传算法用于水文模型参数自动识别时, 收敛速度较慢; (2) 对水文模型参数自动识别方法的研究较零散, 不够系统, 尚未把蚁群算法、混沌算法、粒子群算法、量子遗传算法等现代优化方法用于水文模型的参数率定; (3 ) 水文模型参数“概念化识别”方法研究较少. 也就是说在参数自动识别过程中,利用模型本身的结构及参数本身的信息较少;(4) 揭示水文模型参数识别方法搜索机理研究较少; (5) 对不同时空尺度、不同目标的水文模型参数识别方法研究较少; (6 ) 从多个角度出发, 揭示各算法之间的内在关系, 建立水文模型参数识别算法的多层次、多目标综合评价准则的理论研究较少.因此，有必要引进国外的“人为设定法”参数识别方法引人国内, 对多种优化方法进行人为模拟, 同时注重研究复杂水文模型参数识别理论与方法, 提高水文模型预测的精度和速度. 在系统研究现代优化方法与传统优化方法的基础上, 建立各种优化方法的融合技术和法则. 通过对不同目标、不同时空尺度水文模型的参数识别, 揭示水文模型参数识别的层次效应、尺度效应与藕合效应. 在新知识的获取上取得多点突破口, 发展水文模型参数识别方法.参考文献[1] 武震,张世强,张小文. 流域水文模型参数识别的现代优化方法研究进展[J]. 冰川冻土,2008,30(1):64-71.[2] 杨晓华,杨志峰，郦建强，沈珍瑶，陈强. 水文模型参数识别算法研究及展望[J]. 自然科学进展,2006,16(6):657-661.[3] Nash J E, Sutcliff e J V. 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的作用 由此 可 见 ． 壤 中流 与 人类 生 存 有 着密 切
１ 亭 Ｉ
言
的关 系， 在 国 民 经济 中 占有 重 要 地 位， 对 土 壤 水 分 的运 动规 律 、 壤中流 模型 与 模拟 作探 入 系 统 的 研 究具有 极 其挥 远 的 意义 ， 因而 在 农业 工 程 建
数学 知识 和计 算 机 对这 些方 程 求解 ， 用来 近似 描 述 壤 中 流 的过 程 ， 这 即 壤 中流 模 型 ． 近２ ０年 来 ，
随 着 电子技 术 以及 计算 机的 高速 发展 ， 为 壤 中流 的模 型与 模拟研 究提 供 了有 力 的工 具， 以及壤 中 流 所 占有 的重 要作 用， 使 壤 中流 的模 型 研究越 来
珂谢、 水资 源的 合理开发 和利 用提供 理论 依据
２ 研 究现 状爰模 型分 类 对 于 壤 中流 产生 的主 要机 理 ． 许 多学者 已有 研究， 并 利 用不 同的 假设 发 表 了许 多关于 壤 中流 产 生的 机理 模 型 根 据这 些模 型 所 依据 的主 要原 理可 以分 为 以下 ３类 ： １ ） Ｒｉ ｃ ｈ ａ ｒ ｄ ａ 模型 ； ２ ） 动力 渡 模型 ３ ） 贮水 泄流 模型 ．
壤 中流 是 指水 分 在土 壤 内的运 动， 包 括 水分 在 土壤 内的垂 直 下渗 和水 平侧 流 对 任 何一 场 降 雨， 至少有 一 部分 甚 至全 部 水分 将沿 着 土壤 内的
设 以及水 土 保 持和 生 态 环 境 等 各 部 门都 很 重 视
对 壤 中流 的研究 ．
孔 隙入 渗到 土 壤 内部形 成 土壤 水 ． 土壤 水在 土 壤 内的流动 形 成 壤 中 流 ． 壤 中 流 的 正常 作 用， 首 先
简化 后求 其 数 值 解 或 某些 情 况 下 的 级 数 解 或 解
析解 数 值 求解 中用 得］ 疑多 的是 有 限元 法或 有 限
差分 法 ， 因而 又 将这类 数 值解 称 为有 限元 模 型 或
有限 差分 模型 有限 差 分 法 就 是 把 式 （ １ ） 中 的微 分近 似地 用差 商 来代 替 ， 边界条 件 也相 应 地做 类 似 的代 替 ， 从 而把 定解 问题 转 化成 一 组 代数 方 程 组 的求 解 问题 而 有 限元法 的 基本 思 想是 由纽约 大学 已故 的 Ｒ Ｃ ｏ ｕ ｎ ａ ｎ ｔ 在 １ ９ ４ ３年提 出的． 但 那 时 很 少 受到注 意 ， 在过 去 的 几 十 年 中 ， 有 限 元 法 和 有 限差 分 法 应 用 于 固体 力 学 多于 流 体 力 学 现 在， 因为 它 的 通 用性 ． 许 多水 文 学 家 已应 用 这 种 方法 来对 Ｒ ｉ ｃ ｈ ａ ｒ ｄ ｓ 模 型求 解 ， 而 形 成有 限 元 模 型 或有 限差 分模型 根据 求解过 程 中对 Ｒ ｉ ｅ ｈ ａ ｒ ｄ ｓ 方程进 行 简化 的 程度． 可 将其分 为 一维 Ｒ ｉ ｃ ｈ ａ ｒ ｄ ｓ模 型 、二 维 Ｒ ｉ ｃ ｈ ａ ｒ ｄ ｓ 模型 和三维 Ｒ ｉ ｃ ｈ ａ ｒ ｄ ｓ 模型 ． １ ． １一维 Ｒｉ ｃ ｈ ａ ｒ ｄ ｓ 模型 该 模 型的 基本 思 想是 ．
＊ 国 家 自然 科 学 基 金 贷 卧 珥 目 （ ４ ９ ７ ７ １ 叭７ ） １ ９ ９ ８—０ １ —０ ９收 稿 ． １ ９ ９ ８—０ ４—２ １接 受
变化 ． 土 壤 内 的 水 分 是 植 物 赖 以 生 存 的 主 要 条
件． 同 时 也是工 程 建设 中应该 考虑 的重 要 因素之 一； 另 外， 壤 中流 作为 水 分 在 土 壤 中再 分 配 与 水 分循 环的 一 个重 要 环节 ， 对 整个流 域径 流 产生 及 洪 水预 报、 流域 水 文 循环 的计 算都 具 有相 当重 要
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应
用
生
态
学
报 Leabharlann ９卷 越 受到 人们 的普 遍 重视 ． 至今 ， 国 内外 的专 家 学 者 已根 据 不 同假 设 发 表 了许 多 有 关 壤 中流 模 型 的论 文． 这 些论 文可 谓 是 纷纭 复 杂 ， 形 式 多 样． 各 具特点 因 此 ． 研 究 壤 中漉 模 型 有 其 迫 切 和 深远 的意 义 ． 本 文 目的 旨在 简要 介 绍 目前 已发表 的 壤 中流模型 ， 并 将这 些 模 型 作一 合理 、 系 统 的 分 类 和 简单 的 比较 、 评价． 以 便 为 壤 中漉 模 型 与 模 拟 研 究提 供 有 用的 参考 ， 使壤 中流 模 型与 模拟 的 研 究工 作走 向更 为 成熟 和 系统 化 的阶段 ， 也为 漉域 水 分循 环 的计 算提 供 帮 助． 为洪 涝 灾害 的预 报与
流的侧 向 流 直接 形成 流 域 的 洪 水 过 程 和 枯 季 流
量 它与地 表径 流、 地 下 径 流 一 起 构 成 流 域 的径
流过 程， 在 某些 情 况 下 ． 壤 中 流 甚 至 可 以 形 成 洪
承 的洪 峰 ； 再 次是 壤 中 流通过 改变 土 壤 内的水 分 含 量， 从而 影 响 到地 表 径流 和地 下径 流 的形 成与
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丘 ． ． １ ９ ９ ８ ， ９（ ５） ： ５ ４ ３～ ５ ４ ８
是 在流 域面 上 建立 土 壤水 分 的分 布 ； 其 次是 壤 中
土 壤 水 在 土壤 中 重新 分 配， 井 损 耗 于 蒸发 、
散 发和渗流 由 于剧 烈 非线 性 和 滞 后 现 象 ， 即 使 在均一 的 、 非 湿 胀 的土 壤 中， 壤 中流 的 过 程 也 非 常 复杂 但是 ． 如 果 作一 些 合理 的简 化 和 抽象 ， 土 壤 水 的运 动也 可 用数 学方 法 来描 述 ， 并借助 于
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应 用 生 态 学 报
１ ９ ９ ８年 ｌ ０月
第 ９卷
第 ５期
Ｃ ＨＩ Ｎ Ｅ Ｓ Ｅ Ｊ Ｏ ＵＲＮＡＬＯ Ｆ Ａ Ｐ Ｐ Ｌ Ｉ Ｅ ＤＥ Ｃ ＯＬ Ｏ ＧＹ， Ｏ ｃ ｔ １ ９ ９ ８ ， ９ （ ｓ ） ： ５ ４ ３ ～５ ４ ８
关 键 词 坦 墨 主 堕 堡 型堪 型 佥 耋 上｝ 靶 寸 一 声
Ｃｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｓ ｌ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍｓ ｉ ｎ ｒ ｅ ｓ ｅ 日 ｒ ｃ ｈ ｏｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ Ｏ ｏ ｗ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ．Ｐｅ ｉ Ｔｉ ｆａ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｌｉ
２ ． Ｉ Ｒｉ ｃ ｈ ｍ ＇ ｄ ｓ 模 型
考虑 式 （ １ ） 的一 维形 式对 其求 解 来模 拟 壤 中流 的
过 程， 模型 的基本形 式 为 ：
＝
该模 型 由 Ｒ ｉ ｃ ｈ ａ ｒ ｄ ｓ （ １ ９ ３ ３ ） 提 出， 是 从 微 观 的 角度 进行 分 析 ， 根 据 土壤 水 运 动 的连 续 性 原 理 （ 又称均 衡原理 ） 和 达西 定律 相 结 合而 得 出 的 ． 其