分布式流域水文模型[优质PPT]
分布式流域水文模型与数字流域
河海大学 张行南
2009年10月31日
Hohai University
一、问题的提出 二、分布式新安江模型研究 三、对数字流域的需求 四、数字流域研究现状 五、结语
Hohai University
一、问题的提出
Hohai University
分布式流域水文模型 ………….. ………….. …………..
流域上万事的需求
数字流域
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二、分布式新安江模型研究
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新安江模型结构 Hohai University
研究目的:
1. 降低模型使用的技术要求 2. 解决无资料地区模型参数的确定
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流域自然地理特征和水文数据库
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由于认识的差异，现有数字流域的概况： 1、数据库及查询系统； 2、数字化三维虚拟演示系统； 3、集成了局部应用模型的封闭系统； 4、网络环境下的信息系统（包括了信息传输部分）； 5、更多的是包罗众多应用在内的集成系统。
原因是对“数字流域”没有明确的定义和含义。
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流域特征指标体系 及定量计算方法
DEM
流域排水网 和分块
代表流域模型 参数率定
特征值与模型参数的定量关系
定量关系的验证
模型参数分布图
技术路线
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地质特性指标计算公式： M = A+B+0.42C
式中： A --酸性花岗岩面积比 B --石灰岩面积比 C --中酸性花岗岩面积比
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分布式水文模型及3S技术简介
模型考虑了蒸散发、植物截留、坡面和河网汇流、土壤非饱和流和饱和流、融雪径流、地表和地下水交换等水文过程。 模型的参数从观测资料中分析得到。 流域特性，降水和流域响应的空间分布信息在垂直方向用层来表示，水平方向采用正交的长方形网格来表示。
至今，国内外的水文学家们相继提出了一系列的分布式水文模型，SHE模型就有不同的版本，如MIKESHE、SHETRAN等，较为常见的还有TOPKAPI、DHSVM。
（2）获得大范围空间信息和资料的方法—卫星遥感；
（3）计算机与计算技术；
分布式水文模型的技术支撑
（1）地理信息系统（GIS)技术 GIS 是一种融合现代计算机图形学和数据库管理技术为一体，对现实世界各类空间数据及描述这些空间数据的属性进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。 基本的信息源——
分布式模型的技术支撑
目前人们把数字高程模型资料，作为地理信息系统数据库的基本信息来源。常用的ARC/Iofo GRID可提供基本的地形分析算法，另外还可生成一些反映流域水文特性的地貌参数。 遥感观测资料：同步卫星、轨道卫星、MODIS等。
（1）建立分布式水文模型的平台——地理信息系统；
3 分布式水文模型
不同的集总式流域水文模型虽然各自具有不同的结构和参数，但最基本的特征是将流域作为一个单元体模拟，在产汇流等环节上采用概念性模拟或经验函数关系的描述，对模型输入的空间分散性和不均匀性没有充分考虑。
分布式水文模型在森林暴雨模拟中的应用PPT课件
2、HIMS模型主结构示意图
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二、模型介绍
2、HIMS
HIMS平台可用于场次暴雨模拟的计算方法主要 有：
基于LAI（叶面指数）和NDVI的截留模型的冠 层截留模型；
采用Horton、Philip、Kostiakow、 GreenAmpt等下渗模型（小时）来计算单元产
流量； 通过“Muskingum”、运动波、等流时线、
4
二、模型介绍
1、HEC-HMS
HEC-HMS模型在洪水模拟的过程中主要的计算方 法有：
初始损失和均匀损失法、指数损失率、SCS曲线数 发、土壤蓄水容量法（SMA）等；
直接径流计算方法有Clark单位线法、Snyder单位 线法、SCS单位线法、Modclark法、运动波法、自
定义累计曲线法等； 对于汇流过程HEC-HMS模型提供了运动波、滞时-
(4)从实际应用的角度来看，产流量计算：HEC-HMS和 PRMS模型主要采用单位线法计算，HIMS模型主要采用基 于下渗理论的模型计算。三种模型在应用区的汇流计算方式 基本相同，主要采用“Muskingum”法和运动波方法。
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存在的不足
对文中叙述的模型不足，主要涉及模型的内在机 制和结构，对水文过程的物理意义理解不足； 缺乏各类模型在国外的研究应用文献； 模拟结果评价中，选取模型的种类和研究区域均 不同，使得文中第四部分的内容不具备很好的可比 性。
降雨-径流模拟,参数计 下渗、地表径流、地下径 雪、截留渗、地表径流、
算,GIS连接
流，SuperMap连接
地下水温度分布
时间尺度 单次暴雨和连续模拟
产/汇流 单位线法计算径流,有限 计算方法 差分近似方程,运动波
模型特点 主要用于树状流域,充分 考虑了流域下垫面和气 候因素的时空变异
分布式流域水文模型PPT精选文档
2020/5/25
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模型分类
建模角度
建模手段
集总式水文模型 分布式水文模型
物理模型 电子模型 数学模型
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流域 水文模型
▼定义:
其英文名Hydrologic Model of Basin ，以流域为研究对象,对 流域内发生的降雨径流这一特定的水文过程进行数学模拟计算 所建成的数学模型。
分布式流域水文模型:
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。模型能全面地利用降雨的空间分 布信息;模型参数的空间分布能够反映下垫面自然条件的空间变化;模型的输 出具有空间不均匀性。
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技术支撑
分布式流域水文模型之所以能成为近来具有吸引力的水
雷达 测雨
分布式流域水文模型
地理信息 统计
计算机系统
分布式流域水文模型的系统框架图
2020/5/25
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分类
紧密耦合型分布式流域水文模型
紧密耦合型分布式流域水文模型,又称分布式数学物理流域水文模型.此种模 型主要的水文物理过程均采用质量、能量和动量守恒的偏微分方程描述(如坡面 洪水波、不饱和、饱和渗流等方程).相邻网格单元之间的时、空间关系用 水动力学的连续方程来建立，采用有限差分方法对方程求解；同时模型也 采用了一些通过实验得到的经验关系。
文学研究热点之一，其原因有以下几个方面：
1.地理信息系统（ GIS）技术的不断完善，使得描述下垫面 因子复杂的空间分布有了强有力的工具;
2.计算机技术和数值分析理论的进一步发展，为用数值方法 求解描述复杂的流域产汇流过程的偏微分方程奠定了基础;
3.雷达测雨技术和卫星云图技术的进步，为提供降雨量实 时空间分布创造了条件。
分布式流域水文模型[优质PPT]
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考虑了流域内降雨的空间分布,但是没有或很少考虑下垫面不均匀性的模型。 这种模型只是进行了分散(分单元)计算，没有考虑各单元模型参数随其下垫面条 件的不同而变异。
半分布式流域水文模型:
考虑下垫面的空间不均匀性,但是没有考虑降雨的空间分布,其模型输入仍为面平 均雨量;或考虑降雨的空间分布,没有全面考虑下垫面的空间不均匀性的模型。
2019/6/26
松散耦合型分布式流域水文模型
这类模型在每个单元网格上应用现有的集总式概念性流域模型 推求净雨，并进行汇流演算,推求出口断面的流量过程。汇流演算 一般采用水文学或水力学方法。模型参数主要根据历史洪水资料分析 率定,并结合地形和地貌数据量测和分析得到。
优缺点
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紧
优点
1.能涉及水文现象的本质或物理机制; 2.模型参数的确定对洪水历史资料依赖不大.
雷达 测雨
2019/6/26
分布式流域水文模型
计算机系统 分布式流域水文模型的系统框架图
地理信息 统计
分类
紧密耦合型分布式流域水文模型
紧密耦合型分布式流域水文模型,又称分布式数学物理流域水文模型.此种模 型主要的水文物理过程均采用质量、能量和动量守恒的偏微分方程描述(如坡面 洪水波、不饱和、饱和渗流等方程).相邻网格单元之间的时、空间关系用 水动力学的连续方程来建立，采用有限差分方法对方程求解；同时模型也 采用了一些通过实验得到的经验关系。
文学研究热点之一，其原因有以下几个方面：
1.地理信息系统（ GIS）技术的不断完善，使得描述下垫面 因子复杂的空间分布有了强有力的工具;
2.计算机技术和数值分析理论的进一步发展，为用数值方法 求解描述复杂的流域产汇流过程的偏微分方程奠定了基础;
分布式水文模型
分布式水文模型(日志)分布式水文模型是在分析和解决水资源多目标决策和管理中出现的问题的过程中发展起来的，所有的分布式水文模型都有一个共同点：有利于深入探讨自然变化和人类活动影响下的水文循环与水资源演化规律。
一、分布式水文模型-特点与传统模型相比，基于物理过程的分布式水文模型分布式可以更加准确详细地描述流域内的水文物理过程，获取流域的信息更贴近实际。
二者具体的区别在于处理研究区域内时间、空间异质性的方法不一样：分布式水文模型的参数具有明确的物理意义，它充分考虑了流域内空间的异质性。
采用数学物理偏微分方程较全面地描述水文过程，通过连续方程和动力方程求解，计算得出其水量和能量流动。
二、分布式水文模型-尺度问题、时空异质性及其整合尺度问题指在进行不同尺度之间信息传递（尺度转换）时所遇到的问题。
水文学研究的尺度包括过程尺度、水文观测尺度、水文模拟尺度。
当三种尺度一致时，水文过程在测量和模型模拟中都可以得到比较理想的反应，但要想三种尺度一致是非常困难的。
尺度转换就是把不同的时空尺度联系起来，实现水文过程在不同尺度上的衔接与综合，以期水文过程和水文参数的耦合。
所谓转换，包括尺度的放大和尺度的缩小两个方面，尺度放大就是在考虑水文参数异质性的前提下，把单位面积上所得的结果应用到更大的尺度范围的模拟上，尺度缩小是把较大尺度的模型的模拟输出结果转化为较小尺度信息。
尺度转换容易导致时空数据信息的丢失，这一问题一直为科学家所重视，却一直未能得到真正解决，这也是当今水文学界研究的热点和难点。
尺度问题源于目前缺乏对高度非线性的水文学系统准确的表达式；于是对于一个高度非线性的、且没有表达式的系统，人们用“分布式”方法来“克服”它。
然而事实上，无论是“subwatersheds”是“rid Cells”其内部仍然是非线性的且没有表达式。
但是，人们认为他们是“均一”的，于是就产生了尺度问题。
比如，自然界中水文参数存在很大的时间、空间异质性，野外实验证明，传统上认为在“均一”单元，且属于同一土壤类型的小尺度土地上，其水力传导度的变化范围差异可以达到好几个数量级。
分布式水文模型介绍dhsvm_overview
Vegetation Model
Completely automated
In use since WY 1998
Streamflow and other forecasts
Summary of Hydromet System
Real-time Streamflow Forecast System 26 basins ~60 USGS Gauge Locations 48,896 km2
2,173,155 pixels
DHSVM @ 150 m resolution MM5 @ 4 & 12 km
Performance of Hydromet System
Sauk Snoqualmie
Observed MM5-DHSVM
NWRFC
Hydromet Performance 2
Deschutes Nisqually
Routing
Controls movement of water from the hillslope to the basin mouth
Road networks in steep terrain remove water from the soil matrix to travel as concentrated flow
Spatial runoff patterns; flow convergence and divergence
Soil Characteristics
Total moisture storage capacity of the watershed Rate of movement of moisture from the hillside to the channel network Moisture available to vegetation for transpiration
具有物理机制的分布式水文模型
具有物理机制的分布式水文模型具有物理机制的分布式水文模型是一种应用于水文领域的模型，它能够模拟和预测水文过程中的各种物理现象和过程。
该模型的设计基于物理原理和数学方程，通过将流域划分为多个小区域，并对每个小区域进行独立的水文计算，从而实现对整个流域的水文过程的模拟和预测。
分布式水文模型的核心思想是将流域划分为多个小区域，每个小区域都具有一定的面积和特征，如土地利用类型、土壤类型等。
在每个小区域内，模型通过考虑降雨、蒸发、入渗、径流等过程，建立起一系列物理方程和模型，用于描述和计算水文过程。
这些方程和模型基于流体力学、热力学和质量平衡等基本物理原理，能够准确地模拟和预测水文过程中的各种现象和过程。
在分布式水文模型中，降雨是一个重要的输入因子。
模型通过考虑降雨的时空分布，以及降雨的强度和持续时间等因素，计算每个小区域内的降雨量。
然后，模型根据土地利用类型和土壤类型等特征，计算出不同土地和土壤的入渗能力和蓄水能力，进而计算出入渗和产生的地表径流。
同时，模型还考虑了蒸发和蒸腾作用等过程，以及河流和湖泊等水体的水量变化，从而实现对流域水文过程的全面模拟和预测。
分布式水文模型的优势在于能够考虑流域内地形、土地利用和土壤特性等细节信息，能够更准确地模拟和预测水文过程。
同时，该模型还能够考虑降雨的时空分布和变化，能够对不同地区和不同时间段的水文过程进行模拟和预测。
此外，分布式水文模型还能够考虑人类活动对水文过程的影响，如水库调度、灌溉等因素，从而更全面地反映实际情况。
然而，分布式水文模型也存在一些挑战和局限性。
首先，该模型需要大量的输入数据，如降雨数据、土地利用数据和土壤数据等，这对数据获取和处理能力提出了要求。
其次，模型的建立需要具备一定的专业知识和技能，对模型的参数选择和调整需要一定的经验和实践。
此外，分布式水文模型在计算效率和精度方面也存在一定的平衡问题，需要在模型的应用中进行权衡和优化。
具有物理机制的分布式水文模型是一种能够模拟和预测水文过程的有效工具。
基于物理的分布式水文模型
基于物理的分布式水文模型引言水文模型是研究水文过程的数学模型，可以帮助我们理解和预测水文系统的行为。
基于物理的分布式水文模型是一种较为复杂的水文模型，它基于物理原理，并将流域分为多个单元进行建模，以更精确地模拟水文过程。
本文将介绍基于物理的分布式水文模型的原理和应用。
一、基本原理基于物理的分布式水文模型主要基于质量守恒和能量守恒原理，通过描述水在流域内的运动和转化过程来模拟水文过程。
它将流域划分为多个水文单元，每个单元代表一个小区域，包括土壤、植被、河流等要素，并考虑地形、气象条件、土壤性质等因素。
1.1 水量平衡基于物理的分布式水文模型通过质量守恒原理来描述水在流域内的运动。
它考虑了降水、蒸发、入渗、径流等过程，并利用水流连续方程建立水量平衡方程。
通过求解水量平衡方程，可以得到流域内各个水文单元的水量变化。
1.2 能量平衡基于物理的分布式水文模型还考虑了能量守恒原理，通过能量平衡方程描述水在流域内的能量转化过程。
它考虑了辐射、蒸发、传导等能量交换过程，并通过求解能量平衡方程，得到流域内各个水文单元的能量变化。
二、模型构建基于物理的分布式水文模型的构建主要包括以下几个步骤：2.1 流域划分流域划分是将整个流域划分为多个水文单元的过程。
划分的精细程度取决于研究的需要和数据的可用性。
一般来说，流域划分越精细，模型的精度就越高。
2.2 参数设定每个水文单元都有一组参数，包括土壤类型、植被类型、蓄水容量等。
这些参数可以通过实地观测、实验室测试或者遥感数据获取。
2.3 模型求解基于物理的分布式水文模型通过数值方法求解水量平衡和能量平衡方程，得到各个水文单元的水量和能量变化。
常用的求解方法包括有限元法、有限差分法等。
2.4 模型验证模型验证是检验模型的准确性和可靠性的过程。
可以与实测数据进行比较，评估模型的预测能力。
如果模型的预测结果与实测数据相吻合，则说明模型具有较好的预测能力。
三、应用案例基于物理的分布式水文模型在水文学研究和水资源管理中有广泛的应用。
分布式水文模型ppt课件26页PPT
Zuo Qiting
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。
Zuo Qiting
流域分布式水文模型的一般框架
Zuo Qiting
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。
Zuo Qiting
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。
Zuo Qiting
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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2019/6/26
松散耦合型分布式流域水文模型
这类模型在每个单元网格上应用现有的集总式概念性流域模型 推求净雨，并进行汇流演算,推求出口断面的流量过程。汇流演算 一般采用水文学或水力学方法。模型参数主要根据历史洪水资料分析 率定,并结合地形和地貌数据量测和分析得到。
优缺点
2019/6/26
紧
优点
1.能涉及水文现象的本质或物理机制; 2.模型参数的确定对洪水历史资料依赖不大.
2019/6/26
特征
2019/6/26
采用什么样的分布式流域水文模型?我们认为目前在实时洪水预
报中宜采用分布式概念性流域水文模型.
1.分布式概念性流域水文模型是在集总式概念性流域水文模型的基础
概
之上发展而来的，目前比较成熟，且基本达到实用的阶段；
念
性 流
2.分布式数学物理流域水文模型是水文预报技术未来的发展方向，但是目
分散性流域水文模型:
考虑了流域内降雨的空间分布,但是没有或很少考虑下垫面不均匀性的模型。 这种模型只是进行了分散(分单元)计算，没有考虑各单元模型参数随其下垫面条 件的不同而变异。
半分布式流域水文模型:
考虑下垫面的空间不均匀性,但是没有考虑降雨的空间分布,其模型输入仍为面平 均雨量;或考虑降雨的空间分布,没有全面考虑下垫面的空间不均匀性的模型。
耦
合
1.构成模型的概念性元素一般只能模拟宏观的水文现象,
型
而不能涉及水文现象的本质或物理机制;
缺点 2.模型参数的推求对历史洪水资料依赖较多．推求
过程中完全依赖于目标函数,很难保证解的唯一性
和合理性。
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3.前景
应用前景
目前,我国已在重点防汛地区布设了80多部气象雷达,为分布式流域水 文模型在实时洪水预报中的应用提供了条件。
分布式流域水文模型:
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。模型能全面地利用降雨的空间分 布信息;模型参数的空间分布能够反映下垫面自然条件的空间变化;模型的输 出具有空间不均匀性。
2019/6/26
技术支撑
分布式流域水文模型之所以能成为近来具有吸引力的水
雷达 测雨
2019/6/26
分布式流域水文模型
计算机系统 分布式流域水文模型的系统框架图
地理信息 统计
分类
紧密耦合型分布式流域水文模型
紧密耦合型分布式流域水文模型,又称分布式数学物理流域水文模型.此种模 型主要的水文物理过程均采用质量、能量和动量守恒的偏微分方程描述(如坡面 洪水波、不饱和、饱和渗流等方程).相邻网格单元之间的时、空间关系用 水动力学的连续方程来建立，采用有限差分方法对方程求解；同时模型也 采用了一些通过实验得到的经验关系。
分布式流域水文模型
专业：桥梁与隧道工程
认识
介绍
2019/6/26
前景
展望
1.认
其英文名Hydrologic Model，是自然系统的抽象,真实世界的 概化,是符号的综合体,是自然系统或部分自然系统的符号化,是数 学模型用数学语言将自然现象符号化的的水文学应用，是为了模 拟水文现象而建立的实体结构和数学结构与逻辑结构。
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水文模型 建模思路
2019/6/26
流域划分网格 每个网格分别输入不同的降雨 对每个网格采用不同的产流计算参数分别计算产流量
通过比较相邻网格的高程确定各网格的流向
根据各网格的坡度、糙率和土壤等情况确定参数 将其径流演算到流域出口断面得到 流域出口断面的径流
框架
产汇流理论
计算方案
密 耦
1.目前对下垫面水分运动的规律研究的还不够深入;
合
2.模型参数与地形和地貌数据的关系还需进一步研究;
型 缺点 3.地形和地貌数据可通过遥感技术得到但对一些径流形成至
关重要的地质数据却难以获得;
4.方程的数值求解困难.
1.应用效果好，且对水文过程的模拟具有明确的宏观物理概念;
松 散
优点
2.计算相对简单。
研究分布式流域水文模型在实时洪水预报中的应用,目的是通过利用具有 详细空间分布信息的雷达测雨数据,配合分布式流域水文模型,解决降雨空问分布 不均对流域产汇流影响这一洪水预报中的老问题。 如:对于流域的特大洪水,暴雨中心紧随河流中的洪峰向下游移动,采用传统的 水文模型很难做到对洪水的准确预报; 又如:对于流域的暴雨空间分布,虽有多套模型参数供预报人员选择使用,但增加 了预报人员准确判断预报洪水的难度。
文学研究热点之一，其原因有以下几个方面：
1.地理信息系统（ GIS）技术的不断完善，使得描述下垫面 因子复杂的空间分布有了强有力的工具;
2.计算机技术和数值分析理论的进一步发展，为用数值方法 求解描述复杂的流域产汇流过程的偏微分方程奠定了基础;
3.雷达测雨技术和卫星云图技术的进步，为提供降雨量实 时空间分布创造了条件。
水文模型有确定性与不确定性之分，前者的解是确定量，后者 是随机量。确定性模型中又分“黑箱子模型”与概念性模型，前者 无物理概念，后者有。在不特别说明时，流域水文模型指概念 性模型。
2019/6/26
2019/6/26
2.介绍
分布式流域 水文模型什么是分布式水文模型?要回答这个问题,首先要弄清楚下面3个概念
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4.展望
结论
分布式水文模型是水文研究的一个巨大进步，是水文水资源研 究的需求和科技发展的结果。它可以反映水文要素在空间上的变化， 能够进行下垫面变化条件下的计算，便于预测未来下垫面条件下的水资 源状况。另外，它能够耦合其它模型，可以简单的将水文水资源模 拟与水环境等生态问题相联系，与其相比，传统的集总式模型很难 做到这一点。
域 水
前此类模型的理论上还不够成熟，国内外的生产单位对此研究的不太多；
文
模 3.我国主要洪水预报地区已经积累了几十年的实测水文资料，为分布式概
型 特
念性流域水文模型的应用提供了条件；
征
4.与分布式数学物理流域水文模型相比，分布式概念性流域水文模
型的计算相对简单；
5.我国的水文情报预报人员积累了丰富的洪水预报经验。
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模型分类
建模角度
建模手段
集总式水文模型 分布式水文模型
物理模型 电子模型 数学模型
2019/6/26
流域 水文模型
▼定义:
其英文名Hydrologic Model of Basin ，以流域为研究对象,对 流域内发生的降雨径流这一特定的水文过程进行数学模拟计算 所建成的数学模型。