四种水文模型的比较
基于水文模型对比建立SWAT模型数据库
基于水文模型对比建立SWAT模型数据库一、引言水资源是一种非常宝贵的资源，对于维护人类社会的发展和生态系统的平衡至关重要。
在不同的气候环境和地理形态下，水资源的利用和管理方法也会存在一定的差异。
建立水文模型数据库是非常必要的。
本文将通过对比分析不同水文模型的优缺点，以及建立SWAT 模型数据库的意义和方法，为水资源的合理利用和管理提供参考。
二、水文模型的类型和对比分析1. 概述水文模型是模拟地表水文过程的数学模型，可以有效地预测和分析水文过程，为水资源管理、水灾预防和水土保持提供技术支持。
常见的水文模型包括VIC模型、SWAT模型、HEC-HMS模型等。
2. VIC模型VIC模型全称Variable Infiltration Capacity，是一种描述陆面水文过程的模型，主要用于模拟土壤水分平衡和陆面径流过程。
VIC模型具有模块化、参数化和高度可配置的特点，可以很好地适应不同地区和气候条件的需求。
但是VIC模型需要大量的观测数据和参数调整，适用性并不是很广泛。
3. SWAT模型SWAT模型全称Soil and Water Assessment Tool，是美国农业部开发的一种集成水文过程和非点源污染模拟的模型。
SWAT模型具有模块化、分布式和概念性的特点，能够模拟不同土地利用和土地管理情景下的水文过程和水质变化。
SWAT模型可以很好地适应不同流域的特点，并且能够较为准确地模拟径流、蒸发和植被生长等过程。
4. HEC-HMS模型HEC-HMS模型全称Hydrologic Engineering Center-Hydrologic Modeling System，是美国军事工程中心开发的一种水文过程模拟模型，主要用于模拟小流域的径流过程。
HEC-HMS模型具有简单易用、计算效率高和对各种洪水事件的适应性强等特点，但是在模拟非点源污染和水质变化方面的表现相对较弱。
5. 对比分析通过对VIC模型、SWAT模型和HEC-HMS模型的对比分析可以发现，不同的水文模型在模拟不同水文过程方面具有各自的优势和劣势。
水文模型介绍
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
水文模型在自然灾害预警中的应用
水文模型在自然灾害预警中的应用自然灾害是人类面临的一大挑战，其中水灾作为一种常见的自然灾害，给人们的生命财产带来了极大的危害。
为了更好地保护人民的生命财产安全，各地都积极开展了预测水灾的研究工作。
在这一过程中，水文模型起到了关键作用。
一、水文模型的概念和种类水文模型是指用来描述和预测流域水文过程的数学模型，可分为概念性水文模型、分布式水文模型和集中式水文模型三种类型。
概念性水文模型：概念性模型主要应用于小流域的水文预测中，它把整个流域看作一个单一的整体，简单地描述径流汇流和水文循环，并假设该流域具有单一的小气候。
由于数据要求少且计算快，因此主要应用于短期预测。
分布式水文模型：分布式模型基于GIS技术，将流域分为许多子单元，每个子单元看作是一个简单的水文场，然后基于连续的计算处理流域水文过程。
由于它需要大量的数据，模型精度较高，因此主要用于长期预测和水资源评价。
集中式水文模型：集中式模型将流域看作是一个流入和流出平衡、有一定规模的集中营地，通过不同的参数估计方法对流域水文过程进行描述。
由于其计算精度高、数据需求少，因此可用于各种类型的预测和管理。
二、水文模型在洪水预测中的应用水文模型在洪水预测中的应用主要是通过流域的水文信息（包括降雨、蒸散发、地质特征、人类活动等）及历史资料，运用数学模型对其进行分析和预测，从而形成预测结果。
其中，流域降雨能量倍增（RAINER）模型成为了一款领先的水文模型工具，能对降雨模型以及各种流域特征进行诊断并模拟流域内降雨和径流的过程。
这款工具在全球流域评价和水资源管理中都得到了广泛应用。
另外，国内外也涌现出了很多优秀的洪水模型，例如美国国家气象局(Modified Acclerated Composondtion;MACS)和俄罗斯(state landowater)等模型，它们可以实现对流域洪水的快速预报和短期预测。
三、水文模型在干旱预警中的应用水文模型在干旱预警中的应用主要是通过利用多因素共同影响下的水资源状况，对地下水水文信息、大气物理和土壤条件等进行综合分析和模拟，从而形成预测结果。
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。
浅析流域常用水文模型
Байду номын сангаас
受陡坡影 响，所以该模 型的采用时间大概需 ２ — ５ ｍｉ ｎ 。该模 型参数 的取 用 ，仅通过 实验 并不是最好 的手 段 ，在实测 的同 时根据经验值进行 调试 优化 ，确定其最优值 ，表 ２为 陕北模 型 １ １ 个主要参数 的参照值 。
算径流 ； 在我国南方 ， 该模型的使用有显著的程序 ， 但在北方 ， 却相 当于南方应 用的较少 ， 仅作为预报洪水模拟使用 。
１ ． 模 型 的概 述
『 ２ １包 为 民 ． 水文预报 『 Ｍ１ ． 北 京 ： 水利 电 力 出版 社 ，２ ０ ０ ６ ．
参考 文献
『 １ １赵 人 俊 ． 流域 水 文模 拟 一 新 安 江模 型 与 陕 北 模 型 【 Ｍ】 ． 北 京 ：水 利 电 力 出版 社 ， １ ９ ８ ４ ．
水箱模型是 由日本的营原正 巳博士首度提出 ，并在 ７ ０年 代初广泛应用于 世界各地 ； 它是通过模拟 降雨 的径 流过程来计
表 ２ 陕北模型 １ １ 个 主要参 数的参照值
序号 符号 符号 含义 建 议取 用值 取 用说 明
水箱 模型 的参数有边 孔的出流系数 ａ 、下渗 孔的出流系 数 ｂ和边 孔高度 ｘ 。 根据试算法算得 。 下表为模 型的初始值 ， 并参 照实测 ，获取 最优值 。
表 ４ 模 型 的初 始 值
减去 蒸散发后所得数据 ；径流蒸发 的数据 由不透水面积 上扣 去降雨 的时候 得到 。 该模型适 用的流域为半干旱或干旱地 区。
图 ２所示 的模 型结构即为陕北模型结构 。
』 ． 。
≥ 一
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。
概念性流域水文模型的比较
概念性流域水文模型的比较
概念性流域水文模型的比较
对5个著名的概念性模型,从模型结构的水源划分、产流机制、汇流计算及产流空间分布不均匀性的考虑等方面进行了比较分析,选择4个湿润或半湿润地区流域为研究对象,对各模型进行了应用检验.研究表明:各模型径流成分基本一致,但划分技巧不尽相同;各模型均包含蓄满机制,个别还考虑了超渗机理;汇流计算基本采用传统的方法,如单位线法、马斯京根法、线性水库法;只有TOPMODEL和新安江模型考虑了产流空间差异性问题.应用结果表明:产流机制对各模型的模拟结果影响较大,蓄满模型在湿润地区效果更好,而在半湿润地区,同时考虑了超渗机理的模型比其他模型适用.
作者：张俊郭生练李超群林凯荣 ZHANG Jun GUO Shenglian LI Chaoqun LIN Kairong 作者单位：武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北,武汉,430072 刊名：武汉大学学报(工学版) ISTIC PKU 英文刊名： ENGINEERING JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY 年，卷(期)： 2007 40(2) 分类号： P333 关键词：概念性水文模型模型结构比较研究。
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四种水文模型的比较
摘要：水文模型是用数学的语言对现实水文过程进行模拟和预报，在进行水文规律的探讨和解决水文及生产实际问题中起着重要作用。
本文分别介绍了新安江模型、萨克拉门托（SAC）模型、SWAT模型以及TOPMODEL模型，并对这四种水文模型的蒸发计算、产流机制、汇流计算、适用流域、参数以及模型特点等不同方面进行了比较分析。
并结合对着4种模型之间的比较，作出了总结分析和展望。
关键词：新安江模型；SAC模型；SWA T模型；TOPMODEL模型；模型比较
引言
流域水文模型在进行水文规律研究和解决生产实际问题中起着重要的作用。
新安江模型是一个概念性水文模型，1973年由赵人俊教授领导的研究组在编制新安江预报方案时，汇集了当时在产汇流理论方面的成果，并结合大流域洪水预报的特点，设计出的我国第一个完整的流域水文模型，至今仍在我国湿润和半湿润地区的洪水预报中得到广泛应用；萨克拉门托水文模型，简称SAC模型，是R.C.伯纳什（Burnash）和R.L.费雷尔（Ferral）以及R.A.麦圭儿（Mcguire）于20世纪60年代末至70年代初研制的，是一个连续模拟模型，模型研制完成时间相对较晚，其功能较为完善，兼有蓄满产流和超渗产流，广泛应用于美国水文预报中；SWAT模型是美国农业部农业研究中心研制开发的用于模拟预测土地利用及土地管理方式对流域水量、水质过程影响的分布式流域水文模型；TOPMODEL为基于地形的半分布式流域水文模型，于1979年由Beven和Kirkby提出，其主要特征是将数字高程模型（DEM）的广泛适用性与水文模型及地理信息系统（GIS）相结合，基于DEM数据推求地形指数，并以此来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响，描述水流趋势。
本文对这四中水文模型从蒸发计算、产汇流计算、适用流域以及参数等方面进行分析比较，并得出结论。
1模型简介
1.1新安江模型
新安江模型是赵人俊等在对新安江水库做入库流量预报工作中，归纳成的一个完整的降雨径流模型。
20世纪70年代初提出了新安江二水源模型，80年代提出了新安江三水源模型。
新安江模型可用于流域的降雨-径流的洪水模拟和预报以及水资源模拟，主要适用于我国湿润和半湿润地区。
新安江模型是一个分散性模型，把流域分成多块，对每块分别计算产汇流，总和后求得出口断面流量过程。
模型有蒸散发、产流、分水源和汇流4个模块，产流计算采用蓄满产流模型，将水源划分为地表径流、壤中流和地下径流3种，流域汇流计算采用线性水库法和瞬时单位线法，河道汇流计算采用马斯京根分段连续演算法或滞后演算法。
新安江模型的结构特点可简单归纳为：①三分特点，即分单元计算产流、分水源坡面
汇流和分阶段流域汇流；②模型参数少且大多数具有明确的物理意义，容易确定；③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；④模型中未设超渗产流机制，适用于湿润与半湿润地区。
1.2SAC模型
萨克拉门托流域水文模型，简称SAC模型，是美国天气局水文办公室萨克拉门托预报中心于20世纪70年代研制成功的，属于集总参数型的概念性水文模型。
SAC模型功能比较完善，既能应用于大中小流域，又能适应湿润地区和干旱地区，能取得较好的效果。
SAC模型以土壤水分的贮存、渗透、运移和蒸散发特性为基础，用一系列具有一定物理概念的数学表达式来描述径流形成的各个过程，模型中的每一个变量代表水文循环中一个相对独立的层次和特性，模型参数则是根据流域特性、降雨量和流量资料推求。
SAC模型的结构可以简单的归纳为：①蓄满产流与超渗产流兼有，流域分单元和总径流分水源；②模型参数虽有物理意义，但参数多，难于优选，产流计算复杂，汇流计算相对简单；③模型中设有超渗产流机制，可以根据不同的地理条件，采用不同的参数组合，描述不同的产流机制，在湿润与半湿润地区以蓄满产流为主，在干旱与半干旱地区以超渗产流为主，其适应范围广。
1.3SWAT模型
SWA T模型是美国农业部农业研究中心研制开发的用于模拟预测土地利用及土地管理方式对流域水量、水质过程影响的分布式流域水文模型。
该模型具有较强的物理机制，可以模拟流域内发生的多个水文物理化学过程，如径流、泥沙、营养物质以及杀虫剂的输移，并在流域产汇流计算、水土流失、面源污染、土地利用等多个领域得到广泛应用。
作为一个半分布式的水文模型，SWA T首先将整个研究流域按一定的子流域面积阈值划分为若干个子流域。
在此基础上进一步按土地利用和土壤面积阈值划分水文响应单元（HRU），并采用概念性模型来估算HRU上的净雨、计算产流量和泥沙、污染物质产生量；然后进行河道汇流演算，最后求得出口断面流量、泥沙和污染负荷。
SWA T模型的特点可以概括为：①对大流域的计算效率高；②连续模拟，能够模拟长期管理变化的影响；③模型将流域划分为多个子流域进行模拟提高了水文模拟的精度，降低了空间差异的影响。
1.4TOPMODEL模型
TOPMODEL是基于地形的半分布式流域水文模型。
TOPMODEL的主要特征是利用地形指数来反映流域水文现象，即以地形指数的空间变化来模拟径流产生的变动产流面积，尤其模拟地表或地下饱和水源面积的变动。
TOPMODEL模型的主要特点是：①考虑了流域地形、地貌、土壤等因素对径流形成的影响；②将集总式水文模型计算和参数方面的有点与分布式水文模型物理基础好的有点结合在一起；②模型结构简单，参数少，物理概念明确。