水文模型

用模拟方法将复杂的水文现象和过程经概化所给出的近似的科学模型

指用模拟方法将复杂的水文现象和过程经概化所给出的近似的科学模型。按模拟方式分为水文物理模型(实体模型、比尺模型)和水文数学模型两种基本类型。水文物理模型是具有原型(即研究对象)主要物理性质的模型，如在实验室中将一个流域按相似原理缩小，或将原土样搬到实验室所做的实验等;水文数学模型则是遵循数学表达式相似的原理来描述水文现象物理过程的模型，却不考虑原型的物理本质，如汇流，既不把河段搬到实验室，也不仿造一个人工河段进行实验，而是用一个物理本质与其不同却具有相同数学表达式的方程式表示汇流，从而描述出实际汇流的物理过程。这两种模型之间存在着密切的联系，因为物理模型的研究是数学模型的基础，而数学模型则是物理模型的有力表达方式。水文模型在水文理论研究和实践中具有重要意义。

概述

水文现象是由众多因素相互作用的复杂过程，它与大气圈、地壳圈、生物圈都有着十分密切的关系，属于综合性的自然现象。迄今为止，人们还不可能对水文现象用严格的物理定律来描述。常见的研究方法是将复杂水文现象加以概化，忽略次要的与随机的因素，保留主要因素和具有基本规律的部分，建立具有一定物理意义的数学物理模型，并在计算机上实现。流域水文模型是为模拟流域水文过程所建立的数学结构，被模拟的水文现象称为原型，模型则是对原型的物理和逻辑过程的概化。

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，随着现代科学技术的飞速发展，以计算机和通信为核心的信息技术在水文水资源及水利工程科学领域的广泛应用，使水文模型的研究得到迅速发展，并广泛应用于水文基本规律研究、水旱灾害防治、水资源评价与开发利用、水环境和生态系统保护、气候变化及人类活动对水资源和水环境影响分析等领域。因此，水文模型的开发研究具有重要的科学意义和应用价值。

相应概念

自然系统(natural system),在水文学中是自然界的水文循环或我们根据需要所假设的水文循环的一部分。

模拟(simulation),是水文模型对自然系统的动态描述,也可以说是对自然系统行为的模范。

子模型(submodel)算法(routine)组件(component),是复杂水文模型的组成部分。

对象(object)是人们能够想到的物体和过程：

行为(agent)是根据对对象获取了知识,并将知识应用于其他对象的过程。

分类

国内外开发研制的水文模型众多，结构各异，按照模型构建的基础，水文模型可分为物理模型、概念性模型和系统理论模型三类。

水文物理模型

水文现象和水文规律十分复杂，利用实体场景研究水文过程变化规律，以及某些要素物理性质的模型称为水文物理模型。水文实验是水文物理模型的核心环节，它是为探求和研究水文现象和过程并对其作出成因分析的科学实验。水文现象受许多自然因素制约和人类活动影响，一般的水文观测和分析难以清楚地揭示其物理过程和相互关系，需要在野外或实验室内用特定的程序、装置和设备进行系统的、有控制的观测和试验。水文实验研究的主要目的在于揭示天然条件下和人类活动影响下水文现象的物理机制，以及各种水文要素之间的相互联系；在研究现有水文学理论和应用中有待认识和解决的问题；检验已有的规律与理论。

当前水文物理模型(实验、试验)的应用领域越来越广泛，如：

(1)水文过程研究，包括蒸散发、降雨径流关系、水文过程及动态的研究。

(2)水化学平衡和植物生态研究。

(3)不同自然地理条件和人类活动影响下的水文规律研究。

(4)特殊地区(如岩溶、冻土地区)和特殊径流形式的水文研究等。

概念性水文模型

概念性流域水文模型是以水文现象的物理概念和一些经验公式为基础构造的水文模型，它将流域的物理基础(如下垫面等)进行概化(如线性水库、土层划分、蓄水容量曲线等)，再结合水文经验公式(如下渗曲线、汇流单位线、蒸散发公式等)来近似地模拟流域水流过程。按对模拟流域的处理方法，概念性水文模型又可分为集总式模型和分散式模型。集总式概念性模型把全流域当作一个整体来建立模型，即对流域参数(变量)进行均化处理；分散式概念性模型则按流域下垫面不同特征和降水的不均匀性把流域分为若干个单元，对每一单元采用不同特征参数进行模拟计算，然后依据各单元的水力联系和水量平衡原理，通过汇流演算得到全流域的输出结果。

世界上知名的概念性模型已不下20种，主要的计算步骤大同小异。在我国，最著名的概念性水文模型是新安江流域水文模型(简称新安江模型)。新安江模型是河海大学赵人俊教授等在长期研究与实践的基础上，于1973年对新安江水库作入库流量预报工作时提出的降雨径流模型。新安江模型主要由4部分组成：蒸散发计算、蓄满产流计算、水源划分和汇流计算。模型主要特点是：

(1)在产流计算中应用蓄满产流概念。

(2)将水源分为地面、壤中与地下3种。

(3)在河道洪水演算中应用马斯京根法。

新安江模型的核心是提出蓄水容量曲线表达包气带蓄水能力(容量)的空间不均匀性。

新安江模型是分散性模型，它把全流域分成若干单元面积，对每块单元面积分别作产汇流计算，得出各单元面积的出口流量过程，再分别将各单元出口流量过程经河道洪水演算至流域出口断面，把同时刻的流量相加即求得流域出口的流量过程。

如图是三水源新安江模型的结构。新安江模型根据输入的实测水面蒸发与当时的土壤湿度，代入蒸散发模型，可计算出流域蒸散发。再根据输入的实测降雨与计算的蒸散发，代入产流方程，可计算出径流，同时调整了土壤湿度。把径流代入分水源方程可分出地面径流、壤中流与地下径流。地面径流用单位线计算流量过程，壤中流与地下径流采用水库演算计算流量过程，合而成为流域的出流过程。再应用河道洪水演算，求得下游某断面的流量过程。

水文系统理论模型

水文系统是指研究对象中，由相互作用和相互依赖的水文要素组成的具有水文循环功能的整体。水文系统至少包含3个部分，即系统的输入、输出和系统的功能。对于河流而言，上断面的水位或流量为输入，下断面的水位或流量是输出；对于流域产汇流而言，降雨与蒸发是输入，流域出口的流量过程为输出。水文系统的功能是与系统所处的地理位置、流域或河系的地貌、植被与下垫面特性，以及人类活动影响等因素相联系。当系统的输入与输出之间的转化满足线性叠加原理的称为线性系统，反之，称为非线性系统。当系统输入与输出转化关系中的参数随时间变化时，称为时变系统，反之，定常参数的系统称为时不变系统。当系统输入、输出或参数不存在空间变化的称为集总系统，反之称为分散系统。从系统的观点看，真实的流域系统在复杂环境因素的共同作用下，多半是非线性、时变和分散的。

系统理论模型又称系统响应模型，这类模型将研究对象视为一种动力系统，一般采用回归分析方法，利用已有降雨径流资料建立某种数学关系，然后由此用新的输入推求输出。系统理论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，因此又被称为黑箱子模型。

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