（水利水电工程专业论文）流域水文模拟理论与方法研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘要 水是地球生物系统的生命之源，随着地球气候的变化和人类活动的影响， 全球 很多地区遭受洪水肆虐、 上地干渴和水环境污染的严重威胁。 流域水文模拟是研究 水文自 然规律和解决水文工程问题的主要手段。由于流域水文系统的复杂性，目 前 人类对它的发生机理还没有完全掌握， 为了 人与自 然和谐共处的社会经济可持续发 展， 迫切需要人们不断地研究新理论和新方法来揭示水文现象的奥秘。 本论文以流域水文系统为研究对象，针对该系统的空间分布性和非线性的特 a, 运用交叉学科前沿领域知识， 将神经网络理论( a n n ) 与v o l t e r r a 泛函 级数相融 合， 将 遗传算法与模拟退火算法相融合， 并将地理信息系统( g i s ) , 遥感技术( r s ) 和数字高程模型 ( d e m) 应用于流域水文系统模拟研究中， 取得了一些具有理论意 义和实际应用价值的研究成果。 论文的主要研究内容包括三大部分:第一部分 ( 第二章和第三章) :流域数字 化与信息管理方法研究;第二部分 ( 第三章和第四章) :神经网络降雨一径流模拟 理论研究; 第三部分 ( 第五章和第六章) : 河道洪水演进新方法研究; 第一章绪论， 第八章全文总结，全文共分八章。 第一章: 对流域水文模拟理论的发展进行了回顾， 综合评述了现代流域水文模 拟理论的关键技术和存在的问题， 在此基础上确立了本文的研究内容、 目的和意义 第二章: 研究了流域水文特征信息的数字提取方法， 构建了流域数字高程模型， 在此基础上对流域的坡度和坡向进行了可视化计算，并基于d e m数据建立了数字 流域水系模型，这为数字流域的建立提供了重要的流域空间信息。 第三章: 探讨了基于g i s 技术的流域水文信息管理新方法， 作为应用实例开发 了 清江流域水文信息管理分析系统，该系统将流域的空间信息、 属性信息和多媒体 信息在g i s 平台上进行综合集成，实现了流域水文信息可视化管理、查询、分析和 计 算。 从而改变了传统流域水文信息孤立分散的管理模式，为防汛调度决策探索了 一条水文信息管理的新途径。 第四章;建立了自 组织神经网络模型，该模型根据关联分析理论，设计了一种 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 自 组织神经网络算法， 根据学习情况自 动合并无用的冗余节点，自 动调整网络中隐 含层神经元的数目，最后得到一个合适的神经网络结构。 第五章:提出了v o l t e r r a 神经网络水文模型 ( v n n h ) ，克服了v o l t e r r a 模型求 解高阶核函数的困难。根据本论文建立的自 组织神经网 络模型，确定了 v n n h模 型隐含层神经元数目的优化方法。 设计了一种多项式的 激活函数， 并根据流域的单 位线确定了v n n h模型网络连接权的初值。应用实例表明，v n n h模型可以很好 地适用于高阶水文非线性系统。 第六章: 提出了洪水波神经网 络模型， 运用神经网络从河道实测洪水数据中“ 挖 掘” 其中所包含的洪水波运动规律， 根据学习训练后的神经网络权值反演扩散波方 程，并预测河道下断面的流量过程。 应用实例表明， 建立的洪水波神经网 络模型， 能较好的描述扩散波的运动规律。 这种方法只需要水文数据， 克服了 传统水力学方 法需要大量河道地形资料的限制。 第七章:提出了河道洪水演进遗传模拟退火算法， 在遗传算法中融入模拟退火 算法， 克服了简单遗传算法的早熟问题以及模拟退火算法搜索较盲目 的缺陷， 将遗 传模拟退火算法应用于m u s k i n g u m模型参数优化中， 以 计算流量与实 测流量的 拟合 误差最小为优化准则， 直接优选流量演算参数， 应用实例表明， 该方法具有精度高、 适应性强的特点。 第八章:全面系统地总结了本文的研究成果，并提出有待进一步研究的问题。 关键词:水文系统，降雨一径流模型， 数字高程模型， 地理信息系统，人工神经网 络，v o l t e r r a 泛函级数，遗传算法， 模拟退火算法。 卜- 一一. ， ，. 网， . ， . .户 . n 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ab s t r a c t w a t e r i s t h e l i f e s o u r c e o f t h e e a r t h - b i o l o g i c a l s y s t e m . wit h g l o b a l c l i m a t e c h a n g e a n d h u m a n a c t i v i t i e s , i n w a t e r r e s o u r c e s e n g i n e e r i n g , t h e m a j o r c o n c e rn i s g i v e n t o t w o t o p i c s , fl o o d a n d d r o u g h t . a n d h e n c e , it e x t e n d s t o w a t e r p o l l u t i o n a n d w a t e r e n v ir o n m e n t . h y d r o l o g i c a l s i m u l a t i o n o f w a t e r s h e d i s o n e o f t h e m a j o r t h e o r i e s f o r s t u d y i n g h y d r o l o g i c a l n a t u r e s a n d c h a r a c t e r i s t i c s a n d t o s o l v e t h e p r a c t i c a l p r o b l e m s o f h y d r o l o g i c a l e n g i n e e r in g . b e c a u s e o f t h e s p a t i a l a n d t e m p o r a l v a r i a b i l i t y o f n a t u r a l c o n d i t i o n s , t h e s e m e c h a n i s m s u n d e r s t a n d i n g i s s t i l l f a r fr o m c o m p l e t e . t o p u r s u e t h e m a n - n a t u r e h a r m o n i o u s a n d s u s t a i n a b l e s o c i e t y a n d e c o n o m y , a n d t o o p e n o u t t h e m y s t e r y o f h y d r o l o g i c a l p h e n o m e n a , a s e r i e s o f n o v e l t h e o r i e s a n d c o r r e s p o n d in g m e t h o d s s h o u l d b e r e s e a r c h e d a n d c r e a t e d i n t h e p r e s e n t a n d t h e f u t u r e . t h i s d i s s e r t a t i o n , h a s s t u d i e d o n w a t e r s h e d r a i n f a l l - r u n o ff s y s t e m , f o c u s e d o n s y s t e m d i s t r i b u t i o n a l a n d n o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c s , c o m b i n i n g a rt i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ( a n n ) w it h v o l t e r r a f u n c t i o n a l s e r i e s , c o m b i n i n g g e n e t i c a l g o r i t h m w it h s i m u l a t e d a n n e a l i n g , a p p l y i n g g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) , r e m o t e s e n s i n g ( r s ) a n d d i g i t a l e l e v a t i o n m o d e l ( d e m) i n d i g i t a l w a t e r s h e d . t h e m a in s t u d i e s t h a t h a v e r e s u l t e d a r e t h e f o l l o w i n g : t h e d i s s e rt a t i o n c o n s i s t s o f t h r e e p a rt s a n d e i g h t c h a p t e r s . p a rt 1 ( c h a p t e r 2 a n d c h a p t e r 3 ) s t u d i e s o n d i g i t i z i n g w a t e r s h e d a n d t h e m e t h o d f o r i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t f o r w a t e r s h e d . p a rt 2 ( c h a p t e r 4 a n d c h a p t e r 5 ) s t u d ie s o n a n n t h e o r y a n d i t s a p p l i c a t i o n o f r a i n f a l l - r u n o ff m o d e l . p a rt 3 ( c h a p t e r 6 a n d c h a p t e r 7 ) r e s e a r c h e s o n n o v e l m e t h o d s f o r fl o o d r o u t i n g i n c h a n n e l . c h a p t e r 1 p r o v i d e s a n o v e r v i e w o f w a t e r s h e d h y d r o l o g i c m o d e l i n g , i n t r o d u c e s t h e p r o p o s e d , o b j e c t i v e a n d s i g n i f i c a n c e o f t h e p r o j e c t , a n d s u m u p t h e r e l a t e d t h e o r y , e x i s t in g p r o b l e m s a n d d e v e l o p m e n t o f w a t e r s h e d h y d r o lo g i c m o d e l i n g c h a p t e r 2 r e s e a r c h e s a t e c h n i c a l f o u n d a t i o n f o r d i g i t a l h y d r o l o g i c a l m o d e l i n g b a s e d o n d e m. t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f l a n d s u r f a c e c h a r a c t e r i s t i c s , s u c h a s w a t e r s h e d d i v i d e b o u n d a ry , d r a i n a g e n e t w o r k , s l o p e , a s p e c t , t o p o g r a p h y , c a t c h m e n t a r e a , c o u l d b e e x p r e s s e d d i g i t a l l y . t h e a u t o m a t ic e x t r a c t io n o f s t r e a m n e t w o r k fr o m d e m r e p r e s e n t s a c o n v e n i e n t a n d r a p i d w a y t o p a r a m e t e r i z e a w a t e r s h e d . c h a p t e r 3 e x p l o r e s a n e w m e t h o d b a s e d o n g i s f o r i n f o r m a t i o n s y s t e m f o r w a t e r i i i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 r e s o u r c e s . t h e q i n g j ia n g w a t e r s h e d i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t a n d a n a l y s i s s y s t e m i s d e v e lo p e d w i t h g i s s o ft w a r e p l a t f o r m . t h i s s y s t e m r e a l i z e s v i s u a l i n q u i r i n g m a n a g e m e n t , a n a l y s i s , c a l c u l a t i o n a b o u t h y d r o l o g i c a l i n f o r m a t i o n . i t s u p p l i e s i n f o r m a t i o n s u p p o r t t o a s s e s s p r e v e n t fl o o d i n g , u n d e r s t a n d e n v i r o n m e n t a l i s s u e s , a n d ma n a g e wa t e r r e s o u r c e s . c h a p t e r 4 s o l v e s t h e d i ff ic u l t i e s i n d e t e r m i n i n g t h e n u m b e r o f h i d d e n u n i t s o f a n n , a s e l f - o r g a n i z e d n e u r a l n e t w o r k m o d e l h a s b e e n e s t a b l i s h e d . t h e t h e o r y i s t h e b a s i s o f c o n n e c t e d a n a l y s i s , t h i s s e l f - o r g a n i z e d n e u r a l n e t w o r k a l g o r it h m c a n a u t o m a t i c u n i t e t h e n o d e s o f c o r r e l a t i o n , a n d a d j u s t t h e n u m b e r o f h i d d e n n o d e s . c h a p t e r 5 p r o p o s e s v o l t e r r a n e u r a l n e t w o r k h y d r o l o g y m o d e l ( v n n h ) b a s e d o n s t u d y i n g i n c o n s i s t e n c y o f v o l t e r r a m o d e l a n d a n n m o d e l . v n n h mo d e l r e l i e v e d t h e l i mi t a t i o n o f v o l t e r r a me t h o d . t h e n u mb e r o f h i d d e n u n i t s o f vnnh mo d e l wa s e s t i m a t e d b y t h e s e l f - o r g a n i z e d n e u r a l n e t w o r k a l g o r i t h m . v n n h m o d e l h a s b e e n d e s i g n e d w i t h a k i n d o f p o l y n o m i a l a c t iv a t i o n f u n c t i o n . i t i s f o u n d u s e f u l a n d e ff e c t i v e f o r h i g h - o r d e r n o n l i n e a r s y s t e m s v i a e q u i v a l e n t v n n h t r a i n i n g . t h e i n i t i a l w e i g h t s o f v n n h e q u a l t o t h e v a l u e o f u n i t h y d r o g r a p h o f w a t e r s h e d b y t h e s t r u c t u r e o f v o l t e r r a m o d e l . n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s i n q i n g j i a n g w a t e r s h e d h a v e b e e n m a d e a n d u s e d t o t e s t t h e v n n h m o d e l . c o m p a r i s o n s o f v n n h m o d e l t o v o l t e r r a a n d a n n m o d e l r e s p e c t i v e l y s h o w t h a t t h e p r o p o s e d v n n h p r e s e n t e d m u c h m o r e e ff e c t i v e a n d v a lu a b l e f o r t h e a p p l i c a t i o n s t o h y d r o l o g i c a l n o n l i n e a r s y s t e m c h a p t e r 6 i d e n t i f i e s p a r a m e t e r s o f fl o o d d i ff u s i o n w a v e e q u a t i o n b as e d o n a n n . f l o o d d i ff u s i o n w a v e e q u a t io n i s r e i n s t a t e d t h r o u g h t h e t r a i n e d a n n , a n d t h e n t h e d o w n s t r e a m o u t fl o w c a n b e f o r e c a s t e d . t h i s s t u d y o p e n s u p a n e w w a y t o m i n e o b s e r v e d d a t a f o r k n o w l e d g e d i s c o v e r y . t h i s m e t h o d w as a p p l i e d t o t h e q i n g j i a n g r i v e r , a n d s a t i s f a c t o r y r e s u l t s w e r e a c q u i r e d . c h a p t e r 7 p r o p o s e s a n e w a p p r o a c h , t h e g e n e t i c s i m u l a t e d a n n e a l i n g ( g s a ) f o r o p t i m i z i n g t h e p a r a m e t e r s o f t h e mu s k i n g u m m o d e l . i n t e g r a t i n g t h e s i m u l a t e d a n n e a l i n g m e t h o d i n t o t h e g e n e t i c a l g o r i t h m , t h e h y b r i d m e t h o d c a n a v o i d s o m e t r o u b l e s o f t r a d i t i o n a l m e t h o d s , s u c h a s a r d u o u s t r ia l - a n d - e r r o r p r o c e d u r e , p r e m a t u r e c o n v e r g e n c e i n g e n e t i c a l g o r i t h m a n d s e a r c h b l i n d n e s s i n s i m u l a t e d a n n e a l i n g . n u m e r i c a l e x p e r i m e n t s s h o w t h a t g s a c a n a d j u s t t h e o p t im i z a t io n p o p u l a t i o n , p r e v e n t p r e m a t u r e c o n v e r g e n c e a n d s e e k t h e g l o b a l o p t i m a l r e s u l t . a p p l i c a t i o n s t o t h e n a n y u n h e r iv e r a n d q i n g ji a n g r i v e r s h o w t h a t t h e p r o p o s e d a p p r o a c h i s o f h i g h e r f o r e c as t a c c u r a c y a n d p r a c t i c a b i li t y . i v 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 c h a p t e r 8 s u m m a r i z e s a l l t h e w o r k s a n d r e s u l t s a c h i e v e d in t h i s d i s s e rt a t i o n . a t l a s t , t h e fu rt h e r r e s e a r c h w o r k s t o b e d e v e l o p e d a r e p o in t e d o u t . k e y w o r d s : h y d r o l o g i c a l g e o g r a p h i c s y s t e m , r a i n f a l l - r u n o ff m o d e l , i n f o r ma t i o n s y s t e m, f u n c t i o n a l s e r i e s , g e n e t i c a lg o r i t h m , ar t i f i c i a l s i mu l a t e d d i g i t a l e l e v a t i o n m o d e l , n e u r a l n e t w o r k , v o l t e r r a a n n e a l i n g a l g o r i t h m . -一一一一一一-一 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得 的研究成果。 尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集 体， 均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担. 怜 ，康 学位论文作者签名 日 期: 5 0 0 (j- 年4 l 月 2 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解学校有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索， 可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密2e ( 请在以上方框内打 “ j ) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 翩 挤 指 导 教 师 签 “ : 钾冷 日 期: 2 0 0 4 年 t f 月卫 。 日 日 期 : ? o b 炸 t月 2 0 日 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 绪论 由于水文系 统的复杂性和不确定性，流域水文模拟研究一直是水文科学中重要 的前沿 研究领域。本章从系统科学的角度引出本文的研究内 容，综述了国内外水文 模拟理论与方法的发展概况，并简 述了 本论文的主要研究内容。 1 . 1 引言 水是地球生物系统的生命之源， 水与人类生存休戚相关，臼 是人类和社会经济 可持续发展无法替代的宝贵资源。 水文学是关于地球上水的起源、存在、分布、 循 环运动等变化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系。由 此可见， 水文科学既 包含许多基础科学问题，又属于应用科学的范畴。由于流域水文系统的复杂性，目 前人类对它的发生机理还没有完全掌握， 传统的方法和手段已难以胜任水文系统中 复杂的综合分析， 为了 人与自 然和谐共存的经济社会可持续发展， 迫切需要人们不 断地研究新理论新方法来揭示水文现象的奥秘。 由 于水的运动、分布及变化规律与气象、地理和生态环境有着密切的联系，随 着地球气候的变化、 人口的增加、 工业的发展和人类活动的影响， 水危机日 益突出， 全球很多地区遭受着洪水肆虐、 土地千渴和水环境污染的严重威胁，它们己成为严 重制约一个国家生态、经济、 社会可持续发展的障碍。 在我国长江、黄河等七大江 河的中下游， 居住着全国半数的人口， 是我国重要的工农业生产基地。 人类活动对 天然水循环影响的程度非常显著。同时上述流域又是洪涝灾害的频发区， 洪灾威胁 十分严峻。因此水循环过程与国计民生息息相关， 水文科学的研究成果已 成为推动 国民经济发展的一个重要方面。 水文模拟始于二十世纪五十年代， 它是对流域上发生的水文过程进行模拟， 建 立数学模型， 并利用计算机进行数值模拟、 图形显示以 及实时预测各种水体的存在、 循环和分 布，以 及物理和化学 特性， 从而提高 人 类对水文 现象规律的 认 识i i i 。 流 域 水文模拟是研究水文自 然规律和解决水文工程问题的主要手段，它在水利水电工程 规划设计、洪水预报、水环境影响评价、水资源开发利用中发挥着巨大的作用。 i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 . 2 水文系统的组成及其特征 1 . 2 . 1 水文系统的组成 从系统科学的角度观察，系统由两个部分组成:一个是系统本身;另一个是系 统所处的环境。而系统本身又包括三个部分:输入、系统主体和输出。系统主体是 指系统工作的限制条件和相互联系。 系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成 部分，即系统的概念是相对的，在某种情况下它是总系统，而在另一种情况下它可 能是分系统。 从全球角度看，有三个系统决定了水的特性:大气系统;陆地系统; 海 洋系统 ( 如图1 - 1 ) 。 水文领域关注陆地系统， 但也涉及大气和海洋系统中直接影响 陆地系统中水分运动的环节。显然，降雨、 径流和蒸发是将水分从一个系统带到另 一个系统的三个主要环节z 1 降 雨 蒸 发 图1 - 1 全球水分运动 水文系统是地球大气圈环境内由相互作用和相互依赖的若千水文要素组成的 具有水文循环功能的整体。 从系统观点出发， 水文系统包括三个部分: 降水( 输入) 、 径流 ( 输出) 和系统状态，由于受到天、地、人等多种不确定因素的影响，使水文 系统具有复杂的非线性特征。 水文循环是在太阳辐射及地球引力的作用下， 不断运动变化， 周而复始， 形成 一个循环。水文循环涉及到降水、蒸发、散发、截留、下渗、存蓄和径流等多个环 节，它们的物理过程十分复杂，小到水的质点运动，大到区域和全球水循环，其中 许 多 环 节的 机 理 至 今尚 未 被 认 识 13 1 。 各 种 水 文 循 环的 机 理 和作 用关 系 可以 纳 入 到 水 文系统的框架中， 加以研究与量化。 从整个地球的角度看， 水循环是闭合系统。由 于人类活动对地球水环境的作用力已影响到世界气候和人类自 身的生存条件， 为了 z 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 减少人类活动对水环境的破坏，预测未来的发展趋势，以地球系统的整体行为作为 研 究对 象的 全球 变化科学正 在迅速发 展4 - 5 1 1 . 2 . 2 水文系统的特征 水文系统的显著特征可归纳为以下几个方面: ( 1 ) 不确定性 水文系统的不确定性包括随机性、 模糊性和混沌性。 突出表现在暴雨洪水在时 间和空间分布上的随机性。这是由于地貌、气象、下垫面状况的随机性导致了洪水 灾害的多样性、差异性和模糊性。 降水在时间分布上既表现为无序的非稳定性， 又 存在有序的韵律性。 ( 2 )非线性 非线性是指水文系统的输出特征对于输入特征的响应不具备线性叠加性。 水文 过程是一个高度的非线性变化过程。由于流域的下垫面十分复杂，由降雨形成径流 是一个复杂的过程，受多种非线性因素的影响，加之降雨的时空变化及流域地形、 土 壤、 植 被的 空间 变化， 使得 水文 现象普 遍存在非线性的 特点 6 - 7 l ( 3 ) 动态性 水文系统是随着时间而不断发生变化的时变系统。 这是由于它所处的环境不断 地发生变化，即气象、下垫面和人类活动的影响，引起了水文系统的输入输出强度 不断的 变化， 并进一步引起水文系统的结构和功能的变化8 - 9 1 ，从而使水文系统表 现明显的动态性。 ( 4 ) 空间分布性 水文系统的输入与输出不仅随时间变化， 而且还随空间分布变化。水文要素和 水文状态变量具有空间分布场的 特性。 陆面空间不均匀性是由不同空间尺度特性的 地形、 土壤和植被因素综合作用所致。 地形是水文特性空间分布性的主导因素，降 水 、 土 壤 、 植 被 都 受 控 于 它。 b e v e n 和k i r k b y 10 1 已 论 证 地 形 的 空间 变 化 对 流 域 尺 度 的土壤水分的空间分布和径流产生影响， 降雨空间分布不均匀和陆面空间分布不均 匀是导 致流域产汇流空间分布不均匀的根源t i t ) 一， ， ， 叫月 目巨 ， ， ，一_ 3 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 . 3 1 . 3 . 1 流域水文模拟理论的发展 发展历程 十七世纪末，在人们建立水文循环的基本概念和流域水量平衡基本原理后， 模 拟流域对气象输入的水文响应就是地表水文学的中心问题。 水文模拟是对真实自 然 过程的简化表达，它既可以是物理模型 ( p h y s i c a l m o d e l ) 、电子电路模拟模型 ( a n a l o g m o d e l) ， 也可以 是数学模型 ( m a t h e m a t ic a l m o d e l )。 在计算机出 现之前， 人们 用物理模型来了 解水文过程， 1 8 5 6 年d a r c y 所做的 砂柱试验就是一个很好的例 子。 物理模型的主要问题在于费用高、 模拟水文复杂系统时存在局限性。电 子电路 模拟模型是一种机械或电路装置， 它利用数学相似性模拟水文系统过程，它在坝、 渠水的渗漏及地下含水层水文地质条件的 模拟方面是个强有力的手段。 但是，电 子 电路模拟模型受特别情景的限制，不易推广应用。 随着科学技术的发展， 数学模型发展最快、 应用最广， 2 0 世纪中叶随着计算机 的出 现， 系统科学与计算机技术的结合形成了 现代意义上的水文模拟， 受尺度与技 术的限制， 它也像其它模型一样必须作一定的简化和假设。 然而，与物理模型和电 子电 路模型相比， 它更经得起复杂水文系 统的校验 12 j 描述自 然水文现象的数学模型有多种类别， 可分为确定性模型和随机模型， 确 定性模型又可分为数学物理模型、 系统模型和概念性水文模型。 数学物理模型具有 严密的数学公式和物理概念，科学性很强，如 1 8 7 1 年由 法国学者圣维南建立的明 渠 非 恒定 流方 程 组 1 3 1 。 系统 模型 将 所 研究的 流 域视 作一 种动力系 统， 建 立 输 入与 输 出资料的数学模型，这样就可以由 新的 输入预测输出。 这种模型不牵涉物理实 质， 只要求系统响应。具有代表性的系统模型有:线性抚动模型、约束线性系统模型、 线性可变增益因子模型、v o l t e r r a泛函模型以 及神经网络模型等。概念性模型逻辑 上反映了流域降雨一径流形成的基本物理条件， 并利用简单的物理概念和经验的或 半 经验的函数关系， 组成一个系统来模拟水流在流域中的运动状态。国内 外比 较著 名的 概念性模型有:由 我国 赵仁俊教授提出的 新安江模型;由s i n g h 开发的流域水 文模拟 模型;由c r a w f o r d 和l i n s l e y 研制的斯坦福流域 模型;由 营原正己 提出的水 箱模型;山b e m a s h 等提出的萨克拉门托模型，由美国天气局s i t t e n 提出的a p i 模 4 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 型， 山 爱尔兰国 立大学工程水文系研制的s m a r 模型等2 1 。目 前系统模型和概念性 模型的应用较为广泛， 数学物理模型由于对资料条件要求较高， 在实际应用中受到 限制。 目 前世界上的水文模型有百余种之多，不同类型不同复杂程度的水文模型并 存， 其原因主要有:水文循环的复杂性， 人类对水循环的规律还没有完全了解和掌 握， 不同的学者对水文现象的研究角度不同， 就会有不同的理解，这样就产生了不 同的水文模型。 一个模型的优劣在于它吸收知识的多少以及提取信息的能力。模型形形色色， 有的复杂， 有的简单， 有的 应用许多高深的数学理论，有的只有常识性的规则，这 些都不足以判断模型的好坏， 关键看它是否在吸取知识和信息上有所前进。 流域水 文模型在经历了一个时期的大发展后陷入停滞状态， 主要原因在于缺乏新的 认识和 新的信息源，“ 工欲善其事，必先利其器” ， 只有在增添了新的方法和信息后. 才能 恢复生机。 1 . 3 . 2 存在的问题 流域降雨一径流水文过程是一个高度非线性和空间变异性的复杂过程。如何准 确模拟和预测径流过程，降低洪水、干旱、 水污染灾害的损失，始终是水科学的主 要 任务 和前沿 研究 领域 14 1 。 传统 水文 模拟方 法 对水文系 统中的 许多问 题， 采用了 简 化和线性化的处理方法，很难满足水文系统非线性与空间分布不均匀性的特点要 求。 在近十年里， 随着人工智能理论和信息技术的蓬勃发展，以及多学科综合交叉 的发展趋势， 使水科学正经历着前所未有的变革。 伴随 着神经网络、 遗传算法、 模 拟退火法、地理信息系统、遥感技术和数字高程模型等高新技术的应用， 水文模拟 的 研究手段发生了根本性的变化。 毋庸置疑， 水文学与人工智能和数字化信息技术 的交叉融合， 给水文系统的研究注入新的活力， 为现代流域水文模拟带来了一场变 革。 - - - - - - 一 - - 一 ， ， ，- 5 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 4 现代流域水文模拟理论概述 2 0 世纪 9 0 年代以来，随着全球人口膨胀、 水资源紧缺、水环境的污染和气候 的变化， 使得现代流域水文模型需要考虑水文循环、气候环境变化、生态系统和人 类活动等综合因素的影响，这给水文科学的研究提出了新的机遇与挑战。水文学家 们认为水文模型能力的提高寄希望于新的水文学理论的出现和新技术的应用。 实践证明，水文模型的建立必须以坚实的水文理论、快速的信息传递和先进的 分析计算方法为基础。 系统分析方法为利用数理逻辑和计算机来处理各种复杂问题 提供了条件，为分析、 研究、构造系统模型，确立了方法论。只有将系统科学的理 论和方法以 及计算机、 信息技术的新成果应用于水文系统的分析中， 才能开创水文 模拟的新局面。 随着计算机技术、人工智能理论、 优化理论、空间信息技术的发展以及交又学 科的渗透， 使水文模型的发展空间有了极大的拓宽，增添了许多新的量测手段，有 了 新的 信息源 和新的 理 论方 法， 新的 认 识 就 会产生 ( 1 5 1 。 这 些新的 认识和 信息 应 用到 水文模型中，刁 会使它更逼近真实的原型。 1 . 4 . 1 人工神经网络理论 ( a n n ) 人工神经网 络 ( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ， 简记为a n n ) ， 是一门 涉及数学、 物 理学、 脑科学、心理学、认知科学、计算机科学、人工智能的新兴交叉学科， a n n 是一个大型的非线性动力学系统，可以较好的模拟系统的非线性特征。美国神经学 家h e c h t n i e 工 s e n 给出 如下定义: 神经网络是由多 个非常简单的处理单元按某种方式 相互连接而形成的计算系统， 该系统是靠其状态对外部输入信息的动态响应来处理 信息的 16 1随着人工神经网 络技术的 发展， 它被广泛的 应用于预测预报、 优化计算、 模式识别、知识工程等研究领域，并取得了一系列令人鼓舞的研究成果 1 a a n n 已成为非线性科学、生物学、人工智能和信息处理等学科的前沿研究领域。 近年来，国内 外专家学者将神经网络技术应用于水利水电 工程中的大坝安全综 合分析、负荷预测、降雨预测、径流预报、水质与水量预测、电力系统控制、水库 优化调 度、 地下水管理、 水资源利用规划等方面的 研究 1 8 - 2 4 1 在水文模拟方面， m . n . f r e n c h ( 1 9 9 2 ) 等人通过建立的a n n模型预测降雨的时 一一一一-一- 6 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 空 分 布 ， 获 得了 满 意的 效 果 2 5 1 0 a . y . s h a m s e l d in ( 1 9 9 7 ) 以 共 扼 梯 度 算 法 训 练 多 层 前 馈神经网络， 建立降雨一径流模型并与传统模型比较， 神经网络方法具有相当大 的 潜 力 2 6 1 a k . t h i r u m a l a ia h 和m . c . d e e ( 1 9 9 8 ) 利用b p 算 法， 对 河道 水 位进 行实 时 连续 预测， 并比 较了 几 种方 法的 优劣 1 2 1 1 . k h a l e d s . b a l k h a i r ( 2 0 0 2 ) 应用a n n 辨识 大直 径井的 含水层参数， 提高了 参数率定的 可 靠性2 8 1 在国内，钟登华等用a n n模型代替a r , ma和a r m a模型进行了水文时间 序列 预测2 9 1 。 李贤 彬和丁晶 提出了 基于 子波变换序列的a n n模型组合预 测模型 3 0 1 。 姜铁兵等