（水文学及水资源专业论文）基于系统理论的半干旱半湿润流域洪水预报模型的研制及其应用.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于糸统理论的半千旱半湿润流域 洪水预报模型的研制及应用 摘要 在流域水文模型的研制工作中，南方湿润地区的工作做的较多，计算方 法也比较成熟，而半干旱半干湿( 后文简称半干湿) 地区的工作做的较少， 无论国外的还是国内的流域水文模型，在半干湿地区使用时都存在某些问 题。因此深入研究半干湿地区的水文模拟具有重要意义。 本文首先完整地介绍了现有半干湿地区双超产流模型的基本概念，进而 利用对比和分类等方法对双超模型的结构、参数和存在的问题等方面做了全 面细致的剖析。通过分析，可以清晰的认识到双超模型的优缺点。同时，文 章也简单介绍了大家非常熟悉的新安江模型，并且利用系统建模的理论对新 安江模型在湿润地区成功应用的原因做了全面的剖析。 在对已有两个水文模型综合客观的全面分析之后，本文又研究了半干湿 地区的水文特性，并在此基础上，以系统建模的原则为指导，建立了一个针 对半干湿地区的新的水文模型_ s a h 模型( s e m i a r i da n ds e m i h u m i d 的缩 写) 。然后详细的介绍了组成s a h 模型的结构部件以及模型的特点。 为了检验s a h 模型的有效性，把将s a i l 模型、双超模型和新安江模型同 时应用于山西文峪河上游流域。通过1 4 个场次降雨径流资料的模拟计算， 可以看出：s a h 模型相对于其他两个模型具有其独到的优点，模型的结构基 本合理，不存在明显的系统偏差，模型的参数设置也符合系统建模的要求。 水文模型参数设置的合理性对模型来说是至关重要的。在本文的最后一 章中，利用实际流域模拟的参数结果对参数间的相关性和各个参数的敏感性 做了分析，通过分析得出这样的结论：s a h 模型中层与层之间某些参数具有 一定的相关性，但是总体而言，层与层之间参数还是比较独立的，参数的相 太原理工大学硕士研究生学位论文 关性主要存在于层内：s a h 模型产流的8 一个参数中有3 个低敏感的参数，4 个中等敏感的参数，1 个高敏感的参数，这种参数敏感程度的组合使得模型 具有较好的稳定性。 经过对s a i l 模型与双超模型和新安江模型在实际流域应用的对比，以及 对s a i l 模型结构合理性和参数敏感性、相关性等方面的理论分析，初步判断 s a i d 模型的结构基本符合半干湿地区的产流规律，模型建立所依据的原理和 数学方法与系统建模的要求相一致。 关键词：洪水预报，s a i l 模型，水文模型，半干旱半湿润，相关性分析，敏 感性分析 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e v e l o p m e n ta n da p p lic a tl0 no ft h es y s t e m t h e o r yf l o o df o r e c a s tin gm o d e lw hlc hc o u l d b ea p p l i e di ns e m i a r i d ya n ds e m i - h u m i db a s i n a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so ft h ew a t e r s h e dh y d r o l o g ym o d e ld e v e l o p i n g ， m o i s ta r e am a k e sm o r ew o r k si nt h es o u t hr e g i o n ，t h ec a l c u l a t i n g m e t h o do ft h eh y d r o l o g ym o d e li nt h i sa r e ai sa l s or e l a t i v e l ym a t u r e b u tt h ew o r k si ns e m i a r i da n ds e m i h u m i da r e am a k e sl e s st h a nt h es o u t h a r e a e i t h e ri nt h ed o m e s t i co ro na b r o a d ，t h e r es t i l lh a v es o m e p r o b l e m sa b o u tt h eh y d r o l o g ym o d e lw h e ni ti sa p p l i e di nt h es e m i a r i d a n ds e m i h u m ida r e a t h e r e f o r e ，t h es t u d y i n go nt h eh y d r o l o g y s i m u l a t i o no fs e m i a r i da n ds e m i h u m i da r e ai sv e r yi m p o r t a n t a tt h eb e g i n n i n g ，t h ea r t i c l eg i v eu st h eb a s i cp r i n c i p l eo f s h u a n g c h a om o d e lw h i c hw a ss u i t a b l ef o rt h es e m i a r i da n ds e m i - h u m i d r e g i o n ，a n dt h e n ，b yu s i n gc o n t r a s ta n dc l a s s i f y i n gm e t h o dw e g e n e r a l l ya n a l y z et h es t r u c t u r e s ，p a r a m e t e r sa n ds h o r t a g e so f s h u a r i g c h a om o d e l a sar e s u l to fa n a l y z i n g ，w ec l e a r l yk n o wt h e s h o r t c o m i n g sa n dt h ee x c e l l e n c i e so fs h u a n g c h a om o d e l a tt h es a m e t i m e ，t h et e x ta l s os i m p l yi n t r o d u c e st h ex i n a n j i a n gm o d e lw h i c hi s f a m i l i a rw i t hu s 0 nt o po ft h ed e p i c t i o na b o u tx i n h n j i a n gm o d e l w e 太原理工大学硕士研究生学位论文 t o t a l l yr e a c ht h ec a u s e so ft h es u c c e s so fx i n a n j i a n gm o d e li nm o i s t a r e aa c c o r d i n gt ot h es y s t e mt h e o r y w h e nf i n i s h e dt h es t u d y i n go ft w oh y d r o l o g ym o d e l ，w eb e g a n t or e a c ht h eh y d r o l o g yc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e m i d r ya n ds e m i h u m i d r e g i o n t h e n ，w es e tu pan e wh y d r o l o g ym o d e l - s a hm o d e lb a s e do nt h e s y s t e mm o d e l i n gm e t h o d a l s o ，t h ec h a p t e rd e t a i l e de x p l a i n se v e r y c o m p o n e n to ft h es a hm o d e l ss t r u c t u r ea n de a c hc h a r a c t e r i s t i c f o rt h ev a l i d i t yc h e c k i n go ft h es a hm o d e l ，w ea p p l yt h et h r e e h y d r o l o g ym o d e l ( i n c l u d i n gs a hm o d e l ，x i n a n j i a n gm o d e la n ds h u a n g c h a o m o d e l ) t ow e n y u h eo fs h a n x ib a s i n t h er e s u l to fs i m u l a t i o nf o r1 4 r a i nr u n o f f st e l l su st h a ts a hm o d e li sb e t t e rt h a nt h eo t h e rm o d e l s a n dt h es t r u c t u r eo fs a hm o d e li sf e a s i b l ea n dn os y s t e mw a r p ，a n d t h ep a r a m e t e ro fs a i lm o d e li sc o n s i s t e n tw i t ht h es y s t e mm o d e l i n g t h e o r y i t i sv e r yi m p o r t a n tt ot h eh y d r o l o g ym o d e lt h a ts e t t i n gu p r a t i o n a lp a r a m e t e r i nt h el a s tc h a p t e ro ft h ea r t i c l e ，w er e a c ht h e c o r r e l a t i v i t yo ft w op a r a m e t e r sa n dt h es e n s i b i l i t yo fe a c hp a r a m e t e r b ya n a l y z i n gt h ep a r a m e t e rr e s u l to ft h es i m u l a t i o nt oa c t u a ld r a i n b a s i n t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ep a r a m e t e r sh a v ec e r t a i nr e l a t i v i t y b e t w e e nal a y e rp a r a m e t e ra n dal a y e rp a r a m e t e r ，b u ta saw h o l e ，i t i sr e l a t i v e l yi n d e p e n d e n tt op a r a m e t e r sb e t w e e nal a y e rp a r a m e t e r s a n da n o t h e rl a y e rp a r a m e t e r s ，t h ec o r r e l a t i v i t yo fm o d e lp a r a m e t e r s m a i n l ye x i s t si nt h el a y e rp a r a m e t e r si n n e r ；i n8p a r a m e t e r so fs a h m o d e l ，t h e r ea r e3p a r a m e t e r sw i t hl o ws e n s i t i v e ，4p a r a m e t e r sw i t h m e d i u ms e n s i t i v e ，lp a r a m e t e rw i t hh i g hs e n s i t i v ep a r a m e t e r t h e 4 太原理工大学硕士研究生字位论文 s t r u c t u r eo fs e n s i t i v ed e g r e eo fm o d e lp a r a m e t e rm a k e st h em o d e lh a v e f a i r l yg o o ds t a b i l i t y f r o mt h ec o n t r a s tb ya p p l y i n gt h es h u a n g c h a om o d e l ，x i n a n j i a n g m o d e la n ds a hm o d e li na c t u a ld r a i n a g eb a s i n ，t h et h e o r ya n a l y z i n g t ot h er a t i o n a l i t yo fm o d e ls t r u c t u r e ，t h er e s u l to ft h es e n s i b i l i t y o fm o d e lp a r a m e t e r s ， a n dt h er e s u l to ft h ec o r r e l a t i v i t yo fm o d e l p a r a m e t e r s ，w ec o u l dg e tt w oc o n c l u s i o n s ，o n ei st h a tt h es t r u c t u r e o fs a mm o d e lc o n f o r mt ot h eb a s i c a l l yh y d r o l o g yr u l eo ft h es e m i a r i d a n ds e m i h u m i dr e g i o n ，a n o t h e ri st h a tt h ep r i n c i p l ea n dt h e m a t h e m a t i c sw h i c ht h em o d e lb u i l d i n g u pa c c o r d i n gt oa r ec o n s i s t e n t w i t ht h er e q u e s to fs y s t e mt h e o r y k e yw o r d s ：f l o o df o r e c a s t i n g ，s a i lm o d e l ，h y d r o l o g ym o d e l ，t h e s e m i a r i da n ds e m i h u m i d ，c o r r e l a t i v i t ya n a l y s i s ， s e n s i t i v i t y a n a l y s i s 5 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：殛j 蠡造 日期：兰宣：! ：兰 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：亟2 垒逊 日期： 三塑：兰：兰2 导师签名：日期：三1 2 ：兰：兰 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 水文模型研究背景、目的及意义 i 1 i 研究背景 在多年的科研和实际防汛工作中，我国的洪水预报在预报理论和实践经验上取得了 巨大成绩。但在洪水预报系统建设上仍然存在着许多问题，还不能满足实际应用和行业 管理的需要。 洪水预报系统的发展国外已经历了三个阶段，第一阶段是联机预报作业阶段，其主 要特点是将实时雨水情信息采集、传输、处理和洪水预报为一体，以便快速完成洪水预 报作业；第二阶段是实时预报校正阶段，在洪水预报系统中引入现代控制理论，实现实 时信息和预报结果的实时校正；第三阶段是交互式洪水预报阶段，利用图形交互处理技 术对洪水预报中间环节进行人工干预，充分利用专家、预报员的知识和经验，以有效地 提高洪水预报水平。目前，发达国家均已进入第三阶段，技术日臻成熟。而我国的洪水 预报系统大多停留在第一阶段，并且低水平的重复开发重复研制现象比较严重，与发达 国家相比存在较大的差距。新技术应用起点低，预报方案、预报系统五花八门，系统功 能不全，应用不便，扩充性不强，时效差，难于推广应用。主要表现在：不具备预报客 户服务器或浏览服务器环境；预报模型和方法的程序没有标准化；产流、汇流模型交 织在一起；构建预报方案复杂；系统功能不全，参差不齐；预报方法单一；人机界面图 形功能不强：不能定时预报；技术文档不全；系统开发因人而异；国外预报系统移植不 便。国外先进的第三代洪水预报系统采用完全模块化结构，具有如下特点：l 建立了预 报模型库；2 用户可以根据需要选择模型及其使用顺序；3 具有较强的模型库管理功能； 4 数据处理能力强；5 使用标准化、通用化的模块设计思路，各功能子程序代码独立：6 用户可灵活、方便地控制预报中间过程；7 可应用在很大的地区和范围，各预报站点可 以独立，也可以按指定的连接方式连为一体。 鉴于我国建立洪水预报系统的现状与发达国家存在巨大差距，1 9 9 8 年在财政部和国 家防办的支持下，水利部水文局主持，组织全国有关高等院校、科研院所、本文系统有 关单位专业技术人员开展了“中国洪水预报系统”的开发建设，力争在几年内开发完成， l 太原理工大学硕士研究生学位论文 并在全国推广应用“1 。 1 1 2 研究目的及意义 我国幅员辽阔，河流水系众多，由于受季风与自然地理条件的影响，汛期降雨在年 内年际的变化十分剧烈，历史上洪灾频繁发生。洪水预报科学是人类在与洪水灾害长期 斗争的客观需求推动下发展起来的。随着国民经济的飞速发展，作为防洪的非工程措施， 日渐受到普遍的重视和关注，作为防汛斗争的“耳目”和“参谋”，准确及时的洪水预 报，为正确做出防汛决策提供了科学依据，可以获得减免洪灾损失的巨大经济效益和社 会效益。随着计算机科学的发展，洪水预报科学不再仅仅依靠人工经验，而是越来越多 地借助于流域水文模型。同时，由于流域水文模型也是数学模型，它在水利工程、水旱 灾害防治和水资源开发利用中有着广泛的用途，也是研究流域产沙过程和污染物质在水 中输移过程的必要前提。随着社会经济的进一步发展，水文模型已被广泛地用来解决包 括水文水资源、环境和生态等社会和人类发展问题。流域水文模型作为研究流域问题的 一个重要工具和手段。 我国的半干湿地区主要分布在华北、东北和青藏高原的中东部。流域水文模型的研 制工作中，南方湿润地区工作做的较多，计算方法也比较成熟，而半干湿地区工作做的 较少，无论国外的还是国内的流域水文模型，在半干湿地区使用时都存在问题。半干湿 地区约占我国国土面积的5 2 ，因此深入地研究半干湿地区的水文情势具有重要意义。 但半干湿地区的经济目前还比较落后，随着国民经济的发展，各行业部门对水的需求量 日益增加，这样使水资源的供需矛盾进一步如剧。另一方面，由于半干湿地区短历时暴 雨强度大，也经常发生大洪水。因此改变西北地区落后面貌，花大力气研究半干湿地区 的水文问题是十分必要的。 1 2 水文模型研究进展及分类 水文现象是一种非常复杂的现象，它不仅受降雨特性的影响，还受流域下垫面、人 类活动等因素的影响。因此，多年来水文学者一直在不断的探索和研究，以便揭示水文 现象及其发展变化规律。但是，至今仍有许多问题尚未解决。在没有完全搞明水文发展 的规律之前，通过建立模型对水文过程进行模拟( 试验) ，不失为一种可取的途径。 仿照原型制造模型称为“模拟”，模拟工作首先要制作一个“模型”。对于水文问 题来讲，模型可认为是描述一种现象转化为另一现象的工具嘲。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 过去的水文分析t ；算人都是 j 对一个水文环节( 产流、汇流等) 进行的，由于计算 机的出现，从2 0 世纪5 0 年代中期，人们开始将水文循环的整个过程作为一个完整的系 统来研究，并于2 0 世纪5 0 年代后期提出了“流域水文模型”的概念。 1 2 1 流域水文模型国内外研究进展 自出现水文模型概念的2 0 世纪5 0 年代后期至今，水文模型大概经历了原始、近代 和现代三个阶段嘲。 1 原始阶段 本阶段大致从2 0 世纪5 0 年代后期至2 0 世纪7 0 年代初期，该阶段为水文模型研制 和开发的初级阶段。在此阶段水文学家主要是通过实验室实验的方法探索水文的成因变 化规律，并在此基础上，通过一些假设和概化，确定模型的基本结构、参数以及算法， 从而构成水文模型。斯坦福流域水文模型( s 雕) 是世界上最早研制成功的水文模型，该 模型自1 9 5 9 年开始研制，1 9 6 6 年完成，共用了8 年时间。随后便相继研制成功了包顿 ( b o u g h t o n ) 模型( 澳大利亚) 、萨克拉门托( s a c r a m e n t o ) 模型( 美国天气局水文办公 室) 、水箱( t a n k ) 模型( 日本) ，新安江模型( 中国) 、h f 圮模型( 美国陆军工程兵团 水文中心) 、s c s 模型( 美国农业部水土保持局) 等数十种水文模型。这些模型大都包 括水量平衡和流域调蓄两部分，从定量上分折和模拟流域出口断面流量过程的形成过程， 其模型参数具有较明确的物理意义。但此阶段模型大都存在考虑的影响因素较粗，同时 模型参数较多，不利于在实际中应用的缺点。 2 近代阶段 本阶段大致从2 0 世纪7 0 年代中期到2 0 世纪8 0 年代后期，该阶段为水文模型的应 用和改进阶段。随着计算机技术和计算方法的不断发展，同时通过水文模型在实际中的 应用，水文学家也不断发现模型在应用中存在的缺点和问题，进面对水文现象的认识也 不断深入。因此，从理论上提出新模型的构想以及对原有模型的改进成为该阶段的热点。 在模型改进方面，新安江模型从两水源模型，改进到三水源模型和四水源模型；s c s 模 型改进成s c s t r - - 2 0 模型及s c s t r - - 5 0 模型；包顿( b o u g h t o n ) 模型改进为调节式包顿 ( m o d i f i e db o u g h t o n ) 模型等。在s a l t 模型的研制方面，相继出现了系统响应模型、人 工神经网络模型等，同时，增加了实时校正功能，例如卡尔曼滤波，自回归校正模型等， 从而使这些模型的预报精度得到了较大程度的提高，因此，水文模型应用十分广泛，成 为洪水预报的主要手段。但这阶段的模型仍然是属于集总模型，即将整个流域或流域单 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 元作为一个系统进行概化模拟，由于流域下垫面情况不同以及降雨分布不均匀，集总模 型不能对其进行细致的描述和模拟，因此，集总模型具有自身不可克服的缺点。 3 现代阶段 本阶段从2 0 世纪9 0 年代初期至今，该阶段为水文模型的变革阶段。随着地理信息 系统( g i s ) 以及卫星遥感技术( r s ) 在水文上的应用，从2 0 世纪9 0 年代初期开始至今， 分布式水文模型成为世界上水文领域研究的热点。分布式水文模型是基于数字高程模型 ( d e m - - d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) 基础之上的一种模型，它以流域面上分散的水文参数 和变量来描述流域水文时空变化的特性。目前，较为常见的分布式水文模型有；美国的 v f l o 模型、h e c - - g r o 模型以及比利时的w e t - - s p a 模型等。分布式水文模型与集总模型 相比具有明显的优点：首先，分散处理和输出，它根据流域实际情况将流域划分为无数 不同类型( 例如：陆地单元、水库单元、河道单元等) 的网格单元( g r i dc e l l ) ，每个 网格单元建立相应的数字高程模型，分别描述和模拟各网格单元的流域下垫面条件和流 域上降雨情况，并能单元输出计算成果，解决了集总模型无法克服的困难；其次，物理 机制更为明确，分布式水文模型采用动量守恒定律和能量守恒定律对数字高程模型的机 制进行模拟，采用水动力学方法进行洪水演进模拟；第三，计算成果精度高，由于分布 式水文模型充分利用了空问分析技术，解决了影响因素的空间分布问题，同时物理机制 明确，因此，其计算成果精度一般较集总模型高；第四，可在历史资料缺乏的地区应用， 由于分布式水文模型的参数是利用卫星遥感资料通过空间分析技术确定的，不需要通过 大量的历史资料对模型进行参数率定。 2 1 世纪将是水文模型大发展的时代，随着计算机技术的不断发展，地理信息系统以 及卫星遥感技术在水利上的广泛应用，水文数字化时代即将来临，以分布式水文模型为 基础的数字化水文模型的研究和应用将成为该时期的最大热点。数字水文模型的研究将 包括：首先，流域网格单元划分将更加细化，流域网格单元的大小将缩小在1 m 2 范围内， 同时，根据流域特性，网格单元的分类将越来越细；其次，模型结构更加科学合理，将 充分利用空间分析技术以及水力学的新理论，建立逻辑合理、结构清晰的物理模型；第 三，模型将从目前的一维向多维发展；第四，模型将从单机版向网络版发展，并实现w e b 浏览功能。 1 2 2 半干湿地区水文模型研究进展 面积比例法的混合产流模型、垂向混合法的混合产流模型、河北省水文水资源局研 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 制的河北模型、武汉人学，水利都，中国水利水电科学院以及长江中游水文水资源勘测 局联合研制的针对陆洪流域的超渗一蓄满兼容产流模型、萨克拉门托模型、山西省的双 超模型和由新安江模型改造而成的大伙房模型等。双超模型将在后面的章节中重点介绍， 下面简要介绍其他几个模型的基本原理和结构。 面积比例法：是混合产流量计算的一种简单方法。该方法把流域划分为超渗产流和 蓄满产流面积两部分，分别用超渗模型和蓄满模型计算产流量，然后按流域面积权重相 加极为流域产流量。这个方法简单，概念直观，但实际应用效果不好，主要原因是超渗 和蓄满的面积比例是随气候条件的改变而变化的，用固定比例值必然会影响计算精度咖。 垂向混合法：是包为民和王从良( 1 9 9 7 年) 针对半干旱地区产流特点提出来的，是 把超渗产流和蓄满产流在垂向上进行组合的一种混合产流计算方法，当降雨p 到达地面 后，首先通过空间分布的下渗曲线来划分地表径流r s 和下渗水量f a ，f a 在向下的运动 过程中，在土壤缺水量大的面积上，补充土壤含水量，不产流；在土壤缺水量小的面积 上，补充土壤缺水量后，产生地面以下径流r r 。地面以下径流r r ( 包括壤中流和地下径 流) 取决于前期土壤含水量w 和下渗水量f a ，用蓄满产流计算 河北模型：河北模型是由河北省水文水资源勘钡i 局陈玉林和韩家田在2 0 0 3 年共同提 出的两水源模型，当降雨强度大于下渗强度时产生地表径流，用下渗能力分布曲线来模 拟计算；下渗的水量补充土壤缺水以后产生地下径流，用“表层土湿”和“下渗锋面” 的概念以及蓄满产流原理来模拟。地面、地下及河道的汇流均采用非线性调蓄汇流计算 方法，地面、地下径流过程相加为流域出口的流量过程“1 。 超渗一蓄满兼容产流模型：该模型是武汉大学雒文生等( 1 9 9 2 年) 针对半干 湿地区的产流特点提出的。该模型曾在河北横山岭水库和尚义流域应用过。针对半干湿 地区的产流特点，用流域下渗曲线及流域下渗能力分配曲线为基础的超渗产流模式，来 考虑由于降雨强度超过下渗能力而产生的地面净雨( 形成地面径流的那部分降雨) 过程； 用流域蓄水容量分配曲线为基础的蓄满产流模式，来考虑由于土壤含水量达到田间持水 量后超蓄而产生的净雨( 即形成地下径流的那部分降雨，因为只有超过田问持水量的下 渗部分才能形成地下径流) 。把这两种产流模式有机地结合起来，将流域下渗能力分配 曲线和流域蓄水容量分配曲线耦合在一起，按照二者的产流原理，就形成了既能考虑流 域下渗能力及其分布情况，又能考虑流域土壤含水量及其分配情况影响的流域超渗一蓄 满兼容产流模型”1 。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 萨克拉门托模型：由美国萨克拉门托( s a c r a m e n t o ) 河流预报中心提出，于1 9 7 3 年 开始使用至今。该模型是在斯坦福( s t a n f o r d )号模型的基础上发展起来的，并 声称主要环节都以物理试验结果为依据。模型分为不透水、透水和变动的不透水三部分， 以透水面积为主体；径流来源于不透水面积的直接径流，透水面积的地面径流、壤中流、 浅层与深层地下水，变动的不透水面积上的直接径流与地面径流；模型还设置了不闭合 结构o 】。 l 2 3 水文模型的分类 按模型的性质和建模技术来分，可分为以下几种： 物理模型依据物理模拟的方法又可以分为实体模型和类比模型，实体模型包括比例 尺模型和单项因素试验模型；类比模型是指依另一种现象的物理性质类比水文现象的物 理性质，以便于观测或形象化。例如根据渗流的达西定律和欧姆定律之间的相似性进行 类比的电模拟模型等。 数学模型：运用数学方法模拟水文现象的模型。这种模型的特点是依数学上的定量 方式来表达水文原型，并用计算机进行模拟计算。它又分为确定性模型和统计( 随机) 模型。 1 确定性模型：以水文现象的因果关系作为基础，来建立水文模型。它又可分 为：a 水动力学模型。采用水动力学方程及能量守恒定律等水力学方法对水 文现象进行概化模拟；b 概念性模型。以水文现象的物理概念和机制为基础 对水文过程进行模拟；c 黑箱模型( 神经网络模型怂昂洲) 。采用网络结构和 算法对水文内在规律进行模拟。 2 统计( 随机) 模型：它是以水文现象的统计规律为基础进行水文模拟的模型。 包括随机水文学、频率分析计算等。随机模型与确定性模型不同，它模拟的 是水文现象的随机性，或者说它模拟的是水文现象的统计规律，所以又称为 统计模型。随机模型又分为两类：一类是只分析事件的概率特性而不考虑时 程上事件发生的前后联系，这类模型称为概率模型，例如我国水文分析中常 用的皮尔逊i 型频率线就是一个概率模型。另一类在分析事件的概率特性 时，还要考虑在时程上前后发生事件之间的联系，这类模型称为随机模型。 也可以说概率模型是事件在时程上关系为零的一种随机模型，即是说概率模 型是一种特殊的随机模型。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 目前，在水文业界应用最为厂泛的是模拟模型。在水文预报方面以确定性模型应用 居多，在水文分析及计算中一般采用统计模型。概念性模型又分为集总模型( l u m p e d m o d e l ) 、半分布式模型( s e m i - - d i s t r i b u t e d m o d e l ) 、分布式模型( d i s t r i b u t e d m o d e l ) 棚。水文模型的分类见图卜1 。 图l 一1 水文模型的分类 f i g 1 - lt h ec l a s s i f i c a t i o n o f h y d r o l o g y m o d e l 1 3 半千湿流域水文模型存在的问题 2 0 世纪7 0 年代中期，嘲o 曾对1 0 个概念性水文模型进行检验和比较，结果发现在 半干湿地区，几乎没有发现一个模型能很好地模拟这些地区流域水文过程。在1 9 9 7 年 1 2 月我国举行的全国水文模型竞赛中，4 2 个参赛队，1 0 个参赛模型；包括三水源新安 江模型、姜湾径流模型、双超产流模型、河北雨洪模型、双衰减曲线模型、综合约束线 形系统模型、a p i 模型、改进的n a l l 模型、萨克拉门托模型、水箱模型，基本上代表了 国内外水文模型的现状水平。在这次竞赛中选择了2 个半干旱地区的流域( 山西静乐流 域和河北紫荆关流域) 和1 个半湿润地区的流域( 陕西黑峪口流域) 。参赛的l o 个水文 模型中，没有一个模型能比较好地模拟静乐流域的水文过程；而河北紫荆关流域，只有 4 个参赛队的验证期的确定性系数达到0 5 以上，其中3 个队使用的新安江模型，1 个队 是s c l s 模型。两次竞赛结果表明在半干湿地区，几乎没有一个模型能取得满意的模拟 效果嗍。通过比较总结发现，在半干湿地区流域水文模型的模拟的主要存在以下问题： 1 、流域水文现象的复杂性 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 在半于湿地区，年降水量小，般在7 0 0 j m 以下，年内分配又很不均匀，降雨量一 般集中在7 、8 、9 月份，且往往集中于几场大的暴雨，次降雨历时比较短，笼罩面积不 大，而且分布又不均匀。同时，这些地区气候干燥，日照时间长，蒸发量较大，土壤地 表干燥，植被较差，包气带厚。降雨时空分布不均、流域下垫面的复杂性、局部产流现 象严重等情况，从客观上增加了对半干湿地区水文物理规律认识的难度。 2 、水文模型的结构不够合理 流域水文现象的复杂性，给人们用数学物理方程严格地描述其每一个子过程造成了 很大的困难。现有的流域水文模型，在许多环节的处理上还不能紧紧抓住客观现象背后 的本质规律，他们不是与本质规律擦肩而过，就是只抓住了全部本质规律的局部。这种 做法就造成了现有的流域水文模型的结构不够合理，不能充分地表达复杂物理现象的客 观本质规律，从而就使得它们不能够很好地对半干湿地区的水文现象进行模拟。 3 、水文资料条件过于粗糙 半干湿地区的降雨以超渗产流形式为主，作为其模型计算的核心部分的下渗曲线中， 下渗强度随时间的衰减速度很快，如果资料观测时段较粗，时段下渗率将均化，直接影 响产流计算的结果。以上所述是模型输入在时间上的均化问题。此外，在半干湿地区， 降雨的空间分布也是极其不均匀的，经常是“东山下雨西山晴”，在这种情况下，模型 用划分单元的方法虽然可以在一定程度上减小模型输入的降雨资料空问均化造成的误 差，但是这种粗糙的处理方法并不能彻底消除输入模型资料的空间均化造成的误差。 1 4 本文研究内容及路线 本文主要研究适应于半干湿地区的流域水文模型。通过对半干湿地区流域水文物理 过程的分析和已有半干湿地区水文模型的对比，特别是对双超模型和新安江模型产汇流 结构的深入剖析，提出一个针对半干湿地区产流规律的新的水文模型- s a h 模型，然后 在把s a h 模型、双超模型和新安江模型分别应用于山西文峪河半干旱流域上，通过对三 个模型模拟结果的对比分析，深入分析了s a h 模型结构的合理性，进而利用参数的模拟 结果对s a h 模型的参数进行相关性、敏感性和率定方法等方面的探索与分析。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章模型介绍与分析 2 1 双超模型介绍 2 1 1 模型的提出 在半干湿地区( 半干湿地区的简称) ，由于降水少，使土壤经常处于缺水状态，其产 流、汇流特征与湿润地区有很大不同。久旱后的高强度短历时降雨超渗产生地表径流， 此时入渗水量不大，入渗峰面往往难于到达弱透水层，上层介质蓄水不会超持，无侧向 流动的水分，不会产生壤中流；而久雨后的流域再遇降水或长历时降水的后期，弱透水 层界面以上的土层超持后，壤中流就会出现。针对半干湿地区的这种产流机理，山西省 水文水资源勘测局高级工程师王印杰提出了双超产流模型，“双超”即超渗产生地表径流， 超持产生壤中流和地下径流。 2 1 2 基本概念 双超产流模型认为：降雨强度超过入渗能力后的降水形成地表径流，它是径流的组 成部分而不是全部，渗入至包气带或影响层内的降水，满足田间持水能力即超持后自由 水在重力作用下，沿分层介质界面侧向运动，遇到沟壁或在河边坡脚、山坡饱和带等处 逸出形成壤中流，壤中流在总径流中所占比重，视流域降雨和下垫面综合特性不同而异。 模型的地表径流模拟中，用一虚构点的入渗曲线作为流域上实际入渗点入渗能力的 参照系，同时，为了考虑流域上各点下渗能力的空间差异，建立了下渗能力的流域分配 曲线，并在这一曲线中包含了产流临界雨强因子，把虚构的入渗曲线与下渗能力的流域 分配曲线相结合，构成了计算超渗地表径流的数学模型。在计算时，用降雨量和时段可 能入渗量的比值建立供水度的概念，将时段供水度带入到入渗能力的流域分配曲线，就 能计算出时段地表径流的量。 在壤中流的模拟中，双超产流模型用底部和侧面开孔的4 层串联容器模式，以土壤含 水率与田问( 张力) 持水率之比值( 充水度) 作为衡量土壤水分状态的指标。当该比值 l 时 标志着容器中出现重力水或自由水，容器底孔和侧孔都有水分排出，容器侧孔排出的水量 之和为壤中流，最下层容器底孔排出的水量为地下径流。各层底孔排出的水量首先补充下 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 一层容器的张力水，待下层的张力水蓄满石，上层入渗爪量再开始补充下层的自由水，最 上层容器中的水分来自流域入渗：当该比值1 表示容器中只有张力水而无重力水。各层 土壤蒸发量取决于其上土层的剩余蒸发能力和该层的土壤水分状态“3 。 需要指出的是：双超模型在计算地表径流和壤中流过程中所用到的组件与其他的水 文模型是完全不同的。反映流域入渗规律的入渗曲线是r i c h a r d s 方程入渗新解；下渗能 力流域的分配曲线是经过归一化后的分配曲线；各层水箱的自由水出流( 壤中流和地下 径流) 与其他水文模型中的线性处理方法不同，在这里壤中流和地下径流的计算是根据 非饱和土壤水分运动规律和山坡水文学产生壤中流的机理设计。模型流程图如图2 - i 所 示。 2 1 3 模型结构 为了方便介绍双超产流模型的结构，将模型的结构分解为以下五部分，分别为：入 渗公式、入渗能力流域分配曲线、地表径流的模拟、壤中流的模拟、以及土湿和蒸发的 模拟m 。 1 、入渗公式含渗前土湿因子的新入渗公式( r i c h a r d s 方程入渗新解) 现今在产流计算中，国内主要使用菲利浦入渗公式或霍顿入渗公式。前者为r i c h a r d s 方程解析姆的近似式，时间f 较大时截断误差不收敛，有悖入渗历时规律；后者源于野 外实验的经验模拟，亦可在一定简化条件下从r i c h a r d s 方程中解出。两者的理论缺陷在 于对非饱和土壤的水分函数导水率足p ) 和扩散率d p ) 依含水率。而变的复杂机理做了 不符合实际、过于简单的概化，实用时尚需弓i 入经验关系或假设，从而使其理论成分弱 化，经验色彩增强。这主要是因为当时对水分函数k p ) 和d ( 还没有一般的基础公式， 还不允许从基础的土壤特性中对其进行可靠判断的缘故。王印杰同志根据自建的非饱和 土壤水分运移“统计毛管束”模型给出了水分函数j ( ( 0 ) 、d ( o ) 依含水率。而变的 一般性基础公式( 见参考文献 9 1 0 ) ，进而导出了r i c h a r d s 方程入渗新解( 见参考文 献 4 ) ，为改进现行计算地表径流的理论和方法提供了条件。新解为： ，l 厂( f ，岛) = 寺母( 1 一蟛“) r j + 2 k , ( 1 一霹“) ( 2 1 ) l f ( t ，蜀) = 母( 1 一焉“) ，j + 2 k , ( i - b 0 2 “1 ) f ( 2 2 ) l o 曲嚣乓2li镰暮三葛专参。写。专一-z匠 田璎壤副篓曝k域h盛 议窄牮扑州妖宣_千隧扑kh唧隧杉 太原理工大学硕士研究生学位论文 式中影土壤最大吸渗率；e 一土壤饱和导水率； 岛一入渗前土壤充水度( 计算方法见后2 - 2 3 a ) ： c 一土壤孔径级配参数，值域一般为3 6 。 2 、入渗能力的流域分配曲线一归一化曲线 入渗能力流域分配的概念，首先由n h 克劳福德和r k 林斯雷在1 9 6 6 年完成的 s t a n f o r d 模型中处理点入渗能力空间随机变化时提出，并使用了线性分布假设，沿用于 萨克模型。之后国内发展成为b 次抛物线和e 指函数两种线性。但是这样的以流域最大 点入渗能力为参变量的曲线簇，给实用带来许多不便，应对其进行归一化处理，以简化 计算过程。 流域内各点的入渗能力，会因土壤基质、结构状态和水分多寡存在差异而不 同。若把各点的入渗能力历时规律绘于同一直角坐标系中，如图2 - 2 所示，必然是一个 个无章可循、总体杂乱无章的下渗曲线簇。不难想象，当流域充水度为昂时，对于任何 时间截口处，曲线簇必然存在着一个最大的入渗率厶( ，瓦) 。连接各时间截口的 无( ，瓦) 形成的下渗历时曲线称为虚构点的下渗能力曲线，记为厶0 ，瓦) 。对于固定流 域特定瓦而言，它应该是唯一的。假设它可以用r i c h a r d s 方程入渗新解( 2 1 ) 、( 2 2 ) 式模拟。即： 厶( ，西) = i 1s ( 一雪i 1 ) ，；+ z k ( 一西_ ) c z s ， 最，磊) = 母( ，一 二+ ：局( ，一盍“1 ， c 2 一t ， 以此虚构点的入渗能力作为流域各点入渗能力的参照系，令q 。纸， ， ( i - o ，l ，2 ，) ，且q “ q ，则由以上的假设可知qe ( ，1 ) ，( f ) = 1 ，嘞为q 中的最 小值。再假设q ( r ) 在任何时间截口上具有相同的统计分布函数。记随机变量f q 的流 域面积之和为彳皓q ) ，面积指数(