现代水文预报结课论文

1、现代水文预报结课论文基于不同水文模型对流域径流模拟和土壤含水量模拟应用研究摘要：为研究分布式水文模型在不同气候条件下的适应性，本文选择黑河 上游山区流域（寒冷、干早）和汉江褒河流域（湿润、多雨）两个不同气候 类型的河流流域为研究区域，基于空间分辨率为90m的dem数据构建数 字流域，采用新安江模型、topmodel模型及改进型topmodel模型三种 水文模型对研究区域进行径流过程模拟和土壤含水量模拟，以期寻找出对 研究区适应性较好的模型，从而提高模拟效果和预报精度，扩大水文模型 的应用范围，为流域水资源评价及管理提供一定的参考依据。关键词：分布式水文模型；径流模拟；土壤含水量模拟中图分类号：

2、文献标识码：1引言水文预报是水文科学的重要组成部分。水文预报就是根据己知的信息（测验或分析的信息）对未来一定时期内水文要素的状态做出定量或定性的预测。在实际工作中， 特别是防洪减灾中，洪水预报是调度决策的重要依据，关系人民生命财产 的安全和经济社会的稳定发展，而发布的洪水预报将在很短的时间内得到 检验和验证。因此，水文预报是一项理论性强、应用要求高的工作lo 水文预报是对水文现象的未来状态作出事先的估计水文预报从经验公式、 集总模型走到分布式模型，已取得丰硕成果准确及时的水文预报在防洪抢 险、保证工农业安全生产，充分利用水资源以及发挥水利措施的作用力而都有很大的作用因此，开展这力而的研究具有重

3、要的理论价值和现实意义王文等3将现有水文预报方法分为过程驱动模型方法和数据驱动模 型方法两大类，过程驱动模型指以水文学概念为基础，对径流的产流过程与河道演进过程进行模拟， 从而进行流量过程预报的模型。过程驱动模型近年在中长期预报方面的发 展主要表现在对概念性流域降雨径流模型的结构进行改进，以适应较人时 间尺度预报的需要数据驱动模型则是基本不考虑水文过程的物理机制，而 以建立输入输出数据之间的最优数学关系为目标的黑箱子方法数据驱动 模型以回归模型最为常用，近年来由于神经网络模型、非线性时间序列分 析模型、模糊数学方法和灰色系统模型等的引进，以及水文数据获取能力 和计算能力的发展，数据驱动模型在水

4、文预报中受到了广泛的关注。一个区域的水循环过程是一个自然过程，它受气候系统和地表系统的 控制，其中气候系统控制降水的水分分布、范i韦i、总量等，地表系统控制水的循环方式、贮存环境、 地表径流量、地下径流量、河道汇流等水系特征。但是，由于气候系统和 地表系统的不均匀性，导致水循环的时空分布的不均匀性和周期性的变化, 使得在一定的条件下给人类社会带来的缺水、洪水、污水等一系列的社会 问题。水循环系统纵贯水旱灾害的预报与防治、水资源评价及管理、人类 活动的水循环响应等领域，所以水循环过程和机理的研究己经成为水科学 基础研究的首要问题，涵养水源、削减洪峰等问题日益也成为可持续发展基本问题。我国的人口众

5、多，人类活动对水循环系统的干扰大，所以 在我国一些流域进行水循环过程研究也已成为迫在眉睫的任务。国内外研究表明，分布式水文模型是模拟水循环、获取流域径流和流 域水储量变化的有力工具。计算机技术、地理信息及遥感技术的飞速发展 及水文建模理论的深入推动分布式水文模型成为冃前水文模拟的主流，它 能够充分考虑气候和下垫面因子空间分布不均匀的事实，真实的模拟现实 世界流域降雨径流形成的影响，客观的反映气候和下垫面因子的空间分布 对流域径流和水储量变化的影响。在水资源fi益重要的形式下，用分布式 水文模型模拟流域内水储量的变化，可以为解决区域森林水文生态效益评 价、区域生态环境规划、流域管理和科学分配水资

6、源提供重耍依据，对于 流域水资源评价及管理，有着重要的应用价值。本文选择了黑河上游山区流域为研究区域，利用新安江模型和 topmodel模型两种水文模型，进行流域水文过程模拟，以期寻找出对研 究区适应性较好的模型，从而提高模拟效果和预报精度，扩大水文模型的 应用范i韦i，为流域水资源评价及管理提供一定的参考依据。2概述与方法2.1研究区概况水黑河流域是我国西北半干旱地区第二大内陆河流域，位于甘肃省西 北部，流域面积约12.87万km2,是河西走廊三大内陆河之一。按自然地 理特点，可分为三个区：祁连山东区与祁连山前山区、河西走廊区及阿拉 善高平原区。其地表水资源主要源于其干流莺落峡以上的祁连山山

7、区流域, 莺落峡水文站为出山径流观测站。黑河上游山区流域莺面积10009 km2, 域海拔范围1674-5120m,平均海拔为3737rm黑河莺落峡以上流域的冰 川覆盖度为0.59%,年径流量16.05x108m3时，冰川面积59 km2,冰川 融水补给率为3.4%o黑河流域山区年降水量为400mm左右，年蒸发量为 1600mm左右。流域内土壤以棕钙土、灰漠土、棕漠土、亚高山草甸土和 亚高山草原土为主。区内植被带主耍由草甸、灌丛和森林等组成，垂直带 谱极其分明。森林主要分布于中山地带，灌木和草甸分布在流域各处，流 域以海拔3600m为高山冰雪冻土带和山区植被带的分界线。2.2模型构建及相关模型

8、原理2.2.1新安江模型新安江模型是我国第一个流域水文模型，由河海大学水文系水文预报 教研室在赵人俊教授等在1973年对新安江水库做入流流量预报时提出并 逐步完善起来的一个降雨径流流域模型。通过近几十年来的应用结果表明: 此模型可用于中国湿润地区与半湿润地区的水文预报工作。（1）模型结构。该模型是一个分散参数的概念性模型。根据流域下垫面的水文、地理 情况将其流域分为若干个单元面积，将每个单元面积预报的流量过程演算 到流域出口然后叠加起来即为整个流域的预报流量过程。单元面积水文模拟采用：产流采用蓄满产流概念；蒸散发分为三层： 上、下层和深层；水源分为地表、壤中和地下径流三种水源；汇流分为坡 地、

9、河网汇流两个阶段。（2）蒸散发计算。新安江模型采用三层蒸发计算模式，三层蒸发模式按照先上层后下层 的次序，分如下四种情况计算： 当wu+p2ep时”eu二ep, el9ed二0；%1 当 wu+pverw2c -wlm 时,eu=wu+p, el=( ep-eu)wl/wlm, ed=0；%1 当 wu+pvep, c(epeu)wwlvc wlm 时，eu二wu+p, el=c(ep-eu), ed=0；%1 当 wu+pverwlv c (ep-eu)时，eu=wu+p, el=wl,ed= c (ep-eu) -el；式中wu：上土层含水量，mm； wl：下土层含水量，mm； wlm：

10、下土层蓄水容量，mm； p：降雨量，mm； ep：蒸散发能力，mm； c：深 层蒸散发系数，mm； eu, el, ed：上、下、深层流域蒸散发量，mm。(3) 产流计算。新安江模型采用蓄满产流机制计算产流量。所谓蓄满，是指包气带的 含水量达到田间持水量。在土壤湿度未达到田间持水量时不产流，所有降 雨都被土壤吸收，成为张力水；当土壤湿度达到田间持水量后，所有降雨 (减去同期蒸发)全部产流。前期气候、下垫面等的不均匀性，导致流域 土壤缺水量空间分布不均匀，在全流域蓄满前，存在部分地区蓄满而产流。 一般由流域蓄水容量曲线表征土壤缺水量空间分布不均匀性。(4) 划分水源。如图1,水库有两个出口，一个

11、底孔形成地下径流rg, 个边孔形成 壤中流。其出流规律均按线性水库出流。由于新安江模型考虑了产流面积 (fr)问题，所以这个自由水蓄水库只发生在产流面积上，其底宽fr是 变化的，产流量r进入水廂即在产流面积上产牛pe的产流深，也就是自 由水蓄水库所增加的蓄水深。新安江模型引入三个参数:地下水出流系数kg,壤中流出流系数kss,自由水库蓄水容量sm (mm),用作划分水源的计算，其公式如下：地下径流量：rg=kg s-fr壤中流径流量：rss=kss s fr地表径流量：当s+pewsm, rs=o当 s+pe>smz, rs=(s+pe-sm) fr图1自由水蓄水库结构图地下水库水量rg

12、经过地下水库消退成为地下水对河网的总入流下rgo rss是壤中流对河网的总入流trs。地下水的河网汇流阶段可以忽略不计， 可认为地下水总入流与地下水出流量相同。产流面积fr上自由水的蓄水能力不是均匀分布的，要考虑sm的面积 分布。用自由水蓄水能力曲线来表示。计算过程与蓄满产流模型相似，不 同之处是地血径流只产生在产流血积上。在对自由水蓄水库作水量平衡计算中，冇一个差分计算的误差问题， 常用的计算程序，把产流量放在时段初进入水库，而实际上它是在时段内 均匀进入的，这就造成了向前差分误差。这种误差有时很大，要设法消去。 处理的方法是:每时段的入流，按5mm为一段分成g段，并取整数，各时 段的g值都

13、可不同，也就是把计算时段也分成g段，及以为时 段长进行计算。新安江模型中的出流系数、消退系数等参数都是以24h为 时段长的，当时段长改变后，出流系数ki, kg及消退系数cg, ci耍按照 线性水库的退水规律作相应的转变。(5) 汇流计算。流域汇流计算包括子流域汇流计算和子流域出口断面到流域出口断 面的河道汇流演算。子流域汇流计算包括坡地和河网两个汇流阶段。坡地汇流计算。新安江模型中把经过水源划分得到的地面径流直接进 入河网，成为地面径流对河网的总入流(trs),壤中流(ri)流入壤中流 水库，经过壤屮流蓄水库的消退(壤中流水库的消退系数为ci),成为壤 中流对河网总入流(tri)o地下径流

14、(rg)进入地下蓄水库，经过地下 水蓄水库的消退(地下水蓄水库的消退系数为cg),成为地下水对河网的 总入流(trs)o河网汇流计算。新安江模型屮用无因次单位线模拟水体从进入河槽到单元出口的河 网汇流。子单元出口断面到流域出口断面河道汇流演算采用马斯京根线性 解。圣维南方程组描述的一维非恒定流模型叫做动力波。圣维南方程中如 果忽略惯性项，动力波就成为扩散波，相应的圣维南方程就简化为扩散波 方程。2.2.2 topmodel 模型topmodel 是 topgraphy based hydrological model 的简称，该模型是 beven等1979年提出的一个以地形为基础的半分布式流域

15、水文模型。模 型以地形空间变化为主要结构，用dem数据计算地形指数in (a /tan b ), 用地形信息的形式來描述产流区域的水流趋势，反映出地形对产流区域形 成和变化的影响。%1 基本假设。topmodel模型中通过土壤含水量来确定源面积的大小和位置。定义 土壤缺水量d为饱和含水量与土壤含水量之间的差值。在这些面积上将产 生饱和地表径流。缺水量计算方程的推导主耍是应用了连续方程和达西定 律。%1 产流计算。重力排水。通常都假定不饱和层屮水的流动是完全垂向的，即只考虑 重力排水补给浅层地下水的那一部分水分运动。而且采用不饱和层排水通 量，的经验函数来描述这种流动。水分蒸发。不饱和层中的蒸发

16、遵循普遍被采用的形式：用一个含有潜在蒸发和根带蓄水的函数來计算实际的蒸发，不饱和层和饱和地表面上水 分以完全蒸发能力蒸发。当重力排水层枯竭时，根带蓄水层中的水分依然 以的速率蒸发。%1 汇流计算。topmodel模型在汇流时将坡血流与壤中流合在一起进行计算，假定 径流在空间上相等，通过等流吋线法进行汇流演算，求出单元流域出口处 的流量过程。然后通过河道汇流演算，得到流域总出口处的流量过程，河 道演算采用马斯京根线性解演算方法。3模拟过程和结果3.1径流模拟黑河莺落峡流域内有七个气象站：札马什克、瓦房城、肃南水流沙、 双树寺、祁连、高崖、莺落峡，一个流量站:莺落峡。本文采用该流域气象 站1990

17、-2000年的实测降水、蒸发量资料，气象数据时间步长为24h。径 流量数据由流域的断面流量控制站点莺落峡站提供，时间序列为 1990-2000年，时间步长为24h。而对于流域的逐日降水量和蒸发量数据， 本文采用较常用的泰森多边形法进行计算处理。本文采用nash模型效率系数对（确定性系数，单位为）来评价以 模型的模型效率，其定义表达式为?= 1"?二? am?'2? x100%? 2?式中：?, ?分别为实测径流流量和模拟径流流量；？?？'是率 定阶段平均实测径流流量。模型参数率定优化方法。率定参数首先选择目标函数，根据不同需要可以选取不同的目标函数。 常用的目标函数有

18、：反映模拟流量过程与实测流量过程水量误差的目标函 数；反映流量过程线拟合程度的目标函数；反映洪峰过程模拟好坏程度的 目标函数以及反映低水过程模拟好坏程度的目标函数。目前，最简单、最直接的参数率定方法就是人工试错法，即根据模型 使用者的经验，人为确定初始参数，然后根据模拟结果的好坏尝试改变参 数，直到得到满意的结果。其基本原则是设定一组参数，在计算机上运算， 比较模拟值与实测值，分析对比或计算其目标函数，再循环调整参数，重 复计算，直至达到最优，参数即为所求。人工试错法最大的优点就是简单、 直接，但是很难得到最优值，而且还受制于模型使用者的经验。为了克服人工试错法的缺点，需要用到模型参数自动优化

19、算法。模型参数自动优化的方法，就是根据数学优化法则，通过自动寻优计算，确定 参数的最优值。这一类方法只要事先给出优化准则和参数初始值，整个寻 优过程口动完成，因此具有寻优速度快、寻优结果客观等优点。而对于流 域水文模型参数的优化需要选择优化过程中仅要求目标函数值而不需目 标函数导数等量值的多参数优化方法。本文采用人工试错法和模型参数自 动优化法相结合的方法进行模型参数率定。3.1.1新安江模型的应用。建模过程与参数。模型输入数据是：气象站站点实测日降雨和日蒸发 数据文件、流域出口断曲fi流量数据文件。模型输出数据是：流域出口断 面逐日模拟流量文件。全流域模拟参数率定。本文采用控制報个黑河上游山

20、区流域的莺落峡 水文站1990年j993年的实测流量数据与新安江模型模拟流量数据进行比 较，作为模型参数的率定期，并用nash模型系数r2 （确定性系数）来评 价模型模拟精度。在模型率定期，r2值为55.43%,模拟流量和实测的流量过程拟合一 般，模型基本能够适应研究区实际情况。模型验证。在保持率定期模型参数设置不变的情况下，本文以1994 年2000年为验证期，进行新安江模型验证。将1994年2000年的气象水 文数据输入模型。在验证期，模型的效率为53.54,模拟流量和实测的流 量过程拟合一般，模型基本能够适应研究区实际情况。3.1.2 topmodel模型的应用。建模过程与参数。模型的主

21、要输入数据包括：流域dem文件、气象站站点实测日降雨 和日蒸发数据文件、流域出口断面日流量数据文件。模型的主要输出数据 包括：地形指数文件、流域出口断面逐曰模拟流量文件。地形指数计算。地形指数是tomodel的核心，地形指数的数值分布对dem图的分辨 率很敏感。一般来讲，分辨率越大，地形指数的均值也越高。不同分辨率 的dem图由于对水流路径的定义不同，造成毎点的汇流面积计算结果的不同，从而影响到对降雨径流模拟结果的好坏。模 型计算地形指数大的地方优先达到饱和，成为源曲积。指数的空间分布实 际上反映了源面积的空间分布。理想的水文响应单元一般取在50m以内。 黑河上游山区流域地形指数计算所用的de

22、m分辨率为90mo生成的地形 指数最小值为1.3,最大值为23.4,平均值为6.8。全流域模拟参数率定。本文采用控制整个黑河上游山区流域的莺落峡水文站1990年j993年 的实测流量数据与topmodel模拟流量数据进行比较，作为模型参数的率 定期，并用nash模型系数r2 （确定性系数）来评价模型模拟精度。在模型率定期，r2值为46. 16%,模拟流量和实测的流量过程拟合一 般，模型基本能够适应研究区实际情况。模型验证。在保持率定期模型参数设置不变的情况下，本文以1994 年2000年为验证期，进行topmodel验证。将1994年2000年的气象水 文数据输入模型。在验证期，模型的效率为4

23、0.18,模拟流量和实测的流 量过程拟合一般，模型基本能够适应研究区实际情况。3.2 土壤含水量模拟（一）模型验降水、蒸发、流量资料处理与插值计算。黑河莺落峡流域内有七个气象站:札马什克、瓦房城、肃南水流沙、双 树寺、祁连、高崖、莺落峡。本文采用该流域气象站1990-2000年的实测 降水、蒸发量资料，气象数据时间步长为24h。对于流域的逐日降水量和蒸发量数据，本文采用较常用的泰森多边形 法进行计算处理。（二）建模过程与参数本文采用新安江模型、topmodel模型、改进型topmodel模型分别 对黑河莺落峡流域1990-2000年的土壤日平均含水量进行模拟。其建模过 程和参数与流域径流模拟建

24、模过程与参数一致。（三）模拟结果通过1990年2000年逐日土壤含水量模拟。分析此图表明，新安江模 型模拟的土壤含水量最小值为2mm,最大值为14mmo topmodel模型模 拟的土壤含水量最小值为-1mm,最大值为5mmo改进型topmodel模型 模拟的土壤含水量最小值为11 mm,最大值为26mm。同时，三种模型模拟的土壤含水量均冬季较小，而夏季较大，其年际 变化与流域降水量的年际变化基木一致。4总结本文主要采用新安江模型和topmodel模型二种模型模拟了黑河上游 山区流域的日径流过程和流域平均土壤含水量，同时对模拟结果进行分析比较。本文主要结论归纳如下:（1）本文将新安江模型、to

25、pmodel模型二种模型应用于黑河上游山 区流域的径流量模拟。在黑河上游山区流域，模型以莺落峡水文站为流域 出口径流观测站，选取1990-1993年作为模型的率定期，1994-2000年作 为模型的验证期进行径流模拟；采用nash模型效率系数r2來评价模型效 率。（2）总的说来，新安江模型和topmodel模型都较好地模拟了黑河 上游山区流域。其中，topmodel模型的适应性最好，新安江模型次之。（3）dem是水文模型的基本数据来源，dem的空间分辨率对流域数 字地形信息的提取以及模型的最终模拟结果有重要影响，特别对以地形为 基础的topmodel影响非常大，今后应该对这方面进行进一步的研究，提 高dem精度。（4）由于土壤分布具有高度的非均匀性，且目前缺乏对研究区域内 土壤含水量的真实而独立的观测，因此，证实和进一步解释模型模拟得到 的土壤含水量变化仍是冇待进一步研究解决的问题。参考文献 张建 云.中国水文预报技术发展的回顾与思考j 水科学进展,2010,212 毛慧慧，延耀兴.水文预报方法研究现状与展望j科技情报开发 与经济,2005,15（19）3 王文，马俊.若干水文预报方法综述j 水利水电科技进展,2005 , 25（1）4 彭伟基于三种水文模型的流域径流模拟和土壤含水量模拟应用研 究d.雅安:四川农业大学,2009: 11-50.application an