第4章流域动态模型-应用模型汇总

第四章流域动态模型

--应用模型综述易善桢,手机子信箱：yisz@章节安排1数字流域概述2数字高程模型3静态模型4动态模型5,6,7,8流域时空数据模型10流域数据获取9流域数据存储传输与处理11数字流域模拟及应用内容1气候与降水模型2水力模型3水文模型4侵蚀与沉积模型5水环境模型6陆面过程模型7生态系统模型8水资源管理模型坡面流：蓄满产流

坡面流：超渗产流

河道流

雷暴雨

锋面雨

壤中流

年降雨、蒸发日降雨、蒸发砂砾石含水层地下水流流域水文气象的时空尺度

气象地表水文地下水文SpaceTime流域动态模型分类流域动态模型环境过程模型水资源调度模型1气候与降水模型2水力模型3水文模型4水质模型5侵蚀与沉积模型6陆面过程模型7生态系统模型8水资源管理模型洪水调度模型发电调度模型灌溉调度模型生态调度模型

1气候与降水模型对流雨地形雨台风雨锋面雨气候模型大气环流模式GCM三维气候模型GCM守恒方程：能量、动量、质量、水汽物理过程：成云、地面-大气热量传输GCM起源于天气预报然而，许多天气预报的短时间尺度过程：辐射、地面物理、边界层物理、云、冰雪，…，没有被包括。气候物理系统数学方程–动量守恒卫星反演海面风速质量守恒、能量守恒卫星绘出飓风季海面温度图

湿度守恒、状态方程风云三号卫星微波湿度计模型仿真ModelSimulation降水预报模型MM5模式fifth-generationMesoscaleModelMM5是美国宾夕法尼亚州立大学／国家大气研究中心(PSU／NCAR)从二十世纪80年代以来共同开发的第5代区域中尺度数值模式.

WRF模式WeatherResearchandForecast

WRFPhysicsDiffusionRadiation(longwaveandshortwave)Surface(surfacelayerandland-surface)PlanetaryBoundaryLayerCumulusParameterizationMicrophysics站点降水到面降水的方法反距离权重插值方法站点平均估计泰森多边形最近邻域插值空间统计插值降雨测量地面站地面雷达卫星遥感地面站地面雷达卫星遥感反距离权重方法其中ns-1是邻接站数量，Θj,n是位置j站点观测值，dα,j是站j和基站α的距离，f是指数，取值为1.0~6.0，降雨插值方法站点平均估计方法降雨插值方法泰森多边形最近邻域插值降雨插值方法泰森多边形面降雨量计算地统计方法Estimatingthemissingvalue,降雨插值方法神经网络方法

降雨插值方法气候降尺度插值估计降雨插值方法AnnualPrecipitation面降水量的栅格表示2水文模型流域水循环过程示意图水文系统模型分类系统模型：不考虑流域物理过程，模型的建立基于输入和输出时间序列的分析。通过输入和输出的信息来研究系统的转化特性和反应特征，也称黑箱法或经验法。分布式物理模型：通过水循环的动力学机制来描述和模拟流域水文过程的数学模型。模型根据水介质移动的物理性质来确定模型参数，可以更加准确详尽的描述和反映流域内真实的水文过程，也称白箱法。概念集总式水文模型：将流域进行概化为一定的单元，将单元做为一个整体进行研究的水文模型，模型中的变量和参数通常采用平均值。主要用于降水-径流(Rainfall-runoff)模拟.随机模型：用概率或随机过程进行的建模，相同的模型输入，产生随机性的模型输出。其中概率模型把水文事件当作时间无关的随机变量，用概率分布表示；随机模型把水文事件时间有关的随机过程。地表水文模型地下水模型决定性模型Ataxonomyofhydrologicalmodels

决定性模型：相同的模型输入，产生相同的模型输出，描述水文现象的必然性规律。

TypesofMathematicalModelsProcessrepresentationPhysicallyBasedDerivedfromequationsrepresentingactualphysicsofprocessi.e.energybalancesnowmeltmodelsConceptualShortcutsfullphysicstocaptureessentialprocessesLinearreservoirmodelEmpirical/Regressioni.etemperatureindexsnowmeltmodelStochasticEvaluateshistoricaltimeseries,basedonprobabilitySpatialrepresentationLumpedDistributed概念集总式与物理分布式8个集水区Catchment4km网格Grid概念水文模型降水地面径流壤中水径流地下水径流蒸散发截留填洼出流坡地河网土壤持水量基于物理的分布式模型PhysicallyBased,distributedPhysics-basedequationsforeachprocessineachgridcellSeedhsvm.pdfKellenersetal.,2009Prosandcons?流域分布式水文模型的一般框架概念-半分布式模型集水区等流时线及面积过程线流域出口水文过程线图

Hydrograph地表和地下水模型地下水三维模拟GEOSS-AsianWaterCycleInitiativeFloodWG3水力模型

一维水力方程：运动波、扩散波、动力波连续方程（质量守恒）动量守恒A：横断面积Q：河道流量q：单位长度从坡面流到河道的横向流x：纵向坐标g：重力加速度S0：底床坡度Sf：摩擦坡度压力梯度项

惯性加速度项二维圣维南方程质量守恒动量守恒Two-DimensionalModelingXDirectionYDirection洪水制图应用CRWR-PreProAVRasWatersurfaceprofilesArcViewGeometricdataParametersSchematicFlowdischargeHEC-HMSHEC-RASGIS数据库水文模型水力模型基于GIS的洪水制图4侵蚀与沉积模型雨滴侵蚀RaindropErosion片流侵蚀SheetErosion细沟侵蚀RillErosion冲沟侵蚀GullyErosion河道侵蚀ChannelErosion流域水土流失Theequation:A=RxKxLSxCxPA=averageannualsoilloss(tons/acreyear)R=rainfallandrunofferosivityindexK=soilerodibilityfactorL=slopelengthfactorS=slopesteepnessfactorC=crop/managementfactorP=conservationorsupportpracticefactor年平均土壤丢失沉积与河口淤积现代黄河三角洲共造陆3000平方公里长江口的三角洲与沙洲5水环境模型1、流域概化模型2、水质模型3、非点源污染模型污染源概化模型污染源沿程位置概化污染源源强概化若排污口距离较近，可把多个排污口简化成集中的排污口。如下图所示，1号、2号、3号排污口可合并为1个排污口1#。上界下界上界123下界1#上界下界上界123下界1#水质模型一维水质模型。二维水质模型。在模型计算时尤其是对于大江大河的水环境容量计算，必须结合混合区或污染带的范围进行容量计算。非点源污染模型非点源污染负荷模型用来计算一定流域内由非点源污染造成的各种污染物的输出情况。我国实用的非点源污染控制模型尚处在初步应用阶段。SWAT模型的污染物迁移示意图

SWAT模拟模型流程陆面过程是能够影响气候变化的发生在陆地表面的土壤中控制陆地与大气之间动量、热量及水分交换的那些过程；6陆面过程模型蒸发水面蒸发土壤蒸发植被蒸发陆面蒸发水面蒸发上式中：W----水面蒸发速度(gcm-2日-1或mm日-1)A----与风速有关的比例系数

P----当时的大气压力

E----水面温度下的饱和水汽压

e----贴近水面空气的实际水汽压

道尔顿（Dalton）水面蒸发定律陆面蒸发土壤蒸发规律流域生态系统河流生态系统湖泊生态系统1.植物的分布：浅水以挺水植物和浮游植物为主，深水区分布着大量的浮游植物，以单细胞藻类为主。2.动物的分布：由于不同植物分布在不同的水层，决定了不同食性动物的分布。（如：四大家鱼）湿地生态系统陆地生态系统7生态系统模型8水资源管理模型水资