遥感水文耦合模型的研究进展
赵少华;邱国玉;杨永辉;吴晓;尹靖
【期刊名称】《生态环境学报》
【年(卷),期】2006(015)006
【摘要】遥感水文的耦合模型在目前生态环境领域,特别是在水资源的应用和管理中其作用日益重要,具有大流域尺度上快速应用、实时动态监测等优点.结合国内外近年来取得的研究成果,文章综述了遥感水文耦合模型的研究进展.首先介绍了遥感技术在水文学中的应用,讨论了它的分类发展概况,接着介绍了几种主要的遥感水文耦合模型及其应用实例,包括SCS(Soil Conservation Services)模型、SiB2(Simple Biosphere Model version 2)简化生物圈模型、SRM(Snowmelt Runoff Model)融雪径流模型以及SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型,最后展望了遥感水文耦合模型未来的发展趋势,指出尺度问题上的时空变异性仍是其发展的关键,与GIS(Geographic information system)及其他空间技术的相结合是其未来发展的重要方向,从而为水文学、水资源的预测评价等研究提供参考.
【总页数】6页(1391-1396)
【关键词】遥感;水文;径流;流域
【作者】赵少华;邱国玉;杨永辉;吴晓;尹靖
【作者单位】北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室//北京师范大学资源学院,北京,100875;中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心//河北省节水农业重点实验室,河北,石家庄,050021;北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室//北京师范大学资源学院,北京,100875;中国科学
生态环境 2006, 15(6): 1391-1396 https://www.doczj.com/doc/e416292724.html, Ecology and Environment E-mail: editor@https://www.doczj.com/doc/e416292724.html, 基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX-SW-446） 作者简介：赵少华（1980－），男，博士研究生，主要研究方向为农业生态及遥感水文生态。Tel: +86-311-85814806; E-mail: zshyytt@https://www.doczj.com/doc/e416292724.html, *通讯作者 遥感水文耦合模型的研究进展 赵少华1, 2，邱国玉1，杨永辉2 *，吴 晓1，尹 靖1 1. 北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室//北京师范大学资源学院，北京 100875； 2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心//河北省节水农业重点实验室，河北 石家庄 050021 摘要：遥感水文的耦合模型在目前生态环境领域，特别是在水资源的应用和管理中其作用日益重要，具有大流域尺度上快速应用、实时动态监测等优点。结合国内外近年来取得的研究成果，文章综述了遥感水文耦合模型的研究进展。首先介绍了遥感技术在水文学中的应用，讨论了它的分类发展概况，接着介绍了几种主要的遥感水文耦合模型及其应用实例，包括SCS （Soil Conservation Services ）模型、SiB2（Simple Biosphere Model version 2）简化生物圈模型、SRM （Snowmelt Runoff Model ）融雪径流模型以及SWAT （Soil and Water Assessment Tool ）模型，最后展望了遥感水文耦合模型未来的发展趋势，指出尺度问题上的时空变异性仍是其发展的关键，与GIS （Geographic information system ）及其他空间技术的相结合是其未来发展的重要方向，从而为水文学、水资源的预测评价等研究提供参考。 关键词：遥感；水文；径流；流域 中图分类号：P338.9 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）06-1391-06 水文模型是以水文系统为研究对象，根据降雨和径流在自然界的运动规律建立数学模型，通过电子计算机快速分析、数值模拟、图像显示和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[1]。通过对各种参数的计算，水文模型可以对河流、流域、径流以及水体等进行监测预报、水资源调度等。然而随着社会的发展和科学技术的不断进步，对水文模型的功能要求也越来越多，也越来越高，从单纯的流域某控制断面的洪水预报到全流域的洪水、水资源调度，导致模型的框架结构越来越复杂。地理信息技术和遥感技术的发展更是大力促进了水文模型的应用和发展。对于遥感在水文模拟中的应用，Schultz [2]举出了利用多光谱Landsat 卫星数据估算模型参数、利用NOAA 红外卫星数据作为模型的输入量来计算历史的月径流量以及应用雷达测雨数据于分布式模型中来实时预报洪水的三个例子。水文模型需要大量的空间数据，通过遥感技术可以为其提供DEM （数字高程模型）、土地覆盖/利用、降雨、地表温度、土壤特性、LAI （叶面积指数）和蒸散发等资料[3-5]。 遥感水文的耦合模型是流域水文模型发展的一个重要方向，有广阔的发展前景。简单来说，遥感水文耦合模型就是与遥感信息相结合的水文模型，模型中可以直接或间接地应用遥感资料，通过遥感水文耦合模型可以在更大范围内更准确地估算流域的水文概况、水体变化监测、洪水过程监测 预报等。然而目前国内外对遥感水文耦合模型的研究还不多，还没有对该方面的研究做系统深入的报道，本文正是基于此目的，综述了近年来遥感水文耦合的模型在国内外取得的研究成果，分别讨论了它的分类发展概况、几种主要的遥感水文耦合模型及未来的发展趋势，以期为水资源、水文学的预测评价研究等提供参考。 1 遥感技术在水文学中的应用 遥感技术在水文学中的应用大致可分为两个方面：一是直接运用：如降雨量变化的估算[6]、水体（湖泊、湿地等）面积变化的推算[7-10]、冰川和积雪的融化状态监测以及洪水过程的动态监测等（其中监测洪水过程的动态最具有代表性）。如Zhang 等[11]在长江的汉口段流域上，提出利用高分辨率的QuickBird 2 卫星影像资料估算河流流量的方法，该法通过与河流宽度－水位及遥测水位－流量关系曲线耦合来测量河流水面宽度变化，从而准确评估其流量。二是间接运用：利用遥感资料推求有关水文过程中的参数和变量。通常是利用一些统计模型和概念性水文模型、经验公式等，结合遥感资料来获取诸如径流、水质（如全氮TN 、全磷TP 、悬浮物SS 、化学需氧量COD 、生物需氧量BOD 等）、 土壤水分等水文变量[12] ，如对径流的估算，可通过估算降雨、截流、蒸散发和土壤蓄水量等参数来进行[13]。对于全球或区域尺度上的蒸发估算，遥感技术不仅具有对大面积地面特征信息同时快捷获得
流域水文模型研究现状及发展趋势 发表时间：2018-09-11T16:04:44.667Z 来源：《基层建设》2018年第24期作者：王慧锋 [导读] 摘要：地球上的水文事件，是一种诸多因素相互作用的结果，在尚未找到复杂水文现象的科学规律之前，通过建立水文模型来仿真有关水文事件是一种合理、可行的途径。 安徽国祯环保节能科技股份有限公司安徽省 230088 摘要：地球上的水文事件，是一种诸多因素相互作用的结果，在尚未找到复杂水文现象的科学规律之前，通过建立水文模型来仿真有关水文事件是一种合理、可行的途径。随着计算机技术和一些交叉学科的发展，分布式物理模型被广泛提出，并逐渐成为21世纪水文学研究的热点课题之一。基于此，本文主要对流域水文模型研究现状及发展趋势进行分析探讨。 关键词：流域水文模型；研究现状；发展趋势 1、前言 流域水文模型是为模拟流域水文过程所建立的数学结构，在进行水循环机理的研究和解决生产实际问题中起着重要的作用，能有效应用于水文分析、水文预报、水资源开发、利用、保护和管理等方面。目前，国内外开发研制的流域水文模型众多，结构各异，按照不同的分类方法可划分为不同类型的流域水文模型。 2、模型的发展及现状 流域水文模型的研究始于20世纪50年代，早期主要依据传统产汇流理论和数理统计方法建立数学模型，应用于水利工程规划设计和洪水预报等领域。其间系统理论模型和概念性水文模型得到了快速充分的发展，国外曾出现了几个著名的概念性水文模型。比如，最简单的包顿模型和最具代表性的第Ⅳ斯坦福模型。包顿模型是澳大利亚的包顿（W.C.Boughton）先生于1966年研制成功的一个以日为计算时段的流域水文模型，在澳大利亚、新西兰等国有着广泛的应用，比较适用于干旱和半干旱地区。由N.H.克劳福特先生和R.K.林斯雷先生研制的第Ⅳ斯坦福模型（SWM-IV）是世界上最早也是最有名的流域水文模型，此模型物理概念明确，结构层次分明，为以后许多模型的建立提供了基础。此后比较有名的还有萨克拉门托模型和水箱模型。水箱模型是对水文现象的一种间接模拟，模型中并无直接的物理量，参数简单，操作简便，在我国湿润地区的水文计算和水文预报中采用较多。 水箱模型由菅原正已先生在20世纪50年代提出，对我国流域水文模型的发展影响较大。国内的流域水文模型在20世纪70年代至80年代中期也得到蓬勃的发展，其中典型代表为赵人俊教授等于70年代提出的新安江模型。新安江模型在湿润半湿润地区得到广泛应用，模拟精度也比较高，对我国水文模型的发展起了重要的作用。 1969年，当概念性水文模型的研究开展得如火如荼时，Freeze和Harlan提出了分布式水文物理模型的概念和框架，但当时的相关研究并不多。20世纪80年代以后，流域水文模型开始面临着许多新的挑战，包括水文循环的规律和过程如何随时间和空间尺度变化而变化的问题，水文过程的空间变异性问题，还有水文、地球化学、环境生态、气象和气候之间的耦合问题。以前研制的大部分流域水文模型（系统模型和概念性模型），由于其自身存在着许多不足和局限性，无法适应这些挑战。因此，人们开始关注分布式水文物理模型的研究。在20世纪90年代，计算机技术、GIS、遥感技术和雷达测雨技术等迅速发展，为研制和建立分布式水文物理模型提供了强大和及时的技术支撑，使得分布式水文物理模型成为水文学研究的热点课题之一。 第一个具有代表性的分布式水文物理模型由英国、法国和丹麦等国家的科学家联合研制而成，发表于1986年，称之为SHE模型。该模型主要的水文物理过程均用质量、能量和动量守恒的偏微分方程的差分形式来描述，也采用了一些经验关系；模型模拟流域特性、降水和流域响应的空间分布信息在垂直方向用层来表示，水平方向则采用正交的长方形网格来表示，能较好地描述降雨径流形成机理。从SHE模型开始，人们先后研制建立了一些分布式水文模型，例如MIKESHE、SHETRAN等，这些演化模型在许多流域得到检验和应用。我国水文学者在这方面的研究也取得了一些进展：黄平先生[1]等提出了流域三维动态水文数值模型；郭生练先生[2]等提出和建立了一种基于DEM的分布式水文物理模型，模拟整个流域的径流形成过程，分析径流形成机理；夏军先生[3]等开发了分布式时变增益水文模型，该模型既有分布式水文概念性模拟的特征，同时又具有水文系统分析适应能力强的特点，能够在水文资料信息不完全或不确定性的干扰条件下完成分布式水文模拟与分析；研究者提出了一个基于DEM的分布式水文模型，主要用来模拟蓄满产流机制，并通过实例检验模型模拟流量过程以及土壤需水量空间分布的能力；研究者等对分布式水文模型的发展现状进行了详尽概述，并对其发展前景作出展望。 3、模型研究展望 在经历了最初的萌芽与蓬勃发展之后，随着先进的计算机技术及地理信息系统、数字化高程模型等在水文学领域的应用，流域水文模型的发展进入了一个新的历史时期，其研究方法必将产生根本性的变化： （1）具有物理基础的分布式水文模型能为真实地描述和科学地揭示现实世界的降雨径流形成机理提供有力工具，是一种发展前景看好的新一代水文模型。另外，分布式水文模型所需资料主要来自空间水文、气象及下垫面等方面的信息，对实测降雨径流资料的依赖较小，这使得其在无资料及资料精度不高的地区有更好的适应性，也较集总式概念性水文模型有更广阔的发展空间。 （2）加强分布式水文模型的物理基础研究、更加合理地模拟和描述水文过程，是改善模型结构和明确参数意义的关键。对水文学基本理论的研究，尤其是降雨径流形成机理与地形、地貌、土壤、植被、地质、水文地质、土地利用和气候气象之间定量关系的揭示，将在本质上推动模型的发展，使其物理意义更加明确，对水文规律的模拟更加贴近真实情况。 （3）GIS和遥感技术为水文模拟提供了新的研究思路和技术方法。GIS用于水文模拟，可以用来获取、操作及显示与模型有关的空间数据和所得的成果，使模型进一步细化，从而深入认识水文现象的物理本质，为分布式的水文物理模型研制提供了平台。遥感技术可以提供一些确定产汇流特性和模型参数所必需的下垫面信息和降雨信息，是描述流域水文特性的最为可行的方法，尤其是在地面观测手段和资料缺乏的地区。 （4）尺度问题是当代水文学理论研究的中心内容。近些年来物理性水文模型的最新进展反映了目前处理尺度问题的几种研究思路，其中在物理性和计算效率之间取得平衡的准物理性水文模型、基于不规则网格的物理性水文模型以及直接在宏观尺度上建立数学物理方程的尺度协调的物理性水文模型都有了明显的突破，在一定程度上代表着物理性流域水文模型的发展方向。 4、结语 传统的概念性集总式模型由于忽略了参数和下垫面条件的时空变化，将参数和变量都取流域的平均值，这与流域的实际情况并不相
水文学的现状及未来 芮孝芳梁霄 (河海大学水文与水资源学院，江苏南京210098 ) 摘要：水文学已发展成为具有众多分支学科的博大精深的学科体系。分析了水文现象的复杂性及还原论的缺陷，探讨了水文学发展的动力，总结了现行水文学的理论基础及局限性，指出了流域水文模型的发展中可能的误区。最后，对水文学必须从“线性”向“非线性”拓展作了初步讨论。 关键词：水文现象；水文学方法；还原论；非线性流域；水文模型 1 水文现象的复杂性与还原论的缺陷 水文现象是大气过程与下垫面条件共同作用的产物[1]。相同时空分布的降雨降落在不同下垫面条件的流域，以及不同时空分布的降雨降落在相同下垫面条件的流域，都会形成不同的洪水过程和不同的时间序列。根据现有的认识水平，水文现象的复杂性主要表现为： ·水文现象的时空变化既有确定性表现，又有不确定性表现，而且许多水文现象不确定性方面的表现更为强烈。 ·水文现象的确定性表现既有周期性表现，又有非周期性表现。非周期性表现又有因果性和趋势性之分。 ·水文现象的不确定性表现可能有随机性、灰性、模糊性、突变性、混沌性等不同形式。随机性又有纯随机性、平稳随机性和非平稳随机性之分。 ·水文现象时空跨度很大，时空变异性大多数表现十分强烈。 ·不同尺度的水文现象之间非相似性表现十分强烈。 ·水文现象与天气现象比较，更易受到人类活动的影响。 可见水文现象已经够复杂了！但由于受到人类认识自然能力的限制，我认为水文现象的复杂性可能还没有被充分揭示出来。正因为水文现象如此复杂，所以当人们用“还原论”[2]讨论水文的规律时，有时就会碰壁。
还原论认为，通过将事物分解成越来越精细的组成部分就能最终对其做出彻底的理解。将这种“还原论”用于分析河道中洪水波运动可以说相当成功，用于分析降雨径流形成也基本成功，而用于分析水文循环时空变化和径流长期演变就碰壁了。因为水文循环是一个由多路径、多尺度构成的及其复杂的系统，企图用还原论对其做出彻底的理解几乎是不可能的，因此，有必要另辟蹊径来解决此类问题。此时遇到的最大挑战就是，应该用什么样的数学物理工具来恰如其分、完整地描述如此复杂的系统呢？ 2水文学的分支及发展动力 地球系统是由四大圈层构成的。研究大气圈的是为大气科学，研究岩石圈的是为地质科学，研究生物圈的是为生物科学，研究水圈的是为由水文学和海洋学组成的水科学。作为一种独立学科，水文学也许是一个后字辈，但在近半个世界里却得到了快速发展，已经与其他学科交叉形成了庞大的学科体系和众多的分支学科[3]。按研究水体分（图1），有流域水文学、河流水文学、湖泊水库水文学、地下水水文学、河口水文学、湿地水文学、冰川水文学和全球水文学等。按服务于经济社会分（图2），有工程水文学、桥涵水文学、城市水文学、农业水文学、森林水文学、水资源水文学、环境水文学等。按交叉学科或研究方法分（图3），有物理水文学、动力水文学、系统水文学、随机水文学、确定性水文学、计算水文学、数字水文学、气象水文学、地理水文学、地貌水文学、生态水文学、水文测量学、水文信息学和同位素水文学等。 图1 水文学按照研究水体的分类
斯坦福流域水文模型SWMM研究综述 摘要：自然界的水文现象,是一种多因素相互作用的复杂过程,由于其形成机理还不完全清楚,水文模型成为一种研究复杂水文现象的重要工具。本文在在查阅文献的基础上,从斯坦福流域水文模型，国内外 SWMM 研究进展，斯坦福模型主要组成，其他流域水文模型的研究进展个方面对斯坦福模型的研究现状及进展进行了整理和分析，并在此基础上探讨了流域水文模型研究的发展趋势。关于流域水文模型的研究成果有目共睹，但仍需要深入研究。总之,流域水文模型与GIS、遥感技术的结合越来越多的受到重视,必将成为今后研究中的一个主要方面。 关键词：斯坦福流域水文模型；综述；研究进展； 1.斯坦福流域水文模型 流域水文模型的起源是从水文预报模型开始的,即降雨-径流模型。1932年Sherman用叠加原理提出了单位线模型，单位线模型统治水文界20多年。随后Nash和Dooge对单位过程线进行了改进,提出了连续变化的暴雨响应模型。 第一个真正的流域水文模型就是1959年Linsley&Crawford开发的斯坦福流域水文模型，并经过改进和扩展,于1966年发展了SWM-IV。属于概念性集总式水文模型,将整个流域看作一个整体,不考虑流域内的空间变化,数据输入、流域特征描述(土壤类型、土地利用和坡度)通常采用平均值。这个时期的水文模型应用计算机模拟水循环系统,而不是简单地利用数学公式计算洪峰和降雨-径流关系。模型已可以模拟降雨、截留、入渗、蒸散发、河道流等水文过程,但模型中的参数大都缺乏明确的物理意义,以经验公式为主,不能反映流域水文过程空间上分散性输入和集中性输出的特点,且模型参数对水文实测资料的依赖性很大,无法模拟产汇流的空间分布规律,以及气候变化、土地利用/覆被等因素对水文过程变化的影响;这个时期的模型还主要表现在以模拟水量为主,无法模拟污染物等的迁移。虽然这些模型考虑的因素较粗,模拟精度不足,但在资料不完善地区仍然应用广泛。 HSPF模型是在斯坦福模型(Stanford-IV)的基础上发展萨克模型是集总参数型的连续运算的确定性流域水文模型,是在第IV斯坦福模型基础上改进和发展的。 2.国内外SWMM研究进展 2.1国外SWMM 研究进展 SWMM 是由美国环保局于 1971 年推出的，在世界各地获得了广泛的关注，为降雨径流方面的研究提供了可靠的技术支持，并且应用在面源污染负荷计算、城市防洪、雨洪调蓄、径流计算、雨水利用等方面。1975 年 Marsalek等人对美国3 个流域内的12 场暴雨事件
第18卷 第5期岩石力学与工程学报18(5):497～502 1999年10月Ch inese J ou rna l of R ock M echan ics and E ng ineering O ct.,1999 渗流的流固耦合问题及应用 徐曾和 (东北大学岩石破裂与失稳研究中心 沈阳 110006) 博士学位论文摘要 渗流过程中的孔隙改变,既影响流体质量,又会引起介质渗透率的变化,导致非线性流固耦合作用。因此研究应力与孔隙压力共同作用下孔隙改变的机制是重要的。首先考察了经典渗流力学的基本假定,说明忽略总应力对孔隙改变的作用是经典渗流力学及其他非耦合理论不能研究流固耦合作用的基本原因。 饱和多孔介质是不溶混的混合物,内部孔隙结构对多孔介质整体和孔隙改变的响应方程有影响。导出了多孔介质的响应方程及有效应力系数Α1、孔隙改变的响应方程和有效应力系数Α2以及孔隙压缩模量K p。证明有效应力系数Α1和Α2小于1,K p小于固体基质的相应模量。它们都取决于组成多孔介质的固体基质的力学性质和孔隙结构。还证明了对于孔隙的变形,总应力比孔隙压力更重要。任何排除总应力影响的理论,其出发点均不尽合理。 研究了流固耦合机制。在渗流过程中,介质整体变形和孔隙变化是应力和孔隙压力相互作用的结果;孔隙改变会影响两相物质之间的扩散力和流体的质量守恒方程;扩散力和孔隙压力对两相物质的动量守恒有影响。这是一些主要的耦合机制。在混合物理论的基本框架内建立了渗流耦合问题的基本方程,考虑了流体与固体之间的多种耦合作用,如线性耦合、非线性耦合、非牛顿流体渗流的耦合作用、饱和多孔介质的动力响应等;由于渗流定律是孔隙流体动量守恒方程的特殊情况,应用混合物理论可以从实验得到的非线性一维渗流定律导出非线性渗流的三维定律;从上述研究还容易看出,B i o t的三维固结理论只考虑了多孔介质整体压缩(膨胀)对流体动量守恒方程的影响,反映了流体与固体之间最简单的、线性的相互作用。 对某一边界上正应力和孔隙压力为常量的渗流耦合问题,提出了一种解耦方法,并得到了平面应变和广义平面应力状态下,含圆孔的饱和多孔地层中定量抽放和定压抽放问题的解析解。通过这些解答可以看出,对于稳定渗流,线性耦合理论(B i o t 理论)与非耦合理论没有差别;对非稳定渗流,线性耦合理论与经典渗流力学有明显的量的差别,但没有性质的变化。与弹性:若不考虑渗透率的变化,可压缩流体渗流引起的非线性相互作用以一个高阶小量体现出来,因此与近似的非耦合分析的结果相差不远。 研究了稳定渗流和非稳定渗流情况下非线性流固耦合问题的特点,并求出了含单一圆孔的问题和单向渗流问题的解答。从中可以看出,非线性耦合问题与不耦合的经典渗流力学和弹性力学,不仅在量值上有明显差别,性质也有不同;并指出,非稳定渗流需要考虑更多的因素。当渗流达到最终的稳定状态时,某些因素,如原岩应力强度对渗流的影响消失。并研究了初始应力对渗流的影响。 证明了可变形多孔介质一维稳定渗流时,小试件内的孔隙压力梯度在流动方向上是不均匀的。仍然沿用经典渗流力学的方法测试渗透系数,将导出流体质量不守恒的不合理推论。由此提出了可变形多孔介质渗透系数的新的测试方法。结合渗流的实验研究和微分方程反问题的数学方法,可得到可变形多孔介质的渗透系数。对粒状多孔介质进行的试验表明,按不同的试验方法得到的渗透系数相差较大。 关键词 渗流,多孔介质,饱和,孔隙变化,混合物,解耦方法,线性相互作用,非线性相互作用,可压缩流体,渗透系数,测试方法,反问题 FL U I D-S OL I D INTERACT I ON OF SEEPAGE AND ITS APPL I CAT I ON Xu Zenghe (Cen ter f or R ockbu rst and Ind uced S eis m icity R esea rch,N ortheastern U n iversity, S heny ang 110006 Ch ina) 1999年7月11日收到来稿。 作者徐曾和简介:男,1958年生,1998年在东北大学采矿工程专业获博士学位,导师是徐小荷教授;现在东北大学工作,主要从事岩石失稳破裂与渗流耦合问题的研究。 ? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. https://www.doczj.com/doc/e416292724.html,
近几十年,新安江模型不断改进,已成为有我国特色应用较为广泛的一个流域水文模型。新安江模型是分散型模型,把全流域按泰森多边形法分成若干块,每一块称为单元流域。在每块单元流域内至少有一个雨量站;单元流域大小要适当,使得每块单元流域上的降雨分布相对比较均匀,并尽可能使单元流域与自然流域的地形、地貌和水系相一致,以便于能充分利用小流域的实测水文资料以及对某些问题的分析处理。新安江模型的结构分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流计算4个层次。蒸散发计算采用3层模型;产流计算采用蓄满产流模型;用自由水蓄水库结构将总径流划分为地表径流、壤中流和地下径流3种;流域汇流计算采用线性水库;河道汇流计算采用马斯京根分段连续演算法或滞后演算法。对划分好的每块单元流域分别进行蒸散发计算、产流计算、水源划分计算和汇流计算,得出单元流域的出口流量过程。对单元流域出口的流量过程进行出口以下的河道汇流计算,得到该单元流域在全流域出口的流量过程。将每块单元流域的出流过程线性叠加,即为全流域出口总的流量过程。新安江模型的结构特点可以简单的归纳为:(1)三分特点,即分单元计算产流、分水源坡面汇流和分阶段流域汇流;(2)模型参数少且大多数具有明确的物理意义,容易确定;(3)模型参数与流域自然条件的关系比较清楚,可以寻找到参数的区域规律;(4)模型中未设超渗产流机制,适用于湿润与半湿润地区。王金忠、胡环[4]利用新安江模型对清河水库产流进行了预报。吉林省水文水资源局[5]利用新安江三水源模型对竞赛流域的洪水进行了预报。李致家[6]等利用改进的新安江模型对高理流域和临沂流域的洪水进行了预报。瞿思敏[7]等利用新安江模型与垂向混合产流模型对青峰岭水库和危水水库流域的洪水进行了预报和比较。这些预报结果都说明了新安江模型在湿润地区和半湿润地区具有较好的适应性,而在干旱半干旱地区的模拟效果则不够理想。此外,新安江模型在大中流域的模拟效果比在小流域的模拟效果要好。 ＳＡＣ模型虽然研制完成时间相对较晚,但是其功能较为完善。ＳＡＣ模型在美国的
流域水文模型研究进展 姓名：杨柳专业班级：水文学及水资源研1017班学号：1008150845 摘要：流域水文模型是水文研究的重要工具之一。本文较全面、较系统地对其概念、分类和国内外研究进展情况进行了综述，并简要介绍了分布式流域水文模型。探讨了未来的发展方向,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。 关键词：流域，水文模型，分布式流域水文模型，发展 Abstract:Hydrological model is an important tool for hydrological research. This more comprehensive, more systematic way of its concepts, classifications and research progress at home and abroad were reviewed, and briefly describes the distributed hydrological model. And it explored the future direction of development. I believe that it has important reference value and reference in peer-related work. Keywords:river basin; hydrological model; distributed hydrological model; development 1前言 流域水文模型把流域总体看成是一个系统，输入为降雨等，输出为出流流量等。流域内的水文过程则是系统的状态，是根据水文概念推理计算出来的。随着全球性缺水问题日益严重，水污染、水资源分布不均衡等问题的日益突出，就要求人们不断加强水文学的定量化研究，而流域水文模型就是其中发展较为迅速的研究领域。它有助于我们在利用水资源、分配水资源中提供合理的、科学的依据。流域水文模型在进行水文规律的研究和解决生产实际问题中起着重要的作用。因此，掌握常见的流域水文模型是必要的。 20世纪以来流域水资源问题日益突出，为了提高流域整体管理水平和科技水平，“数字流域”的建设正在日益兴起。模型建设尤其是流域水文模型的建设是“数字流域”建设的核心内容和基础工作。数字水文模型就是构建在DTN/DEM基础之上的一种分布式水文模型，先由DEM建立数字高程水系模型，再与数字产流模型和数字汇流模型有机结合形成数字水文模型，其基本框架见图1。数字水文模型是一种有物理基础结构的包含大量信息的现代化模拟技术，流域所有下垫面(诸如流域分水线、子流域集水面积、水系、地形、植被、土壤)都是栅格型数字式的点阵，流域产流单元、汇流路径、水系是根据地形由计算机自动生成[1]。 2流域水文模型的概念及分类 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地探索和研究，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
文章编号:1671-3559(2004)02-0123-04 收稿日期:2003-12-03 基金项目:山东省科学技术发展计划资助项目(012050107);山 东省自然科学基金资助项目(Y 2002F19) 作者简介:郭术义(1971-),男,山东济南人,山东大学机械工 程学院博士研究生。 流固耦合应用研究进展 郭术义,陈举华 (山东大学机械工程学院,山东济南250061) 摘 要:流固耦合力学是一门新兴学科。本文简要介绍了该学科的典型应用进展情况,总结了各种研究中的典型方程、数值解法,展望了进一步发展的趋势。关键词:流固耦合;数值模拟;展望中图分类号:O35112;O34717 文献标识码:A 流固耦合力学是一门比较新的力学边缘分支, 是流体力学与固体力学二者相互交叉而生成的。它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场的影响。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用:固体在流体动载荷作用下产生变形或运动,而固体的变形或运动又反过来影响到流场,从而改变流体载荷的分布和大小。总体上,流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。本文就流固耦合问题的两大分类中三种基本情况进行了讨论。 1 流固耦合典型应用 流固耦合作用的研究在航空、航天、水利、建筑、石油、化工、海洋以及生物领域都有着十分重要的意义。如液体晃动对火箭飞行稳定性的影响,大型贮液管在地震激励作用下产生的流固耦合作用,液体湍振对输液管道的影响。本文就如下三个大方面进行了总结。1.1 输流管道流固耦合 流体引起输流管道振动的研究最初来源于横跨 阿拉伯输油管道振动的分析[1]。管道在众多的工业领域中应用十分广泛,作用极其重要。但是,在管道 内流体流动状态的微弱变化往往引起在工作过程中的湍振现象,诱发流体、管道之间的耦合振动,动力学行为相当复杂。这使得人们很早就开始了这方面的研究,Paidoussis M P [2]是其中最具有代表性的。输流管道的振动问题之所以能引起学者的兴趣,除因为该问题的广泛工业背景和现实意义之外,还因为输流管道虽然是最简单的流固耦合系统,但它却涉及了流固耦合的大多数问题,并且它的物理模型简单,系统比较容易实现,因而便于理论与试验的相互协同。 考虑因素侧重面的不同,输液管道非线性运动方程有几种类型[3-5],它们之间有一定的差别。它们的基本假设都是:流体无粘且不可压;管道作为梁模型来处理;管道只是在平面内振动。尽管输流管道的非线性动力问题受到50多年极为广泛的研究,但至今尚没有一个公认的模型。文[6]建立的4个独立变量(轴向位移、横向位移、流速和压力)的全耦合模型(耦合形式包含摩擦耦合、P oiss on 耦合、结合部耦合以及管道轴向和横向运动的耦合)在众多的非线性分析模型中是一个较为完整的模型。 m ¨u +m f [ υf (1+u ′)+2υf u ′+υ2 f u ″+ ωυ′f ]+ P (υf + u )/c 2F -[(1-2υ)P (1+u ′)]′+4f ρf ρ′?υ2f /DK -gm f (1-2υ)(1+u ′)ω′-EI (7ω″ω +ω′ ω )-E A p (2u ″+6u ′u ″+2ω′ω″ )/2=0(1)m ¨ω+m f [ υf (1+ω′)+2υf ω′+υ2f u ″+ω″υ2 f ]+ P (υf + ω)/c 2F -[(1-2υ)P ω′]′-gm +EI ω″″-EI (u ′ω′+6u ″ω +4u ′ω ′)-E A p (u ″ω′+u ′ω″ )=0(2) P /c 2F +m f [(1-2υ)( u +υf )u ″- u ′+υ′f ]-m f (1-2υ)( u ′+u ′ u ′+ω′ ω′ )=0(3)P ′+m f (¨u + υf )+m f ¨ωω′+gm f ω′+Df ρf υ2 f /2=0 (4)随着对输流管道问题研究的深入,各种不同的 分析计算方法也相继被提出。其中有限元法(FE M ) 第18卷第2期2004年6月 济南大学学报(自然科学版) JOURNA L OF J I NAN UNI VERSITY (Sci.&T ech 1) V ol.18 N o.2 Jun.2004
森林对水文的影响 唐恩勇 ( 贵州大学林学院水土保持与荒漠化防治091班) 摘要：森林与人类的生活息息相关，他不仅是可供人类开采利用的一种自然资源，更是人类及其他生命赖以生存的环境与物质基础。随着人类的发展进步，无论是生活和生产实践还是科学的研究探索，对于森林的作用都有一个深刻地认识，总的来说，森林的防护效益有这几个方面：森林的水源涵养作用，土壤改良及水土保持作用，气候和环境的改善与维持作用，大气污染、土壤污染、水体污染防治作用，各种生物资源的保护作用，人类健康保健与环境美化作用等等。水不仅是生命存在和延续的先决条件，而且是全球与局部气候状况的重要决定因素，随着人类文明的发展，人们对水的用途的要求越来越高，用量越来越大，然而，随着全球环境的改变，地球上的可以利用的水资源越来越少，征对森林对水资源的作用，森林的存在对于水文效应的影响，无论是从宏观还是微观，无论是从地上还是地下都有着不可替代的作用，研究森林对水文的影响，更有利于合理利用水资源、保护生态环境的对策和措施有效地实施。研究和认识森林对水文影响的规律，对于开发、利用水资源，防治水患，充分发挥森林的生态效益具有重要意义。 关键字：森林水文效应生态效益 为了认识森林对自然界水分运动的影响及所产生的效应。研究森林对水文的影响，它起源于19世纪中叶。1864年德国的 E.埃贝迈尔在巴伐利亚建立了第一个森林气象站，对林区降水量、土壤蒸发和枯枝落叶层对地面蒸发的影响进行了观察。1900年在瑞士的埃曼托尔山地的两个集水区，对森林和牧地、耕地进行了河流流量的对比观察。之后，日本、美国、苏联等国家相继开展了这方面的研究。20世纪中期以来，研究范围进一步扩大，手段日趋现代化。如在不同自然地域内开展各种林分的水量平衡和水质研究，探索不同林种、不同采伐方式对降水和径流的影响，找出最佳森林水文效益的林种和采伐、更新方式，以及在测试仪器和装置方面采用中子散射、无线电遥控、室内模拟等。中国最早是于1924～1926年在山西、山东等地的寺庙林里进行了径流试验。 1森林的地上部分对降雨的再分配过程 大气降水落到森林表面时，首先被森林植物地上部分截留引起降水的第一次分配。然后，当降水量足够大时，一部分降水到达枯枝
国内外遥感驱动的流域水文模拟 遥感技术应用中心路京选、宋文龙、曲伟 水循环过程及其影响要素的观测和数据获取对流域水文模拟具有重要意义。遥感影像的波谱能量特性，与水文循环和水文过程的能量过程具有相关的物理基础，具有服务于水循环过程关键因素反演与流域水文模拟的巨大应用潜力。尤其是遥感技术以其对地物的高光谱、高时相、高分辨率监测和反演优势，在流域水文模拟中的应用历来受到重视。尽管遥感技术无法直接测量河川径流，但是结合遥感提供的地形、土壤、植被、土地利用、冰雪覆盖、土壤水分和流域水系水体等下垫面状况信息，以及由遥感所反演的降水量和蒸散发等关键水文过程要素，在确定产汇流特性以及水文模型参数时十分有用。通过间接转化还可获得一些传统水文方法观测不到的信息，且遥感具有周期短、同步性好、及时准确、分布式等特点，能较好地满足水文模拟实时、空间分布的需求。与描述时空变异性、多变量或参数化的水文模型进行有效结合，可用于水文过程模拟及水循环规律研究。因此，直接或间接地应用遥感资料，能在多种时空尺度上更准确地服务于流域的水文情势分析、水资源评价、洪水过程监测预报等。 针对遥感技术在水利行业特别是流域水文模拟中的应用现状、前景和难点，报告首先对流域水文模拟的科学和管理意义、水文模型发展、遥感在驱动流域水文模拟定量化发展中的重要意义做了概述；其次，综述了遥感在流域水文模拟中的应用现状，包括直接获取相关要素的时空分布信息，为提高遥感信息精度和空间特性而将不同分辨率和精度数据进行的相互融合，以及结合模型算法实现水循环关键环节的空间尺度反演，用于流域水文模拟、参数率定和模拟精度验证等；最后，对近年来遥感在流域水文模拟应用中的发展新动向和关注点做了重点阐述，对推动我院在该领域的研究提出了具体建议。 1 调研背景概述 1.1 流域水文模型是水资源管理的基础 水文模型是对复杂水循环过程的近似描述，随着社会需求、技术发展和人对水循环规律认识的加深而不断发展。水文模型的发展可追溯到19世纪50年代，在一百多年的发展历程中，水文模型经历了萌芽、概念性模型和分布式模型三个主要发展阶段。20世纪50年代以前，水文模型大多
微观车辆跟驰模型对比研究 摘要：车辆跟驰模型是微观交通流模型研究的基础。本文对GM模型、线性模型、安全距离模型、AP模型、模糊推理模型和神经网络的车辆跟驰模型进行了详细的评述，从传统模型入手,分析其存在的优缺点,基于此又阐述了在传统模型基础上改进的模型或者是利用新的方法建立的模型,提出了目前还存在的没有解决的问题,并且对每个模型作了中肯的评价。为今后研究微观交通流模型提供一个比较全面的认识。 关键词：交通流;微观交通流;车辆跟驰模型;对比研究 1跟驰模型 跟驰理论是运用动力学方法,研究在无法超车的单一车道上车辆列队行驶时,后车跟随前车的行驶状态,并且用数学模型来表达并加以分析阐明的一种理论。跟驰理论只研究非自由行驶状态下车队的特性。非自由行驶状态的车队有以下三个特性:制约性、延迟性和传递性。自20世纪50年代以来,国外的学者对车辆跟驰模型进行了大量、系统的研究,发表了众多的研究成果,主要可以分为以下几类:刺激—反应模型、安全距离模型、生理—心理模型，模糊推理模型，神经网络的车辆跟驰模型。 2.1刺激—反应模型及评价 刺激—反应模型重在描述驾驶环境中各种刺激对驶员行为的影响,包括GM 模型和线性模型。 (1)GM（General Motor）模型 GM模型是从20世纪50年代后期逐渐发展起来的车辆跟驰模型。其一般表达式为: (1) 式中: ——t + T 时刻第n+1辆车的加速度; ——t时刻第n辆车与第n+1辆车之间的速度差; ——t时刻第n辆车与第n+1辆车之间的距离; c，m, l——常数。 GM模型形式简单,物理意义明确,许多后期的车辆跟驰模型研究都源于刺激—反应基本方程。但是GM模型通用性较差,这是因为在确定m和l的过程中存在大量的矛盾之处。另外,当前后车速相同时允许两车的车头间距无限减少直至为零,这显然是不合理的。 (2)线性模型 Helly提出的线性模型考虑了前面第一辆车是否制动减速对后车加速度的 影响项,有以下关系: (2) (3) ——期望跟驶距离; ,,α,β,γ——参数。 Helly认为应当与车头间距变量及反应时间T有关,这样就产生了m=0,l=1
流域生态水文模型研究进展 摘要：流域生态水文模型是全球变化下流域生态水文响应研究的重要工具，通过定量刻画植被与水文过程的相互作用及全球变化对流域生态水文过程演变的影响机制，为流域水资源管理和生态恢复提供科学支撑，是生态水文研究的前沿和热点。基于植被与水文过程相互作用规律，流域生态水文模型一方面要充分描述植被与水文过程相互作用和互为反馈机制，另一方面要精确刻画流域的空间异质性。本文在分析流域尺度陆地植被与水文过程相互作用特点的基础上，将现有流域生态水文模型进行归纳和分类，剖析不同类型模型的优缺点，并总结现有模型应用的代表性研究成果，最后，对流域生态水文模型存在的关键问题(如植被与水文相互作用机制的描述、模型参数的估计、模拟结果的不确定性分析等)进行讨论。 在全球变化加剧水资源危机的背景下，传统的水文学研究难以解决流域出现的新问题，生态水文过程的耦合研究日益引起学者们的关注[1-6]。国际地圈生物圈计划及联合国教科文组织(UNESCO)国际水文计划(IHP)等都将陆地植被生态过程与水文过程的耦合研究作为核心内容 1992年召开的国际水和环境会议首次将生态水文学作为一个独立的学科提出，其核心是在不同的时空尺度上揭示不同环境条件下植物与水的相互作用关系，为解决流域水资源危机和生态环境问题提供理论支持。指出生态水文耦合研究将是21世纪水文学研究最前沿和最激动人心的创新领域。流域生态水文模型是定量评估环境变化流域生态水文响应的重要工具，通过定量刻画植被与水文过程的相互作用及全球变化对流域生态水文过程演变的影响机制，为流域水资源管理和生态恢复提供科学支撑。目前，国内外对流域生态水文模型已开展了一定深度的研
题目：分布式水文模型的原理及其应用 学院名称水建学院 专业名称水文与水资源 学生姓名朱良哲 学号2009011728 指导老师严宝文
分布式水文模型的原理及其应用 摘要 分布式水文模型是在分析和解决水资源多目标决策和管理中出现的问题的过程中发展起来的，所有的分布式水文模型都有一个共同点：有利于深入探讨自然变化和人类活动影响下的水文循环与水资源演化规律。本文就几种分布式水文模型进行分类总结与比较，探讨其原理与应用。 关键字：分布式；水文模型；DEM；MIKE SHE；TOPMODEL；SWAT Distributed hydrological model is analyzed and deal with the water in multi-objective decision-making and management problems in the process of the development of up, all of the distributed hydrological model have one thing in common: to further discussed natural change and human activities under the influence of the hydrologic cycle and water resource evolution rule. This paper distributed hydrological model several classification summary and comparison, this paper discusses the principle and application. Key word: distributed; Hydrological model; DEM; MIKE SHE; TOPMODEL; SWAT 一、分布式水文模型-特点 与传统模型相比，基于物理过程的分布式水文模型分布式可以更加准确详细地描述流域内的水文物理过程，获取流域的信息更贴近实际。二者具体的区别在于处理研究区域内时间、空间异质性的方法不一样：分布式水文模型的参数具有明确的物理意义，它充分考虑了流域内空间的异质性。采用数学物理偏微分方程较全面地描述水文过程，通过连续方程和动力方程求解，计算得出其水量和能量流动。 二、分布式水文模型-尺度问题、时空异质性及其整合 尺度问题指在进行不同尺度之间信息传递（尺度转换）时所遇到的问题。水文学研究的尺度包括过程尺度、水文观测尺度、水文模拟尺度。当三种尺度一致时，水文过程在测量和模型模拟中都可以得到比较理想的反应，但要想三种尺度一致是非常困难的。尺度转换就是把不同的时空尺度联系起来，实现水文过程在不同尺度上的衔接与综合，以期水文过程和水文参数的耦合。所谓转换，包括尺度的放大和尺度的缩小两个方面，尺度放大就是在考虑水文参数异质性的前提
流固耦合定义：它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用,变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。 (一)流固耦合动力学：求解方法与基本理论---张阿漫，戴绍仕 ●有限元法 ●边界元法 ●SPH法与谱单元法 ●瞬态载荷作用下流固耦合分析方法 ●小尺度物体的流固耦合振动 ●水下气泡与边界的耦合效应 按耦合机理分两大类： 1 耦合作用只发生在两相交界面---界面耦合（场间不相互重叠与渗透），耦合作用通过界面力（包括多相流的相间作用力等）起作用。它的计算只要满足耦合界面力平衡，界面相容就可以了（其耦合效应是通过在方程中引入两相耦合面边界条件的平衡及协调关系来实现的）。如气动弹性，水动弹性等。 按照两相间相对运动的大小及相互作用分为三类： (1)流体和固体结构之间有大的相对运动问题"最典型的例子是飞机机翼颤振和 悬索桥振荡中存在的气固相互作用问题,一般习惯称为气动弹性力学问题" (2)具有流体有限位移的短期问题"这类问题由引起位形变化的流体中的爆炸或 冲击引起"其特点是:我们极其关心的相互作用是在瞬间完成的,总位移是有限的,但 流体的压缩性是十分重要的" (3)具有流体有限位移的长期问题"如近海结构对波或地震的响应!噪声振动的 响应!充液容器的液固耦合振动!船水响应等都是这类问题的典型例子"对这类问题, 主要关心的是耦合系统对外加动力荷载的动态响应" 2 两域部分或全部重叠在一起，难以明显的分开，使描述物理现象的方程，特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立，其耦合效应应通过建立与不同单相介质的本构方程等微分方程来体现。 按耦合求解方法分两大类： 1 直接耦合求解：直接耦合是在一个求解器中同时求解不同物理场的所有变量，需要针对具体的物理现象来建立本构方程，其耦合效应通过描述问题的微分方程来体现。 2 间接耦合求解：而间接耦合不需要重写本构方程，仅只利用当前比较成熟的单物理场求解器求解各自相域，并实现不同的物理场之间的信息交换。 范例（一个经典的间接耦合求解范例步骤）：利用CFX 进行全三维非定常粘性数值模拟，利用ANSYS 进行结构瞬态动力分析，其耦合面数据交换以MFX-ANSYS/CFX为平台，在每个物理时间步上进行耦合迭代，各自收敛后再瞬态向前推进，结构变形引起的流场网格位移由CFX内部的动网格技术来处理，整个耦合过程充分考虑了流场的三维非定常性和结构响应的瞬态变化。https://www.doczj.com/doc/e416292724.html,/s/blog_6817db3a0100ju4s.html） 迭代求解,也就是在流场,结构上分别求解,在各个时间步之间耦合迭代,收敛后再向前推进.好