现代水文预报-结课论文

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 3737m。 黑河莺落峡以上流域的冰川覆盖度为 0.59%，年径流量 16.05× 108m3 时，冰川面积 59 km2，冰川融水补 给率为 3.4%。 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。区内植被带主要由草甸、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。
[1]
。水文预报是对水文现
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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要的理论价值和现实意义[2]。 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 应较大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、范围、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 机理的研究已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的
基本问题。我国的人口众多，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目前水文模 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。 在水资源日 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源提供重要依据，对于流域水资源评价及管理，有着重要 的应用价值[4]。 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 文模型的应用范围，为流域水资源评价及管理提供一定的参考依据。
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： 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
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、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： ① 当 WU+P≥EP 时,Eu=EP, EL=0,ED=0； ②当 WU+P＜EP,W≥C· WLM 时，Eu=WU+P, EL=（EP-EU）WL/WLM, ED=0； ③当 WU+P＜EP, C(EP-EU)≤WL＜C· WLM 时，EU=WU+P, EL=C（EP-EU）, ED=0； ④当 WU+P＜EP, WL＜ 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：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，一个底孔形成地下径流 RG，一个边孔形成壤中流。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 进入水库即在产流面积上产生 P-E 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+PE≤SM，RS=0 当 S+PE＞SM,，RS=(S+PE-SM)· FR