国内外流域水文模型研究进展.pdf
《国内外流域水文模型研究进展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《国内外流域水文模型研究进展.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、基金项目 陕西省教育厅科研计划项目(20JK0813)。第一作者程艳(1989),女,硕士,助教。研究方向:水文模型及水文预报。E-mail:收稿日期 2023-03-27国内外流域水文模型研究进展程 艳1裴盼盼2张祥祥1(1西安理工大学高科学院,陕西西安 713700;2陕西省现代设计院,陕西西安 710043)摘要随着计算机的发展,流域水文模型种类越来越多。本文对流域水文模型进行分类,并整理细化出常见的水文模型,包括黑箱模型、概念性模型、物理模型以及集总式模型和分布式模型。其中,黑箱模型中比较典型的有总径流线性响应模型和人工神经网络,并在后者的基础上发展了 BP-神经网络;概念性模型又包括
2、萨克拉门托模型、水箱模型、新安江模型、SCS 水文模型。针对不同类型水文模型,综述了对相关的原理、特点、优缺点、发展及应用的研究进展,为后续水文研究提供一定的依据和方向。关键词流域;水文模型;类型;原理;水文预测中图分类号P338文献标识码A文章编号 1007-5739(2023)23-0133-04DOI:10.3969/j.issn.1007-5739.2023.23.035开放科学(资源服务)标识码(OSID):Research Progress on Watershed Hydrological Models at Home and AbroadCHENG Yan1PEI Panpan
3、2ZHANG Xiangxiang1(1The Hi-tech College of Xian University of Technology,Xian Shaanxi 713700;2Shaanxi Institute of Modern Design,Xian Shaanxi 710043)AbstractWith the development of computers,there are more and more types of watershed hydrological models.This paper classified and organized common hyd
4、rological models in detail,including black-box models,conceptualmodels,physically-based models,as well as lumped and distributed models.Among them,the typical black-box modelsinclude the total runoff linear response model(TLR)and artificial neural network(ANN),and BP-ANN has beendeveloped based on t
5、he latter;the conceptual models also includes the Sacramento model(SAC),tank model,Xinanjiang model(XJM),and soil conservation service hydrological model(SCS).This paper summarized the researchprogress on the principles,characteristics,advantages and disadvantages,development,and applications of dif
6、ferenttypes of hydrological models,providing a certain basis and direction for subsequent hydrological research.Keywordswatershed;hydrological model;type;principle;hydrological prediction随着计算机技术的进步,流域水文模型得到了长足发展1。计算机技术为研究水文规律以及解决水利工程中的实际问题提供了关键性技术依据。流域水文模型可以分析气候变化以及研究人类活动对洪水和水环境的影响2。流域水文模型通过对降雨径流的水文
7、全过程进行模拟,以流域面积上的降雨强度为初始条件,通过理论计算,模拟出流域出口断面的流量情况。流域水文模型属于数学模型,有确定性模型和用水文序列生成人工序列的随机模型两种,工程上常用的水文模型是确定性模型。就反映降雨径流水文运动的物理规律和科学性以及复杂程度而言,水文模型可以分为 3 类:黑箱模型、概念性模型、物理模型。从水流运动的空间变化情况来看,水文模型可以分为两类:一类为集总式水文模型,另一类为分布式水文模型。黑箱模型、概念性模型统属于集总式水文模型,物理模型则属于分布式模型。本文通过流域水文模型的不同分类,整理并且细化出水利工程上常见的几种水文模型,并阐述其特点现代农业科技2023 年
8、第 23 期农业工程学133现代农业科技2023 年第 23 期农业工程学以及与其相关的流域水文模型的研究发展,以期为后续流域水文模型的研究提供一定的参考依据和选择方向。1黑箱模型黑箱模型(black-box model)也称系统模型,其原理是将流域看作一套完整的动力系统,以降水(雨量)和来水(上游干支流来水)作为输入参数、流域出口断面流量作为输出结果,建立一种普适的数学逻辑关系,从而可以计算该流域上任意新输入参数的输出结果。黑箱模型重点在于研究模拟结果的精度,却忽略了输入与输出参数之间流域内水流运动的物理原理。黑箱模型种类有很多,可分为线性计算和非线性计算,考虑时变和不考虑时不变,单参数输入
9、、单参数输出,多参数输入、单参数输出,多参数输入、多参数输出等。在水利工程中常用且具有代表性的黑箱模型有总径流线性响应模型、线性扰动模型以及人工神经网络等。1.1总径流线性响应模型总径流线性响应模型(TLR),是一种多参数输入、单参数输出的水文模型。其严格按照数学方法,优化多个输入参数的脉冲响应,可以同时解决产流计算和汇流计算问题,避免了工程上洪水分割的任意性。TLR模型是一种以多元线性回归方法为基础的模型,曾在国内外一些较大的流域上运用,且获得比较良好的效果,也有不少学者摸索了此模型在中小流域的适用性3。20 世纪 80 年代以后,J.E.Nash 教授等在 TLR模型的基础上采用多元线性回
10、归方程来连接输入参数与输出参数离均差的新型线性模型,也就是后来的线性扰动模型(LPM)。LPM 模型经过实际工程应用检验,效果较好4-5。1.2人工神经网络人工神经网络(artificial neural network,ANN),以数学模型模拟神经元活动,模仿大脑神经网络结构和功能,建立一种信息处理系统。人工神经网络模型具有生物神经网络部分特性,它是由大量的基本信息单元神经元,通过丰富的相互联结而成的非线性动力学系统,既具有一般非线性系统的特点,又有其自身的不同6。近年来,ANN 模型在水文分析、水文预测、水污染分析等工程中的应用越来越广泛,20 世纪 80 年代中期,David Runel
11、hart 和 Ronald W-llians 等发现了通过误差进行反向传播的算法,其简称 BP(error backpropagation training),可计算多层神经网络隐含层的连接权学习问题,并阐明了完整水文数学推导计算,形成了 BP-神经网络(BP-ANN)。该算法可以进行误差校正的多层前馈网络计算,因而在水文模拟中得到长足发展,是目前最常见的水文模型之一。然而,以ANN 为基础拓展的 BP 模型在进行水文预测中也存在各种不足,例如在网络结构的确定、收敛准则的选择、训练速度以及预测精度等方面均存在一定的问题。有研究通过两个实例阐明了样本的复杂程度对BP 网络结构有较大影响,分析了收
12、敛准则选择的问题,并给出加快 BP 模型计算速度的改进方法。一些工程实例也表明了 BP 模型是精度相对较高的水文预测模型。除此之外,还有基于神经网络水文模型构建的小波-神经网络(WA-ANN)水文模型,可用于盐水入侵预报、水文预报等7-9。2概念性模型概念性模型(conceptual model)与黑箱模型不同,其不直接考虑输入、输出参数之间的数学逻辑,而是以水体运动的物理原理和水利工程上的经验公式为基础构造的水文模型,其涉及物理概念和经验公式,如下渗曲线、汇流单位线、蒸发公式,还有其物理意义的结构单元,如线性水库、线性河段等,由此组成一个系统来近似地描述流域水文形成过程。20 世纪中期,概念
13、性水文模型被提出来。第一个概念性水文模型是 20 世纪 60 年代初由美国研发的斯坦福模型(SWM-IV)10-11。该模型自 1959 年开始,由 N.H 克劳福特和 R.K 林斯雷用了 8 年时间研制出来,为以后许多水文模型的建立提供了基础,也极大地推动了概念性模型发展。此后比较有代表性的概念 性 模 型 有 美 国 的 萨 克 拉 门 托 模 型(Sacramentomodel)、日本的水箱模型(tank)、SCS(soil conservationservice)水文模型以及我国的新安江模型(XJM)等。2.1萨克拉门托模型萨克拉门托(SAC)流域水文模型,是美国天气局水文办公室 SA
14、C 预报中心在 SWM-IV 水文模型基础上改进和发展出的确定性流域水文模型,可以集总参数进行连续运算。SAC 划分了上、下两个土层,每个土层都有张力水和自由水贮存,且考虑到变动产流;流域划分为永久不透水面积、可变不透水面积和透水134面积;蒸散发来自 5 个部分,分别计算;产流分为直接径流、地面径流、壤中流、快速地下水和慢速地下水5 个部分;壤中流、快速地下水和慢速地下水采用线性水库模拟;河道汇流采用无因次单位线。萨克拉门托模型研制时间较晚,功能完善,应用广泛。相比于北方,该模型在我国南方使用得较多,但其物理概念、模型结构如果加以改进,也能适合寒冷地区12。2.2水箱模型水箱模型13是用蓄水
15、容量和出流关系代替降雨径流复杂过程的模型,由日本菅原正巳于 20 世纪 40 年代提出,主要发展时期为 20 世纪 50 年代,且到 60 年代后水箱模型已应用于日本各河流。该模型假定流域相应蓄水深和出流量及下渗量具有一定的函数关系,将流域的降雨径流转化为具体过程,例如产流、坡面汇流、河道汇流等。如果用若干个彼此关联的水箱进行模拟,以水箱的蓄水深度作为控制参数,计算流域的产流、汇流及下渗量,可以用于较小流域的水文计算。如果用若干个串联的直列式水箱模型来模拟出流和下渗过程,可以用于较大流域的水文计算,但是需要考虑分区计算的问题。除此之外,还可以用若干个并联组合的水箱模型结构模拟整个流域的降雨径流
16、过程。由于该模型概念简单且弹性较大,在国内外得到不少应用。2.3新安江模型新安江模型是我国研发的具有世界影响力的水文模型,适用于湿润地区以及半湿润地区的洪水预报。当流域面积较小时,采用集总式新安江模型;当流域面积较大时,采用分散式新安江模型。该模型将全流域分成若干子流域,先计算每个子流域的产、汇流量,再进行汇流后河道洪水演算,得出子流域出口的流量过程,最后合成流域的总出流过程。新安江模型计算单元包括蒸散发、产流、分水源和汇流计算。后来在其原理基础上,开发了内核与原理类似新安江模型的 VIC(variable infiltration capacity)水文模型,该模型版权现在属于美国华盛顿大学
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 国内外 流域 水文 模型 研究进展
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。