水文模型

水文現象是由眾多因素相互作用的複雜過程，它與大氣圈、地殼圈、生物圈都有着十分密切的關係，屬於綜合性的自然現象。迄今為止，人們還不可能對水文現象用嚴格的物理定律來描述。常見的研究方法是將複雜水文現象加以概化，忽略次要的與隨機的因素，保留主要因素和具有基本規律的部分，建立具有一定物理意義的數學物理模型，並在計算機上實現。流域水文模型是為模擬流域水文過程所建立的數學結構，被模擬的水文現象稱為原型，模型則是對原型的物理和邏輯過程的概化。

水文模型在進行水文規律研究和解決生產實際問題中起着重要的作用，隨着現代科學技術的飛速發展，以計算機和通信為核心的信息技術在水文水資源及水利工程科學領域的廣泛應用，使水文模型的研究得到迅速發展，並廣泛應用於水文基本規律研究、水旱災害防治、水資源評價與開發利用、水環境和生態系統保護、氣候變化及人類活動對水資源和水環境影響分析等領域。因此，水文模型的開發研究具有重要的科學意義和應用價值。

自然系統(natural system),在水文學中是自然界的水文循環或我們根據需要所假設的水文循環的一部分。

模擬(simulation),是水文模型對自然系統的動態描述,也可以説是對自然系統行為的模範。

子模型(submodel)算法(routine)組件(component),是複雜水文模型的組成部分。

對象(object)是人們能夠想到的物體和過程：

行為(agent)是根據對對象獲取了知識,並將知識應用於其他對象的過程。

國內外開發研製的水文模型眾多，結構各異，按照模型構建的基礎，水文模型可分為物理模型、概念性模型和系統理論模型三類。

水文現象和水文規律十分複雜，利用實體場景研究水文過程變化規律，以及某些要素物理性質的模型稱為水文物理模型。水文實驗是水文物理模型的核心環節，它是為探求和研究水文現象和過程並對其作出成因分析的科學實驗。水文現象受許多自然因素制約和人類活動影響，一般的水文觀測和分析難以清楚地揭示其物理過程和相互關係，需要在野外或實驗室內用特定的程序、裝置和設備進行系統的、有控制的觀測和試驗。水文實驗研究的主要目的在於揭示天然條件下和人類活動影響下水文現象的物理機制，以及各種水文要素之間的相互聯繫；在研究現有水文學理論和應用中有待認識和解決的問題；檢驗已有的規律與理論。

當前水文物理模型(實驗、試驗)的應用領域越來越廣泛，如：

(1)水文過程研究，包括蒸散發、降雨徑流關係、水文過程及動態的研究。

(2)水化學平衡和植物生態研究。

(3)不同自然地理條件和人類活動影響下的水文規律研究。

(4)特殊地區(如岩溶、凍土地區)和特殊徑流形式的水文研究等。

概念性流域水文模型是以水文現象的物理概念和一些經驗公式為基礎構造的水文模型，它將流域的物理基礎(如下墊面等)進行概化(如線性水庫、土層劃分、蓄水容量曲線等)，再結合水文經驗公式(如下滲曲線、匯流單位線、蒸散發公式等)來近似地模擬流域水流過程。按對模擬流域的處理方法，概念性水文模型又可分為集總式模型和分散式模型。集總式概念性模型把全流域當作一個整體來建立模型，即對流域參數(變量)進行均化處理；分散式概念性模型則按流域下墊面不同特徵和降水的不均勻性把流域分為若干個單元，對每一單元採用不同特徵參數進行模擬計算，然後依據各單元的水力聯繫和水量平衡原理，通過匯流演算得到全流域的輸出結果。

世界上知名的概念性模型已不下20種，主要的計算步驟大同小異。在我國，最著名的概念性水文模型是新安江流域水文模型(簡稱新安江模型)。新安江模型是河海大學趙人俊教授等在長期研究與實踐的基礎上，於1973年對新安江水庫作入庫流量預報工作時提出的降雨徑流模型。新安江模型主要由4部分組成：蒸散發計算、蓄滿產流計算、水源劃分和匯流計算。模型主要特點是：

(1)在產流計算中應用蓄滿產流概念。

(2)將水源分為地面、壤中與地下3種。

(3)在河道洪水演算中應用馬斯京根法。

新安江模型的核心是提出蓄水容量曲線表達包氣帶蓄水能力(容量)的空間不均勻性。

新安江模型是分散性模型，它把全流域分成若干單元面積，對每塊單元面積分別作產匯流計算，得出各單元面積的出口流量過程，再分別將各單元出口流量過程經河道洪水演算至流域出口斷面，把同時刻的流量相加即求得流域出口的流量過程。

如圖是三水源新安江模型的結構。新安江模型根據輸入的實測水面蒸發與當時的土壤濕度，代入蒸散發模型，可計算出流域蒸散發。再根據輸入的實測降雨與計算的蒸散發，代入產流方程，可計算出徑流，同時調整了土壤濕度。把徑流代入分水源方程可分出地面徑流、壤中流與地下徑流。地面徑流用單位線計算流量過程，壤中流與地下徑流採用水庫演算計算流量過程，合而成為流域的出流過程。再應用河道洪水演算，求得下游某斷面的流量過程。

水文系統是指研究對象中，由相互作用和相互依賴的水文要素組成的具有水文循環功能的整體。水文系統至少包含3個部分，即系統的輸入、輸出和系統的功能。對於河流而言，上斷面的水位或流量為輸入，下斷面的水位或流量是輸出；對於流域產匯流而言，降雨與蒸發是輸入，流域出口的流量過程為輸出。水文系統的功能是與系統所處的地理位置、流域或河系的地貌、植被與下墊面特性，以及人類活動影響等因素相聯繫。當系統的輸入與輸出之間的轉化滿足線性疊加原理的稱為線性系統，反之，稱為非線性系統。當系統輸入與輸出轉化關係中的參數隨時間變化時，稱為時變系統，反之，定常參數的系統稱為時不變系統。當系統輸入、輸出或參數不存在空間變化的稱為集總系統，反之稱為分散系統。從系統的觀點看，真實的流域系統在複雜環境因素的共同作用下，多半是非線性、時變和分散的。

系統理論模型又稱系統響應模型，這類模型將研究對象視為一種動力系統，一般採用迴歸分析方法，利用已有降雨徑流資料建立某種數學關係，然後由此用新的輸入推求輸出。系統理論模型只關心模擬結果的精度，而不考慮輸入輸出之間的物理因果關係，因此又被稱為黑箱子模型。 ^[2]