第四章流域動態模型

--應用模型綜述易善楨,手機子信箱：yisz@章節安排1數字流域概述2數字高程模型3靜態模型4動態模型5,6,7,8流域時空數據模型10流域數據獲取9流域數據存儲傳輸與處理11數字流域模擬及應用內容1氣候與降水模型2水力模型3水文模型4侵蝕與沉積模型5水環境模型6陸面過程模型7生態系統模型8水資源管理模型坡面流：蓄滿產流

坡面流：超滲產流

河道流

雷暴雨

鋒面雨

壤中流

年降雨、蒸發日降雨、蒸發砂礫石含水層地下水流流域水文氣象的時空尺度

氣象地表水文地下水文SpaceTime流域動態模型分類流域動態模型環境過程模型水資源調度模型1氣候與降水模型2水力模型3水文模型4水質模型5侵蝕與沉積模型6陸面過程模型7生態系統模型8水資源管理模型洪水調度模型發電調度模型灌溉調度模型生態調度模型

1氣候與降水模型對流雨地形雨臺風雨鋒面雨氣候模型大氣環流模式GCM三維氣候模型GCM守恒方程：能量、動量、質量、水汽物理過程：成云、地面-大氣熱量傳輸GCM起源于天氣預報然而，許多天氣預報的短時間尺度過程：輻射、地面物理、邊界層物理、云、冰雪，…，沒有被包括。氣候物理系統數學方程–動量守恒衛星反演海面風速質量守恒、能量守恒衛星繪出颶風季海面溫度圖

濕度守恒、狀態方程風云三號衛星微波濕度計模型仿真ModelSimulation降水預報模型MM5模式fifth-generationMesoscaleModelMM5是美國賓夕法尼亞州立大學／國家大氣研究中心(PSU／NCAR)從二十世紀80年代以來共同開發的第5代區域中尺度數值模式.

WRF模式WeatherResearchandForecast

WRFPhysicsDiffusionRadiation(longwaveandshortwave)Surface(surfacelayerandland-surface)PlanetaryBoundaryLayerCumulusParameterizationMicrophysics站點降水到面降水的方法反距離權重插值方法站點平均估計泰森多邊形最近鄰域插值空間統計插值降雨測量地面站地面雷達衛星遙感地面站地面雷達衛星遙感反距離權重方法其中ns-1是鄰接站數量，Θj,n是位置j站點觀測值，dα,j是站j和基站α的距離，f是指數，取值為1.0~6.0，降雨插值方法站點平均估計方法降雨插值方法泰森多邊形最近鄰域插值降雨插值方法泰森多邊形面降雨量計算地統計方法Estimatingthemissingvalue,降雨插值方法神經網絡方法

降雨插值方法氣候降尺度插值估計降雨插值方法AnnualPrecipitation面降水量的柵格表示2水文模型流域水循環過程示意圖水文系統模型分類系統模型：不考慮流域物理過程，模型的建立基于輸入和輸出時間序列的分析。通過輸入和輸出的信息來研究系統的轉化特性和反應特征，也稱黑箱法或經驗法。分布式物理模型：通過水循環的動力學機制來描述和模擬流域水文過程的數學模型。模型根據水介質移動的物理性質來確定模型參數，可以更加準確詳盡的描述和反映流域內真實的水文過程，也稱白箱法。概念集總式水文模型：將流域進行概化為一定的單元，將單元做為一個整體進行研究的水文模型，模型中的變量和參數通常采用平均值。主要用于降水-徑流(Rainfall-runoff)模擬.隨機模型：用概率或隨機過程進行的建模，相同的模型輸入，產生隨機性的模型輸出。其中概率模型把水文事件當作時間無關的隨機變量，用概率分布表示；隨機模型把水文事件時間有關的隨機過程。地表水文模型地下水模型決定性模型Ataxonomyofhydrologicalmodels

決定性模型：相同的模型輸入，產生相同的模型輸出，描述水文現象的必然性規律。

TypesofMathematicalModelsProcessrepresentationPhysicallyBasedDerivedfromequationsrepresentingactualphysicsofprocessi.e.energybalancesnowmeltmodelsConceptualShortcutsfullphysicstocaptureessentialprocessesLinearreservoirmodelEmpirical/Regressioni.etemperatureindexsnowmeltmodelStochasticEvaluateshistoricaltimeseries,basedonprobabilitySpatialrepresentationLumpedDistributed概念集總式與物理分布式8個集水區Catchment4km網格Grid概念水文模型降水地面徑流壤中水徑流地下水徑流蒸散發截留填洼出流坡地河網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-半分布式模型集水區等流時線及面積過程線流域出口水文過程線圖

Hydrograph地表和地下水模型地下水三維模擬GEOSS-AsianWaterCycleInitiativeFloodWG3水力模型

一維水力方程：運動波、擴散波、動力波連續方程（質量守恒）動量守恒A：橫斷面積Q：河道流量q：單位長度從坡面流到河道的橫向流x：縱向坐標g：重力加速度S0：底床坡度Sf：摩擦坡度壓力梯度項

慣性加速度項二維圣維南方程質量守恒動量守恒Two-DimensionalModelingXDirectionYDirection洪水制圖應用CRWR-PreProAVRasWatersurfaceprofilesArcViewGeometricdataParametersSchematicFlowdischargeHEC-HMSHEC-RASGIS數據庫水文模型水力模型基于GIS的洪水制圖4侵蝕與沉積模型雨滴侵蝕RaindropErosion片流侵蝕SheetErosion細溝侵蝕RillErosion沖溝侵蝕GullyErosion河道侵蝕ChannelErosion流域水土流失Theequation:A=RxKxLSxCxPA=averageannualsoilloss(tons/acreyear)R=rainfallandrunofferosivityindexK=soilerodibilityfactorL=slopelengthfactorS=slopesteepnessfactorC=crop/managementfactorP=conservationorsupportpracticefactor年平均土壤丟失沉積與河口淤積現代黃河三角洲共造陸3000平方公里長江口的三角洲與沙洲5水環境模型1、流域概化模型2、水質模型3、非點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強概化若排污口距離較近，可把多個排污口簡化成集中的排污口。如下圖所示，1號、2號、3號排污口可合并為1個排污口1#。上界下界上界123下界1#上界下界上界123下界1#水質模型一維水質模型。二維水質模型。在模型計算時尤其是對于大江大河的水環境容量計算，必須結合混合區或污染帶的范圍進行容量計算。非點源污染模型非點源污染負荷模型用來計算一定流域內由非點源污染造成的各種污染物的輸出情況。我國實用的非點源污染控制模型尚處在初步應用階段。SWAT模型的污染物遷移示意圖

SWAT模擬模型流程陸面過程是能夠影響氣候變化的發生在陸地表面的土壤中控制陸地與大氣之間動量、熱量及水分交換的那些過程；6陸面過程模型蒸發水面蒸發土壤蒸發植被蒸發陸面蒸發水面蒸發上式中：W----水面蒸發速度(gcm-2日-1或mm日-1)A----與風速有關的比例系數

P----當時的大氣壓力

E----水面溫度下的飽和水汽壓

e----貼近水面空氣的實際水汽壓

道爾頓（Dalton）水面蒸發定律陸面蒸發土壤蒸發規律流域生態系統河流生態系統湖泊生態系統1.植物的分布：淺水以挺水植物和浮游植物為主，深水區分布著大量的浮游植物，以單細胞藻類為主。2.動物的分布：由于不同植物分布在不同的水層，決定了不同食性動物的分布。（如：四大家魚）濕地生態系統陸地生態系統7生態系統模型8水資源管理模型水資