水文模型

前言

最近20年來，伴隨著全球社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水科學(xué)研究也取得了累累碩果，研究理論、技術(shù)與方法曰新月異，研究對象向微觀縱深發(fā)展的同時，也進(jìn)一步向宏觀層面拓展，研究尺度從區(qū)域、流域擴展到大陸乃至全球范圍，尺度問題已成為當(dāng)今水科學(xué)研究的前沿課題之一。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和計算機技術(shù)的不斷進(jìn)步，地理信息系統(tǒng)、遙感、全球定位系統(tǒng)（3S）在水科學(xué)研究中得到了日益廣泛的應(yīng)用；傳統(tǒng)的水資源評價已發(fā)展為在可持續(xù)發(fā)展思想的指導(dǎo)下，包括水量、水質(zhì)、生態(tài)和環(huán)境等全方位的評價；水文科學(xué)中加強了全球氣候變化和人類活動對水循環(huán)影響的研究。在這一過程中，數(shù)學(xué)模型技術(shù)在水科學(xué)研究的各個領(lǐng)域得到了前所未有的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，集水文過程、土壤侵蝕、水沙輸移、非點源污染以及水資源規(guī)劃與管理等功能的數(shù)學(xué)模型如雨后春筍，層出不窮，這些模型技術(shù)的誕生和發(fā)展極大地豐富了水科學(xué)的研究內(nèi)容，促進(jìn)了水科學(xué)有關(guān)學(xué)科的發(fā)展。20世紀(jì)60年代以來，隨著計算機技術(shù)的出現(xiàn)，數(shù)學(xué)模型得到了廣泛的認(rèn)同和應(yīng)用，在水科學(xué)研究的不同領(lǐng)域誕生了許多概念性水科學(xué)數(shù)學(xué)模型，尤其是最近20年來，很多基于物理機制的水科學(xué)數(shù)學(xué)模型應(yīng)運而生，取得了頗為豐富的研究成果。因此，迫切需要對過去近50年來的研究成果進(jìn)行系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，對過去近50年開發(fā)的各種水科學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)的梳理和提煉。2005年下半年，由北京師范大學(xué)徐宗學(xué)教授和科學(xué)出版社趙峰編輯組織發(fā)起，成立了一支由在水科學(xué)研究領(lǐng)域活躍的中青年專家組成的《水科學(xué)數(shù)學(xué)模型叢書》編寫委員會。經(jīng)過一年多的醞釀、籌備和多次編委會論證，決定首批推出《水力學(xué)數(shù)學(xué)模型》、《水文模型》、《水沙輸移數(shù)學(xué)模型》、《地下水運動數(shù)學(xué)模型》、《水資源管理數(shù)學(xué)模型》、《水環(huán)境數(shù)學(xué)模型》和《土壤侵蝕數(shù)學(xué)模型》，分別由四川大學(xué)許唯臨教授、北京師范大學(xué)徐宗學(xué)教授、清華大學(xué)方紅衛(wèi)教授、武漢大學(xué)楊金忠和梅亞東教授、清華大學(xué)陳吉寧教授以及西安理工大學(xué)李占斌教授負(fù)責(zé)相應(yīng)分冊的編寫工作。以上主要編寫人員均為活躍在我國水科學(xué)領(lǐng)域的知名中青年專家，并在各自的專業(yè)領(lǐng)域和國內(nèi)外均具有一定的影響力，對水科學(xué)數(shù)學(xué)模型理論與方法的研究進(jìn)展見解獨到。

內(nèi)容概要

本書在介紹水文模型發(fā)展概況、分類以及主要研究與應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，將內(nèi)容分為3篇：第一篇主要講述流域水循環(huán)與水文過程模擬，從流域與流域水循環(huán)基本概念開始，分為降水過程模擬、地表截留和人滲過程模擬、蒸散發(fā)過程模擬、地下水過程模擬以及產(chǎn)匯流過程模擬等，并以水文模型評估作為本篇的結(jié)束；第二篇主要論述概念性水文模型，從國內(nèi)外常用的幾十種概念性水文模型中選擇了具有一定代表性、且以國外模型為主的6個概念性水文模型，包括新安江模型、水箱模型、SWMM模型、PRMS模型、HSPF模型以及HBV模型；第三篇主要討論分布式水文模型，介紹了分布式與半分布式水文模型共7個，包括TOPMODEL、SHE模型、SWAT模型、VIC模型、TOPKA—PI模型、數(shù)字新安江模型以及PDTank模型。    本書可以作為水文學(xué)及水資源、環(huán)境科學(xué)、生態(tài)科學(xué)、氣象科學(xué)、水利工程、土地管理等專業(yè)的高年級本科生、研究生以及相關(guān)領(lǐng)域教學(xué)、科研與工程技術(shù)人員的參考書和工具書。

作者簡介

徐宗學(xué)，男，1962年生，山東省淄博市人。1988年獲武漢水利電力學(xué)院工學(xué)博士學(xué)位，同年到清華大學(xué)水利系任教，1997年獲德國“洪堡”獎學(xué)金，2007年獲得澳大利亞聯(lián)邦政府教育科學(xué)部（DEST）  “Endeavour。Executive Awards”和聯(lián)合國教科文組織（LJNESCO）國際水文計劃（1

書籍目錄

叢書序序一序二前言第一篇  水文模型基礎(chǔ)  緒論    第一節(jié)  水循環(huán)與水文模型    第二節(jié)  水文模型發(fā)展回顧    第三節(jié)  水文模型的分類、應(yīng)用及發(fā)展前景    第四節(jié)  小結(jié)  第一章  流域與流域水循環(huán)    第一節(jié)  流域和水系    第二節(jié)  流域水循環(huán)    第三節(jié)  流域特征    第四節(jié)  流域數(shù)字高程模型    第五節(jié)  數(shù)字流域與水文模型    第六節(jié)  本章小結(jié)  第二章  降水過程模擬    第一節(jié)  降水及其分類    第二節(jié)  降水要素及其時空分布特征    第三節(jié)  平均降水量計算方法    第四節(jié)  降雪與降雨量劃分    第五節(jié)  融雪積雪過程模擬    第六節(jié)  本章小結(jié)  第三章  地表截留和入滲過程模擬    第一節(jié)  植物截留與填洼過程    第二節(jié)  下滲物理過程    第三節(jié)  天然條件下的下滲過程    第四節(jié)  經(jīng)驗下滲曲線    第五節(jié)  本章小結(jié)  第四章  蒸散發(fā)過程模擬    第一節(jié)  蒸散發(fā)及其影響因素    第二節(jié)  流域蒸散發(fā)    第三節(jié)  潛在蒸散發(fā)量估算    第四節(jié)  實際蒸散發(fā)量估算    第五節(jié)  本章小結(jié)  第五章  地下水過程模擬    第一節(jié)  地下水運動基本概念    第二節(jié)  含水層分類與特性    第三節(jié)  地下水運動模擬    第四節(jié)  地下水運動數(shù)學(xué)模型與解法    第五節(jié)  本章小結(jié)  第六章  產(chǎn)匯流過程模擬    第一節(jié)  徑流形成過程    第二節(jié)  徑流組成    第三節(jié)  流域產(chǎn)流過程模擬    第四節(jié)  圣維南方程組及其簡化    第五節(jié)  流域匯流過程模擬    第六節(jié)  河道洪水演算    第七節(jié)  本章小結(jié)  第七章  水文模型評估    第一節(jié)  模型選擇    第二節(jié)  模型率定    第三節(jié)  模型驗證    第四節(jié)  模型評價    第五節(jié)  本章小結(jié)第二篇  概念性水文模型  第八章  新安江模型    第一節(jié)  二水源新安江模型    第二節(jié)  三水源新安江模型    第三節(jié)  新安江模型改進(jìn)    第四節(jié)  新安江模型應(yīng)用實例  第九章  水箱模型    第一節(jié)  水箱模型基本原理    第二節(jié)  濕潤地區(qū)的水箱模型    第三節(jié)  干旱和半干旱地區(qū)的水箱模型    第四節(jié)  融雪積雪過程模擬    第五節(jié)  模型參數(shù)優(yōu)選    第六節(jié)  水箱模型在牧馬河流域的應(yīng)用    第七節(jié)  本章小結(jié)  第十章  SWMM模型    第一節(jié)  概述    第二節(jié)  模型基本結(jié)構(gòu)    第三節(jié)  模型輸入?yún)?shù)    第四節(jié)  應(yīng)用研究進(jìn)展    第五節(jié)  計算實例    第六節(jié)  本章小結(jié)  第十一章  PRMS模型    第一節(jié)  概述    第二節(jié)  日徑流模擬    第三節(jié)  次洪過程模擬    第四節(jié)  參數(shù)優(yōu)化與靈敏度分析    第五節(jié)  應(yīng)用實例    第六節(jié)  本章小結(jié)  第十二章  HSPF’模型    第一節(jié)  模型基本功能    第二節(jié)  模型基本原理    第三節(jié)  模型改進(jìn)與功能擴展    第四節(jié)  應(yīng)用實例    第五節(jié)  本章小結(jié)  第十三章  HBV模型    第一節(jié)  概述    第二節(jié)  模型基本原理    第三節(jié)  HBV模型在徑流模擬中的應(yīng)用    第四節(jié)  HBV模型應(yīng)用實例    第五節(jié)  本章小結(jié)第三篇  分布式與半分布式水文模型  第十四章  TOPMODEL    第一節(jié)  概述    第二節(jié)  TOPMODEL基本結(jié)構(gòu)    第三節(jié)  BTOPMC    第四節(jié)  改進(jìn)的TOPMODEL及其功能    第五節(jié)  GIS技術(shù)在TOPMOODEL中的應(yīng)用    第六節(jié)  TOPMODEL應(yīng)用實例    第七節(jié)  本章小結(jié)  第十五章  SHE模型    第一節(jié)  概述    第二節(jié)  SHE模型基本結(jié)構(gòu)    第三節(jié)  SHE模型基本功能的擴展    第四節(jié)  模型參數(shù)與數(shù)據(jù)需求    第五節(jié)  模型應(yīng)用實例    第六節(jié)  本章小結(jié)  第十六章  SWAT模型    第一節(jié)  概述    第二節(jié)  模型基本原理與結(jié)構(gòu)    第三節(jié)  模型輸入與輸出    第四節(jié)  主要模塊簡介    第五節(jié)  模型率定與不確定性分析    第六節(jié)  應(yīng)用實例    第七節(jié)  本章小結(jié)  第十七章  VIC模型    第一節(jié)  引言    第二節(jié)  模型基本原理    第三節(jié)  參數(shù)率定與移植    第四節(jié)  陸地尺度流域水文模擬及應(yīng)用    第五節(jié)  本章小結(jié)  第十八章  TOPKAPI模型    第一節(jié)  概述    第二節(jié)  TOPKAPI模型概念與推導(dǎo)    第三節(jié)  TOPKAPI模型應(yīng)用的尺度問題    第四節(jié)  分布式TOPKAPI模型應(yīng)用實例    第五節(jié)  ArcTOP：TOPKAPI與GIS耦合的分布式水文模型系統(tǒng)    第六節(jié)  本章小結(jié)  第十九章  考慮植被作用的新安江模型    第一節(jié)  概述    第二節(jié)  數(shù)字流域水系    第三節(jié)  考慮植被作用的新安江模型基本原理    第四節(jié)  考慮植被作用的新安江模型應(yīng)用實例    第五節(jié)  本章小結(jié)  第二十章  PDTank模型    第一節(jié)  概述    第二節(jié)  PDTank模型基本結(jié)構(gòu)    第三節(jié)  PDTank模型中基本方程式的差分解法    第四節(jié)  PDTank模型應(yīng)用實例    第五節(jié)  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：地球上以液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)形式分布于海洋、陸地、大氣和生物體內(nèi)的水體構(gòu)成了地球上的水圈。水圈中的各種水體在太陽能和大氣運動的驅(qū)動下，不斷地從水面、陸面以及植物的莖葉表面，通過蒸散發(fā)以水汽形式進(jìn)入大氣圈。在適當(dāng)條件下，大氣圈中的水汽又凝結(jié)成小水滴，小水滴相互碰撞合并成大水滴，當(dāng)凝結(jié)的水滴大到能克服空氣阻力時，就在地球引力的作用下，以降水形式降落到地球表面。到達(dá)地球表面的降水，一部分在分子力、毛管力和重力的作用下通過地面滲入地下；一部分則形成地表徑流，在重力作用下流人江、河、湖泊，最后匯人海洋；還有一部分通過蒸散發(fā)重新逸散到大氣圈。滲入地下的那部分降水，或者被土壤顆粒吸收變成土壤水，再經(jīng)蒸散發(fā)回到大氣中，或者以地下水形式排人江、河、湖泊，再匯人海洋。水圈中的各種水體在太陽輻射和地心引力的作用下，通過這種不斷蒸發(fā)、水汽輸送、凝結(jié)、降落、下滲、地表和地下徑流的往復(fù)循環(huán)過程，稱為水循環(huán)或水文循環(huán)。按水循環(huán)的規(guī)模與過程，一般分為大循環(huán)和小循環(huán)。從海洋蒸發(fā)的水汽，被氣流輸送到大陸形成降水，其中一部分以地表和地下徑流的形式從河流匯人海洋；另一部分重新蒸發(fā)返回大氣。這種海陸間的水分交換過程，稱為大循環(huán)。在大循環(huán)運動中，水分一方面在地面和大氣中通過降水和蒸發(fā)進(jìn)行縱向交換；另一方面通過河流在海洋和陸地之間進(jìn)行橫向交換。海洋從空中向陸地輸送水汽，陸地則通過河流把水輸送到海洋里。陸地也向海洋輸送水汽，但與海洋向陸地輸送的水汽相比，其量很少。所以，海洋是陸地降水的主要水汽來源。海洋上蒸發(fā)的水汽在海洋上空凝結(jié)后，以降水的形式降落至海洋里，或陸地上的水經(jīng)蒸發(fā)凝結(jié)后又降落到陸地上，這種局部的水循環(huán)稱為小循環(huán)。按照研究尺度的不同，水循環(huán)可以分為全球水循環(huán)、流域水循環(huán)和水一土一植物系統(tǒng)水循環(huán)三種。全球水循環(huán)是空間尺度最大的水循環(huán)，也是最完整的水循環(huán)，它涉及海洋、大氣和陸地之間的相互作用，與全球氣候變化關(guān)系密切。流域水循環(huán)即為流域降雨徑流形成過程，降落到流域上的雨水，首先滿足植物截留、填洼和下滲，其余雨水形成地表和地下徑流，匯人河網(wǎng)，再流至流域出口斷面。水一土一植物系統(tǒng)是一個由水分、土壤和植物構(gòu)成的系統(tǒng)，水一土一植物系統(tǒng)水循環(huán)是自然界空間尺度最小的水循環(huán)。降水進(jìn)入該系統(tǒng)后，在太陽能、地球引力等作用下發(fā)生截留、填洼、下滲、蒸發(fā)、散發(fā)和徑流等現(xiàn)象，并維持植物生命過程。目前的水文模型，多數(shù)是為模擬流域水循環(huán)而開發(fā)的計算機仿真系統(tǒng)。最近幾十年來，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，水文模型的開發(fā)和應(yīng)用得到廣大水文工作者前所未有的青睞和關(guān)注，各種水文模型如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，從最早的黑箱模型到概念性水文模型。

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