水文預(yù)報(bào)的理論與數(shù)學(xué)模型

前言

　　水文過程的數(shù)學(xué)模擬是工程水文學(xué)的重要內(nèi)容，從降水輸入到流域出口的徑流過程的計(jì)算不但是水文預(yù)報(bào)的中心問題，而且也是水資源估算和利用、設(shè)計(jì)洪水、環(huán)境水質(zhì)評(píng)價(jià)、城市水文學(xué)、農(nóng)業(yè)水文學(xué)、地下水文學(xué)等分支學(xué)科的核心問題。因此，如何逼真地再現(xiàn)流域水文過程就成為整個(gè)水文研究的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)?！　∷默F(xiàn)象是地球大氣環(huán)流活動(dòng)和流域上復(fù)雜的地質(zhì)、地貌、土壤、植被等因素綜合作用的結(jié)果，水文學(xué)主要研究大氣降水到達(dá)地面之后發(fā)生的物理變化與人工干預(yù)對(duì)徑流的影響。雖然決定水質(zhì)點(diǎn)在流域場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律與通常的物理和力學(xué)定律沒有什么不同，但是由于流域面上自然條件復(fù)雜多變的特點(diǎn)，使得在統(tǒng)一的自然規(guī)律支配下，實(shí)際發(fā)生的水文規(guī)律卻由于降水分布、下墊面形態(tài)和地質(zhì)構(gòu)成差異而迥然不同。由于流域內(nèi)的許多控制因素和參變量無法直接觀測(cè)和事先確定，因而很難由已掌握的水文條件唯一地決定未來將出現(xiàn)的水文事件，在水文研究中，必須采用一些適合這種信息不充足情況的獨(dú)特研究方法。　　多因素經(jīng)驗(yàn)相關(guān)、徑流成因分析和流域水文數(shù)學(xué)模型構(gòu)成水文預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展中的三個(gè)主要階段，它們是水文預(yù)報(bào)方法從經(jīng)驗(yàn)估計(jì)達(dá)到理論預(yù)測(cè)的進(jìn)步，尤其是電子計(jì)算機(jī)的普及，使得原來只能作定性討論的徑流形成機(jī)制深化成為實(shí)用的數(shù)學(xué)模擬模型，在計(jì)算精度和時(shí)效上都可以滿足工程應(yīng)用上的基本要求，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代水文數(shù)學(xué)模型的結(jié)合是推動(dòng)水文模擬技術(shù)前進(jìn)的動(dòng)力。　　從水文現(xiàn)象的理論認(rèn)識(shí)和工程應(yīng)用要求看，現(xiàn)有的水文模擬方法都還有若干不足之處，水文學(xué)還不具備一個(gè)完備學(xué)科所必需的穩(wěn)定的理論基礎(chǔ)、清晰的研究思想和完備的分析方法，而有些偏重于水利工程實(shí)際所要求的分析結(jié)論。然而工程應(yīng)用方面又對(duì)它的計(jì)算精度、分析可靠程度存在疑慮。這兩個(gè)因素導(dǎo)致新的水文概念和模擬方法不斷涌現(xiàn)。

內(nèi)容概要

水文預(yù)報(bào)是水文學(xué)原理在流域水資源管理方面的應(yīng)用，數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行水文預(yù)報(bào)最重要的方法?！端念A(yù)報(bào)的理論與數(shù)學(xué)模型（第2版）》結(jié)合西南地區(qū)的水文觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同流域和河道徑流預(yù)測(cè)的關(guān)鍵問題進(jìn)行了綜合的介紹，特別是對(duì)森林區(qū)流域水文模型、巖溶區(qū)水文模擬方法、河道洪水演算模型進(jìn)行了討論，還闡述了分布式水文數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)思想與建模技術(shù)。運(yùn)用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論研究了模型的穩(wěn)定性條件、參數(shù)可識(shí)別性等基本問題，分析了決定預(yù)報(bào)精度的相關(guān)因素?！端念A(yù)報(bào)的理論與數(shù)學(xué)模型（第2版）》還介紹了水文數(shù)學(xué)模型的實(shí)時(shí)校正方法，探討了水文模型智能化的理論與實(shí)現(xiàn)途徑，提出了一種按照專家知識(shí)進(jìn)行判決仿真的人工智能預(yù)報(bào)模型。其目的是對(duì)我國近期在水文預(yù)報(bào)理論與技術(shù)方面的相關(guān)成果進(jìn)行總結(jié)，為有關(guān)科技人員和學(xué)者提供可以參照使用的分析工具?！端念A(yù)報(bào)的理論與數(shù)學(xué)模型（第2版）》可以作為工程水文學(xué)、流域水文模型與作業(yè)預(yù)報(bào)方面的教材，也可作為研究生教學(xué)輔助參考。

書籍目錄

第二版前言第一版前言第1章　流域水文模擬技術(shù)進(jìn)展　1.1　水文數(shù)學(xué)模型歷史評(píng)述　1.2　降雨徑流模型　1.3　流域及河道匯流模型　1.4　集總系統(tǒng)變換方法　1.5　水文數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)理論　1.6　水文預(yù)報(bào)精度的主要限制因素　1.7　確定性水文模擬的發(fā)展方向第2章　巖溶流域水文數(shù)學(xué)模型　2.1　巖溶地區(qū)水文特點(diǎn)　2.2　巖溶水文模擬的基本方法　2.3　新安江巖溶水文模型結(jié)構(gòu)　2.4　算法結(jié)構(gòu)與參數(shù)分析　2.5　巖溶水文模型檢驗(yàn)第3章　基于分布式結(jié)構(gòu)的降雨徑流模型　3.1　山地森林區(qū)的主要水文過程　3.2　分布式水文模型結(jié)構(gòu)　3.3　單元水文模型　3.4　河網(wǎng)匯流演算模型　3.5　模型參數(shù)　3.6　模型應(yīng)用實(shí)例第4章　數(shù)字水系的提取及流域離散化研究　4.1　數(shù)字高程模型（DEM）　4.2　基于DEM的數(shù)字水系生成　4.3　基于水文響應(yīng)單元（HRU）的數(shù)字流域離散化研究　4.4　流域拓?fù)潢P(guān)系算法研究　4.5　基于流域拓?fù)潢P(guān)系的河道匯流模型第5章　流域氣象要素的空間插值　5.1　降雨資料的插值處理　5.2　氣溫資料的插值處理　5.3　蒸發(fā)能力的空間變化第6章　河道洪水演進(jìn)模型　6.1　廣義示儲(chǔ)流量和水位關(guān)系　6.2　繩套方程　6.3　三峽河道洪水演算模型　6.4　河道演算模型的理論分析　6.5　參數(shù)討論　6.6　三峽模型的檢驗(yàn)　6.7　三峽模型的進(jìn)一步討論第7章　實(shí)時(shí)校正水文模型　7.1　實(shí)時(shí)系統(tǒng)建模與模型特性　7.2　遞推最小二乘與廣義最小二乘法　7.3　卡爾曼濾波（KF）　7.4　特殊KF算法　7.5　KF法在水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用第8章　河流中長期水文預(yù)報(bào)方法　8.1　河流中期徑流預(yù)報(bào)　8.2　河流長期徑流預(yù)報(bào)　8.3　日降雨過程的隨機(jī)模擬　8.4　基于隨機(jī)降雨的流域徑流預(yù)報(bào)第9章　水文預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)　9.1　提高降雨估計(jì)的精度與預(yù)見期　9.2　控制論與水文模型的結(jié)合　9.3　人工智能和學(xué)習(xí)模型第10章　智能水文預(yù)報(bào)模型與專家系統(tǒng)　10.1　水文模型智能化　10.2　智能接口與自然語言辨識(shí)　10.3　模糊推理與綜合評(píng)判　10.4　專家知識(shí)的量化與識(shí)別　10.5　參考校正模型與參數(shù)估計(jì)　10.6　一個(gè)具有穩(wěn)健性的水文模擬專家系統(tǒng)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　森林枯枝落葉層（或稱凋落物）具有較強(qiáng)的截留水分和蓄水性能，其截留水量取決于枯枝落葉層的現(xiàn)存量及持水能力。而它的持水能力通常與物種、厚度、濕度、分解程度和成分等有密切關(guān)系?！　∩挚葜β淙~層不僅能吸滯通過植被而降落在地面上的水，而且還能增加地表層的粗糙度，從而減緩水流速度，使降水通過地被物緩慢滲透到土壤中，變地表徑流為壤中流或地下徑流，減少土壤表層損失，因此枯枝落葉層對(duì)森林的水源涵養(yǎng)和水土保持具有重要作用。　　穿過冠層的雨水到達(dá)地面后，首先被覆蓋在地表的枯落物吸持。吸水時(shí)，枯落物層的表層先吸水，并逐漸向下層擴(kuò)展，當(dāng)?shù)讓拥目萋湮锱c土壤表層有濕度差后，水分開始向土壤中擴(kuò)散滲透。當(dāng)枯落物完全飽和時(shí)，所含的水量為其最大吸持水量?？萋湮锏淖畲笪炙浚c枯落物的組成、種類相關(guān)，通常含葉子較多的枯落物吸持水的能力大，含枝條較多的枯落物相對(duì)小一些。闊葉林下的枯落物吸水能力較針葉林下的枯落物吸水力強(qiáng)?！　】萋湮飳釉谝淮谓涤曛袑?shí)際吸持的水量由其前期含水量、降雨量、枯落物最大吸持水量和枯落物的多少?zèng)Q定。因此，枯落物對(duì)降雨的攔截和吸持隨著植物群落的時(shí)空變化而變化?！　】萋湮飳訉?duì)其下土壤中的水分含量的影響則比較復(fù)雜。一方面，枯落物攔截、吸持降雨，阻擋雨滴對(duì)地表土壤的直接濺蝕，減少了滲人土壤中的水量。另一方面，由于其覆蓋在地表，也阻擋了土壤表層水分的蒸發(fā)。

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