許志強 鄧玉華

（1.安微理工大學(xué)，安徽 淮南 232000；2.江陰市江港堤閘管理處，江蘇 無錫 214431）

1 水文模型分類

隨著監(jiān)測技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，使基于數(shù)學(xué)的理論及算法演變成反映實際狀態(tài)的模型成為可能，并以大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對模型進行率定，進而達到預(yù)測分析的目標(biāo)，使人類可以更好地了解自然，有效地利用自然。20世紀80年代初，Loucks 等在其頗具影響的專著《水資源系統(tǒng)規(guī)劃與分析》中也著重闡述了如何運用系統(tǒng)分析方法指導(dǎo)人類不斷增長的水資源需求，在分析方法上，實現(xiàn)從簡單水資源系統(tǒng)到復(fù)雜大規(guī)模水系統(tǒng)，從單目標(biāo)、確定型問題到多目標(biāo)、隨機型和風(fēng)險型問題，從數(shù)學(xué)模型到計算機數(shù)字化、信息控制、人工智能的結(jié)合運用。

綜上所述，水文模型的應(yīng)用及選擇是水資源管理及應(yīng)用的基礎(chǔ)。水文模型包括模擬原型的某些物理性質(zhì)的水文物理模型，以及用數(shù)學(xué)物理方法或系統(tǒng)理論描述原形各種變量之間關(guān)系的水文數(shù)學(xué)模型［1］。

水文數(shù)學(xué)模型可分為兩大類型：隨機型模型和確定型模型。每個類型又分為多個模型類別，如圖1 所示。

2 概念性水文模型

為了更好地理解水文模型，筆者著重介紹部分概念性水文模型。概念性水文模型是在一定程度上考慮徑流形成過程的物理過程，在該模型中常用一些物理和經(jīng)驗參數(shù)來概括徑流形成的物理現(xiàn)象。這里常用的概念性水文模型如下：

2.1 Lorent-Gevers 模型

Lorent-Gevers 模型由比利時科學(xué)家Lorent 提出，并經(jīng)過Fraunhofer IOSB AST（德國弗勞恩霍夫應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)中心）和Illmenau 大學(xué)改進，在德國許多流域成功進行過模擬，其模型結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 水文數(shù)據(jù)模型分類

圖2 Lorent-Gevers 模型結(jié)構(gòu)簡圖

數(shù)學(xué)計算公式為：

流域總降水量PB 計算公式為：

式中：

PN—有效降雨量（凈雨），即形成地表徑流部分的降雨；

EI—降雨過程中的直接蒸發(fā)量；

SI—植被截留量，這部分將入滲地下或蒸發(fā)。

目前，本模型包括三個子模塊，僅需28 個參數(shù)，因此建模迅速，模型運算速度快。

2.2 Tank 模型

Tank 模型是由日本學(xué)者于20 世紀60年代提出的，其模型結(jié)構(gòu)見圖3。其將降雨徑流過程模擬為若干個水箱的組合調(diào)蓄作用，水箱的側(cè)孔表示出流，底孔表示下滲，假定出流和下滲都為水箱蓄水深的線性函數(shù)，有效降雨首先注入頂層水箱中，當(dāng)蓄水深超過側(cè)孔高時，出流孔開始產(chǎn)流，下滲與降雨注入同時產(chǎn)生，并有底孔滲出，上一層水箱的下滲量即下一層水箱的入流量。

第i 個Tank 的水量平衡為：

水量平衡方程為：

式中：

h—水箱中水深；

q—出流量；

A—產(chǎn)流面積；

k—出流系數(shù)；

AC—整個流域面積；

kp—土壤參數(shù)。

水箱模型用于小流域的徑流模擬較為準(zhǔn)確，可與水質(zhì)模型耦合使用，綜合模擬小流域的水文水質(zhì)變化［2］。

2.3 HBV 模型

HBV 模型是由瑞典氣象和水文研究所（SMHI）研究提出的半分布式的概念性水文模型，其模型結(jié)構(gòu)見圖4。主要包括三部分：①降雨、積雪和融雪、蒸發(fā)計算；②土壤含水量計算；③將凈雨系列轉(zhuǎn)化為徑流過程線。HBV 模型率定的輸入資料主要是實測的氣候資料時間系列：氣溫、降雨、蒸發(fā)能力和徑流。

HBV 模型分成三層儲水產(chǎn)流：①土壤濕度帶；②上層儲水帶；③下層儲水帶。

圖3 Tank 模型結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 HBV 模型結(jié)構(gòu)簡圖

上層儲水帶出流計算公式為：

下層儲水帶出流計算公式為：

總出流量為：

該模型目前在北歐地區(qū)被廣泛應(yīng)用于水電站發(fā)電量預(yù)測、大壩安全設(shè)計等領(lǐng)域。

3 水文模型的比較分析

以上模型均能有效地反映流域水文狀況，參數(shù)用量少，實用性強。在實際應(yīng)用中對概念性水文模型與基于物理性的水文模型進一步進行嘗試與比較，總體來說，與物理性模型不同，概念性模型模擬流域區(qū)相對不詳細，無法通過概念性模型模擬土地利用變化，而物理性模型則可以對此加以考慮。但是對物理性模型進行校對很困難，因為很多參數(shù)都需要校對。

如果要將流域水文模型用于管理決策系統(tǒng)，其運算時間短、速度快且輸入、操作簡便是至關(guān)重要的要求。因此，基于概念性水文模型的系統(tǒng)是用戶針對水資源配置、管理決策中運用的非常重要的手段。

［1］詹道江，葉守澤.程水文學(xué).北京：水利水電出版社，2000.

［2］張荔，王娜.水箱模型在小流域水文水質(zhì)模擬中的應(yīng)用研究.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報，2007.