¿Una revisión del modelado hidrológico de cuencas?

Según los artículos publicados por He Changgao, Dong Zengchuan, etc., la simulación hidrológica de cuencas es un proceso de descripción y simulación del ciclo hidrológico utilizando métodos matemáticos, es decir, la cuenca se resume como un sistema. , y de acuerdo a las condiciones de entrada del sistema, la simulación de los procesos hidrológicos que ocurren en la cuenca y la resolución de los resultados de salida. Además, el modelo hidrológico de cuencas es un sistema utilizado para la simulación hidrológica de cuencas. El modelo hidrológico de cuenca es una herramienta que puede resumir en gran medida el conocimiento del mundo real y se utiliza para predecir el futuro basándose en la observación y la comprensión a largo plazo del mundo objetivo por parte de las personas.

2 Estructura básica

No importa qué tipo de modelo hidrológico de cuenca, basado en mecanismos o basado en modelos, el modelo hidrológico de cuenca contiene varias etapas básicas de modelado, a saber, etapa de generación de flujo de pendiente, etapa de confluencia de talud y etapa de confluencia de red fluvial. 2.1 Etapa de generación de flujo en pendiente En 1933, Horton propuso la teoría de generación de flujo de superpermeabilidad. En consecuencia, el mecanismo de generación de flujo de superpermeabilidad también existe en la generación de flujo externo y en los cálculos de cuencas hidrográficas. Horton propuso: Cuando la intensidad de la lluvia I es mayor que la capacidad de infiltración fp, parte de la intensidad de la lluvia penetra en el suelo según la capacidad de infiltración fp, y la otra parte forma escorrentía superficial rs cuando la intensidad de la lluvia I es menor que la capacidad de infiltración fp; Capacidad de infiltración fp, la intensidad de la lluvia se basa en su propia intensidad. Todo se filtra en el suelo. En investigaciones y prácticas reales, se encontró que en lugares con buena cobertura vegetal y superficie de suelo suelta, se producirá escorrentía superficial incluso si la intensidad de la lluvia I es menor que la capacidad de infiltración fp. Dunn propuso el mecanismo de acumulación de escorrentía en los años 1960. Dunn cree que el suelo no tiene una sola capa en la estructura vertical. De hecho, el suelo superior es una capa de lixiviación con partículas de suelo más grandes, mientras que el suelo inferior es una capa de sedimentación con partículas de suelo más pequeñas. las dos capas. Capa impermeable. Cuando la intensidad de la lluvia I es menor que la capacidad de infiltración fp, la intensidad de la lluvia producirá una zona saturada en la capa relativamente impermeable. A medida que el espesor de la zona saturada aumenta gradualmente hasta llenar toda la capa superior del suelo, el exceso de agua se desbordará. para generar escorrentía superficial. El mecanismo de generación de flujo de agua superpermeable es generalmente adecuado para áreas con bolsas de aire espesas y poca cobertura vegetal. El mecanismo de formación del flujo de agua del depósito es adecuado para zonas húmedas. 2.2 Etapa de convergencia de pendientes En la etapa de confluencia de pendientes, algunos modelos dividen el volumen de escorrentía de cada componente de escorrentía en dos o tres fuentes de agua, como el modelo de Xinanjiang, como por ejemplo. El modelo SAC. Los métodos de confluencia de pendientes comúnmente utilizados incluyen el método de línea unitaria y el método de yacimiento lineal. El método de la línea unitaria tiene dos supuestos estrictos, a saber, el supuesto de la razón de multiplicación y el supuesto de la superposición. Dado que no se puede tener en cuenta la falta de homogeneidad de las precipitaciones y la distribución del agua subterránea en el espacio y el tiempo, este método tiene un gran error al estimar el flujo. La razón por la que el método de línea unitaria es adecuado para períodos de lluvia cortos es que si el período de lluvia aumenta, la división del proceso de inundación durante el flujo de salida aumentará, el proceso de cálculo se volverá engorroso y los resultados del cálculo serán inexactos. Debido a errores de medición, la parte posterior de la línea de la unidad aparecerá irregular, lo que debe corregirse agregando condiciones de control. A veces, la duración del período de la lluvia neta es inconsistente con la duración del período de la línea unitaria, y es necesario convertir el período de la línea unitaria en el período de la línea unitaria. En la actualidad, el método de línea unitaria es un método de convergencia de pendientes maduro y, por lo tanto, es ampliamente utilizado por varias unidades de trabajo. En el modelo de Xinanjiang, el método del depósito lineal se utiliza generalmente para la confluencia de aguas subterráneas en pendiente. De hecho, el método del depósito lineal también se puede utilizar para la escorrentía superficial. Según los coeficientes de regresión de los diferentes componentes de la escorrentía, se puede obtener la ecuación de confluencia de pendientes de cada componente de la escorrentía. 2.3 Modelo de confluencia de ríos Hay dos métodos principales para la confluencia de ríos: uno es el método hidrológico y el otro es el método hidráulico. El método hidrológico utiliza principalmente ecuaciones de balance hídrico y ecuaciones de regulación de cauces de ríos, complementadas con la forma simplificada de las ecuaciones de Saint-Venant. Se caracteriza por conceptos físicos sólidos que incluyen el método de Maskim, el método de longitud característica del río, etc. El método hidrológico es principalmente una serie de métodos de evolución de ríos basados ​​en las ecuaciones de Saint-Venant, que se caracterizan por procesos claros en la sección media, pero las ecuaciones sólo pueden expresarse mediante soluciones numéricas. El método hidrológico no es adecuado para los tramos inferiores de la cuenca y las áreas de la red fluvial con cimas estancadas, pero las ecuaciones de Saint-Venant del método hidráulico se pueden utilizar para las áreas de la red fluvial. Las ecuaciones de Saint-Venant son un sistema de ecuaciones diferenciales parciales, por lo que se utiliza el esquema diferencial para resolverlas numéricamente en lugar de soluciones analíticas. Los formatos diferenciales comunes incluyen el formato de salto, el formato diferencial central, etc. Entre ellos, el esquema implícito de Prisman es ampliamente utilizado en el cálculo de métodos de mecánica de fluidos debido a su pequeño error de propagación diferencial.

3 Clasificación

Según si existe una base física para la construcción del modelo, los modelos hidrológicos de cuencas se pueden dividir en modelos físicos, modelos conceptuales y modelos de caja negra. El modelo completamente físico tiene una gran generalidad y es el modelo idealizado que los hidrólogos esperan proponer.

Un modelo conceptual es un modelo que contiene significado físico, pero que no sigue completamente las leyes físicas y requiere que se hagan ciertas suposiciones. La mayoría de los modelos conceptuales desarrollados actualmente son el modelo Xinanjiang, el modelo SAC, el modelo VIC, etc. El modelo de caja negra es un modelo sin ningún trasfondo físico y su patrón aproximado es: entrada-ejecución-salida. La mayoría de estos modelos son modelos hidrológicos estocásticos, como el modelo de red neuronal artificial BP, el modelo de regresión, el modelo matemático difuso, etc. Según la escala de construcción del modelo, se puede dividir en modelo general y modelo de distribución. El modelo de agregación trata la cuenca como un todo para un análisis y procesamiento unificados, pero hay un gran problema: ignora la heterogeneidad espaciotemporal de la distribución subterránea y de lluvia. Con el continuo desarrollo de la ciencia y la tecnología, los académicos han propuesto modelos hidrológicos distribuidos con mayor precisión. El modelo hidrológico distribuido resuelve eficazmente el problema de que el modelo de volumen total ignora la desigualdad espaciotemporal de la distribución subterránea y de lluvia. Divide la cuenca en cuadrículas que cumplen con la precisión y utiliza tecnología 3s para obtener datos masivos, de modo que cada cuadrícula unitaria tiene una. El proceso de salida finalmente se integra en un proceso de salida total. Los modelos hidrológicos distribuidos también se dividen en modelos hidrológicos distribuidos débilmente acoplados y modelos hidrológicos distribuidos estrechamente acoplados. Un modelo hidrológico distribuido débilmente acoplado típico es un modelo distribuido basado en el modelo de Xinanjiang. Los modelos hidrológicos distribuidos estrechamente acoplados típicos incluyen el modelo TOPKAPI y el modelo SHE.

4 Outlook

4.1 Escala del modelo Ya sea escala temporal o espacial, es un tema difícil de comprender para los investigadores de modelos. Los hidrólogos no pueden predecir las condiciones hidrológicas debido a cambios combinados en diferentes escalas de tiempo o espaciales. Además, el acoplamiento de la escala temporal y la escala espacial también es un tema espinoso. 4.2 Combinación con otras disciplinas El agua es uno de los mayores recursos naturales de la tierra, y las condiciones hidrológicas también están estrechamente relacionadas con la atmósfera, el suelo, la vegetación, etc. Por lo tanto, la investigación interdisciplinaria entre la hidrología y otras disciplinas se ha vuelto crucial. Actualmente, una cuestión ampliamente estudiada es el impacto del cambio climático en los procesos hidrológicos de la superficie terrestre, pero se trata sólo de un proceso de acoplamiento unidireccional y se necesita más investigación sobre cómo responde el clima a los procesos de la superficie terrestre. En el modelo de Xinanjiang, la simulación del contenido de humedad del suelo también tiene un gran impacto en el cálculo de la evaporación y la producción de agua de las corrientes, lo que muestra que el estudio del suelo puede mejorar la precisión de las predicciones del modelo. En la investigación de sequías, el Índice de Diferencia Normalizada de Vegetación (NDVI) se utiliza a menudo como indicador de evaluación de sequías, que también es un ejemplo de integración interdisciplinaria. En resumen, la integración cruzada de la hidrología y otras disciplinas se ha convertido en una nueva dirección de investigación, y es probable que la aplicación del conocimiento de otras disciplinas en hidrología logre nuevos avances.

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