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第一章 绪论 1

1.1 水文循环与水文系统的概念 1

1.1.1 水文循环的概念 1

1.1.2 系统的涵义与系统方法 3

1.1.3 水文系统的概念及分类 5

1.2 近代水文科学的发展与挑战 8

1.2.1 现代水文学的发展 8

1.2.2 全球变化与水文循环问题 13

1.2.3 人类活动对水循环水资源的影响 14

1.3 水文系统的非线性问题 16

第二章 水文非线性系统描述与识别 26

2.1 水文非线性系统描述 26

2.1.1 非线性水动力学数学模型 27

2.1.2 水文非线性系统理论模型 29

2.1.3 概念性水文模型 33

2.1.4 分布式水循环模型 34

2.2 水文非线性系统识别原理 37

2.2.1 水文系统识别的概念 37

2.2.2 水文系统识别问题的分类 40

2.2.3 水文非线性系统识别的误差准则 44

2.2.4 水文非线性系统识别的若干原则 46

2.3 水文非线性系统识别的技术实现 50

2.3.1 技术实现原理与一般问题 50

2.3.2 “确定性”识别问题的最优化方法 50

2.3.3 “随机性”识别问题的估计方法 69

2.4 水文非线性系统模型可识别性分析 87

2.4.1 水文模型可识别性的描述 88

2.4.2 水文模型可识别性准解析方法 98

2.4.3 水文模型可识别性的组合判断 102

2.4.4 水文模型可识别性实例分析与应用 107

第三章 Volterra泛函模型与水文非线性模拟 117

3.1 Volterra非线性系统理论模型 117

3.1.1 非线性系统积分方程模型 117

3.1.2 非线性系统微分方程模型 121

3.1.3 非线性微分方程与Volterra级数的联系 125

3.2 Volterra非线性系统“离线”识别 127

3.2.1 核函数正交逼近的最小二乘方法 128

3 2.2 非线性模型结构参数识别方法 137

3.2.3 应用与分析举例 140

3.3 Volterra非线性系统“在线”识别 145

3.3.1 “在线”识别问题的性质 145

3.3.2 实时递推最小二乘算法 147

3 3.3 非线性卡尔曼滤波在线估计算法 151

第四章 水文时变增益与非线性扰动系统模型 153

4.1 一种时变增益水文非线性模型及其应用 153

4.1.1 水文时变与实时预报问题 153

4.1.2 时变增益的水文非线性系统模型 155

4.1.3 时变增益水文参数模型的“离线”识别 157

4.1.4 时变增益模型的“在线”识别及水文实时预报 158

4.1.5 应用与检验 160

4.2 水文非线性扰动模型及应用 164

4.2.1 非线性扰动模型的结构关系 164

4.2.2 产流的描述 165

4.2.3 流域汇流的一种非线性扰动模型 167

4.2.4 NLPM—API模型的识别 168

4.2.5 应用举例 169

4.3.1 人工神经网络（ANN）简介 173

4.3 ANN水文非线性系统模型 173

4.3.2 ANN与水文系统的联系 175

4.3.3 B-P网络结构的数学表达 177

4.3.4 一种信息码ANN方法及其在水文预报中的应用 178

第五章 集总式水文非线性概念性模型 185

5.1 流域雨洪非线性问题与变动单位线模型 185

5.1.1 纳希梯级水库概念的瞬时单位线模型 186

5.1.2 流域雨洪非线性问题 189

5.1.3 变动单位线模型 192

5.2 流域均匀非线性梯级模型 200

5.3 Volterra概念性模型 204

5.3.1 Volterra概念性模型计算 204

5.3.2 Volterra概念性模型参数识别 207

第六章 水文水资源概念性模型 216

6.1 平原水网区的水均衡关系 216

6.2 流域水文水资源模型结构 220

6.3 流域系统入流量的计算 222

6.3.1 降水与灌溉水 222

6.3.2 蒸发与流域净人流量 223

6.4 透水面积上地面蓄积环节的计算 224

6.4.1 流域入渗能力Fp(ti)及其面积分配曲线 224

6.4.2 流域的实际下渗量Fa(ti) 227

6.4.3 地面蓄积产流量R′s2(ti)计算 228

6.5 透水面积土壤水蓄积环节计算 229

6.5.1 土壤蒸发E3(ti)计算 229

6.5.2 入渗补给Up(ti)计算 232

6.5.3 土湿W(ti)的递推计算 233

6.5.4 潜水蒸发Eg(ti)计算 234

6.6 地下水蓄积环节计算 236

6.6.1 建立地下水蓄积Sg～Kg非线性关系 238

6.6.2 地下水位Hg(ti)的递推计算 241

6.6.3 地下蓄积量Sg和出流量Qg计算 242

6.7 流域不透水面积（F1）产流量计算 243

6.7.1 不含灌溉水影响的直接径流量Rs1(ti) 243

6.7.2 含灌溉水影响的直接径流量Rss(ti) 244

6.8 流域透水面积产流量计算 244

6.9 流域地面汇流计算 246

6.9.2 动力调蓄方程与汇流模型 247

6.9.1 地表水系统水量平衡关系 247

6.10 流域年水资源量的分析计算 248

6.10.1 流域降水总量SUMP 248

6.10.2 流域总蒸发量TE 249

6.10.3 流域总灌溉水量TIR 249

6.10.4 流域总潜水蒸发量SEG 249

6.10.5 流域总入渗补给量SUP 250

6.10.6 受灌水影响的流域水资源总量TRGI及水量平衡的约束关系 250

6.10.7 流域净水资源总量TRG估算 252

6.11 水文水资源概念性模型的应用与分析 254

6.11.1 汉川径流实验区洪西垸流域概况 255

6.11.2 模型参数及其率定 261

6.11.3 参数率定的优化方法 263

6.11.4 模型参数识别结果 266

6.11.5 成果的分析与检验 268

第七章 分布式水文循环模型 288

7.1 流域数字高程模型（DEM） 288

7.1.1 DEM基本知识 289

7.1.2 基本地形因子的坡度和坡向计算 291

7.1.3 DEM在水文中的应用 292

7.2 基于DEM的分布式水文模拟方法 298

7.2.1 建模的基本思路 299

7.2.2 模型的基本结构 300

7.2.3 分布式输入模块 301

7.3 TOPMODEL模型 320

7.3.1 模型的物理机制 321

7.3.2 模型的基本假设 322

7.3.3 模型方程的推导 324

7.3.4 TOPMODEL模型的计算机流程 330

7.3.5 地形指数计算 331

7.3.6 模型参数 333

7.3.7 模型的改进及应用实例 334

7.3.8 几个问题的讨论 340

7.4 SWAT分布式流域模型 341

7.4.1 SWAT模型结构基本框架 341

7.4.2 SWAT水循环的陆面部分模拟 344

7.4.3 SWAT水循环的水面部分模拟 347

7.4.4 SWAT模型的主要计算公式 348

7.5 分布式时变增益水文模型（DTVGM） 351

7.5.1 DTVGM模型的概念与结构 352

7.5.2 DTVGM的产流模型 356

7.5.3 DTVGM的汇流模型 362

7.5.4 DTVGM系统开发 365

7.6 黄河马连河流域应用实例 372

7 6.1 马连河流域概况 372

7.6.2 马连河流域DEM 374

7.6.3 马连河流域分布式水文模型 376

7.7.1 黑河流域基本概况 386

7.7 西部干旱地区黑河流域应用实例 386

7.7.2 流域资料收集 393

7.7.3 模型应用与结果分析 394

7.8 华北地区北京市水源地潮白河流域应用实例 406

7.8.1 华北地区水资源与环境问题 406

7.8.2 潮白河流域基本概况 409

7.8.3 潮白河流域分布式水文循环模型 411

7.8.4 环境变化下水科学问题的挑战 419

参考文献 423