流域水文模型综述

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1、流域水文模型综述摘要：本文分别综述了集总式流域水文模型和分布式水文模型的研究进展，并简 单介绍了几种常用的集总式和分布式流域水文模型及特点，最后对流域水文模型的发展进行了展望。关键词：流域，水文模型，集总式流域水文模型，分布式流域水文模型水资源作为人类社会的一大资源，在不断地满足社会经济发展与生态环境需要的同时，水资源短缺与污染的趋势也在不断加剧。为了促进水资源的可持续利用与保护，美国率先提出了流域管理的概念。流域管理一作为水资源利用与保护的主要途径，是目前水资源管理的主要模式，在世界上得到了广泛应用，尤其在美国、欧洲和澳大利亚等国家，整个研究领域己逐步走向成熟。水文学（hydrology）是

2、地球物理学和自然地理学的分支学科。研究存在于大气层中、地球表面和地壳内部各种形态水在水量和水质上的运动、变化、分布，以及与环境及人类活动之间相互的联系和作用。是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律，以及运用这些规律为人类服务的知识体系。水文模型(Hydrologic Model)，是自然系统的抽象，真实世界的概化，是符号的综合体，是自然系统或部分自然系统的符号化，是数学模型用数学语言将自然现象符号化的的水文学应用，是为了模拟水文现象而建立的实体结构和数学结构与逻辑结构。 流域水文模型把流域总体看成是一个系统，输入为降雨等，输出为出流流量等。流域内的水文过程则是系统的状态，是根据

3、水文概念推理计算出来的，随着全球性缺水问题日益严重，水污染 水资源分布不均衡等问题的日益突出，就要求人们不断加强水文学的定量化研究，而流域水文模型就是其中发展较为迅速的研究领域。它有助于我们在利用水资源分配水资源中提供合理的科学的依据。流域水文模型在进行水文规律的研究和解决生产实际问题中起着重要的作用，因此，掌握常见的流域水文模型是必要的1。1. 流域水文模型研究进展流域水文模型的研究大约始于21世纪50年代后期2，随即有SSARR模型和Stanford模型等模型出现，这些模型从定量上分析了流域出口端面流量过程线形成的全部过程，包括降水、蒸发、截留、下渗、地表径流、壤中流、地下径流等产流环节，

4、也包括了坡面调蓄和河网调蓄等汇流环节3。流域水文模型按不同的分类依据就可将其归类，这种分类方法是很多的例如按模型的基本性质和建模技术可分为实体模型、类比模型、模拟模型，其中实体模型又可分为比例尺模型和单项因素试验模型；模拟模型包括确定性模型和统计模型等。流域水文模型的种类有很多，但是目前在水文学科领域影响最大发展较快的主要还是集总式流域水文模型和分布式流域水文模型两大类4。1.1 集总式流域水文模型研究进展集总式流域水文模型是以一个流域作为完整的研究单元，以流域平均降雨量和蒸发量作为输入,以流域出口端面的径流过程作为输出的模型。对于一个较大的流域，可将其划分为若干子流域，分别模拟各子流域的出流

5、，再通过河系流量演算进一步求出全流域的径流过程，由此建立的水文模型通常被称为分块式流域水文模型，分块式流域水文模型习惯上被归入到集总式流域水文模型的范畴。 20世纪50年代中期，人们开始了对集总式流域水文模型的研究5，60-80年代，随着科学技术的进步，进入了其重要发展时期。这一时期涌现了许多知名的流域水文模型，代表性的模型有美国的Stanford IV和HEC-1模型，日本的水箱模型（Tank model），我国的新安江蓄满产流模型和陕北的超渗产流模型。集总式流域水文模型通常采用均一性假设，不考虑流域水文过程的空间变化特性、模型的输入输出以及模型的边界控制条件等，对流域表面上任何一点的水文过

6、程用简单的基于水文规律的方程加以描述，而其它的一些过程则用一些经验公式描述。集总式流域水文模型隐含着下列缺陷6：构成模型的概念性元素一般只能模拟水文现象的宏观表现，而不能涉及水文现象的本质或物理机制。因此，现有概念性集总式流域水文模型的结构对径流形成过程的描述是近似的，甚至是粗略的，所包含的参数大多数缺乏明确的物理意义。将事实上呈空间分布状态的降雨输人当成模型的集总输人，这显然与流域径流形成是分散输人、集总输出的实际情况不符。有些模型虽然设法考虑下垫面条件空间分布不均对径流形成过程的影响，但由于采用的是统计分布曲线，因而无法同时考虑降雨空间分布的影响。模型包含的参数中一般都有多于2个，甚至多达

7、10 多个要通过率定方法确定，即由实测水文气象资料反求。这种称为“反问题”的数学问题，在理论上完全依赖于目标函数、约束条件的拟定和实测水文气象资料条件，会出现“异参同效”现象，因此很难保证解的唯一性和合理性。1.2 分布式流域水文模型研究进展自1969年Freeze和Harlan第一次提出了关于分布式物理模型的概念，分布式模型开始得到快速发展78。分布式水文模型是以分布式流域下垫面、分布式输入量作为标志，并在GIS技术支持下发展起来的新一代流域水文模型。其技术核心是在数学高程模型基础上，构造基于网络单元的流域产、汇流模型。自1969年之后，许多水文学家开展了这方面的研究工作，并相继开发了各种不

8、同结构的分布式流域水文模型。1975年，Hewlett和Troenale提出了森林流域的变源面积模拟模型（VSVS），在该模型中，对地下径流进行分层模拟，而坡面上的地表径流则分块模拟。1979年，Freeze和Harlan提出了以变源产流为基础的TOPMODEL，该模型基于DEM推求地理指数，利用地形指数来反映下垫面的空间变化影响，模型参数具有一定的物理意义，能用于无资料地区的产汇流计算9。1980年，英国的Morrio开发了IHDM模型。1985年，美国农业部农业研究中心的Alons 和 Coursey 考虑到土地利用与管理将会影响到一个小流域的水文循环与化学循环，于是设计了SWAT模型。相

9、对于集总式模型而言，分布式水文模型一个最突出的特点是考虑了流域特征以及下垫面要素在时间、空间尺度上的变化。也就是说，分布式水文模拟就是根据某一流域信息的时空变化特征，将整个流域划分成自然或非自然的子流域，并且以子单元为基本单元进行子流域水文模拟，然后再根据子流域间的拓扑关系进行全流域的水文模拟演算10。 分布式模型和集总式模型有着明显不同的结构。在集总式模型中，单元区域内的物理过程一般由几层垂直方向的蓄水体结构，水平方向则采用简单或概化后的流域模型。分布式模型着重考虑不同单元之间和子流域之间的水平联系，这种联系起因于径流流向的随机性和河网的连通性，而且这种联系直接决定着分布式模型的结构和复杂性

10、，分布式模型可分为如下两种不同结构： 1)紧密藕合型：这类模型的主要特点是应用连续方程和运动方程来建立相邻网格单元或子流域之间的时间和空间关系，采用数值方法进行求解。这类模型包括SHE模型和它的变形模型，这类模型正是人们所指的分布式水文物理模型。 2)松散藕合型：这类模型的主要特点是在每个单元网格或子流域上应用现有概念性集总式模型来推求净雨，再进行汇流演算，推求出口断面流量。这类模型正是人们所指的分布式水文概念模型，比如基于新安江模型的分布式流域水文模型11。2.代表性集总式流域水文模型2.1 水箱模型水箱模型，是由日本菅原正在20世纪60年代初提出，水箱模型又叫TANK模型，在后来的不断发展

11、中成为世界各国广泛采用的流域水文模型。水箱模型是一种概念性径流模型，把流域当作数个组合的蓄水容器，容器中的蓄水量看做流域蓄水量，并以容器中的蓄水深度为参数来计算流域的降雨-径流关系及其汇流过程。在模型的应用中，它将复杂的降雨转化为径流的过程，简单归纳为流域的蓄水与出流的关系进行模拟，因此，该模型具有一定的灵活性，适应性强，在各种大小流域以及各种气候、地形都可以应用，只要多设置水箱就可以。水箱模型以水箱作为蓄水容器，将降雨径流过程模拟为若干个水箱的调蓄作用，如图1所示。图1为一个串联的3层水箱结构，每一层水箱旁侧设有出流孔，底部设有下渗孔，最下层水箱只有出流孔而无下渗孔。上层水箱的下渗即为下层水

12、箱的入流，根据该层水箱的蓄量与出流孔的高度，判断其是否出流，依次类推， 直至最后一层水箱。各层水箱的蓄量与出流的关系假定为线性的，与下渗的关系也假定为线性的。也就是所有的蓄泄关系都是用线性水库来模拟。上层水箱设有一个以上的出流孔，相当于有几个不同库容的线性水库，其和是非线性关系，用以模拟地面径流的非线性蓄泄关系12。水箱模型具有以下特点：模型弹性大，可根据流域的特点，选择不同类型的水箱，分层水箱可多可少，侧孔也可多可少，水箱既可作洪水预报，又可作枯水或融雪预报。模型采用非线性结构，并考虑分层汇流计算，出流系数从下层到上层一次增大，将于越大，最上层水箱的水深越大，出流也加速变大。这种非线性汇流特

13、性可以提高计算精度。模型结构简单，计算方便。2.2 新安江模型 新安江模型，是在20世纪60年代初，由河海大学赵人俊等在配合一定的汇流计算的情况下研究蓄满产流模型，其成果可以用于水文预报和水文设计。1973 年，他们在对以往工作经验归纳总结下，提出一个完整的降雨径流流域模型-新安江模型，最初该模型为2水源-地表径流和地下径流，在20世纪80年代中期，借鉴山坡水文学的概念和国内外产汇流理论的研究成果，提出了三水源新安江模型。它的特点是认为湿润地区主要产流方式为蓄满产流，所提出的流域蓄水容量曲线是模型的核心。近几十年，新安江模型不断改进，已成为有我国特色应用较为广泛的一个流域水文模型。新安江模型在

14、国内湿润和半湿润地区得到广泛的应用13。李致家15等利用改进的新安江模型对高理流域和临沂流域的洪水进行了预报。瞿思敏16等利用新安江模型与垂向混合产流模型对青峰岭水库和危水水库流域的洪水进行了预报和比较。吉林省水文水资源局14利用新安江三水源模型对竞赛流域的洪水进行了预报。这些预报结果都说明了新安江模型在湿润地区和半湿润地区具有较好的适应性，而在干旱半干旱地区的模拟效果则不够理想。此外，新安江模型在大中流域的模拟效果比在小流域的模拟效果要好。新安江模型的结构特点可以简单的归纳为：( 1)三分特点，即分单元计算产流、分水源坡面汇流和分阶段流域汇流。( 2)模型参数少且大多数具有明确的物理意义，容

15、易确定。( 3)模型参数与流域自然条件的关系比较清楚，可以寻找到参数的区域规律。 ( 4)模型中未设超渗产流机制，适用于湿润与半湿润地区。2.3 萨克拉门托模型萨克拉门托模型，简称SAC模型，SAC模型类似于斯坦福模型，它是一个连续模拟模型，该模型始用于美国大利福尼亚州萨克拉门托河而得名。它是在第号斯坦福流域水文模型基础上改进和发展的。SAC模型是集总参数型的连续运算的确定性流域水文模型。模型以土壤水分的贮存、渗透、运移和蒸散发特性为基础，用一系列具有一定物理概念的数学表达式来描述径流形成的各个过程；模型中的每一个变量代表水文循环中一个相对独立的层次和特性；模型参数则是根据流域特性、降雨量和流

16、量资料推求。按下垫面对降雨产流作用的不同，SAC模型将全流域分为永久不透水面积、可变的不透水面积和透水面积三部分。在透水面积上，根据土壤垂向分布的不均匀性将土层分为上土层和下土层。根据土壤水分受力特性的不同，将每层土壤水分分为张力水和自由水2种。张力水消耗于蒸散发，自由水可以产流。SAC模型将水源划分为直接径流、地面径流、壤中流、快速地下水和慢速地下水。直接径流包括永久不透水面积上产生的直接径流和可变不透水面积上产生的直接径流两种，地面径流包括透水面积上的和可变不透水面积上的两部分。壤中流、快速地下水和慢速地下水的蓄泄关系均采用线性水库来模拟。蒸散发计算采用线性模型，它与张力水蓄量成正比，但上

17、下层的比例系数不相同。冷雪、关志成17利用改进的萨克拉门托模型对牡丹江流域上游敦化站的径流进行了模拟；温树生18等利用改进的萨克拉门托流域水文模型对黑龙江省牡丹江流域上的横道河子水文站以上的流域进行了径流模拟。以上说明了萨克拉门托模型在干旱半干旱地区和湿润地区都具有较好的适用性。3. 代表性分布式流域水文模型3.1 SWAT模型 SWAT模型是美国农业部农业研究中心研制开发的用于模拟预测土地利用及土地管理方式对流域水量、水质过程影响的分布式流域水文模型，是在SWRRB模型基础上发展起来的一个长时段的流域分布式水文模型。SWAT是一个具有很强物理基础、适用于具有不同的土壤类型、不同的土地利用方式

18、和管理条件下的复杂大流域，在加拿大和北美寒区具有广泛的应用。主要用来预测人类活动对流域水文过程、河道产输沙变化、农药化学污染在流域内的传播、迁移等的长期影响。模型由站点的气象资料驱动，以水文响应单元为最小水文模拟单元进行流域水文过程模拟，在HRUs上利用水量平衡理论描述陆相水文循环过程，计算得到模拟单元内每一天的产流19，然后利用改进的推理方法计算单元产流对主河道的水量贡献；在河道内采用变动储水系数模型或者马斯京根法计算河道的汇流，扣除水面蒸发、传输损失以及流域内人、畜用水，得到河道出口的逐日断面流量。同时可以得到各子流域的其它水文参量如降水融雪量、潜在蒸散量、实际蒸散量、土壤含水量、下渗水量

19、、地表径流、地下径流等20。 SWAT能够在缺乏资料的地区建模，具有输入数据容易获取、计算效率高等特点。它能够利用GIS和RS提供的空间信息，模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程。模型可采用多种方法将流域离散化(一般基于栅格DEM)，能够响应降水、蒸发等气候因素和下垫面因素的空间变化对流域水文循环的影响。3.2 TOPMODEL模型 TOPMODEL模型，是Bevenh和kirbby在1979年)提出的一个以地貌指数空间分布为基础的流域水文模型。该模型具有结构简单、优选参数较少、物理概念明确等特点。其主要特征是数字高程模型( DEM) 的广泛适用性以及水文模型与地理信息系统( GIS)的结合

20、应用。该模型基于DEM推求地形指数，并利用地形指数来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响，充分利用了容易获取的地形资料，而且与观测的物理水文过程有密切联系。模型的参数具有物理意义，能用于无资料流域的产汇流计算，且充分考虑了地形特征对流域径流模拟精度的影响21。该模型的产流方式与蓄满产流类似，但与基于蓄满产流的新安江模型的基本原理和计算方法有着显著的差异。该模型假设在流域任何一处的土壤上有3个不同的含水区：第1个是植被根系区，第2是土壤非饱和区，第3是饱和地下水区。TOPMODEL模型把全流域按DEM网格分块，每一个网格作为一个水文单元，对每一个水文单元流域进行产汇流计算，求出单元流域出

21、口处的流量过程。采用近似运动波的常波速演算法对单元出口处的流量过程进行河道演算，得到流域出口断面处总的流量过程22。TOPMODEL模型对日径流过程有着较高的模拟精度。Jin fan Duan等根据TOPMODEL模型的基本原理，提出导水率和土壤缺水量之间存在普遍的幂函数关系，并进行了相关公式的讨论。J. E. Freer等针对模型参数率定问题，在使用普遍似然参数估计方法时，把地下水位和降雨资料同时引入到该参数率定方法中来约束模型，提高了获 得最优参数的效率，同时使率定的参数更符合模型的结构7。但TOPMODEL对水文要素的空间变异性及水文单元的相互联系考虑不足。模型仅仅考虑了下垫面地形的空间

22、变异性，其它水文要素，如降水、蒸发及产流等因素，都被假定为空间上均等。而且，除了计算地形指数，网格并没有实际的意义。因此，它不是严格意义上的分布式水文模型，这类模型也称半分布式水文模型。对TOP-MODEL模型研究的结果表明：优选出来的饱和导水率参数T0总是特别大，与实际情况相距甚远。4. 流域水文模型发展展望 流域水文模型从发展初期到现在已经有很多成熟的模型，尤其是近年来分布式流域水文模型得以快速发展和推广应用。但由于模型开发所依赖的数据基础条件、模型结构原理以及模型开发的目标对象等不同，目前分布式流域水文模型在功能和适用范围等方面均有一定的限制性，仍需进一步改进和完善。今后GIS和RS在水

23、文循环领域的应用给水文模型的研究思路和技术方法带来了创新和革命。使得模型的应用更为简单方便。通过GIS和RS的结合，将为流域水文模型的发展开创一片新天地，它可以在收集、处理数据时运作更快，模拟结果也更为精确，可以为生产实际提供更为科学的依据。参考文献：1吴贤忠.流域水文模型研究进展综述J.水利工程.2011,2:40-43.2赵人俊.流域水文模拟C.北京:水利电力出版社, 1984.131-140.3谢平,李晶等.流域水文模型C.科学出版社,2010, 68-69.4万洪涛.流域水文模型研究的进展J.地球信息科学.2000,12(4):46-48.5胡彩虹.黄河流域水文模型的分析比较研究D.武

24、汉大学博士论文.2004.6苗孝芳.流域水文模型的发展J.水文.2006,6(26):22-25.7赵串串.分布式水文模型在渭河流域水资源综合管理中的应用研究D.西安建筑科技大学,2007.8FreezeR.A,HarlanRL.BluePrint for a physically based,digitally-simulated hydrologic response modelJ.Hydrol.1969.9黄平,赵吉国.流域分布型数学模型的研究及应用前景展望J,水文,1997(5):5-9.10张行南.流域分布式水文模拟方案构建范式研究与应用D.河海大学,2007.11Lu M, Koi

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