流域水文模型研究进展
姓名：杨柳 专业班级：水文学及水资源研1017班 学号：1008150845 摘要：流域水文模型是水文研究的重要工具之一。本文较全面、较系统地对其概念、分类和国内外研究进展情况进行了综述，并简要介绍了分布式流域水文模型。探讨了未来的发展方向, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词：流域，水文模型，分布式流域水文模型，发展
Abstract : Hydrological model is an important tool for hydrological research. This more comprehensive, more systematic way of its concepts, classifications and research progress at home and abroad were reviewed, and briefly describes the distributed hydrological model. And it explored the future direction of development. I believe that it has important reference value and reference in peer-related work.
Keywords: river basin; hydrological model; distributed hydrological model; development
1前言
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。
20世纪以来流域水资源问题日益突出，为了提高流域整体管理水平和科技水平，“数字流域”的建设正在日益兴起。模型建设尤其是流域水文模型的建设是“数字流域”建设的核心内容和基础工作。数字水文模型就是构建在DTN/DEM基础之上的一种分布式水文模型，先由DEM 建立数字高程水系模型，再与数字产流模型和数字汇流模型有机结合形成数字水文模型，其基本框架见图1。数字水文模型是一种有物理基础结构的包含大量信息的现代化模拟技术，流域所有下垫面(诸如流域分水线、子流域集水面积、水系、地形、植被、土壤) 都是栅格型数字式的点阵，流域产流单元、汇流路径、水系是根据地形由计算机自动生成[1]。
2流域水文模型的概念及分类
水文现象是一种非常复杂的现象，它不仅受降雨特性的影响，还受流域下垫面、人类活动等因素的影响。因此，多年来水文学者一直在不断地探索和研究，以便揭示水文现象及其发展变化规律。但是，至今仍有许多问题尚未解决。在没
有完全弄清楚水文发展的规律之前，人们总是想通过建立模型对水文过程进行模拟（试验）。可见在对复杂的水文问题进行研究时，模型可认为是描述一种现象转化为另一现象的有效工具。
图1 数字水文模型的基本框架
Figure 1 The basic framework of digital hydrological model
水文模型包括模拟原型的某些物理性质的水文物理模型和用数学物理方法或系统理论描述原型各种变量之间关系的水文数学模型。
2.1水文物理模型
水文物理模型按建模技术可分为实体模型和比拟模型。
（1）实体模型：包括比例尺模型和单项因素试验模型。最简单和直观的是比尺模型。这类模型和一般水工模型类似，是以几何和力学的相似原理为基础的。
（2）比拟模型：以另一现象的物理性质比拟水文现象的物理性质，或者用某一种量来取代原型的性质，如根据渗流的达西定律与电流的欧姆定律之间的相似性进行比拟的电模拟模型。在径流形成过程的研究中，水文物理模型一般在实验室和试验场地进行，但受到试验条件的限制，发展上有一定的局限性。
2.2水文数学模型
水文数学模型也称水文模拟数学模型，即运用数学方法模拟水文现象的模型。特点是用数学方法定量来表达水文原型，并用计算机进行模拟计算。它又分为确定性模型和非确定性模型及混合模型。
（1）确定性模型：以水文现象的因果关系作为基础，应用有限的物理学规律描述水文过程来建立模型，其预测结果不存在不确定性。它又可分为：
①水动力学模型：采用水动力学方程及能量守恒定律等水力学方法对水文现象进行概化模拟。
②概念性模型：以水文现象的物理概念和机制为基础对水文过程进行模拟，具体而言，就是在流域结构内部，把水文现象的物理机制加以概化，用逻辑推理
方法，对概化后的水文现象进行数学模拟的一种方法。如把流域径流形成的各个环节（诸如降水、蒸发、下渗、地面径流、壤中流、地下径流以及调蓄和流量演进）分别用相应的数学物理方法描述，然后按各种环节在径流形成过程中的内在联系组合起来成为一个流域模型，我国的新安江模型、日本的水箱模型、美国的斯坦福模型等都属于此类。
③系统理论模型：与概念性模型观点相反，这种模型对流域内部的物理机制往往不能事先确定，而只能建立在“系统识别”过程的结局上面的一种方法。由于引入了“水文系统”的概念，系统的参数可能随时间和空间变化。就随时间变化而言，有线性与非线性，时变与时不变之组合，即某水文系统可能是线性时变、非线性时变及线性时不变、非线性时不变之分。就随空间变化而言，有集总系统模型和分布式系统模型。
（2）非确定性模型：它是以水文现象随机性的统计规律为基础进行水文模拟的模型。又有随机模型和纯随机模型之分。对于随机模型，在一组已知的不变条件下，每次产生的水文现象可能都必须是不同的，没有唯一的因果对应关系，只能作出概率预告。根据随机模型中的参数是否随时间变化和独立情况，又有时变独立、非时变独立、时变非独立和非时变非独立之分。
此外，确定性模型根据模型对流域的描述是空间集总式的还是分布式的描述，以及对水文过程是经验性描述、概念性描述还是完全物理描述，常形象地称为黑箱模型、灰箱模型和白箱模型。黑箱模型、灰箱模型和白箱模型分别代表确定性水文模型的不同发展阶段。黑箱模型只研究输入和输出间的关系，几乎不考虑输入变成输出的中间过程。如谢尔曼（Sherman,1932）单位线模型和纳希（Nash,1957）瞬时单位线模型；灰箱模型对输入变成输出的中间过程进行概念性描述，模型参数虽有一定物理意义，但难于直接推算，需要根据单元出口流量率定。如新安江模型、斯坦福模型等；白箱模型尽可能建立在人们对控制流域响应的水文过程的物理认识的基础上，由于流域的水文异质性，白箱模型必须对流域进行离散化, 使得模型计算单元内的水文性质满足物理学的均一性要求。如欧洲的SHE/MIKESHE 模型、美国的SWMM 模型和SWAT 模型等。可见，白箱模型是空间分布式的物理模型，能够模拟整个径流过程, 可以预测多个水文变量(如径流量、土壤含水量以及蒸散发等) 的时空格局，是水文模型的发展方向[2]。 3国外水文模型的发展
20世纪以来水资源危机日益突出, 为了适应气候变化和人类活动影响下的水文水资源研究之需, 流域水文循环的模拟已从集总式模型扩展到分布式或者半分布式(结构/参数) 模型。分布式水文模型的开发不仅需要单元水文物理机制的支撑, 而且需要获得大量的流域空间分布数据信息和相关技术的支持。随着“3S ”
技术的发展, 水文模拟技术趋向于将水文模型(包括数学物理模型、概念性模型和系统理论模型) 与数字高程模型(DEM)相结合, 同地理信息系统(GIS)与遥感(RS)集成。
分布式水文模型的建模思路早在20世纪60年代就已. 有芽, 但其长足的进步和广泛的研制和应用, 只能在计算机技术、地理信息系统技术、遥感技术、雷达测雨技术和水文理论有了进一步发展的今天。分布式水文模型必将成为21世纪水文学研究的热点课题之一。
国外分布式流域水文模型的研究, 可以认为始于Freeze 和Harlan 于1969年写的一篇题为《一个具有物理基础的数值模拟的水文响应模型的蓝图》的文章。该文章提出了分布式水文物理模型的基本概念和框架。随后,Hewlet 和Torenale 在1975年提出了森林流域的变源面积模拟模型(简称VSAS) 。在该模型中, 地下径流被分层模拟, 在坡面上的地表径流被分块模拟。此后,Englnan 和Rogowski 提出了一个能够明确说明径流参数空间变化的径流模拟方法, 方法中利用了局部产流面积的概念。即直接根据控制下渗的表层土壤的特性, 认为对径流有贡献的局部产流面积随着时间和空间而变化。产流面积的变化规律则取决于暴雨特性的时空变化和土壤下渗容量的空间分布。通过假设一个滞时参数, 利用运动波理论对产流面积上的径流进行演算。
1979年Bevenh 和Kirbby 提出了以变源产流为基础的TOPMODEL 模型。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, 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。但TOPMODEL 并未考虑降水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响, 因此, 它不是严格意义上的分布式水文模型。
1994年,JefAmold 为美国农业部(USDA)农业研发中心(ARS)开发了SWAT 模型。SWAT 模型是一个具有很强物理机制、长时段的流域水文模型。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以及人类活动对流域水文循环的影响。
目前, 世界上有200多种流域水文模型, 其中比较著名的有:澳大利亚气象局模型(CBM),法国海外科技研究办公室的模型(Girardi),日本国家防灾研究中心的水箱模型(TANK-Ⅰ,TANK-Ⅱ), 罗马尼亚气象和水文所的洪水预报模型(IMHZ-SSVP)等。目前具有代表性的可用于流域水资源管理的分布式水文模拟模型有TOPMODEL 、SWAT 、MODFLOW 、Mike-SHE 。由于分布式水文模型用数字高程模型来描述流域地形地貌, 因此, 通常也称基于数字高程模型的分布式水文模型。
分布式水文模型分为概念性、具有物理基础分布式水文模型。概念性分布式
水文模型如美国的SAC 模型、日本的TANK 模型等。具有物理基础的分布式水文模型可分为以动力学原理为主要基础和以水文学原理为主要基础两种情形。具有物理基础的分式水文模型, 如SHE 模型, 水文学原理为主要基础的分布式水文模型, 如DBSIN 模型。
4国内水文模型的发展
国内分布式水文模型的研究起步较晚。20世纪90年代以来, 在国家自然科学基金的支持下, 我国一些学者进行了探索性的研究工作. 尽管起步较晚, 但也取得了较大的进展。1995年, 沈小东等在研究降雨时空与下垫面自然地理参数空间分布的不均匀性对径流过程影响的基础上, 提出了一种在GIS 支持下的动态分布降雨径流流域模型, 实现了基于栅格DEM 的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟。1997年, 黄平等分析了国外一些具有物理基础的分布式属性模型的不足, 提出了流域三维动态水文数值模型的构想。
2000年, 黄平等建立了描述森林坡地饱和与非饱和带水流运动规律的二维分布式水文数学模型, 并用加辽金有限元数值方法求解模型; 郭生练等建立了一个基于DEM 的分布式流域水文物理模型, 用来模拟小流域的降雨径流时空变化过程。任立良和刘新仁数字高程模型(DEM)的基础上, 进行子流域集水单元勾画、河网生成、河网与子流域编码及河网结构拓扑关系建立, 然后在每一集水单元上建立数字产流模型, 再根据河网结构拓扑关系建立数字河网汇流模型(马斯京根法), 从而建成数字水文模型。2000年, 李兰等提出了一种分布式水文物理模型, 该模型由各小流域的产流模型、汇流模型、流域单宽入流和上游入流反演模型、河道洪水演进四大部分组成。该模型将数学物理的问题与洪水预报相结合, 分别给出了流域产流、河道汇流和水库洪水演算三个动态分布式预报祸合模型, 可用来计算参数、水文物理变量等随时间和空间分布变化的动态过程. 该模型不仅可以用来分析流域内降水径流演变规律, 而且还可以进行洪水实时预报。同一年, 郭生练、熊立华等提出了一个基于DEM 的分布式流域水文物理模型, 该模型详细描述了网格单元的截留、蒸散发、下渗、地表径流、地下径流等水文物理过程, 在每个网格上用地形高程来建立地表径流之间的关系。2001年, 郭生练、杨井等建立了基于GIS 的分布式月水量平衡模型,2002年, 张成才等进行了基于DEM 模型的流域参数识别方法研究; 俞鑫颖、刘新仁等建立了分布式冰雪融水雨水混合水文模型:夏军等将时变增益非线性水文系统(TVGM)和DEM 结合, 开发了分布式时变增益水文模型[3]。
5结语
随着水问题的发展和研究的深入，作为解决水问题的重要手段之一的流域水文模型迎来了又一个机遇和挑战并存的发展的春天，其应用领域和和研究范围不
断拓展，涉及到水文、水资源、气象、气候、地理、地貌、土壤植被、环境生态和社会经济等众多相关学科，尤其是随着作为描述复杂空间变化的水文过程的必要技术支撑的地理信息系统和相关先进技术的发展和应用，流域水文模型的功能愈来愈强大，结构也越来越复杂[4]。
从流域水文模型的研究进展和已有的水文模型来看，分布式水文物理模型，由于明显优于传统的集总式水文模型，又可兼顾概念性模型的特点，能为真实地描述和科学地揭示现实世界的水文变化规律提供有力工具，俨然已成为未来水文学者研究的前沿阵地之一。Woolhiser 曾认为：若要考虑流域内人类活动对于水环境的影响程度，具有物理基础的分布式水文模型是唯一的选择[5]。
分布式水文模型由于涉及具有水文物理的模型参数的确定和对水文数据资料的更高要求，必将激发水文学家应用实验手段和数理分析手段研究水文学基本理论的兴趣，推动先进水文测量技术手段的出现和发展。这反过来又为人们揭示水文过程形成机理与地形、地貌、土壤、植被、水文地质和人类活动之间的定量关系及其变化规律提供条件和依据。使得流域水文模型在不远的将来突破其上述发展困境成为可能。
可以预见，随着一系列理论和技术的不断发展和完善，流域水文模型，尤其是分布式水文物理模型的研究和应用，必将在人们揭示水文变化机理、探讨水环境演化规律和研究水资源的合理开发利用的过程中发挥越来越重要的作用。 参考文献：
[1] 任立良. 流域数字水文模型研究[J].河海大学学报,2000,28(04):1-2.
[2] 宋萌勃，黄锦鑫. 流域水文模型进展与展望[J].长江工程职业技术学院学报.2007,24（03）：26-27.
[3] 欧阳辉. 流域水文模型发展研究[J].工程技术，2009,25:51.
[4] 石教智，陈晓宏. 流域水文模型研究进展[J].水文，2006,26（01）:24.
[5] WoolhiserD.A.Search forp hysieally based runoff model-Ahydrologieal EL.Dorado[J].Journal of HydraulieEngineering.1996，122(3):122-128.