流域水文模型研究現狀及發展趨勢

楊會龍

(四川省水利水電勘測設計研究院，四川 德陽，618000)

流域水文模型研究現狀及發展趨勢

楊會龍

(四川省水利水電勘測設計研究院，四川 德陽，618000)

流域水文模型在進行水循環機理的的研究和解決生產實際問題中起著重要的作用，能有效應用于水文計算、水文預報、水資源可持續利用、水環境和生態環境保護等方面。流域水文模型的發展趨勢，已由傳統的概念性集總式水文模型轉向具有物理成因基礎的分布式水文模型，分布式水文模型發展所面臨的非線性問題、時空尺度轉換問題、水文模型與大氣環流模型的耦合及“3S”技術與水文模型的集成等問題，都需要今后進一步深入研究。

流域水文模型 研究現狀 發展趨勢

1 引言

流域水文模型是為模擬流域水文過程所建立的數學結構，在進行水循環機理的研究和解決生產實際問題中起著重要的作用，能有效應用于水文分析、水文預報、水資源開發、利用、保護和管理等方面。

目前，國內外開發研制的流域水文模型眾多，結構各異，按照不同的分類方法可劃分為不同類型的流域水文模型[1]。其中，按對流域水文過程描述的離散程度可分為集總式模型和分布式模型。集總式模型最基本的特征是將流域作為一個整體來描述或模擬降雨徑流形成過程，模型本身大多數都不具備從機理上考慮降雨和下墊面條件空間分布不均勻對降雨徑流形成影響的功能；分布式模型最基本的特征是按流域各處氣候信息和下墊面特性要素信息的不同，將流域劃分為若干小單元，在每一個單元上用一組參數反映其流域特征，具有從機理上考慮降雨和下墊面條件空間分布不均勻對降雨徑流形成影響的功能。分布式模型根據自身的結構和性質，大致可分為構建于概念性模型基礎上的分布式水文模型和以物理方程為基礎的分布式模型。構建于概念性模型基礎上的分布式水文模型，主要特點是在每一個水文模擬的小單元上應用概念性集總式模型來計算凈雨量，再進行匯流演算，計算出流域出口斷面的流量過程；以物理方程為基礎的分布式模型，主要特點是在每一個水文模擬的小單元上應用連續方程和運動方程來構建相鄰模擬單元之間的時空關系，應用數值計算方法求解。

2 國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

流域水文模型的研究大約始于本世紀50年代，1959～1966年，N.H.克勞福特先生和R.K.林斯雷先生利用8年時間研制成功第Ⅳ號斯坦福模型，這是世界上最早也是最有名的流域水文模型。此模型物理概念明確、結構層次分明，為以后許多模型的建立提供了基礎。1961年，日本的菅原正已博士首先提出水箱模型，并經過了不斷的改進和發展。水箱模型是對水文現象的一種間接模擬，模型中并無直接的物理量，參數簡單，操作簡便，在我國濕潤地區的水文計算和水文預報中采用較多，而且對我國流域水文模型的發展影響較大[2]。1966年，澳大利亞的包頓研制成功了包頓模型。該模型是一個以日為計算時段的流域水文模型，在澳、新等國有著廣泛的應用，比較適用于干旱和半干旱地區，模型結構簡單，未設置地下水結構，且只做了產流部分，未研究匯流過程。20世紀60年代末至70年代初，美國的R.C.伯納什和R.L.費雷爾以及R.A.麥圭爾研制了薩克拉門托模型。該模型兼顧蓄滿產流和超滲產流，流域分單元和總徑流分水源，模型參數雖有物理意義，但參數多，難于優選，產流計算復雜但匯流計算相對簡單。

國外的分布式水文模型研究，可以認為起始于1969年Freeze和Harlan發表的“一個具有物理基礎數值模擬的水文響應模型的藍圖”的文章。隨后，Hewlett和Troenale在1975年提出了森林流域的變源面積模擬模型(簡稱VSAS)。在該模型中，地下徑流被分層模擬，在坡面上的地表徑流被分塊模擬。1979年Bevenh和Kirbby提出了以變源產流為基礎的TOPMODEL模型。該模型基于DEM推求地形指數，并利用地形指數來反映下墊面的空間變化對流域水文循環過程的影響，模型的參數具有物理意義，能用于無資料流域的產匯流計算。Famiglietti等將修改的TOPMODEL和一個表面能量平衡模型耦合在一起，計算整個流域范圍內的蒸散發空間變化，但TOPMODEL并未考慮降水、蒸發等因素的空間分布對流域產匯流的影響。因此，它不是嚴格意義上的分布式水文模型，這類模型也稱半分布式水文模型。1980年，丹麥、法國及英國的水文學者聯合研制及后來改進的SHE模型，是一個典型的分布式水文模型。在SHE模型中，流域在平面上被劃分成許多矩形網格，這樣便于處理模參數、降雨輸入以及水文響應的空間分布性，在垂直面上，則劃分成幾個水平層，以便處理不同層的土壤水運動問題。SHE模型為研究人類活動對于流域的產流、產沙及水質等影響問題提供了理論工具，SHE模型應用數值分析來建立相鄰網格單元之間的時空關系，這類模型也稱緊密耦合型分布式水文模型，即人們所指的具有物理基礎的分布式水文模型。1980年，英國的Morris進行了IHDM的研究，根據流域坡面的地形特征，流域被劃分成若干部分，每一部分包含有坡面流單元，一維明渠段以及壤中流，隨后Beven和Calver等對IHDM模型進行了改進。1994年，JeffAmold為美國農業部農業研究中心開發了SWAT模型。SWAT是一個具有很強物理機制、適用于長時段的流域水文模型，能夠利用GIS和RS提供的空間信息，模擬復雜大流域中多種不同的水文物理過程；模型可采用多種方法將流域離散化(一般基于柵格DEM)，能夠響應降水、蒸發等氣候因素和下墊面因素的空間變化以及人類活動對流域水文循環的影響。SWAT模型應用現有的概念性模型在每一個網格單元(子流域)上進行產流計算，然后再進行匯流演算，最后求得出口斷面流量，這類模型也稱松散耦型分布式水文模型。1995年，Grayson等提出了THALES模型，它是一個基于矢量高程數據的分布式參數模型；HuaxiaYao等提出了基于網格的集降雨空間輸入估計、降雨～蒸發～徑流過程模擬、河流演算和空間參數校準為一體的分布式水文模型；DawenYang等提出了基于山坡和基于10km網格的大尺度分布式水文模型。

2.2 國內研究現狀

我國流域水文模型的研制始于20世紀70年代，趙人俊等建立的新安江模型是最具代表性的水文模型之一，最初的模型為兩水源(地表徑流和地下徑流)；80年代初，趙人俊等[3]又將Sacramento模型和Tank模型中用線性水庫劃分水源的概念引入新安江模型中，提出了三水源新安江模型(地面徑流，壤中流和地下徑流)；隨后趙人俊又提出適用干旱、半干早地區的陜北模型。實踐證明，新安江模型在濕潤、半濕潤地區應用效果很好。陜北模型是趙人俊等針對干旱、半干旱地區而建立的水文模型，但模擬效果不理想，限制了它的進一步應用。

國內分布式水文模型研究開展較晚，1995年，沈曉東等在研究降雨時空分布與下墊面自然地理參數空間分布的不均勻性對徑流過程影響的基礎上，提出了一種在GIS支持下的動態分布式降雨徑流流域模型，實現了基于柵格DEM的坡面產匯流與河道匯流的數值模擬。黃平等[4]于1997年分析了國外一些具有物理基礎的分布式水文數學模型的不足，提出了流域三維動態水文數值模型。該模型由流域二維坡面流方程與三維飽和——非飽和流方程組成，并從理論上分析了該模型的可解性和應用前景?？追舱躘5]提出了一種利用空間分布流速場計算流域單位線的方法，不僅可以考慮坡地漫流過程，而且坡面上與河網內的網格單元可以采用完全不同的流速計算公式，以分布式單位線的形式處理流域降雨空間分布不均勻問題。石朋[6]以蓄滿產流理論為基礎，描述了最大缺水量同地形指數之間的函數關系，基于數字高程模型確定單元格凈雨的匯流路徑，從而解決了模型產匯流計算過程中的降雨輸入和參數網格化問題，最后建立了一個網格型松散結構的分布式流域水文模型。

3 發展趨勢及存在問題

3.1 發展趨勢

傳統的概念性集總式模型由于忽略了參數和下墊面條件的時空變化，將參數和變量都取流域的平均值，這與流域的實際情況并不相符，因為不僅降雨具有隨時變化的空間分布，流域的土壤、植被、地形等自然地理條件及人類活動的影響等在空間上也是時空變化的，而且模型中的許多概化和假設也不符合實際情況。所以，概念性集總式流域水文模型在模擬流域降雨徑流過程中必然存在一定的局限性。隨著現代科學技術的的飛速發展，以計算機和通信為核心的信息技術特別是“3S”技術在水文學科領域的應用，能夠考慮流域特征空間變異性且具有物理基礎的分布式水文模型，成為今后水文科學研究的重點，這也必將為建設“數字水利”、“數字流域”等水利信息化建設注入新的活力。

3.2 存在問題

分布式水文模型的前景雖然喜人，但是也面臨著許多困難。例如，Beven[7]將分布式水文模型面臨的問題歸納為非線性問題、尺度問題、唯一性問題、等效性問題和不確定性問題五個方面。水文系統本身就是一個復雜的非線性特征系統，其演化具有多樣性和不確定性，因此所面臨的核心問題是非線性問題[8]。分布式水文物理模型通過微分方程描述非線性水文過程，但方程和邊界條件復雜，目前尚無解析解。而且，非線性系統對模型的初始條件和邊界條件敏感，而在分布式水文模型中這些難于確定。水文系統也是一個時空耦合的系統，水文尺度不同，水文過程所表現的水文規律和特征也不同，實現不同尺度間的轉換是水文尺度目前面臨的主要問題[9]，國內外提出了一些解決尺度轉換問題的方法，但仍然未取得滿意的結果。此外，水文模型與大氣環流模型的耦合研究，“3S”技術與水文模型的集成等問題，都需要今后做進一步深入的研究。

〔1〕包為民.水文預報(第3版)[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

〔2〕石教智，陳曉宏.流域水文模型研究進展[J].水文，2006，26(1)：18～23.

〔3〕趙人俊.流域水文模擬——新安江模型與陜北模型[M].北京：水利電力出版社，1984.

〔4〕黃 平，趙吉國.流域分布型水文數學模型的研究及應用前景展望[J].水文，1997，17(5)：5～10.

〔5〕孔凡哲.基于數字平臺的分布式流域水文模型和流域匯流研究[D].河海大學，2003.

〔6〕石 朋.網格型松散結構分布式水文模型及地貌瞬時單位線研究[D].河海大學，2006.

〔7〕BevenK.J.HowFarCanWeGoinDistributedHydrologicalModeling[J].HydrologyandEarthSystemSciences，2001，5(1)：1～12.

〔8〕閆紅飛，王船海.分布式水文模型研究綜述[J].水電能源科學，2008，26(6)：1～4.

〔9〕于翠松.水文尺度研究進展與展望[J].水電能源科學，2006，24(6)：17～20.

楊會龍(1985.11-)，男，甘肅正寧人，助理工程師，碩士研究生，從事水文水資源專業規劃設計工作。

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2095-1809(2016)01-0096-03