流域水文模型研究现状及发展趋势

杨会龙

(四川省水利水电勘测设计研究院，四川 德阳，618000)

流域水文模型研究现状及发展趋势

杨会龙

(四川省水利水电勘测设计研究院，四川 德阳，618000)

流域水文模型在进行水循环机理的的研究和解决生产实际问题中起着重要的作用，能有效应用于水文计算、水文预报、水资源可持续利用、水环境和生态环境保护等方面。流域水文模型的发展趋势，已由传统的概念性集总式水文模型转向具有物理成因基础的分布式水文模型，分布式水文模型发展所面临的非线性问题、时空尺度转换问题、水文模型与大气环流模型的耦合及“3S”技术与水文模型的集成等问题，都需要今后进一步深入研究。

流域水文模型 研究现状 发展趋势

1 引言

流域水文模型是为模拟流域水文过程所建立的数学结构，在进行水循环机理的研究和解决生产实际问题中起着重要的作用，能有效应用于水文分析、水文预报、水资源开发、利用、保护和管理等方面。

目前，国内外开发研制的流域水文模型众多，结构各异，按照不同的分类方法可划分为不同类型的流域水文模型[1]。其中，按对流域水文过程描述的离散程度可分为集总式模型和分布式模型。集总式模型最基本的特征是将流域作为一个整体来描述或模拟降雨径流形成过程，模型本身大多数都不具备从机理上考虑降雨和下垫面条件空间分布不均匀对降雨径流形成影响的功能；分布式模型最基本的特征是按流域各处气候信息和下垫面特性要素信息的不同，将流域划分为若干小单元，在每一个单元上用一组参数反映其流域特征，具有从机理上考虑降雨和下垫面条件空间分布不均匀对降雨径流形成影响的功能。分布式模型根据自身的结构和性质，大致可分为构建于概念性模型基础上的分布式水文模型和以物理方程为基础的分布式模型。构建于概念性模型基础上的分布式水文模型，主要特点是在每一个水文模拟的小单元上应用概念性集总式模型来计算净雨量，再进行汇流演算，计算出流域出口断面的流量过程；以物理方程为基础的分布式模型，主要特点是在每一个水文模拟的小单元上应用连续方程和运动方程来构建相邻模拟单元之间的时空关系，应用数值计算方法求解。

2 国内外研究现状

2.1 国外研究现状

流域水文模型的研究大约始于本世纪50年代，1959～1966年，N.H.克劳福特先生和R.K.林斯雷先生利用8年时间研制成功第Ⅳ号斯坦福模型，这是世界上最早也是最有名的流域水文模型。此模型物理概念明确、结构层次分明，为以后许多模型的建立提供了基础。1961年，日本的菅原正已博士首先提出水箱模型，并经过了不断的改进和发展。水箱模型是对水文现象的一种间接模拟，模型中并无直接的物理量，参数简单，操作简便，在我国湿润地区的水文计算和水文预报中采用较多，而且对我国流域水文模型的发展影响较大[2]。1966年，澳大利亚的包顿研制成功了包顿模型。该模型是一个以日为计算时段的流域水文模型，在澳、新等国有着广泛的应用，比较适用于干旱和半干旱地区，模型结构简单，未设置地下水结构，且只做了产流部分，未研究汇流过程。20世纪60年代末至70年代初，美国的R.C.伯纳什和R.L.费雷尔以及R.A.麦圭尔研制了萨克拉门托模型。该模型兼顾蓄满产流和超渗产流，流域分单元和总径流分水源，模型参数虽有物理意义，但参数多，难于优选，产流计算复杂但汇流计算相对简单。

国外的分布式水文模型研究，可以认为起始于1969年Freeze和Harlan发表的“一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图”的文章。随后，Hewlett和Troenale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。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。Famiglietti等将修改的TOPMODEL和一个表面能量平衡模型耦合在一起，计算整个流域范围内的蒸散发空间变化，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，这类模型也称半分布式水文模型。1980年，丹麦、法国及英国的水文学者联合研制及后来改进的SHE模型，是一个典型的分布式水文模型。在SHE模型中，流域在平面上被划分成许多矩形网格，这样便于处理模参数、降雨输入以及水文响应的空间分布性，在垂直面上，则划分成几个水平层，以便处理不同层的土壤水运动问题。SHE模型为研究人类活动对于流域的产流、产沙及水质等影响问题提供了理论工具，SHE模型应用数值分析来建立相邻网格单元之间的时空关系，这类模型也称紧密耦合型分布式水文模型，即人们所指的具有物理基础的分布式水文模型。1980年，英国的Morris进行了IHDM的研究，根据流域坡面的地形特征，流域被划分成若干部分，每一部分包含有坡面流单元，一维明渠段以及壤中流，随后Beven和Calver等对IHDM模型进行了改进。1994年，JeffAmold为美国农业部农业研究中心开发了SWAT模型。SWAT是一个具有很强物理机制、适用于长时段的流域水文模型，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以及人类活动对流域水文循环的影响。SWAT模型应用现有的概念性模型在每一个网格单元(子流域)上进行产流计算，然后再进行汇流演算，最后求得出口断面流量，这类模型也称松散耦型分布式水文模型。1995年，Grayson等提出了THALES模型，它是一个基于矢量高程数据的分布式参数模型；HuaxiaYao等提出了基于网格的集降雨空间输入估计、降雨～蒸发～径流过程模拟、河流演算和空间参数校准为一体的分布式水文模型；DawenYang等提出了基于山坡和基于10km网格的大尺度分布式水文模型。

2.2 国内研究现状

我国流域水文模型的研制始于20世纪70年代，赵人俊等建立的新安江模型是最具代表性的水文模型之一，最初的模型为两水源(地表径流和地下径流)；80年代初，赵人俊等[3]又将Sacramento模型和Tank模型中用线性水库划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(地面径流，壤中流和地下径流)；随后赵人俊又提出适用干旱、半干早地区的陕北模型。实践证明，新安江模型在湿润、半湿润地区应用效果很好。陕北模型是赵人俊等针对干旱、半干旱地区而建立的水文模型，但模拟效果不理想，限制了它的进一步应用。

国内分布式水文模型研究开展较晚，1995年，沈晓东等在研究降雨时空分布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支持下的动态分布式降雨径流流域模型，实现了基于栅格DEM的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟。黄平等[4]于1997年分析了国外一些具有物理基础的分布式水文数学模型的不足，提出了流域三维动态水文数值模型。该模型由流域二维坡面流方程与三维饱和——非饱和流方程组成，并从理论上分析了该模型的可解性和应用前景。孔凡哲[5]提出了一种利用空间分布流速场计算流域单位线的方法，不仅可以考虑坡地漫流过程，而且坡面上与河网内的网格单元可以采用完全不同的流速计算公式，以分布式单位线的形式处理流域降雨空间分布不均匀问题。石朋[6]以蓄满产流理论为基础，描述了最大缺水量同地形指数之间的函数关系，基于数字高程模型确定单元格净雨的汇流路径，从而解决了模型产汇流计算过程中的降雨输入和参数网格化问题，最后建立了一个网格型松散结构的分布式流域水文模型。

3 发展趋势及存在问题

3.1 发展趋势

传统的概念性集总式模型由于忽略了参数和下垫面条件的时空变化，将参数和变量都取流域的平均值，这与流域的实际情况并不相符，因为不仅降雨具有随时变化的空间分布，流域的土壤、植被、地形等自然地理条件及人类活动的影响等在空间上也是时空变化的，而且模型中的许多概化和假设也不符合实际情况。所以，概念性集总式流域水文模型在模拟流域降雨径流过程中必然存在一定的局限性。随着现代科学技术的的飞速发展，以计算机和通信为核心的信息技术特别是“3S”技术在水文学科领域的应用，能够考虑流域特征空间变异性且具有物理基础的分布式水文模型，成为今后水文科学研究的重点，这也必将为建设“数字水利”、“数字流域”等水利信息化建设注入新的活力。

3.2 存在问题

分布式水文模型的前景虽然喜人，但是也面临着许多困难。例如，Beven[7]将分布式水文模型面临的问题归纳为非线性问题、尺度问题、唯一性问题、等效性问题和不确定性问题五个方面。水文系统本身就是一个复杂的非线性特征系统，其演化具有多样性和不确定性，因此所面临的核心问题是非线性问题[8]。分布式水文物理模型通过微分方程描述非线性水文过程，但方程和边界条件复杂，目前尚无解析解。而且，非线性系统对模型的初始条件和边界条件敏感，而在分布式水文模型中这些难于确定。水文系统也是一个时空耦合的系统，水文尺度不同，水文过程所表现的水文规律和特征也不同，实现不同尺度间的转换是水文尺度目前面临的主要问题[9]，国内外提出了一些解决尺度转换问题的方法，但仍然未取得满意的结果。此外，水文模型与大气环流模型的耦合研究，“3S”技术与水文模型的集成等问题，都需要今后做进一步深入的研究。

〔1〕包为民.水文预报(第3版)[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

〔2〕石教智，陈晓宏.流域水文模型研究进展[J].水文，2006，26(1)：18～23.

〔3〕赵人俊.流域水文模拟——新安江模型与陕北模型[M].北京：水利电力出版社，1984.

〔4〕黄 平，赵吉国.流域分布型水文数学模型的研究及应用前景展望[J].水文，1997，17(5)：5～10.

〔5〕孔凡哲.基于数字平台的分布式流域水文模型和流域汇流研究[D].河海大学，2003.

〔6〕石 朋.网格型松散结构分布式水文模型及地貌瞬时单位线研究[D].河海大学，2006.

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

〔8〕闫红飞，王船海.分布式水文模型研究综述[J].水电能源科学，2008，26(6)：1～4.

〔9〕于翠松.水文尺度研究进展与展望[J].水电能源科学，2006，24(6)：17～20.

杨会龙(1985.11-)，男，甘肃正宁人，助理工程师，硕士研究生，从事水文水资源专业规划设计工作。

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2095-1809(2016)01-0096-03