流域水文模型

姓名：XXX專業(yè)：水利工程學號：XXXXXXXXXXXX流域水文模型研究的若干進展流域水文模型研究的若干進展摘要:計算機技術和一些交叉學科的發(fā)展,給水文模擬的研究方法帶來了根本性的變化。文章闡述了分布式物理水文模型、地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感(RS)技術在流域模擬中的應用等方面的進展。指出分布式模型具有良好的發(fā)展前景，應用GIS的水文模型盡管有諸多優(yōu)點,但并不能代表模型本身的高質量,遙感資料還沒有完全融入水文模型的結構中，給直接應用帶來較大的困難。提出立足于產匯流機理研究，建立基于RS和GIS的耦合水文模型是研究的趨勢，尺度問題仍然是關注的焦點。1引言用數(shù)學的方法去描述和模擬水文循環(huán)的過程，產生了水文模型的概念［1］，水文模型的產生是對水文循環(huán)規(guī)律研究的必然結果。水文模型在水資源開發(fā)利用、防洪減災、水庫、道路、城市規(guī)劃、面源污染評價、人類活動的流域響應等諸多方面得到了廣泛的應用，當今的一些研究熱點，如生態(tài)環(huán)境需水、水資源可再生性等均需要水文模型的支持。流域水文模型是在計算機技術和系統(tǒng)理論的發(fā)展中產生的，20世紀60、70年代是蓬勃發(fā)展的時期，涌現(xiàn)出了大量的流域水文模型,Stanford流域模型(SWM)、Sacramento模型、Tank模型、Boughton模型、前期降水指標(API)模型、新安江模型等是這一時期的典型代表［2］。其后一段時期，相對處于緩慢的發(fā)展階段。隨著計算機技術和一些交叉學科的發(fā)展，流域水文模擬的研究方法也開始產生了根本性的變化。流域水文模型研究的突出趨勢主要反映在計算機技術、空間技術、遙感技術等的應用方面,分布式物理模型被廣泛提出，遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)在水文模擬中的應用給傳統(tǒng)的研究方法帶來了創(chuàng)新。但由于受到技術等原因的制約，分布式模型目前的應用還較困難，應用GIS的水文模型盡管有諸多優(yōu)點，但并不能代表模型本身的高質量，遙感資料還沒有完全融入水文模型的結構中。分布式水文模型流域水文模型根據(jù)不同的標準有多種分類［3］，根據(jù)模型結構和參數(shù)的物理完善性，目前常用的可分為概念性模型和分布式物理模型。概念性模型用概化的方法表達流域的水文過程，具有一定的物理基礎，也具有相當?shù)慕涷炐裕Ｐ徒Y構簡單，實用性強。分布式物理模型的優(yōu)點是模型的參數(shù)具有明確的物理意義，可以通過連續(xù)方程和動力方程求解，可以更準確的描述水文過程，具有很強的適應性。與概念性模型相比，分布式水文模型用嚴格的數(shù)學物理方程表述水文循環(huán)的各子過程，參數(shù)和變量中充分考慮空間的變異性，并著重考慮不同單元間的水平聯(lián)系，對水量和能量過程均采用偏微分方程模擬。因此，在模擬土地利用、土地覆蓋、水土流失變化的水文響應及面源污染、陸面過程、氣候變化影響評價等方面應用顯出優(yōu)勢。參數(shù)一般不需要通過實測水文資料來率定，解決了參數(shù)間的不獨立性和不確定性問題，便于在無實測水文資料的地區(qū)推廣應用。自1969年Freeze和Harlan［4］第一次提出了關于分布式物理模型的概念，分布式模型開始得到快速發(fā)展。三個歐洲機構提出的SHE模型［5］是最早的分布式水文模型的代表。SHE模型考慮了截留、下滲、土壤蓄水量、蒸散發(fā)、地表徑流、壤中流、地下徑流、融雪徑流等水文過程。流域參數(shù)、降雨及水文響應的空間分布垂直方向用層表示，水平方向用方形網格表示。該模型的主要水文過程可由質量、動量和能量守恒偏微分方程的有限差分表示，也可由經驗方程表示。模型有18個參數(shù)，部分具有物理意義，可由流域特征確定。它的物理基礎和計算的靈活性使它適用于多種資料條件，在歐洲和其它地區(qū)得到了應用和驗證［6］。這期間還有一些考慮流域空間特性、輸入、輸出空間變化的分布式物理模型，如，CEQUEAU模型［7］,將流域分為方形網格，輸入所有網格的地形、地貌、雨量等特征對每一個網格進行計算，在水質模擬、防洪、水庫設計等諸多方面有適用性；Susa流域模型［8］強調地表水和地下水的合成,除可模擬徑流外,還可以用于預測土地利用的水文效應;還有一些SHE模型的不同版本及IHDM模型［9］等。國內這方面的研究開展較晚但也進行了有益的探索和研究。李蘭等［10,11］提出了一種分布式水文模型,模型包括各小流域產流、匯流、流域單寬入流和上游入流反演、河道洪水演進四個部分。水源分坡面流、壤中流和地下徑流,考慮了產流隨空間和時間變化的分布特征,能計算產流的多種徑流成分的物理過程。將數(shù)學物理反問題與洪水預報結合,給出了流域產流、河道匯流、水庫洪水演進三個動態(tài)分布預報耦合模型,不僅可以用于分析降水徑流規(guī)律,還可以用于洪水預報。該模型在豐滿、龍河口和陸渾等水庫流域得到應用［12］;張建云等［13］建立了參數(shù)網格化的分布式月徑流模型,并應用模型進行了華北、江淮流域的水資源動態(tài)模擬評估。郭生練等［14］提出了一個基于DEM(DigitalElevationModel)的分布式流域水文物理模型，該模型將流域劃分為網格單元，詳細描述了網格單元的截留、蒸散發(fā)、下滲、地表徑流、地下徑流、融雪等水文物理過程,在每一個網格上用地形高程來建立地表徑流之間的關系。模型的結構中，植物截留過程引入了描述植物截留能力的物理參數(shù)-植物蓄積容量;流域的蒸散發(fā)主要考慮了太陽輻射、日云量、反射率、植物葉面指數(shù)、可供土壤水、大氣溫度等因素;用一維圣維南方程的運動波近似法模擬坡面水流運動，用運動波模型模擬地下徑流。不同網格單元之間水流流向的確定是模型的關鍵，該模型采用多流向法確定從較高單元到相鄰的較低單元的流量，數(shù)學公式為:fjfi=spjfi/工spjfi(l)其中sjfi=(zj-zi)/［(xj-xi)2+(yj-yi)2］l/2(2)式中fjfi表示從j單元分配給i單元的流量部分;sjfi表示從j單元到i單元的方向坡度;p是無量綱常數(shù);z為地面高程;x、y為單元的平面直角坐標。將式(2)高程用土壤水水頭表示來計算地下徑流的流量分配。模型作者應用美國緬因州BBMW流域驗證模型的結構和精度［15］,將流域劃分為30mX30m的網格單元，選用了五場洪水。模型僅優(yōu)化調整了一個參數(shù)，即下滲能力校正系數(shù),其它參數(shù)均可從基礎資料中分析求得。計算得出,模型的效率系數(shù)平均值為85.2%，水量守恒指數(shù)平均值為0.98，與新安江模型的計算結果相比(分別為83.48%、1.10)，精度略高。GIS在水文模型中的應用GIS是運用系統(tǒng)工程和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數(shù)據(jù)，以提供對規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的技術系統(tǒng)［16］。近年來,GIS在水文模擬中得到了廣泛的應用。借助于GIS強大的空間數(shù)據(jù)分析處理功能,水文模型的研究手段得到了根本性的轉變。GIS不僅可以管理空間數(shù)據(jù)，用于模型的輸入、輸出，而且還可以將水文模塊植入GIS系統(tǒng)，用戶只需要根據(jù)GIS開發(fā)的界面操作,不需要涉及水文模型的本身。就目前的研究及應用看,GIS與水文模型的結合主要表現(xiàn)為三種方式,即GIS軟件中嵌入水文分析模塊、水文模型軟件中嵌入部分GIS工具(松散型結合)及相互耦合嵌套的形式(緊密型結合)。水文陸面模擬中,地形是十分關鍵的因素,GIS用于水文模擬，可以用來獲取、操作、顯示這些與模型有關的空間數(shù)據(jù)和所得的成果,使模型進一步細化,從而深入認識水文現(xiàn)象的物理本質［17］。當今以數(shù)字地形模型(DTM)、數(shù)字高程模型(DEM)存儲的地形信息，為流域水系信息參數(shù)的自動化提取提供了可能［18］。通過GIS可以提取流域的基本特征，包括下墊面特征、水系、河網等，并可以依據(jù)河網等級對流域進行任意的子流域的劃分或者進行網格化劃分,不僅可以與傳統(tǒng)的概念性流域水文模型相結合,管理提供基本的數(shù)據(jù)信息,并實現(xiàn)輸入輸出功能,更重要的是為分布式的水文物理模型研制提供了平臺。由GIS可以實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的可視化結合、數(shù)據(jù)轉換,并可以減少模型輸入時的數(shù)據(jù)誤差oGIS在流域水文模擬中得到廣泛的應用，出現(xiàn)了許多商業(yè)化的集成軟件和專業(yè)軟件。如ESRI提供的Hydro模塊,可以在Arc/info、Arcview中直接調用；RSI提供的RiverTools,目前發(fā)展到2.4版本，它的一個特點是可以處理很大的DEM數(shù)據(jù);Garbrechtj,MartzW.的TOPAZ工具等，這些工具在流域地形處理方面功能非常強大。還有一些基于GIS的專業(yè)水文處理軟件,如WMS(WatershedModelingSystem)模型系統(tǒng),它是美國BrighamYoung大學環(huán)境模型研究實驗室(EMRL)開發(fā)的專業(yè)水文模擬處理軟件,提供水文模擬全過程的工具。包括流域、子流域的自動生成、幾何參數(shù)的計算、水文參數(shù)(如匯流時間、降雨深等)的計算等，并能實現(xiàn)模擬結果的可視化。WMS可以使用矢量地圖、DEM、TIN等格式的數(shù)據(jù)來進行地形分析和水文模擬。嵌入了多種傳統(tǒng)的概念性水文模型包括HECT、NFF、TR-20、TR-55、RationalMethod、HSPF等，根據(jù)自動提取的流域參數(shù)進行水文模擬，可以用于洪水預報、水庫設計、城市規(guī)劃等。以地形空間變化為主要結構,用地形信息模擬水文響應的TOPMODEL概念提出后，國外已有多方面的研究應用［19］，國內也有較多的應用和研究報道。如，郭方等［20］將TOP-MODEL應用在淮河流域史河水系。任立良等［21,22］建立了基于DEM的數(shù)字流域水文模型，該模型的基本結構是:在流域柵格DEM數(shù)據(jù)上,應用數(shù)字高程流域水系模型(DEDNM)［23］的原理和方法自動提取流域水系,構建數(shù)字流域，主要過程包括凹陷區(qū)的識別處理、平坦部位水流流向設定、子流域集水單元勾劃、河網生成、河網與子流域編碼及河網拓撲關系的建立;然后對生成的每一集水子流域應用新安江模型建立產流模型，再根據(jù)河網結構拓撲關系，采用分段馬斯京根法，建立數(shù)字河網匯流模型，構成了數(shù)字水文模型，并在淮河史灌河流域進行了實例應用研究，計算的黃泥莊站時流量過程和蔣集站日流量過程均能與實測過程較好的擬合。遙感水文模型遙感(RS)技術是20世紀60年代以來發(fā)展起來的新興邊緣學科，是一門先進的、實用的探測技術［24］。在水循環(huán)領域，作為一種信息源，遙感技術可以提供土壤、植被、地質、地貌、地形、土地利用和水系水體等許多有關下墊面條件的信息，也可以獲取降雨的空間變化特征、估算區(qū)域蒸發(fā)、監(jiān)測土壤水分等，這些信息是確定產匯流特性和模型參數(shù)所必需的。流域水文模擬的結果很大程度上依賴于輸入數(shù)據(jù)，而往往由于缺乏足夠的、合適的數(shù)據(jù)而不能很好的描述水文過程，并且只有獲得詳細的地形、地質、土壤、植被和氣候資料，對大范圍流域氣候變化和土地利用產生的水文影響研究才有可能。通過遙感技術，能夠彌補傳統(tǒng)監(jiān)測資料的不足，在無常規(guī)資料地區(qū)可能是唯一的數(shù)據(jù)源，大大豐富了水文模型的數(shù)據(jù)源。和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集方法相比，遙感技術獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)點主要有:面狀數(shù)據(jù)，無需要再進行點面的轉化;直接獲取或經轉換后為數(shù)字化形式，便于應用;可提供相對高分辨率的時間和空間信息;可獲取偏僻的無人可及的區(qū)域資料。就目前的研究情況，劉昌明等［25］將應用遙感信息的水文模型粗略的分成三類:第一類是遙感信息和地面同步實測資料的回歸模型;第二類是將遙感信息作為水文模型中參數(shù)的輸入與估計或者是調整水文模型結構后與具有空間特征的遙感資料相耦合的遙感水文模型;第三類是應用遙感資料的水量平衡模型。國外早期的研究主要是利用遙感資料提取流域地物信息、估算水文模型的參數(shù)等，如進行土壤分類、應用一些經驗性的模型估算融雪徑流、估算損失參數(shù)等，后期注意適應遙感信息的模型結構的改造和設計。國內也有這方面的應用嘗試，主要集中在運用遙感資料獲取流域水文模型的輸入和率定有關的參數(shù)方面。如王燕生［26］利用陸地衛(wèi)星影像獲取流域的下墊面資料，將流域按植被和土壤、土地利用分區(qū)，并應用氣象雷達探測雨區(qū)及相應的面雨量，采用USDAHL水文模型，進行了少冷河的洪水預報研究;魏文秋等［27］通過改進SCS模型并應用遙感資料確定模型的土地利用和土壤類型，以安徽城西徑流試驗站進行了實例研究，結果表明產流模擬的精度是滿意的;徐雨清等［28］應用GIS與RS技術研究了黃土高原半干旱地區(qū)降雨徑流關系問題，應用GIS提取流域邊界、水道、地形和下墊面特征,應用衛(wèi)星遙感(NOAAAVHRR衛(wèi)星數(shù)據(jù))獲取植被和土地利用狀況，建立了流域多年平均徑流量與降雨量、植被等因素的關系模型。結論(1)水文模型是在研究水文現(xiàn)象和水文規(guī)律中產生的,并在不斷的發(fā)展和完善。目前廣泛使用的絕大多數(shù)仍為概念性的水文模型,既具有一定的物理基礎,又有良好的適用性,在水文模擬中發(fā)揮了巨大的作用,但在越來越受水文界關注的尺度問題、生態(tài)水文過程、人類活動及氣候變化的水文響應等熱點問題上缺乏有力的解決方案,有待進一步的發(fā)展和完善;分布式物理水文模型有堅實的物理基礎,且具有反映流域響應的空間特征等諸多優(yōu)點,但目前存在資料輸入、參數(shù)的尺度、能否反映產匯流機理及模型本身的算法等問題,雖然目前的技術水平還不足以解決諸多的問題,在實用上受到較大的限制,但是隨著計算機技術、遙感技術及其它交叉學科的發(fā)展,分布式水文模型的發(fā)展前景光明,是研究的趨勢;應用中對水文模型的選擇,應該首先取決于要解決的問題和地區(qū)的實際資料情況,并是越復雜的模型越能得出精確的結果,有時候經驗性的簡單模型可能更能取得好的模擬效果。GIS和RS在水文循環(huán)領域的應用給水文模型的研究思路和技術方法帶來了創(chuàng)新和革命，就目前的研究看，商業(yè)化軟件的開發(fā)是一種趨勢。應用GIS的水文模擬軟件具有友好的人機交互功能,操作簡單方便,包裝漂亮,使用中不需要涉及水文模型的本身,很方便于實際的應用。但是，這些優(yōu)點并不能表示模型本身的高質量，水文現(xiàn)象的復雜性決定了水文模型很難通用，這些模型不一定較好的反映了應用地區(qū)的產匯流特征，在不同的地區(qū)可能很難取得理想的模擬結果。而通常對模型的本身進行改進是非常困難的，因為不僅涉及到復雜的水文學知識，關鍵還是因為涉及到軟件系統(tǒng)的原代碼問題，對用戶而言這些代碼通常是不公開的。遙感的影像解譯也有專門的軟件，但是遙感資料還沒有完全融入水文模型的結構中，直接應用還有很大的困難，不斷出現(xiàn)新的衛(wèi)星系統(tǒng)的水文循環(huán)數(shù)據(jù)也需要新的模型來分析和處理，因此，立足于產匯流機理研究，運用新的技術方法，不斷改進水文模型結構和水文模型創(chuàng)新十分必要。建立基于GIS、RS的耦合水文模型有著廣闊的發(fā)展前景。RS是GIS的重要的數(shù)據(jù)來源,GIS是處理應用RS數(shù)據(jù)的重要工具oGIS與RS的處理軟件一般是相互獨立的，數(shù)據(jù)的格式往往需要經過處理后才能匹配，首先就需要對GIS和RS之間的信息進行復合處理，包括格式、坐標、投影、比例尺等，這些數(shù)據(jù)源是確定水文模型的核心-產匯流基本結構的基礎，并為模型的進一步網格化和單元化提供支持;其次還需要與傳統(tǒng)的地面資料匹配復合，涉及到單元的劃分、時間尺度的統(tǒng)一等，因為傳統(tǒng)的資料是驗證模型的唯一途徑，充分利用常規(guī)資料對保證模型的精度有著重要的作用;最后，需要與傳統(tǒng)模型結構的耦合，也就是模型的結構既要考慮反映區(qū)域的產匯流機制，又要考慮如何融入豐富的數(shù)據(jù)源，并使數(shù)據(jù)源與模型在尺度及參數(shù)結構上匹配，獲取數(shù)據(jù)的支持。這樣能夠極大的豐富建模信息，更好的反映產匯流特征。通過GIS、RS與水文模型的集成，建立結構上匹配、機制上合理的耦合模型。圖1是耦合模型的示意圖，核心就是將GIS、RS的數(shù)據(jù)源與傳統(tǒng)水文模型的結構相匹配，并運用GIS的功能模塊經二次開發(fā)后實現(xiàn)模型的運行及輸入輸出。參考文獻:[1]趙人俊.流域水文模擬——新安江模型與陜北模型[M].水利電力出版社，北京,1984.[2]SinghVP.水文系統(tǒng)流域模擬[M].趙衛(wèi)民等譯.鄭州：黃河水利出版社,2000.[3]袁作新.流域水文模型[M].北京：水利電力出版社,1990.[4]FreezeRA，HarlanRL.Blueprintofaphysically-baseddigitally-simulatedhydrologicalresponsemodel[J].JournalofHydrology，1969，9：237-258.[5]AbbottMB，BathurstJCetal.AnintroductiontotheEuropeanHydrologicalSystem-SystemeHydrologiqueEuropean，“SHE.”1：historyandphilosophyofaphysicallybaseddistributedmodelingsystem[J].JournalofHydrology，1986a，87：45-59.[6]StormB，JensenKH.ExperienceswithfieldtestingsofSHEonresearchcatchments[J].NordicHydrology，1984，15：283-94.[7]CharbonneauR，F(xiàn)ortinJP，MorinG.TheCEQUEAUmodel：descriptionandexamplesofitsuseinproblemsrelatedtowaterresourcemanagement[J].HydrologicalScienceBulletin,1977,22(1/3):193-202.[8]RefsgardJC,HansenE.Adistributedgroundwater/surfacewatermodelfortheSusa-catchment,PartImodeldescription[J].NordicHydrology,1982,13:299-310.[9]BenvenKJ.Adiscussionofdistributedmodeling[A].In:AbbottMB,RefsgardJ-Ceds.DistributedHydrologicalModelling[C].Kluwer,Dordrecht,1996.255-278.[10]李蘭等.流域水文數(shù)學物理耦合模型[A].見:朱爾明編.中國水利學會優(yōu)秀論文集[C].北京:中國三峽出版社,2000.322-329.[11]李蘭等.流域水文分布動態(tài)參數(shù)反問題模型[A].見:朱爾明編.中國水利學會優(yōu)秀論文集[C].北京：中國三峽出版社,2000.48-54.[12]郭生練等.分布式流域水文物理模型的研究現(xiàn)狀與進展[A].見:劉昌明等編.黃河流域水資源演化規(guī)律與可再生性維持機理研究和進展[C].鄭州:黃河水利出版社,2001.51-57.[13]張建云等.氣候異常對我國水資源及水分循環(huán)影響的評估模型研究[D].國家“九五”重中之重科技攻關項目,2000.[14]郭生練等.基于DEM的分布式流域水文物理模型[J].武漢水利電力大學學報,2000,33(6).[15]郭生練等.分布式流域水文物理模型的應用和檢驗[J].武漢大學學報(工學版),2001,3