流域水文模型綜述

PAGE4流域水文模型綜述摘要：本文分別綜述了集總式流域水文模型和分布式水文模型的研究進(jìn)展，并簡(jiǎn)單介紹了幾種常用的集總式和分布式流域水文模型及特點(diǎn)，最后對(duì)流域水文模型的發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：流域，水文模型，集總式流域水文模型，分布式流域水文模型水資源作為人類社會(huì)的一大資源，在不斷地滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境需要的同時(shí)，水資源短缺與污染的趨勢(shì)也在不斷加劇。為了促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用與保護(hù)，美國(guó)率先提出了流域管理的概念。流域管理一作為水資源利用與保護(hù)的主要途徑，是目前水資源管理的主要模式，在世界上得到了廣泛應(yīng)用，尤其在美國(guó)、歐洲和澳大利亞等國(guó)家，整個(gè)研究領(lǐng)域己逐步走向成熟。水文學(xué)（hydrology）是地球物理學(xué)和自然地理學(xué)的分支學(xué)科。研究存在于大氣層中、地球表面和地殼內(nèi)部各種形態(tài)水在水量和水質(zhì)上的運(yùn)動(dòng)、變化、分布，以及與環(huán)境及人類活動(dòng)之間相互的聯(lián)系和作用。是關(guān)于地球上水的起源、存在、分布、循環(huán)、運(yùn)動(dòng)等變化規(guī)律，以及運(yùn)用這些規(guī)律為人類服務(wù)的知識(shí)體系。水文模型(HydrologicModel)，是自然系統(tǒng)的抽象，真實(shí)世界的概化，是符號(hào)的綜合體，是自然系統(tǒng)或部分自然系統(tǒng)的符號(hào)化，是數(shù)學(xué)模型用數(shù)學(xué)語(yǔ)言將自然現(xiàn)象符號(hào)化的的水文學(xué)應(yīng)用，是為了模擬水文現(xiàn)象而建立的實(shí)體結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)與邏輯結(jié)構(gòu)。流域水文模型把流域總體看成是一個(gè)系統(tǒng)，輸入為降雨等，輸出為出流流量等。流域內(nèi)的水文過(guò)程則是系統(tǒng)的狀態(tài)，是根據(jù)水文概念推理計(jì)算出來(lái)的，隨著全球性缺水問(wèn)題日益嚴(yán)重，水污染水資源分布不均衡等問(wèn)題的日益突出，就要求人們不斷加強(qiáng)水文學(xué)的定量化研究，而流域水文模型就是其中發(fā)展較為迅速的研究領(lǐng)域。它有助于我們?cè)诶盟Y源分配水資源中提供合理的科學(xué)的依據(jù)。流域水文模型在進(jìn)行水文規(guī)律的研究和解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題中起著重要的作用，因此，掌握常見的流域水文模型是必要的[1]。流域水文模型研究進(jìn)展流域水文模型的研究大約始于21世紀(jì)50年代后期[2]，隨即有SSARR模型和Stanford模型等模型出現(xiàn)，這些模型從定量上分析了流域出口端面流量過(guò)程線形成的全部過(guò)程，包括降水、蒸發(fā)、截留、下滲、地表徑流、壤中流、地下徑流等產(chǎn)流環(huán)節(jié)，也包括了坡面調(diào)蓄和河網(wǎng)調(diào)蓄等匯流環(huán)節(jié)[3]。流域水文模型按不同的分類依據(jù)就可將其歸類，這種分類方法是很多的例如按模型的基本性質(zhì)和建模技術(shù)可分為實(shí)體模型、類比模型、模擬模型，其中實(shí)體模型又可分為比例尺模型和單項(xiàng)因素試驗(yàn)?zāi)Ｐ停荒M模型包括確定性模型和統(tǒng)計(jì)模型等。流域水文模型的種類有很多，但是目前在水文學(xué)科領(lǐng)域影響最大發(fā)展較快的主要還是集總式流域水文模型和分布式流域水文模型兩大類[4]。1.1集總式流域水文模型研究進(jìn)展集總式流域水文模型是以一個(gè)流域作為完整的研究單元，以流域平均降雨量和蒸發(fā)量作為輸入,以流域出口端面的徑流過(guò)程作為輸出的模型。對(duì)于一個(gè)較大的流域，可將其劃分為若干子流域，分別模擬各子流域的出流，再通過(guò)河系流量演算進(jìn)一步求出全流域的徑流過(guò)程，由此建立的水文模型通常被稱為分塊式流域水文模型，分塊式流域水文模型習(xí)慣上被歸入到集總式流域水文模型的范疇。20世紀(jì)50年代中期，人們開始了對(duì)集總式流域水文模型的研究[5]，60-80年代，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，進(jìn)入了其重要發(fā)展時(shí)期。這一時(shí)期涌現(xiàn)了許多知名的流域水文模型，代表性的模型有美國(guó)的StanfordIV和HEC-1模型，日本的水箱模型（Tankmodel），我國(guó)的新安江蓄滿產(chǎn)流模型和陜北的超滲產(chǎn)流模型。集總式流域水文模型通常采用均一性假設(shè)，不考慮流域水文過(guò)程的空間變化特性、模型的輸入輸出以及模型的邊界控制條件等，對(duì)流域表面上任何一點(diǎn)的水文過(guò)程用簡(jiǎn)單的基于水文規(guī)律的方程加以描述，而其它的一些過(guò)程則用一些經(jīng)驗(yàn)公式描述。集總式流域水文模型隱含著下列缺陷[6]：①構(gòu)成模型的概念性元素一般只能模擬水文現(xiàn)象的宏觀表現(xiàn)，而不能涉及水文現(xiàn)象的本質(zhì)或物理機(jī)制。因此，現(xiàn)有概念性集總式流域水文模型的結(jié)構(gòu)對(duì)徑流形成過(guò)程的描述是近似的，甚至是粗略的，所包含的參數(shù)大多數(shù)缺乏明確的物理降雨徑流過(guò)程模擬為若干個(gè)水箱的調(diào)蓄作用，如圖1所示。圖1為一個(gè)串聯(lián)的3層水箱結(jié)構(gòu)，每一層水箱旁側(cè)設(shè)有出流孔，底部設(shè)有下滲孔，最下層水箱只有出流孔而無(wú)下滲孔。上層水箱的下滲即為下層水箱的入流，根據(jù)該層水箱的蓄量與出流孔的高度，判斷其是否出流，依次類推，直至最后一層水箱。各層水箱的蓄量與出流的關(guān)系假定為線性的，與下滲的關(guān)系也假定為線性的。也就是所有的蓄泄關(guān)系都是用線性水庫(kù)來(lái)模擬。上層水箱設(shè)有一個(gè)以上的出流孔，相當(dāng)于有幾個(gè)不同庫(kù)容的線性水庫(kù)，其和是非線性關(guān)系，用以模擬地面徑流的非線性蓄泄關(guān)系[12]。水箱模型具有以下特點(diǎn)：模型彈性大，可根據(jù)流域的特點(diǎn)，選擇不同類型的水箱，分層水箱可多可少，側(cè)孔也可多可少，水箱既可作洪水預(yù)報(bào)，又可作枯水或融雪預(yù)報(bào)。模型采用非線性結(jié)構(gòu)，并考慮分層匯流計(jì)算，出流系數(shù)從下層到上層一次增大，將于越大，最上層水箱的水深越大，出流也加速變大。這種非線性匯流特性可以提高計(jì)算精度。模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算方便。2.2新安江模型新安江模型，是在20世紀(jì)60年代初，由河海大學(xué)趙人俊等在配合一定的匯流計(jì)算的情況下研究蓄滿產(chǎn)流模型，其成果可以用于水文預(yù)報(bào)和水文設(shè)計(jì)。1973年，他們?cè)趯?duì)以往工作經(jīng)驗(yàn)歸納總結(jié)下，提出一個(gè)完整的降雨徑流流域模型-新安江模型，最初該模型為2水源-地表徑流和地下徑流，在20世紀(jì)80年代中期，借鑒山坡水文學(xué)的概念和國(guó)內(nèi)外產(chǎn)匯流理論的研究成果，提出了三水源新安江模型。它的特點(diǎn)是認(rèn)為濕潤(rùn)地區(qū)主要產(chǎn)流方式為蓄滿產(chǎn)流，所提出的流域蓄水容量曲線是模型的核心。近幾十年，新安江模型不斷改進(jìn)，已成為有我國(guó)特色應(yīng)用較為廣泛的一個(gè)流域水文模型。新安江模型在國(guó)內(nèi)濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用[13]。李致家[15]等利用改進(jìn)的新安江模型對(duì)高理流域和臨沂流域的洪水進(jìn)行了預(yù)報(bào)。瞿思敏[16]等利用新安江模型與垂向混合產(chǎn)流模型對(duì)青峰嶺水庫(kù)和危水水庫(kù)流域的洪水進(jìn)行了預(yù)報(bào)和比較。吉林省水文水資源局[14]利用新安江三水源模型對(duì)競(jìng)賽流域的洪水進(jìn)行了預(yù)報(bào)。這些預(yù)報(bào)結(jié)果都說(shuō)明了新安江模型在濕潤(rùn)地區(qū)和半濕潤(rùn)地區(qū)具有較好的適應(yīng)性，而在干旱半干旱地區(qū)的模擬效果則不夠理想。此外，新安江模型在大中流域的模擬效果比在小流域的模擬效果要好。新安江模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以簡(jiǎn)單的歸納為：(1)三分特點(diǎn)，即分單元計(jì)算產(chǎn)流、分水源坡面匯流和分階段流域匯流。(2)模型參數(shù)少且大多數(shù)具有明確的物理意義，容易確定。(3)模型參數(shù)與流域自然條件的關(guān)系比較清楚，可以尋找到參數(shù)的區(qū)域規(guī)律。(4)模型中未設(shè)超滲產(chǎn)流機(jī)制，適用于濕潤(rùn)與半濕潤(rùn)地區(qū)。2.3薩克拉門托模型薩克拉門托模型，簡(jiǎn)稱SAC模型，SAC模型類似于斯坦福模型，它是一個(gè)連續(xù)模擬模型，該模型始用于美國(guó)大利福尼亞州薩克拉門托河而得名。它是在第Ⅳ號(hào)斯坦福流域水文模型基礎(chǔ)上改進(jìn)和發(fā)展的。SAC模型是集總參數(shù)型的連續(xù)運(yùn)算的確定性流域水文模型。模型以土壤水分的貯存、滲透、運(yùn)移和蒸散發(fā)特性為基礎(chǔ)，用一系列具有一定物理概念的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述徑流形成的各個(gè)過(guò)程；模型中的每一個(gè)變量代表水文循環(huán)中一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的層次和特性；模型參數(shù)則是根據(jù)流域特性、降雨量和流量資料推求。按下墊面對(duì)降雨產(chǎn)流作用的不同，SAC模型將全流域分為永久不透水面積、可變的不透水面積和透水面積三部分。在透水面積上，根據(jù)土壤垂向分布的不均勻性將土層分為上土層和下土層。根據(jù)土壤水分受力特性的不同，將每層土壤水分分為張力水和自由水2種。張力水消耗于蒸散發(fā)，自由水可以產(chǎn)流。SAC模型將水源劃分為直接徑流、地面徑流、壤中流、快速地下水和慢速地下水。直接徑流包括永久不透水面積上產(chǎn)生的直接徑流和可變不透水面積上產(chǎn)生的直接徑流兩種，地面徑流包括透水面積上的和可變不透水面積上的兩部分。壤中流、快速地下水和慢速地下水的蓄泄關(guān)系均采用線性水庫(kù)來(lái)模擬。蒸散發(fā)計(jì)算采用線性模型，它與張力水蓄量成正比，但上下層的比例系數(shù)不相同。冷雪、關(guān)志成[17]利用改進(jìn)的薩克拉門托模型對(duì)牡丹江流域上游敦化站的徑流進(jìn)行了模擬；溫樹生[18]等利用改進(jìn)的薩克拉門托流域水文模型對(duì)黑龍江省牡丹江流域上的橫道河子水文站以上的流域進(jìn)行了徑流模擬。以上說(shuō)明了薩克拉門托模型在干旱半干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)都具有較好的適用性。代表性分布式流域水文模型3.1SWAT模型SWAT模型是美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心研制開發(fā)的用于模擬預(yù)測(cè)土地利用及土地管理方式對(duì)流域水量、水質(zhì)過(guò)程影響的分布式流域水文模型，是在SWRRB模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一個(gè)長(zhǎng)時(shí)段的流域分布式水文模型。SWAT是一個(gè)具有很強(qiáng)物理基礎(chǔ)、適用于具有不同的土壤類型、不同的土地利用方式和管理?xiàng)l件下的復(fù)雜大流域，在加拿大和北美寒區(qū)具有廣泛的應(yīng)用。主要用來(lái)預(yù)測(cè)人類活動(dòng)對(duì)流域水文過(guò)程、河道產(chǎn)輸沙變化、農(nóng)藥化學(xué)污染在流域內(nèi)的傳播、遷移等的長(zhǎng)期影響。模型由站點(diǎn)的氣象資料驅(qū)動(dòng)，以水文響應(yīng)單元為最小水文模擬單元進(jìn)行流域水文過(guò)程模擬，在HRUs上利用水量平衡理論描述陸相水文循環(huán)過(guò)程，計(jì)算得到模擬單元內(nèi)每一天的產(chǎn)流[19]，然后利用改進(jìn)的推理方法計(jì)算單元產(chǎn)流對(duì)主河道的水量貢獻(xiàn)；在河道內(nèi)采用變動(dòng)儲(chǔ)水系數(shù)模型或者馬斯京根法計(jì)算河道的匯流，扣除水面蒸發(fā)、傳輸損失以及流域內(nèi)人、畜用水，得到河道出口的逐日斷面流量。同時(shí)可以得到各子流域的其它水文參量如降水融雪量、潛在蒸散量、實(shí)際蒸散量、土壤含水量、下滲水量、地表徑流、地下徑流等[20]。SWAT能夠在缺乏資料的地區(qū)建模，具有輸入數(shù)據(jù)容易獲取、計(jì)算效率高等特點(diǎn)。它能夠利用GIS和RS提供的空間信息，模擬復(fù)雜大流域中多種不同的水文物理過(guò)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(yīng)降水、蒸發(fā)等氣候因素和下墊面因素的空間變化對(duì)流域水文循環(huán)的影響。3.2TOPMODEL模型TOPMODEL模型，是Bevenh和kirbby在1979年)提出的一個(gè)以地貌指數(shù)空間分布為基礎(chǔ)的流域水文模型。該模型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、優(yōu)選參數(shù)較少、物理概念明確等特點(diǎn)。其主要特征是數(shù)字高程模型(DEM)的廣泛適用性以及水文模型與地理信息系統(tǒng)(GIS)的結(jié)合應(yīng)用。該模型基于DEM推求地形指數(shù)，并利用地形指數(shù)來(lái)反映下墊面的空間變化對(duì)流域水文循環(huán)過(guò)程的影響，充分利用了容易獲取的地形資料，而且與觀測(cè)的物理水文過(guò)程有密切聯(lián)系。模型的參數(shù)具有物理意義，能用于無(wú)資料流域的產(chǎn)匯流計(jì)算，且充分考慮了地形特征對(duì)流域徑流模擬精度的影響[21]。該模型的產(chǎn)流方式與蓄滿產(chǎn)流類似，但與基于蓄滿產(chǎn)流的新安江模型的基本原理和計(jì)算方法有著顯著的差異。該模型假設(shè)在流域任何一處的土壤上有3個(gè)不同的含水區(qū)：第1個(gè)是植被根系區(qū)，第2是土壤非飽和區(qū)，第3是飽和地下水區(qū)。TOPMODEL模型把全流域按DEM網(wǎng)格分塊，每一個(gè)網(wǎng)格作為一個(gè)水文單元，對(duì)每一個(gè)水文單元流域進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，求出單元流域出口處的流量過(guò)程。采用近似運(yùn)動(dòng)波的常波速演算法對(duì)單元出口處的流量過(guò)程進(jìn)行河道演算，得到流域出口斷面處總的流量過(guò)程[22]。TOPMODEL模型對(duì)日徑流過(guò)程有著較高的模擬精度。JinfanDuan等根據(jù)TOPMODEL模型的基本原理，提出導(dǎo)水率和土壤缺水量之間存在普遍的冪函數(shù)關(guān)系，并進(jìn)行了相關(guān)公式的討論。J.E.Freer等針對(duì)模型參數(shù)率定問(wèn)題，在使用普遍似然參數(shù)估計(jì)方法時(shí)，把地下水位和降雨資料同時(shí)引入到該參數(shù)率定方法中來(lái)約束模型，提高了獲得最優(yōu)參數(shù)的效率，同時(shí)使率定的參數(shù)更符合模型的結(jié)構(gòu)[7]。但TOPMODEL對(duì)水文要素的空間變異性及水文單元的相互聯(lián)系考慮不足。模型僅僅考慮了下墊面地形的空間變異性，其它水文要素，如降水、蒸發(fā)及產(chǎn)流等因素，都被假定為空間上均等。而且，除了計(jì)算地形指數(shù)，網(wǎng)格并沒有實(shí)際的意義。因此，它不是嚴(yán)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。對(duì)TOP-MODEL模型研究的結(jié)果表明：優(yōu)選出來(lái)的飽和導(dǎo)水率參數(shù)T0總是特別大，與實(shí)際情況相距甚遠(yuǎn)。流域水文模型發(fā)展展望流域水文模型從發(fā)展初期到現(xiàn)在已經(jīng)有很多成熟的模型，尤其是近年來(lái)分布式流域水文模型得以快速發(fā)展和推廣應(yīng)用。但由于模型開發(fā)所依賴的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)條件、模型結(jié)構(gòu)原理以及模型開發(fā)的目標(biāo)對(duì)象等不同，目前分布式流域水文模型在功能和適用范圍等方面均有一定的限制性，仍需進(jìn)一步改進(jìn)和完善。今后GIS和RS在水文循環(huán)領(lǐng)域的應(yīng)用給水文模型的研究思路和技術(shù)方法帶來(lái)了創(chuàng)新和革命。使得模型的應(yīng)用更為簡(jiǎn)單方便。通過(guò)GIS和RS的結(jié)合，將為流域水文模型的發(fā)展開創(chuàng)一片新天地，它可以在收集、處理數(shù)據(jù)時(shí)運(yùn)作更快，模擬結(jié)果也更為精確，可以為生產(chǎn)實(shí)際提供更為科學(xué)的依據(jù)。參考文獻(xiàn)：[1]吳賢忠.流域水文模型研究進(jìn)展綜述[J].水利工程.2011,2:40-43.[2]趙人俊.流域水文模擬[C].北京:水利電力出版社,1984.131-140.[3]謝平,李晶等.流域水文模型[C].科學(xué)出版社,2010,68-69.[4]萬(wàn)洪濤.流域水文模型研究的進(jìn)展[J].地球信息科學(xué).2000,12(4):46-48.[5]胡彩虹.黃河流域水文模型的分析比較研究[D].武漢大學(xué)博士論文.2004.[6]苗孝芳.流域水文模型的發(fā)展[J].水文.2006,6(26):22-25.[7]趙串串.分布式水文模型在渭河流域水資源綜合管理中的應(yīng)用研究[D].西安建筑科技大學(xué),2007.[8]FreezeR.A,HarlanRL.BluePrintforaphysicallybased,digitally-simulatedhydrologicresponsemodel[J〕.Hydrol.1969.[9]黃平,趙吉國(guó).流域分布型數(shù)學(xué)模型的研究及應(yīng)用前景展望[J],水文,1997(5):5-9.[10]張行南.流域分布式水文模擬方案構(gòu)建范式研究與應(yīng)用[D].河海大學(xué),2007.[11]LuM,KoikeT,HayakawaN.DistributionXinanjiangmodelusingradarmeasuredrainfalldata[A],In:ProceedingsoftheInternationalConferencesonWaterResources&EnvironmentalResearch,Oct.29-31,1996,Kyoto,Japan,1996.[12]傅春.流域水文模型綜述[J].江西科學(xué).2008,8(26):588-590.[13]王金忠.新安