四种水文模型的比较Word下载.docx

1、费雷尔（Ferral ）以及RA麦圭儿（Mcguire ） 于20世纪60年代末至70年代初研制的，是一 个连续模拟模型，模型研制完成时间相对较晚， 其功能较为完善，兼有蓄满产流和超渗产流，广 泛应用于美国水文预报中；SWAT模型是美国农 业部农业研究中心研制开发的用于模拟预测土 地利用及土地管理方式对流域水量、水质过程影 响的分布式流域水文模型；TOPMODEL为基于 地形的半分布式流域水文模型，于 1979年由Beven和Kirkby提出，其主要特征是将数字高 程模型（DEM ）的广泛适用性与水文模型及地 理信息系统（GIS）相结合，基于DEM数据推 求地形指数，并以此来反映下垫面的空间变

2、化对 流域水文循环过程的影响，描述水流趋势。本文对这四中水文模型从蒸发计算、产汇流 计算、适用流域以及参数等方面进行分析比较， 并得出结论。1模型简介1.1新安江模型新安江模型是赵人俊等在对新安江水库做 入库流量预报工作中，归纳成的一个完整的降雨 径流模型。20世纪70年代初提出了新安江二水 源模型，80年代提出了新安江三水源模型。新 安江模型可用于流域的降雨-径流的洪水模拟和 预报以及水资源模拟，主要适用于我国湿润和半 湿润地区。新安江模型是一个分散性模型，把流域分成 多块，对每块分别计算产汇流，总和后求得出口 断面流量过程。模型有蒸散发、产流、分水源和 汇流4个模块，产流计算采用蓄满产流模

3、型，将 水源划分为地表径流、壤中流和地下径流 3种， 流域汇流计算采用线性水库法和瞬时单位线法， 河道汇流计算采用马斯京根分段连续演算法或 滞后演算法。新安江模型的结构特点可简单归纳为： 三分特点，即分单元计算产流、分水源坡面汇 流和分阶段流域汇流；模型参数少且大多数 具有明确的物理意义，容易确定；模型参数 与流域自然条件的关系比较清楚，可以寻找到 参数的区域规律；模型中未设超渗产流机制， 适用于湿润与半湿润地区。1.2SAC模型萨克拉门托流域水文模型，简称SAC模型， 是美国天气局水文办公室萨克拉门托预报中心 于20世纪70年代研制成功的，属于集总参数 型的概念性水文模型。SAC模型功能比较

4、完善， 既能应用于大中小流域，又能适应湿润地区和 干旱地区，能取得较好的效果。SAC模型以土壤水分的贮存、渗透、运移 和蒸散发特性为基础，用一系列具有一定物理概 念的数学表达式来描述径流形成的各个过程，模 型中的每一个变量代表水文循环中一个相对独 立的层次和特性，模型参数则是根据流域特性、 降雨量和流量资料推求。SAC模型的结构可以简单的归纳为：蓄 满产流与超渗产流兼有，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，汇流计算相对简单； 模型中设有超渗产流机制，可以根据不同的地理 条件，采用不同的参数组合，描述不同的产流机 制，在湿润与半湿润地区以蓄满产流

5、为主， 在干 旱与半干旱地区以超渗产流为主，其适应范围 广。1.3SWAT模型SWAT模型是美国农业部农业研究中心研 制开发的用于模拟预测土地利用及土地管理方 式对流域水量、水质过程影响的分布式流域水文 模型。该模型具有较强的物理机制，可以模拟流 域内发生的多个水文物理化学过程，如径流、泥 沙、营养物质以及杀虫剂的输移，并在流域产汇 流计算、水土流失、面源污染、土地利用等多个 领域得到广泛应用。作为一个半分布式的水文模型，SWAT首 先将整个研究流域按一定的子流域面积阈值划 分为若干个子流域。在此基础上进一步按土地 利用和土壤面积阈值划分水文响应单元 （HRU），并采用概念性模型来估算 HRU

6、上的 净雨、计算产流量和泥沙、污染物质产生量； 然后进行河道汇流演算，最后求得出口断面流 量、泥沙和污染负荷。SWAT模型的特点可以概括为：对大流域 的计算效率高；连续模拟，能够模拟长期管理 变化的影响；模型将流域划分为多个子流域进 行模拟提高了水文模拟的精度，降低了空间差异 的影响。1.4TOPMODE模型TOPMODEL是基于地形的半分布式流域 水文模型。TOPMODEL 的主要特征是利用地 形指数来反映流域水文现象，即以地形指数的空 间变化来模拟径流产生的变动产流面积，尤其模 拟地表或地下饱和水源面积的变动。TOPMODEL模型的主要特点是：考虑 了流域地形、地貌、土壤等因素对径流形成的

7、影 响；将集总式水文模型计算和参数方面的有点 与分布式水文模型物理基础好的有点结合在一 起；模型结构简单，参数少，物理概念明确。 2模型比较 2.1蒸发计算方面新安江模型没有考虑流域内土壤含水量在 面上分布的不均匀性，而是按土壤垂向分布的不 均匀性将土层分为3层，用3层蒸散发模型计算 蒸散发量，其实际蒸发量的大小主要由流域平均 张力水容量 WM，上层张力水容量 UM，下层 张力水容量LM，深层张力水容量DM，蒸散发 折算系数KC和深层蒸散发扩散系数C这几种 因素来控制的；SAC模型的流域蒸散发能力有 蒸发观测值经地形、高程、季节等校正后得到。 蒸散发与蒸散发能力和土壤含水量成正比； SWAT模

8、型建立了潜在蒸散量与土壤含水量和 有效水的函数方程来计算实际蒸散量，模型首先 计算出潜在蒸散量，然后分别计算土壤蒸发和植 物蒸腾，最大土壤水分蒸发由潜在蒸散量和叶面 积指数方程计算，实际土壤水分蒸发考虑了土层 深度和含水量的影响；在 TOPMODEL 中，蒸 发至发生在植被根系区，实际蒸发量的大小主要 由植被根系区缺水量与根系区最大容水量之比 来控制，并通过地形指数在空间上的分布来考虑 植被根系区缺水量在面上分布的不均匀性。2.2产汇流计算方面新安江模型先进性汇流计算，即计算出总径 流量，然后通过自由水蓄水库结构进行 3种水源 划分，以进行接下来的汇流计算；SAC模型中 流域被划分为透水、不透

9、水及变动不透水面积三 部分，透水面积为主体，汇流计算分为坡面汇流 和河网汇流两部分，一般采用无因次单位线，总 的来看是一个分一总的过程；SWAT模型中主河 道汇流计算可采用变动存储系数法或马斯京根 方法；TOPMODEL按照地下水深在空间上的 分布及变化判断出源面积，并将壤中流和饱和坡 面流分开计算，最后汇总到流域总径流中，即先 划分水源再进行产流计算，汇流方面 TOPMODEL嘉定汇流流苏在子流域内是不变的，通过等流时线法建立距离-累计面积曲线。2.3适用流域方面由于新安江模型产流采用的是蓄满产流的 概念，所以该模型主要适用于湿润和半湿润地 区，但我国的洪水预报中也将其应用到了半干旱 的黄河

10、、海河等流域；由于SAC模型在产流中 上下土层采用下渗的概念，从理论上说该模型适 用于湿润、半湿润及半干旱地区；SWAT模型是 适用于较大流域尺度的水文模型；TOPMODEL 主要通过流域含水量或缺水量来确定源面积大 小和位置，从理论上说其适用于湿润及半湿润地 区。2.4参数方面新安江模型和SAC模型有17个主要参数， 分别包括蒸发层参数、产流和划分水源层参数和 汇流层参数；SWAT模型10个主要参数，分别 包括径流曲线数CN、土壤有效含水量 SOL-AWC、土壤蒸散发补偿系数ESCO、基流 因子ALPHA-BF 、地下水蒸发系数 GW-REVAP、浅层含水量中再蒸发或下渗的地 下水深度阀值R

11、EVAPMN、回归流产生所需地 下水深阀值GWQMN、最大融雪度日影子 SMFMX、侧向流移动时间 LAT-TIME 以及地 表径流延迟系数SURLAG ; TOPMODEL模型 有9个参数，分别为根系区最大蓄水容量Srmax、 重力排水的时间滞时参数 Td，非饱和区最大蓄 水容量Szm、土壤刚打到饱和时导水率的自然对 数的流域均值To、调整初始时刻根系区平均土 壤缺水量的经验系数 B、河道汇流的有效速度 Rv、有效地表汇流速率 CHv、马斯京根法演算 参数x、子流域出口断面距总流域出口断面的河 段数。可以看出TOPMODEL和SWAT模型的优 选参数比新安江模型和SAC模型要少很多，且 大多

12、数参数都有较为明确的物理概念，所以在进 行模型率定时，TOPMODEL和SWAT模型先 对来说较为简单方便。3总结分析不同的流域水文模型在建模思路、产汇流 机制描述、计算单元划分、求解方法等方面存 在较大差别。这些差别导致研究者在建模时形 成各自的描述方式和特色，并由此研制了不同 的流域水文模型。新安江模型、SAC模型、SWAT 模型以及TOPMODEL模型的各方面对比分析 如表1所示。表1四个模型对比结果统计模型新安江模型SAC模型SWAT模型TOPMODEL 模型流域产汇流计算，水模型功能流域产汇流计算土流失和面源污染模拟，土地利用及土地管理方式预测流域产汇流计算，水 土流失和面源污染模

13、拟流域划分自然流域划分法泰森多边形法等透水面积不透水面积变动不透水面积自然流域划分法泰森多边形法等产流机制蓄满产流蓄满-超渗产流兼容汇流计算瞬时单位线阀、线性水库法瞬时单位线法、马斯京根法变动存储系数法、马斯京根法等流时线法参数17个10个9个模型特点适用于湿润地区与半湿润地区的湿润季节考虑土壤水分的渗 透作用，适用于超 渗产流地区，参数 较多，难以调试基于物理机制使用 常规数据，计算效 率高可模拟长期影 响半分布式水文模 型，适用于湿润地区与半湿润地区从上表可以将四个模型的比较总结归纳为以下几点：1在模型功能方面，新安江模型、SAC模型 的主要功能都是流域的产、汇流计算，而SWAT模型和TO

14、PMODEL模型的功能除 具有流域产、汇流计算的功能外，还可以模 拟流域内发生的多个水文物理化学过程。2在产流机制方面，新安江模型、 TOPMODEL模型主要计算蓄满产流；而 SWAT模型和SAC模型则既可计算超渗产 流，又可计算蓄满产流。3在参数率定方面，新安江模型、SAC模型参数比较多，TOPMODEL相对来说属于参 数较少的，所以在进行模型率定的时候，TOPMODEL相对来说较为简单方便。4存在问题及展望总而言之，新安江模型属于集总式流域水 文模型，存在着集总式流域水文模型的问题， 即使用精度往往不能令人满意；SAC模型虽然 在干旱半干旱地区和湿润地区都具有较好的适 用性，但模型的参数独

15、立性差，最优解不唯一， 参数的自动优选问题很难解决；SWAT模型是 一个以模拟长时间段为主的分布式水文模型； TOPMODEL 一个突出的特点就是模型结构简单，物理概念明确，优选参数少，结构化的程 序语言使其很容易根据实际情况调整结构，模 型在应用时仅需DEM图和基本的水文资料（降 水、蒸发、流量），甚至可用于无资料地区。参考文献1李致家，孔凡哲，陈骥，等.现代水文模拟与预报技术M.河海大学，2010.2赵人俊.流域水文模拟一新安江模型与陕北模型M.北京：水利电力出版社，1984.3郭方，刘新仁，任立良.以地形为基础的流域水文模型 J.水科学进展，2000,11 （3）:296-301.4陈红刚，李致家，李锐，等.新安江模型、TOPMODEL 和萨克拉门托模型的应用比较 J. 水力发电，2009，35（3）: 14-25.5刘青娥，左其亭.TOPMODEL 模型探讨J.郑州大学学报（工学版），2002, 23（4）: 82-86.6Duan J， Miller N L. A generalised power function for the subsurface transmissivity profile