流域水文模型研究综述.pdf

1、流域水文模型研究综述何长高1,2,董增川1,陈卫宾1（1.河海大学水文水资源及水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京2 1 0 0 9 8；2.江西省水利厅，江西 南昌3 3 0 0 0 9）摘要:流域水文模拟是用数学的方法描述和模拟水文循环的过程.按照水文循环运动的物理规律和空间变化规律介绍了流域水文模型的分类及其特点，回顾了流域水文过程模型的研究进展，总结、介绍了国内外分布式流域水文模型的开发研究成果，结合当前流域水文模型研究中存在的尺度、非线性、模型动态耦合等主要问题，提出了发展方向.关键词:流域；研究进展；水文模型中图分类号:P 3 3文献标识码:A文章编号:1 0 0 4-4 7 0

2、 1(2 0 0 8)0 1-0 0 2 0-0 6收稿日期：2 0 0 7-1 1-1 4基金项目：江西省重大关键技术攻关计划项目（2 0 0 5 I A 0 5 0 0 1 0 1）作者简介：何长高（1 9 6 2-），男，在读博士，教授级高工.0 引言水文模型是水资源评价、配置、开发和利用的基础，在防洪减灾、水库调度、生态环境需水、水资源开发利用、道路、城市规划、面源污染评价、人类活动的流域响应等诸多方面均需要水文模型的支持。因此，水文模型的研究一直是水文学研究的重点，并建立了一系列水文模型。特别是近几十年，随着水资源问题日益突出和计算机技术的快速发展，人们对流域水文模型的研究、应用的广

3、度和深度日渐加大，研制出了大量的各具特色的流域水文模拟模型。流域水文模拟是用数学的方法描述和模拟水文循环的过程，即将流域概化成一个系统，根据系统输入条件（一般为降雨、融雪、水质、泥沙过程以及流域的蒸散发能力），对流域内发生的水文过程进行模拟计算，求解输出结果（如流域出口断面的流量过程和流域实际蒸散发等）。1 流域水文模型的分类流域水文模型是在计算机技术和系统理论的发展中产生的，经过 2 0 世纪六十、七十年代和九十年代的蓬勃发展，涌现出了大量的流域水文模型。纵观已有流域水文模型，从反映水文循环运动物理规律的过程性和复杂度来看，流域水文模型可划分为系统模型（即“黑箱”模型）、概念性模型和物理模型

4、。系统模型将所研究的流域或区间视作一个动力系统，利用输入（一般指降雨、融雪、水质、泥沙过程以及流域的蒸散发能力）与输出（一般指流域控制断面的流量过程和流域实际蒸散发等）资料，建立某种数学关系，然后就可由新的输入推测输出这种模型中建立的数学关系并不是基于对流域水文物理过程的分析描述，而是概化的、经验性的，只关心模拟结果的精度而不考虑输入输出之间的物理因果关系，因此，它属于“黑箱”模型。系统模型有：线性和非线性、时变和时不变、单输入单输出、多输入单输出、多输入多输出等多种模型。其中具有代表性的模型有：S h e r m a n 单位线模型、线性扰动模型、约束线性系统模型、V o l t e r r

5、 a 函数模型、多输入简单线性模型、多输入线性可变增益因子模型，以及神经网络模型等等 1 0 1 5。概念性模型利用一些简单的物理概念和经验关系，如下渗曲线、蒸发公式或有物理意义的结构单元（如线性水库、线性河段等），组成一个系统来集总式描述流域中的水文过程。模型中的参数虽有一定的物理意义，但难于直接推算，需要根据流域出口流量资料率定，因此，属于“灰箱”模型。概念性流域水文模型主要有：由美国气象局 S i t t e n 提出的前期降水指标模型，菅原正已第 3 4 卷第 1 期江西水利科技V o l.3 4N o.12 0 0 8 年 3 月J I A N G X IH Y D R A U L

6、I C S C I E N C E&T E C H N O L O G YM a r.2 0 0 8提出的水箱模型，C r a f o r d和 L i n s l e y 提出的斯坦福模型、B e r n a s h 等提出的萨克拉门托模型、爱尔兰国立大学工程水文系提出的 S M A R模型、丹麦技术大学于 1 9 7 3年提出，后经丹麦水力研究所完善的 N A M模型、河海大学赵人俊教授提出的新安江模型 1 6、意大利 T o d i n i 提出的 A r n o 模型 1 7 等。物理模型则依据水流的连续方程和动量方程来求解水流在流域的时间和空间变化规律。模型参数具有物理意义，因此属于

7、“白箱”模型。如 S H E模型 1 8，1 9、I H D M模型 2 0 等。从反映水流运动空间变化的规律而言，水文模型又可分为集总式模型和分布式模型。集总式模型假设流域表面上各点的水力学特征是均匀分布的，对流域表面任何一点上的降雨，其下渗、渗漏等纵向水流运动都是相同和平行的，不和周边的水流发生任何联系，因此整个流域被当作一个单元体，只考虑水流在单元体内的纵向运动。分布式模型则认为流域表面上各点的水力学特征是非均匀分布的，水流在流域表面上分布并不均匀，应将流域划分为很多小单元，在考虑水流在每个小单元内的纵向运动时，也要考虑各个小单元之间水量的横向交换。一般来说，系统模型和概念性模型都是集总

8、式模型，而物理模型都是分布式模型。集总式模型用概化的方法表达流域的水文过程，具有一定的物理基础，也具有相当的经验性，模型结构简单，实用性强。但其在产流、汇流等环节上，主要借助于概念性水文模型、水量平衡方程或经验公式。在一些比较著名的模型中，如美国的斯坦福模型和萨克门托模型、日本的水箱模型以及中国的新安江和陕北模型等，常采用简单的下渗经验公式、经验流域蓄水曲线或水箱侧孔、低孔出流等来模拟产流过程；采用单位线、线性或非线性水库及渠道来模拟汇流过程。这与实际水文空间分散性和不均匀性输入是不匹配的，不能反映实际暴雨洪水产汇流的空间分布特性，无法全面地刻画水文系统分散输入集中输出的产汇流规律，无法模拟变

9、化环境（如土地利用、水土流失、面源污染气候变化影响等）中的陆地表面过程。分布式物理模型的优点是模型的参数具有明确的物理意义，可以通过连续方程和动力方程求解，可以更准确的描述水文过程，具有很强的适应性。与概念性模型相比，分布式水文模型用严格的数学物理偏微分方程表述水文循环的各子过程，参数和变量中充分考虑空间的变异性，并着重考虑不同单元间的水平联系，对水量和能量过程均采用偏微分方程模拟。因此，在模拟土地利用、土地覆盖、水土流失变化的水文响应及面源污染、陆面过程、气候变化影响评价等方面应用显出优势。2 水文过程模型研究进展水文过程模型是流域水文模型的基础。水文过程模型包括流域坡面产流模型、坡面汇流模

10、型以及河槽汇流模型。（1）坡面产流模型。1 9 3 3 年，霍顿（H o r t o n）提出了著名的产流理论（超渗理论）：当雨强小于土壤下渗能力时，所有降雨都被土壤吸收；当雨强大于下渗能力时，土壤只能以下渗能力吸收降雨，其余超出部分为地表径流量。这为坡面产流的研究与模拟提供了理论依据。2 0 世纪六十年代以后，许多学者在野外实地观测发现，对于存在表层透水性很强的包气带，例如表土比较疏松、植被覆盖较好的坡面上，即使雨强小于下渗能力的降雨，仍有地面径流产生。邓恩（D u n n e）等学者，在大量的观测实验的基础上，提出了除超渗机制外，还存在饱和机制，即蓄满产流。当土壤有分层结构，且上层土层的透

11、水性大于下层土层时，可以在土层的分层界面上产生饱和带，随着饱和层增厚达到地面时，即使雨强未超过表土的下渗能力，也可产生地面径流 1,2。在湿润有植被地区，坡面流通常是饱和坡面流，并且可以把饱和面积看成是永久性河道系统向蓄水容量较小地区的伸延。（2）坡面汇流模型。坡面汇流计算方法有：等流时线法和单位线法。等流时线是指流域上的地面净雨经坡地、河网到出口断面的汇流时间相等的点的连线。等流时线法因未考虑水流在运动中的变形和汇流速度随流量的变化，实际应用中误差较大。1 9 7 9年，R o d r i g u e z 和 V a l d e s 3 提出了地貌瞬时单位线的概念。地貌瞬时单位线是降落在流域

12、上的净雨雨滴在流域上传播时间的概率密度函数。1 9 8 0年，G u p t a 等 4 假设，降落在流域上不同部位的雨滴，按不同的路径汇集到流域出口，路径由水质点在河网中的运动规律决定，雨滴在任一路径上的传播时间等于该路径上各状态的传播时间之和，在任一路径上的传播时间概率密度函数，等于组成该路径上各级状态的传播时间的概率密度函数的卷积。按各路径概率叠加这些路径传播时间的概率密度函数即得该流域瞬时单位线。任一状态传播时间的概率密度函数可以取任何形式。1 9 8 3 年，第 3 4 卷第 1 期何长高等流域水文模型研究综述2 1B e v e n 等建议传播时间的概率密度函数采用指数型分布，其分

13、布参数正比于该级河道长度的 1/3 次方，比例系数由流域平均滞时确定。也有建议，按数理统计学的观点，可先确定随机变量样本的某些数字特征，如均值、方差等，然后借助分布的假设检验选配一条合适的分布曲线。地貌瞬时单位线理论把流域与河网结构和流速的空间分布联系起来，从而提供了一个直接利用流域出口断面流速资料就可以确定流域瞬时单位线的新途径。单位线的概念与方法简单，要求的资料少又具有一定精度，因此在水文计算上起了很大的作用。（3）河槽汇流模型。在河槽汇流方面，有两种模拟方法，一是水文学方法；二是水力学方法。水文学方法的基本根据是圣维南方程组。由于圣维南方程组动力学求解方法过程复杂，在水文模型中一般先对圣

14、维南方程组进行简化，通常将圣维南方程组简化为运动波、扩散波或惯性波方程，然后再进行求解。洪水演算法相当于求解扩散波方程。常见的洪水演算方法有马斯京根法与特征河长法。此外，对于非正常演进洪水，还经常使用经验槽蓄曲线法进行洪水演进计算。水力学方法始于 2 0 世纪六十年代的流体动力学数值模拟，是在计算机问世之后，综合流体力学、计算数学以及各种生产应用技术而发展起来的一种新方法。从总体情况而言，七十年代以河口一维潮流计算为主，进入八十年代后，除继续应用一维计算模型外，大多已采用二维数值模拟模型，并按需要配以泥沙、温度、盐度和污染物等物质输移模型，三维模型也已逐步展开，并取得了显著的进展 5 7。数值

15、计算的方法主要有有限差分法、有限元法、有限体积法和特征线法 8,9。3 分布式流域水文模型研究进展自 1 9 6 9 年 F r e e z e 和 H a r l a n 2 1 第一次提出了基于水动力学偏微分物理方程的分布式水文模型的框架后,分布式流域水文模型开始得到快速发展，目前是国际上水文研究的热点。1 9 8 2 年，在欧共体的资助下，由英国水文研究所、法国 S O G R E A H咨询公司和丹麦水力学研究所共同研制提出的 S H E模型 1 8,1 9 是最早的分布式水文模型的代表。S H E模型考虑了截留、下渗、土壤蓄水量、蒸散发、地表径流、壤中流、地下径流、融雪径流等水文过程

16、。流域参数、降雨及水文响应的空间分布垂直方向用层表示，水平方向用方形网格表示。该模型的主要水文过程可由质量、动量和能量守恒偏微分方程的有限差分表示，也可由经验方程表示。模型有 1 8 个参数，部分具有物理意义，可由流域特征确定。它的物理基础和计算的灵活性使它适用于多种资料条件，在欧洲和其它地区得到了应用和验证 2 2。随后，丹麦水力学研究所对S H E模型进行了一系列改进和完善，于 2 0 世纪九十年代初提出了 M I K E S H E模型。M I K E S H E模型主要由水流运动、水质、地球化学与生物反应、作物生长与根系的氮运移、土壤侵蚀、双相介质中的空隙率、灌溉等 7个模块构成。它可以模拟陆地水循环中几乎所有的水文过程，是一个综合性、确定性且具有物理意义的分布式水文系统模型。但是，由于该模型所需的参数和输入的数据量非常多，建立和率定工作量极大，因此，在实际应用中存在大量困难。1 9 8 6 年，B e v e n 提出了 T O P-M O D E L模型。T O P M O D E L模型以地形空间为主要结构，用地形信息（地形指数或地形土壤指数）、水量平衡和 D a r c