流域水文模型研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

楊會龍

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，四川 德陽，618000)

流域水文模型研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

楊會龍

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，四川 德陽，618000)

流域水文模型在進(jìn)行水循環(huán)機理的的研究和解決生產(chǎn)實際問題中起著重要的作用，能有效應(yīng)用于水文計算、水文預(yù)報、水資源可持續(xù)利用、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面。流域水文模型的發(fā)展趨勢，已由傳統(tǒng)的概念性集總式水文模型轉(zhuǎn)向具有物理成因基礎(chǔ)的分布式水文模型，分布式水文模型發(fā)展所面臨的非線性問題、時空尺度轉(zhuǎn)換問題、水文模型與大氣環(huán)流模型的耦合及“3S”技術(shù)與水文模型的集成等問題，都需要今后進(jìn)一步深入研究。

流域水文模型 研究現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢

1 引言

流域水文模型是為模擬流域水文過程所建立的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行水循環(huán)機理的研究和解決生產(chǎn)實際問題中起著重要的作用，能有效應(yīng)用于水文分析、水文預(yù)報、水資源開發(fā)、利用、保護(hù)和管理等方面。

目前，國內(nèi)外開發(fā)研制的流域水文模型眾多，結(jié)構(gòu)各異，按照不同的分類方法可劃分為不同類型的流域水文模型[1]。其中，按對流域水文過程描述的離散程度可分為集總式模型和分布式模型。集總式模型最基本的特征是將流域作為一個整體來描述或模擬降雨徑流形成過程，模型本身大多數(shù)都不具備從機理上考慮降雨和下墊面條件空間分布不均勻?qū)涤陱搅餍纬捎绊懙墓δ?；分布式模型最基本的特征是按流域各處氣候信息和下墊面特性要素信息的不同，將流域劃分為若干小單元，在每一個單元上用一組參數(shù)反映其流域特征，具有從機理上考慮降雨和下墊面條件空間分布不均勻?qū)涤陱搅餍纬捎绊懙墓δ?。分布式模型根?jù)自身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，大致可分為構(gòu)建于概念性模型基礎(chǔ)上的分布式水文模型和以物理方程為基礎(chǔ)的分布式模型。構(gòu)建于概念性模型基礎(chǔ)上的分布式水文模型，主要特點是在每一個水文模擬的小單元上應(yīng)用概念性集總式模型來計算凈雨量，再進(jìn)行匯流演算，計算出流域出口斷面的流量過程；以物理方程為基礎(chǔ)的分布式模型，主要特點是在每一個水文模擬的小單元上應(yīng)用連續(xù)方程和運動方程來構(gòu)建相鄰模擬單元之間的時空關(guān)系，應(yīng)用數(shù)值計算方法求解。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

流域水文模型的研究大約始于本世紀(jì)50年代，1959～1966年，N.H.克勞福特先生和R.K.林斯雷先生利用8年時間研制成功第Ⅳ號斯坦福模型，這是世界上最早也是最有名的流域水文模型。此模型物理概念明確、結(jié)構(gòu)層次分明，為以后許多模型的建立提供了基礎(chǔ)。1961年，日本的菅原正已博士首先提出水箱模型，并經(jīng)過了不斷的改進(jìn)和發(fā)展。水箱模型是對水文現(xiàn)象的一種間接模擬，模型中并無直接的物理量，參數(shù)簡單，操作簡便，在我國濕潤地區(qū)的水文計算和水文預(yù)報中采用較多，而且對我國流域水文模型的發(fā)展影響較大[2]。1966年，澳大利亞的包頓研制成功了包頓模型。該模型是一個以日為計算時段的流域水文模型，在澳、新等國有著廣泛的應(yīng)用，比較適用于干旱和半干旱地區(qū)，模型結(jié)構(gòu)簡單，未設(shè)置地下水結(jié)構(gòu)，且只做了產(chǎn)流部分，未研究匯流過程。20世紀(jì)60年代末至70年代初，美國的R.C.伯納什和R.L.費雷爾以及R.A.麥圭爾研制了薩克拉門托模型。該模型兼顧蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流，流域分單元和總徑流分水源，模型參數(shù)雖有物理意義，但參數(shù)多，難于優(yōu)選，產(chǎn)流計算復(fù)雜但匯流計算相對簡單。

國外的分布式水文模型研究，可以認(rèn)為起始于1969年Freeze和Harlan發(fā)表的“一個具有物理基礎(chǔ)數(shù)值模擬的水文響應(yīng)模型的藍(lán)圖”的文章。隨后，Hewlett和Troenale在1975年提出了森林流域的變源面積模擬模型(簡稱VSAS)。在該模型中，地下徑流被分層模擬，在坡面上的地表徑流被分塊模擬。1979年Bevenh和Kirbby提出了以變源產(chǎn)流為基礎(chǔ)的TOPMODEL模型。該模型基于DEM推求地形指數(shù)，并利用地形指數(shù)來反映下墊面的空間變化對流域水文循環(huán)過程的影響，模型的參數(shù)具有物理意義，能用于無資料流域的產(chǎn)匯流計算。Famiglietti等將修改的TOPMODEL和一個表面能量平衡模型耦合在一起，計算整個流域范圍內(nèi)的蒸散發(fā)空間變化，但TOPMODEL并未考慮降水、蒸發(fā)等因素的空間分布對流域產(chǎn)匯流的影響。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。1980年，丹麥、法國及英國的水文學(xué)者聯(lián)合研制及后來改進(jìn)的SHE模型，是一個典型的分布式水文模型。在SHE模型中，流域在平面上被劃分成許多矩形網(wǎng)格，這樣便于處理模參數(shù)、降雨輸入以及水文響應(yīng)的空間分布性，在垂直面上，則劃分成幾個水平層，以便處理不同層的土壤水運動問題。SHE模型為研究人類活動對于流域的產(chǎn)流、產(chǎn)沙及水質(zhì)等影響問題提供了理論工具，SHE模型應(yīng)用數(shù)值分析來建立相鄰網(wǎng)格單元之間的時空關(guān)系，這類模型也稱緊密耦合型分布式水文模型，即人們所指的具有物理基礎(chǔ)的分布式水文模型。1980年，英國的Morris進(jìn)行了IHDM的研究，根據(jù)流域坡面的地形特征，流域被劃分成若干部分，每一部分包含有坡面流單元，一維明渠段以及壤中流，隨后Beven和Calver等對IHDM模型進(jìn)行了改進(jìn)。1994年，JeffAmold為美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)了SWAT模型。SWAT是一個具有很強物理機制、適用于長時段的流域水文模型，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以及人類活動對流域水文循環(huán)的影響。SWAT模型應(yīng)用現(xiàn)有的概念性模型在每一個網(wǎng)格單元(子流域)上進(jìn)行產(chǎn)流計算，然后再進(jìn)行匯流演算，最后求得出口斷面流量，這類模型也稱松散耦型分布式水文模型。1995年，Grayson等提出了THALES模型，它是一個基于矢量高程數(shù)據(jù)的分布式參數(shù)模型；HuaxiaYao等提出了基于網(wǎng)格的集降雨空間輸入估計、降雨～蒸發(fā)～徑流過程模擬、河流演算和空間參數(shù)校準(zhǔn)為一體的分布式水文模型；DawenYang等提出了基于山坡和基于10km網(wǎng)格的大尺度分布式水文模型。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國流域水文模型的研制始于20世紀(jì)70年代，趙人俊等建立的新安江模型是最具代表性的水文模型之一，最初的模型為兩水源(地表徑流和地下徑流)；80年代初，趙人俊等[3]又將Sacramento模型和Tank模型中用線性水庫劃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(地面徑流，壤中流和地下徑流)；隨后趙人俊又提出適用干旱、半干早地區(qū)的陜北模型。實踐證明，新安江模型在濕潤、半濕潤地區(qū)應(yīng)用效果很好。陜北模型是趙人俊等針對干旱、半干旱地區(qū)而建立的水文模型，但模擬效果不理想，限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用。

國內(nèi)分布式水文模型研究開展較晚，1995年，沈曉東等在研究降雨時空分布與下墊面自然地理參數(shù)空間分布的不均勻性對徑流過程影響的基礎(chǔ)上，提出了一種在GIS支持下的動態(tài)分布式降雨徑流流域模型，實現(xiàn)了基于柵格DEM的坡面產(chǎn)匯流與河道匯流的數(shù)值模擬。黃平等[4]于1997年分析了國外一些具有物理基礎(chǔ)的分布式水文數(shù)學(xué)模型的不足，提出了流域三維動態(tài)水文數(shù)值模型。該模型由流域二維坡面流方程與三維飽和——非飽和流方程組成，并從理論上分析了該模型的可解性和應(yīng)用前景?？追舱躘5]提出了一種利用空間分布流速場計算流域單位線的方法，不僅可以考慮坡地漫流過程，而且坡面上與河網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)格單元可以采用完全不同的流速計算公式，以分布式單位線的形式處理流域降雨空間分布不均勻問題。石朋[6]以蓄滿產(chǎn)流理論為基礎(chǔ)，描述了最大缺水量同地形指數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，基于數(shù)字高程模型確定單元格凈雨的匯流路徑，從而解決了模型產(chǎn)匯流計算過程中的降雨輸入和參數(shù)網(wǎng)格化問題，最后建立了一個網(wǎng)格型松散結(jié)構(gòu)的分布式流域水文模型。

3 發(fā)展趨勢及存在問題

3.1 發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)的概念性集總式模型由于忽略了參數(shù)和下墊面條件的時空變化，將參數(shù)和變量都取流域的平均值，這與流域的實際情況并不相符，因為不僅降雨具有隨時變化的空間分布，流域的土壤、植被、地形等自然地理條件及人類活動的影響等在空間上也是時空變化的，而且模型中的許多概化和假設(shè)也不符合實際情況。所以，概念性集總式流域水文模型在模擬流域降雨徑流過程中必然存在一定的局限性。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的的飛速發(fā)展，以計算機和通信為核心的信息技術(shù)特別是“3S”技術(shù)在水文學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠考慮流域特征空間變異性且具有物理基礎(chǔ)的分布式水文模型，成為今后水文科學(xué)研究的重點，這也必將為建設(shè)“數(shù)字水利”、“數(shù)字流域”等水利信息化建設(shè)注入新的活力。

3.2 存在問題

分布式水文模型的前景雖然喜人，但是也面臨著許多困難。例如，Beven[7]將分布式水文模型面臨的問題歸納為非線性問題、尺度問題、唯一性問題、等效性問題和不確定性問題五個方面。水文系統(tǒng)本身就是一個復(fù)雜的非線性特征系統(tǒng)，其演化具有多樣性和不確定性，因此所面臨的核心問題是非線性問題[8]。分布式水文物理模型通過微分方程描述非線性水文過程，但方程和邊界條件復(fù)雜，目前尚無解析解。而且，非線性系統(tǒng)對模型的初始條件和邊界條件敏感，而在分布式水文模型中這些難于確定。水文系統(tǒng)也是一個時空耦合的系統(tǒng)，水文尺度不同，水文過程所表現(xiàn)的水文規(guī)律和特征也不同，實現(xiàn)不同尺度間的轉(zhuǎn)換是水文尺度目前面臨的主要問題[9]，國內(nèi)外提出了一些解決尺度轉(zhuǎn)換問題的方法，但仍然未取得滿意的結(jié)果。此外，水文模型與大氣環(huán)流模型的耦合研究，“3S”技術(shù)與水文模型的集成等問題，都需要今后做進(jìn)一步深入的研究。

〔1〕包為民.水文預(yù)報(第3版)[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

〔2〕石教智，陳曉宏.流域水文模型研究進(jìn)展[J].水文，2006，26(1)：18～23.

〔3〕趙人俊.流域水文模擬——新安江模型與陜北模型[M].北京：水利電力出版社，1984.

〔4〕黃 平，趙吉國.流域分布型水文數(shù)學(xué)模型的研究及應(yīng)用前景展望[J].水文，1997，17(5)：5～10.

〔5〕孔凡哲.基于數(shù)字平臺的分布式流域水文模型和流域匯流研究[D].河海大學(xué)，2003.

〔6〕石 朋.網(wǎng)格型松散結(jié)構(gòu)分布式水文模型及地貌瞬時單位線研究[D].河海大學(xué)，2006.

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

〔8〕閆紅飛，王船海.分布式水文模型研究綜述[J].水電能源科學(xué)，2008，26(6)：1～4.

〔9〕于翠松.水文尺度研究進(jìn)展與展望[J].水電能源科學(xué)，2006，24(6)：17～20.

楊會龍(1985.11-)，男，甘肅正寧人，助理工程師，碩士研究生，從事水文水資源專業(yè)規(guī)劃設(shè)計工作。

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P343.1∶P

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2095-1809(2016)01-0096-03