流域水文模型

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　　流域水文模型是指对流域上发生的水文过程进行模拟计算的数学模型^[1]。流域水文模型是模拟流域水文过程和认识流域水文规律的重要理论基础，对流域产汇流计算、洪水分析与预报以及水资源优化配置与调度等具有重大意义，一直是水文学和水资源等领域的重要基础研究课题之一^[2]。

　　流域水文模型是由描述流域降雨径流形成的数学函数构成的一种数学物理模型, 它严格满足流域水量平衡原理。流域水文模型的出现与计算机的诞生分不开, 70～80 年代是流域水文模型的蓬勃发展时期。我国自70年代始, 一方面积极引进国外有关的流域水文模型, 另一方面致力于新的流域水文模型的研制。流域水文模型属于数学模型, 即对一些经验规律加以物理解释, 用严密的数学方式表达出来, 再把各个水文过程综合起来, 形成全流域的水量平衡计算系统。经典水力学与计算机技术的结合, 已在70年代产生了计算水力学, 并在一定程度上替代了水力学模型试验。

　　不同的模型使用不同的数据集, 不同的数据集在时间上的详细程度和空间分辨率各不相同。非空间模型可在任意大小和形状的面状单元上运行(Openshaw,1981) , 并可自由地由科学家所选择。而空间模型的应用范围较窄, 动态模型则需要将模拟计算区离散成更多的面状单元, 然后进行建模。随着地理信息系统与遥感技术的发展, 空间信息的获取与处理取得了极大的进展, 水文模型也慢慢从概念性水文模型向分布式水文模型发展。

• 流域水文模型通常可以分为三大类：系统理论模型、概念性模型和物理模型。

　　系统模型将所研究的流域或区间视作一种动力系统，利用已有的输入(一般指雨量或上游干支流来水)与输出(一般指流域控制断面流量)资料，建立某种数学关系，然后据此用新的输入推测输出 这类模型只关心模拟结果的精度，而不考虑输入与输出之间的物理因果关系，因此又被称为“黑箱子模型”。代表模型有：总径流线性响应模型(TLR)、线性扰动模型(LPM)等。

　　概念性模型是以水文现象的物理概念和一些经验公式为基础构造的，它把流域的物理基础(如下垫面等)进行概化(如线性水库、土层划分、蓄水容量曲线等)．再结合水文经验公式(如下渗曲线、汇流单位线、蒸散发公式等)来近似地模拟流域水流过程。概念性流域水文模型主要有：水箱模型(Tank Model)、斯坦福模型、萨克拉门托模型、SMAR模型及新安江模型等。

　　一般物理模型认为流域面上各点的水力学特征是非均匀分布的, 因而依据物理学质量、动量与能量守恒定律以及流域产汇流特性构造水动力学方程组，来模拟降雨径流在时空上的变化。与概念性模型中把基本单元简化为一个垂直圆柱体而只考虑水力的垂直向运动不同的是，物理水文模型提出既要考虑单元内部垂直方向水量交换．又要考虑水平方向的水量交换 其中有代表性的有SHE模型和DBSIN模型等。

• 从反映水流运动空间变化的能力角度说，水文模型又可分为两类：集总式模型和分布式模型。

　　集总式模型认为，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，不和周围水流运动发生任何联系．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个小单元，在考虑水流在每个小单元体内的纵向运动时，也要考虑各个小单元之间水量的横向交换。分布式流域水文模型的主要思路是：将流域划分成若干网格，对每个网格分别输入不同的降雨，根据各网格内植被、土壤和高程等情势，对每个网格采用不同的产流计算参数分别计算产流量，通过比较相邻网格的高程确定各网格的流向，根据各网格的坡度、糙率和土壤等情况确定参数，将其径流演算到流域出口断面得到流域出口断面的径流过程。模型的参数由地形、地貌数据结合实测历史洪水资料率定得到，雷达测雨、遥感、地理信息系统、数值计算和计算机等技术的支撑，使得分布式流域水文模型的研究和应用得以实现。

　　目前，分布式流域水文模型主要有两类：分布式数学物理流域水文模型和分布式概念性流域水文模型。分布式数学物理流域水文模型，其主要的水文物理过程均采用质量、能量和动量守恒的偏微分方程描述．如坡面洪水波、不饱和、饱和渗流等方程，相邻网格单元之间的时、空间关系用水动力学的连续方程来建立，采用有限差分方法对方程求解：同时，模型也采用了一些通过实验得到的经验关系；模型考虑了蒸散发、植物截留、坡面和河网汇流、土壤非饱和和饱和渗流、融雪径流、地表和地下水交换等水文过程，模型参数主要根据地形和地貌数据量测和分析，并结合历史洪水资料的率定来确定。这类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，可以更准确地描述水文过程，具有很强的适应性；模型用严格的数学物理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，并着重考虑了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，它在模拟土地利用、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的应用具有优势：参数一般不需要通过实测水文资料来率定，解决了参数间的不独立性和不确定性问题，便于在无实测水文资料的地区推广应用。分布式概念性这类流域水文模型，在每个单元网格上应用现有的集总式概念性流域模型推求净雨．并进行汇流演算，推求出口断面的流量过程：汇流演算一般采用水文学或水力学方法：模型参数主要根据历史洪水资料分析率定，并结合地形和地貌数据量测和分析得到。

　　一般说来，系统模型和概念性模型都是集总式模型，而物理模型都是分布式模型。另外，介于集总式模型和分布式模型之间．还有一种“半分布式”水文模型，其典型代表是以地形为水文过程空间变异性基础的TOPMODEL模型。