流域水文模型

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　　流域水文模型是指對流域上發生的水文過程進行模擬計算的數學模型^[1]。流域水文模型是模擬流域水文過程和認識流域水文規律的重要理論基礎，對流域產匯流計算、洪水分析與預報以及水資源優化配置與調度等具有重大意義，一直是水文學和水資源等領域的重要基礎研究課題之一^[2]。

　　流域水文模型是由描述流域降雨徑流形成的數學函數構成的一種數學物理模型, 它嚴格滿足流域水量平衡原理。流域水文模型的出現與電腦的誕生分不開, 70～80 年代是流域水文模型的蓬勃發展時期。我國自70年代始, 一方面積極引進國外有關的流域水文模型, 另一方面致力於新的流域水文模型的研製。流域水文模型屬於數學模型, 即對一些經驗規律加以物理解釋, 用嚴密的數學方式表達出來, 再把各個水文過程綜合起來, 形成全流域的水量平衡計算系統。經典水力學與電腦技術的結合, 已在70年代產生了計算水力學, 併在一定程度上替代了水力學模型試驗。

　　不同的模型使用不同的數據集, 不同的數據集在時間上的詳細程度和空間解析度各不相同。非空間模型可在任意大小和形狀的面狀單元上運行(Openshaw,1981) , 並可自由地由科學家所選擇。而空間模型的應用範圍較窄, 動態模型則需要將模擬計算區離散成更多的面狀單元, 然後進行建模。隨著地理信息系統與遙感技術的發展, 空間信息的獲取與處理取得了極大的進展, 水文模型也慢慢從概念性水文模型向分散式水文模型發展。

• 流域水文模型通常可以分為三大類：系統理論模型、概念性模型和物理模型。

　　系統模型將所研究的流域或區間視作一種動力系統，利用已有的輸入(一般指雨量或上游干支流來水)與輸出(一般指流域控制斷面流量)資料，建立某種數學關係，然後據此用新的輸入推測輸出 這類模型只關心模擬結果的精度，而不考慮輸入與輸出之間的物理因果關係，因此又被稱為“黑箱子模型”。代表模型有：總徑流線性響應模型(TLR)、線性擾動模型(LPM)等。

　　概念性模型是以水文現象的物理概念和一些經驗公式為基礎構造的，它把流域的物理基礎(如下墊面等)進行概化(如線性水庫、土層劃分、蓄水容量曲線等)．再結合水文經驗公式(如下滲曲線、匯流單位線、蒸散髮公式等)來近似地模擬流域水流過程。概念性流域水文模型主要有：水箱模型(Tank Model)、斯坦福模型、薩克拉門托模型、SMAR模型及新安江模型等。

　　一般物理模型認為流域面上各點的水力學特征是非均勻分佈的, 因而依據物理學質量、動量與能量守恆定律以及流域產匯流特性構造水動力學方程組，來模擬降雨徑流在時空上的變化。與概念性模型中把基本單元簡化為一個垂直圓柱體而只考慮水力的垂直向運動不同的是，物理水文模型提出既要考慮單元內部垂直方向水量交換．又要考慮水平方向的水量交換 其中有代表性的有SHE模型和DBSIN模型等。

• 從反映水流運動空間變化的能力角度說，水文模型又可分為兩類：集總式模型和分散式模型。

　　集總式模型認為，流域錶面上各點的水力學特征是均勻分佈的，對流域錶面任何一點上的降雨，其下滲、滲漏等縱向水流運動都是相同和平行的，不和周圍水流運動發生任何聯繫．因此整個流域被當作一個單元體，只考慮水流在單元體內的縱向運動。

　　分散式模型則認為流域錶面上各點的水力學特征是非均勻分佈的，水流在流域錶面上分佈並不均勻，應將流域劃分為很多個小單元，在考慮水流在每個小單元體內的縱向運動時，也要考慮各個小單元之間水量的橫向交換。分散式流域水文模型的主要思路是：將流域劃分成若幹網格，對每個網格分別輸入不同的降雨，根據各網格內植被、土壤和高程等情勢，對每個網格採用不同的產流計算參數分別計算產流量，通過比較相鄰網格的高程確定各網格的流向，根據各網格的坡度、糙率和土壤等情況確定參數，將其徑流演算到流域出口斷面得到流域出口斷面的徑流過程。模型的參數由地形、地貌數據結合實測歷史洪水資料率定得到，雷達測雨、遙感、地理信息系統、數值計算和電腦等技術的支撐，使得分散式流域水文模型的研究和應用得以實現。

　　目前，分散式流域水文模型主要有兩類：分散式數學物理流域水文模型和分散式概念性流域水文模型。分散式數學物理流域水文模型，其主要的水文物理過程均採用質量、能量和動量守恆的偏微分方程描述．如坡面洪水波、不飽和、飽和滲流等方程，相鄰網格單元之間的時、空間關係用水動力學的連續方程來建立，採用有限差分方法對方程求解：同時，模型也採用了一些通過實驗得到的經驗關係；模型考慮了蒸散髮、植物截留、坡面和河網匯流、土壤非飽和和飽和滲流、融雪徑流、地表和地下水交換等水文過程，模型參數主要根據地形和地貌數據量測和分析，並結合歷史洪水資料的率定來確定。這類模型的優點是模型的參數具有明確的物理意義，可以通過連續方程和動力方程求解，可以更準確地描述水文過程，具有很強的適應性；模型用嚴格的數學物理方程表述水文迴圈的各子過程，參數和變數中充分考慮空間的變異性，並著重考慮了不同單元間的水平聯繫，對水量和能量過程均採用偏微分方程模擬。因此，它在模擬土地利用、土地覆蓋、水土流失變化的水文響應及面源污染、陸面過程、氣候變化影響評價等方面的應用具有優勢：參數一般不需要通過實測水文資料來率定，解決了參數間的不獨立性和不確定性問題，便於在無實測水文資料的地區推廣應用。分散式概念性這類流域水文模型，在每個單元網格上應用現有的集總式概念性流域模型推求凈雨．併進行匯流演算，推求出口斷面的流量過程：匯流演算一般採用水文學或水力學方法：模型參數主要根據歷史洪水資料分析率定，並結合地形和地貌數據量測和分析得到。

　　一般說來，系統模型和概念性模型都是集總式模型，而物理模型都是分散式模型。另外，介於集總式模型和分散式模型之間．還有一種“半分散式”水文模型，其典型代表是以地形為水文過程空間變異性基礎的TOPMODEL模型。