楊會(huì)龍

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 德陽(yáng)，618000)

流域水文模型研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

楊會(huì)龍

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 德陽(yáng)，618000)

流域水文模型在進(jìn)行水循環(huán)機(jī)理的的研究和解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題中起著重要的作用，能有效應(yīng)用于水文計(jì)算、水文預(yù)報(bào)、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(shì)，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(wèn)題、時(shí)空尺度轉(zhuǎn)換問(wèn)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(wèn)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(shì)

1 引言

流域水文模型是為模擬流域水文過(guò)程所建立的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行水循環(huán)機(jī)理的研究和解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)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(bào)、水資源開(kāi)發(fā)、利用、保護(hù)和管理等方面。

目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)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(lèi)方法可劃分為不同類(lèi)型的流域水文模型[1]。其中，按對(duì)流域水文過(guò)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(gè)整體來(lái)描述或模擬降雨徑流形成過(guò)程，模型本身大多數(shù)都不具備從機(jī)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埽环植际侥Ｐ妥罨镜奶卣魇前戳饔蚋魈帤夂蛐畔⒑拖聣|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(gè)單元上用一組參數(shù)反映其流域特征，具有從機(jī)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堋７植际侥Ｐ透鶕?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(diǎn)是在每一個(gè)水文模擬的小單元上應(yīng)用概念性集總式模型來(lái)計(jì)算凈雨量，再進(jìn)行匯流演算，計(jì)算出流域出口斷面的流量過(guò)程；以物理方程為基礎(chǔ)的分布式模型，主要特點(diǎn)是在每一個(gè)水文模擬的小單元上應(yīng)用連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程來(lái)構(gòu)建相鄰模擬單元之間的時(shí)空關(guān)系，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法求解。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)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(shí)間研制成功第Ⅳ號(hào)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(guò)了不斷的改進(jìn)和發(fā)展。水箱模型是對(duì)水文現(xiàn)象的一種間接模擬，模型中并無(wú)直接的物理量，參數(shù)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，在我國(guó)濕潤(rùn)地區(qū)的水文計(jì)算和水文預(yù)報(bào)中采用較多，而且對(duì)我國(guó)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(gè)以日為計(jì)算時(shí)段的流域水文模型，在澳、新等國(guó)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(jiǎn)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(guò)程。20世紀(jì)60年代末至70年代初，美國(guó)的R.C.伯納什和R.L.費(fèi)雷爾以及R.A.麥圭爾研制了薩克拉門(mén)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(jì)算復(fù)雜但匯流計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單。

國(guó)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(gè)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?cè)疵娣e模擬模型(簡(jiǎn)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?cè)串a(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(lái)反映下墊面的空間變化對(duì)流域水文循環(huán)過(guò)程的影響，模型的參數(shù)具有物理意義，能用于無(wú)資料流域的產(chǎn)匯流計(jì)算。Famiglietti等將修改的TOPMODEL和一個(gè)表面能量平衡模型耦合在一起，計(jì)算整個(gè)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(duì)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(lèi)模型也稱半分布式水文模型。1980年，丹麥、法國(guó)及英國(guó)的水文學(xué)者聯(lián)合研制及后來(lái)改進(jìn)的SHE模型，是一個(gè)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(gè)水平層，以便處理不同層的土壤水運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。SHE模型為研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于流域的產(chǎn)流、產(chǎn)沙及水質(zhì)等影響問(wèn)題提供了理論工具，SHE模型應(yīng)用數(shù)值分析來(lái)建立相鄰網(wǎng)格單元之間的時(shí)空關(guān)系，這類(lèi)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(guó)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(duì)IHDM模型進(jìn)行了改進(jìn)。1994年，JeffAmold為美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心開(kāi)發(fā)了SWAT模型。SWAT是一個(gè)具有很強(qiáng)物理機(jī)制、適用于長(zhǎng)時(shí)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(guò)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(lèi)活動(dòng)對(duì)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(gè)網(wǎng)格單元(子流域)上進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，然后再進(jìn)行匯流演算，最后求得出口斷面流量，這類(lèi)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(gè)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(jì)、降雨～蒸發(fā)～徑流過(guò)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(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)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(kù)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(shí)踐證明，新安江模型在濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū)應(yīng)用效果很好。陜北模型是趙人俊等針對(duì)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(guó)內(nèi)分布式水文模型研究開(kāi)展較晚，1995年，沈曉東等在研究降雨時(shí)空分布與下墊面自然地理參數(shù)空間分布的不均勻性對(duì)徑流過(guò)程影響的基礎(chǔ)上，提出了一種在GIS支持下的動(dòng)態(tài)分布式降雨徑流流域模型，實(shí)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(guó)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(dòng)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。孔凡哲[5]提出了一種利用空間分布流速場(chǎng)計(jì)算流域單位線的方法，不僅可以考慮坡地漫流過(guò)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(jì)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(wèn)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(jì)算過(guò)程中的降雨輸入和參數(shù)網(wǎng)格化問(wèn)題，最后建立了一個(gè)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(shì)及存在問(wèn)題

3.1 發(fā)展趨勢(shì)

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(shí)空變化，將參數(shù)和變量都取流域的平均值，這與流域的實(shí)際情況并不相符，因?yàn)椴粌H降雨具有隨時(shí)變化的空間分布，流域的土壤、植被、地形等自然地理?xiàng)l件及人類(lèi)活動(dòng)的影響等在空間上也是時(shí)空變化的，而且模型中的許多概化和假設(shè)也不符合實(shí)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(guò)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(jì)算機(jī)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(diǎn)，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(wèn)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(wèn)題歸納為非線性問(wèn)題、尺度問(wèn)題、唯一性問(wèn)題、等效性問(wèn)題和不確定性問(wèn)題五個(gè)方面。水文系統(tǒng)本身就是一個(gè)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(wèn)題是非線性問(wèn)題[8]。分布式水文物理模型通過(guò)微分方程描述非線性水文過(guò)程，但方程和邊界條件復(fù)雜，目前尚無(wú)解析解。而且，非線性系統(tǒng)對(duì)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(gè)時(shí)空耦合的系統(tǒng)，水文尺度不同，水文過(guò)程所表現(xiàn)的水文規(guī)律和特征也不同，實(shí)現(xiàn)不同尺度間的轉(zhuǎn)換是水文尺度目前面臨的主要問(wèn)題[9]，國(guó)內(nèi)外提出了一些解決尺度轉(zhuǎn)換問(wèn)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(wèn)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(bào)(第3版)[M].北京：中國(guó)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(guó).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(tái)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(shí)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(huì)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(jì)工作。

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2095-1809(2016)01-0096-03