流域水文模型发展研究

流域水文模型是人类研究自然界不同时空尺度上水循环演变规律, 模拟径流的形成, 解决处理实际问题提供的主要途径之一。20世纪50年代中期, 伴随系统理论的发展, 人们开始把流域水文循环的各个环节作为一个整体来研究, 并提出了“流域水文模型”的概念。

有关水文模型的定义很多, 最好的表达是引入系统的概念。据Diskin和clark产对模型所下的定义:模型是一个复杂系统的简化体现, 那么水文模型就是对复杂水文系统的一种简化体现。具体地说, 水文模型就是用一种特定的表达方式来概化一定的水文系统, 使它能够代表实际的水文系统, 并在一定的目标下代替实际的水文系统。通俗地说, 水文模型就是用数学语言或物理模型对现实水文系统进行刻划或比拟, 并在一定的条件下对水文变量的变化进行模拟和预报。建立水文模型的目的就是能够对一个水文系统的未来变化进行预报。

1 水文模型的分类

水文模型数量很多, 依据不同的分类标准可可将其分为很多。按水体对象的不同, 水文模型可分为: (1) 河流水文模型; (2) 湖泊水文模型; (3) 沼泽水文模型; (4) 冰川水文模型; (5) 水文气象模型; (6) 地下水文模型; (7) 海洋水文模型; (8) 冻土水文模型; (9) 生态水文模型等。

2 国外水文模型研究现状

20世纪以来水资源危机日益突出, 为了适应气候变化和人类活动影响下的水文水资源研究之需, 流域水文循环的模拟已从集总式模型扩展到分布式或者半分布式 (结构/参数) 模型。分布式水文模型的开发不仅需要单元水文物理机制的支撑, 而且需要获得大量的流域空间分布数据信息和相关技术的支持。随着“3S”技术的发展, 水文模拟技术趋向于将水文模型 (包括数学物理模型、概念性模型和系统理论模型) 与数字高程模型 (DEM) 相结合, 同地理信息系统 (GIS) 与遥感 (RS) 集成。

分布式水文模型的建模思路早在20世纪60年代就已.有芽, 但其长足的进步和广泛的研制和应用, 只能在计算机技术、地理信息系统技术、遥感技术、雷达测雨技术和水文理论有了进一步发展的今天。分布式水文模型必将成为21世纪水文学研究的热点课题之一。

国外分布式流域水文模型的研究, 可以认为始于Freeze和Harlan于1969年写的一篇题为《一个具有物理基础的数值模拟的水文响应模型的蓝图》的文章。该文章提出了分布式水文物理模型的基本概念和框架。随后, Hewlet和Torenale在1975年提出了森林流域的变源面积模拟模型 (简称VSAS) 。在该模型中, 地下径流被分层模拟, 在坡面上的地表径流被分块模拟。此后, Englnan和Rogowski提出了一个能够明确说明径流参数空间变化的径流模拟方法, 方法中利用了局部产流面积的概念。即直接根据控制下渗的表层土壤的特性, 认为对径流有贡献的局部产流面积随着时间和空间而变化。产流面积的变化规律则取决于暴雨特性的时空变化和土壤下渗容量的空间分布。通过假设一个滞时参数, 利用运动波理论对产流面积上的径流进行演算。

1979年Bevenh和Kirbby提出了以变源产流为基础的TOPMODEL模型。该模型基于DEM推求地形指数, 并利用地形指数来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响, 模型的参数具有物理意义, 能用于无资料流域的产汇流计算。但TOPMODEL并未考虑降水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响, 因此, 它不是严格意义上的分布式水文模型。

1994年, Jef Amold为美国农业部 (USDA) 农业研发中心 (ARS) 开发了SWAT模型。SW AT模型是一个具有很强物理机制、长时段的流域水文模型。它能够利用GIS和RS提供的空间信息, 模拟复杂大流域中多种不同水文物理过程。模型可采用多种方法将流域离散化 (一般基于DEM) , 能够响应降水、蒸发等气候因素和下垫面因素的空间变化以及人类活动对流域水文循环的影响。

目前, 世界上有200多种流域水文模型, 其中比较著名的有:澳大利亚气象局模型 (C BM) , 法国海外科技研究办公室的模型 (Gira rdi) , 日本国家防灾研究中心的水箱模型 (T A N K-Ⅰ, T A N K-Ⅱ) , 罗马尼亚气象和水文所的洪水预报模型 (IMHZ-SSVP) 等。

目前具有代表性的可用于流域水资源管理的分布式水文模拟模型有TOPMODE L、S W A T、M O D F L O W、M i k e-S H E。由于分布式水文模型用数字高程模型来描述流域地形地貌, 因此, 通常也称基于数字高程模型的分布式水文模型。

分布式水文模型分为概念性、具有物理基础分布式水文模型。概念性分布式水文模型如美国的S A C模型、日本的T A N K模型等。具有物理基础的分布式水文模型可分为以动力学原理为主要基础和以水文学原理为主要基础两种情形。具有物理基础的分式水文模型, 如SHE模型, 水文学原理为主要基础的分布式水文模型, 如DBSIN模型。

3 国内水文模型的发展

国内分布式水文模型的研究起步较晚。20世纪90年代以来, 在国家自然科学基金的支持下, 我国一些学者进行了探索性的研究工作.尽管起步较晚, 但也取得了较大的进展。1995年, 沈小东等在研究降雨时空与下垫面自然地理参数空间分布的不均匀性对径流过程影响的基础上, 提出了一种在GIS支持下的动态分布降雨径流流域模型, 实现了基于栅格DEM的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟。1997年, 黄平等分析了国外一些具有物理基础的分布式属性模型的不足, 提出了流域三维动态水文数值模型的构想。

2000年, 黄平等建立了描述森林坡地饱和与非饱和带水流运动规律的二维分布式水文数学模型, 并用加辽金有限元数值方法求解模型;郭生练等建立了一个基于DEM的分布式流域水文物理模型, 用来模拟小流域的降雨径流时空变化过程。任立良和刘新仁数字高程模型 (D E M) 的基础上, 进行子流域集水单元勾画、河网生成、河网与子流域编码及河网结构拓扑关系建立, 然后在每一集水单元上建立数字产流模型, 再根据河网结构拓扑关系建立数字河网汇流模型 (马斯京根法) , 从而建成数字水文模型。2000年, 李兰等提出了一种分布式水文物理模型, 该模型由各小流域的产流模型、汇流模型、流域单宽入流和上游入流反演模型、河道洪水演进四大部分组成。该模型将数学物理的问题与洪水预报相结合, 分别给出了流域产流、河道汇流和水库洪水演算三个动态分布式预报祸合模型, 可用来计算参数、水文物理变量等随时间和空间分布变化的动态过程.该模型不仅可以用来分析流域内降水径流演变规律, 而且还可以进行洪水实时预报。同一年, 郭生练、熊立华等提出了一个基于DEM的分布式流域水文物理模型, 该模型详细描述了网格单元的截留、蒸散发、下渗、地表径流、地下径流等水文物理过程, 在每个网格上用地形高程来建立地表径流之间的关系。2001年, 郭生练、杨井等建立了基于GIS的分布式月水量平衡模型, 2002年, 张成才等进行了基于DEM模型的流域参数识别方法研究;俞鑫颖、刘新仁等建立了分布式冰雪融水雨水混合水文模型:夏军等将时变增益非线性水文系统 (TVGM) 和DEM结合, 开发了分布式时变增益水文模型。

摘要：本文基于笔者多年从事流域管理及研究的相关工作经验, 以流域水文模型的国内外发展现状为研究对象, 在参考国内外众多文献的基础上, 分析了当前水文模型的分类, 详细论述了国内外水文模型领域的发展概况, 探讨了未来的发展方向, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：流域,水文模型,分类,发展