流域水文模型研究进展

流域水文模型研究进展

姓名：杨柳 专业班级：水文学及水资源研1017班 学号：1008150845 摘要：流域水文模型是水文研究的重要工具之一。本文较全面、较系统地对其概念、分类和国内外研究进展情况进行了综述，并简要介绍了分布式流域水文模型。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，分布式流域水文模型，发展

Abstract: Hydrological model is an important tool for hydrological research. This more comprehensive, more systematic way of its concepts, classifications and research progress at home and abroad were reviewed, and briefly describes the distributed hydrological model. And it explored the future direction of development. I believe that it has important reference value and reference in peer-related work.

Keywords: river basin; hydrological model; distributed hydrological model; development

1前言

流域水文模型把流域总体看成是一个系统，输入为降雨等，输出为出流流量等。流域内的水文过程则是系统的状态，是根据水文概念推理计算出来的。随着全球性缺水问题日益严重，水污染、水资源分布不均衡等问题的日益突出，就要求人们不断加强水文学的定量化研究，而流域水文模型就是其中发展较为迅速的研究领域。它有助于我们在利用水资源、分配水资源中提供合理的、科学的依据。流域水文模型在进行水文规律的研究和解决生产实际问题中起着重要的作用。因此，掌握常见的流域水文模型是必要的。

20世纪以来流域水资源问题日益突出，为了提高流域整体管理水平和科技水平，“数字流域”的建设正在日益兴起。模型建设尤其是流域水文模型的建设是“数字流域”建设的核心内容和基础工作。数字水文模型就是构建在DTN/DEM基础之上的一种分布式水文模型，先由DEM建立数字高程水系模型，再与数字产流模型和数字汇流模型有机结合形成数字水文模型，其基本框架见图1。数字水文模型是一种有物理基础结构的包含大量信息的现代化模拟技术，流域所有下垫面(诸如流域分水线、子流域集水面积、水系、地形、植被、土壤)都是栅格型数字式的点阵，流域产流单元、汇流路径、水系是根据地形由计算机自动生成[1]。

2流域水文模型的概念及分类

水文现象是一种非常复杂的现象，它不仅受降雨特性的影响，还受流域下垫面、人类活动等因素的影响。因此，多年来水文学者一直在不断地探索和研究，以便揭示水文现象及其发展变化规律。但是，至今仍有许多问题尚未解决。在没

有完全弄清楚水文发展的规律之前，人们总是想通过建立模型对水文过程进行模拟（试验）。可见在对复杂的水文问题进行研究时，模型可认为是描述一种现象转化为另一现象的有效工具。

图1 数字水文模型的基本框架

Figure 1 The basic framework of digital hydrological model

水文模型包括模拟原型的某些物理性质的水文物理模型和用数学物理方法或系统理论描述原型各种变量之间关系的水文数学模型。

2.1水文物理模型

水文物理模型按建模技术可分为实体模型和比拟模型。

（1）实体模型：包括比例尺模型和单项因素试验模型。最简单和直观的是比尺模型。这类模型和一般水工模型类似，是以几何和力学的相似原理为基础的。

（2）比拟模型：以另一现象的物理性质比拟水文现象的物理性质，或者用某一种量来取代原型的性质，如根据渗流的达西定律与电流的欧姆定律之间的相似性进行比拟的电模拟模型。在径流形成过程的研究中，水文物理模型一般在实验室和试验场地进行，但受到试验条件的限制，发展上有一定的局限性。

2.2水文数学模型

水文数学模型也称水文模拟数学模型，即运用数学方法模拟水文现象的模型。特点是用数学方法定量来表达水文原型，并用计算机进行模拟计算。它又分为确定性模型和非确定性模型及混合模型。

（1）确定性模型：以水文现象的因果关系作为基础，应用有限的物理学规律描述水文过程来建立模型，其预测结果不存在不确定性。它又可分为：

①水动力学模型：采用水动力学方程及能量守恒定律等水力学方法对水文现象进行概化模拟。

②概念性模型：以水文现象的物理概念和机制为基础对水文过程进行模拟，具体而言，就是在流域结构内部，把水文现象的物理机制加以概化，用逻辑推理

方法，对概化后的水文现象进行数学模拟的一种方法。如把流域径流形成的各个环节（诸如降水、蒸发、下渗、地面径流、壤中流、地下径流以及调蓄和流量演进）分别用相应的数学物理方法描述，然后按各种环节在径流形成过程中的内在联系组合起来成为一个流域模型，我国的新安江模型、日本的水箱模型、美国的斯坦福模型等都属于此类。

③系统理论模型：与概念性模型观点相反，这种模型对流域内部的物理机制往往不能事先确定，而只能建立在“系统识别”过程的结局上面的一种方法。由于引入了“水文系统”的概念，系统的参数可能随时间和空间变化。就随时间变化而言，有线性与非线性，时变与时不变之组合，即某水文系统可能是线性时变、非线性时变及线性时不变、非线性时不变之分。就随空间变化而言，有集总系统模型和分布式系统模型。

（2）非确定性模型：它是以水文现象随机性的统计规律为基础进行水文模拟的模型。又有随机模型和纯随机模型之分。对于随机模型，在一组已知的不变条件下，每次产生的水文现象可能都必须是不同的，没有唯一的因果对应关系，只能作出概率预告。根据随机模型中的参数是否随时间变化和独立情况，又有时变独立、非时变独立、时变非独立和非时变非独立之分。

此外，确定性模型根据模型对流域的描述是空间集总式的还是分布式的描述，以及对水文过程是经验性描述、概念性描述还是完全物理描述，常形象地称为黑箱模型、灰箱模型和白箱模型。黑箱模型、灰箱模型和白箱模型分别代表确定性水文模型的不同发展阶段。黑箱模型只研究输入和输出间的关系，几乎不考虑输入变成输出的中间过程。如谢尔曼（Sherman,1932）单位线模型和纳希（Nash,1957）瞬时单位线模型；灰箱模型对输入变成输出的中间过程进行概念性描述，模型参数虽有一定物理意义，但难于直接推算，需要根据单元出口流量率定。如新安江模型、斯坦福模型等；白箱模型尽可能建立在人们对控制流域响应的水文过程的物理认识的基础上，由于流域的水文异质性，白箱模型必须对流域进行离散化,使得模型计算单元内的水文性质满足物理学的均一性要求。如欧洲的SHE/MIKESHE 模型、美国的SWMM模型和SWAT模型等。可见，白箱模型是空间分布式的物理模型，能够模拟整个径流过程,可以预测多个水文变量(如径流量、土壤含水量以及蒸散发等)的时空格局，是水文模型的发展方向[2]。 3国外水文模型的发展

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。

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