水利工程論文-分布式水文模擬模型在流域水資源管理中的應(yīng)用.doc

水利工程論文-分布式水文模擬模型在流域水資源管理中的應(yīng)用摘要：旨在通過對國外比較流行的分布式流域水文模擬模型的介紹，對比分析各類模型的總體結(jié)構(gòu)、特點及適應(yīng)領(lǐng)域，結(jié)合在流域水資源管理中的應(yīng)用，為流域水資源管理部門及相關(guān)研究工作人員在進行流域水文模擬模型選用時提供參考。關(guān)鍵詞：水文模擬模型水資源管理流域1引言20世紀以來流域水資源問題日益突出，為了提高流域整體管理水平和科技水平，“數(shù)字流域”建設(shè)正在日益興起。國際上發(fā)達的國家在“數(shù)字流域”方面的研究和應(yīng)用起步較早，并已實際工程和管理中發(fā)揮了重要的作用，收到了巨大的效益。國內(nèi)也相繼開展了“數(shù)字黃河”、“數(shù)字長江”、“數(shù)字海河”等工程的建設(shè)。模型建設(shè)尤其是流域水文模型的建設(shè)是“數(shù)字流域”建設(shè)的核心內(nèi)容和基礎(chǔ)工作。隨著流域水文模擬建模的不斷發(fā)展，基于計算機的模擬模型已經(jīng)可以描述水循環(huán)的各個階段，如氣候和天氣、暴雨系統(tǒng)、降水、地面漫流、蒸散、暴雨地面漫流、地下水、河網(wǎng)匯流以及海灣與河口的潮汐等。早在20世紀50年代中期，伴隨系統(tǒng)理論的發(fā)展，科學家就開始把流域水文循環(huán)的各個環(huán)節(jié)作為一個整體來研究，并提出了“流域水文模型”的概念，隨即便涌現(xiàn)了SSARR模型（1958）和Stanford模型（1959）等模型，20世紀70年代至80年代中期又出現(xiàn)了新安江、Sacramento、Tank、HEC1、SCS、API等模型。從對流域水文過程描述的離散程度看，流域水文模型可分為集總模型（Lumpedmodel）和分布式模型（Distributedmodel）兩種。集總模型不考慮各部分流域特征參數(shù)在空間上的變化，把全流域作為一個整體；分布式模型則按流域各處地形、土壤、植被、土地利用和降水等的不同，將流域劃分為若干個水文模擬單元，在每一個單元上用一組參數(shù)反映該部分的流域特性。為了適應(yīng)氣候變化和人類活動影響下的流域水資源管理需求，分布式水文模型已成為流域水文模擬的重要發(fā)展趨勢，也已成為“數(shù)字流域”建設(shè)的基礎(chǔ)。流域水文模擬從模擬的側(cè)重點上可以劃分為降雨徑流模擬、地下水模擬、流域水循環(huán)綜合模擬。目前具有代表性的可用于流域水資源管理的分布式水文模擬模型有TOPMODEL、SWAT、ModFlow、FeFlow、Mike-SHE等，本文從流域水資源管理的角度出發(fā)，分別介紹上述模型的總體結(jié)構(gòu)、特點及適用領(lǐng)域等。2分布式降雨徑流模擬模型國外分布式水文模型的研究可以認為起始于1969年Freeze和Harlan發(fā)表的“一個具有物理基礎(chǔ)數(shù)值模擬的水文響應(yīng)模型的藍圖”的文章。隨后，Hewlett和Troenale在1975年提出了森林流域的變源面積模擬模型（簡稱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Beven和Kirbby提出了以變源產(chǎn)流為基礎(chǔ)的TopModel模型。1980年，英國的Morris進行了IHDM（InstituteofHydrologyDirstributedModel）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，一維明渠段以及二維（在垂面上）表層流及壤中流區(qū)域。Beven等（1987年）和Calver等（1988年，1995年）對IHDM模型進行了改進。1994年，Jeffnold為美國農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究中心（ARS）開發(fā)了SWAT模型。1995年，Grayson等提出了THALES模型，它是一個基于矢量高程數(shù)據(jù)的分布式參數(shù)模型。HuaXiaYao等（1998年，1999年，2001年），提出了基于網(wǎng)格的集降雨空間輸入估計，降雨蒸發(fā)徑流過程模擬，河流演算和空間參數(shù)校準為一體的分布式水文模型。DawenYang等（2000年，2002年）提出了基于山坡的和基于10km網(wǎng)格的大尺度分布式水文模型。此外，USGS模型（Dawdy等，1970年，1978）、WATFLOOD模型（Kouwen等，1993年，2000年）、SLURP模型（Kite1995年）和PRM模型（LeavesleyStannard1990年）等等都屬于分布式水文模型的范疇。最具有代表性的地表分布式水文模擬模型包括TopModel模型以及SWAT模型。2.1TOPMODEL模型1979年Beven和Kirbby提出了以變源產(chǎn)流為基礎(chǔ)的TopModel（TOPgraphybasedhydrologicalMODEL）模型。TOPMODEL以地形空間變化為主要結(jié)構(gòu)，基于DEM推求地形指數(shù)（Ln/tan），用地形指數(shù)ln(/tan)或土壤地形指數(shù)ln(/T0tan)）來反映下墊面的空間變化對流域水文循環(huán)過程的影響，描述水流趨勢。模型基于重力排水作用徑流沿坡向運動原理，模擬徑流產(chǎn)生的變動產(chǎn)流面積概念，尤其是模擬地表或地下飽和水源面積的變動。模型基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。TOPMODEL模型結(jié)構(gòu)和概念比簡單，優(yōu)選參數(shù)少，充分利用了容易獲取的地形資料，而且與觀測的物理水文過程有密切聯(lián)系。模型已被應(yīng)用到各個研究方面，并不斷發(fā)展、改進，反映了降雨徑流模擬的最新思想。但TopModel并未考慮降水、蒸發(fā)等因素的空間分布對流域產(chǎn)匯流的影響。此外，該模型在干旱半干旱地區(qū)水文模擬效率較低，需要用戶根據(jù)具體情況進行必要的修改。2.2SWAT模型1994年，JeffArnold為美國農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究中心（ARS）開發(fā)了SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)模型。SWAT是一個具有很強物理機制的、長時段的流域水文模型，在加拿大和北美寒區(qū)具有廣泛的應(yīng)用。它能夠利用GIS和RS提供的空間信息，模擬復雜大流域中多種不同的水文物理過程，包括水、沙和化學物質(zhì)的輸移與轉(zhuǎn)化過程。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活動對流域水文循環(huán)的影響。SWAT可以模擬流域內(nèi)多種不同的物理過程。由于流域下墊面和氣候因素具有時空變異性，為了便于模擬，SWAT模型將流域細分為若干個子流域。目前有三種劃分的方法：自然子流域（Subbasin）、山坡（Hillslop）和網(wǎng)格（Grid）等。SWAT將每個子流域的輸入信息歸為5類：氣候、水文響應(yīng)單元HRU、池塘（或濕地）、地下水和主河道（或河段）等。在結(jié)構(gòu)上，每個子流域至少包括：1個水文響應(yīng)單元HRU、1個支流河道（用于計算子流域匯流時間）、1個主河道（或河段）。而池塘（或濕地）為可選項。水文響應(yīng)單元則是包括子流域內(nèi)具有相同植被覆蓋、土壤類型和管理條件的陸面面積的集總。HRU之間不考慮交互作用。SWAT模型的結(jié)構(gòu)如圖2所示。SWAT模擬的流域水文過程被分為兩大部分：（1）陸面部分（即產(chǎn)流和坡面匯流部分）。它控制著每個流域內(nèi)主河道的水、沙、營養(yǎng)物質(zhì)和化學物質(zhì)等的輸入量；（2）水循環(huán)的水面部分（即河道匯流部分）。它決定水、沙等物質(zhì)從河網(wǎng)向流域出口的輸移運動。SWAT采用現(xiàn)代Windows界面，是一個模型和GIS的綜合型系統(tǒng)，它模擬了水和化學物質(zhì)從地表到地下含水層再到河網(wǎng)的運動過程，可以用于幾千平方英里的流域盆地的水質(zhì)水量模擬。它適用于具有不同的土壤類型、不同的土地利用方式和管理條件下的復雜大流域。主要用來預(yù)測人類活動對水、沙、農(nóng)業(yè)、化學物質(zhì)的長期影響。不適用于模擬具體的單一洪水過程。由于SWAT模型具有較強的物理基礎(chǔ)，能夠在缺乏資料的地區(qū)建模；具有輸入數(shù)據(jù)容易獲取、計算效率高等特點。3分布式地下水模擬模型常用的地下水文模擬模型包括解析模型、數(shù)值模型、水均衡模型及物理模型等。數(shù)值模擬模型以其精度高、物理意義明確，而逐漸成為地下水文模擬的重要發(fā)展趨勢。而數(shù)值模擬方法又分為有限差分法和有限單元法，其各有優(yōu)缺點。目前國際上較為流行的地下水數(shù)值模擬模型主要包括ModFlow和FeFlow，下面對其分別進行介紹和比較。3.1ModFlow模型美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的McDonald和Harbaugh于80年代開發(fā)出來的ModFlow(ModularThreedimensionalFiniteDifferenceGroundwaterFlowModel)是一套專門用于孔隙介質(zhì)中三維地下水流