流域水文模型

姓名：XXX專業(yè)：水利工程學(xué)號(hào)：XXXXXXXXXXXX流域水文模型研究的若干進(jìn)展流域水文模型研究的若干進(jìn)展摘要:計(jì)算機(jī)技術(shù)和一些交叉學(xué)科的發(fā)展,給水文模擬的研究方法帶來了根本性的變化。文章闡述了分布式物理水文模型、地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感(RS)技術(shù)在流域模擬中的應(yīng)用等方面的進(jìn)展。指出分布式模型具有良好的發(fā)展前景，應(yīng)用GIS的水文模型盡管有諸多優(yōu)點(diǎn),但并不能代表模型本身的高質(zhì)量,遙感資料還沒有完全融入水文模型的結(jié)構(gòu)中，給直接應(yīng)用帶來較大的困難。提出立足于產(chǎn)匯流機(jī)理研究，建立基于RS和GIS的耦合水文模型是研究的趨勢(shì)，尺度問題仍然是關(guān)注的焦點(diǎn)。1引言用數(shù)學(xué)的方法去描述和模擬水文循環(huán)的過程，產(chǎn)生了水文模型的概念［1］，水文模型的產(chǎn)生是對(duì)水文循環(huán)規(guī)律研究的必然結(jié)果。水文模型在水資源開發(fā)利用、防洪減災(zāi)、水庫、道路、城市規(guī)劃、面源污染評(píng)價(jià)、人類活動(dòng)的流域響應(yīng)等諸多方面得到了廣泛的應(yīng)用，當(dāng)今的一些研究熱點(diǎn)，如生態(tài)環(huán)境需水、水資源可再生性等均需要水文模型的支持。流域水文模型是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和系統(tǒng)理論的發(fā)展中產(chǎn)生的，20世紀(jì)60、70年代是蓬勃發(fā)展的時(shí)期，涌現(xiàn)出了大量的流域水文模型,Stanford流域模型(SWM)、Sacramento模型、Tank模型、Boughton模型、前期降水指標(biāo)(API)模型、新安江模型等是這一時(shí)期的典型代表［2］。其后一段時(shí)期，相對(duì)處于緩慢的發(fā)展階段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和一些交叉學(xué)科的發(fā)展，流域水文模擬的研究方法也開始產(chǎn)生了根本性的變化。流域水文模型研究的突出趨勢(shì)主要反映在計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間技術(shù)、遙感技術(shù)等的應(yīng)用方面,分布式物理模型被廣泛提出，遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)在水文模擬中的應(yīng)用給傳統(tǒng)的研究方法帶來了創(chuàng)新。但由于受到技術(shù)等原因的制約，分布式模型目前的應(yīng)用還較困難，應(yīng)用GIS的水文模型盡管有諸多優(yōu)點(diǎn)，但并不能代表模型本身的高質(zhì)量，遙感資料還沒有完全融入水文模型的結(jié)構(gòu)中。分布式水文模型流域水文模型根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)有多種分類［3］，根據(jù)模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的物理完善性，目前常用的可分為概念性模型和分布式物理模型。概念性模型用概化的方法表達(dá)流域的水文過程，具有一定的物理基礎(chǔ)，也具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)性，模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。分布式物理模型的優(yōu)點(diǎn)是模型的參數(shù)具有明確的物理意義，可以通過連續(xù)方程和動(dòng)力方程求解，可以更準(zhǔn)確的描述水文過程，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。與概念性模型相比，分布式水文模型用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)物理方程表述水文循環(huán)的各子過程，參數(shù)和變量中充分考慮空間的變異性，并著重考慮不同單元間的水平聯(lián)系，對(duì)水量和能量過程均采用偏微分方程模擬。因此，在模擬土地利用、土地覆蓋、水土流失變化的水文響應(yīng)及面源污染、陸面過程、氣候變化影響評(píng)價(jià)等方面應(yīng)用顯出優(yōu)勢(shì)。參數(shù)一般不需要通過實(shí)測(cè)水文資料來率定，解決了參數(shù)間的不獨(dú)立性和不確定性問題，便于在無實(shí)測(cè)水文資料的地區(qū)推廣應(yīng)用。自1969年Freeze和Harlan［4］第一次提出了關(guān)于分布式物理模型的概念，分布式模型開始得到快速發(fā)展。三個(gè)歐洲機(jī)構(gòu)提出的SHE模型［5］是最早的分布式水文模型的代表。SHE模型考慮了截留、下滲、土壤蓄水量、蒸散發(fā)、地表徑流、壤中流、地下徑流、融雪徑流等水文過程。流域參數(shù)、降雨及水文響應(yīng)的空間分布垂直方向用層表示，水平方向用方形網(wǎng)格表示。該模型的主要水文過程可由質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒偏微分方程的有限差分表示，也可由經(jīng)驗(yàn)方程表示。模型有18個(gè)參數(shù)，部分具有物理意義，可由流域特征確定。它的物理基礎(chǔ)和計(jì)算的靈活性使它適用于多種資料條件，在歐洲和其它地區(qū)得到了應(yīng)用和驗(yàn)證［6］。這期間還有一些考慮流域空間特性、輸入、輸出空間變化的分布式物理模型，如，CEQUEAU模型［7］,將流域分為方形網(wǎng)格，輸入所有網(wǎng)格的地形、地貌、雨量等特征對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，在水質(zhì)模擬、防洪、水庫設(shè)計(jì)等諸多方面有適用性；Susa流域模型［8］強(qiáng)調(diào)地表水和地下水的合成,除可模擬徑流外,還可以用于預(yù)測(cè)土地利用的水文效應(yīng);還有一些SHE模型的不同版本及IHDM模型［9］等。國(guó)內(nèi)這方面的研究開展較晚但也進(jìn)行了有益的探索和研究。李蘭等［10,11］提出了一種分布式水文模型,模型包括各小流域產(chǎn)流、匯流、流域單寬入流和上游入流反演、河道洪水演進(jìn)四個(gè)部分。水源分坡面流、壤中流和地下徑流,考慮了產(chǎn)流隨空間和時(shí)間變化的分布特征,能計(jì)算產(chǎn)流的多種徑流成分的物理過程。將數(shù)學(xué)物理反問題與洪水預(yù)報(bào)結(jié)合,給出了流域產(chǎn)流、河道匯流、水庫洪水演進(jìn)三個(gè)動(dòng)態(tài)分布預(yù)報(bào)耦合模型,不僅可以用于分析降水徑流規(guī)律,還可以用于洪水預(yù)報(bào)。該模型在豐滿、龍河口和陸渾等水庫流域得到應(yīng)用［12］;張建云等［13］建立了參數(shù)網(wǎng)格化的分布式月徑流模型,并應(yīng)用模型進(jìn)行了華北、江淮流域的水資源動(dòng)態(tài)模擬評(píng)估。郭生練等［14］提出了一個(gè)基于DEM(DigitalElevationModel)的分布式流域水文物理模型，該模型將流域劃分為網(wǎng)格單元，詳細(xì)描述了網(wǎng)格單元的截留、蒸散發(fā)、下滲、地表徑流、地下徑流、融雪等水文物理過程,在每一個(gè)網(wǎng)格上用地形高程來建立地表徑流之間的關(guān)系。模型的結(jié)構(gòu)中，植物截留過程引入了描述植物截留能力的物理參數(shù)-植物蓄積容量;流域的蒸散發(fā)主要考慮了太陽輻射、日云量、反射率、植物葉面指數(shù)、可供土壤水、大氣溫度等因素;用一維圣維南方程的運(yùn)動(dòng)波近似法模擬坡面水流運(yùn)動(dòng)，用運(yùn)動(dòng)波模型模擬地下徑流。不同網(wǎng)格單元之間水流流向的確定是模型的關(guān)鍵，該模型采用多流向法確定從較高單元到相鄰的較低單元的流量，數(shù)學(xué)公式為:fjfi=spjfi/工spjfi(l)其中sjfi=(zj-zi)/［(xj-xi)2+(yj-yi)2］l/2(2)式中fjfi表示從j單元分配給i單元的流量部分;sjfi表示從j單元到i單元的方向坡度;p是無量綱常數(shù);z為地面高程;x、y為單元的平面直角坐標(biāo)。將式(2)高程用土壤水水頭表示來計(jì)算地下徑流的流量分配。模型作者應(yīng)用美國(guó)緬因州BBMW流域驗(yàn)證模型的結(jié)構(gòu)和精度［15］,將流域劃分為30mX30m的網(wǎng)格單元，選用了五場(chǎng)洪水。模型僅優(yōu)化調(diào)整了一個(gè)參數(shù)，即下滲能力校正系數(shù),其它參數(shù)均可從基礎(chǔ)資料中分析求得。計(jì)算得出,模型的效率系數(shù)平均值為85.2%，水量守恒指數(shù)平均值為0.98，與新安江模型的計(jì)算結(jié)果相比(分別為83.48%、1.10)，精度略高。GIS在水文模型中的應(yīng)用GIS是運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供對(duì)規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的技術(shù)系統(tǒng)［16］。近年來,GIS在水文模擬中得到了廣泛的應(yīng)用。借助于GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)分析處理功能,水文模型的研究手段得到了根本性的轉(zhuǎn)變。GIS不僅可以管理空間數(shù)據(jù)，用于模型的輸入、輸出，而且還可以將水文模塊植入GIS系統(tǒng)，用戶只需要根據(jù)GIS開發(fā)的界面操作,不需要涉及水文模型的本身。就目前的研究及應(yīng)用看,GIS與水文模型的結(jié)合主要表現(xiàn)為三種方式,即GIS軟件中嵌入水文分析模塊、水文模型軟件中嵌入部分GIS工具(松散型結(jié)合)及相互耦合嵌套的形式(緊密型結(jié)合)。水文陸面模擬中,地形是十分關(guān)鍵的因素,GIS用于水文模擬，可以用來獲取、操作、顯示這些與模型有關(guān)的空間數(shù)據(jù)和所得的成果,使模型進(jìn)一步細(xì)化,從而深入認(rèn)識(shí)水文現(xiàn)象的物理本質(zhì)［17］。當(dāng)今以數(shù)字地形模型(DTM)、數(shù)字高程模型(DEM)存儲(chǔ)的地形信息，為流域水系信息參數(shù)的自動(dòng)化提取提供了可能［18］。通過GIS可以提取流域的基本特征，包括下墊面特征、水系、河網(wǎng)等，并可以依據(jù)河網(wǎng)等級(jí)對(duì)流域進(jìn)行任意的子流域的劃分或者進(jìn)行網(wǎng)格化劃分,不僅可以與傳統(tǒng)的概念性流域水文模型相結(jié)合,管理提供基本的數(shù)據(jù)信息,并實(shí)現(xiàn)輸入輸出功能,更重要的是為分布式的水文物理模型研制提供了平臺(tái)。由GIS可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的可視化結(jié)合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,并可以減少模型輸入時(shí)的數(shù)據(jù)誤差oGIS在流域水文模擬中得到廣泛的應(yīng)用，出現(xiàn)了許多商業(yè)化的集成軟件和專業(yè)軟件。如ESRI提供的Hydro模塊,可以在Arc/info、Arcview中直接調(diào)用；RSI提供的RiverTools,目前發(fā)展到2.4版本，它的一個(gè)特點(diǎn)是可以處理很大的DEM數(shù)據(jù);Garbrechtj,MartzW.的TOPAZ工具等，這些工具在流域地形處理方面功能非常強(qiáng)大。還有一些基于GIS的專業(yè)水文處理軟件,如WMS(WatershedModelingSystem)模型系統(tǒng),它是美國(guó)BrighamYoung大學(xué)環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室(EMRL)開發(fā)的專業(yè)水文模擬處理軟件,提供水文模擬全過程的工具。包括流域、子流域的自動(dòng)生成、幾何參數(shù)的計(jì)算、水文參數(shù)(如匯流時(shí)間、降雨深等)的計(jì)算等，并能實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的可視化。WMS可以使用矢量地圖、DEM、TIN等格式的數(shù)據(jù)來進(jìn)行地形分析和水文模擬。嵌入了多種傳統(tǒng)的概念性水文模型包括HECT、NFF、TR-20、TR-55、RationalMethod、HSPF等，根據(jù)自動(dòng)提取的流域參數(shù)進(jìn)行水文模擬，可以用于洪水預(yù)報(bào)、水庫設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃等。以地形空間變化為主要結(jié)構(gòu),用地形信息模擬水文響應(yīng)的TOPMODEL概念提出后，國(guó)外已有多方面的研究應(yīng)用［19］，國(guó)內(nèi)也有較多的應(yīng)用和研究報(bào)道。如，郭方等［20］將TOP-MODEL應(yīng)用在淮河流域史河水系。任立良等［21,22］建立了基于DEM的數(shù)字流域水文模型，該模型的基本結(jié)構(gòu)是:在流域柵格DEM數(shù)據(jù)上,應(yīng)用數(shù)字高程流域水系模型(DEDNM)［23］的原理和方法自動(dòng)提取流域水系,構(gòu)建數(shù)字流域，主要過程包括凹陷區(qū)的識(shí)別處理、平坦部位水流流向設(shè)定、子流域集水單元勾劃、河網(wǎng)生成、河網(wǎng)與子流域編碼及河網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的建立;然后對(duì)生成的每一集水子流域應(yīng)用新安江模型建立產(chǎn)流模型，再根據(jù)河網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系，采用分段馬斯京根法，建立數(shù)字河網(wǎng)匯流模型，構(gòu)成了數(shù)字水文模型，并在淮河史灌河流域進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用研究，計(jì)算的黃泥莊站時(shí)流量過程和蔣集站日流量過程均能與實(shí)測(cè)過程較好的擬合。遙感水文模型遙感(RS)技術(shù)是20世紀(jì)60年代以來發(fā)展起來的新興邊緣學(xué)科，是一門先進(jìn)的、實(shí)用的探測(cè)技術(shù)［24］。在水循環(huán)領(lǐng)域，作為一種信息源，遙感技術(shù)可以提供土壤、植被、地質(zhì)、地貌、地形、土地利用和水系水體等許多有關(guān)下墊面條件的信息，也可以獲取降雨的空間變化特征、估算區(qū)域蒸發(fā)、監(jiān)測(cè)土壤水分等，這些信息是確定產(chǎn)匯流特性和模型參數(shù)所必需的。流域水文模擬的結(jié)果很大程度上依賴于輸入數(shù)據(jù)，而往往由于缺乏足夠的、合適的數(shù)據(jù)而不能很好的描述水文過程，并且只有獲得詳細(xì)的地形、地質(zhì)、土壤、植被和氣候資料，對(duì)大范圍流域氣候變化和土地利用產(chǎn)生的水文影響研究才有可能。通過遙感技術(shù)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)資料的不足，在無常規(guī)資料地區(qū)可能是唯一的數(shù)據(jù)源，大大豐富了水文模型的數(shù)據(jù)源。和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集方法相比，遙感技術(shù)獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)主要有:面狀數(shù)據(jù)，無需要再進(jìn)行點(diǎn)面的轉(zhuǎn)化;直接獲取或經(jīng)轉(zhuǎn)換后為數(shù)字化形式，便于應(yīng)用;可提供相對(duì)高分辨率的時(shí)間和空間信息;可獲取偏僻的無人可及的區(qū)域資料。就目前的研究情況，劉昌明等［25］將應(yīng)用遙感信息的水文模型粗略的分成三類:第一類是遙感信息和地面同步實(shí)測(cè)資料的回歸模型;第二類是將遙感信息作為水文模型中參數(shù)的輸入與估計(jì)或者是調(diào)整水文模型結(jié)構(gòu)后與具有空間特征的遙感資料相耦合的遙感水文模型;第三類是應(yīng)用遙感資料的水量平衡模型。國(guó)外早期的研究主要是利用遙感資料提取流域地物信息、估算水文模型的參數(shù)等，如進(jìn)行土壤分類、應(yīng)用一些經(jīng)驗(yàn)性的模型估算融雪徑流、估算損失參數(shù)等，后期注意適應(yīng)遙感信息的模型結(jié)構(gòu)的改造和設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)也有這方面的應(yīng)用嘗試，主要集中在運(yùn)用遙感資料獲取流域水文模型的輸入和率定有關(guān)的參數(shù)方面。如王燕生［26］利用陸地衛(wèi)星影像獲取流域的下墊面資料，將流域按植被和土壤、土地利用分區(qū)，并應(yīng)用氣象雷達(dá)探測(cè)雨區(qū)及相應(yīng)的面雨量，采用USDAHL水文模型，進(jìn)行了少冷河的洪水預(yù)報(bào)研究;魏文秋等［27］通過改進(jìn)SCS模型并應(yīng)用遙感資料確定模型的土地利用和土壤類型，以安徽城西徑流試驗(yàn)站進(jìn)行了實(shí)例研究，結(jié)果表明產(chǎn)流模擬的精度是滿意的;徐雨清等［28］應(yīng)用GIS與RS技術(shù)研究了黃土高原半干旱地區(qū)降雨徑流關(guān)系問題，應(yīng)用GIS提取流域邊界、水道、地形和下墊面特征,應(yīng)用衛(wèi)星遙感(NOAAAVHRR衛(wèi)星數(shù)據(jù))獲取植被和土地利用狀況，建立了流域多年平均徑流量與降雨量、植被等因素的關(guān)系模型。結(jié)論(1)水文模型是在研究水文現(xiàn)象和水文規(guī)律中產(chǎn)生的,并在不斷的發(fā)展和完善。目前廣泛使用的絕大多數(shù)仍為概念性的水文模型,既具有一定的物理基礎(chǔ),又有良好的適用性,在水文模擬中發(fā)揮了巨大的作用,但在越來越受水文界關(guān)注的尺度問題、生態(tài)水文過程、人類活動(dòng)及氣候變化的水文響應(yīng)等熱點(diǎn)問題上缺乏有力的解決方案,有待進(jìn)一步的發(fā)展和完善;分布式物理水文模型有堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ),且具有反映流域響應(yīng)的空間特征等諸多優(yōu)點(diǎn),但目前存在資料輸入、參數(shù)的尺度、能否反映產(chǎn)匯流機(jī)理及模型本身的算法等問題,雖然目前的技術(shù)水平還不足以解決諸多的問題,在實(shí)用上受到較大的限制,但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)及其它交叉學(xué)科的發(fā)展,分布式水文模型的發(fā)展前景光明,是研究的趨勢(shì);應(yīng)用中對(duì)水文模型的選擇,應(yīng)該首先取決于要解決的問題和地區(qū)的實(shí)際資料情況,并是越復(fù)雜的模型越能得出精確的結(jié)果,有時(shí)候經(jīng)驗(yàn)性的簡(jiǎn)單模型可能更能取得好的模擬效果。GIS和RS在水文循環(huán)領(lǐng)域的應(yīng)用給水文模型的研究思路和技術(shù)方法帶來了創(chuàng)新和革命，就目前的研究看，商業(yè)化軟件的開發(fā)是一種趨勢(shì)。應(yīng)用GIS的水文模擬軟件具有友好的人機(jī)交互功能,操作簡(jiǎn)單方便,包裝漂亮,使用中不需要涉及水文模型的本身,很方便于實(shí)際的應(yīng)用。但是，這些優(yōu)點(diǎn)并不能表示模型本身的高質(zhì)量，水文現(xiàn)象的復(fù)雜性決定了水文模型很難通用，這些模型不一定較好的反映了應(yīng)用地區(qū)的產(chǎn)匯流特征，在不同的地區(qū)可能很難取得理想的模擬結(jié)果。而通常對(duì)模型的本身進(jìn)行改進(jìn)是非常困難的，因?yàn)椴粌H涉及到復(fù)雜的水文學(xué)知識(shí)，關(guān)鍵還是因?yàn)樯婕暗杰浖到y(tǒng)的原代碼問題，對(duì)用戶而言這些代碼通常是不公開的。遙感的影像解譯也有專門的軟件，但是遙感資料還沒有完全融入水文模型的結(jié)構(gòu)中，直接應(yīng)用還有很大的困難，不斷出現(xiàn)新的衛(wèi)星系統(tǒng)的水文循環(huán)數(shù)據(jù)也需要新的模型來分析和處理，因此，立足于產(chǎn)匯流機(jī)理研究，運(yùn)用新的技術(shù)方法，不斷改進(jìn)水文模型結(jié)構(gòu)和水文模型創(chuàng)新十分必要。建立基于GIS、RS的耦合水文模型有著廣闊的發(fā)展前景。RS是GIS的重要的數(shù)據(jù)來源,GIS是處理應(yīng)用RS數(shù)據(jù)的重要工具oGIS與RS的處理軟件一般是相互獨(dú)立的，數(shù)據(jù)的格式往往需要經(jīng)過處理后才能匹配，首先就需要對(duì)GIS和RS之間的信息進(jìn)行復(fù)合處理，包括格式、坐標(biāo)、投影、比例尺等，這些數(shù)據(jù)源是確定水文模型的核心-產(chǎn)匯流基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，并為模型的進(jìn)一步網(wǎng)格化和單元化提供支持;其次還需要與傳統(tǒng)的地面資料匹配復(fù)合，涉及到單元的劃分、時(shí)間尺度的統(tǒng)一等，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的資料是驗(yàn)證模型的唯一途徑，充分利用常規(guī)資料對(duì)保證模型的精度有著重要的作用;最后，需要與傳統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)的耦合，也就是模型的結(jié)構(gòu)既要考慮反映區(qū)域的產(chǎn)匯流機(jī)制，又要考慮如何融入豐富的數(shù)據(jù)源，并使數(shù)據(jù)源與模型在尺度及參數(shù)結(jié)構(gòu)上匹配，獲取數(shù)據(jù)的支持。這樣能夠極大的豐富建模信息，更好的反映產(chǎn)匯流特征。通過GIS、RS與水文模型的集成，建立結(jié)構(gòu)上匹配、機(jī)制上合理的耦合模型。圖1是耦合模型的示意圖，核心就是將GIS、RS的數(shù)據(jù)源與傳統(tǒng)水文模型的結(jié)構(gòu)相匹配，并運(yùn)用GIS的功能模塊經(jīng)二次開發(fā)后實(shí)現(xiàn)模型的運(yùn)行及輸入輸出。參考文獻(xiàn):[1]趙人俊.流域水文模擬——新安江模型與陜北模型[M].水利電力出版社，北京,1984.[2]SinghVP.水文系統(tǒng)流域模擬[M].趙衛(wèi)民等譯.鄭州：黃河水利出版社,2000.[3]袁作新.流域水文模型[M].北京：水利電力出版社,1990.[4]FreezeRA，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