國(guó)內(nèi)流域產(chǎn)匯流研究與應(yīng)用綜述

國(guó)內(nèi)流域產(chǎn)匯流研究與應(yīng)用綜述

1b產(chǎn)匯流模型結(jié)構(gòu)的確定問(wèn)題流域生產(chǎn)流模型是流域水文模型的一部分。流域水文模型的任務(wù)總是根據(jù)輸入信息來(lái)推斷輸出的。流域產(chǎn)匯流研究的核心內(nèi)容就是回答流域降水(這里主要考慮降雨形式)后,在流域下墊面的作用下,在所考慮的流域上水的分配形式和運(yùn)動(dòng)狀態(tài),以及在流域內(nèi)和在流域的邊界上隨時(shí)間和空間的分配形式和運(yùn)動(dòng)變化狀態(tài)。從工程實(shí)用的角度來(lái)看,就是預(yù)報(bào)地表、壤中、地下產(chǎn)流量的多少和它們各自的匯流運(yùn)動(dòng)狀況。流域產(chǎn)匯流模型的研制,需要解決三個(gè)問(wèn)題:(1)確定模型的總體結(jié)構(gòu);(2)確定模型的微結(jié)構(gòu),即產(chǎn)匯流各個(gè)環(huán)節(jié)過(guò)程中的基本結(jié)構(gòu);(3)確定模型中所含參數(shù)及參數(shù)的估算方法。它包含水量平衡和流域調(diào)蓄兩部分。一個(gè)較好的產(chǎn)匯流模型應(yīng)當(dāng)能夠較好地處理下述問(wèn)題:降雨不均勻、徑流來(lái)源不同、調(diào)蓄作用不同、區(qū)間來(lái)水、非線性變化等。對(duì)于一個(gè)確定的流域而言,常把降雨徑流形成過(guò)程歸結(jié)為產(chǎn)流和匯流兩個(gè)過(guò)程。前者是指由次洪降雨量預(yù)報(bào)所形成的產(chǎn)流量(凈雨量),又稱為扣損計(jì)算;后者將產(chǎn)流量演變?yōu)槌隹跀嗝娴牧髁窟^(guò)程。如果不計(jì)河槽匯流過(guò)程中的損失量,降雨損失耗于地面儲(chǔ)蓄(植物截流、地面填洼、雨期蒸發(fā)等)及下滲。地面儲(chǔ)蓄的量一般不是很大,需要根據(jù)自然地理?xiàng)l件等作具體分析。在水文模型中,系統(tǒng)輸入一般為降雨、融雪、水質(zhì)、泥沙過(guò)程以及流域的蒸散發(fā)能力。系統(tǒng)的輸出是流域出口斷面的流量過(guò)程和流域?qū)嶋H蒸散發(fā)。在水文過(guò)程模擬中,對(duì)流域內(nèi)的產(chǎn)流,坡面匯流以及河道匯流過(guò)程的模擬是很重要的。坡面產(chǎn)匯流模型模擬從降水到流域產(chǎn)流和流域坡面匯流的水文子過(guò)程;河道演進(jìn)模型模擬河網(wǎng)匯流水文子過(guò)程。國(guó)內(nèi)流域產(chǎn)匯流的研究,先從20世紀(jì)50年代學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)開(kāi)始,到70年代趙人俊提出新安江和陜北模型,接著對(duì)引進(jìn)的國(guó)外各種模型如水箱(Tank)模型、Stanford模型等的研究、應(yīng)用和教學(xué)普及[2~,及至現(xiàn)在中國(guó)學(xué)者在水文研究方面對(duì)國(guó)際所做的貢獻(xiàn)。本文先分析產(chǎn)匯流研究要考慮的問(wèn)題,然后詳細(xì)分析產(chǎn)流研究的進(jìn)展,進(jìn)而論述匯流模型中重點(diǎn)需要考慮的問(wèn)題,對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的產(chǎn)匯流模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,重點(diǎn)探討模型在工程實(shí)際應(yīng)用中所存在的問(wèn)題及可能的改進(jìn)措施。最后應(yīng)用系統(tǒng)論和反問(wèn)題對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納和分析總結(jié)。2流域水文模型水文分析常用的方法大致分為:物理分析途徑;系統(tǒng)分析途徑—廣泛使用的是線性系統(tǒng)分析方法,也使用非線性匯流計(jì)算;隨機(jī)水文學(xué)。流域水文模型按照建模的技術(shù),分為水文物理模型和水文數(shù)學(xué)模型,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(guò)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(guò)連續(xù)方程和動(dòng)力學(xué)方程求解,可以更準(zhǔn)確地描述水文過(guò)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(guò)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聯(lián)系,對(duì)水量和能量過(guò)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(guò)程、氣候變化影響評(píng)價(jià)等方面的應(yīng)用中顯示出優(yōu)勢(shì)。參數(shù)一般不需要通過(guò)實(shí)測(cè)水文資料來(lái)率定,解決了參數(shù)間的不獨(dú)立性和不確定性問(wèn)題,便于在無(wú)實(shí)測(cè)水文資料的地區(qū)推廣應(yīng)用。水文數(shù)學(xué)模型常用的除了前面介紹的概念性模型之外,還有黑箱子模型。后者又可分為隨機(jī)性模型和確定性模型,對(duì)于確定性模型,又可分為集總式和分布式兩種。流域水文模型必須很好解決的問(wèn)題有:(1)土壤入滲問(wèn)題。主要應(yīng)用的有1911年的Green-Ampt公式,1940年Horton指數(shù)方程,1948年Menenoev提出的兩項(xiàng)指數(shù)方程,1957年P(guān)hilip提出的兩項(xiàng)入滲方程,1961年Horton提出的土壤儲(chǔ)水量為函數(shù)的方程,1978年Smith和帕蘭格(Parlange)提出的降雨入滲方程。對(duì)于Green-Ampt公式,Philip于1953年給予了仔細(xì)的研究,此后又有許多學(xué)者研究公式中各個(gè)物理參數(shù)的求法。(2)土壤水分運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)的研究。主要包括土壤非飽和導(dǎo)水率k(θ),土壤非飽和擴(kuò)散率D(θ),比水容量C(θ),土壤飽和導(dǎo)水率,土壤水分特征曲線。(3)蒸散發(fā)的研究主要集中于兩方面:蒸散發(fā)的測(cè)定和蒸散發(fā)的理論與計(jì)算問(wèn)題。蒸散發(fā)的測(cè)定主要是使用蒸發(fā)皿,歷史上曾參考前蘇聯(lián)的Г601蒸發(fā)皿的結(jié)果。蒸散發(fā)的理論與計(jì)算主要有:水量平衡法,能量平衡法,紊流擴(kuò)散法,模式綜合法,經(jīng)驗(yàn)法等。(4)各種條件下水量平衡的計(jì)算研究。農(nóng)作物在各種微氣象條件下的水量平衡的計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜和困難的問(wèn)題,這是水文學(xué)和農(nóng)業(yè)氣象學(xué)共同研究的問(wèn)題。(5)模型參數(shù)率定和擬合方法研究。主要有圖解顯示法,相關(guān)分析法,目標(biāo)最佳擬合法。最后使用試錯(cuò)法、自動(dòng)化優(yōu)選法、計(jì)算機(jī)聯(lián)合優(yōu)選法、最小二乘法等對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。在濕潤(rùn)的植被地區(qū),坡面流是飽和坡面流,并且可以把飽和面積看成是永久性河道系統(tǒng)向蓄水容量較小地區(qū)的伸延。從坡頂?shù)狡履_,水深與流量不斷增加,大體上水深的增量與流量增量的2/3次方成正比。這些均成為分布式水文模型的基礎(chǔ)。概念性坡面匯流模型和地貌瞬時(shí)單位線理論是研究流域匯流傳統(tǒng)上最常用的兩條不同途徑。而坡面匯流計(jì)算有兩種方法:一為單位線,是黑箱子性質(zhì);另一種是等流時(shí)線,是概化推理性質(zhì)。關(guān)于寒冷地區(qū)的產(chǎn)匯流研究要考慮相應(yīng)的特殊的水文氣象條件。3蓄滿產(chǎn)流的產(chǎn)流模式流域產(chǎn)流是指降雨轉(zhuǎn)化為徑流時(shí)各種徑流成分的生成過(guò)程,主要取決于非飽和帶地下水運(yùn)動(dòng)的機(jī)理、特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。自然界包氣帶結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和降雨特性時(shí)空分布的多樣性導(dǎo)致了其在產(chǎn)流過(guò)程中一般要涉及到一種以上產(chǎn)流機(jī)制。對(duì)特定的包氣帶結(jié)構(gòu)和降雨特性可能出現(xiàn)的產(chǎn)流機(jī)制的組合稱為產(chǎn)流模式。因此,一種產(chǎn)流模式將包含一種或一種以上徑流成分。分析各種徑流成分的產(chǎn)流機(jī)制發(fā)現(xiàn),任何一種徑流成分都是在兩種不同透水性介質(zhì)的界面上產(chǎn)生的,而且上層介質(zhì)的透水性必須好于下層介質(zhì)的透水性。徑流量的大小取決于該下滲面的供水強(qiáng)度與下滲能力的對(duì)比關(guān)系,是質(zhì)量守恒的具體體現(xiàn)。各種不同徑流成分的產(chǎn)流機(jī)制可以用界面產(chǎn)流的篩子作用來(lái)統(tǒng)一解釋。超滲地面徑流產(chǎn)生、地下水徑流產(chǎn)生、壤中徑流產(chǎn)生、飽和地面徑流產(chǎn)生都可由此解釋。自然界各種產(chǎn)流模式可進(jìn)一步概括為兩類基本產(chǎn)流模式:總徑流量受到降雨強(qiáng)度影響的超滲產(chǎn)流模式和總徑流量不受降雨強(qiáng)度影響的蓄滿產(chǎn)流模式。它們顯然只是針對(duì)降雨產(chǎn)生的包括若干徑流成分的總徑流量而言的。按照上述敘述,對(duì)自然界不同的包氣帶結(jié)構(gòu)和降雨特性,如果以次降雨量-總徑流量關(guān)系的形式作為分類的標(biāo)準(zhǔn),則降雨產(chǎn)流可歸納為3種情況:(1)如果一次降雨只有超滲地面徑流產(chǎn)生,則次降雨量-總徑流量關(guān)系為;(2)如果一次降雨的總徑流包含地下水徑流,則次降雨量-總徑流量關(guān)系為;(3)如果一次降雨的總徑流有壤中流而無(wú)地下水徑流,則次降雨量-總徑流量關(guān)系為:式中,R為徑流量,P為降雨量,i為降雨強(qiáng)度,E為蒸散發(fā)量,W為土壤含水量。自然界可能出現(xiàn)的產(chǎn)流模式共9種:①總徑流只包括超滲地面徑流;②總徑流由超滲地面徑流和壤中水徑流組成;③總徑流由飽和地面徑流和壤中水徑流組成;④總徑流由超滲地面徑流和地下水徑流組成;⑤總徑流由壤中水徑流和地下水徑流組成;⑥總徑流只包括壤中水徑流;⑦總徑流由超滲地面徑流、壤中水徑流和地下水徑流組成;⑧總徑流由飽和地面徑流、壤中水徑流和地下水徑流組成;⑨總徑流僅包括地下水徑流。這9種產(chǎn)流模式在自然界都是可以實(shí)際觀察到的。流域產(chǎn)流面積的變化顯然取決于降雨特性和下墊面特性空間分布的不均勻性及其組合關(guān)系。這里涉及的降雨特性主要是降雨量和降雨強(qiáng)度,涉及的下墊面特性主要是包氣帶厚度、土質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)和初始土壤含水量等。為分析蓄滿產(chǎn)流的產(chǎn)流面積變化問(wèn)題,可引進(jìn)流域蓄水容量分配曲線。該曲線是一條單增曲線,對(duì)一個(gè)流域它是唯一的。根據(jù)蓄滿產(chǎn)流條件,就可以在流域蓄水容量分配曲線上求得其產(chǎn)流面積變化過(guò)程。為分析超滲產(chǎn)流的產(chǎn)流面積變化可引進(jìn)流域下滲容量分配曲線。該曲線對(duì)一個(gè)流域不是唯一的,而是以流域蓄水容量為參變量的一組曲線。根據(jù)超滲產(chǎn)流條件,就可以在流域下滲容量分配曲線上求得其產(chǎn)流面積變化過(guò)程。目前用于實(shí)際作業(yè)的產(chǎn)流預(yù)報(bào)方法主要有降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法,下滲曲線法,流域水文模型法主要有:(1)新安江模型;(2)水箱模型;(3)薩克拉門(mén)托模型;(4)HEC模型;(5)包夫頓模型;(6)第Ⅳ號(hào)斯坦福模型;(7)API連續(xù)演算水文模型等。目前,世界上有大約200多種水文模型。國(guó)內(nèi)眾多人分析比較了常用流域水文模型中的新安江模型、水箱模型和薩克拉門(mén)托模型的蒸發(fā)、下滲、產(chǎn)流機(jī)制,并剖析了模型中存在的問(wèn)題。現(xiàn)在使用的模型中,無(wú)論是流域蓄水容量分配曲線或者是流域下滲容量分配曲線,本質(zhì)上都是由于土壤特性的空間分布不均勻性,即空間變異造成的。顯然,上述流域蓄水容量分配曲線和流域下滲容量分配曲線并不能指明流域中具體位置的包氣帶田間持水量和地面下滲能力。因此,它們不能在降雨空間分布不均勻情況下使用,現(xiàn)行采用按雨量站權(quán)重計(jì)算流域產(chǎn)流量的方法只能在一定程度上彌補(bǔ)這一不足。4概念性流域匯流理論傳統(tǒng)概念性流域匯流模型中有如下問(wèn)題:(1)流域單元?jiǎng)澐謫?wèn)題。因劃分的方法和標(biāo)準(zhǔn)缺少客觀性,使得單元的劃分不唯一。目前常用的是由Wood等在1988年推薦的一種將流域離散成典型單元面積(representativeelementalareas,REA)法;水文響應(yīng)單元方法(hydrologicalresponseunit,HRU)———流域被劃分為具有相似水文特性的區(qū)域,如相同的土地覆蓋、坡度坡向等;按雨量站控制面積劃分;按流域內(nèi)自然分水線劃分;按有限差分法矩形網(wǎng)格劃分;按有限單元法剖分單元?jiǎng)澐?。?dāng)離散單元小至一定程度,單元內(nèi)水文特征可看作均一的,然后按線性關(guān)系進(jìn)行迭加。(2)坡面匯流問(wèn)題。大多數(shù)的概念性流域匯流模型中只考慮了河網(wǎng)匯流,沒(méi)有考慮坡面匯流。因坡面匯流速度極小,即使坡面流程很短,其匯流時(shí)間仍將很長(zhǎng)。所以,流域的坡面調(diào)蓄作用不可忽視。這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生了概念性流域匯流模型中的概念性元素的推移和坦化作用。(3)匯流參數(shù)的自由度問(wèn)題。從而產(chǎn)生了上述眾多的參數(shù)率定和擬合方法。概念性元素通常指線性渠道和線性水庫(kù)。線性渠道可用對(duì)流方程表示,其響應(yīng)函數(shù)H(t)為H(t)=δ(t-T)。式中,Q為流量,為洪水波的波速,x為距離,t為時(shí)間,δ(·)為瞬時(shí)脈沖函數(shù)。線性水庫(kù)可用連續(xù)性方程和蓄瀉方程表示:。其響應(yīng)函數(shù)H(t)為。式中,I(t)為入流量,Q(t)為出流量,S(t)為蓄水量,K為蓄泄系數(shù),exp(·)為指數(shù)函數(shù)。線性擴(kuò)散模擬河段可用對(duì)流擴(kuò)散方程模擬:式中,D是擴(kuò)散系數(shù),其他符號(hào)的意義同上。應(yīng)用概念性元素的線性渠道和線性水庫(kù),可推導(dǎo)得到一系列有意義的理論和工程實(shí)用成果[8~10]。近來(lái),將水流在天然流域中的匯流過(guò)程概化為在多級(jí)河網(wǎng)中的匯集,從而建立了一種新的具有物理基礎(chǔ)的逆高斯分布的瞬時(shí)單位線流域匯流模型。該模型不僅能用于地面凈雨的匯流計(jì)算,還適用于總凈雨的匯流計(jì)算。同時(shí),在參數(shù)優(yōu)選方面,提出了包括峰現(xiàn)時(shí)差因素在內(nèi)的幾種簡(jiǎn)化多目標(biāo)函數(shù),取得了明顯效果,并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。概念性流域匯流模型開(kāi)始向具有物理機(jī)制的流域匯流模型方向發(fā)展。從理論上揭示水文過(guò)程與下墊面因子的因果關(guān)系,就流域匯流而言,有三種具有明確物理概念的理論可用來(lái)解釋和建立它與流域地形地貌因子之間的因果關(guān)系:(1)粒子理論指出,瞬時(shí)均勻降落到流域上的雨滴之間呈弱相互作用時(shí),流域瞬時(shí)單位線就是雨滴的流域匯流時(shí)間的概率密度函數(shù)的結(jié)論;(2)擴(kuò)散理論指出,流域匯流是地貌擴(kuò)散和水動(dòng)力擴(kuò)散共同作用的結(jié)果,且可導(dǎo)出流域瞬時(shí)單位線的表達(dá)式;(3)水動(dòng)力學(xué)理論指出,可以將流域出口斷面過(guò)程線理解為流域上的凈雨過(guò)程經(jīng)由坡面和河網(wǎng)組成的傳播場(chǎng)的作用而形成的,這樣流域匯流問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為坡面和河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)計(jì)算問(wèn)題。它不同于基于系統(tǒng)分析和綜合統(tǒng)計(jì)分析的“黑箱子”方法,它們是一種通過(guò)揭示流域匯流的機(jī)理來(lái)建立流域匯流計(jì)算方法的途徑。當(dāng)用系統(tǒng)分析觀點(diǎn)解釋流域匯流時(shí),流域單位線就是流域的水文響應(yīng)?，F(xiàn)代研究認(rèn)為,流域水文響應(yīng)是地貌擴(kuò)散和水動(dòng)力擴(kuò)散對(duì)降落在流域上具有一定時(shí)空分布的凈雨共同作用的結(jié)果。地貌擴(kuò)散作用取決于流域大小、形狀和水系分布狀況;水動(dòng)力擴(kuò)散作用與流域上流速分布有關(guān),一般取決于流域的地形坡度和糙率的分布。因而可以以河流分級(jí)或以隨機(jī)理論或以Nash模型瞬時(shí)單位線為基礎(chǔ)來(lái)建立地貌瞬時(shí)單位線。芮孝芳認(rèn)為雨滴從大氣中降落到流域上及繼續(xù)向流域出口斷面匯集這兩個(gè)現(xiàn)象都是隨機(jī)事件。基于此,得出了降雨強(qiáng)度過(guò)程線就是雨滴降落時(shí)間的密度函數(shù)。流域出口斷面流量過(guò)程線就是雨滴從開(kāi)始降落至流達(dá)流域出口斷面花費(fèi)時(shí)間的密度函數(shù)的結(jié)論。從而可以借助于DEM(DigitalElevationModel)技術(shù)確定流域瞬時(shí)單位線并給出了應(yīng)用。這和單位線被解釋為降落在流域上的凈雨雨滴在流域上傳播時(shí)間的概率密度函數(shù)是吻合的。由于地貌瞬時(shí)單位線理論把流域與河網(wǎng)結(jié)構(gòu)和流速的空間分布聯(lián)系起來(lái),因而不同于概念性模型。5分布式流域水文模型概念性流域水文模型的特性上面已作了介紹,主要是線性水庫(kù)和線性渠道。分布式流域水文模型總是將一個(gè)流域劃分成足夠多的不嵌套的單元面積,以考慮流域降雨輸入和下墊面條件客觀上存在的空間分布不均勻性?？烧J(rèn)為其中任一單元面積的降雨輸入和下墊面條件都呈空間均勻分布?？蓪⒎植际搅饔蛩哪Ｐ蛣澐譃楦拍钚院途哂形锢砘A(chǔ)兩類。概念性模型通過(guò)一些概念性元素如“水庫(kù)”、“渠道”等來(lái)構(gòu)成分布式流域水文模型,著重于產(chǎn)匯流過(guò)程的宏觀表現(xiàn)而不詳細(xì)涉及產(chǎn)匯流物理機(jī)理。具有物理基礎(chǔ)的模型一般是在揭示產(chǎn)匯流物理機(jī)理的基礎(chǔ)上,通過(guò)有關(guān)的物理定律如質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律等,導(dǎo)出描述產(chǎn)匯流過(guò)程的偏微分方程組,從而建立分布式流域水文模型。按由單元面積產(chǎn)匯流過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€(gè)流域產(chǎn)匯流過(guò)程的方法,可將分布式流域水文模型劃分為非耦合式和耦合式兩類。非耦合式的實(shí)質(zhì)是假定單元之間的關(guān)系是線性的,滿足迭加和倍比關(guān)系。耦合式的分布式流域水文模型則考慮產(chǎn)匯流過(guò)程中各單元面積貢獻(xiàn)之間的相互作用,具有物理基礎(chǔ)的耦合分布式流域水文模型,由于考慮產(chǎn)匯流的物理機(jī)理,理論上較為完善,但求解繁雜。水文模型存在的不均勻問(wèn)題,在實(shí)際應(yīng)用中幾乎無(wú)一例外地采用劃分單元面積的方法解決。傳統(tǒng)的流域水文模型在每個(gè)單元面積上采用集中輸入和集中輸出方法。這種處理方法是不合理的,如各單元雨量的空間變化、各單元參數(shù)不同、各單元產(chǎn)流機(jī)制有別、匯流過(guò)程不滿足線性疊加原理等問(wèn)題都未考慮。雖然在分布式水文模型中,考慮了降雨的空間變化、計(jì)算區(qū)域的空間變異,如土壤與地形的空間分布。仍有一些假定和實(shí)際情形不符,如降雨空間分布不平衡的時(shí)間變化,在暴雨期間,土壤含水量的再分配不考慮,土壤與降雨的空間相關(guān)關(guān)系被忽略。從技術(shù)上講,要構(gòu)建分布式水文模型的關(guān)鍵問(wèn)題為水文單元?jiǎng)澐?、空間參數(shù)確定、產(chǎn)匯流機(jī)制確定和模型算法實(shí)現(xiàn)等。雖然可用遞推最小二乘法、卡爾曼濾波法、誤差自回歸法和交互式校正技術(shù)等解決流域水文模型用于預(yù)報(bào)誤差的實(shí)時(shí)校正問(wèn)題,但是要從根本上提高預(yù)報(bào)精度,需要對(duì)流域徑流形成物理機(jī)制有明晰的了解,并能用恰當(dāng)?shù)男问矫枋龀鰜?lái)。對(duì)于探索用隨機(jī)微分方程和概率統(tǒng)計(jì)等不同途徑建立流域水文模型的新途徑也需要加強(qiáng)研究。6與流域地形地貌參數(shù)關(guān)系的單位線、線網(wǎng)、資料線的關(guān)系分布式流域水文模型包含的參數(shù)在空間上一般是不均勻分布,由于每個(gè)單元面積不可能都具有實(shí)測(cè)水文氣象資料,這樣確定單元面積產(chǎn)匯流問(wèn)題就轉(zhuǎn)變成為缺乏水文氣象資料情況下如何推求模型參數(shù)的問(wèn)題。流域的產(chǎn)匯流過(guò)程除了受控于降雨特性外,與流域下墊面的地形、地貌、土壤、植被、地質(zhì)、水文地質(zhì)等特性有明顯的因果關(guān)系。尋求流域單位線的主要特性如單位線峰值、單位線滯時(shí)、單位線歷時(shí)等,與流域地形地貌參數(shù)和降雨強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,以解決缺乏水文氣象資料情況下流域水文響應(yīng)的推求問(wèn)題就很有意義。就流域匯流而言,可以用前述方法導(dǎo)出流域水文響應(yīng)與地形地貌參數(shù)關(guān)系的地貌瞬時(shí)單位線。隨著DEM技術(shù)的發(fā)展,人們已能方便地提取河系拓?fù)鋮?shù)和流域地形地貌參數(shù)。水文學(xué)與地貌學(xué)的交叉和相互滲透正在導(dǎo)致地貌水文學(xué)的興起。生產(chǎn)單位實(shí)用的傳統(tǒng)模型,如新安江模型(三水源)所使用的產(chǎn)匯流參數(shù)可取如下,如表1所示。文獻(xiàn)對(duì)于這個(gè)問(wèn)題也做了研究。在蓄滿產(chǎn)流模型中引入最大下滲率作為入滲的上限,實(shí)現(xiàn)超滲產(chǎn)流的機(jī)理和蓄滿產(chǎn)流結(jié)合。在單位線計(jì)算之前串聯(lián)一個(gè)水庫(kù)蓄滯單元,有效地模擬洪水在河道演進(jìn)過(guò)程中沿途徑流式水庫(kù)的滯洪作用。通過(guò)實(shí)例檢驗(yàn),證明能得到較高的預(yù)報(bào)精度。應(yīng)用無(wú)量綱的產(chǎn)匯流方法增加模型參數(shù)適用性和流域蓄水容量曲線用不同的線型以提高預(yù)報(bào)的效率也有人嘗試。由于北方寒區(qū)的特殊的水文物理特性,產(chǎn)流與徑流中相應(yīng)的需要對(duì)融雪出水、冰土融凍、蒸散發(fā)的時(shí)變性、土壤水分的運(yùn)移、雨夾雪的雪量與雨量劃分、凍土融解期產(chǎn)流損失的計(jì)算等因素進(jìn)行考慮。7模型應(yīng)用分析7.1流域水文物理模型三個(gè)歐洲機(jī)構(gòu)提出的SHE模型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(guò)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(guò)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。這期間還有其他一些模型,如Cequeau模型,Susa流域模型等。國(guó)內(nèi)商業(yè)方面的研究開(kāi)展較晚,但也進(jìn)行了有益的探索。李蘭等在產(chǎn)流中不再按照概念性模型那樣假定蓄滿產(chǎn)流或超滲產(chǎn)流來(lái)推求凈雨,處理方式是將下滲變量定義成土壤缺水量的非線性函數(shù)。土壤缺水量在流域上和整個(gè)降水過(guò)程中隨時(shí)間和空間而變化。整個(gè)流域不必假定蓄滿產(chǎn)流或超滲產(chǎn)流,根據(jù)土壤含水量情況而定。據(jù)此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)4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(guò)程。將數(shù)學(xué)物理反問(wèn)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(kù)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)。張建云等建立了參數(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。郭生練等提出了一個(gè)基于DEM的分布式流域水文物理模型,模型將流域劃分為網(wǎng)格單元,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(guò)程,在每一個(gè)網(wǎng)格上用地形高程來(lái)建立地表徑流之間的關(guān)系。植物截留過(guò)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(yáng)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采用多流向法。GIS和DEM等先進(jìn)技術(shù),使水文學(xué)家能夠?qū)Ψ植际剿奈锢砟Ｐ瓦M(jìn)行精細(xì)的研究,而且也有助于檢驗(yàn)和改進(jìn)原有的假定,如利用DEM能有效地生成等流時(shí)線分布圖。借助于GIS和DEM,可方便地從流域高程信息中提取地貌指數(shù),然后通過(guò)流域地貌指數(shù)來(lái)研究流域水文機(jī)制,如目前的TOPMODEL模型。7.2對(duì)于降雨空間分布的變化和下墊面特性的特征分析,小流域除了上述較系統(tǒng)的模型外,國(guó)內(nèi)學(xué)者還從不同的方面對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究補(bǔ)充。在小流域產(chǎn)流匯流模型試驗(yàn)的應(yīng)用研究表明,在降雨1:1相似的小流域產(chǎn)匯流模型試驗(yàn)中,不僅產(chǎn)流發(fā)生畸變,而且匯流畸變作用更大。分析了實(shí)際產(chǎn)流方式與模型產(chǎn)流方式的異同,主要在于坦化和變形,引入模型產(chǎn)流畸變系數(shù),使模型試驗(yàn)結(jié)果與原型趨于吻合。從而可以從另外一個(gè)角度處理流域問(wèn)題。分布式模型能夠幫助人們描述和理解流域水文泥沙的時(shí)空過(guò)程,借鑒分布式水文模型的慣常做法和分布式流域產(chǎn)匯流模型的思想,在小流域降雨徑流過(guò)程的模擬中也取得了成功,較好地建立了小流域產(chǎn)沙分布式模型。對(duì)于工程中實(shí)用的不同的產(chǎn)匯流預(yù)報(bào)方法和在環(huán)境方面的預(yù)報(bào)應(yīng)用也有人作了嘗試。假定降雨空間分布不變化而下墊面特性空間分布變化是目前慣常的做法,但對(duì)于降雨空間變化的流域產(chǎn)流模型的研究指出,將降雨空間變化的時(shí)變過(guò)程特征值作為輸入,能考慮降雨空間變化對(duì)產(chǎn)流的影響。此時(shí),如果下墊面不均一,降雨不均勻,要按下墊面類型進(jìn)行分類。工程應(yīng)用中,如果降雨的時(shí)空是變化的,則可以假定降雨的時(shí)空變化是一種平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程。降雨徑流過(guò)程的定量實(shí)驗(yàn)研究表明,降雨徑流過(guò)程的驅(qū)動(dòng)作用可以歸結(jié)為兩個(gè)方面:降雨過(guò)程的影響和下墊面變化的影響。無(wú)論是降雨歷時(shí)還是降雨強(qiáng)度都會(huì)影響匯流的滯時(shí),這與傳統(tǒng)的假設(shè)有明顯的矛盾。尤其是在降雨歷時(shí)小于全面匯流時(shí)間和較小的降雨強(qiáng)度下這種非線性關(guān)系的影響十分明顯。并指出,單位線用于南方濕潤(rùn)地區(qū)的降雨徑流過(guò)程模擬更為合理,在實(shí)際應(yīng)用于北方降雨徑流情況時(shí),單位線使用時(shí)必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆蔷€性校正。7.3流域水文模擬方法的發(fā)展目前的研究及應(yīng)用表明,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工具及相互耦合嵌套的形式。GIS用于水文模擬,可以用來(lái)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。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。GIS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,ESRI提供的RiverTools。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),提供水文模擬全過(guò)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,TOPMODEL產(chǎn)生后,國(guó)內(nèi)外均有應(yīng)用。任立良等建立了基于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(DED-NM)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(guò)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,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。遙感(RS)技術(shù)在水循環(huán)領(lǐng)域,作為一種信息源,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)果和輸入數(shù)據(jù)的精度密切相關(guān),通過(guò)遙感技術(shù),能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)資料的不足,在無(wú)常規(guī)資料地區(qū)可能是唯一的數(shù)據(jù)源。劉