半分步式及分布式分水文模型研究

1、分布式水文模型研究概況由于傳統(tǒng)的流域水文模型本身所具有的局限性，同時隨著水文循環(huán)中各個組成要素的深入研究，以及計(jì)算機(jī)、地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，使構(gòu)造具有一定物理基礎(chǔ)的流域分布式水文模型成為可能。流域分布式水文模型充分考慮流域下墊面空間分布不均對水文循環(huán)的影響。在水平方向上將流域劃分成許多單元網(wǎng)格和子流域（一般基于DEM），在垂直方向上將土壤分層，并依據(jù)流域產(chǎn)匯流的特性，使用一些物理的、水力學(xué)的微分方程（如連續(xù)方程與動

2、量方程）求解徑流的時空變化。與傳統(tǒng)的流域概念性集總水文模型相比具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：①具有物理機(jī)理，能描述流域內(nèi)水文循環(huán)的時空變化過程；②其分布式結(jié)構(gòu)，容易與GCM嵌套，研究自然和氣候變化對水文循環(huán)的影響；③由于建立在DEM基礎(chǔ)之上，所以能及時地模擬人類活動和下墊面因素變化對流域水文循環(huán)過程的影響。下面我簡單介紹一下國內(nèi)外的著名的分布式水文模型。主要從模型名稱，模型結(jié)構(gòu)，輸入輸出變量，網(wǎng)格還是子流域?yàn)橛?jì)算單元，適用性和范圍等方面來描述。一

3、、分布式水文模型研究的發(fā)展現(xiàn)狀國際在國外，分布式水文模型的研究可以認(rèn)為始于Freeze和Harlan于1969年發(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(lán)圖》這篇文章。該文章提出了分布式水文物理模型的基本概念和框架。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)。1979年Bevenh和Kirbby提出了以變源產(chǎn)流為基礎(chǔ)的TOPMODEL模型（TOPgraphybasedhyd

4、rologicalMODEL）。1TOPMODEL模型［1]（TOPgraphybasedhydrologicalMODEL）該模型基于DEM推求地形指數(shù)，并利用地形指數(shù)來反映下墊面的空間變化對流域水文循環(huán)過程的影響，模型的參數(shù)具有物理意義，能用于無資料流域的產(chǎn)匯流計(jì)算。TOPMODEL模型的基礎(chǔ)是變動產(chǎn)流面積的概念。流域降水滿足冠層截留和填洼等初損以后，下滲進(jìn)入土壤包氣帶，包氣帶分為土壤水帶、中間帶和毛細(xì)水帶。只有包氣帶的含水量達(dá)到田

5、間持水量后，多余的水分中才有一部分以重力水的形式，通過大空隙直接進(jìn)入飽和地下水層，所以入滲沒有馬上引起地下水位抬升至地表面。TOPMODEL模型把全流域按DEM網(wǎng)格分塊，每一個網(wǎng)格稱為一個水文單元。大的流域又可被分成若干個子流域（或單元流域）。對每一個單元流域進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算。產(chǎn)流計(jì)算包括不飽和層水分運(yùn)動、飽和層水分運(yùn)動及地表徑流。地表徑流和地下徑流均視為在空間上相等，可通過等流時線方法進(jìn)行匯流演算，求出單元流域出口處的流量過程。通過河道

6、匯流得出流域總出口斷面流量過程。河道演算多采用近似運(yùn)動波的常波速洪水演算方法。TOPMODEL模型可以根據(jù)地形指數(shù)和流域平均缺水量計(jì)算出各點(diǎn)的缺水量，直觀地反映源面積的大小和分布。地形指數(shù)的空間分布即反映了流域蓄水容量的分布。蓄水容量曲線與地形指數(shù)的功能相同，都是為了計(jì)算徑流。在應(yīng)用時，僅需DEM圖和基本的水文資料（降水、蒸發(fā)、流量），甚至可用于無資料地區(qū)。圖2MIKESHE模型結(jié)構(gòu)3ANSWERS(ArealNonpointSourc

7、eWatershedEnvironmentResponseSimulation)和AGNPS(AgriculturalNonpointSource)ANSWERS模型[5]包括水文模型、泥沙分散輸送模型和幾個描述坡面、亞表面、渠中的水流路徑的組件采用概念模型模擬水文用泥沙連續(xù)性方程模擬侵蝕用方形網(wǎng)格劃分研究區(qū)域可供水質(zhì)規(guī)劃者或其他用戶模擬土地利用方式對水文和侵蝕響應(yīng)的影響對控制非點(diǎn)源污染進(jìn)行規(guī)劃。ANSWERS模型中首先項(xiàng)目管理器從用戶

8、那兒收集信息然后利用GIS提取數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個輸入文件并將ANSWERS模型的輸出讀入新的GIS層項(xiàng)目管理器的應(yīng)用使輸入數(shù)據(jù)賦值時間減少了7～10倍。AGNPS模型[6]采用方形網(wǎng)格劃分單元模型包含水文、侵蝕和泥沙輸送、氮磷和COD的輸移等內(nèi)容其中徑流量用CREAMS模型中使用的公式計(jì)算侵蝕用RUSLE預(yù)測化學(xué)物質(zhì)的輸移采用CREAMS模型和一個飼育場評價(jià)模型中的方法并對土壤結(jié)構(gòu)的影響方面做了改進(jìn)化學(xué)物質(zhì)的輸移計(jì)算分為溶解相和泥沙吸附相的計(jì)

9、算溶解相的計(jì)算與徑流量有關(guān)而泥沙吸附相的計(jì)算則與產(chǎn)沙量有關(guān)WEPP（WaterErosionPredictionProject）模型[7]估計(jì)了陸地和水渠的徑流和侵蝕、保護(hù)措施的影響是一種計(jì)算山坡和集水區(qū)土壤侵蝕和泥沙輸送的新技術(shù)模型包括氣候、表面和亞表面的水文、冬季凍融過程、灌溉、殘余物的降解、溝渠和蓄水坑中泥沙的分散、輸送和沉積等部分。最早的非點(diǎn)源污染模型是集總模型如CREAMS(ChemicalsRunoffErosionfrom