分布式水文模型构建理论与方法述评.pdf

第18卷第2期 水科学进展 V01．18，No．2 2007年3月 ADVANCESINWATERSCIENCE Mar．．2007 分布式水文模型构建理论与方法述评 张金存1’2，芮孝芳1’2 摘要：回顾了分布式水文模型的发展历程，分析总结了分布式水文模型的构建理论与方法，并对其关键内核—— “物理基础”的含义做了深入而新颖的分析。分析了两类当前比较活跃的模型——分布式物理模型与分布式概念性 模型中存在的问题及发展前景，并探讨了综合二者之长的具有物理基础的松散型分布式水文模型的构建思路，以 及学者们期待中的基于确定性与随机性耦合的分布式水文模型。 关键词：分布式水文模型；物理基础；分布式物理模型；分布式概念性模型 中图分类号：Tv213．4；G353．11文献标识码：A 文章编号：1001．679l(2007)02—0286．07 近年来，随着计算机、遥感和地理信息系统等信息技术的发展，人们容易地获取流域的空间变化信息(如 地形、土壤和植被类型等)已成为可能。同时，社会发展促使环境系统分析的需求(如水质模拟、土壤侵蚀，土 地利用变化的影响等)不断增加，这使得分布式水文模型成为水文学研究的热点之一。传统的集总式与分散式 水文模型对产汇流过程(尤其是产流过程)进行不同程度的概化描述，在生产应用中简单易行，具有资料易于获 取、成本低、效率高等优点，但对流域响应的物理机理和空间变异性考虑不足，导致模型参数的物理意义不明 确、甚至“异参同效”等缺陷。在分布式水文模型的研制中，人们力求克服集总式流域水文模型物理基础薄弱 的缺点，希望对水文物理过程的时空变化给予更贴近真实过程的描述，具体体现在两个方面：①在模型结构 上一般是基于数字高程模型对流域作细致的离散化处理，希望通过对单元尺度水文过程的刻画汇总得到流域尺 度上的总响应。对降雨分布、地形坡度、土壤各向异性、地表覆被等的描述都是镶嵌在网格之上的；②寻求 物理意义明确、可以通过实测直接得到或者通过确定性方法由实测资料推算得出的参数。 1 分布式水文模型的兴起与发展 1．1基于过程描绘的模型 文响应模型的蓝图(FH69蓝图)”uJ。随后，由于计算机功能的加强以及地理信息系统等相关技术的发展，分布 式水文模型得到了迅速发展。现有许多具有物理基础的分布式水文模型几乎都是基于FH69蓝图构建的，如各 种版本的SHE模型，美国的IHDM模型，澳大利亚的CSIRO 径流过程描述的基本框架，即以质量、能量和动量方程描述自然系统，并考虑各变量和参数的空间变异性。这 些参数原则上具有明确的物理意义，并且可通过实测资料估计。与集总式概念模型相比，这类模型不是直接量 化流域中蓄水单元之间的水量交换，而是通过连续性的控制方程直接计算水量和能量的流动与增减。 这些模型运用数学物理方程在每一个网格单元内对地表径流和地下径流过程做了细致的刻画，但迫于客观 条件，仍作了一些简化处理，如忽略大孔隙中的优先流(因为没有在单元尺度内描述其物理方程)，把坡面径流 粗略地简化为深度和流速均匀的层流来处理，忽略土壤水分特性曲线的滞后作用等。尽管以MIKESHE为代表 收稿日期：20Q5．09一01；修订日期：2005．12一09 基金项目：国家自然科学基金资助项目 第2期 张金存、芮孝芳：分布式水文模型构建理论与方法述评 287 的分布式物理模型存在一定的局限性，但近年来也得到了一些应用，如MIKEsHE模型在工程规划项目中应用 情况良好，为项目实施提供了一定的决策依据12J。 1．2半分布式模型 另有一类降雨径流模拟方法也保存了对流域响应的分布式描述，但实现方式要简单得多。它不象SHE模 J： 型那样包含详细的过程描述，而是应用分布函数描述流域产流的空间变异性。应用比较广泛的有如下几类L3 导出的水文响应单元，如swAT模型【5 这些模型都很重视流域响应的空间变异性，但在某一场降雨中确定流域中哪些地方在发生产流的确非常困难， 因此，把目标定为在流