分布式水文模型的发展现状及前景 山西省水利学会.doc

分布式水文模型的发展、现状及前景　　　 于兴杰1，孙金丹2，张树田1，史福祥1　　 （1.山西省电力勘测设计院 山西 太原； 2. 陕西煤炭地质局131大队，陕西 韩城 715400） 　　 摘要：分布式水文模型的研究是当前水文建模领域最为活跃的研究方向之一，是解决流域水文、生态和环境问题的有效途径。文中讨论了分布式水文模型的分类、一般结构、下垫面因子、与GIS和遥感技术的关系、参数率定、应用领域等问题，指出分布式水文模型发展面临的问题并展望了未来的发展方向。　 关键字：分布式水文模型 下垫面因子 遥感技术 GIS　　 中图分类号：P334 文献识别码：C　 1 水文模型概况　 流域水文模型是水文科学中一个最重要的分支之一，是研究水文自然规律和解决水文实践问题的主要工具。严格说来，水文模型可以分为确定性模型和随机性（统计）模型。确定性模型应用有限的物理学规律描述水文过程，其预测结果不存在不确定性；随机模型应用概率理论和随机性过程描述水文环节，其预测结果多为条件概率的形式。确定性模型根据模型对流域是空间集总式的还是分布式的描述，以及对水文过程是经验性描述、概念性描述还是完全物理描述，可将模型进一步划分为黑箱模型、概念模型和基于物理学的分布式模型。　　 黑箱模型、概念模型和物理模型分别代表确定性水文模型的不同发展阶段。黑箱模型基于传输函数，几乎没有任何物理意义；概念模型介于完全物理描述和经验式黑箱模型之间；基于物理的水文模型建立在人们对控制流域响应的水文过程的物理认识的基础之上。由于流域的水文异质性，物理模型必须对流域进行离散化，使得模型计算单元内的水文性质满足物理学的均一性要求，因而，物理模型是空间分布式的模型。分布式物理模型能够模拟整个径流过程，可以预测多个水文变量(如径流量、土壤含水量以及蒸散发等)的时空格局。在分布式模型中，物质、能量和动量的传输直接应用控制微分方程描述，如应用St．Venant方程描述坡面漫流、应用Richard方程描述包气带水分运移以及应用Boussinesq方程描述地下水流运动。分布式模型中的偏微分方程多采用数值解，如有限单元法和有限差分法，因此，相对于集总式概念模型，分布式模型需要更多的计算时间和性能更好的计算机。　　 分布式水文模型是近20年来水文建模领域的热点[11]。之所以能成为近年来具有吸引力的水文学研究热点之一，一是因为地理信息系统(GIS) 技术的不断完善，使得描述下垫面因子复杂的空间分布有了强有力的工具；二是因为计算机技术和数值分析理论的进一步发展，为用数值方法求解描述复杂的流域产汇流过程的偏微分方程组奠定了基础；三是因为雷达测雨技术和卫星云图技术的进步，为提供降雨量实时空间分布创造了条件，为分布式水文模型的发展铺平了技术道路；流域对自然和人为因素的响应研究以及流域管理决策人员的需求，极大地推动了分布式水文模型的发展。1986年丹麦水力学研究所、英国水文研究所和法国的SOGREAH合作开发的系统水文欧洲SHE是最早为人所知的分布式水文模型，它致力于模拟水文循环的所有重要环节。Famigliettieta1[1]将修改的TOPMODEL[1]和一个表面能量平衡模型耦合在一起，计算整个流域范围内的蒸散发空间变化。Wigmostaeta1[1]建立了一个分布式的水文—植被模型，研究复杂地形条件下的流域水文过程。本文立足于分布式水文模型的研究成果，归纳了分布式水文模型的分布式水文模型的分类、一般结构、下垫面因子、与GIS和遥感技术的关系、参数率定、应用领域等问题，论述了分布式水文模型未来发展方向。　 2 分布式水文模型分类　　 2.1 现有分布式水文模型　　 20世纪70年代以来，水文学家已经提出了众多的分布式水文模型。建立在概念性水文模型基础上的一类分布式水文模型已为人们所熟知。在其他分布式水文模型中，笔者认为最值得介绍的当推SHE模型和DBSIN模型[1]，这是两个均具有比较明确物理概念的分布式水文模型。SHE模型以水动力学为其基础，模型中涉及到的植物截留、蒸散发、坡面水流、河道水流、土壤水运动、地下水流和融雪径流等的物理过程均由基于物质不灭和能量守恒定律的微分方程来描写。SHE模型的作者们曾对英国威尔士中部面积只有10.55 km2的Wye河流域率定了该模型参数，采用的平面网格的大小为250m×250m，整个土层划分为38个子土层，每个子土层厚仅0.05 m，达到的精度基本上是令人满意的。DBSIN[1]模型以水文学理论为基础，以数字高程模型为平台。模型将流域划分成网格，每个网格作为一个计算单元，其降雨输入由雨量站网或雷达测雨提供。模型由产流模块和汇流模块构成，采用运动型下渗模型计算每个网格的产流量，根据每个网格中水滴流达出口断面的汇流时间进行汇流计算。该模型曾应用于意大利半岛西