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流域水文模型综述

摘要：本文分别综述了集总式流域水文模型和分布式水文模型的研究进展，并简

单介绍了几种常用的集总式和分布式流域水文模型及特点，最后对流域水文模型的发展进行了展望。

关键词：流域，水文模型，集总式流域水文模型，分布式流域水文模型

水资源作为人类社会的一大资源，在不断地满足社会经济发展与生态环境需要的同时，水资源短缺与污染的趋势也在不断加剧。为了促进水资源的可持续利用与保护，美国率先提出了流域管理的概念。流域管理一作为水资源利用与保护的主要途径，是目前水资源管理的主要模式，在世界上得到了广泛应用，尤其在美国、欧洲和澳大利亚等国家，整个研究领域己逐步走向成熟。

水文学（hydrology）是地球物理学和自然地理学的分支学科。研究存在于大气层中、地球表面和地壳内部各种形态水在水量和水质上的运动、变化、分布，以及与环境及人类活动之间相互的联系和作用。是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律，以及运用这些规律为人类服务的知识体系。

水文模型(HydrologicModel)，是自然系统的抽象，真实世界的概化，是符号的综合体，是自然系统或部分自然系统的符号化，是数学模型用数学语言将自然现象符号化的的水文学应用，是为了模拟水文现象而建立的实体结构和数学结构与逻辑结构。

流域水文模型把流域总体看成是一个系统，输入为降雨等，输出为出流流量等。流域内的水文过程则是系统的状态，是根据水文概念推理计算出来的，随着全球性缺水问题日益严重，水污染水资源分布不均衡等问题的日益突出，就要求人们不断加强水文学的定量化研究，而流域水文模型就是其中发展较为迅速的研究领域。它有助于我们在利用水资源分配水资源中提供合理的科学的依据。流域水文模型在进行水文规律的研究和解决生产实际问题中起着重要的作用，因此，掌握常见的流域水文模型是必要的[1]。

流域水文模型研究进展

流域水文模型的研究大约始于21世纪50年代后期[2]，随即有SSARR模型和Stanford模型等模型出现，这些模型从定量上分析了流域出口端面流量过程线形成的全部过程，包括降水、蒸发、截留、下渗、地表径流、壤中流、地下径流等产流环节，也包括了坡面调蓄和河网调蓄等汇流环节[3]。流域水文模型按不同的分类依据就可将其归类，这种分类方法是很多的例如按模型的基本性质和建模技术可分为实体模型、类比模型、模拟模型，其中实体模型又可分为比例尺模型和单项因素试验模型；模拟模型包括确定性模型和统计模型等。流域水文模型的种类有很多，但是目前在水文学科领域影响最大发展较快的主要还是集总式流域水文模型和分布式流域水文模型两大类[4]。

1.1集总式流域水文模型研究进展

集总式流域水文模型是以一个流域作为完整的研究单元，以流域平均降雨量和蒸发量作为输入,以流域出口端面的径流过程作为输出的模型。对于一个较大的流域，可将其划分为若干子流域，分别模拟各子流域的出流，再通过河系流量演算进一步求出全流域的径流过程，由此建立的水文模型通常被称为分块式流域水文模型，分块式流域水文模型习惯上被归入到集总式流域水文模型的范畴。

20世纪50年代中期，人们开始了对集总式流域水文模型的研究[5]，60-80年代，随着科学技术的进步，进入了其重要发展时期。这一时期涌现了许多知名的流域水文模型，代表性的模型有美国的StanfordIV和HEC-1模型，日本的水箱模型（Tankmodel），我国的新安江蓄满产流模型和陕北的超渗产流模型。

集总式流域水文模型通常采用均一性假设，不考虑流域水文过程的空间变化特性、模型的输入输出以及模型的边界控制条件等，对流域表面上任何一点的水文过程用简单的基于水文规律的方程加以描述，而其它的一些过程则用一些经验公式描述。集总式流域水文模型隐含着下列缺陷[6]：

①构成模型的概念性元素一般只能模拟水文现象的宏观表现，而不能涉及水文现象的本质或物理机制。因此，现有概念性集总式流域水文模型的结构对径流形成过程的描述是近似的，甚至是粗略的，所包含的参数大多数缺乏明确的物理

降雨径流过程模拟为若干个水箱的调蓄作用，如图1所示。图1为一个串联的3层水箱结构，每一层水箱旁侧设有出流孔，底部设有下渗孔，最下层水箱只有出流孔而无下渗孔。上层水箱的下渗即为下层水箱的入流，根据该层水箱的蓄量与出流孔的高度，判断其是否出流，依次类推，直至最后一层水箱。各层水箱的蓄量与出流的关系假定为线性的，与下渗的关系也假定为线性的。也就是所有的蓄泄关系都是用线性水库来模拟。上层水箱设有一个以上的出流孔，相当于有几个不同库容的线性水库，其和是非线性关系，用以模拟地面径流的非线性蓄泄关系[12]。水箱模型具有以下特点：

模型弹性大，可根据流域的特点，选择不同类型的水箱，分层水箱可多可少，侧孔也可多