基于代表性单元流域的水文模拟理论与方法 .pdfVIP

基于代表性单元流域的水文模拟理论与方法

*

田富强胡和平雷志栋

（清华大学水利水电工程系，北京100084）

摘要：当前的物理性水文模型以点尺度或REV尺度的控制方程为基础建立。由于流域下垫

面条件和气象输入的高度变异性，当物理性水文模型应用于流域水文模拟时，无论对流域采

用何种离散方案，在点尺度或REV尺度上定义的模型参数的确定都面临着巨大的困难。

Reggiani等提出的基于代表性单元流域的水文模拟理论和方法直接在宏观尺度（代表性单元

流域尺度）上建立控制方程，为流域水文模拟提供了新的“蓝本”。

关键字：代表性单元流域（REW），尺度问题，本构关系，流域水文模拟

1概述

模拟流域对大气输入的水文响应是水文学研究的中心问题，而水文模型是进行流域水文

[1,2][3]

模拟的主要工具。水文模型经历了由“黑箱子”模型向过程机理模型发展的过程：人

[4]

们最早建立的是系统模拟模型，如单位线、经验相关和概化推理等，这些方法将流域视为

一个“黑箱子”，不考虑“黑箱子”内部的水文过程；随着对水文过程机理的逐步认识，系

统模拟模型被过程机理模型所代替，可以分为概念性模型和物理性模型两种。概念性模型使

用一系列相互串联和（或）并联的存储单元来模拟流域上发生的水文过程，其基础是质量守

恒方程。随着人类实践对自然界改造范围的扩大和强度的增加，下垫面和气候变化条件下及

缺资料地区的水文模拟和预测对于有限水资源的合理配置和科学管理显得十分必要和迫切

[1,2]

。概念性水文模型由于其参数的物理意义不明确而不能较好地解决这一问题，这使得具

[5,6,7][8]

有物理基础的水文模型的研究提上了日程。目前，已有多个基于Freeze和Harlan（1969，

简称FH69）“蓝本”的物理性流域水文模型得到了广泛应用，并日益与遥感和地理信息系统

技术相结合，大大深化了对流域水文过程机理的认识，提高了水文预测的能力，如基于网格

[5,9][10]

单元划分方法的SHE模型、基于子流域划分方法的SWAT模型、基于山坡单元划分方

[11,12,13]

法的GBHM模型等。

[5,8]

基于FH69的物理性水文模型与概念性水文模型相比有着显著的优越性：一，同时

考虑质量守恒和动量守恒，模型的机理性更强；二，能够充分利用可获得的地形、植被、土

壤等信息；三，理论上可以充分代表流域下垫面条件和气象输入的不均匀性，并对流域内的

水文状态变量和水流通量进行分布式地模拟；四，理论上模型参数具有物理意义，可根据实

测资料确定，因而能够预测人类活动和气候变化对流域水文过程的影响。但自FH69模型提

[14,15,16]

出之日起，就有学者不断对其提出批评，指出其理论上的优越性在实践中难以充分实

现，并存在如下的问题：一，过参数化。由于流域的高度不均匀性，需要将物理性水文模型

*田富强（1975-），男，河南，讲师，在职博士生，主要从事流域水文模拟理论、防洪减灾

及水信息学方面的研究。Email：tianfq@tsinghua.edu.cn

-1-

中的数学物理方程在空间上进行离散