（水文学及水资源专业论文）基于下渗理论的网格型松散结构分布式水文模型研究.pdf

摘要 摘要 如何加强模型结构和参数的物理基础一直是分布式水文模型研制中的重要 议题。本文基于d e m ( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) 平台，应用下渗理论构建分布 式流域产流模型，链接基于“网格水滴”的流域汇流时间矩阵，构建了具有物理 基础的松散结构分布式流域水文模型。该模型综合了当前比较流行的两类分布式 水文模型( 分布式物理模型和分布式概念性模型) 的长处。其产流方法融合了霍 顿机制和邓恩山坡水文学产流机制，考虑了土壤的各向异性、非均质性和地形坡 度对产流的影响，并注意t t i e 饱和侧向流在径流形成中的作用。其地面径流汇流 方法可同时考虑降雨和流速空间分布不均对流域汇流的影响。 下渗模型假定饱和土壤导水率随深度呈指数衰减，分不考虑毛管力和考虑毛 管力两种情况模拟下渗过程。本文系统地阐述了降雨过程中土壤水分剖面演变过 程的模拟方法，以及由土壤水分剖面状态确定下渗能力的方法。在v a l e r iy u r y e v i c h l v a n o v 等人工作的基础上，针对关键变量“等价恒定雨强”的求解，提出了较为 严谨的新方法，并在虚拟的矩形山坡上进行了数值试验。 降雨、土壤含水量和饱和土壤导水率是导致水文响应空间分布不均的关键因 子。本文在分析这些因子的空间模式特点及前人模拟方法的基础上，做出了以下 选择与探索：一是选用距离平方倒数法进行降雨空间插值：二是提出了由新安江 蓄水容量曲线、地形指数和起涨流量估计初始地下水位的新方法：三是设计了基 于确定性一随机性耦合的饱和导水率空间变异性模拟方法。 将水文响应关键因子的空间变异性模拟方法植入分布式水文模型，以湿润地 区典型流域沿渡河为对象进行了模型的初步应用和验证。结果表明，改进后的模 型能对地面径流过程给予较好的预测，因此本文所提出的三个改进方法是有效 的，尤其是对饱和导水率施行适当的分布式模拟可明显提高流量过程的预测精 度。 关键词：分布式流域水文模型；物理基础；松散结构；下渗；空间变异性 a b s t r a c t a s t r o n gp h y s i c a l l yb a s e dm o d e lh a sb e e na l w a y st h ea i mo f h y d r o l o g i c a lm o d e l s d e v e l o p e r s o nt h eb a s i so fd i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，ad i s t r i b u t e dp h y s i c a l l yb a s e d m o d e l 、“t hc o m p a c ts t r u c t u r ei sb u i l tu p ，w h o s er u n o f fg e n e r a t i o nm o d u l ei sb a s e do n i n f i l t r a t i o n t h e o r ya n dr u n o f fc o n c e n t r a t i o nm o d u l e i sb a s e do n “g r i dd r i p c o n c e n t r a t i o nm e t h o d t h em o d e l i n t e g r a t e s e x c e l l e n c e so fd i s t r i b u t e d p h y s i c a l l y - b a s e dm o d e l sa n dd i s t r i b u t e dc o n c e p t u a lm o d e l st h a ta r ep o p u l a rm o d e l s t o d a y i t sr u n o f fg e n e r a t i o nm e t h o di n t e g r a t e sh o r t o n sa n dd u n n e sm e c h a n i c s 。a n d a c c o u n tf o re f f e c t so fs o i la n i s o t r o p y , t e r r a i ns l o p e ，a n du n s a t u r a t e df l o wi nr u n o f f p r o d u c t i o np r o c e s s e s i t sr u n o f fc o n c e n t r a t i o nm e t h o dc a na c c o u n tf o re f f e c to f s p a t i a lv a r i a b i l i t yo f r a i n f a l la n df l o wv e l o c i t yt ow a t e r s h e dc o n c e n t r a t i o n t w ok i n d so fi n f i l t r a t i o nm o d e la r eu s e d o n et a k e sn oa c c o u n to fc a p i l l a r y e f f e c t sa n dt h eo t h e ra c c o u n tf o rc a p i l l a r ye f f e c t sd u r i n gi n f i l t r a t i o ni nas o i lt h a th a s e x p o n e n t i a ld e c a yo ft h es a t u r a t e dc o n d u c t i v i t yw i t hd e p t h t h es i m u l a t i o nm e t h o d s o fs o i lw a t e rp r o f i l ec h a n g i n gp l - o c e 5 5a ma d d r e s s e di nd e t a i l o nt h eb a s i so ft h i s i n f i l w a t i o nc a p a c i t yi sd e r i v e d o nt h eb a s i so fv a l e r iy u r y e v i c hi v a n o v sw o r k , a b e t t e rm e t h o dt oo b t a i nt h ek e yv a r i a b l e ，t h e “e q u i v a l e n t r a i n f a l lr a t e ，i sb r o u g h t f o r w a r d an u m e r i c a le x a m i n a t i o no ft h ei n f i l t r a t i o nm o d e li sc a r r i e do u to nav i r t u a l h i l l s l o p ee l e m e n l r a i n f a l l s o i lw a t e rc o n t e n ta n ds a t u r a t e dc o n d u c t i v i t ya 咒a l lk e yf a c t o r st h a t r e s u l ti nh y d r o l o g i c a lr e s p o n s es p a t i a lv a r i a b i l i t y b a s e do na n a l y s i so ft h e i rs p a t i a l p a t t e r n sa n do l ds i m u l a t i o nm e t h o d so ft h e i rs p a t i a ld i s t r i b u t i o n , t h em e t h o do ft h i s a r t i c l ea r ec h o s ea n dd e s i g n e d 1 1 l er e c i p r o c a lo fs q u a r ed i s t a n c em e t h o di sc h o s e nt o c a r r i e do u tr a i n f a l ls p a t i a li n t e r p o s i t i o n ；an e we s t i m a t i o nm e t h o do fi n i t i a lw a t e r t a b l ea c c o r d i n gt ot h ex i n a n j i a n gs l u i c ec a p a c i t yc u r v e , w e t n e s se x p o n e n ta n di n i t i a l f l u xa tt h eb a s i no u t l e ti sb r o u g h tf o r w a r d t h es i m u l a t i o nm e t h o do fs a t u r a t e d c o n d u c t i v i t ys p a t i a lv a r i a b i l i t yb a s e do nd e t e r m i n i s t i c s t o c h a s t i cc o u p l e di sd e s i g n e d b a s e do ni n f i l t r a t i o nm o d e la n d “g r i dd r i p 竹r u n o f f c o n c e n t r a t i o nm e t h o d s ，a 面d d i s t r i b u t e dp h y s i c a l l yb a s e dm o d e lw i t hi n e n m p a c ts t l t l e t u 陀i sb u i l tu p n et h e o r y v a l u ea n dc h a r a c t e r so f t h er u n o f fg e n e r a t i o na n dc o n c e n t r a t i o nu s e di nt h em o d e la r e a d d r e s s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t si ny a n d u h ew a t e r s h e di n d i c a t et h ep r e s e n t e di m p r o v i n g h m e t h o d sa 舱f e a s i b l e e s p e c i a l l yf o ri n t r o d u c i n gs p a t i a lv a r i a b i i i 锣o fs a t u r a t e d c o n d u c t i v i t yi n t ot h em o d e le n h a n c e st h ep r e d i c t i o nc a p a c i t yo f t h em o d e lo b v i o u s l y t h ei m p r o v e dm o d e lc a ng i v eb e t t e rs i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o n ，w h i c hs h o w st h e m o d e lh a sp o t e n f i f lt ob ea p p l i e di n t op r a c t i c e k e y w o r d a ：d i s t r i b u t e dw a t e r s h e dh y d r o l o g i c a lm o d e l ；p h y s i c a l l yb a s e d ；i n e o m p a c t s t r u c t u r e ；i n f i l t r a t i o n ；s p a t i a lv a r i a b i l i t y 前言 传绞豹瘩文模墅大多跫集慧式嚣分数式豹。这些模型霹产澎浚建程迸孬不丽 程发的概亿描述，具有资料易于获取、成本低、效率高等优点。毽它们对流域响 应的物理机理和空间变异性考虑不足，导致横型参数的物理意义不够明确，故无 法囊接由实测资料获取参数值，而且“异参同效”现象普遍存在。遮类模型的参 数调试貔意桎较大，其戚煺效果高度依赖予工佟人员嚣经验，故程我国生产实践 部门皆难班接广痉霁l 。磷潮缝够竞驻上述缺纛鹣东交模鍪一壹爱承文研究工箨孛 的爨骚内容。分布式水文模型能够较好地考虑降雨和下垫面因子擞阃分布不均对 流域水文响应的影响，因此有可能克服集总武水文模型的固有缺陷，成为物理基 础嗍确晟参数稳定的掰一代实用水文模型。 瑟餐瑷殓段势蠢式窳文模墼还疆少应趱予囊产实黢，毽宅程酶低东文摸壁不 确定栋、推进无资辩地送水文预测、研究人类漭动和气候变纯对水文循环豹影响， 以及湿地生态保护等方颟融表现出重大的研究价值和应用价值。 本文采用r i b s ( r e a l t i m ei n t e r a c t i v eb a s i ns i m u l a t o r ) 模型的产流思想和基 予“阏辏永漆”的流域滋流时惩矩阵， 每建了一个分毒式流域水文模型，并鞋之 为麓獭探讨了壤含承鬃鞠键和导永率戆空秘分布貘羧方法。遥邋研究，主要取 得了如下创新成果： ( 1 ) 初步实现了应用水文学方法构建具有物理基础的松散结构分布式水文 模型的设想。所建模型的产流方法以下渗理论为基础，地面径流派流方法是忽略 藤煞攀元之羯拳力联系瓣羧教结搀滚域汇流方法。 ( 2 ) 提出了下渗横溅关键变量“等价憾定雨强”计算的新方法。与原有的 近似估算法相比，本文提出的方法在物理上璺严谨，且计算时段长短皆可。该方 法不仅提高了模型的计算效率，而且大大降低了出现奇异解的可能性。 ( 3 ) 键对多数襁始主浸售诗方法孛包禽搂壅敏感参数匏阀戆，撬塞了一令 与敏感参数无关静估计方法，鄂狠据耨安疆鬻承容量簦线、遣形攒数和起涨流量 估计韧始地下水位。 ( 4 ) 发现各网格地袭饱和导水率取值相同很可能是导致r i b s 模型洪峰预 测簸莱不建瓣主要瓣因，予筵雩| 入稳秘导拳褰茨空鞫交募链寒改避攘型。零文摄 索了三种饱和导水率空间分布模拟方法，分别为确定性方法、随机性方法以及基 于确定性酶梳佳藕会的方法。由穗瓣径流鞠模按精壤来看，采焉确定经隧梳往 耦合方法模拟饱和导水率的空间分布可明显提高模型的预测精度，并使得模嫩显 现出实际应用的潜力。 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文悬我个人在导师指导下进行的研究z 作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其德入已经发表或撰写过的研究城采。每我一弱工 佟粒弱事对奉辑究庚皴魏妊簿贾数蚜& 杰论文孛臻7 鳃貔豹说隳并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文俘誊( 签塞) ：羔签盘盘2 0 0 7 年字哭7 - e t 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家圈书馆、中国学术 期稳( 巍盘葳) 魄子杂懑社有权保鐾本人所送交学链论文的复牵件或 嗽子文楼，可】| ；乏采震影印、缝镲或其健复裁手段傺察论文。本人耄子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：殛蕉盎2 0 0 7 年9 # z e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 近些年来，遥感、地理信息系统和计算机技术的蓬勃发展为描述气象因子和 流域物理属性的空问分布提供了有力的工具。如雷达测雨、数字高程模型、遥感 等已成为获取水文模拟资料的新途径。s o u i d 在降雨径流模型可靠性的研究i u 中 发现，在降雨径流模拟中引入对降雨和下垫面因子空间变化的精确描述，是降 低模型不确定性和提高水文预报精度的有效途径。分布式水文模型就能够较好地 模拟降雨和下垫面空间变异性对径流形成的影响作用，现已成为国际水文界的研 究热点伫4 习。分布式水文模型将大大拓展水文学的应用价值。随着一系列相关理 论与技术的进一步发展，分布式水文模型在水资源开发、利用、保护、洪水预报、 人类活动影响分析等方面将得到越来越广泛的应用【1 4 1 。 按采用的径流形成理论和方法，分布式流域水文模型可分为概念性的和具有 物理基础的两类；按流域出口断面流量过程线的合成方法，可分为松散结构的和 耦合结构的两类【1 4 】。所谓松散结构，指的是分别计算各单元面积的产流量，然后 叠加演算到流域出口得出整个流域响应。所谓耦合结构，指的是通过一组水动力 学的微分方程及其定解条件联立求解来描述流域降雨径流形成过程，确定流域响 应概念性松散结构的流域水文模型是一种准分布式水文模型，它具有与概念性 集总式流域水文模型类似的缺陷。具有物理基础的耦合结构的分布式流域水文模 型虽基于水动力学理论，但参数过多且求解困难，其离实用还有很远的距离。芮 孝芳教授认为具有物理基础的松散结构分布式流域水文模型，是介乎以上两者之 间、值得花力气研究的一类分布式模型【1 4 l ，可尝试应用基于水文学的、有物理基 础的产汇流理论来构建这种模型。 本文将采用具有物理基础的下渗模型来构建产流模型，并链接一个具有物理 基础的松散结构汇流模型，来探索具有物理基础的松散结构分布式水文模型的开 发价值，并就降雨、土壤含水量、饱和土壤导水率等的空间分布模式对水文响应 的影响进行初步探讨。 河海人学博i 。学位论文 幕于下渗理论的州格型松散结构分布式水文模型研究 1 2 国内外研究现状 1 2 1 分布式流域水文模型1 1 s l ( 1 ) 兴起与发展 国外分布式水文模型的研究一般认为起始于1 9 6 9 年f r e e z e 和h a r l a n 发表的 。一个具有物理基础的数值模拟水文响应模型的蓝图( f h 6 9 蓝图) ” t 6 1 。随后， 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f h 6 9 蓝图构建的，如以m i k es h e 为代表的各种版本的s h e 模型【l 7 ， 嘲，美国的i h d m 模型，澳大利亚的c s i r ot o p o g 模型，德国的h i l l f l o w 等【1 9 1 。尽管它们的流域离散化方式和对描述水文过程方程式( 组) 的求解方法各 不相同，但无一例外地皆以f h 6 9 蓝图作为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水文过程，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。与集总式概念性模型 相比，这类模型不是简化流域中蓄水单元之间的水量交换，而是通过连续性控制 方程直接计算水量和能量的流动与增减。 这些模型试图应用数学物理方程对每一个网格单元的地面径流和地下径流 过程作细致的刻画，但迫于客观条件，仍旧做了一些简化处理，如忽略大孔隙中 的优先流、把坡面径流简化为水深和流速均匀的层流来处理、以及忽略土壤水分 特性曲线的滞后作用等。 以m i k es h e 为代表的分布式物理模型虽然存在一定的局限性，但近些年 来也得到了一些应用，如m i k es h e 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刚。早期的m i k es h e 应用主要集中在径流预 测方面，后来多用于环境系统模拟，如垃圾场的地下水污染，地下水开发对地下 水位和河流环境的影响。农业灌溉和盐分浓度的规划管理，灌区水土资源管理方 案的评价等 2 0 j 。应用区域面积从不足l k m 2 到近3 0 0 0 k m 2 不等。 还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s h e 模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【2 i 】：( a ) 基于纯统计描绘的，如 p d m 模型 2 2 1 ；( b ) 基于简单函数形式的，如新安江田】、a r n o l 2 4 1 、v 1 c 模型； 2 第一章绪论 _ i l董 i , i s ! ! ! ! s s _ ( c ) 基于由g i s 导出的永文响应单元，鲡s w a t 模疆潮；( d ) 基予简化物理推 导褥出的水文相似性指数的分布，如t o p m o d e l f 2 6 j 。这些模型虽然郝很重视流 域响应的空间变异饿，但要确定一场降雨中流域哪些地方发嫩产流却不可能，因 此，它妇裁恕嚣括意海在流域尺度上聂确模拟其响应，即追求总体摸羧魄正确蛙。 这类模型的优势在予可以把流域下熟面中的某些影响水文响应的关键因子( 如土 壤豢瘩容量、建形等) 獒空瓣变买黢在分毒戏函数孛爱浃窭来，嚣不崧豫全努毒 式模型那样引入众多的参数，且模型参数确定也相对简单。 计算稳技术霸备种信怠技术无袋会越来越先进，这必然会健送水文模菝豹发 展，但对其将来发展的方向却主要存在着两种不同的观点。一种观点 2 0 l q 认为僚息 技术韵迸一步发展必然会使得分布式水文模拟更细致、更复杂，认为这对于径流 预测可能并不十分必要，但对于以水漉为基谶的环境影响分叛( 如土缝测用交亿、 地下水提取蒋人类活动影响预测以及水质、土壤侵蚀模拟等) ，除了疆求分布式 模蘩更失绥壤矮，掰无链法。吴一耱溪点1 2 l l 认为上述瓣发震怒势未必辍取缛好戆 预测效果，因为更复杂意味着更多的参数，更多的参数意味蓿率定问题变得爱困 难。嚣毙，磊者颓彝予拜发参数籀慰簿约豹分蘩式水文模蝥。然磊，近麓球黉承 文模拟中个基于过程的分布式水文模型1 2 刀又部分地否定了以上两种观点。该模 型龛部应弼能量平衡方程简单地模缀融雪过程来迸彳亍水量预估，萁输入资瓣缀与 传统模型一样，但模型预测结果与实测资料的相关攒数( 平均r 2 ) o 。9 ) 明摄离 予以温度为指数的传统模型( r 2 锄8 ) 。尽篱这样的研究成粟还很少见，但至少 可以说明对予分毒妓本文模羧，曩赫还不能鹱言鹱一秘是最好的方袋。 各种模烈的应用都要受限于可用资料。著名水文学家b e v e n 曾指出即使测量 鼓零蒌零完善，爨鸯登要区分秀静模型：一怒蔫于毽鳃本文：蓬程绥褒夺足廑土详 细描述得水文模型；另一种怒用于流域尺度上的预测预报模型【2 1 1 。前者必然隳依 赣予承流滚臻豹遗矮缝形转往，丽瑟者耪不疆求那么多豹输入数据，褥且用予预 测目的的模型，其所需数据必须是易于获德的。 分布式水文模拟呈现出多元化的蓬勃发展态势，各类模型在应用中的表现各 番千秋，但都在力求保证模型效率达列一定要求的越提下努力追求模型结构和参 数的物理基础。 河海大学博i 擘位论文 基于下渗理论的i 呵格型松散结构分布式水史模型研究 ( 2 ) 何谓。物理基础”? 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：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上的。 寻求物理意义明确、可以通过实测直接得到或者由实测资料推算得出的参数。 在水文模拟中，通常把应用数学物理方程描述产汇流过程的水文模型称作 “具有物理基础的水文模型”。这种模型有严密的物理概念与数学公式，看起来 似乎科学性很强。从水文学的研究方法上来讲，数学物理方程、经验公式以及概 念性模型等都是水文物理过程的描述语言，它们都是对自然现象的近似描述。经 验公式和概念性模型通常是基于大量的数据分析归纳出的数据之间的函数关系， 虽然其中大多数也符合“质量守恒”或者“能量守恒”原理，但并不一定能给出 严格的物理解释。而描述水文过程的数理方程多经得起理论推敲或者试验验证， 其参数多数可以由实测得到或者从实际资料推算得出，具有一定的物理意义，因 此人们往往认为数理方程的描述更贴近真实的物理过程。但从分布式物理模型近 3 0 年的研究与应用情况来看，其对水文过程的模拟精度并不乐观，甚至不及简 单的集总式模型，效果远远没有预想的那样美妙。问题出在哪里呢? 许多分布式 物理模型在穷尽现有资料条件的情况下，距离实际应用仍有很长的路要走。显然， 以分布式和具有物理基础为最大优势的分布式物理模型并没有很好地重现自然 过程，也就是说它的模拟结果并不符合真实的物理过程。由此，一个从物理基础 出发的方法最终却偏离了真实的物理实际，这就提醒我们要重新考察我们的出发 点，同时有必要重新思考一下物理基础的涵义。 评价一个模型是否具有物理基础，往往是指该模型对径流形成机制的描述是 否符合真实的水文过程，但不适宜的数理方程会使得看似具有物理基础而实际模 拟结果却与实测不符，甚至违背基本的物理守恒定律。这种经不起检验的模型显 然根基不牢，并且与人们的期望相背离。“物理基础”应代表客观现实，一个 具有物理基础的模型应当是一个从客观现实出发的模型。因此，判断一个模型是 否具有物理基础，应当以其对客观真实过程的再现能力为主要标准。 b e v e n 认为【2 甜，具有“物理基础”应当意味着该理论可以从已经建立的一些 4 第一荦绪论 ，e 崮ii l li i ! ! ! 皇g s j ! ! e 物溅定律中推导出来，就像禽理酶假说和定理所定义的那样。模型其有“耪瑷基 础”不仅要满足与既定的理论假设棚容( 但这仅仅悬必要条件) ，而且还要保持 与观测资料的一致性。如果不能证明模型满足这两个要求，那么这个理论就憋有 缺黢的，或考说其不戆在实际中应题( 否则就是理溅凌辩有锩或者仪骞局部代表 性) 。在流域水文模拟中，般对模型在理论上是否可以接麓不作很高的要求， 毽瓣模型在浚域尺发圭是孬与实溅簸一蒙饕常关注。餐分毒式凌璎攘爨对裁兹遣 非常关注，即首先遗求模型的理论纂础必须是可靠的。 综合以上分斩，一个永文摸鍪其有物理纂磕应巍禽三层禽义：一蹩在理论上， 模戮结构不违反基本的物理原理，如质量守恒、能量守恒等；二是预测过程成与 实测资料傈特可以接受的一致住；三是模型的核心理论应当怒可以觚已经建巍的 一终物理定德中推学出来。 有些模裂的建赢是从犬鼯的数据统计分析中寻找出降雨径流相关关系的，而 这秘关系又往往是浓文过程孛豹客黢援律，褥聚套会逶瓣搂黧维搀譬参数，裁毙 够给出好的预测了。如新安江模型就是这样建立起来的，其在中国湿润、半溉润 戆嚣静广泛瘫霜迁鞠该模登缀驽逮筑浃了这魏遣送豹产汇滚_ 过程。致这个意义j 上 说，新安江模型是基于客观存在的物理规律建立起来的，也就是说它是有一定的 物理基础的。基于大量数箍分祈我国的产汇流规律也是对客观世界的真实描述， 这照然不象经典的数学物理方程那梯有严密的物理概念与数学公式，但在水文学 的威用中却可能更加凑效。也许我们不应该那么迷信经典的数理方獠，而应该重 视繁子实黪理测资辩的援镎挖握。这甄秘方戏理应其毒同等的嬗使，郄应该称作 具商物理基础。 ( 3 ) 蘩予永动力学的分布式承文模墅静局限往 基于水动力学的分布式水文模裂又称为分布式水文物理模型，其应用手地下 水和非饱和带水流的模拟已经有3 0 多年的历史，但除非是在非常简单的条件下， 否则鳃援聪是镶难终到夔。因姥，褒实际攮凝下一般使用数馕方珐( 毒鼹差分、 有限元，边界元等) 求解。 努_ 鑫式瘩文凌壤模型出予瑾论羧薹上豹疑鞫帮举容乐袋戆痘躅效渠，导致许 多学者对其可靠性持有很大怀疑。 必须承认的一个基本事实是，水文学中旃些情况的水流方程与其袍流体动力 河海人学博i 。学位论文 摹于下渗理论的m 格型松敞结构分布式水史模型研究 学方程( 如气象学、海洋学、湖沼学中的流体动力学方程) 有着根本的不同：如 坡面流和地下水运动主要受控于局地的地貌、地质条件和单个流路路径的局地边 界阻力，而不是流体本身的动力【珊。这就意味着要提高计算精度就不能只考虑水 流的特征，而且还要考虑水流介质或者渠道的特性。 目前，所有的有物理基础的地下水分运动描述均依据达西定律和理查兹方 程。b e v e n 认为这里存在着一个基本的错误 2 0 , 2 8 】，即理论方程对应的尺度与其应 用情况下的尺度不一致。这是指假定点尺度方程可以应用在块尺度上，再依据模 拟值与实测资料的对比来率定出尺度变化后的“有效参数值”，作为模型的参数 值。这种水文模拟中最常用的“反推法”的出发点有可能与水文现象的物理机制 不符。b e v e n 认为达西定律对于土柱内局部范围的有效性尚值得怀疑，对于土柱 尺度和块尺度则绝对无效，对于分布式水文模型的网格尺度当然也无效 2 0 , 2 s 。分 布式模型在应用这些方程时，要求其参数和变量在几十米甚至几公里的空间范围 内一致。r e f s g a a d 基本上同意 k w e n 的总结：“不能保证在以网格尺度描述水文 过程时，分布式水文模型是基于正确的方程”，但他认为这是一个非常悲观的观 点，并认为基于现有知识来建立模型才更具有意义，等将来有条件时再做进一步 的改进。 达西定律和理查兹方程很好地描述了实验室土柱中的饱和水流和非饱和水 流。天然孔隙含水层中地下水流的雷诺数和裂隙中地下水流的水力坡度，一般远 小于临界雷诺数和临界水力坡度。大于临界雷诺数的流动很少出现，仅在喀斯特 岩层中或井壁及泉水出口处附近可能见到 2 9 1 。因此天然地下水多处于层流状态。 当地下水低速度运动时，即雷诺数在l l o 之间的某个数值时，为粘滞力占优势 的层流，适用达西定律1 2 9 1 。也就是说，大多数自然状态下，描述地下水流运动是 可以适用达西定律的。但使用尺度要接近实验土柱尺度，否则理论适用的尺度与 使用中的实际尺度不匹配将会带来误差。但这种探索仍然是值得尝试与鼓励的。 m i k es h e 在流域尺度上成功验证的实例1 2 0 】说明物理基础的分布式模拟方法能 够通过内部状态变量的验证，并且允许使用严格而明晰的参数值。m i k es h e 的 开发应用者a b b o t t 和r e f s g a a d 强调，能否正确地使用模型是模型使用者的责任， 而不应该与模型方法的可行性及其一般特征混淆 2 0 1 。 既然存在这种基本的错误，那么为什么这类模型还能凑效呢? 这一方面可能 是由于这些模型在一定程度上可以模拟出水文系统自然现象的重复性，即它的模 6 繁一章绪论 糊谣复杂的水文机制；嬲一方面，模型参数确定对主要采瑁的辜窥方法在水文模 拟中往往能够凑效。就参数确定仍然要依靠反推法来率定而言，分布式物理模型 在遗方面没有突破集总式模型的局限性。 照然物理方程与高分辨攀的图像、数据资辩在分毒式模拟孛广为采爰，但是 这糖远魄集慧式复杂豹穰鼙并没有必然楚褥弱更籍豹续采。纛魏s e y f r i e d 秘 w i l c o x 所言1 3 0 1 ：“物理撼础模型的缺点之一怒较集总式模型需要照多的输入资 料，遮样确定和检验参数的工作量就大大增加丁。而模拟结果往往只是略微好于 甚麓不如集总式模型。邈就使很多人怀疑物蠼蒸础的模型是否值褥去努力，至少 在严潺豹理论簪 究之终懿努力蓬撂悔疑气支持魏溪熹豹入缀多，蘩l o a g u e 和f r e e z e l 3 n ，m i c h a u d 和s o r o s h i a n l 3 2 】，b e v e 8 1 等。 理论上，物理模型的参数可以实测或者由实测资料率定得出。但在实践中， 由予水文系统的非线性和结构异质性，物理模溅的参数往往并不能由实测物理量 礁定漱来聊l 。这赣导致篙要搴定孱谡的丽格必壤上夔有效参数毽，“有效”指懿 是霹叛由之得出合理豹流竣尺度上的模拟络袋。这个率定过程缀麓杂，不如基于 水文过程线分析率定集总参数那样容易，因为绝大部分有效参数代寝的是局部特 征。淌调好的参数可以适成模型时，人们又要问这些参数是否仍谢物理意义，或 者j | ：时模型是否又成了糙致的。黑箱子”模激瞩? 孙8 9 辩窥f r e e z e 菰淹，对于蘩理基懿壤溅瑟言，模型参数镶误霹戆来源手 基予点测量资料描述送域分布性特征手段的笼力1 引l ；b c v c n 认为所谓的物理基础 模型并非建立在真正的物理机制之上1 2 s , 蚓；w o o l h i s e r 认为如果一个模型是真正 具有物理基础的，模拟者威当可以事先估计参数值或者直接在野外测量获得i 蛳。 ( 4 ) 壤念毪分毒式窳文筷垄戆秀发终簸 在模型开发中，汲取传统之力量的循序渐避的方式往往是徽裔效的。集总式 概念性模型与分布式筝段的结合正是这种思路的体现。集总式模型( 如 s a c s m a 、水箱模型等) 有几十年的应用经验，已经成为水文工作中的实用方 法，瓣疑零文学家在这方露妖累了丰富懿使麓经验，在这个基础上逐一步攘入分 奄茂葶段以燕强对空阕黛器性的描述，正好掰瑷集二者之长。虽然集慧式模型并 没脊明确地使用经典的质鼹和动量守恒方程，识它们却综合了基予野外实验的基 本的物理机制，由此，鉴于概念性模型在多级尺度上运行良好，故很有可能成为 ? 河海人学博l 。学位论文基于下渗理论的刚格型松散结构分布式水文模型研究 分布式模拟系统的建构元件。正如r o b i n s o n 所言：“发现物理基础和概念性模型 之间联系的工作还做得很不够，尽管这恰好就是推进以预报为目的的水文模拟所 需要做的”【蚓，我们应当从概念性集总式模型与具有物理基础的分布式模型的比 较分析中衍生出有益的东西来，促使集总式模拟的经验在分布式模拟中得到有效 的应用。 分布式概念性模型将应用广泛的经典集总式概念性模型用于网格单元的产 流，然后链接一个汇流模型，如美国天气局的h l r m s 模型【7 1 、基于新安江模 型的分布式模拟【3 7 ，翊、t a c 0 1 5 1 模型等。在实现方式中，有很多细节问题需要解 决，比较突出的是集总式模型的适宜单元尺度问题以及网格参数的确定方法。当 然，这也是各类分布式模型研究中的普遍问题。 经典的集总式模型己在几十到上千平方公里的流域上应用，在几百平方米或 者几个、十几平方公里的小尺度上如何使用，究竟多大的网格单元( 或者子流域) 才可以兼顾集总式产流模型和分布式描述流域空间变异性的优越性，这是分布式 概念性模型要解决的首要问题。基于新安江模型的分布式模拟表明，并非数字高 程模型的分辨率越高越好，这与土壤前期湿度以及降雨强度、流域尺度等因素都 有一定的关系，而且径流模拟一定要与参数率定在同一分辨率下进行，否则会产 生较大的误差【朔。基于s a c s m a 的h i ，r m s 模型刀应用的是1 6k m 2 的网格， 在2 0 0 2 年的国际分布式水文模型比较项副瑚中，总体应用效果较好，在提高径 流预报精度和空间分辨率，以及无资料地区水文预测方面表现出较大的潜力。 在网格参数的确定上，分布式概念性模型与分布式物理模型均存在有效参数 确定的问题。二者的区别是前者的参数从大尺度过渡到较小的单元尺度，后者则 是从小尺度到较大单元尺度的转换。对于分布式概念性模型，直接移用在形状特 征相似的较大区域尺度上率定好的集总式模型参数是否合适? 如不合适又当如 何确定所谓的“有效参数值”? 在现有文献中，为了加强模型的物理基础，多是 将产汇流参数与流域下垫面特征相关联1 7 , 仙棚，建立其相关关系，作为确定“有 效参数值”的重要依据。其中，h l r m s 模型的做法非常值得借鉴。它的参数确 定分两步进行：首先应用l k m 的土壤属性数据推出各网格的s a c s m a 先验参 数值，然后再用流域出口水文过程线校准先验网格参数。其基本思想是利用局地 网格的特性和流域出口处的总响应分析出流域内部网格单元的参数分布。在 i l l r m s 的研究中发现川，当先验参数来源于尺度对比相对较小的集总模型率定 8 第一币绪论 e s # 暑ii i i l l l , g ! ! ! ! ! 自# e | e # ! ! ! ! g ! 女s | e ! 目| 自e e ! 目e 自e 自| ! ! ! 自目! ! 目e ! - 区域对，模拟效果桐对较好，鄂先骏参数酌宰定区域尺度与参数应用尺度的院值 下降时，模型误差会相应降低。这与基于新安江模裂的分襁式水文模拟研究1 3 7 1 中的相关绪论是一致的。 1 2 2 降辩空闯分布模羧 降雨怒降雨径流模型最重要、最基本的输入资料，但科学家们直难以精 确描述和预测其时窀分布。许多学者研究发现，降雨空间变化的不确定性对水文 模测约预掇结果影螭壤大1 , 4 5 瑚l ；黪薅不仅慰径凌惑量秘漤蜂流量鸯影豌，瓣对 对蜂现时间也有极大影响 s s - s t ；此外，降雨的空问交化还明驻增加了水文模粼中 参数襞雾戆不确定缝 4 6 , 5 s ) 。癫_ 鳇是骛在本文攘羧孛臻确搐述舞嚣输入逶程懿纛要 性。 簿雨爨辩豹获敢一般霄两个途径：雨量站弼霸嚣这测掰。两释数旗在傻掰土 差别很大：雨量站网测雨总是先测得点雨量，而后通过泰森多边形法、算术平均 法、距离平方倒数法等给出流域上雨水的近似空间分布；而箔达测衔则可以巍接 测褥降雨的空间分布荠提供区域平均降雨量，在实射跟踪暴掰中心走向和暴雨时 空分布变化方面也麒有比较明显的优势。在对酶两空间变异性的描述能力上， 霉达测囊显然具鸯瑟裹的分辨率。天气霉这对于簿疆露空分蠢实时躞踪豹戆力霹 以克服雨量站测雨控制面积的局限性，但测雨雷达猩雨量精度上仍待提高，必须 依簇舔量蘧资瓣送行鳙蘩校正，嗣懿还磐矮考虑宅冀本文模麓在空麓分辨率t 豹 匹配问题。目前多采用二者结合的办法确定降雨的时空分布，在水文预测中取得 了较好的反用效果f 5 一o 3 l 6 0 嘲。 另外，有研究【黼1 表明，降雨的时空分稚存在一些简单的统计结构规律，这些 时空模式可以用适当的方法模拟出来，但目前具体的方法还不是很明朗。如果可 以找出降磷孵空模忒鲍组织蝮律，鄹么对予黎斑该擞与洪承颈擐郄姆是一个霾大 的推动。 ( 1 ) 基于雨量皴潮的瓷闯插氆 居前，掰量站嬲仍然是觋测流域降两时空分布的主要手段。由予薅量站网鼹 测的降雨量在空间上呈不规则离散分布，而实际应用和研究需要的怒降雨在流域 嚣上豹分鸯，倒摇在分毒式水文援掇孛震癸绘出每个网强弱簿囊竣入。因_ l 毙，骞 必簧采用空间插值方法，通过有限的雨量站点雨量来求得降雨在流域上的空间分 9 嚣潍天学鲢 学链沧空摹予节渗理论嚣秘辏型镫教终擒， 毒式承支援鼙磅究 布。缴间插值技术是一种能够将点属性拓展到两属性的方法。在定站网密度条 件下，利用空间插值方法模拟出降雨的空间变化模式，既可以节省大量的经费， 又能够基本达到应用的需求例。 黪舔资辩豹插篷秀滚缀多，如泰森多边形法、距离平方倒数浓，筹藤量线法、 麓貉赢法、样条函数法、趋势蟊法，班及尧熬金法等。其中竟璧金方法被广泛应 用于降雨空间分布模拟、地下水模拟，土壤制图等领域，成为g i s 软件中用于地 理统计插值的重要方法。 胁呔s i 明，b o r g a 和v i z z a c c a r o f 6 b j ：等发现馈铎结果与雨量站阙磐度有关。对于 蹇密度豹菇霜( 溺麴每3 5 k i n 2 串寿1 3 令聚鬃麓) ，尧里金方法并举逡箨些饕摹魏 方法( 细距离平方倒数法、多重二次曲面法等) 结果更好。丽在一般站网密度下， 许多研究者发现唧7 0 j ，与传统方法相比，地质统计学方法( 如克服金方法) 一般 能够给出更好的降雨估冀傻。 缝矮统谵学方法瑷嶷霪区壤绽理谂为鏊獭，囊矮租邻嚣本意翊豹稿互关系来 对寒j 嚣点进行预测1 7 1 1 。豫了能够提供搓值谖麓之辨，克垂金方法鞠对于其它方法 的最大优点是，当主要桶设的样本点较稀少时，可以通过样本点较密的第二属性 加以补齐f 3 研。就降雨而玄，第二信息可采用天气雷达的观测值或者来自于d e m 的鼹凝、坡自等信息。h e v e s i 等对内华达秘加剩福尼亚东南部繇个站点的实溅 炎辩滋行分羲嚣发瑰，舞程阋簿褒量熬程关系数胃运0 7 5 戳土阪7 3 。磊弱将考 虑商程因素的协克里金方法的降雨空间插值方法分别应用于短掰时降雨，月降雨 量和年降雨量空问展布，结果表明：在降雨嫩较小的l 6 月份，该方法与其它 方滋效果裙当，丽在降掰鬃相对较大的7 t o 月份，该方法明显优予普通克里金 方浚、距褰平方溺鼗法等陶。o b l e d 、b l o s c 瓣l 嘲浆磁交翻菰秀，冬警缘瘴蘩量与 裔稷有很好的相关关系，假对于小时降雨的窳阋模式估计，这种关系的意义不大。 搿实上，每一种插慎方法都是对研究因子空间结构和模式的种假定，而这 种假寇是否合乎自然现象的本质是该方法适用与否的关键所在。同时，如果选用 辘助资辩改进插篷效鬃，捌必须慎重选择“藤确”戆耱蘑变量，褡癸g 不仅无助手 改邈攒值效果，反焉会酶低空间薤僮兹耪发洲。 ( 2 ) 基于雷达测雨的窳间展布 尽管目前雷达测雨程水文中的应用还不尽人意，但其在多个分布式模型怫3 t 第一苹绪论 _ ii l1 1 j e ! ! ! j ! ! 自幽 6 3 ，7 ”8 1 中的应用己经盟示出能够改善水文预报精度的巨大潜力。 2 0 擞纪9 0 年代，荚国、欧盛以及露本、韩翳等先后开震? 掰一代雷达瓣盼 建设，并已逐步将雷达测雨资料成爝剜洪水预掇颓警业务中1 7 9 1 。我雷扶6 0 年代 开始布设天气雷达，经历了从信息模拟显示到信息数字化处理两个发展阶段，日 兹已经形成了鞋s 波段、c 波段常规天气雷达为餐手，x 波段常矮天气雷达为局 部辅瓒酌天气雷达稚稀。 雷达岛雨量计联合测定区域降水方法的主要恩路是：用少数的地面雨量计测 定静降本强度去校验髑瘫隧闻