（水文学及水资源专业论文）基于she模型的土地利用变化对水文效应的影响.pdf

摘要 基于s h e 模型的土地利用变化对水文效应的影响 水文学及水资源 曾昭豪 指导教师：陈洋波教授 摘要 我国南方流域夏季多有暴雨天气，容易发生洪水灾害，造成重大经济损失。 而随着经济社会的发展，工业化和城市化程度的加剧，人类活动对流域环境的改 变开趋剧烈，特别表现在土地利用变化上。而流域环境的改变对流域水文过程乃 至洪水过程都有重要影响，它提高了洪水灾害发生频率和破坏程度。因此，有必 要深入认识土地利用变化对流域水文过程的影响，为流域土地利用管理提供参考 并预防洪水灾害发生。 本文采用基于物理机制的分布式水文模型一s h e 模型结合极端土地利用情景 等模拟方法，对流域土地利用变化对流域水文过程的影响进行研究。首先在模拟 流域建立模型，然后对模型的参数敏感性进行分析，给定适合该地区流域的模型 参数，并通过1 0 场流量过程进行模型验证。然后通过极端土地利用法设置6 个 不同的情景，描述流域土地利用的变化情况，并用s h e 模型分别对不同情景进行 模拟，得出水文过程的模拟结果。最后，对模拟结果进行类比分析，得出不同土 地利用改变情况下，流域的水文响应以及主要影响因素。 通过1 0 场流量过程的验证，发现模型的模拟精度是令人满意的。模拟平均 相关系数为o 8 9 7 ，平均确定性系数为0 7 2 ，表明s h e 模型运用到南方流域中是 合适的。另外，土地利用情景模拟的结果表明，土地植被覆盖类型对流域的潜在 蒸散发总量的影响较为突出，林地的蒸散发量大于耕地；而土壤类型则对流域的 坡面径流量、流域径流过程等有显著的影响，其中模拟流量黏壤土最大，壤土最 小。最后，对s h e 模型、土地利用变化模拟方法及两者耦合研究等问题进行探讨。 关键词：分稚式水文模型、土地利用、m i k es h e 模型、水文效应、流溪河流域 a b s t r a c l s i m u l a t i o no fh y d r o l o g i c a lr e s p o n s et ol a n du s ec h a n g e b ys h e m o d e l h y d r o l o g y a n dw r a t e rr e s o u r c e s z e n gz h a oh a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry ，a n g b oc h e n a b s t r a c t i tw i l lb eah e a v yr a i nw e a t h e ri ns o u t h e mc h i n ai ns u m m e r ，s on o o dd i s a s t e rh a p p e n s e a s i l ya n dc a u s e sg r e a t1 0 s i n g a st h ee c o n o m ya n ds o c i e t yd e v e l o p ，i tb e c o m e sm o r e a j l dm o r ei n d u s t r i a l i s a t i o na 1 1 du r b a n i z a t i o n ，h u m a na c t i v i t i e sd l a n 眢et h ee n v i r o m e n t o fb a s i nal o tt h l o u 曲c h a n g i n gt h e1 a n du s e i tw i l la f f e c tt h ep r o c e s so fw a t e ra n d n o o dw h i c hm a k et h en o o dd i s a s t e rh a p p e n sm o r eo r e r s oi t si m p o r t a n tt ol e a n l a b o u tt h ei n n u e n c eo ft h el 锄du s ec h a n g i n gs oa st op r o v i d ear e f e r e n c et om el a n d a d m i n i s t r a t i o na n dp r e v e n tt h en o o d h e r em a k i n gar e s e a r c ho nh y d r o l o 西c a lr e s p o n s et ol a i l du s ec h a n g eb ys h em o d e l a n dm ee x t r e m el a n du s es c e n a r i o f i r s tb u l i d i n gu pm em o d e l ，t h e nm a k i n ga s e n s i t i v i t ya i l a l y s eo nt h ep a r a m e t e r s a r e ri t ，s e l e c t i n gm ec a l c u l a t e dp a r 锄e t e r s w i m i nm eb a s i n a n dm e nm a l ( i n gav a l i d a t i o nt h r o u g l l10p r o c e s so fd i s c h a r g e u n d e rt h em e t h o do fe x t r e m el a n du s es c e n a r i os e t t i n gu p6s c e n e sf o rd e s c n b i n gt h e l a l l du s ec h a n g eo ft h eb a s i na n dn l r u l i n gt h es h e m o d e l l a s t ，c o m p a r i n gt h er e s u l t s t om a k eac o n c l l l s i o nt h a tw h i c hm em a i ni n f l u e n c ef a c t o rt ot h eh y d r o l o 西c a lr 印o n s e i su i l d e r t i l el a i l du s ec h a n g e v a l i d a t e db vl0d i s c h a g ep r o c e s s ，i ts h o w st h a tt h er e s u l to ft h em o d e li ss a t i s f 弧n g t h ea v e r a g ev a l u eo fc o l l r e l a t i o na n dn a s hs u t c l i f fi so 8 9 7a n do 7 2 i tm e a n st h a t t h em o d e li ss u i t a b l ef o rt h eb a s i n a tt h eo t h e rs i d e t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o w m a tt h ev e g e t a b l ec o v e rh a s灯e a ti n f e c “o no ne v a p o 豫t i o n t h ea m o u n to f e 、，a p o r a t i o ni nf o r e s ti s 霉，e a t e rt h a nf i e l d a tt h eo t h e rh a n d ，d i s c h a r g ea n dr u n o f fa r e d e 印l ya f ! i e c t e db ya g r o t y p e t h el a 玛e s t 锄o u n to fd i s c h a 唱eh a p p e n si nc l a ya n dt h e s m a l l e s ti ns o i l l a s t ，d i s c u s s i n gt h ei s s u e so fs h em o d e l 、s i m u l a t i o nm e t h o do f1 a 1 1 d u s ec h a n 2 ea n d l ec o u p l i n go ft h 锄 k e y w o r d s ：d i 嘶b u t e dh y d r o l o g y h y d r o l o 百c a lr e s p o n s e 、 m o d e l 、l a n du s e 、m l k es h em o d e l 、 l i u x i h er i v e r b a s i n i l 附录 论文原创性声明内容： 附录 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 z 学位论文作者签名：歹表k 岛 日期：2 。8 年6 月5 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论为用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 8 年6 月5 日 9 1 芩 ，z乳吖5蒴嗍 西 毕 ， r 名 签 ： 】，1】 师 期 导 r 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 水资源与我们的生活和生产密切相关，人的生活离不开水以及它所组成的环 境。可见水资源对我们日常生活乃至生命活动的重要性。但是，随着经济、文化、 科技等各方面的迅猛发展，城市化的迅速推进以及现代工业的发展等人类的频繁 活动，对我们生活和生存的环境已经做出了相当大的影响，甚至改变了某些地表 和地貌形态，并最终使得水文情势在一定程度上的改变。这样使得原来的水文水 环境有了相当迅猛的变化，并且环境的改变以及新元素的增加，使得问题趋向于 复杂化，自然灾害特别是洪水灾害对人类社会的发展和人类活动等方面将会有更 多的制约和影响。因此，需要我们对所处的环境和水文情势有更加深刻的认识， 不仅从定性上，更应该从定量上做出研究。尤其是近几十年来，随着人口的增加 和工农业的快速发展，生活用水、生产用水日趋紧张，水质污染，水资源的不合 理应用，地区用水的不平衡，极端洪旱事件的频繁出现等，更加促使人们要求水 文学的定量化研究，以保证水资源的合理调度和应用( 陈仁升等，2 0 0 3 ) 【l 】。如 何更清楚地认识我们所处环境的水文特点和洪水特点将对我们的生活、生产乃至 其它各个方面都有很好的指导作用。 在这样的环境之下，一种主要用数学方法去描述和模拟水文循环过程的研究 方法产生了，它就是现在普遍使用的水文模型。它用数学语言和物理模型对现实 水文系统及过程进行划分和模拟，并可对水文响应变化作出模拟和预测。水文模 型在水资源开发利用、防洪减灾、水库、道路、城市规划、面源污染评价、人类 活动对流域响应影响等诸多方面得到了广泛的应用，当今的一些研究热点，如生 态环境需水、水资源可再生性等均需要水文模型的支持( 吴险峰等，2 0 0 2 ) 【2 1 。 流域水文模型从定性描述阶段以及开始形成的阶段至今已经过去了好几百 年，但是水文模型的真正兴起大概也只有一百年左右的时间，究其原因，主要与 计算机的迅速发展有很大的关系。在这个时期发展起来的，也是我们现在还在普 第l 章绪论 遍使用的集总式水文模型。集总式模型在一定程度上发挥了很好的作用，对水文 预报和洪水模拟等很多方面都取得很好的效果。但是集总式模型也有其自身不可 克服的缺点，例如对于流域的考察缺乏实际水文空间的分散性和不均匀性的输 入，这与实际情况下，水文资料和水文环境的空间变异和复杂多变的情况是不相 符合的。如果需要对流域环境和水文情势的空间变化做出更加准确的描述有一定 的困难。( 万洪涛等，2 0 0 0 ) 【3 1 。 随着计算机科学的继续迅速发展，使得大量的数据计算成为可能。另外，交 叉学科的兴起，特别是地理信息系统g i s 以及卫星遥感技术r s 和全球卫星定位系 统g p s 等3 s 技术在水文中的日益广泛应用，气象卫星数据和遥感数据的较容易获 得，流域水文模型进入一个阶段性变革的时代。引入了3 s 技术并与计算机技术紧 密结合，一种新的流域水文模型应运而生，这就是分布式水文模型。 分布式水文模型有着解决传统集总式模型所不能解决的问题之优势和自身 的特点，首先，模型视流域的实际情况将其划分为不同类型网格单元( 酥dc e l l ) ， 每一个单元格对应不同数值，这样能够较为准确地描述模拟流域的不同下垫面和 降雨情况，并能够独立地对单元格输出结果，解决了由于对流域的单一划分而造 成的不真实性。其次，物理机制更加明确，他采用动量守恒和能量守恒对数字高 程模型进行模拟，采用水动力学方法进行洪水演进。最后，可以对历史资料缺乏 的地区应用。可以通过3 s 等空间技术获得数据支持，而不一定需要大量的历史资 料对模型进行率定( 胡春歧等，2 0 0 4 ) 【4 1 。由于有着自身的特点和优势，现在越 来越多研究人员将目光放在分布式水文模型上。 由于分布式水文模型的发展潜力以及其发展的条件同渐成熟，分布式水文模 型有着长足的发展。自1 9 6 9 年f r e e z e 和h a r l a l l 第一次提出了关于分布式物理模型 概念丌始，分布式水文模型迅速发展起来。之后，三个欧洲机构共同提出s h e 模 型，它不但是最早的分布式水文模型的代表，更加是一个考虑水文循环和水文过 程比较全面的流域分布式水文模型。之后陆续出现了对于不同地区或者偏重于某 些特定方面的具有较强地区适应性的分布式水文模型，例如有在水质模拟、防洪、 水库设计等方面应用的c e q u e a u 模型，强调地表水和地下水结合的s u s a 模型 等。流域分布式水文模型在各国都有一定程度上的应用，但是目前由于数据获得 和处理，以及通用性、精确性等问题在具体应用上还没有占到主导地位，还不能 2 第l 章绪论 上升到指导生产等地位。这就需要不断的改进和加强模型在不同地区的应用，提 高模型数据输入的精度以及获取更多的数据支持等手段来实现分布式水文模型 在流域上的应用并发挥其更大的效果。 很多学者都大胆地认为分布式水文模型将会是以后水文模型发展的方向和 实现更准确水文模拟和水文预报的最终归宿。而如果能够对流域的下垫面和各种 不同类型的数据有更加准确的认识，加上3 s 技术的发展能够提供更加大量和精确 的数据的情况下，将有可能不断提高分布式水文模型的精度和准确性，使得分布 式水文模型逐渐作为实际应用和操作的指导性方法。 1 2 研究意义 本次论文研究的主要区域放在南方，目的是通过模型的建立和计算，了解分 布式模型在我国南方流域运用的适用性和准确性，并通过模型参数的调整后，对 流域在土地利用变化情况下的洪水情势改变进行分析，从而了解由于人为活动或 者其他原因之下引起的土地利用变化后，对该区域洪水特性和特点的影响。 珠江流域是我国南方的一个主要流域，它是一个复合流域，由四个主要水系 组成，包括西江、北江、东江和珠江三角洲诸河等。地处亚热带，所处位置气候 温和多雨，多年平均温度在1 4 2 2 之间，多年平均降雨量1 2 0 0 2 2 0 0 i i l m ，降 雨量分布明显呈由东向西逐步减少，降雨年内分配不均，地区分布差异和年际变 化大等现象。另外，受到热带低气压和台风的影响，致使流域洪、涝、旱、咸等 自然灾害频繁。其中特别以洪水灾害的问题最为特出，而且洪水特征主要表现为 峰高、量大、历时长，这样给流域内人民的生命和财产造成巨大的损害。例如去 年乐昌的特大洪水和今年梅州市的洪水，都给当地的经济带来极大的损失，给当 地的人民带来巨大的灾害。所以，提高水文模型在洪水预报方面的精度有利于提 前作出决策，将会对制定相应正确的措施有着非常大的帮助。分布式水文模型耦 合其他空间技术和计算机科技，将有利于提高对流域洪水的预见性和精度。 本次研究基于欧洲的分布式水文模型s h e 模型，研究流域内由于人类活动 造成的下垫面变化( 不同土地利用类型) 。通过对不同情况的模拟计算，研究耦 合的分布式水文模型在南方流域的适用性和土地利用变化对水文过程效应。 第2 章相关问题研究进展 第2 章相关问题研究进展 2 1 土地利用覆被与水文响应 2 1 1 土地利用变化对水文的影响 随着人类社会的进步，表现为工业的持续发展，人口的急剧增长和城市化进 程大大加快，导致各种各样的环境问题日益严峻。其中对人类日常生活和生产有 着密切关系的水资源和水环境问题尤其突出。 其中，在众多影响因子当中，土地利用和土地覆被的变化对水环境的水文响 应和生态效应有更加深远的影响。研究结果表明：较长时间尺度上，气候变化对 水文水资源的影响更加明显，但短期内，土地利用覆被变化( l a n du s e 几a n d c o v e rc h a n g e ，l u c c ) 是水文变化的主要驱动要素之一【5 1 。l u c c 变化对区域水循 环、环境质量、生物多样性以及陆地生态系统的生产力和适应能力的影响极为深 远【6 】。因此，它作为影响水文过程主要条件，已经成为一个重要的研究课题，并 作为国际地圈生物圈计划( i g b p ) 吲的两个核心科学问题之一。 l u c c 改变流域下垫面水文特性，引起水文过程和水文效应的转变，主要集中 在水循环的水量平衡方面，另外对水质也有一定的影响【8 】【9 】，表现为下游洪水灾 害加剧、地下水补给减少、水位下降、水资源短缺、湿地退化等【1 0 】【l l 】。 随着社会的发展，人类越来越关心洪涝灾害问题，而l u c c 对洪涝灾害的发生 有着密切的关系。l u c c 改变土地的覆被状况，直接导致树木郁闭度的改变，改变 流域内冠层的植被条件，间接影响流域内的截流量和土地的蒸散发量【1 2 】。另外， 土地类型的转变，对水分的垂直运动过程和状态有着比较大的影响，主要表现为 入渗能力的改变以及地下水位的变化等，对流域产流、汇流的方式和时间等都有 不同程度的影响。 l u c c 变化对水文过程和水文响应的影响主要有以下几个方面： ( 1 ) 流域l u c c 变化对蒸散发的影响。不同土地利用类型由于不同的植被覆 4 第2 章相关问题研究进展 盖、叶面指数、根系深度以及反照率，而具有不同的蒸发速率。 ( 2 ) 流域l u c c 变化对截留的影响。普遍认为除了蒸发损失之外，截留损失 具一定意义，但截留的影响只有在小暴雨过程中且仅对地表径流速度产生影响时 才表现出来，在大暴雨和洪水事件中是无关紧要的【1 3 】。 ( 3 ) 流域l u c c 变化对填洼的影响。流域地形和土地利用变化影响洼地的面 积、深度、容积、数量，从而影响填洼量。 ( 4 ) 流域l u c c 变化对下渗的影响。流域l u c c 变化通过对土壤性质的改变而 间接影响下渗，如耕作土壤将导致下渗量比自然态土壤高数倍，植物根系将增加 土壤孔隙度、改变土壤持水状态，从而提高下渗速率，枯枝落叶层减缓渗透速率。 城市不透水层的增加导致下渗土壤水份存储量的下降。 ( 5 ) 流域l u c c 变化对径流的影响。对于径流的改变，主要表现为流域产汇 流的转变上面。l u c c 的改变影响暴雨期间拦截速率、渗透和土壤水的再分布过程， 特别是饱和水力传导受到植物根系和气孔的影响，另外，l u c c 的变化影响地表的 粗糙率，进而控制地表径流的速率和洪泛区水流的速度。以上的转变，都容易使 得洪涝灾害在流域内的发生频率和发生时的峰值产生变化【1 4 】。 2 1 2 土地利用变化的研究进展 土地利用这一科学问题，已经有一段长时间的研究，其中关于l u c c 变化如何 对流域水文过程的改变和引起如何的水文效应已经有一些主要的研究。 在研究的方法上面，已经有一些比较成熟的研究路线。对于l u c c 的改变如何 影响土地蒸散发、土壤水分和截留量等，以往这方面的研究大多采用试验流域的 方法，还有学者采用特征变量的时间序列分析方法【i5 1 。二十世纪六十年代以来， 随着计算机技术的发展，研究流域水文过程的数学模型得到了快速的发展【1 6 1 。对 于l u c c 改变对流域水文过程影响的研究方法大致有以下几个方面： ( 1 ) 试验流域法：早期的研究大都采用试验流域的方法，包括：控制流域 法、单独流域法、平行流域法和多数并列流域法等【1 7 】。该方法有利于揭示植被 土壤一大气相互作用的机理，但试验周期较长，通常在小流域进行，较大尺度流 域上操作难度大，其研究结果也难以应用到其它流域。 5 第2 章相关问题研究进展 ( 2 ) 特征变量时间序列法：特征变量时间序列法是选择较长时段上反映l u c c 水文效应的特征参数( 如径流系数、年径流变差系数、径流年内分配不均匀系数、 蒸散发等) ，尽量剔除其他因素的作用，从特征参数的演化趋势上，评估l u c c 的 水文效应【1 8 】。 ( 3 ) 水文模型法：通过水文模型对土地利用情景下，河流径流量变化的模 拟，研究l u c c 变化与径流量和其他水文因素的关系。 ( 4 ) 综合法：由于各种方法都各有自身的优缺点，并没有一种可以得到最 好的结果，这就需要综合多种方法以得到比较好的效果。其中主要方法有：1 ) 水文模型与统计学方法相结合的方法；2 ) 模型耦合法；3 ) 模型对比法；4 ) 组 件式模型库系统，用多种不同水文模型表达每个水循环过程及其伴随过程【1 9 】。 现在，越来越多的学者在研究l u c c 变化对流域影响的评价中使用水文模型的 方法，并且，随着空间技术和3 s 技术的发展，研究中越来越多应用地理信息系统 和分布式水文模型相结合的方法，反映流域内的空间差异，其得到的结果也相对 比较好。 虽然关于l u c c 这一问题的研究已经有一段很长的时间，但对于其改变与水文 过程变化之间的关系还没有一个确定的结论。在不同的流域中，由于自身众多类 型的土地利用和各种水文因素的叠加，使得相互影响的过程相当复杂。甚至出现 不同流域不同结论的情况。所以可以知道，在l u c c 改变的研究方法中存在一定的 问题，其中包括： ( 1 ) 研究方法：l u c c 水文效应的不同研究方法各有优缺点和各自特点。 ( 2 ) 理论问题：气候变化和l u c c 对水文过程的影响往往是紧密联系在一起 的。有的方法单纯从土地改变角度出发，没有考虑其他因素的组合。 ( 3 ) 研究结论不一致：因研究尺度、区域位置、气象条件、研究对象等方 面的差异性，使l u c c 水文效应研究得出的结论不一致【1 9 】。 2 2 国内外土地利用覆被研究现状 土地利用覆被的变化，对流域内水文过程的影响和水文效应的变化的研究 已有一段历史。前面所述，随着科学和技术的进步，对于该领域的研究方法和角 6 第2 章相关问题研究进展 度都有了相应的变化。其中，主要经历了长系列的试验和时间序列法、水文模型 法和现在的综合法等几个阶段。而研究的角度主要都集中在几个方面，如l u c c 变化与径流量的关系，与产汇流变化的关系，与洪水产生和变化的关系等。 在这几个研究角度上，国内外都有学者进行研究。 ( 1 ) 研究l u c c 变化与径流量变化的关系： 史培军等研究深圳市土地利用对流域径流的影响。其中运用美国的s c s 模型 对深圳部分流域进行径流模拟，重点分析了土地利用方式、土壤类型、前期土壤 湿润程度等下挚面因素以及降雨因素对降雨一径流关系的影响【2 0 】。 陈军锋等，应用s w a t 模型模拟了长江上游梭磨河流域不同土地覆被情景下的 多年降水径流关系，量化评估了梭磨河流域的土地覆被变化对径流、蒸发和洪峰 流量的影响。通过有林覆盖到无植被覆盖的情景条件转变，研究径流深和蒸散发 量的变化，从而得出土地利用对水文效应的影响【2 。 张蕾娜等，基于对s w a t 模型的发展和运行流程的概述，以云州水库流域为例， 模拟了二十世纪八十年代土地覆被状况下的1 9 8 5 年的流量过程，得出了与实测流 量拟合得比较好的结果。并提出了水文模型在流域土地利用变化上的展望【2 2 1 。 贺国平等采用分布式水文模型s w a t 研究北京地区过去径流量的衰减。研究 表明土地利用的变化导致河流径流量增加，而气候变化导致河流径流量减少【2 3 1 。 刘志勇首先运用s w a t 模型进行参数率定，然后选用t o p m o d e l 应用于梅江流 域。在该流域不同植被覆盖和土地利用变化的情景下，分析研究其径流总量和汇 流过程的变化【2 4 1 。 b f o w n 【2 5 】通过不同土地利用实践研究表明，暴雨径流量与不透水层覆盖呈正 相关关系。b u r n 和b a n d 【2 6 】的研究结论为：径流系数与土壤饱和度、不透水面积 比率呈二维l o 西s t i c 曲线关系。d o sr e i sc a s t r o 等通过人工降雨实验，研究了 不同耕作系统下，不同作物在不同的生长阶段，不同尺度( 1 k m 2 2 0 k m 2 ) 试验区 的土壤渗透系数、径流系数。 ( 2 ) 研究l u c c 变化与产汇流及洪水产生、变化的关系： v a nd e rp l o e g 【2 8 】等分析e 1 b e 河流域1 0 0 年来洪水频率，发现二战后农业机 械化、土壤集约式耕作导致土壤物理性质的退化是雨季农业用地产生的地表径流 增加的主要原因。n a e f 【2 9 】等为了估计土地利用变化对暴雨径流的可能影响，对德 7 第2 章相关问题研究进展 国r h e i n l a n dp f a l z 州的中尺度流域进行了通过土地利用变化来降低暴雨径流的 潜力评价。 高俊峰等根据土地详查和土地利用总体规划资料，分析太湖流域近2 0 年土地 利用的现状特点和将来变化趋势，以某一年的降雨资料和降雨类型分别计算了三 年的土地利用现状下流域的产水量，得出流域土地利用变化和流域产水量的关系 【3 0 】。朱超洪等利用二十世纪八十年代术期和九十年代末期获取的陆地资源卫星 图像，通过g i s 分析方法，对洞庭湖区近1 0 年的土地利用覆盖变化进行了统计 分析。并以1 9 9 6 年7 月日降雨资料分别计算了1 9 8 9 年和1 9 9 9 年土地利用状况下区 域的产水量。研究表明土地利用的改变，影响流域产水量和汇流速度【3 1 1 。 还有一些对长系列水文过程进行模拟，反映水文过程变化和水文响应结果的 研究，如李恒鹏等利用t m 土地利用解译资料，应用区域尺度单元格网分布式水 文模型s t r e a m ，进行长序列水文模拟，对太湖流域的土地利用所引起的水文效 应变化作出研究【3 2 】等。 从以上的国内外研究现状可以得出一些结论。首先，现在大多数的研究主要 集中在l u c c 变化与径流量和洪水响应的关系这两个主要的水文响应变化问题 上。其次，由于水文模型在反映水文过程上的优越性和直观性，越来越多的学者 使用水文模型方法进行研究，并且比较常用的水文模型是s w a t 模型。最后，随 着3 s 技术的发展和资料可获性的提高，g i s 与分布式水文模型的耦合成为这个 研究方向的一个新方法，并取得了一定的成效。 2 3 模型的发展 要运用水文模型对所研究对象进行计算模拟，应该对水文模型以及最终所运 用到的模型工具的产生发展历程有一个比较好的认识。 流域水文模型，它是由描述流域降雨径流形成过程的一系列数学函数构成的 一种数学物理模型，或者对一些规律加以物理解释，用严密的数学方式表达出来， 再把各个水文过程综合起来，形成全流域的水量平衡计算系统。建立水文模型就 是为了对水文系统进行研究和了解，发现其自身规律以及对未来的一些水文变化 作出预报。 第2 章相关问题研究进展 水文模型也有其产生、发展的过程。自远古至约十四世纪末是水文现象定性 描述阶段，十五世纪初到约十九世纪末是水文科学体系的形成阶段，自二十世纪 初到五十年代为应用水文学的兴起阶段，而现代水文学则起始于五十年代【。水 文模型的出现与早期的水文学研究的防洪问题有很密切的关系，可以说水文模型 的产生是基于洪水预报和防治的研究要求的。所以，普遍认为水文模型的出现应 该在应用水文学兴起的阶段。从这个时段的中期开始，人们将水文循环的整个过 程作为一个系统来研究，并提出了“流域水文模型 的概念。特别是在此期间， 1 9 3 2 年谢尔曼( s h e 衄a n ) 提出了单位线。1 9 3 5 年霍顿( h o r t o n ) 在他的论文“地 表径流现象 中提出的均质包气带的产流理论。1 9 3 8 年麦卡锡( m a c a r t h y ) 提 出了马斯京干( m u 幽n g u m ) 洪水演算方法。为水文学提供了合理的水文计算方 法，也促进了水文模型的发展【3 3 】。 大约在二十世纪五十年代中期，伴随计算机的出现，科研人员开始把流域水 文循环的各个环节作为一个整体来研究，并提出了“流域水文模型 的概念。随 即出现了s s a r r 模型( 1 9 5 8 ) 和s t a i l f o r d 模型( 1 9 5 9 ) 等模型，二十世纪七十 年代至八十年代中期又提出了新安江模型、s a c r 锄饥t o 模型、t a i l l 【模型、h e c 1 模型、s c s 模型、a p i 连续演算流域水文模型掣3 4 】【3 5 】。 以下分述集总式模型和分布式模型的发展和各自特点。 2 3 1 集总式模型 集总式模型还可分成系统理论模型或称黑箱模型( b l a c kb o xm o d e l ) 和概念 性模型( c o n c e p 吣a lm o d e l ) 。黑箱模型将整个流域看成一个黑箱子，它没有从物 理意义的角度去探索流域洪水过程，而是采用纯数学的方法去推求模型的输入及 模型输出之间的关系。黑箱模型不能对其预报结果从物理意义上进行阐述，因而 不易被人们接受，因此它的研究和应用受到了一定影响。但由于黑箱模型较为简 便，易于应用，并且在很多情况下能够获得了较好的应用效果，因此一直是一种 重要的流域水文模型。 黑箱模型中早期的代表性模型有爱尔兰学者提出的l p ，n l p 模型和意大利 的c l s n 模型等。二十世纪九十年代以来，水文界的部分研究人员试图采用人工 9 第2 章相关问题研究进展 神经网络方法、遗传算法等新的数学方法来改进黑箱模型的应用效果，并取得了 一定进展。 概念性模型对流域水文过程的发生和发展从物理意义上进行描述，并用若干 模型参数来定量描述各物理量之间的关系。概念性模型由于物理意义明确而易于 被人们理解和接受，较之黑箱模型得到了更多的重视和研究，在目前的实际应用 中，大量使用的就是这类概念性模型。 随着对流域内水分循环过程的了解和认识加深，开始了集总式模型的研究。 集总式模型考虑流域内的水文过程对流域水文的影响，对流域降雨经植被截留、 土壤入渗、水分在土壤中流动和以地表径流的形式流出流域形成的径流过程进行 计算，得到是经过上述水文过程的作用流域的径流过程线。不过，气候条件和下 垫面条件，包括地貌、地质、土壤、植被等共同影响着区域水文过程，这些地理 要素随空间和时间的变化而变化，集总式模型不考虑地理要素在流域内的空间分 异，而是把整个流域看成一个均匀一致的整体( a n d e r s o n ，1 9 8 5 ) ，降雨在全流域 均匀产流，相当于在黑箱模型的输入与输出之间加入了流域水文过程的环节【3 6 】。 2 3 2 分布式模型 2 3 2 1 分布式水文模型的发展 由于集总式模型自身的不足和不考虑空间差异等局限性，一种具有明确物理 意义并充分考虑流域内空间变异的分布式水文模型产生了。 流域分布式水文模型( 又称数字水文模型) 是指以流域面上分散的水文参数 和变量来描述水文时空变化特性的数学模型。 1 9 6 9 年f r e e z e 和h 盯l a n 发表了一个具有物理基础数值模拟的水文响应模 型蓝图的文章揭开了分布式水文模型研究的序幕。然后，h e w l e t t 和t r o e n a l e 在1 9 7 5 年提出了森林流域的变源面积模拟模型( 简称v s a s ) 。在该模型中，地 下径流被分层模拟，在坡面上的地表径流被分块模拟【3 5 1 。 1 9 7 9 年b c v e n h 和飚而b y 提出了以变源产流为基础的t o p m o d e l 模型 ( t o p a g r a p h yb 嬲e dh y d r o l o 酉c a lm o d e l ) 。该模型基于d e m 推求地形指数 ( 三n 似t a n ) ) ，并利用地形指数来反映下垫面的空问变化对流域水文循环过程 1 0 第2 章相关问题研究进展 的影响，模型的参数具有物理意义，能用于无水文资料流域的产汇流计算。但 t o p m o d e l 并未考虑降水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响，因此， 它不是严格意义上的分布式水文模型。 第一个真正、最有代表性的分布式水文模型是由丹麦、法国及英国的水文学 者( b e v 吼等，1 9 8 0 年；a b b o t t 等，b a m u r s t ，1 9 8 6 年) 研制与改进的s h e ( s y s t e m h y d r 0 i o 西ce u r o p e 趾) 模型，发表于1 9 8 6 年。 1 9 8 0 年，英国m o r r i s 进行了i h d m ( h l s t i t u t eo f h y d r o l o g ) rd i s t r i b u t e dm o d e l ) 的研究，根据流域坡面的地形特征，流域被划分成若干部分，每一部分包含有坡 面流单元，一维明渠段以及二维( 在垂面上) 表层流及壤中流区域。b e v c i l 等( 1 9 8 7 年) 和c a l v e r 等( 1 9 8 8 年，1 9 9 5 年) 对i h d m 模型进行了改进。1 9 9 4 年，j e f r a m o l d 为美国农业部( u s d a ) 农业研究中心( a r s ) 开发了s w a t 模型( s o i l 锄dw 乱e r a s s c s s m e n t t 0 0 1 ) 。s w 盯是一个具有很强物理机制的、长时段的流域水文模型。 它能够利用g i s 和r s 提供的空间信息，模拟复杂大流域中多种不同的水文物理 过程。模型可采用多种方法将流域离散化( 一般基于栅格d e m ) ，能够响应降水、 蒸发等气候因素和下垫面因素的空间变化以及人类活动对流域水文循环的影响。 1 9 9 5 年，( h v s o n 等提出了t h a l e s 模型，它是一个基于矢量高程数据的分布 式参数模型。h u a 】【i ay a o 等( 1 9 9 8 年，1 9 9 9 年，2 0 0 1 年) ，提出了基于网格的 集降雨空间输入估计，降雨一蒸发一径流过程模拟，河流演算和空间参数校准为 一体的分布式水文模型。d a w e n y 趾g 等( 2 0 0 0 年，2 0 0 2 年) 提出了基于山坡的 和基于l o k m 网格的大尺度分布式水文模型。此外，u s g s 模型( d a w d y 等，1 9 7 0 年，1 9 7 8 年) 、w a t f l o o d 模型( k o u w c i l 等，1 9 9 3 年，2 0 0 0 年) 、s u j r p 模 型( 鼬t e ，1 9 9 5 年) 和p r m 模型( l e a v e s l e y s t a i l l l a r d ，1 9 9 0 年) 等等都属于分布 式水文模型的范畴。 在我国分布式水文模型的研究起步较晚。1 9 9 5 年，沈晓东等在研究降雨时 空分布与下垫面自然地理参数空间分布的不均匀性对径流过程影响的基础上，提 出了一种在g i s 支持下的动态分布式降雨径流流域模型，实现了基于栅格d e m 的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟。1 9 9 7 年，黄平等分析了国外一些具有物 理基础的分布式水文数学模型的不足，提出了流域三维动态水文数值模型的构 想。2 0 0 0 年，黄平等又建立了描述森林坡地饱和与非饱和带水流运动规律的二 第2 章相关问题研究进展 维分布式水文数学模型，并用有限元数值方法求解模型。2 0 0 0 年，郭生练等建 立了一个基于d e m 的分布式流域水文物理模型，用来模拟小流域的降雨径流时 空变化过程。任立良等进行了流域数字水文模型研究，并基予d e m 考虑流域空 间的变异性，建立数字高程流域水系模型。2 0 0 2 年，张成才等进行了基于d e m 模型的流域参数识别方法研究。牛振国等建立了基于d e m 的区域参考作物蒸散 量的分布式模型【3 4 】。 2 3 2 2 分布式水文模型的特点和难点 与集总式模型不同，分布式模型同时考虑流域水文过程和植被、土壤、地貌 等地理要素的时空差异对流域水文过程和水文效应的影响，并把自然地理要素作 为模型的参数，因此，分布式水文模型能反映流域内的局部变化所产生的水文效 应，预测和评价流域经营管理活动( 如造林、火灾、砍伐等) 对流域水文状况和水 资源的影响，而且模型可推广应用到其它流域和地区( b o n e l l ，1 9 9 8 ；a n d e r s o n ， 19 8 6 ；a b d u l l a 19 9 6 ) 【3 6 1 。 虽然分布式水文模型基于物理意义构建，但由于自身模型结构和实际情况的 约束，也有其未能克服的缺点和不足之处，以及模型发展过程中遇到的问题和难 点等。二十世纪七十到八十年代，分布式水文模型的发展主要受到计算机发展水 平的限制；进入九十年代以后，计算机迅速发展，计算机能力不再是分布式模型 发展的障碍，由于对水文系统的深刻认识、复杂系统建模和多学科交叉等问题进 一步进展，成为分布式水文模型建模的难点【3 7 】。 不同学者从不同的角度对模型进行评价，概括起来主要以下一些难点： 1 、分布式水文模型的真实性问题。 2 、尺度转换问题( 或者模型参数的有效性问题) 。 3 、模型的检验问题。 4 、计算时间和数据存储的问题【3 4 】。 2 4 国内外s h e 模型研究现状 1 2 第2 章相关问题研究进展 s h e 模型主要起源于欧洲，所以其早期和主要的应用多数在欧洲的一些流域 上进行。m l k es h e 广泛应用于水文、环境、生态、气象等各个领域，在世界各 地不同气候和水文条件下，模型得到了测试和验证。模型的典型应用范围可以归 为流域规划、土壤和水资源管理、灌溉和排水、污水排放点的水污染、土地利用 变化的影响、气候变化的影响、生态评价等。而模型的研究内容早期主要集中在 地下水水流运动规律和状况上，然后慢慢拓展到地表水的水流运动以及洪水的模 拟和预报等方面。 v i 等以德国b r 眦s c h w e i g 南部大约l 簖的n e u 锄k i r c h e l l 作为研究流域， 用m i k es h e 建模以对其参数进行率定和验证。模拟结果与实测结果的输出流 量很匹配，而且误差很小。其中，研究得出，模型中的敏感参数主要有格网和时 间步长的大小，水力摩阻系数、地表和地下的水力特性等。结果表明了，坡面流 的峰值和总量受到曼宁系数和土壤的垂直水力传导率影响最大，而模型输出的改 变与植被特性和指定持水系数等参数关系不大【柏1 。 对澳大利亚t r a g o w e l 平原上一个9 公顷的灌溉试验地进行水流模拟，目的 是量化其对坡面排水和地下水位的影响过程。本次试验主要基于m i k es h e 模 型，通过对下渗、蒸散发、坡面流、地下水出流等过程的模拟取得最终结果。 j a v a t i l a l 【a 等模型的模拟结果与实测资料比较接近，误差也不大，只是在一 些方面的结果并不能很好地模拟。另外在地下水和出流情况的预测方面，也有很 好的结果，对于该地区在m i k es h e 模型中的参数率定和水流动态运动的量化 方面意义重大【4 l 】。 a n d e r s e i l 等应用m i k es h e 模型，对西非荒漠草原3 7 5 万k m 2 的塞内加尔 河进行模拟。模型主要采用降雨、植被和土壤类型等作为输入资料，然后模拟该 河流的情况，而率定出适合该河流流域的参数。并对s h e 模型的使用尺度进行 了论证【4 2 1 。 h e n r i k s e n 等通过对使用国家的包括地形、土壤等数据资料，用l h 2 的格网 对丹麦的s j a l l a i l d 进行动态和流量模拟，特别是强调地下水模块的模拟，从而对 该地区运用m i l 江s h e 模型进行参数的率定、验证。 模型模拟计算的结果表明，m i k es h e 在1 1k m 2 的格网上对地下水和地表 水模型的耦合建立以及对水动力水头和流量的模拟是可行的。另外，模型可用于 第2 章相关问题研究进展 研究地下水回流到不同地层的情况以及地下水位的改变对该地区的影响评估。模 型还可以用于调查气候改变对水资源的可利用性影响的评估。最后也讨论到了模 型适用的尺度问题【4 3 1 。 m m p s o n 等在英格兰东南部的e l m l e ym a r s h e s 建立m i k es h e 和m i k e 1 l 的耦合模型，用于研究该地区内的低矮、潮湿的草地。模型模拟的结果与实测的 季节动态性和地下水以及沟渠水位等变动结果相当吻合。证明了这里的洪水的过 程和状况与这两方面的水流有很大的关系【删。 m 瞰e n s 等对比利时的n m s o l 地区的沙质粘土进行研究，并运用实验和模拟 的