（水力学及河流动力学专业论文）汾河上游流域分布式水文模型研究.pdf

j l l i 大掌生礓士尝t 饨文 汾河上游流域分布式水文模型研究 摘要 分布式水文模型因其能够清楚地反映流域下垫面条件和人类活动等 因素所形成的空间变异性及降雨的时空变化，所以它的模拟精度较之传统 的集总式模型要高，且能够对流域的径流组成进行分析，帮助人们更深入 地认识水文过程的本质，是近年来水文学研究的热点。 本文在参考大量文献的基础上，通过研究汾河上游流域的水文特性， 建立了适于该地区的，基于流域尺度的次降雨一径流分布式水文模型。该 模型首次将s c s 产、汇流模型与马斯京根法结合用于计算本地区的径流过 程，采用以坡度、坡向为主要因素，按照集水区自然分水线划分子流域的 流域离散方法，并提出了该地区点雨量的处理方法。 为了验证模型的可行性，本文选用了该地区的典型流域岚河流域 与本文提出的分布式模型耦合，然后编制程序进行模拟。通过对模拟结果 的分析可得，该模型的径流量合格率及汇流合格率分别达到7 0 和8 0 ， 且计算流量过程与实测流量过程吻合较好。这表明：该分布式模型在流域 离散，产、汇流机制确定，点雨量及参数处理上都较为合理，基本适用于 该地区的降雨一径流计算。 关键词：分布式水文模型，s c s 模型，马斯京根法，径流 髑啊上韵l 囊沮分布，俅，；王研，巴 d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e lr e s e a r c h i nu p p e rf e n h ew a t e r s h e d a b s t r a c t d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e li sah o tr e s e a r c hi s s u eo fh y d r o l o g yi n r e c e n ty e a r s s c i n c et e m p o r a la n d s p a t i a lv a r i a t i o n so fp r e c i p i t a t i o n ，w a t e r s h e d u n d e r l y i n g s u r f a c ea n de 髓c t so fh u m a na c t i v i t i e s c a nb ec o n s i d e r e di n d i s t r i b u t e dm o d e l i t sa c c u r a c yo fm o d e l i n gi sh i g hc o m p a r e d 谢t hl u m p e d m o d e l m e a n w h i l e ，i tc a na s s i s tp e o p l et oa n a l y z er u n o f fc o m p o n e n t si na w a t e r s h e da n d d e e p l y r e a l i z et h en a t u r eo f h y d r o l o g i c a lp r o c e s s b a s e do nr e f e r r i n gt om a n y p e r t i n e n tl i t e r a t u r e sa n da n a l y z i n gh y d r o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c so f u p p e r f e t ew a t e r s h e d ，ar a i n f a l l - r u n o f fd i s t r i b u t e d h y d r o l o g i c a lm o d e lo r i e n t i n gt oc a t c h m e n ts c a l ei se s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s i n t h i sm o d e l ，r u n o f f y i e l d i n ga n dw a t e rr o u t i n gm o d e lo fs c s a n dm u s k i n g u m m e t h o di s f i r s t l y c o m b i n e dt oc a l c u l a t e d i s c h a r g ep r o c e s s o ft h i sa r e a m o r e o v e r , t a k i n gg r a d i e n ta n ds l o p ea n g l ea s m a i nf a c t o r s ，aw a t e r s h e di s d i s c r e t i z e di n t os o m es u b c a t c h m e n t sa c c o r d i n gt on a t u r a ld r a i n i n gd i v i d ea n d am e t h o da b o u t d i s p o s i n gp o i n t r a i n f a l li nt h i sa r e ai sp r o p o s e d t ot e s ta c c u r a c yo f t h i sm o d e l ，l a n h ec a t c h m e n to f t h i sa r e ai sc h o s e na sa t y p i c a lc a t c h m e n tw h i c hi si n t e g r a t e dw i t ht h i sm o d e l t h r o u g ha n a l y s i so f i l l 疆r 霸。上游1 1 分布：毒文墨i 研竞 c o m p u t a t i o n a lm o d e l i n gr e s u l t s ，i ts h o w st h a tc a c u l a t e dr u n o f fy i e l d i n ga n d w a t e rr o u t i n gw h i c hm e e tt od e m a n da c c o u n tf o r7 0 a n d8 0 r e s p e c t i v e l y , a n d m o d e l i n gd i s c h a r g ep r o c e s s a r e b a s i c a l l y c o i n c i d e n tw i t lm e a s u r e d d i s c h a r g ep r o c e s s i tc a nb ec o n c l u d e df r o ma b o v et h i sd i s t r i b u t e dm o d e li s r e a s o n a b l ei nd i s c r e t i z a t i o no fw a t e r s h e d ，c a l c u l a t i o no fr u n o f fy i e l d i n ga n d w a t e r r o u t i n g ，a n dd e a l i gw i t hp o i n tr a i n f a l la n dp a r a m e t e r s o nt h ew h o l e ，t h i s m o d e li ss u i tt om o d e l i n g r u n o f f y i e l d i n ga n d w a t e r r o u t i n g i nt h i sa r e a k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e l ，s c sm o d e l ，m u s k i n g u mm e t h o d ， r a t i o f r 一。查墅竖盎竺塑然竺竺登 一一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一 符号说明 蔗滚域蚕鞭， 五单位垂狡土壤损失； c 覆燕因子； d 单位线时段长； 妇k 输沙率( 戤璩) ； 品总侵蚀囊； ，后援量； 且断颇稳定流的水位： 五醋究河段的上游入流； 肠初按； 岛溪横眈降： 茬橙镶因数； 妇溅爨比因子； 在粳应絮瘩蠢形下稳定溅状态戆澎段接摇辩瓣 坡长因数； 滞时( 即由净薅中心到洪燎出现时润的时距 ； l 演算河段长度： f 水流长度： ，河段的特征河长； 尹耕作实蕺因子。 p 一次雨的降雨总黄； 肼第f 个子漉城的酶掰豢； q 径流量( 邵净雨爨) ； q 研究涎段的下游出渡； 热模型计算静憨径漉爨； 轨蜜测的总径漉量； i 螭嚼土尊龋油j r 爿潍寓蕉l 研，i 纵计算的洪峰流量； ( k 实测洪峰流量； q 0 断面稳定流流量； 口f 时刻的单位线流量 g p 洪峰流量； 和单位线峰值； 月降雨和径流因数； s 流域的当时最大可能滞留量： s 坡度因子； 产沙量。 s 。河段蓄董； r 实测洪水历时 f 时间； f 6 三角形单位线底长； 如。汇流时间： 岛峰现时间： k 计算峰现时间； k 一实测峰现时间： r ，三角形单位线退水段长度： 圪稳定流断面平均流速： 该河段内的蓄水量： x 流量比重因子； 咒槽蓄因子： ，流域平均坡度的百分数； v i l l 1 1前言 第一章绪论 水本身具有利害两重性。它既是人类赖以生存的物质资料，同时又会 因为水多”或“水少”给人类造成“涝灾”、“水灾”、“旱灾”。因此， 人类自产生之日起，就与水发生着紧密的联系。在我国，劳动人民防治水 害、兴修水利的斗争历史更是源远流长。从大禹治水，到郑国渠、都江堰， 再到京杭大运河，我国劳动人民一直与水进行着不懈的斗争。在水文情报 预报方面，根据史载，在明代万历元年( 公元1 5 7 3 年) 开始建立报讯制 度，在黄河设有驿站，每3 0 里为一站。当发生洪水时，乘快马向下游传 递水情，日夜不停。还观察到“凡黄水消长必有先兆，如水泡则方盛，泡 先水则将衰”的规律。这可以说是比较初始的根据水流情况以预报水势涨 落的实践认识“。但由于我国长期处于封建统治下，特别是在鸦片战争后， 又受到帝国主义、封建主义的侵略和掠夺，社会生产力水平极低，水文预 报经验很少，更谈不上科学性、有效性，水旱灾害频繁。根据史载，从公 元前2 0 6 年到1 9 4 9 年期间，我国就发生较在大的水灾1 0 9 2 次，较大旱灾 1 0 5 6 次，平均几乎每年都有水旱灾害。黄河更是“三年两决口”。新中国 成立后，我国大力开展水文预报工作，努力提高水文预报技术的科学性、 有效性，为防汛抗旱部门提供强大的决策支持，使得我国的防洪抗早工作 取得了伟大的胜利，五十年来黄河从未决口。长江在1 9 5 4 、1 9 8 1 、1 9 8 8 年的大洪水中，对人民生命财产也没造成太多的损失。这些成绩的取得， 与水文预报技术的提高是密不可分的。 然而，随着国民经济的发展。如何科学、有效、精确地进行水文预测 预报是摆在每个水文工作者面前的一项重任。由于水文过程涉及到大气 圈、水圈、岩石圈和生物圈，一个水文事件是以上诸多因素相互作用的结 果。致使水文现象内在规律性还未被完全认清。因此，用水文模型来仿真 水文事件进行水文预测、预报、评价仍是目前普遍采用的方法，而提高水 文模型的精度自然也就成为水文工作者研究的热点。数十年来，水文模型 有了长足的发展，并呈现物理基础更强的分布趋势，以反映下垫面地形、 土壤、植被和人类活动等因素综合作用所形成的时空不均匀性，同时也反 映降雨、蒸发等气象条件的时空不均匀性。分布式水文模型的研究具有重 要的现实意义，首先，与传统的集总式水文模型相比，分布式水文模型的 结构更加合理，模拟精度较高；其次，可以通过分布式水文模型进行流域 的径流组成分析：第三，分布式水文模型可以计算流域河网中任一断面上 游集水区内的径流和流量过程；第四，分布式水文模型可以方便地与具有 坚实物理基础的水动力学模型相耦合，帮助人们更深入地认识水文现象的 本质。此外，随着r s 、g i s 技术的成熟与完善，及分布式水文模型与这两 项技术的集成更促进了模型自身的发展。因此，分布式水文模型的研究势 在必行。 1 2 水文模型研究综述 水文模型也即“水文模拟”，是把反映水文现象的各种客观条件加以 简化，把次要和偶然的因素去掉，保留主要与基本的规律部分，根据这种 条件建立起有物理意义的方程式或逻辑判断式，进行计算。模型是否合理， 简化是否得当，应以是否能反映客观水文规律为标准1 2 1 。 2 查竺! 苎竺竺竺兰竺竺奎 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ - _ _ _ _ _ 一一 1 2 1 水文模型分类 水文模型的分类，因其考虑的角度不同而有不同的分类方法。目前， 水文模型的分类方法主要有以下几种： 1 若根据水文事件来划分，水文模型可分为入渗模型、蒸散发模型、 产流模型、汇流模型及产沙模型等，这类模型都是针对流域的某一水文事 件而建立的数学模型。 入渗问题的研究始于1 8 5 6 年达西( d a r t y ) 提出的渗流力学的基 本定律达西定律。自二十世纪以来，这方面的研究工作逐渐从定性的 描述走向定量化的研究。先后提出了许多经验、半经验或具有明确物理意 义的入渗方程，用以描述一定条件下的水分入渗过程。其中，比较著名的 有：k o s t y a k o v 模型( k o s t y a k o v ，1 9 3 2 ) ，可表示为： f = a t 6 ，0 b 1 式中：a ，b 为常数；h o r t o n 模型( h o r t o n ，1 9 4 0 ) ，它是水文学中最著名 的入渗模型。h o r t o n 认识到下渗能力随时间减小，直到近似为一常数值。 它可表示为： f = 正+ ( 一正p “ 式中：二，f o ，k 为常数。h o r t o n 模型既简单叉与实验资料拟合较好。其基 本缺陷在于参数五，矗和k 的确定，因得不到五，f o 和k 随土壤质地变化的 一般规律，这些参数必须由资料率定；h o l m n 模型( h o l t a n ，1 9 6 1 ) ，建 立了入渗能力与土壤储水量之间的函数关系，数学上可记为： 一 c = a f ： 式中：口，胛为常数。b 等于起始时土壤储水量减去已下渗的水量。此外， 还有1 9 1 1 年g r e e n - a m p t 提出的指数衰减方程式，1 9 3 6 年c h i l d s 提出的以 土壤导水特性为参数的入渗指数方程式，1 9 5 7 年p h i l i p 提出的两项入渗方 程式等。这些模型在指导生产实践和科学研究中起到了积极的作用。 蒸散发包括水面蒸发、土壤蒸发、植物截留蒸发和植物散发【3 j 。其中， 水面蒸发计算理论比较完备，主要有经验法，水量平衡法，质量输送法， 能量平衡法和紊流扩散法等。而由于陆面蒸散发现象比较复杂，例如陆面 条件各种各样，可干可湿，植被的有无、多少及种类，对蒸散发的影响很 大，因此，目前蒸散发模型只是种简化的计算方法。它通常依据蒸散发能 力来间接地估算蒸散发量。 产沙模型的研究起步较晚，但近几十年来发展比较迅速。产沙模型的 建立主要基于以下三种方法f 4 j ： 一种是基于观测资料，从影响侵蚀产沙主要因子入手的因子分析方 法。有代表性的有： 1 ) 通用土壤流失方程( 础) 。它是由b q s c h m e i e r 和s m i t h 在1 9 6 0 年用1 0 0 0 0 个站年资料建立的。它的数学表示为： a = r k l s c p 式中：一单位面积土壤损失； 尺降雨和径流因数： 肛侵蚀因数； 上坡长因数； 卜坡度因子； e 一覆盖因子： 严一耕作实践因子。 2 ) 泥沙输移比法( 龀删订) ，表示为 d r = s y | eg 4 式中；d 矿一输沙率( 瓤埭) ； e 广总侵蚀量； s r 产沙量。 3 ) 回归分析法嘲。许多研究者( a n d e r s o n ，1 9 5 4 ，1 9 6 2 ，1 9 7 6 ；a n d e r s o n ， 删西，1 9 6 5 ：b e s t o n ，r i c e ，1 9 6 5 ；r e n a r d ，1 9 6 9 ；j a n s e n ，p a i t e r ，1 9 7 9 ； d u n n e ，1 9 7 9 ；m u r p h r e e ，m u t c h l e r ，1 9 8 1 ：肠7 f ，1 9 8 2 ；n a r a y a n a ，b a b u ， 1 9 8 3 ) 开发了产沙与流域和气候特征的回归方程。已经对些具体区域建 立了这些方程并得到满意的结果。 4 1 泥沙单位线法( u s g ) ，r e n d o n - h e r r e r o ( 1 9 7 4 ，1 9 7 8 ) 瞪1 j 将单位 线进行推广，直接推导出小流域的泥沙单位线( u s g ) 。因而u s g 建立在 与单位过程线类似的假设基础上。r e n d o n - h e r r e r o ( 1 9 7 4 ) 用下面的表述 来定义u s g 为：对给定历时，在整个流域分布的标准单位为1 r 的单位泥 沙过程线，类似于同一区域单位流量分析的2 5 啪净雨量的单位线。 另外，还有其它的一些用因子分析方法得出的产沙模型，此处不一一 介绍。 第二种方法是基于侵蚀产沙的物理机制分析而得出的物理过程产沙 模型。n e g e v ( 1 9 6 7 ) 【4 首次提出了个具有物理基础的产沙模型；m e y e r 和w i s c h m e i e r ( 1 9 6 9 ) f 4 5 】提出了侵蚀与输移量的过程模型；f o s t e r 和m e y e r ( 1 9 7 5 ) 提出了用质量输移连续方程来描述泥沙顺坡运动的物理过程模 型；b e a s l e y ，d , b e t a l ( 1 9 8 0 ) 提出了著名的a n s w e r s 模型等。我国在8 0 年代以后也开展了侵蚀产沙物理过程的研究，其中较著名的有汤立群和陈 国祥( 1 9 8 9 ) 【4 7 1 提出的产流产沙动力学模型( h u m - 1 ) ；谢树楠( 1 9 9 2 ) 研制的用于黄土丘陵沟壑地区的次暴雨模型( 豫阿) 等。 第三种方法是基于流域已有资料进行分析的随机模型。w o o l h i s e r 和 竺! 圭竺兰苎兰! 苎竖! 墨里苎 _ _ _ _ _ _ 一一 r e n a r d ( 1 9 8 0 ) 【4 9 】对产沙的随机特性进行了讨论。s i n g h 等( 1 9 8 8 ) 剐讨 论了随机产沙模型。 产流模型和汇流模型是本文的研究重点，将在第三章详细论述。 2 若根据建模技术来划分，可以分为以下4 类，即：数学物理模型、 概念性模型、黑箱模型和随机模型。 数学物理模型是对水文现象的物理机制用微分方程来描述，通过一定 的假定和概化后，求解得到。但由于水文现象的很多物理机制很复杂，人 们对其了解甚少，根本得不到描述方程；或即使能够得到方程，但因方程 很复杂而得不到解，因此这种模型发展较为缓慢。 概念性模型是以水文现象的物理概念作为基础进行模拟，它所模拟的 不完全是真正的物理实体，而要对物理现象进行概化。例如，概念性模型 通常把包气带概化成两层，以便有效地模拟径流形成。其中，上层代表疏 松的表土层，下层代表较坚实的土层，而这两层的实际情况究竟如何? 能 否明确地划分出来? 这些都难以确定。但由于概念性模型对所描述的水文 现象有明确的物理概念而受到人们的青睐，因此在近几十年里发展很快。 很多流域水文模型都属于概念性水文模型。 黑箱模型则是对一个系统而言，只需输入资料从而输出结果，并不管 系统内部的作用过程，这种计算模型被称为黑箱模型。由于黑箱模型简单 实用，而且能够处理许多具有复杂因果关系和高度非线性映射的问题，因 此在实践中也被广泛采用。根据所采用的方法不同，黑箱模型又可分为： 回归分析模型，它是用回归分析的方法确定预报与预报因子之间的相关 关系。许多经验、半经验的模型常用回归分析法来建立。该模型的效果主 要取决于历史资料是否充分，因子选择是否正确。系统响应模型，它是 根据古典或现代控制理论方法所建立的模型。人工神经网络模型【6 】 6 查苎苎苎查竺兰! 主竺苎竺苎 一一 一 _-_-_-_-_一 ( a n n ) ，它是模仿人脑神经网络的工作过程而建立的模型，具有高维性、 并行分布处理性、自适性、自组织、自学习等优良特性，近年来在水文预 报中得到广泛应用。人工神经网络可分为前馈型网络，反馈型网络和自组 织网络。其中前馈型网络中的( b 尸) 算法( 误差反向传播) ( 1 9 8 5 ) 是目 前在水文预报中应用最广的模型，它是多层映射网络，采用最小方差的学 习方式，是一包含有输入层、隐含层和输出层的多层网络。 随机水文模型是根据概率论和数理统计的原理方法，从大量的历史水 文、气象资料中寻求水文要素的随机规律，来对水文现象的随机特性进行 预测【7 】。建模方法常用的有两大类：一是多元分析法，即把预测对象作为 随机变量，运用回归分析、判别分析等方法对影响因子进行筛选，建立预 测方程进行预测；另一类是时间序列分析法，把预测对象作为离散化的时 间序列随机过程，应用自回归等随机模型进行预测。其中，有代表性的有 自回归模型a r a 滑动平均模型m a ( g ) ；自相关滑动平均模型 a r m a ( p ，g ) 等。但由于缺乏长期观测资料，该模型的发展受到限制。 1 2 2 承文模型串韵r 寝同醺 简单地说，水文模型中的尺度就是水文模型所研究或涉及的范围，包 括时间和空间两方面。传统水文学中尺度的概念十分淡薄，在对水文现象 进行模拟时，一般没有有意识地考虑尺度在描述现象上的作用及不同尺度 间的联系和转换l8 1 。事实上，水文研究的范围在空间尺度上，可从点尺度， 局部尺度( 1 m ) ，坡面尺度( 1 0 0 m ) ，流域尺度( 1 0 k m ) ，区域尺度( 1 0 0 0 k m ) 到大陆和全球尺度；在时间尺度上，可从事件尺度，季节尺度到长时间尺 度【3 l 】。而不同时空尺度的水文规律是不同的，因此不同时空尺度下所建立 的水文模型的相互移植就受到限制，只有不同尺度上水文过程的机理存在 甘* 上l 稿，布t 水文盟研竟 _ _ _ _ _ - - _ _ _ - - - - - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ 一。一 一 自相似性，才能把某一尺度上得出的结论转换到另一尺度。 s o n g 和, 7 0 行嚣( 1 9 9 2 ) f 4 3 j 则认为描述坡面、河道、包气带土壤水、地 下含水层中水流运动的现代水文理论都是建立于土块、土柱或水槽实验基 础上的水动力学理论，它们只适用于小尺度单一水体的现象。对山坡水文 过程，野外观测试验表明( p i l g r i m ，1 9 8 3 ) 【4 3 】在水动力学尺度上展现出很 大的复杂性和空间变异性，应用水动力学方法相当困难，地形特征在山坡 水文响应中起着举足轻重的作用，山坡的总响应不等于单个土块响应的叠 加。对流域而言，情形又有所不同。g u p t a 等( 1 9 8 6 ) 4 3 】定义“流域尺度” 为一个有明显的河网结构和由该河网联结的山坡组成的系统，并认为从水 动力学尺度来观察流域尺度上的现象将会十分复杂，以致不能期望得到统 一的理论公式。但是，直接从流域尺度上观察则有可能意外地简单。因此， 他们主张从流域尺度，而不是从水动力学尺度或山坡尺度出发来探寻控制 流域水文的物理规律。例如，近三十年来，山坡水文学得到长足的发展， 它所揭示出来的现象千变万化，个性极强。但当把山坡水文模型直接移植 用来研究实际流域时，却收不到好的效果，原因就是这两种不同的水文尺 度( 即山坡水文尺度与实际流域水文尺度) 下的水文现象几乎无水文相似 性可言( 小水文系统决非大水文系统的线性成分) 。控制不同层次尺度的 物理过程规律是不同的，某一定层次尺度上的规律是低层次尺度主要因子 的均化或综合。低层次尺度过程是高层次尺度过程在时间和空间上的离 散。此外，时问尺度与空间尺度是相互联系的，因为时间是由运动物体的 空间位移所表现。然而，人们在水文科学研究中不太注意时间和空间之间 的内在联系，往往独立地选定这两种尺度的层次，从而导致水文现象的认 识十分困难。 随着水文学科的发展，水文尺度问题业已成为研究的热点和难点。研 究水文现象必须树立尺度观念，这是水文科学进步的一个标志，同时也是 水文认识论上的一次飞跃。水文尺度的研究主要集中在不同尺度上的水文 规律及转换方法。自然界的水文过程既有确定性成分，也有随机性成分， 而随机性成分的多少又因水文变量的种类、时间和空间尺度而变，再加上 人类活动的影响，水文现象的确很复杂。从变化多端的自然水文现象中寻 求出有序的信息和规律，实属不易。自然界所有水文现象( 诸如水量、水 质、泥沙等) 的变化规律存在着从量变到质变的差异。因此寻求不同尺度 下合适的水文理论或规律便成为一个带有挑战性的水文学科前沿领域。目 前，认识地球表层水文过程的主要障碍是流域表层特征的空间变异性。天 然流域都有含有一个或若干个小流域，每- 4 , 流域又包含若干个子流域， 每一子流域还可划分为若干个单元流域或流域分块，构成个多重嵌套尺 度结构。因此，在流域尺度下，各种尺度参量的变化共存，不同尺度下影 响水文过程的主导因素也不尽相同，水文模型中如何以空间尺度变量来反 映流域特征不均匀性是值得研究的课题。尺度转换是指利用某一尺度下获 取的信息来推求大尺度或小尺度下的过程。它分为上尺度转换，即某一指 定尺度的信息转换到更大尺度的过程；下尺度转换，即某指定尺度的信 息转换到更小尺度的过程。而导致不同水文尺度模型研究以及这些尺度间 相互转换的困难所在则是流域下垫面介质的空间不均匀性和水文过程的 时空变异性l 1 0 1 。 流域上土壤空间非均匀性。在小尺度上，土壤常常以裂隙、作物根系 空隙和蚯蚓空隙表现出来，形成大孔隙。这些大孔隙能够以土壤基质的最 小贡献传送大量水流【l l1 2 1 。在坡面尺度上，导水性好的土层和通道内首先 产流i ”】，水流可以以回归流渗出地面【1 4 j 。在流域尺度上非均匀性与不同土 壤类型和特性有关，地质条件对土壤形成和河道密度起控制作用【u 1 。类似 9 口g 上尊t t ，布t 水文型崭竞 地，水文过程的时间尺度变化，在事件尺度上，径流过程的形状由暴雨和 流域特性控制；在季节尺度上，径流受自然气候特征控制，如降水、融雪 和蒸发的年循环；在长期尺度上，径流表现出降雨长期变化、气候变动、 地貌过程和人为影响的结果。 近年来，水文学家对尺度转换的理论和方法以及不同尺度下的水文规 律已经作了大量深入研究。代表性的成果有：s p o s i t o 1 6 1 和y e h 1 刀对水文过 程研究中起重要作用的非饱和层水分运动尺度问题进行了基本理论和基 本方法的探讨，对描述非饱和带水分运动的r i c h a r d s 方程采用随机分析等 手段进行了相似性研究，试图把微单元体内建立的微分方程应用在不同时 空尺度上，寻求适用于不同尺度的普遍规律，以便能模拟不同尺度非饱和 带的水分运动。g z 程i 和w a y m a r e 【l 8 】对河道、河网和坡面这样一个跨度从 1 0 2 m 到1 0 6 m 空间尺度的系统进行了水文区域化( h y d r o l o g i c r e g i o n a l i z a t i o n ) 或集成( i n t e g r a t i o n ) 研究。s o l o m o n 1 9 】对大水文研究的必 要性和研究方法作了阐述。e a g l e s o n 2 0 】对全球气候变化过程中，全球尺度 水文研究的必要性和研究方法作了阐述。刘新仁f 2 i 】在新安江模型基础上， 建立了多重尺度系列化水文模型，在淮河流域上，对模型参数的地区化规 律进行了研究。尽管这些研究成果对尺度问题的研究提供了很好的思路， 但尺度问题远未得到解决，还需要国内外研究者作大量的工作。 1 2 3 流域水文模型的研究进展 如果在建立水文模型时，考虑整个流域作为研究的空间尺度，并且是 研究流域熬体的水文过程，而非单个的水文事件，与一定的建模技术相结 合，这样的水文模型称之为流域水文模型。流域水文模型的研究始于2 0 世纪5 0 年代，在7 0 年代至8 0 年代中期得到了蓬勃发展，8 0 年代后期至 1 0 j _ 一l 摹l 工大掌j l q 士事皿霄叉 - _ _ _ _ _ _ h _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 今，全世界范围内的流域水文模型处于缓慢发展阶段1 0 1 。这些流域水文模 型在对影响水文过程气象因素的不均性和变异性进行表述时，出现了两种 处理方法。据此，可将其分为集总式流域水文模型和分布式流域水文模型。 1 集总式流域水文模型 集总式模型通常是以整个流域为研究对象，而对流域内的下垫面条件 进行分类概化，并对水文过程进行概化。通常用一系列微分方程、简单的 等式和一些代数方程来表示，在已知输入条件的情况下获得输出结果。较 著名的集总式模型有：日本国家防灾研究中心的水箱模型( t a n k ) ，美国 陆军工程兵团的径流综合和水库调节模型( s s a r r ) ，美国国家天气局河流 预报中心的的萨克拉门托河流预报中心水文模型( s a c r a m e n t o ) ，美国农业 部水土保持局的s c s 模型f 2 2 1 。这些集总式模型的结构基本符合水文现象， 结构较简单，参数不多且有明确的物理意义，因此便于工程实际应用。这 类模型研究得较多，更详细的论述见参考文献 2 2 1 。由于集总式模型在进 行流域模拟时并没有考虑气象与下垫面条件的分布不均性，所率定的模型 参数值只是整个流域的一个概化值，不能正确反映产汇流的动态过程，也 无法反映流域面上的分布特点和人类活动对水文过程的影响。因此，此类 模型在模拟精度方面受到很大的限制，而且也不易从模型中认识水文过程 的规律，在8 0 年代以后基本上没有发展。 2 分布式流域水文模型 分布式流域水文模型是将流域划分成若干个小的计算单元，清楚地考 虑了流域下垫面及水文过程的空间变化。因而它不仅能给出水文过程的结 果，而且能给出水文过程的动态变化，这对于水文过程的进一步认识及提 高水文预测的准确性具有重要的意义。因而，深入开展分布式模型的研究 显得尤为重要。在分布式水文模型研究中，也存在两种研究方法。一种方 甘硝上肆疵域分布i $ x _ 2 _ r -。_。_。_。_。_-_。_。-_-_。_。_。一 法是利用数学物理方法研制水文模型，称之为全分布式水文模型。另一种 方法是借助g i s 或面向g i s 、r s 开发研制的模型，称之为半分布式水文模 型。它是随着近年来计算机技术的发展和g 1 s , r s 技术的逐步完善而发展 起来的，而且是方兴未艾。 1 1 全分布式水文模型 所谓全分布式水文模型【2 3 】，通常是指依据物理学中的质量、动量与能量 守恒定律以及水文系统中的经典理论( 如d a r c y 定律圣维南方程组) ，通过 研究流域产汇流机制，推导出来的描述地表径流和地下径流的微分方程组。 这些方程能处理降雨和下垫面条件的不均匀性，加强对水文过程描述的物理 基础；能够表达径流在时空上的变化，也能够处理随时空变化的降雨输入； 能够反映流域面上不同的土壤结构，不同的植被形式，不同的地貌形状对产 汇流的影响。模型用于特定流域时，要把流域面离散成为均一网格单元，然 后进行求解。 这类模型的典型代表有：由丹麦、法国及英国的水文学者研制与改进 的s h e 模型2 4 1 ( s y s t e mh y d r o l o g i c a le u r o p e a n ) ，m o r r i s 研制的i h d m 模型 ( i n s t i t u t eo f h y d r o l o g yd i s t r i b u t e dm o d e l ) ，a l o n s o 和d ec o u r s e ) , 设计的 s w a m ( s m a l lw a t e r s h e d m o d e l ) 。s h e 模型中，流域在平面上被划分成许多 矩形网格，以便处理模型参数、降雨输入以及水文响应的空间分布不均匀 性；在垂直面上，则划分成几个水平层，便于处理不同层次的土壤水运动 问题。s h e 模型采用一维s t v e n a n t 方程来模拟坡面流，用一维r i c h a r d s 方程来模拟不饱和带流；用二维b o u s s i n e s q 方程来模拟饱和带流。i h d m 模 型根据流域坡面的地形特征，把流域划分成若干部分，每一部分包含坡面 流单元、一维明渠段和二维表层流及壤中流区域。i h d m 模型也是用一维 s t v e n a n t 方程来模拟坡面流；用立面二维方程来模拟饱和与非饱和带的水 太j 嚏z 夫掌生i 士掣眦忱戈 流运动。s 翮m 考虑了不同的土地利用与管理对小流域水文特性的影响。 这类全分布式模型的研究与应用，增强了对流域系统行为的理解，使 我们更深刻地了解流域产汇流的基本物理过程，有助于解决水资源管理中 的许多重大问题，如地下水污染问题，面污染问题，荒漠化问题等。同时 它们也得到了若干著名水文专家的好评。然而，这类全分布式水文模型只 在8 0 年代有蓬勃的发展，8 0 年代后期至今，基本上没有大的进展f l 0 】。究其 原因，主要有以下几方面： a ) 模型的建立需要足够信息量的较高精度数据，而实际工作中往往缺 乏足够的野外测量数据，不能满足分布式水文模型对流域空闯属性特征的 要求。 ”模型的求解需要在流域体上进行数值离散，这就涉及到数值计算的 稳定性问题，需要有稳定的离散格式和有效的计算方法。 c ) 模型在应用于实际流域时，拟合的情况并不能特别好，未能达到人 们期待的结果。 基于以上原因，这类全分布式水文模型在发展上受到了很大限制。与 此同时，半分布式流域水文模型显出了其吸引力。 2 ) 半分布式水文模型 半分布式水文模型阅依然强调物理基础，但在采用的环境变量上具有更 大的选择性，在空间分辨率的选择上更为敏感。它的最大特点就是在流域离 散上，不是以均一的单元网格来离散，而采取以下四种方法来离散： 幻流域离散为代表性单元面积( r e p r e s e n t a t i v ee l e m e n t a l a r e a ) b ) 流域离散为不同的分组响应单元( g r o u p e d r e s p o n s e u n i t ) 。 c ) 流域离散为许多聚集模拟单元( a g g r e g a t e d s i m u l a t i o n a r e a s ) 。 d ) 流域离散为相似的水文响应单元( h y d r o l o g i c a l r e s p o n s eu n i t ) ，流 竺! 竺塑! 兰坠苎! 苎! 苎 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一 一 域被划分为具有相似水文特性的区域，如具有相同的土壤覆盖、坡度、坡 向等，从而反映主要水文过程的空间变化。 这类模型近年来研究的较多，也有许多正在开发和使用中。如： h y d r o t e l 模型t 4 t ( f o r t i n ，1 9 8 6 ) ，u s g s 降雨径流模型【4 2 1 ( l e a v e s l e y 和 s t a n n a r d ，1 9 9 0 ) ，s l u r p 模型【3 6 1 ( k i t e ，1 9 9 5 ) 。 国外在8 0 年代后期就开始注重半分布式模型的研究，在1 9 9 2 年 a 1 t s c h “m 口 就借助于g i s 对德国的n i m s 河研制了半分布式模型i 矧。 我国在这方面也积极地开展研究工作：何沿波等利用嗒和g i s 所建立的 半分布水文模型对普定后寨河流域进行了模拟【2 7 】；任立良利用g i s 建立的 半分布式水文模型对史灌河流域、史河流域进行了模拟和分析【2 8 1 ，蔡强国 等利用g i s 对羊道沟小流域进行了产沙模型的研究【2 9 1 ，等等。 3 分布式流域水文模型的发展趋势 近年来，随着遥感( 咒s ) 和地理信息系统( g 搭) 的发展，为满足上述 建立分布式水文模型的条件提供了有力的支持，遥感和地理信息系统与分 布式水文模型的集成是必然趋势。 r s 是一种宏观的观测与信息处理技术，具有范围广，周期短，信息量 大和成本低的特点，是当代一种很重要的信息源。作为一种信息源，栅格 式的遥感数据与分布式流域水文模型的数据格式有一致性。遥感技术可以 提供土壤、植被、地质、地貌、地形、土地利用和水系水体等许多下垫面 条件的信息，也可以测定估算蒸散发、土壤含水量和可能成为降雨的云中 水汽含量。这些信息经校正、增强、滤波、监督或非监督分类后，可以作 为流域水文空间分布特征的参数与分布式水文模型相耦合。 g 腮是一个采集、存储、分析和显示具有空间位置信息的系统，是处理 和分析地理数据的通用技术。g 1 s 中用于空间数据及非空间数据的获取、存 1 4 查墨! 苎查竺竺竺苎兰苎 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 一 储、分析和显示的功能已趋成熟，促使g i s 与分布式水文模型更好地集成。 g i s 与分布式水文模型有很强的互补性，g 1 s 特有的数据处理功能和空间分 析功能极大地方便了分布式水文模型的构建，它很强的图形显示功能和带 有时间维的四维g i s 有利于水文工作者研究流域特征的空间分布及其产汇 流的影响，并有助于了解降雨、土壤含水量以及产流面积在空间和时间上 的变化情况，从而加深对产汇流等水文过程的认识，促进分布式水文模型 的完善和发展。此外，g i s 与分布式水文模型在技术途径上也有类似之处： 1 ) 分布式水文模型的数据与g i s 中的矢量或栅格数据格式具有类似 性，且都以一定的空间分辨率划分研究区域以减少数据量与简化计算。 2 ) 用g i s 中的分层分类和叠加不同信息源的资料所得的具有实际意义 的响应单元与半分布式流域水文模型中利用“相似水文单元”来划分子流 域相类似。 由以上分析可知，遥感( 胄s ) 与地理信息系统( 6 嚣) 新技术的应用， 不仅为分布式水文模型的应用提供了流域详细的数据资源，而且还为分布 式水文模型的应用提供了良好的技术平台。这些新技术的集成，成为分布 式水文模型发展的必要条件和主要发展趋势。其集成的程度可根据具体情 况形成独立运用、松散集成、紧密集成及完全集成【3 0 1 。所谓独立应用是指 g i s 与分布式水文模型在不同的硬件环境下运行，g i s 和水文模型中不同数 据模型之间的数据交换一般通过手工进行。松散集成则是通过特殊的数据 文件进行数据交换，而且数据模型之间的交叉索引非常重要。紧密集成是 指分布式水文模型中的数据格式与g i s 中的数据格式依然不同，但可以自 动地进行双向数据存取。完全集成则是指g i s 模块与水文模型模块为同一 综合系统的不同模块，数据的存取是基于相同的数据模型和共同的数据管 理系统。 遥感与地理信息系统技术的成熟，为研究和使用分布式水文模型提供 了强有力的数据支持，提高了水文模型的精度。同时，遥感和地理信息系 统在分布式水文模型中的集成为传统的水文科学注入了新的活力，拓宽了 研究思路，提高了工作效率，是分布式水文模型今后发展的必然趋势。 1 3本文主要研究内容 1 简述流域水文模型的分类，所存在的问题及发展趋势： 2 对汾河上游流域分析其气象、水文特性； 3 根据汾河上游流域的气象、水文条件，选择合理的时空尺度和产 汇流机制，构