（水文学及水资源专业论文）基于wetspa分布式流域水文模型的径流预报.pdf

基于w e t s p a 分布式流域水文模型的径流预报 水文学及水资源 硕士生：赵建华 指导教师：陈洋波教授 摘要 对降雨径流过程的数学模拟由来已久，并伴随着水文知识的积累和自然科学、技 术的进步逐步趋于定量化和系统化。1 9 6 6 年斯坦福模型的研制成功，是水文科学史上 第一次将流域径流形成的各个环节整合到一个模型中的系统、全面研究，此举极大地 促进了水文科学的发展。这一时期涌现出了许多影响广泛的系统及概念性模型，但就 其本质，上述模型都将流域概化为一个整体进行模拟研究。这与流域径流形成的分散 输入、集中输出的物理原型是极不匹配的，因而无法反映降雨、下垫面等因素的空间 分布不均对降雨径流过程的作用，也无法从机理上刻画流域的径流形成过程。为客观 描述这一物理过程，解决人类社会发展中面临的诸多水文、环境新问题，人们逐渐将 注意力转移到分布式物理水文模型的研究与开发中。 计算机技术、g i s 及r s 技术的快速发展为分布式物理水文的研制提供了强大和及 时的技术支撑。特别是具有网状形式描绘地表高程变化的d e m 数据，其在结构上与流 域径流过程的物理原型有着高度的一致性，将d e m 数据与土壤、土地利用等其它反映 流域下垫面不均匀分布的数据在g i s 软件中叠合分析，不仅解决了下垫面空间分布不 均对径流形成的影响，提高了模拟计算的精度，拓展了水文模型的应用范围，更重要 的是能在机理高度上探讨流域径流过程的内在规律。 改进的w e t s p a 模型基于d e m 格网的分布式结构框架以及由水流连续方程和动量 守恒定律推导的模拟公式，使其成为一种典型的分布式物理水文模型。本论文采用改 进的w e t s p a 模型，借助g i s 软件，以黄京塘流域为实例，系统全面地研究了地形、土 壤类型及土地利用等空间不均匀分布因素对流域径流过程的作用，取得了初步成果； 并在此基础上，模拟计算了黄京塘流域的降雨径流过程，取得了较为理想的模拟成果。 关键词： 分布式流域水文模型；g i s ；d e m ；w c t s p a i i r u n o f fs i m u l a t i o nw i t hd 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 ( w e t s p a ) h y d r o l o g y a n dw a t e rr e s o u r c e s n a m e ：z h a o j i a n h u a s u p e r v i s o r ：p r o f c h e ny a n g b o a b s t r a c t a c c o m p a n y i n g w i t ht h ea c c u m u l a t i o no f h y d r o l o g i c a lk n o w l e d g e a n d d e v e l o p m e n to fn a t u r a ls c i e n c e ，m a t h e m a t i c a lm o d e l i n gh a sal o n gh i s t o r y t a r g e t i n gq u a n t i t a t i v ea n ds y s t e m i ce x p l a n a t i o n so f r a i n f a l lr t m o f f p r o c e s s 1 9 6 6 ， t h e a c c o m p l i s h m e n to fs t a n f o r dw a t e r s h e dm o d e lg r e a t l ya c c e l e r a t e dt h e d e v e l o p m e n to fh y d r o l o g i c a lm o d e l i n g ，i tw a sp r o b a b l yt h e f i r s tt i m et o i n t e g r a t et h ed i f f e r e n tc o m p o n e n t so fh y d r o l o g i cc y c l ea n ds i m u l a t i o no f v i r t u a l l yt h ee n t i r ew a t e r s h e d d u r i n gt h i sp e r i o d ，an u m b e ro fi n f l u e n c e d b l a c k - b o xm o d e l sa n d c o n c e p t u a l m o d e l sh a db e e n d e v e l o p e d b u t s u b s t a n t i a l l y , a l lo ft h e s em o d e l sc o n c e p t u a l i z e dt h ee n t i r ew a t e r s h e da so n e u n i ta n ds i m u l a t e di t s h y d r o l o g i c a lr e s p o n s e t h i sc o n c e p t u a l i z a t i o nw a s e x t r e m e l yi n c o n s i s t e n tw i t ht h ep l a y s i c a lp r o t o t y p eo ft h eh y d r o l o g i c a lc y c l e ， w h i c hh a st h ed i s t r i b u t e dp r e c i p i t a t i o ni n p u t sa n dal u m p e dr u n o f fo u t p u ta tt h e o u t l e to ft h ew a t e r s h e d ，a n di tw a sa l s oi n c a p a b l eo f r e f l e c t i n gt h ee f f e c to f t h e s p a t i a lh e t e r o g e n e o u sc h a r a c t e r s ，s u c ha st o p o g r a p h y , s o i lt y p ea n dl a n du s e s o t h e s em o d e l sd i dn o th a v et h ea b i l i t yt od e p i c tt h et r u eh y d r o l o g i c a lc y c l e i n o m e rt o g e tap e r f e c td e p i c t i o no ft h ep h y s i c a lc y c l ea n dr e s o l v et h en e w i i i p r o b l e m s a r ef a c e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to fo u rs o c i e t y , g r a d u a l l y , t h e h y d r o l o g i s t sp u tt h e i re y e so n t h ep h y s i c a l l yb a s e dd i s t r i b u t e dm o d e l s t h er a p i da d v a n c e m e n t si nc o m p u t e r , g i sa n dr st e c h n o l o g yp r o v i d e d f i r m | ya n dt i m e l yt e c h n o l o g i c a ls u p p o r t sf o rt h ed e v e l o p m e n to fp b y s i c a l l y b a s e dd i s t r i b u t e dw a t e r s h e dm o d e l ，p a r t i c u l a rt h ep r o g r e s si nt h eg r i d - s i z e d d e m t e c h n o l o g yw h i c hh a dt h e s a l n em e s hs t r u c t u r ew i t ht h e h y d r o l o g i c p b y s i c a lp r o t o t y p e b yo v e r l a y i n ga n da n a l y z i n gd e md a t a ，s o i lt y p ed a t a ，l a n d u s ed a t aa n do t h e rh y d r o l o g i c a l - m e a n i n g f u li n f o r m a t i o ni ng i se n v i r o n m e n t ，i t i sa c c e s s i b l et oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo fs p a t i a lh e t e r o g e n e o u s ，i m p r o v et h e p r e c i s i o no fh y d r o l o g i c a lf o r e c a s t i n g ，e x p a n dt h es p e c t r u mo fa p p l i c a t i o na n d m o s ti m p o r t a n t ，t od i s c o v e rt h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo f r a i n f a l lr u n o f f p r o c e s s w e t s p ae x t e n s i o ni sat y p i c a ld e m b a s e dd 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 b e c a u s eb o t ht h eo v e r l a n da n dc h a n n e ln e t w o r ka r cr e p r e s e n t e db yag r i do f m e s h , a n dc e l li sd e s c r i b e db yi t su n i q u ep a r a m e t e r s ，i n i t i a lc o n d i t i o n s ，a n d p r e c i p i t a t i o ni n p u t s t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l su s e dt od e s c r i b et h e h y d r o l o g i c a lc o m p o n e n t sa l li sb a s e0 1 1s u c hp h y s i c a lp r i n c i p l e sa sc o n s e r v a t i o n o fm a s sa n dm o m e n t u m u s i n gt h ew e t s p ae x t e n s i o ni ng i se n v i r o n m e n t , e x e m p l i f y i n gb yh u a n g j i n g t a n gw a t e r s h e d ，t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ys t u d i e st h e e f f o r t so ft e r r a i n ，s o i lt y p ea n dl a n du s et ot h eh y d r o l o g i c a lc y c l e ，a n dg e t s p r i m a r yr e s u l t s b a s e do nt h e s er e s u l t s ，t h er a i n f a l la n dr u n o f fp r o c e s si s m o d e l e di nt h es t u d yw a t e r s h e da n d g e ts a t i s f i e dr e s u l t s k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dw a t e r s h e dm o d e l ，g i s ，d e m ，w e t s p a i v 1 1 研究目的及意义 第1 章绪论 径流过程是流域复杂下垫面条件对降雨过程的综合响应，无论是降雨过程的空间 分布，还是下垫面条件的空间变化，都极大地影响着流域的径流过程。流域的降雨径 流过程具有显著地分散输入、集中输出特征。由于数值计算理论和方法、计算机技术、 资料的获取等多方面的原因，传统的流域水文模型只能将流域范围内的降雨和下垫面 特征做均化处理，假定暴雨强度空间分布均匀、下垫面特征呈空间均匀分布等等。这 些与物理原型不符的均化处理，极大地制约了现有集总式水文模型计算精度，限定了 其适用范围，也使其无法从机理上揭示降雨径流过程的内在原因。 随着计算机、r s 及g i s 技术飞速发展，现已基本解决了降雨空间分布不均及下垫 面不均匀分布给降雨径流模拟带来的技术难题。由此，流域水文模型的研究也从传统 的集总式水文模型转向具有物理意义的分布式及半分布式水文模型。分布式流域水文 模型的研究和应用已经成为当今水文科学发展的重点和前沿方向，其开发研究具有重 要的理论价值和实用意义。 本论文以改进的w e t s p a 分布式物理水文模型为蓝本，借助a r c g i s 8 x 软件平台， 以北江流域黄京塘子流域为实例，系统地研究了地形、土壤、土地利用等下垫面条件 对流域降雨径流过程的作用，并在此基础上模拟了黄京塘流域的降雨径流过程。 1 2 水文模型发展概述 p e n m a n 将水文学定义为解答“降雨后会发生什么? ”的科学。流域水文模型则 是回答这一问题的重要方法之一【2 卅：也是研究水文自然规律和解决水文实践课题的主 要工具。【卸流域水文模型是产汇流理论与计算机科学相结合的产物，是水文科学极具生 命力的新研究领域，也为人们更加深入把握水文规律提供了开创性的手段【卜5 1 。流域水 文模型现已广泛应到用防洪减灾、水资源可持续利用、水环境及生态系统保护、气候 变化以及人类活动对洪水、水资源和水环境影响等诸多研究领域；已成为现代洪水实 时预报系统的核心部分，是提高洪水预报精度增长预见期的关键技术；是水资源评价、 开发、利用和管理的理论基础；是建立面源污染模型和生态评价模型的主要平台；也 是研究变化条件下水文气象规律的重要途径。【5 4 】 1 2 2 历史回顾 2 1 人们对水文规律的认识经历了一个漫长的历史过程。对降雨径流过程的数学模拟 始于十九世纪中叶，主要是为了满足当时日益增多的道桥、运河、城市给排水、大坝、 隧道、涵洞等工程建设需要。但直到二十世纪六十年代中期水文科学进入水文模型研 究阶段后，诸如坡面汇流、河道汇流、下渗、填洼、蒸散发、拦截、地下径流及基流 等径流过程的概念、理论及规律才有了较为系统、全面的研究。 对降雨地面径流过程的数学模拟，可以追朔至1 8 5 1 年m u l v a n y 提出的经验公式以 及i m b e a u l 8 9 2 年提出的洪峰流量与雨强的简单数学关系。1 9 3 2 年，s h e r m a n 提出了 刻画直接径流与超渗雨的单位线，在同一时期( 1 9 3 3 年) h o r t o n 提出了估算超渗雨的 下渗公式，并且改进了径流分割理论。再对地面径流的形成过程进行研究后，h o r t o n 于1 9 3 9 年提出了描述地面径流运动的半经验性公式。1 9 4 4 年，经过大量的理论分析 研究，k e u l e g a n 提出了简化后的地面径流运动方程，这就是至今仍广泛应用的运动波 方程。同年，i z z a r d 对之进行了验证分析。1 9 4 5 年，h o r t o n 河流定律的建立，构筑了 定量地貌学的理论基础。上述理论，大多都是经验性的。 与此同时，l o w d e r m i l k ( 1 9 3 4 ) 、h u r s h ( 1 9 3 6 ) 、b r a t e r ( 1 9 4 4 ) 的研究表明。在 湿润地区，地下径流是降雨径流过程不可忽略的组成部分。此后，h o o v e r 、h u r s h ( 1 9 4 3 ) 及h u r s h ( 1 9 4 4 ) 指出由于“地下径流的运动变化”非常明显的影响了地面径流过程。 r o e s s e l 也对滨河地区地下径流运动进行了研究。在h e w l e t t ( 1 9 6 1 a , b ) 的研究基础上， n i e l s e n ( 1 9 5 9 ) 及r e m s o n ( 1 9 6 0 ) 等提出侧向非饱和流可以补给河滨饱和地区进而产 生径流。自二十世纪四十年代以来，地下径流理论的形成极大的丰富和拓展、整合了 产汇流理论，并使人们正确认识到h o r t o n 理论只是产汇流理论的一部分。 g r e e n 和a m p t ( 1 9 1 1 ) 较早地开展了下渗规律的研究。1 9 1 1 年，他们采用经过简 化的物理模型，推求出至今仍广泛使用的g r e e n - a m p t 公式。其它常用的下渗公式有 k o s t i a k o v ( 1 9 3 2 ) 和h o r t o n ( 1 9 3 3 ，1 9 3 5 ，1 9 3 9 ，1 9 4 0 ) 的经验公式。r i c h a r d s o n ( 1 9 3 1 ) 和c u m m i n g s ( 1 9 3 5 ) 较早地开展了水面蒸散发的研究。t h o r n t h w a i t e ( 1 9 4 8 ) 和p e n m a n ( 1 9 4 8 ) 也为蒸散发模型的建立做了大量的研究工作。 对植物截留、填洼及土壤水量损失的定量描述，可以追朔到二十世纪二十年代。 1 9 1 9 年，h o r t o n 推求出了一系列估算不同植物覆盖类型截留的经验公式。1 9 5 6 年，美 国农业部( u s d e p a r t m e n to fa g r i c u l t u r e ，u s d a ) 土壤保持局( t h es o i lc o n s e r v a t i o n s e r v i c e ，s c s ) 研制的s c s 曲线值法，首次将上述水量损失计算纳入暴雨洪水演算中。 1 9 3 3 年，f a i r 和h a t c h 对地下径流循环进行了研究，并推求出了计算土壤下渗率 的公式。t h e i s ( 1 9 3 5 ) 应用d a r c y 定理及连续性方程，推导出了定量地下水文学中最 为重要的公式一无补给承压水完整井定流量非稳定流计算公式( 即t h e i s 方程) 。1 9 4 3 年，j a c o b ( 1 9 4 3 ，1 9 4 4 ) 对纽约长岛的降雨地下水水位关系进行了研究。对地下径 流和下渗规律的研究，为后来的基流与壤中流分割提供了理论基础( b a r n e s ，1 9 4 0 ) 。 i9 2 8 年，美国陆军工程军团( u s a r m yc o r p so f e n g i n e e r s ) 的p u l s 提出了水库演 算法，这一算法假定恒定的库容一下泄量关系，并且忽略了洪水演进过程中的坡度变 化。1 9 4 9 年，经美国农垦局( u s b u r e a uo f r e c l a m a t i o n ) 改进提出了改进的p u l s 法。 1 9 3 5 年，麦卡锡推导出了马斯京根径流演算法，这一方法目前仍在广泛应用中。 沉寂了2 0 多年后，二十世纪五十年代后期，对降雨径流模型的研究又快速开展起 来。采用线性理论，n a s h ( 1 9 5 7 ) 推导出了瞬时单位线，d o o g e ( 1 9 5 9 ) 推导综合单位线， l i g h t h i l l 和w h i t h a m ( 1 9 5 5 ) 推导出了河道中径流演算的运动波方程。 1 2 3 流域水文模型 进入二十世纪五十年代，随着电子计算杌技术的迅猛发展，数值模拟及数理统计 也以前所未有的速度发展进来。强大的计算技术及计算工具，为人们能够系统研究径 流形成的各个环节提供了坚实的技术平台。1 9 6 6 年，世界上第一个流域水文模型斯 坦福模型( s t a n f o r dw a t e r s h e dm o d e l s w m ) 【i o 】的研制成功，极大地促进了水文科学的 进步和发展。此后水文模型的研究快速地展开了，经过近半个世纪的发展，世界上有 中、英文文献可查的流域水文模型就达7 0 多种 2 1 。 流域水文模型分为确定性模型和随机( 统计) 模型两大类 u - 1 2 。通常所说的流域 水文模型都是确定性模型。从反映水流运动物理规律的科学性和复杂程度而言，确定 性水文模型通常被分为三大类：即系统模型( 也称为黑箱子模型) 、概念性模型及物理 模型。系统模型是建立在经验统计基础之上。该类模型将所研究的流域或区间视作一 种动力系统，利用输入( 降雨或上游干支流流量) 与输出( 流域控制断面流量) 资料， 进行数值分析计算，建立某种隐含物理意义的数学关系，再用新的输入推测新的输出。 这种模型结构简单、操作性强，但该类模型只考虑了模拟数据域内( 样本) 的物理相 关性，而不是整个输入一输出域对应的物理因果关系，所以外延效果很差，预测效果 不稳定。代表性的系统模型有：简单线性模型( s l m ) ，线性扰动模型( l p m ) ，约束 线性系统模型( c l s ) ，线性可变增益因子模型( v g f l m ) ，v o l t e r r a 函数模型，多输入 简单线性模型( m l s l m ) ，多输入线性扰动模型( m i l p m ) ，多输入可变增益因子线 性模型( m i v g f l m ) 以及神经网络模型( a n n ) 等等。 概念性模型既有一定的物理基础，又具有统计回归模型的特点。该类模型利用一 些简单的物理概念和经验关系，如截留系数、下渗曲线、蒸发公式、或有物理意义的 结构单元，如线性水库、线性河段等，组成一个系统来近似地描述水流在流域的运动 状态。概念性模型操作简便，输入变量少，对观测数据精度要求也不高。但该类模型 的参数不易获得。同时由于水文系统内部的变化，如森林砍伐、城市化等必将导致模 型参数的变化，这时还使用原有参数推测计算，必将无法得到准确的模拟结果。概念 性流域水文模型主要有：由美国天气局v t s i t t c n 提出的a p i 模型，日本的菅原正 已提出的水箱模型( t a n km o d e l ) ，n hc r a w f e r d 和r k l i n s l e y 提出的斯坦福模 型，r j c b e m a s h 等提出的萨克拉门托模型，爱尔兰国立大学研制的s m a r 模型， 丹麦技术大学于1 9 7 3 年提出，后经丹麦水力研究所在实践中逐渐完善的n a m 模型， 我国河海大学赵人俊教授提出的新安江模型，意大利t o d i n i 所提出的a 1 t i o 模型等。 物理模型是具有严格的物理基础，采用数学物理偏微分方程构建水文变量与参数 随空间变化的分布式模型，后文中有详细的论述。 1 3 集总式流域水文模型 从对流域水文过程描述的离散程度而言，水文模型可以分为两大类【l3 】：一类是集 总式模型，另一类是分布式模型。集总式模型认为流域表面上各点的水力学特征是均 匀分布的，对流域表面上任何一点上的降雨，其下渗、渗漏等纵向水流运动都是相同 和平行的，不和周围的水流运动发生任何联系，因此整个流域被当作一个单元体，只 考虑水流在单元体内的纵向运动。 分布式模型则认为流域表面上各点的水力学特征是非均匀分布的，水流在流域表 面上分布并不均匀，应将流域划分为很多个小单元，在考虑水流在每个小单元体内的 纵向运动时，也要考虑各个小单元之间水量的横向交换。 4 一般而言系统模型和概念性模型都是集总式模型，而物理模型都是分布式模型。【”】 介于集总式模型和分布式模型之间，还有一种所谓的“半分布式”水文模型，其典型 代表是以地形为水文过程空间变异性基础的t o p m o d e l 1 t - 1 5 l 。在t o p m o d e l 中，采 用地貌指数i n ( t t t a n l d 作为水文相似性指数，流域的地貌指数i n ( a t a r 堆) 概率分布 曲线则反映水文过程在流域上的空间变异性。 1 3 1 集总式流域水文模型概述 集总式水文模型将流域作为一个整体模拟期径流形成过程，其本身都不具备从机 理上考虑降雨和下垫面条件空间分布不均对流域径流形成影响的功能。集总式流域水 文模型绝大多数都是将径流形成过程人为的离散为若干个环节，采用概念性元素组合 而成。即为表示蒸散发作用的概念性元素、表示产流机制的概念性元素、表示下垫面 特征不均匀性的概念性元素、表示地面径流汇流的概念性元素、表示多孔介质水流汇 集的概念性元素和表示河网汇流的概念性元素等6 类【5 】。不同概念性集总式流域水文模 型在结构上的区别就在于采用的概念性元素不同及其组合的方式不同。目前，常见的 集总式流域水文模型中概念性元素的组合方式有两类：一是先确定总径流量，再划分 径流成分并按不同径流成分进行汇流计算，通过叠加得到流域出口径流过程：二是将 划分径流成分与对不同径流成分的汇流计算同时进行，然后通过叠加得到流域出口径 流过程。概念性集总式流域水文模型包含的参数，按所具有的意义，则可分为几何参 数、物理参数和经验参数等；按参数在径流形成中所起的作用，则可分为蒸散发参数、 产流参数、分水源参数和汇流参数等；按对流域响应计算精度的影响程度大小，则可 分为敏感性参数和不敏感参数；按确定参数的方法，则可分为直接量测参数、试验分 析参数和率定参数。现有概念性集总式流域水文模型所包含的参数，具有明确物理意 义的较少，通过物理方法确定的参数更是少之更少，大多数参数都要依靠率定方法确 定。模型参数的率定即使要所确定的参数必须使计算的流域水文响应与实测的流域水 文响应拟合最佳或误差最小，显而易见，这是仅隐含样本物理信息的数学最优化问题。 1 3 2 集总式流域水文模型的不足 目前应用较为广泛的模型多为系统模型和概念模型，水文物理模型因需要资料较 多、物理参数收集工作量大，且水动力方程难以求解，在实际应用中受到限制。但是， 集总式流域水文模型也有其自己无法克服的缺点和问题。 5 - 6 1 ( d 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 象的本质或物理机理。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意义。 由于水文现象本身的复杂性及入们对其的认识的局限性，使得人们至今还不能用 数学物理方程严格地描述径流形成的每一个环节。因此，现有流域水文模型在许多结 构环节上仍主要借助于概念性元素模拟或经验函数关系描述，例如，采用简单的下渗 经验公式、带有经验统计性的流域蓄水曲线或具有底孔和不同位置侧孔的水箱等来模 拟产流过程，采用面积时间曲线、线性或非线性“水库气线性或非线性“渠道”，以 及它们的不同组合形式来模拟汇流过程。这样的模拟往往只涉及现象的表面而不涉及 现象的本质或物理机制。因此，现有流域水文模型包含的许多参数都缺乏明确的物 理意义，只能主要依据实浏降雨和径流资料来反求，而这样求得的模型参数必然带 有经验统计性，只能反映有关影响因素对流域径流形成过程的平均作用。即使现有流 域水文模型拟合一组资料中的大部分可达到令人满意的程度，但对该组资料中的个别 特殊情况，即水文极值事件，或者该组资料以外的另一些资料却不一定能获得令人满 意的拟合结果。 模型输入的空间分散性和不均匀性。流域水文模型的输入是流域上各点的降雨 过程，输出是流域出口断面的流量或水位过程。因此，它是一种具有分散性输入和 集中性输出的模型。集总模型在结构上一般与此并不匹配，而是将事实上呈空间分布 的降雨输入当成模型的集总输入。现有的集总式流域水文模型，几乎无一例外地采用 将全流域按雨量站划分成若干个单元面积的方法，认为当单元面积的尺度小到定程 度时，即可作集中输入和集中输出的流域水文模型来模拟该单元面积的径流过成，最 后将各单元面积对全流域出口断面输出的贡献迭加起来作为其出口断面的输出。显然， 这种实用的处理方法仍是不完善的，例如，如何考虑不同单元面积在径流形成机制 和模型参数上的差别、各单元面积对全流域出口断面的贡献是否满足迭加原理等都未 能得到解决。 部分集总式流域水文模型虽然设法考虑了下垫面条件空间分布不均对径流形成 过程的影响，但由于采用的是统计分布曲线，例如s t a n f o r d 模型中的下渗容量空间分 布曲线、新安江模型中的流域蓄水容量曲线和t o p m o d e l 中的地形指数分布曲线等， 但其无法准确刻画流域上各点的径流过程，也无法同时考虑降雨空间分布的对流域径 流过程的影响。 6 用最优化方法确定模型参数对实测降雨径流资料的依赖性很大。现有集总性流 域水文模型一般都包含有两个以上的参数需要由实测降雨和径流资料来反求。在数学 上处理这类”逆问题的方法通常是最优化方法，它首先要求设计一个目标函数，然 后在一定约束条件或无约束条件下寻求一组模型参数使该目标函数达到极值。现有流 域水文模型目标函数通常根据模型的状态变量或输出变量的模拟值与实测值之间的误 差来构造，一般与模型本身的结构没有什么联系，所考虑的约束条件一般也与模型 本身的结构没有什么联系，因此，按此方法求得的模型参数只能反映模拟值与实测 值拟合程度，而不能揭示参数的物理意义。此外，由于模型中各参数之间可能存在相 依性，以及所构造的目标函数的非单峰( 谷) 性，按最优化方法求得的最优参数组 可能不是唯一的。这表明现有流域水文模型在应用中尚缺乏严格的客观性，一些研究 者试图寻找一些能克服这种不唯一性的方法。但是应当指出，这些试图克服模型最优 参数不唯一的方法仍难以明确模型参数应具有的物理意义。 对历史观测资料的依赖，使其无法对短资料、无资料及变化环境下流域的水文 过程进行准确模拟。前已述及，集总性流域水文模型一般都包含有数个参数需要由实 测降雨和径流资料来反求，对短系列实测资料流域无论采取何种手段对实测资料进行 插值、展延，这不过是对现有实测资料的某种数学组合运算，并无涉及物理成因相关 的信息容量扩大；而对无资料的流域或通过本水文特征值分析或移鼍水文相似区内水 文资料或对下垫面条件已经发生变化的流域仍采用历史观测资料进行模型参数率定， 其不合理性是显而易见的。 集总式模型，面临着无法解决的新挑战，诸如水文循环的规律和过程如何随时间 和空间尺度变化而变化的问题，水文过程的空间变异性问题，还有水文、地球化学、 环境生态、气象和气候之间的耦合问题。这都是大部分流域水文模型( 系统模型和概 念性模型) ，无法解决的问题。这时，二十世纪八十年代以后，人们把目光逐步转移到 分布式水文物理模型。 1 4 分布式流域水文模型 1 4 1 概述 在现实世界中，影响流域径流形成的降雨和下垫面条件均呈现空间分布不均匀状 态。集总式流域水文模型显然是忽视这一重要而基本的事实的。因此，根据实测水文 气象资料用最优化方法确定集总式流域水文模型的结构和参数，必带有一定程度的虚 假性，而不一定是流域径流形成规律的真实反映。这样势必导致模型参数的物理意义 模糊，模拟精度常常不尽人意，而且还有可能将人们的研究注意力不适当地引向寻找 最优化的数学解算方法上，而忽视对产汇流理论的深入探索。 只有分布式流域水文模型才能为真实、有效地模拟现实世界的流域径流形成规律 提供有力的工具，因为从理论上说，分布式流域水文模型是能够尽可能客观地反映降 雨和下垫面条件空间分布不均对流域径流形成影响的。 1 9 6 9 年，f r e e z e 和h a r l a n 1 6 】就描述了分布式水文物理模型的概念和框架。他们建 议用水力学方法来研究降水在流域内部的运动规律，不仅仅考虑流域内部垂直方向水 量交换，也考虑流域内部水平方向水量交换。限于当时的计算机硬件水平，水文学家 对分布式水文物理模型的研究并不是很多。到了二十世纪八九十年代，随着计算机技 术、地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 。g i s ) 、数字地理高程( d i s t a l e l e v a t i o nm o d e l ，d e m ) 和遥感( r e m o t es e n s i n g ，r s ) 技术飞速进步，为研制和建 立分布式水文物理模型提供了强大和及时的技术支撑，使分布式水文物理模型成为水 文学家研究的前沿热点之一，其开发研究具有重大的理论意义和实用价值。1 2 ，5 - 9 1 3 ”】 第一个真正的具有代表性的分布式水文物理模型是由英国、法国和丹麦的科学家 联合研制而成，发表于1 9 8 6 年的s h e ( s y s t t m eh y d r o l o g i q u ee u r o p t e n ) 模型【1 8 1 9 1 。 该模型主要的水文物理过程均用质量、能量或动量守恒的偏微分方程的差分形式来描 述，当然也采用了经过一些独立实验研究得来的经验关系。s h e 考虑了蒸散发、植物 截流、坡面和河道汇流、土壤非饱和流和饱和流、融雪径流、地表和地下水交换等径 流形成环节过程。该模型参数都有一定的物理意义，可以通过观测或从资料分析中得 到。 寻求实用的能同时考虑降雨和下垫面条件空间分布对径流形成影响的表示方法显 然是研制分布式流域水文模型的必要前提和关键技术。由于”寻求”的困难性，使得在 过去相当长时间内分布式流域水文模型发展比较缓慢。d e m 的出现，使问题的解决有 了根本性的转机。因为d e m 本身就是以网格和离散数字方式表达地面高程空间分布的 数字模型，利用它不仅能自动提取分水线、集水线、自动生成流向、河网和流域形状， 而且能自动提取地形坡度分布和其他地貌参数。将d e m 与土壤、植被和土地利用等分 布图或遥感图叠加，还能给出每个网格的土壤、植被和土地利用的特征值。这种表达 下垫面条件空间分布的方法是能同时考虑降雨空间分布对流域径流形成影响的。 1 4 2 分布式水文模型的分类 从s h e 模型开始，人们先后研制建立了一些分布式水文模型。具有一定影响的分 布式物理水文模型有s h e 模型及其不同的改进性m i k e s h e 、s h e t r a n 、i h d m 、 t o p m o d l e 、k i n e r o s 、w a t f l o o d 、t o p i k a p i 、c e q u e a u 、r - rm o d e l 、h m s 、 a r c ，e g m o 、m o d c o u - i s b a 、d h s v m 、c a s c 2 d 、g b h m 、i h f s 、h y d r o t e l 、 s w a t 、v f l o 模型以及本论文研究选用的w e t s p a 模型 2 0 1 等等。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。常见的可用 于构建概念性分布式流域水文模型的有t a n k 模型、新安江模型等。具有物理基础的 分布式水文模型又可分为具有水动力学基础和具有水文学基础的两类。s h e 和w e t s p a 模型属于前者，d b s i n 模型属于后者。t o p m o d e l 模型和t o p k a p i 模型属于具有物 理基础的半分布式流域水文模型。 按各单元面积形成的径流过程集合成流域出口断面流量过程的方法，分布式流域 水文模型可分为松散型和耦合型两类。前者假设每个单元面积对整个流域响应的贡献 是互不影响的，因此，可先分别求得各单元面积对整个流域的贡献，再通过叠加来确 定整个流域响应。而对于后者，由于描述流域径流形成规律的是由一组微分方程及其 定解条件构成的定解问题，因此，必须通过联立求解才能确定整个流域的响应。一般 来说，概念性分布式流域水文模型多是松散型的。具有物理基础的分布式流域水文模 型，有些是耦合型的，如s h e 模型：也有一些是松散型的，如d b s i n 模型和w e t s p a 模型。概念性松散型分布式流域水文模型的解算方法一般比较简单，但反映径流形成 机制不够完善。具有物理基础的耦合型分布式流域水文模型，虽然在描述径流形成过 程时物理概念清楚，但解算比较困难，甚至不一定存在稳定解。具有物理基础的松散 型分布式流域水文模型的优缺点正好介于两者之间，是水文学家认为近期内具有较好 发展前景的一类分布式流域水文模型。【5 j 1 4 3 分布式水文模型发展的三大技术支柱 支撑分布式水文模型发展的三大计算技术支柱是：【，2 1 1 计算机技术和数值分析 理论进一步发展为为分布式水文模型求解描述径流过程的偏微分方程组提供了强大的 计算技术及计算工具：卫星及雷达遥测是获取大范围空间信息和资料的最主要手段； 不断完善的g i s 技术是建立分布式水文模型的最主要的平台。 9 描述流域径流过程的偏微分方程组一般是耦合的，至今没有解析解，数值解法的 实现也很困难，且实施流域径流过程的偏微分方程数值解的前提是要进行时、空离散 化，这与分布式流域水文模型的结构是高度一致的。计算机硬件技术的突飞猛进，为 快速、高效存贮及处理海量数据提供了强大的物质保障，计算机软件技术的日新月异 也为大型数值计算及数值模拟提供了强有力的技术支持。 分布式水文模型通常需要大范围上的各种观测资料，而一般的常规站网观测很难 满足这种要求。遥感则是解决在研制分布式水文模型时资料缺乏的有效手段。例如， 利用地球同步卫星和轨道卫星以及最新的m o d i s ，可以获得大面积的地形、地貌、土 壤、植被、水文和气象观测信息，利用遥感微波技术估算土壤含水量，利用多酱勒气 象雷达获取实时面雨量资料、利用气象卫星提供一定时期内降雨预报等。尽管遥感在 很多方面仍不能直接观测水文变量，但是通过间接的转化的确可以获得一些传统水文 方法观测不到的信息，使建立描述时空变异性、多变量或参数化的耦合流域水文模型 成为可能。 d e m 等空间分布数据能很好地描述空间分布变化的地理因素，能很好的反映流域 内水文循环的空间变异性，是研制分布式水文模型的理想平台。目前国内外常用的 a r c g i s 等g i s 软件已经提供了许多地形分析算法，即便有些算法至今还不完善，但也 能较为方便地推求出反映流域水文特性的地貌参数。另外将d e m 与地貌、土壤、植被、 地质等信息叠加，也可以方便地反映这些参数与其之间的关系。 1 4 4 国内研究现状1 硼 我国分布式水文模型的研究起步较晚。二十世纪九十年代以来我国一些学者进行 了探索性的研究工作。郭生练、夏军、刘昌明、芮孝芳、王中根、吴险峰等都对国内 外分布式模型的研究进展做了评述。以下学者也在国内进行了较早和较为深入的研究： 1 9 9 7 年，黄平等对国外具有物理基础的分布型水文数学模型的研究进展进行了回 顾与评述，分析了国外一些模型中存在的缺点，并在此基础上提出了流域三维动态水 文数值模型。 任立良和刘新仁在数字高程模型( d e m ) 的基础上，进行子流域集水单元勾画、河 网生成、河网与子流域编码及河网结构拓扑关系的建立，然后在每一集水单元上建立 数字产流模型( 新安江模型) ；再根据河网结构拓扑关系建立数字河网汇流模型( 马斯 京根法) ，从而形成数字水文模型( 属于松散耦合分布式模型) 。 l o 2 0 0 0 年，李兰等提出和建立了一种分布式水文物理模型，该模型的创新点在于采 用逆时间逆边界原理和不确定问题算法研制出了流域单宽入流和上游入流反演计算模 型。同年，郭生练、熊立华等提出了一个基于d e m 的分布式流域水文物理模型框架， 该模型系统地描述了土壤、植被及大气中的水汽传输及能量变化过程。2 0 0 1 年，郭生 练、杨井等建立了基于g i s 的分布式月水量平衡模型。 2 0 0 2 年，俞鑫颖、刘新仁等建立了分布式冰雪融水雨水混合水文模型。同年，夏 军等将时变增益非线性水文系统( t v g m ) 与d e m 结合，开发了分布式时变增益水文 模型( d t v g m ) 。唐莉华等提出了一个针对小流域的分布式水文模型，包括产汇流和 产输沙模型。该模型包括了从降雨到流域出口径流过程的各子过程，主要过程用有限 差和有限元求解。 张建云等建立了参数网格化的分布式月径流模型。 1 4 5 分布式水文模型关键技术 流域的离散化 分布式水文模型考虑了降雨及地貌参数的空间分布变化，并将流域离散成具有一 定尺度的网格单元。用于分布式模型的离散方法很多，常用的有典型单元面积( m 认) 、 水文响应单元法( h r u ) 、群体响应单元( g r u ) 法、聚合模拟单元( a s a ) 法 2 2 1 。 参数的网格化 分布式水文模型研究中，模型参数的网格化是关键技术。一般的研究路径为先在 各流域选择若干有实测资料又有一定代表性的流域作为试验流域，率定模型参数。然 后再选用适当的方法进行参数移植，即将试验流域的模型参数移植到各