半分步式及分布式分水文模型分析研究

1、分布式水文模型研究简况 由于传统的流域水文模型本身所具有的局限性，同时随着水文循环中各个组成要素的 深入研究，以及计算机、地理信息系统GIS）和遥感技术的迅速发展，使构造具有一定物 理基础的流域分布式水文模型成为可能。流域分布式水文模型充分考虑流域下垫面空间分 布不均对水文循环的影响。在水平方向上将流域划分成许多单元网格和子流域一般基于 DEM，在垂直方向上将土壤分层，并依据流域产汇流的特性，使用一些物理的、水力学的 微分方程 。1979年Bevenh和Kirbby 提出了以变源产流为基础 的TOPMODE模 型 TOPgraphy based hydrological MODEL ）。 1

2、TOPMODE模 型：1TOPgraphy based hydrological MODEL ） 该模型基于DEM!求地形指数，并利用地形指数来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过 程的影响，模型的参数具有物理意义，能用于无资料流域的产汇流计算。TOPMOD模型的 基础是变动产流面积的概念。流域降水满足冠层截留和填洼等初损以后，下渗进入土壤包 气带，包气带分为土壤水带、中间带和毛细水带。只有包气带的含水量达到田间持水量 后，多余的水分中才有一部分以重力水的形式，通过大空隙直接进入饱和地下水层，所以 入渗没有马上引起地下水位抬升至地表面。TOPMODE模型把全流域按DEM网格分块，每一 个网格称

3、为一个水文单元。大的流域又可被分成若干个子流域或单元流域）。对每一个单 元流域进行产汇流计算。产流计算包括不饱和层水分运动、饱和层水分运动及地表径流。 地表径流和地下径流均视为在空间上相等，可通过等流时线方法进行汇流演算，求出单元 流域出口处的流量过程。通过河道汇流得出流域总出口断面流量过程。河道演算多采用近 似运动波的常波速洪水演算方法。TOPMOD模型可以根据地形指数和流域平均缺水量计算 出各点的缺水量，直观地反映源面积的大小和分布。地形指数的空间分布即反映了流域蓄 水容量的分布。蓄水容量曲线与地形指数的功能相同，都是为了计算径流。在应用时，仅 需DEMS和基本的水文资料 在SHE模型上进

4、一步发展研制出MIKE SHE模型。 MIKE SHE模型功能上体现三维空间特性，包括了陆地区全部的水循环过程，同时对地下水 资源和地下水环境问题分析、规划和管理是它的一大特色；采用多模块耦合的方式来模拟 水循环中几乎所有主要的水文过程，包括了大气循环、水流运动、溶质和泥沙输移等；通 过连续计算四个不同且相互影响的储水层的含水量来模拟产汇流过程，这几个储水层代表 了流域内不同的物理单元。这些储水层是：积雪储水层、地表储水层、土壤或植物根区储 水层、地下水储水层。因此它被广泛应用于流域管理、土地利用变化影响评价、地下水模 拟、水质污染模拟、灌溉及农作物生长对水分和污染物质在非饱和带运移的影响等众

5、多研 究领域。模型中一个流域被沿水平方向划分成一系列的相互联系单元grid ），各自具有不 同的物理参数，而在垂直方向又被划分成若干层,包括冠层、不饱和层和饱和层。 它所反映的流域水文过程主要包括降水、蒸散发、含植物冠层截留、地表汇流、河道汇 流、非饱和壤中流和饱和地下径流等过程，每个子过程分别进行计算建模。 图2 MIKE SHE模型结构 3ANSWERS(Areal Nonpoint Source WatershedEnvironment Respo nse Simulatio n 和 AGNPS（Agricultural Non poi nt Source ANSWER模型5包括水文模型

6、、泥沙分散-输送模型和几个描述坡面、亚表面、渠中 的水流路径的组件，采用概念模型模拟水文，用泥沙连续性方程模拟侵蚀 ，用方形网格划分研 究区域，可供水质规划者或其他用户模拟土地利用方式对水文和侵蚀响应的影响，对控制非 点源污染进行规划。ANSWER模型中，首先工程管理器从用户那儿收集信息，然后利用GIS 提取数据，产生一个输入文件，并将ANSWER模型的输出读入新的 GIS层，工程管理器的应用 使输入数据赋值时间减少了710倍。AGNPS模型6采用方形网格划分单元，模型包含水 文、侵蚀和泥沙输送、氮磷和COD的输移等内容，其中径流量用CREAMS模型中使用的公式 计算，侵蚀用RUSLE预测，化

7、学物质的输移采用 CREAM濮型和一个饲育场评价模型中的方法 并对土壤结构的影响方面做了改进，化学物质的输移计算分为溶解相和泥沙吸附相的计算， 溶解相的计算与径流量有关，而泥沙吸附相的计算则与产沙量有关。WEPP模型，主要用于研究土地管理对水、泥沙、营养物和 杀虫剂的影响，其中预测径流使用的是 SCS法（美国农业部土壤保持局曲线 ，产沙子模型 采用经验公式USLE（通用水土流失方程 ，预测污染物负荷采用的是概念模型。限于集总模 型不考虑时空变异性，适用流域面积小，因而提出了用网格划分流域、可以模拟时空变异 性的分布式模型。按模拟事件的时间连续性可分为单个事件模型和时间连续性模型 【8 。单 个

8、事件模型出现较早，在模拟暴雨事件时，不考虑亚表面流、蒸散发、植物生长等水文因 素,ANSWERS(Areal Nonpoint Source Watershed Environment Response Simulation和 AGNPS(Agri2cultural No npoi nt Source模型属于这一类。时间连续性模型则考虑了亚 表面流、蒸散发、植物生长等水文因素，HSPF(Hydrological Simulation Program2Fortra n 、SWRRB(Simulator for Water Resources in Rural Bas in s 、 SWAT(So

9、il Water Assessment Tool 、WEPP (Water Erosion Prediction Project属于 这一类。 kF水位弭 图3 ANSWERS 口 AGNP水文模型结构 分帕DEM t. r 1 Area为子流域面积kni）; 3.6为单位 转换系数。 5.4.2 蒸散 陆面上约有 62 %的降雨被蒸散，在大部分河流和除南极洲以外的陆面蒸散大于径流 Di ngma n, 1994 ）。 1）冠层截留 2）潜在蒸散PET 潜在蒸散的概念最早由Thornthwaite 作为气候分类模式的一个部分提出来，他将潜在 蒸散定义为在大面积均一、生长旺盛的植被覆盖、水分供应

10、不受约束 充足）、没有水平对 流advection ）或热量存储效应 heat storage effects）区域的蒸散速率。由于蒸散速率 深受植被生长地表特征vegetative surface characteristics）的影响，Pe nman 1956） 重新定义潜在蒸散为“均一高度、没有水分限制、完全遮蔽地表的矮小的绿色作物蒸散的 水量”。Penman使用草作为他的参考作物，但随后的研究表明高度30-50cm的紫花苜蓿是 一个更合适的选择。 Penman-Monteith公式：太阳辐射，大气温度，相对湿度，风速 Priestley-Taylor方法：太阳辐射，大气温度，相对湿度

11、Hargreaves 方法：大气温度 Pe nman-Mo nteith Method Priestley-Taylor Method Hargreaves Method 3）实际蒸散 SWAT莫型中首先计算植被冠层截留降雨的蒸发，接着使用近似Richtie1972 ）的方法 计算最大蒸腾和最大土壤蒸发，最后计算土壤实际蒸发。 截留降雨蒸发 E说=E如=二皿：为冠层自由水的蒸发量 mm HC）；- 为潜在蒸散mm HO）；九为冠层截持的初始水量 mm HO）；为冠层截持的最 后水量3 式中：最大蒸腾mm HO）。 土壤蒸发 土壤蒸发的量受遮蔽程度的影响。 E产 E： eov 式中：，为最大土壤

12、蒸发mm HO); ， 为土壤盖度指数。 =exp(-5.OxlO5 CT) 式中：CV为地上生物和残余物的量 kg ha-1)。 SWAT不允许其他层补偿该层无法满足的蒸发需求，土层蒸发需求的不能满足导致了 HRU实际蒸散的减少。 5.4.3 土壤水 Soil Water ) 1) 土壤结构 固体粘粒含量越大，饱和含水量、田间持水量、永久凋萎点也越大。 AWC=FC-WP 式中：AWC为植物可利用水量。 WR =(140 叫必- - 为渗漏的传输时间hrs )。 shallow depth ）的区 3) 壤中流Lateral Flow ):地表以下，地下水以上部分的径流 在土壤表层具有高水力

13、传导性和不渗透或半渗透层位于浅层 域，壤中流非常重要。在这样的系统中，降雨垂直渗透直到遇到不透水层，降水在不透水 层上累积形成饱和区，比如栖息水位，该饱和区为壤中流的水源。 SWAT使用了 Sloan等1983）构建及 Sloan和 Moore总结1984）后的用于中间流 subsurface flow ）的动力蓄水模型 a kinematic storage model ），该模型模拟沿着陡 峭斜坡 hillslope ）的流动路径上二维横断面的中间流。 5.4.4 地下水 气象资料 气象站 / 雨量站分布，日降雨资料，日气温资料 水文资料 流域监测断面分布 经纬度），流量，泥沙，水质 影像

14、 SPOT/TM/MODI影像 4 数字图像 DEM 土壤类型图，土地利用图，水系图，行政区划图，植被覆盖图 5 水库资料：水库调度 6 土壤物理属性 土层厚度，机械组成，质地，体密度 土壤化学属性 全氮，硝酸盐氮，氨氮，有机氮，全磷，速效磷，有机磷，矿化磷，有机质， PH 作物 生理参数，生育期，整地和播种，灌溉日期、水量），施肥 日期、类型、用法、数 量基肥、种肥、追肥）、深度），杀虫剂日期、类型、用法、数量、深度） 一般来说国内可获得的数据难以满足构建SWAT模型土壤库的要求。为此，土壤可利用有 效水、饱和水力传导度等参数采用由美国农业部开发的土壤水特性计算程序SPAW进行估 算。 二、

15、分布式水文模型研究的发展现状 国内 我国在分布式水文模型的研制方面则起步较晚，90年代开始，结合我国情况进行了探索 不同所引起的产流量变化。其特点 是既可以表达为流域产流时变及非线性系统的概念性参数模型，又可以表达为整体非线性 的Volterra 非参数系统响应模型的形式。2002年，夏 军，熊立华等（2004建立了基于 DEM的分布式 时变增益水文 模型（DTVGM分布式时 变增益模型 （Distributed TVGM, DTVGM ,是在空间分布的水文单元（基于流域数字高程模型（DEM划分的栅格单元或子流域 上应用TVGM来计算地表水产流，应用自由水蓄水库线性出流计算土壤水和地下水产流

16、实际蒸散发Ea与潜在蒸散发Ep之间的可以建立一定的关系15,运动波汇流模型15是 对圣维南方程组的一种简化，其中假定水面坡度与河床坡度一致（或者摩阻坡度与地表坡度 一致 ,包括一个连续方程（或称质量守恒方程 和一个蓄泄关系（水位2流量关系 方程， 径流流速采用曼宁公式。2003年，夏军，王纲胜等将集总的水文非线性系统模型通过GIS 平台，结合单元水文模拟，拓展到分布式流域水文模拟。它既具有分布式水文概念性模拟 的特征，同时又具有水文系统分析适应能力强的优点。通过考虑时变增益因子G的空间变 异性，该模型吸纳了局部高强度降水信息，对分布式空间降水输入能够产生积极的响应， 获得了比集总模型更好的峰值

17、模拟效果。产流过程中土壤湿度（即土壤含水量 不同所引起 的产流量变化。 三、分布式水文模型的发展状况总结 1、分布式水文模型的研究任重而道远 基于DE啲分布式水文模型代表了水文模型的发展方向。虽经历了近30年的研究，但分 布式水文模型仍处于初级阶段。拟合的情况并不特别好，也不特别差，可能是由于复杂的 理论模型由于资料有限，使率定过程存在不确定性。从而引起分布式水文模型的不真实 性、模型参数的非有效性和模型的检验和计算时间和数据存储的问题。单纯就模拟与预报 结果而言，分布式水文模型并不比集总式水文模型有太多的优势。但是，分布式水文模型 所揭示的水循环物理过程越来越接近客观世界。在研究人类活动和自

18、然变化对区域水循环 时空过程的影响，研究区域水资源生成与演变规律方面，具有独特的优势。 三、我国分布式水文模型面对着挑战 我国在分布式水文模型的研制方面则起步较晚，与国外有很大的差距，我觉得需从以下几 方面来加强研究： ?结合研究流域的特点和研究内容，合理地引进吸收国外的模型，逐渐缩短与国外的差距。 ?需要加强概念性集总式模型的改进，应用于预报，同时加强分布式研究。 ?分布式水文模型参数具有物理意义，如何解决参数问题是分布式模型能否快速发展的决定 因素。参数可以通过流域特征来确定，而不单是用水文资料来率定。 参考文献： 1 KETTH J Beven. Rainfall - runoff Mo

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20、easley D B , Huggins L F , Monke EJ1 ANSWERS:A model for watershed planningJ 1Transaction of the ASAE , 1980 ,23 (4 :938 - 944. 6 Young R A , Onstad C A , Bosch D D , et al1 AGNPS , agricultural nonpoint source pollution model for evaluating agricultural watershedsJ 1 J Soil and Water Conserv , 1989

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