分布式水文模型及3S技术简介

3分布式水文模型不同的集总式流域水文模型虽然各自具有不同的结构和参数，但最基本的特征是将流域作为一个单元体模拟，在产汇流等环节上采用概念性模拟或经验函数关系的描述，对模型输入的空间分散性和不均匀性没有充分考虑。

传统的流域水文模型大多数是集总式流域水文模型。

集总式流域水文模型一般都不具备从机制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，使其在模拟流域降雨径流过程中必然存在一定的局限性。近年来，伴随着水文理论的发展和高新技术在水文学科领域的广泛应用，为分布式流域水文模型的研制和应用提供了重要的理论和技术支撑，使分布式流域水文模型的研制和应用取得了令人鼓舞的进展，分布式流域水文模型已成为当今水文水资源科学领域中研究的热点之一。

1986年由丹麦水力学研究所、英国水文研究所和法国SOGREAH合作开发的SHE(SystemeHydrologiqueEuropeen）模型是第一个真正意义上或者说最具有代表性的分布式水文物理模型；

模型考虑了蒸散发、植物截留、坡面和河网汇流、土壤非饱和流和饱和流、融雪径流、地表和地下水交换等水文过程。

模型的参数从观测资料中分析得到。流域特性，降水和流域响应的空间分布信息在垂直方向用层来表示，水平方向采用正交的长方形网格来表示。至今，国内外的水文学家们相继提出了一系列的分布式水文模型，SHE模型就有不同的版本，如MIKESHE、SHETRAN等，较为常见的还有TOPKAPI、DHSVM。1979年，Beven提出的TOPMODEL是目前最具代表性的半分布式物理水文模型。TOPMODEL物理概念示意图

地貌指数，其数学表达式为：lnα/tanβ

，亦称为“地形指数”，

为单宽集水面积，即指排向第

点的单宽汇水面积，

为该点处坡角的正切函数，也即地表坡度

，地表坡度即表示单位距离上的势能变化，显然对于坡面流而言，地表坡度是其最主要的作用力，表示该点的排水状况，

是一个综合表达式。分布式水文模型的应用（1）水资源评价（2）节水灌溉（3）土壤侵蚀（4）地表水污染（5）地下水污染（6）洪水实时预报（7）土地利用变化（8）生态（9）气候变化影响（10）人类活动影响。分布式模型的构成从水平方向将流域划分成一系列的单元单元被看作是一个有物理意义的流域单元流域有自己的物理特性数据：DEM、植被类型、土壤类型和降雨量单元分成边坡单元、河道单元和水库单元三种适当分辨率的DEM对整个流域进行划分从垂直方向将单元分成三层植被覆盖层（CanopyLayer）：地表面至树叶顶部的空间区域。假定蒸散发只发生在植被覆盖层，各单元流域的蒸散发量之间没有相互影响地表层（SoilLayer）：地表面往地下若干深度的浅表土壤层，具有调蓄水能力地下层（UndergroundLayer）：地表层以下的含水层对地下层不进行网格划分，整个流域的地下层看作一个整体径流模拟模块：（1）截留/蒸发；（2）坡面流和河道流；（3）不饱和带；（4）饱和带；（5）融雪；（6）含水层和河道的水流交换。模型理论分布式流域水文模型一般是在揭示流域产汇流物理机制的基础上，通过有关的物理定律如质量守恒定律、能量守恒定律，演绎并推导出描述产汇流过程微分方程组，一般为一常微分方程组或偏微分方程组。分布式模型的技术支撑目前人们把数字高程模型资料，作为地理信息系统数据库的基本信息来源。常用的ARC/IofoGRID可提供基本的地形分析算法，另外还可生成一些反映流域水文特性的地貌参数。

遥感观测资料：同步卫星、轨道卫星、MODIS等。（1）建立分布式水文模型的平台——地理信息系统；（2）获得大范围空间信息和资料的方法—卫星遥感；（3）计算机与计算技术；分布式水文模型的技术支撑（1）地理信息系统（GIS)技术

GIS是一种融合现代计算机图形学和数据库管理技术为一体，对现实世界各类空间数据及描述这些空间数据的属性进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。基本的信息源——

GIS技术使人们有了强有力的工具去描述流域下垫面因子复杂的空间分布。GIS能够处理不同源的数据：地图、航空照片，卫星影像和研究区的检测与实测数据，其在水文模型中一下几方面能发挥重要作用：（1）管理空间数据；（2）由基础数据层生成新数据层；（3）为模型参数的自动获取提供可能；（4）为水文建模提供方便；（5）GIS有利于分析计算的过程及结果可视化表达。水系和流域生成流程框图（a）8个可能的水流流向；（b）高程格网（数据为格网中心位置的高程）（c）按最大可能的水流流向；（d）生成的水系（数字为汇入的格网数目）（2）空间技术与测控技术

随着航天航空科学及遥感、遥测技术的快速发展，为获取大范围详细的空间信息和资料创造了有利的条件。近20年来，世界各国都纷纷开发了各具特色的资源遥感卫和多波段传感器，使多传感器、高光谱、多时角、多时相、高分辨率的卫星影像数据越来越丰富。发达国家超短波二十世纪七十年代中国超短波二十世纪八十年代中国海事卫星二十世纪九十年代中国二十一世纪北斗卫星海事卫星全线通GSMGPRSPSTN作为一种信息源，遥感、遥测技术能够提供流域内的地质地貌、土壤类型、植被、土地利用和河流水系等众多下垫面信息；也可以较为全面、准确地测定估算蒸散发、土壤含水量和可能形成降雨的云中水汽含量。（3）计算机与计算技术

由于描述降雨径流形成机制的常微分或偏微分方程组及其定解条件通常都为非线性的，而且一般都很复杂，数学上无法求得其解析解。

随着计算机应用技术和计算数学理论的不断发展，不仅提高了分布式流域水文模型的分辨率和模型的综合性与复杂性，而且为用数值方法求解模型中所涉及到的描述植物截留、蒸散发、坡面水流、河道水流、土壤水、地下水流和融雪径流等物理过程的微分方程组奠定了基础。

描述河道水流运动的圣维南方程组在数学上属于非线性双曲型偏微分方程，迄今尚无法求得其解析解。数值方法求解就是按某一差分格式对微分方程进行离散，用差分方程代替微分方程并求出其数值解。分布式水文模型的特点

(1)、数字化平台：模型可以在地理信息系统所构建的数字化平台上运行；计算流域由许多正方形网格或经纬网格单元组成；许多与降雨径流形成过程有关的流域或水文要素DEM自动生成。

(2)、多信息源，分布输入，应用广泛：可以方便地利用具有空间分布特征的信息，如天基（卫星、遥感）、空基（航测）、地基（雷达、遥测、地面）观测的不同时空尺度的能量、水分等多源信息进行洪水预报、水资源评价、水质及生态模拟；气候变化及人类活动对水文水资源、水环境影响等方面的研究与应用；利用流域下垫面的空间分布信息确定或检验所构建模型的参数，包括集总式流域水文模型和分布式流域水文模型。(3)、分布式参数，反映空间不均匀性：模型参数具有空间分布特征，它们的空间分布反映了流域下垫面自然条件下空间分布不均匀程度，同时也反映了流域内不同区域的降雨径流特性及空间变化规律。(4)、输出分布，反映不同变化过程：模型输出信息具有空间分布特征，不仅能输出与集总式流域水文模型相同的信息，而且能输出诸如植物截留、蒸散发、土壤水分、地表径流、壤中流、地下径流等水文要素和状态变量的空间分布场以及任意站点或断面的流量或水文过程。16降水-径流空间分布图17产沙量的空间分布污染负荷空间分布GIS耦合的流域水文模型结构图GISRS流域DEM数字化特征数字化河网数据管理空间分析图形显示下垫面特征土壤植被土地利用降水蒸发流域水文模型产汇流机制模型结构模型参数率定模型检验模型包装输出在DEM平台上构建的具有物理基础的松散型分布式流域水文模型分布式水文模型的几个典例

SWAT结构与功能图5-4TOPKAPI模型的模块组成简图气象资料（降水、空气温度等）DEM土壤类型土地利用蒸散发模块土壤水模块融雪