流域水文模型研究综述.pdf
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流域水文模型研究综述何长高1,2,董增川1,陈卫宾1（1.河海大学水文水资源及水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098；2.江西省水利厅，江西南昌330009）摘要:
流域水文模拟是用数学的方法描述和模拟水文循环的过程.按照水文循环运动的物理规律和空间变化规律介绍了流域水文模型的分类及其特点，回顾了流域水文过程模型的研究进展，总结、介绍了国内外分布式流域水文模型的开发研究成果，结合当前流域水文模型研究中存在的尺度、非线性、模型动态耦合等主要问题，提出了发展方向.关键词:
流域；研究进展；水文模型中图分类号:
P33文献标识码:
A文章编号:
1004-4701（2008）01-0020-06收稿日期：
2007-11-14基金项目：
江西省重大关键技术攻关计划项目（2005IA0500101）作者简介：
何长高（1962-），男，在读博士，教授级高工.0引言水文模型是水资源评价、配置、开发和利用的基础，在防洪减灾、水库调度、生态环境需水、水资源开发利用、道路、城市规划、面源污染评价、人类活动的流域响应等诸多方面均需要水文模型的支持。
因此，水文模型的研究一直是水文学研究的重点，并建立了一系列水文模型。
特别是近几十年，随着水资源问题日益突出和计算机技术的快速发展，人们对流域水文模型的研究、应用的广度和深度日渐加大，研制出了大量的各具特色的流域水文模拟模型。
流域水文模拟是用数学的方法描述和模拟水文循环的过程，即将流域概化成一个系统，根据系统输入条件（一般为降雨、融雪、水质、泥沙过程以及流域的蒸散发能力），对流域内发生的水文过程进行模拟计算，求解输出结果（如流域出口断面的流量过程和流域实际蒸散发等）。
1流域水文模型的分类流域水文模型是在计算机技术和系统理论的发展中产生的，经过20世纪六十、七十年代和九十年代的蓬勃发展，涌现出了大量的流域水文模型。
纵观已有流域水文模型，从反映水文循环运动物理规律的过程性和复杂度来看，流域水文模型可划分为系统模型（即“黑箱”模型）、概念性模型和物理模型。
系统模型将所研究的流域或区间视作一个动力系统，利用输入（一般指降雨、融雪、水质、泥沙过程以及流域的蒸散发能力）与输出（一般指流域控制断面的流量过程和流域实际蒸散发等）资料，建立某种数学关系，然后就可由新的输入推测输出这种模型中建立的数学关系并不是基于对流域水文物理过程的分析描述，而是概化的、经验性的，只关心模拟结果的精度而不考虑输入输出之间的物理因果关系，因此，它属于“黑箱”模型。
系统模型有：
线性和非线性、时变和时不变、单输入单输出、多输入单输出、多输入多输出等多种模型。
其中具有代表性的模型有：
Sherman单位线模型、线性扰动模型、约束线性系统模型、Volterra函数模型、多输入简单线性模型、多输入线性可变增益因子模型，以及神经网络模型等等1015。
概念性模型利用一些简单的物理概念和经验关系，如下渗曲线、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），组成一个系统来集总式描述流域中的水文过程。
模型中的参数虽有一定的物理意义，但难于直接推算，需要根据流域出口流量资料率定，因此，属于“灰箱”模型。
概念性流域水文模型主要有：
由美国气象局Sitten提出的前期降水指标模型，菅原正已第34卷第1期江西水利科技Vol.34No.12008年3月JIANGXIHYDRAULICSCIENCE&TECHNOLOGYMar.2008提出的水箱模型，Craford和Linsley提出的斯坦福模型、Bernash等提出的萨克拉门托模型、爱尔兰国立大学工程水文系提出的SMAR模型、丹麦技术大学于1973年提出，后经丹麦水力研究所完善的NAM模型、河海大学赵人俊教授提出的新安江模型16、意大利Todini提出的Arno模型17等。
物理模型则依据水流的连续方程和动量方程来求解水流在流域的时间和空间变化规律。
模型参数具有物理意义，因此属于“白箱”模型。
如SHE模型18，19、IHDM模型20等。
从反映水流运动空间变化的规律而言，水文模型又可分为集总式模型和分布式模型。
集总式模型假设流域表面上各点的水力学特征是均匀分布的，对流域表面任何一点上的降雨，其下渗、渗漏等纵向水流运动都是相同和平行的，不和周边的水流发生任何联系，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小单元，在考虑水流在每个小单元内的纵向运动时，也要考虑各个小单元之间水量的横向交换。
一般来说，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。
集总式模型用概化的方法表达流域的水文过程，具有一定的物理基础，也具有相当的经验性，模型结构简单，实用性强。
但其在产流、汇流等环节上，主要借助于概念性水文模型、水量平衡方程或经验公式。
在一些比较著名的模型中，如美国的斯坦福模型和萨克门托模型、日本的水箱模型以及中国的新安江和陕北模型等，常采用简单的下渗经验公式、经验流域蓄水曲线或水箱侧孔、低孔出流等来模拟产流过程；采用单位线、线性或非线性水库及渠道来模拟汇流过程。
这与实际水文空间分散性和不均匀性输入是不匹配的，不能反映实际暴雨洪水产汇流的空间分布特性，无法全面地刻画水文系统分散输入集中输出的产汇流规律，无法模拟变化环境（如土地利用、水土流失、面源污染气候变化影响等）中的陆地表面过程。
分布式物理模型的优点是模型的参数具有明确的物理意义，可以通过连续方程和动力方程求解，可以更准确的描述水文过程，具有很强的适应性。
与概念性模型相比，分布式水文模型用严格的数学物理偏微分方程表述水文循环的各子过程，参数和变量中充分考虑空间的变异性，并着重考虑不同单元间的水平联系，对水量和能量过程均采用偏微分方程模拟。
因此，在模拟土地利用、土地覆盖、水土流失变化的水文响应及面源污染、陆面过程、气候变化影响评价等方面应用显出优势。
2水文过程模型研究进展水文过程模型是流域水文模型的基础。
水文过程模型包括流域坡面产流模型、坡面汇流模型以及河槽汇流模型。
（1）坡面产流模型。
1933年，霍顿（Horton）提出了著名的产流理论（超渗理论）：
当雨强小于土壤下渗能力时，所有降雨都被土壤吸收；当雨强大于下渗能力时，土壤只能以下渗能力吸收降雨，其余超出部分为地表径流量。
这为坡面产流的研究与模拟提供了理论依据。
20世纪六十年代以后，许多学者在野外实地观测发现，对于存在表层透水性很强的包气带，例如表土比较疏松、植被覆盖较好的坡面上，即使雨强小于下渗能力的降雨，仍有地面径流产生。
邓恩（Dunne）等学者，在大量的观测实验的基础上，提出了除超渗机制外，还存在饱和机制，即蓄满产流。
当土壤有分层结构，且上层土层的透水性大于下层土层时，可以在土层的分层界面上产生饱和带，随着饱和层增厚达到地面时，即使雨强未超过表土的下渗能力，也可产生地面径流1,2。
在湿润有植被地区，坡面流通常是饱和坡面流，并且可以把饱和面积看成是永久性河道系统向蓄水容量较小地区的伸延。
（2）坡面汇流模型。
坡面汇流计算方法有：
等流时线法和单位线法。
等流时线是指流域上的地面净雨经坡地、河网到出口断面的汇流时间相等的点的连线。
等流时线法因未考虑水流在运动中的变形和汇流速度随流量的变化，实际应用中误差较大。
1979年，Rodriguez和Valdes3提出了地貌瞬时单位线的概念。
地貌瞬时单位线是降落在流域上的净雨雨滴在流域上传播时间的概率密度函数。
1980年，Gupta等4假设，降落在流域上不同部位的雨滴，按不同的路径汇集到流域出口，路径由水质点在河网中的运动规律决定，雨滴在任一路径上的传播时间等于该路径上各状态的传播时间之和，在任一路径上的传播时间概率密度函数，等于组成该路径上各级状态的传播时间的概率密度函数的卷积。
按各路径概率叠加这些路径传播时间的概率密度函数即得该流域瞬时单位线。
任一状态传播时间的概率密度函数可以取任何形式。
1983年，第34卷第1期何长高等流域水文模型研究综述21Beven等建议传播时间的概率密度函数采用指数型分布，其分布参数正比于该级河道长度的1/3次方，比例系数由流域平均滞时确定。
也有建议，按数理统计学的观点，可先确定随机变量样本的某些数字特征，如均值、方差等，然后借助分布的假设检验选配一条合适的分布曲线。
地貌瞬时单位线理论把流域与河网结构和流速的空间分布联系起来，从而提供了一个直接利用流域出口断面流速资料就可以确定流域瞬时单位线的新途径。
单位线的概念与方法简单，要求的资料少又具有一定精度，因此在水文计算上起了很大的作用。
（3）河槽汇流模型。
在河槽汇流方面，有两种模拟方法，一是水文学方法；二是水力学方法。
水文学方法的基本根据是圣维南方程组。
由于圣维南方程组动力学求解方法过程复杂，在水文模型中一般先对圣维南方程组进行简化，通常将圣维南方程组简化为运动波、扩散波或惯性波方程，然后再进行求解。
洪水演算法相当于求解扩散波方程。
常见的洪水演算方法有马斯京根法与特征河长法。
此外，对于非正常演进洪水，还经常使用经验槽蓄曲线法进行洪水演进计算。
水力学方法始于20世纪六十年代的流体动力学数值模拟，是在计算机问世之后，综合流体力学、计算数学以及各种生产应用技术而发展起来的一种新方法。
从总体情况而言，七十年代以河口一维潮流计算为主，进入八十年代后，除继续应用一维计算模型外，大多已采用二维数值模拟模型，并按需要配以泥沙、温度、盐度和污染物等物质输移模型，三维模型也已逐步展开，并取得了显著的进展57。
数值计算的方法主要有有限差分法、有限元法、有限体积法和特征线法8,9。
3分布式流域水文模型研究进展自1969年Freeze和Harlan21第一次提出了基于水动力学偏微分物理方程的分布式水文模型的框架后,分布式流域水文模型开始得到快速发展，目前是国际上水文研究的热点。
1982年，在欧共体的资助下，由英国水文研究所、法国SOGREAH咨询公司和丹麦水力学研究所共同研制提出的SHE模型18,19是最早的分布式水文模型的代表。
SHE模型考虑了截留、下渗、土壤蓄水量、蒸散发、地表径流、壤中流、地下径流、融雪径流等水文过程。
流域参数、降雨及水文响应的空间分布垂直方向用层表示，水平方向用方形网格表示。
该模型的主要水文过程可由质量、动量和能量守恒偏微分方程的有限差分表示，也可由经验方程表示。
模型有18个参数，部分具有物理意义，可由流域特征确定。
它的物理基础和计算的灵活性使它适用于多种资料条件，在欧洲和其它地区得到了应用和验证22。
随后，丹麦水力学研究所对SHE模型进行了一系列改进和完善，于20世纪九十年代初提出了MIKESHE模型。
MIKESHE模型主要由水流运动、水质、地球化学与生物反应、作物生长与根系的氮运移、土壤侵蚀、双相介质中的空隙率、灌溉等7个模块构成。
它可以模拟陆地水循环中几乎所有的水文过程，是一个综合性、确定性且具有物理意义的分布式水文系统模型。
但是，由于该模型所需的参数和输入的数据量非常多，建立和率定工作量极大，因此，在实际应用中存在大量困难。
1986年，Beven提出了TOP-MODEL模型。
TOPMODEL模型以地形空间为主要结构，用地形信息（地形指数或地形土壤指数）、水量平衡和Darcy定律等描述流域水文过程。
模型中有6个水文参数，即植被根系区的土壤初始含水量、土壤最大蓄水量、下渗时间参数、饱和区参数常数和初始壤中流。
模型结构简单，参数少，物理概念明确，在生产实际中得到广泛应用。
这期间还有一些考虑流域空间特性、输入、输出空间变化的分布式物理模型，如CEQUEAU模型23，将流域分为方形网格，输入所有网格的地形、地貌、雨量等特征，对每一个网格进行计算，在水质模拟、防洪、水库设计等诸多方面有适用性；SUSA流域模型24强调地表水和地下水的合成，除可模拟径流外，还可以用于预测土地利用的水文效应；还有一些SHE模型的不同版本及IHDM模型25等。
近年来，国外涌现出许多分布式和半分布式流域水文模型，如DHSVM模型41、DBSIN模型42、TOPKAPI模型43、TOPMODEL模型等。
国内这方面的研究开展较晚，但进展较快，特别是结合实际在分布式流域水文模型的应用方面进行了有益的探索。
王守荣等26针对海、滦河流域的特点，对分布式水文土壤植被模型（DHSVM）的蒸散发模拟方法、水文模型结构、水文、植被、土壤参数等进行了改进，用改进的DHSVM模型分别对滦河、桑干河流域蒸散发、地下水位、土壤湿度、土壤水下渗、产流、汇流与径流等水文过程进行Off-line模拟试验，模拟结果较好。
李兰等27,28提出了一种分布式水文模型，模型包括各小流域产流、汇流、流域单宽入流和上游入流反演、河道洪水演进四个部分。
水源分坡面流、壤中流和地下径流，考虑了产流随空间和时间变化的分布特征，能计算22江西水利科技2008年3月产流的多种径流成分的物理过程。
将数学物理反问题与洪水预报结合，给出了流域产流、河道汇流、水库洪水演进三个动态分布预报耦合模型，不仅可以用于分析降水径流规律，还可以用于洪水预报。
该模型在丰满、龙河口和陆浑等水库流域得到应用29；张建云等30建立了参数网格化的分布式月径流模型，并应用模型进行了华北、江淮流域的水资源动态模拟评估。
郭生练等31提出了一个基于DEM的分布式流域水文物理模型。
该模型将流域划分为网格单元，详细描述网格单元中的截留、蒸散发、下渗、地表径流、地下径流、融雪等水文物理过程，并在每一个网格上用地形高程来建立地表径流之间的关系。
在模型的结构中，植物截留过程引入了描述植物截留能力的物理参数植物蓄积容量；流域的蒸散发主要考虑了太阳辐射、日云量、反射率、植物叶面指数、可供土壤水、大气温度等因素；用一维圣维南方程的运动波近似法模拟坡面水流运动，用运动波模型模拟地下径流。
何姗等32结合无定河水系的岔巴沟流域的气候、植被以及下垫面条件等，重点探讨建立了分布式流域产汇流模拟模型。
在流域产流机制方面，采用的是超渗产流模式，在每一网格单元上建立数字产流模型；在流域汇流方面，由DEM（数字高程模型）所提取的水流路径和水流路径坡度等信息确定汇流参数，采用等流时线法考虑汇流的滞后效应，应用线性水库法考虑汇流的坦化过程；最后将数字产流模型和数字汇流模型有机结合，建立了数字水文模型，使用该数字水文模型对岔巴沟流域进行了径流模拟，取得了较为满意的结果。
此外，2002年王中根、刘昌明等提出了基于DEM的分布式水文模型构建方法44；2003年刘志雨介绍了改进的TOPKAPI模型45；2004年李丽、郝振纯等提出过一种以DEM为基础的分布式水文模型46；2004年袁飞、任立良对基于栅格的汇流方法进行了研究47；2005年张珂、李致家提出了一个基于DEM栅格和地形的GTOPMODEL模型48。
这些研究与应用，极大地促进了流域分布式水文模型的发展。
4存在的主要问题及发展方向虽然流域水文模型有了极大的发展，特别是分布式流域水文模型的研究与应用。
但是随着研究的深入，仍有许多问题阻碍着水文模型研究的发展，需要有所创新与突破。
特别是尺度问题、非线性问题、动态耦合问题，已成为目前全球水文学研究的热点与难点。
4.1尺度问题尺度包括空间尺度和时间尺度。
由于自然流域和降水过程在空间上和时间上存在极大的异质性和变异性，目前测量技术和试验能力的有限，人们只能得到某些尺度的水文特性数据资料，依据这些数据资料建立的水文模型，在实际应用中客观地存在尺度问题。
这些问题主要包括以下几个层次：
（1）水文响应单元尺度。
现有的分布式水文模型是将一个流域系统划分为若干子流域，子流域又分为若干单元流域（网格单元）作为水文响应单元，这样构成了一种多重嵌套的尺度结构，然后对单元流域（网格单元）进行离散化模拟。
然而，取多大的水文响应单元才既不会使水文过程的细部信息丧失，又不会因水文单元取得过小而过大地增加时空信息，影响模拟的效率。
（2）尺度间的转换。
每一个流域在不同尺度上，水文特性的表现是不一致的，流域的水文效应是不同尺度效应的综合结果。
大尺度流域的特征值并非若干小尺度值的简单叠加，小尺度值也不能通过简单的插值或分解得到。
对于上述问题，国内外也做了一些研究和探索。
一些研究者做了20100m之间不同尺度的对比研究，认为TOPMODEL对水文响应单元的尺度有极高的敏感性，同时栅格单元在100200m之间的DEM的信息有较大的变化。
理想的水文响应单元一般取在50m以内，运用TOPMODEL模拟效果较好。
栅格单元尺度的变化对TOPMODEL产生的影响可以用模型的再参数化来补偿33。
尺度转换问题，需要利用自相似规律或标度不变的分形理论等，在不同尺度之间建立某种尺度转换关系34。
4.2非线性问题水文过程的复杂性和不确定性决定了水文系统的非线性。
水文复杂性涉及降水、蒸发、下渗和径流形成的水文循环机理与水文尺度问题，突出表现于流域地貌与水循环间时空变化的非线性机理。
水文不确定性既与水文输入变量和水文状态变量观测精度有关，又与复杂性认识不足等诸问题有联系，它是输入不确定性和系统不确定性的综合体现。
20世纪八十年代后，随着现代新技术的应用和水循环及其水文过程的测量手段的提高，虽然为认识和量化水文生态大气系统相互作用的非线性机制提供了新的突破可能，出现了一批非线性机理方面的研究论文成果，但是还没有形成和建立解决水文非线性问题的完整理论35,36。
目前，对解决水文第34卷第1期何长高等流域水文模型研究综述23非线性问题，较多引进了泛函级数、混沌、分形几何、人工神经网络等理论37；把过去传统的集总非线性分析方法与分布式水文模型相结合，建立分布式时变增益水文模型；复杂非线性关系中找简单关系，采用水文系统识别方法，建立水文模型。
4.3分布式水文模型的真实性问题由于水文现象的复杂性，受测量技术的限制，一些水文过程和边界条件并不确知。
因此，分布式水文模型都存在很多具有虚假性的假定，导致模型并不能再现真实的水文过程。
4.4计算时间和数据存储的问题分布式水文模型虽然具有很强的水文物理基础和完善的模型结构，但是由于计算时间过长、数据存储过大，而根本无法于当前条件下在大流域进行推广应用。
4.5模型动态耦合问题流域水循环的各要素过程相互关联和影响，降水、地表水、土壤水、地下水和植物水之间的“五水转化”对流域的水文模拟以及水资源配置管理具有重要影响。
虽然大多数分布式水文模型考虑了“四水转换”（降水、地表水、土壤水和地下水）问题，但是对植物水和植被生态过程对水文循环的调控机制并未进行耦合模拟，对地下水与河水之间的水量交换以及非饱和带土壤水与地下水之间的频繁交换也没有进行动态耦合模拟38,39。
此外，目前的水文模型多数是把自然变化和人类活动作为模型的输入因子进行考虑，没有把社会经济变化、人类活动影响以及生态系统变化耦合起来进行建立水文模型。
今后，在水文模型方面，不仅需要把降水、地表水、土壤水、地下水、植物水和植被生态过程等进行耦合，建立系统耦合模型，而且需要把社会经济水资源生态耦合在一起，建立一个能反映社会经济系统变化、水资源系统变化、生态系统变化的耦合模型40。
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