第1章 绪论

1.1 分布式水文模型研究进展

水文模型是指将整个流域作为研究对象，考虑流域超渗产流、蓄满产流及汇流等概念，根据河川观测流量来率定模型参数及模拟流域产汇流过程；分布式水文模型则是从水循环的动力学机制描述流域水文问题，根据水移动介质的物理性质推定模型参数，能够分析流域下垫面变化后的产汇流变化规律。因分布式水文模型揭示的水文循环过程更接近客观世界，已成为当今水文水资源研究的热点之一［1］。分布式水文模型最基本的特征是根据流域各处气象信息和下垫面特性要素信息的不同，将流域划分为若干个小单元，在每一个单元上用一组参数反映其流域特征，具有从机理上考虑降雨和下垫面条件空间分布不均匀对流域降雨径流的影响［2］。

目前，流域分布式水文模型主要有三类：紧密耦合型、松散耦合型和半分布式水文模型［3］。

（1）紧密耦合型分布式水文模型又称为全分布式水文模型。这类模型是基于连续方程和动力学方程描述小尺度精细的物理过程，直接计算水量和能量的流动与增减，也是通常所指的具有物理机制的分布式水文模型。其优点是能涉及水文现象的本质或物理机制；缺点是计算量过大，需要数据资料过多，方程的数值求解困难［4］。

（2）松散耦合型分布式水文模型，又称为准分布式水文模型。这类模型将产流和汇流过程分开模拟，在每个基本计算单元上应用现有的集总式概念性模型或系统模型来推求净雨量，再进行汇流演算，最终求得出口断面流量。与紧密耦合型相比，此类模型计算简单、使用方便，但一般适用于宏观水文现象的模拟。

（3）半分布式水文模型则不再关注各个产流计算单元的空间位置，而是采用某种分布函数来描述各计算单元产流的空间差异性。

分布式水文模型在实践中的应用主要包括：流域条件变化与气候变化响应模拟，缺乏前期观测的流域模拟，洪水预报，水利工程影响以及污染物和沉积物的运移模拟等［5］。

1.1.1 国外研究进展

国外对分布式水文模型的研究起步比较早，1969年，Freeze、Harlan［6］发表了《一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图》的文章。随后，Hewlett等（1975）提出了森林流域变源模拟模型（VSAS），该模型中地下径流被分层模拟，地表坡面径流被分块模拟［7］。1979年，Beven、Kirbby提出了以变源产流为基础的TOPMODEL模型（TOPgraphy based hydrological MODEL）［8］，该模型基于DEM推求的地形指数可以反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响，模型参数具有明确的物理意义，不但能用野外的监测资料来确定，而且还能用于无资料地区的计算，但它并不是真正严格意义上的分布式水文模型。由丹麦、法国和英国的水文学者（Beven等，1980；Abbott等［9］，1986；Bathurst等［10］，1995）联合研制的SHE模型（System Hydrologic European）是一个具有代表性的分布式水文物理模型，模型中考虑了蒸散发、植物截留、土壤非饱和流及饱和流、融雪径流以及地表和地下水交换等水文过程；此外，该模型还可以研究人类活动对于产流等的影响。20世纪90年代，法国SOGREAH咨询公司和丹麦水力学研究所（DHI）在SHE模型基础上研制了一个综合性的分布式水文模型MIKE—SHE，该模型可以用于模拟陆地水循环中几乎所有主要的水文过程，包括水流运动、泥沙运移和水质变化等，目前，已发展成为一个用户界面友好的商业化软件系统，并被许多大学、研究院（所）及咨询公司所采用。1987年，英国的Beven提出了一个具有物理机制的分布式降雨径流模型IHDM（Institute of Hydrology Distributed Model）［11］，该模型根据流域坡面的地形特征，将流域划分成若干部分，并利用数学物理方程描述水分在地表和土壤中的运动，计算得到暴雨的降雨径流关系。随后，IHDM模型得到了改进和应用［12］。1982年，美国农业部农业研究中心Alonso、Decoursey考虑到土地利用和管理将会影响到一个小流域的水文循环与化学循环，设计了SWAM（Small Watershed Model）模型［13］。1988年，Huber和Dickinson开发了暴雨洪水管理模型SWMM（Storm Water Management Model）［14］，该模型具有良好的用户界面，目前已发展到5.0版本。进入20世纪90年代，出现了将土壤划分为饱和带和非饱和带的TOPOG模型［15］和美国农业部农业研究中心的Arnold博士开发的SWAT（Soil and Water Assessment Tools）模型［16，17］，该模型是一个具有很强的物理机制，且能进行长时段模拟的分布式水文模型，能够利用GIS和RS提供的空间信息，模拟复杂流域中多种不同的水文物理过程，被认为最适合模拟在不同土壤、土地利用中，长期土地管理对水、土沙、营养物质及农业化学物质的影响［18］，因此，该模型得到了广泛的应用［19，20］。随后，又相继出现了HBV［21］、HEC—HMS［22］等分布式水文模型。

1.1.2 国内研究进展

相比国外，国内在分布式水文模型研究方面起步较晚，是从20世纪90年代逐渐发展起来的，但到现在也已取得了很多较显著的成果。

1.1.2.1 模型应用方面

近些年来，在国内应用比较多的国外分布式水文模型主要有SWAT、TOPMODEL及HEC—HMS等。刘昌明等［23］（2003）运用SWAT模型模拟分析了气候变化和土地覆被变化对黄河河源区径流的影响。冯夏清等［24］（2010）利用SWAT模型对乌裕尔河流域进行了径流模拟，并分析了未来气候变化情景下径流量的变化情况。庞靖龙等［25］（2007）、于磊等［26］（2008）、黄清华等［27］（2010）对SWAT模型也进行了相关应用研究，表明SWAT模型在国内一些流域也有良好的应用性。郭芳等［28］（2000）对TOPMODEL模型的基本理论进行了介绍，并将其应用于淮河流域中，结果表明该模型可以达到日模拟精度要求。针对现行的TOPMODEL模型仅局限于描述小尺度流域山坡水文特征及其计算流程存在一些与实际不相符的表达，黄晴等［29］（2008）对该模型的地形指数计算方法、产流机制和汇流方式进行了改进，并将其应用到中尺度半干旱流域中。张建军等［30］（2009）将HEC—HMS模型应用于黄土高原小流域中，验证了该模型的适用性。

1.1.2.2 模型开发创新方面

沈小东等［31］（1995）在研究降雨时空与下垫面参数空间分布的不均匀性对径流过程影响的基础上，提出了一个在GIS支持下的动态分布降雨径流流域模型，实现了基于栅格DEM的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟。贾仰文等［32，33，34］（1997，2000，2001）开发了一个网格分布式流域水文模型WEP模型，该模型对非饱和土壤水运动的模拟采取了比SHE模型更为简化的算法，但强化了对植物耗水与热输送过程的模拟，对水循环与热输送各过程的描述大都基于物理概念。为解决缺资料地区的堰塞湖入湖径流模拟预报的问题，赵志轩等［35］（2011）将WEP模型与热带降雨量卫星的降雨数据（TRMM_PR）结合，对唐家山堰塞湖日均入湖流量进行了模拟预报。此外，该模型在其他流域也得到了广泛应用［36，37］。

杨大文等［38，39］（Yang，1998，2000）提出了基于流域地貌特征的大尺度分布式水文模型GBHM（Geomorphology-Based Hydrological Model），该模型的基本思想是首先将大流域划分为若干小的子流域，然后利用流域的地貌特征参数，将每个子流域划分为汇流区间，并将汇流区间表示为一系列山坡，在同一汇流区间内考虑不同植被和土壤类型对山坡产流的影响，其不仅扩展了分布式水文模型的尺度，而且较好地描述了流域水文空间的变异性。目前，该模型在黄河流域［40］、洞庭湖区间［41］、长江上游流域［42］等都得到了较好的应用。

李兰等［43，44］（1999，2000）提出了LL—Ⅰ分布式水文模型，该模型由各个小流域产流模型、汇流模型、流域单宽入流和上游入流反演模型以及河道洪水演进四大部分组成。随后，又提出了基于GIS的LL—Ⅱ［45］分布式降雨径流模型，其产流模型为变动生态产流模式，该模型在洪水预报中得到了较好的应用效果［46］。

郭生练和熊立华等［49］（2001）提出了一个基于DEM（Digital Elevation Model）的分布式流域水文物理模型，该模型详细描述了网格单元的截留、蒸散发、下渗、地表径流、地下径流及融雪等水文物理过程，在每一个网格上用地形高程来建立地表径流之间的关系，该模型在美国缅因州BBMW流域得到了验证；随后（2004），又提出了一个基于DEM的用来模拟湿润地区的蓄满产流机制模型［50］。夏军等［51，52］（2002，2004）将时变增益非线性水文系统（TVGM）与数字高程模型（DEM）结合，开发了一个分布式时变增益模型（DTVGM），该模型既具有分布式水文概念性模拟特征，又具有水文系统分析适应能力强的特点，是水文非线性系统方法与空间分布式模拟的一种结合。

根据我国内陆河流域的自然地理和社会经济特点，贾仰文和王浩等［53，54，55］应用WEP—L（Water and Energy Transfer Processes in Large River Basin）模型，在WEP模型上集成积雪融雪模块和灌溉系统模拟模块等，开发了基于GIS和数据库平台、能够精细描述水循环各环节的黑河流域分布式二元水循环模型，进行逐日分布式水循环模拟计算。然后又将该模型与集总式水资源配置模型相耦合形成水资源二元演化模型，对黄河流域的水资源演变规律进行了评估分析。该模型较好地反映了人类活动影响下的黄河水资源演变规律［56，57］。

为了推进分布式水文模型技术在实际水资源管理与洪水管理中的应用，雷晓辉等［58，59］（2010）开发了一个分布式水文模型EasyDHM（Easy Distributed Hydrological Model），该模型集成了很多新技术，如基于DEM的快速建模技术、支持不同时空尺度的快速模拟技术以及参数自动识别及率定技术等。此外，该模型还集成了多种水循环伴生过程模拟功能，包括水质过程模拟、土壤侵蚀过程模拟，人工用水过程模拟及水库调度模拟等过程。该模型在汉江流域［60］、海河阜平流域［61］及南水北调中线受水区的应用中取得了较理想的效果。近年来，针对强人类活动地区，尤其是农田系统开发，中国水利水电科学研究院水资源研究所又开发了分布式水文模型MODCYCLE（An Object Oriented Modularized for Basin Scale Water Cycle Simulation）［62］，并将该模型应用到海河流域，对其“四水”（大气降水、地表水、土壤水和地下水）转化特征进行了定量分析。

1.1.2.3 珠江流域分布式水文模型研究状况

解河海［63］（2006）将TOPMODEL模型应用于东江星丰流域，对其洪水进行了模拟计算。文佩［64］（2006）将两水源TOPMODEL模型改进成三水源模型，并将其成功应用于东江流域产汇流模拟。符传君等［65］（2007）应用TOPMODEL模型对东江流域枯水径流进行了模拟，取得了较高的模拟精度。靳晓莉等［66］（2008）将HBV模型应用于东江流域及其子流域，采用代理流域法和全局平均法估计无资料流域的模型参数，取得了较好的模拟结果，验证了模型的适用性。杨宏伟等［67］（2011）运用SWAT模型对东江典型流域的地表径流进行了模拟，在此基础上对土地利用和覆被变化对径流的影响进行了探讨，结果显示林地面积的增加可导致年径流量的减少，年内分配上表现出枯水期径流明显增加，丰水期径流明显减少。