流域水文模型研究进展综述

流域水文模型研究进展综述

摘要：介绍了流域水文模型的发展，总结了常用的流域水文模型及特点，最后对流域水文模型的发展进行展望。

关键词：水文模型；分布式水文模型；概念模型；GIS；展望

流域水文模型把流域总体看成是一个系统，输入为降雨等，输出为出流流量等。流域内的水文过程则是系统的状态，是根据水文概念推理计算出来的。随着全球性缺水问题日益严重，水污染、水资源分布不均衡等问题的日益突出，就要求人们不断加强水文学的定量化研究，而流域水文模型就是其中发展较为迅速的研究领域。它有助于我们在利用水资源、分配水资源中提供合理的、科学的依据。流域水文模型在进行水文规律的研究和解决生产实际问题中起着重要的作用。因此，掌握常见的流域水文模型是必要的。

1流域水文模型的发展特点

随着计算机技术的诞生，流域水文模型应运而生。20世纪50年代后期，系统理论应用迅速发展，水文学提出了流域水文模型的概念。随后的二、三十年是流域水文模型的蓬勃发展时期。当前流域水文模型在洪水预报、流域规划等领域起着越来越重要的作用。其模型的发展主要呈现以下几个特点：

1.1时间上呈阶段性

随着电子计算机技术的迅速发展，流域水文模型的发展较快，按照发展的时间大约划分为原始、近代、现代三个阶段。其原始阶段，即水文模型起步阶段，发展时间大约在20世纪50年代后期至70年代初期。近代发展阶段大约为随后的80年代。从20世纪90年代至今是模型发展的现代阶段，也是水文模型突破性发展阶段。该阶段由于地理信息系统和卫星遥感技术的广泛应用，分布式水文模型成为世界各国水文科学家研究的主流，该模型基于数字高程模型，以流域面上分散的水文参数和变量来描述流域水文时空变化的特性。

1.2模型研究的区域不均衡

美国和欧洲等发达国家在流域模型研究方面占有重要的地位，而发展中国家在该方面的研究相对落后，具有一定影响力的模型很少。在我国，除了新安江模型的发展影响较大外，还没有其它影响较为深远的模型。所以，我国应加强流域模型的研究和探索，推动数字流域研究发展，进而推动我国水利事业的发展。

1.3模型的种类多

流域水文模型按不同的分类依据就可将其归类，这种分类方法是很多的。例如按模型的基本性质和建模技术可分为实体模型、类比模型、模拟模型。其中实体模型又可分为比例尺模型和单项因素试验模型；模拟模型包括确定性模型和统计模型等。流域水文模型的种类有很多，但是目前在水文学科领域影响最大、发展较快的主要还是概念性流域水文模型和分布式流域水文模型两大类。

1.4模型的应用范围广

流域水文模型可以生成年、月、日径流系列以及流量过程线，还可以求得流域的实际蒸散发系列。因此它的应用范围是非常广泛的。

2常用的流域水文模型及其特点

在20世纪50年代中期，随着计算机的出现，世界各国科研人员开始把流域水文循环的各个环节作为一个整体来研究，并提出了“流域水文模型”的概念。在随后的科学研究中，具有一定使用价值的流域水文模型至少发展到70个之多，其中比较常用的也有15个。下面对应用较为广泛的几个模型做一些简单介绍。

2.1包顿模型

该模型在澳大利亚、新加坡等国有着广泛的应用，它是由澳大利亚的包顿于1966年研制成功的一个以日为计算时段的流域水文模型，在干旱和半干旱地区较为适用。该流域水文模型是常用的水文模型中最简单的一个。在模型中共设截留层、上土壤层、排水层和下土壤层4个蓄水层，用以模拟流域的蓄水、排水剖面，然后在各层分别设置一个最大可能蓄水量，用以控制模型的蒸发、下渗和径流。该模型缺点是未设置地下水结构，径流只有地面径流。

2.2第Ⅳ号斯坦福流域水文模型

该模型是世界上研究最早，影响力最大的流域水文模型，它是一种用数学方法模拟水文物理现象的模型。该模型的建立为以后许多模型的建立发展提供了基础。此模型的特点是物理概念明确，模型结构严谨，层次鲜明。在小流域中采用集总模型方式，对大流域，采用分块模型方式。

2.3萨克拉门托模型

简称“SAC”模型，SAC模型类似于斯坦福模型，它是一个连续模拟模型，该模型始用于美国大利福尼亚州萨克拉门托河而得名。它是在第Ⅳ号斯坦福流域水文模型基础上改进和发展的。1973年研制成功了日流量模拟程序，在此基础上于1975年又进一步提出了6h时段模拟程序。该模型能应用于大、中流域，又能适应湿润地区和干旱地区而收到较好的效果。

2.4水箱模型

该模型由日本菅原正在20世纪60年代初提出，水箱模型又叫坦克模型，在后来的不断发展中成为世界各国广泛采用的流域水文模型。水箱模型是一种概念性径流模型，把流域当作数个组合的蓄水容器，容器中的蓄水量看做流域蓄水量，并以容器中的蓄水深度为参数来计算流域的降雨~径流关系及其汇流过程。在模型的应用中，它将复杂的降雨转化为径流的过程，简单归纳为流域的蓄水与出流的关系进行模拟，因此，该模型具有一定的灵活性，适应性强，在各种大小流域以及各种气候、地形都可以应用，只要多设置水箱就可以，此外，水箱模型操作也较简单。

2.5新安江模型

该模型是我国研制的概念性流域水文模型，在20世纪60年代初，由河海大学赵人俊等在配合一定的汇流计算的情况下研究蓄满产流模型，其成果可以用于水文预报和水文设计。1973年，他们在对以往工作经验归纳总结下，提出一个完整的降雨径流流域模型——新安江模型，最初该模型为2水源——地表径流和地下径流，在随后的研究应用中，相继提出了3水源和4水源的新安江模型。新安江模型在国内湿润和半湿润地区得到广泛的应用。

2.6HEC-1模型

HEC-1模型是所有HEC模型中最基本的，是HEC的第1号模型，它又称为“洪水过程线汇编”，意思是把有关洪水过程线各个部分过去研究的成果汇编起来，它是模拟一次降雨洪水模型，即事件模型。它将一个流域划分为若干演算河段进行模拟。它的模拟要素分为降水损失（包括截留损失与下渗损失），分块面积上的径流形成，河段上的洪水演算。

3流域水文模型发展展望

分布式流域水文模型等虽然得到了极大的发展，广泛应用于水文学领域。但是随着研究的深入，诸如尺度问题、非线性问题、动态耦合问题等仍阻碍着水文模型研究的发展，需要有所创新与突破。今后GIS和RS在水文循环领域的应用给水文模型的研究思路和技术方法带来了创新和革命。使得模型的应用更为简单方便。通过GIS和RS的结合，将为流域水文模型的发展开创一片新天地，它可以在收集、处理数据时运作更快，模拟结果也更为精确，可以为生产实际提供更为科学的依据。另外具有物理基础的分布式水文模型能更为真实地描述和科学地揭示现实世界的降雨径流形成机理提供有力工具，是一种发展前景看好的新一代水文模型。随着人们逐渐认识到流域水文模型的重要性和模型的日趋完善，今后在流域水文模型的研制新的方法探索、模型参数的检验以及模型效果的评价也将会越来越重要，成为人们研究的新重点之一。

参考文献