分布式水文模型1讲解
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分布式水文模型word
第六章分布式水文循环模型近年来，水文模型研究的重点已从集总式流域水文统计模型转向分布式水文模型的研究，分布式水文机理过程模型的开发成为人们关注的焦点。
分布式水文模型的研制首先需要获得大量的流域空间分布数据，目前的水文模拟技术则趋向于将水文模型与地理信息系统（GIS）的集成，以便充分利用GIS在数据管理、空间分析及可视性方面的功能。
而数字高程模型（DEM）是构成GIS的基础数据，利用DEM可以提取流域的许多重要水文特征参数，如坡度、坡向、水沙运移方向、汇流网络、流域界线等。
因此，基于DEM 的流域分布式水文模型是水文模拟技术发展的必然趋势，也是本文水资源量可再生性的理论与评价研究的重要基础。
6.1 流域数字高程模型DEM及在水文中的应用数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)是由美国麻省理工学院Chaires ler教授于1956年提出来的，其目的是用摄影测量或其他技术手段获得地形数据，在满足一定精度的条件下，用离散数字的形式在计算机中进行表示，并用数字计算的方式进行各种分析。
DEM作为地理信息系统的基础数据，已在测绘、地质、土木工程、水利、建筑等许多领域得到广泛应用。
本节将介绍DEM的基本知识及其在水文中的应用。
6.1.1 DEM的基本知识(1) 地形的数字描述20世纪中叶，随着计算机科学、现代数学和计算机图形学等的发展，各种数字的地形表达方式得到迅猛的发展。
1958年Miller和Laflamme提出了数字地形模型DTM(Digital Terrain Mold)的概念，并给出了以下的定义：数字地形模型是利用一个任意坐标场中大量选择的已知X、Y、Z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示。
实际上，数字地形模型DTM是通过地表点集的空间直角坐标(x,y,z)并视需要进一步伴随若干专题特征数据来表示地形表面的。
它的更通用的定义是描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列，从数学的角度，可以用以下二维函数系列来概括地表示数字地形模型的丰富内容和多样形式：()),,3,2,1;,,3,2,1( ,n p m k v u f K p p k p === （6.1.1）式中：K p ——第p 号地面点（可以是单一的点，但一般是某点及其微小邻域所划定的一个地表面元）上的第人类地面特性信息的取值；u p ,v p ——第p 号地面点的二维坐标，可以是采用任一地图投影的平面坐标，或者是经纬度和矩阵的行列号等；m ——地面特性信息类型的数目（m ≥1）；n ——地面点的个数。
分布式水文模型区域分解并行计算方法及其应用
文章标题：深度剖析分布式水文模型区域分解并行计算方法及其应用在当今信息时代，大数据和并行计算技术已经成为科学研究和工程应用中不可或缺的重要工具。
在水文领域，分布式水文模型是对地表水文过程进行精细化模拟和预测的关键工具之一。
而区域分解并行计算方法，则是高效实现分布式水文模型的关键技术之一。
本文将深度剖析分布式水文模型区域分解并行计算方法及其应用，带您了解这一领域的最新进展和未来发展趋势。
一、分布式水文模型简介分布式水文模型是以地理信息系统（GIS）为支撑评台，通过将流域划分为若干个小单元，并在每个小单元内解算水文过程，最终整合为整个流域水文过程的模拟方法。
它具有对流域内部地形、土地利用、植被覆盖等空间异质性进行精细化描述的优势，能够更准确地模拟和预测降雨径流过程及水文响应。
二、区域分解并行计算方法概述区域分解并行计算方法是一种将整个模拟区域分解为若干个子区域，每个子区域独立进行水文模拟计算，最后通过合并各个子区域的计算结果得到整个模拟区域的水文过程的并行计算方法。
它能够充分利用并行计算的优势，提高计算效率和模拟精度。
三、分布式水文模型区域分解并行计算方法及其应用1. 区域分解算法在分布式水文模型中，通常将流域划分为若干个子区域，每个子区域内部进行水文模拟计算。
区域分解算法是确保子区域之间相互独立，并能够准确合并计算结果的关键。
目前主要采用基于地形特征的分解算法和基于统计特征的分解算法。
2. 并行计算框架区域分解并行计算方法需要一个高效的并行计算框架来将各个子区域的计算结果进行合并。
目前主要采用MPI（Message Passing Interface）和OpenMP（Open Multi-Processing）等并行计算框架。
3. 应用实例分布式水文模型区域分解并行计算方法已经在降雨径流模拟、洪水预测、流域水文响应等方面得到了广泛的应用。
以某某流域为例，通过采用区域分解并行计算方法，成功实现了对该流域的洪水过程进行了高精度、高效率的模拟和预测。
分布式水文模型-精选
Zuo Qiting
分布式水文模型的参数是一个反映流域下垫面和 气象因素空间变化的数集。它的确定方法包括：
①在单元上采用传统的概念性模型，不改变原有模型的 结构和参数，但每一个单元上水文模型的参数值随空间 变化。参数值的大小根据空间信息图进行分类计算。
②重新设计单元水文模型的结构与参数。尽量选择或者 重新构造那些既反映空间变化，又具有物理意义，且便 于计算的指标作为模型的参数。
9.3.2 TOPMODEL
TOPMODEL（TOPgraphy based hydrological
MODEL）是一个以地形为基础的、基于变源面积概念的半
分布式水文模型。由Beven和Kirkby于1979年提出，经过
20多年的发展，TOPMODEL与DTM（或DEM）相结合在
水文领域得到了十分广泛的应用。
Zuo Qiting
9.2.2.2 模型的结构与参数
基于DEM的分布式水文模型在结构上一般分为三 部分： ① 分布式输入模块，用于处理流域空间分布信息，为 水文模块提供空间输入数据和确定模型参数的信息。 ② 单元水文模型，是坡面产汇流计算的核心部分。 ③ 河网汇流模型。有些基于网格的分布式水文模型忽 略了该部分。
Zuo Qiting
9.2.2 基于DEM的流域分布式水文模拟
9.2.2.1 模型的特点与分类
基于DEM的分布式水文模型具有以下特点：①具有物 理基础，能够描述水循环的时空变化过程。②由于其分 布式特点，能够与GCM（大气环流模式）嵌套，研究自 然变化和气候变化对水循环的影响。③同RS和GIS相结 合，能够及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对 流域水循环过程的影响。
典型应用包括：流域规划、供水、灌溉和排水、污 染物堆放场的污染物、农业耕作的影响（包括农用化学 品和化肥的使用）、土壤和水资源管理、土地利用变化 的影响、气候变化的影响和生态评价（包括沼泽区域）。
分布式水文模型的参数是一个反映流域下垫面和 气象因素空间变化的数集。它的确定方法包括：
①在单元上采用传统的概念性模型，不改变原有模型的 结构和参数，但每一个单元上水文模型的参数值随空间 变化。参数值的大小根据空间信息图进行分类计算。
②重新设计单元水文模型的结构与参数。尽量选择或者 重新构造那些既反映空间变化，又具有物理意义，且便 于计算的指标作为模型的参数。
9.3.2 TOPMODEL
TOPMODEL（TOPgraphy based hydrological
MODEL）是一个以地形为基础的、基于变源面积概念的半
分布式水文模型。由Beven和Kirkby于1979年提出，经过
20多年的发展，TOPMODEL与DTM（或DEM）相结合在
水文领域得到了十分广泛的应用。
Zuo Qiting
9.2.2.2 模型的结构与参数
基于DEM的分布式水文模型在结构上一般分为三 部分： ① 分布式输入模块，用于处理流域空间分布信息，为 水文模块提供空间输入数据和确定模型参数的信息。 ② 单元水文模型，是坡面产汇流计算的核心部分。 ③ 河网汇流模型。有些基于网格的分布式水文模型忽 略了该部分。
Zuo Qiting
9.2.2 基于DEM的流域分布式水文模拟
9.2.2.1 模型的特点与分类
基于DEM的分布式水文模型具有以下特点：①具有物 理基础，能够描述水循环的时空变化过程。②由于其分 布式特点，能够与GCM（大气环流模式）嵌套，研究自 然变化和气候变化对水循环的影响。③同RS和GIS相结 合，能够及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对 流域水循环过程的影响。
典型应用包括：流域规划、供水、灌溉和排水、污 染物堆放场的污染物、农业耕作的影响（包括农用化学 品和化肥的使用）、土壤和水资源管理、土地利用变化 的影响、气候变化的影响和生态评价（包括沼泽区域）。
15SHE模型
当树冠完全湿润(CS)时，能得到满意模拟效果。引入比率 C/S，是为了连续地模拟树冠从干燥、到半湿润、到完全 湿润状态。
15.2.2 蒸散发 实际蒸散发受气象条件、冠层含水量、土壤含水量等条件决定 模型用Penman—Monteith公式计算实际蒸散发
Rn Ea
c p e
ra rc ra
计算热通量的两种方法：一是能量平衡方程 二是建立度－日模型 均忽略雪盖参数在垂向上的变动，认为参数不随雪盖深度 的变化而变化 度－日方法：经验模型，当资料缺乏时使用。热通量计算公 式：
H kTam S w Li
k——度日因子 Tam——气温与融点温度的差值 S——雪盖重力 ——水的密度 Li——冰融化的潜热
求解：隐式有限差分
15.2.5 饱和带水流 饱和带子模块：模拟地下水水位、饱和带水流、河道与含水 层之间的相互作用、地下水渗透量以及人工打井等 模拟基础：能量守衡和质量守衡 能量守衡用三维达西定律描述：
h x h vy K y y h vz K z z vx K x
h (uh) (vh) q t x y h Sox S fx x direction x h Soy S fy y direction y
h(x,y)——过水断面水位； t——时间； x,y——坐标轴； u(x,y),v(x,y)——x方向，y方向的流速； q(x,y,t)——净降雨减掉下渗量； Sox(x,y), Soy(x,y)——x，y方向的坡度； Sfx(x,y), Sfy(x,y)——x，y方向的摩擦比降。
Ea——实际蒸散发量； Rn——净辐射； ——饱和蒸汽压—温度曲线的梯度； ——空气密度； Cp ——常压下空气的比热； ——实际水气压与饱和蒸汽压得差值； ra——空气动力学阻力； ——水气压潜热； ——干湿球常数； rc ——植被冠层表面阻力；
分布式水文模型及3S技术简介
(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。
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。
（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——
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/Iofo GRID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；
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。
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。
（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——
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/Iofo GRID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；
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。
分布式流域水文模型PPT精选文档
2020/5/25
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模型分类
建模角度
建模手段
集总式水文模型 分布式水文模型
物理模型 电子模型 数学模型
2020/5/25
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流域 水文模型
▼定义:
其英文名Hydrologic Model of Basin ，以流域为研究对象,对 流域内发生的降雨径流这一特定的水文过程进行数学模拟计算 所建成的数学模型。
分布式流域水文模型:
全面考虑降雨和下垫面空间不均匀性的模型,能够充分反映流域内降雨和 下垫面要素空间变化对洪水形成的影响。模型能全面地利用降雨的空间分 布信息;模型参数的空间分布能够反映下垫面自然条件的空间变化;模型的输 出具有空间不均匀性。
2020/5/25
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技术支撑
分布式流域水文模型之所以能成为近来具有吸引力的水
雷达 测雨
分布式流域水文模型
地理信息 统计
计算机系统
分布式流域水文模型的系统框架图
2020/5/25
11
分类
紧密耦合型分布式流域水文模型
紧密耦合型分布式流域水文模型,又称分布式数学物理流域水文模型.此种模 型主要的水文物理过程均采用质量、能量和动量守恒的偏微分方程描述(如坡面 洪水波、不饱和、饱和渗流等方程).相邻网格单元之间的时、空间关系用 水动力学的连续方程来建立，采用有限差分方法对方程求解；同时模型也 采用了一些通过实验得到的经验关系。
文学研究热点之一，其原因有以下几个方面：
1.地理信息系统（ GIS）技术的不断完善，使得描述下垫面 因子复杂的空间分布有了强有力的工具;
2.计算机技术和数值分析理论的进一步发展，为用数值方法 求解描述复杂的流域产汇流过程的偏微分方程奠定了基础;
3.雷达测雨技术和卫星云图技术的进步，为提供降雨量实 时空间分布创造了条件。
分布式流域水文模型[优质PPT]
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分散性流域水文模型:
考虑了流域内降雨的空间分布,但是没有或很少考虑下垫面不均匀性的模型。 这种模型只是进行了分散(分单元)计算，没有考虑各单元模型参数随其下垫面条 件的不同而变异。
半分布式流域水文模型:
考虑下垫面的空间不均匀性,但是没有考虑降雨的空间分布,其模型输入仍为面平 均雨量;或考虑降雨的空间分布,没有全面考虑下垫面的空间不均匀性的模型。
2019/6/26
松散耦合型分布式流域水文模型
这类模型在每个单元网格上应用现有的集总式概念性流域模型 推求净雨，并进行汇流演算,推求出口断面的流量过程。汇流演算 一般采用水文学或水力学方法。模型参数主要根据历史洪水资料分析 率定,并结合地形和地貌数据量测和分析得到。
优缺点
2019/6/26
紧
优点
1.能涉及水文现象的本质或物理机制; 2.模型参数的确定对洪水历史资料依赖不大.
雷达 测雨
2019/6/26
分布式流域水文模型
计算机系统 分布式流域水文模型的系统框架图
地理信息 统计
分类
紧密耦合型分布式流域水文模型
紧密耦合型分布式流域水文模型,又称分布式数学物理流域水文模型.此种模 型主要的水文物理过程均采用质量、能量和动量守恒的偏微分方程描述(如坡面 洪水波、不饱和、饱和渗流等方程).相邻网格单元之间的时、空间关系用 水动力学的连续方程来建立，采用有限差分方法对方程求解；同时模型也 采用了一些通过实验得到的经验关系。
文学研究热点之一，其原因有以下几个方面：
1.地理信息系统（ GIS）技术的不断完善，使得描述下垫面 因子复杂的空间分布有了强有力的工具;
2.计算机技术和数值分析理论的进一步发展，为用数值方法 求解描述复杂的流域产汇流过程的偏微分方程奠定了基础;
考虑了流域内降雨的空间分布,但是没有或很少考虑下垫面不均匀性的模型。 这种模型只是进行了分散(分单元)计算，没有考虑各单元模型参数随其下垫面条 件的不同而变异。
半分布式流域水文模型:
考虑下垫面的空间不均匀性,但是没有考虑降雨的空间分布,其模型输入仍为面平 均雨量;或考虑降雨的空间分布,没有全面考虑下垫面的空间不均匀性的模型。
2019/6/26
松散耦合型分布式流域水文模型
这类模型在每个单元网格上应用现有的集总式概念性流域模型 推求净雨，并进行汇流演算,推求出口断面的流量过程。汇流演算 一般采用水文学或水力学方法。模型参数主要根据历史洪水资料分析 率定,并结合地形和地貌数据量测和分析得到。
优缺点
2019/6/26
紧
优点
1.能涉及水文现象的本质或物理机制; 2.模型参数的确定对洪水历史资料依赖不大.
雷达 测雨
2019/6/26
分布式流域水文模型
计算机系统 分布式流域水文模型的系统框架图
地理信息 统计
分类
紧密耦合型分布式流域水文模型
紧密耦合型分布式流域水文模型,又称分布式数学物理流域水文模型.此种模 型主要的水文物理过程均采用质量、能量和动量守恒的偏微分方程描述(如坡面 洪水波、不饱和、饱和渗流等方程).相邻网格单元之间的时、空间关系用 水动力学的连续方程来建立，采用有限差分方法对方程求解；同时模型也 采用了一些通过实验得到的经验关系。
文学研究热点之一，其原因有以下几个方面：
1.地理信息系统（ GIS）技术的不断完善，使得描述下垫面 因子复杂的空间分布有了强有力的工具;
2.计算机技术和数值分析理论的进一步发展，为用数值方法 求解描述复杂的流域产汇流过程的偏微分方程奠定了基础;
基于SWAT的灌区分布式水文模型——Ⅰ模型构建的原理与方法
河灌区内的一个闭合小流域为例。对构建的灌区分布式水文模型进行校正和验证，模拟结果显示，该模型适合于水 稻灌区水分循环的模拟。
关键词：ＳＷＡＴ；分布式水文模型；灌区；稻田；水量平衡
中图分类号：Ｔｖｌｌ
文献标识码：Ａ
随着节水灌溉研究的不断深入，节水的尺度效应、节水潜力、节水型生态灌区等问题日益引起人们 的关注。在这些问题的研究中，灌区的水量平衡及其转化的定量描述是关键。由于受人为活动特别是 灌溉的影响较大，灌区水分循环过程十分复杂。田间试验可以准确获取水量平衡关系，然而对于灌区等 大尺度的水分循环，难以通过传统的试验方法进行研究，需要借助于模型化的方法。而目前的灌区水文 模型研究多为集总式的水平衡模型，无法分析灌区内部自然因素的时空分布和水管理措施对灌区水文 过程的影响，水文学研究的分布式水文模型没有充分考虑灌区的水文特点。因此，针对灌区水文特点构 建灌区分布式水文模型显得十分重要。
河流渗漏的计算方式一样，即：
ｒｔｔｌｃ＝ｃｈｋ·ｔ·Ｌ·Ｐ
（９）
式中：ｒｔｔｌｃ为主沟道输水损失量，ｍ３；ｃｈｋ为主沟道底部的导水率，ｍｍ／ｈ；ｔ为水流时间，ｈ；Ｌ为主沟道长
度，ｋｍ；Ｐ为湿周，Ｉｌｌ。
式（９）没有考虑地下水位对沟道渗漏损失的影响。而且原模型假定沟道渗漏损失补给的是深层地
下水（承压水），而不是浅层地下水（潜水）。为了使模型更适合于灌区的特点，本文采用经验法计算排水
型研究了３种不同种植模式下集水区的地下排水过程。Ｇｏｓａｉｎ等［４１应用ＳＷＡＴ研究了流域内因渠道灌 溉而引起的地下水回归水量。焦锋等ｂ３应用ＳＷＡＴ模型模拟了水田的水分循环。胡远安等№１曾对模型
模拟水田蓄水的情况进行过修改。因此，ＳＷＡＴ模型可以用来进行灌区水分循环的模拟研究。
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第九章 分布式水文模拟 技术
Zuo Qiting
第九章 分布式水文模拟技术
主要内容
9.1 9.2 9.3
分布式水文模型的发展
基于DEM的流域分布式水文模型
几个典型分布式水文模型的介绍
Zuo Qiting
9.1 分布式水文模型的发展
9.1.1 分布式水文模型的研究进展
9.1.1.1 研究进展
分布式水文模型的研究可以认为起始于1969年Freeze 和Harlan发表的《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。 后期比较具有代表性的水文模型包括SHE模型、IHDM模 型、SWAT模型、THALES模型以及DTVGM模型等。 进入20世纪90年代以后，随着计算机技术、GIS/RS技术、 信息技术和通讯技术的发展与普及，分布式水文模型也因此 获得了长足发展。
Zuo Qiting
.3 几个典型分布式水文模型的介绍
9.3.1 MIKE SHE模型
MIKE SHE是对SHE模型的发展和完善，它能够模拟 水循环陆面过程中主要的水文过程包括水量、水质及 沉积物输移。它能用于解决与地表水和地下水相关的 资源和环境问题，以及地表水和地下水之间的动态相 互作用关系。 典型应用包括：流域规划、供水、灌溉和排水、污 染物堆放场的污染物、农业耕作的影响（包括农用化学 品和化肥的使用）、土壤和水资源管理、土地利用变化 的影响、气候变化的影响和生态评价（包括沼泽区域）。
目前，基于模块的分布式水文模拟系统的研制在国 内还较为少见。在国外，USGS （美国地质调查局）在 MMS (Modular Modeling System)的基础上已联合欧洲等 国着手开发OMS (Objective Modeling System)，以JAVA 为开发语言，基于Internet实现网络数据共享。此外， USGS与BOR（复垦局）合作开展流域与河流系统管理计划 （WARSMP），目标是发展操作性强、以数据库为中心、 面向复杂的资源管理问题的决策支持系统。 总体上看，集成不同的水循环模型，基于模块化结构， 构建面向多目标的水文模拟系统是现代水文模拟技术发展 的又一个重要方向。
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MIKE SHE的水循环及模拟示意图
Zuo Qiting
MIKE SHE模型的核心是描述研究区域水分运动 的MIKE SHE WM模块。MIKE SHE WM模块的主结构包 括六个部分，分别描述了六个水文物理过程：截留 /植物蒸散发(ET)、坡面和河道径流（OC）、不饱 和层（UZ）、饱和层（SZ）、融雪（SM）和蓄水层 与河道间的交换。
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9.3.3 SWAT模型
SWAT（Soil and Water Assessment Tool ）模型是在 SWRRB（Simulater for Water Resources in Rural Basins）模型（Williams et al.,1985; Arnold et al., 1990）基础上发展起来的一个长时段的流域分布式水文模 型。它具有很强的物理基础，适用于具有不同土壤类型、 不同土地利用方式和管理条件下的复杂大流域，并能在资 料缺乏的地区建模，在加拿大和北美寒区具有广泛的应用。 SWAT属于第二类分布式水文模型，即在每一个网格单 元（或子流域）上应用传统的概念性模型来推求净雨，再 进行汇流演算，最后求得出口断面流量。
9.3.2 TOPMODEL
TOPMODEL（TOPgraphy based hydrological MODEL） 是一个以地形为基础的、基于变源面积概念的半分布式水 文模型。由Beven和Kirkby于1979年提出，经过20多年的发 展，TOPMODEL与DTM（或DEM）相结合在水文领域得到了十 分广泛的应用。 TOPMODEL的显著特点是利用易于获取的地形信息（如 地形指数 、土壤－地形指数等）来描述流域产流及源面积 的变化与分布，简化流域降水径流过程的模拟。模型具有 结构简单、优选参数少、物理概念明确、模拟精度高、易 于与GIS相结合等特点，无论在径流、泥沙、水质的模拟研 究中，还是在气候、土地植被变化研究和水资源管理等领 域都具有很好的应用前景。
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MIKE SHE WM模块的结构图
融雪
贡献于网格降雨
网格降雨
截留
潜在蒸散发
网格降雨
实际截流容量
蒸散发
水面蒸发
根带土壤含水量
蒸腾/土壤蒸发
下渗
坡面和河道径流
不饱和层
水位
基流/河 道损失 浅层地下水面
排泄 流量
浅层地下水面
补给/ 排水
交换模块
基流/河道损失
饱和层
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深层地下水 灌 溉
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SWAT采用类似于HYMO（Hydrologic Modeling） 模型（Williams and Hann,1973）的命令结构来控 制径流和化学物质的演算。通过子流域命令，进行 分布式产流计算；通过汇流演算命令，模拟河网与 水库的汇流过程；通过叠加命令，把实测的数据和 点源数据输入到模型中同模拟值进行比较；通过输 入命令，接受其他模型的输出值；通过转移命令， 把某河段（或水库）的水转移到其他的河段（或水 库）中，或直接用作农业灌溉。SWAT模型的命令代 码能够根据需要进行扩展。
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SWAT模型结构示意图
降 灌 溉 降 雨 水 降 雪 融 雪 盖 雪
下
渗
地 表 径 流 输 移 损 失 池塘/水库调蓄 池塘/水库蒸发 河 流
土 壤 水 土壤水分层（10层）
灌溉用水 输移损失 河段出流量
土壤水蒸发
灌
溉
植物蒸散发
池塘/水库出流 池塘/水库渗透
壤 中 流 浅层地下水 渗 漏 灌 溉 潜水蒸发 渗 透 回归流
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流域分布式水文模型的一般框架
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目前，基于DEM的分布式水文模型主要有两 种建模方式：
①应用数值分析来建立相邻网格单元之间的时空 关系，如SHE模型等。 ②在每一个网格单元（或子流域）上应用传统的 概念性（或系统理论）模型来推求净雨，再进行 汇流演算，最后求得出口断面流量，如SWAT模型 等。
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9.2.2.2 模型的结构与参数
基于DEM的分布式水文模型在结构上一般分为三 部分： ① 分布式输入模块，用于处理流域空间分布信息，为 水文模块提供空间输入数据和确定模型参数的信息。 ② 单元水文模型，是坡面产汇流计算的核心部分。 ③ 河网汇流模型。有些基于网格的分布式水文模型忽 略了该部分。
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ZHENGZHOU UNIVERSITY
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SWAT模型在产流计算上可以采用经验方法 SCS模型或者Green - Ampt下渗概念模型。流域 离散可以采用多种方法，如，子流域、山坡或 网格。SWAT模型的参数大多具有物理概念，但 由于参数繁多，在实际应用时仍然面临很多的 问题。SWAT模型作为第二类分布式水文模型的 典型代表，其模型结构和运行控制方式为构造 流域分布式水文模型（特别是日过程模型）提 供了很好的借鉴。
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TOPMODEL通过土壤含水量（或土壤饱和缺水 量）来确定流域产流面积的大小和位置，而土壤 饱和缺水量由地形指数计算得到。对于一个单元 流域TOPMODEL的计算流程为：①基于DEM计算地形 指数，并求出每类地形指数的面积分布；②根据 地形指数逐类进行产流计算，得到单元流域的产 流量；③进行单元流域的汇流计算。
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分布式水文模型的参数是一个反映流域下垫面 和气象因素空间变化的数集。它的确定方法包括 ：
①在单元上采用传统的概念性模型，不改变原有模型的 结构和参数，但每一个单元上水文模型的参数值随空间 变化。参数值的大小根据空间信息图进行分类计算。 ②重新设计单元水文模型的结构与参数。尽量选择或者 重新构造那些既反映空间变化，又具有物理意义，且便 于计算的指标作为模型的参数。 ③将原有模型的参数同易于获取的空间指标（主要是通 过RS影像或者DEM提取的空间指标）建立起某种对应关 系（一般是统计关系），从而得到分布式水文模型的参 数计算方法。
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9.1.1.2 几点讨论
流域分布式水文模型还有待于进一步完善，多 数还存在（或很少考虑）以下几个问题。
①分布式水文模型的真实性问题。
②尺度转换问题（或者模型参数的有效性问题）。
③模型的检验问题。 ④计算时间和数据存储的问题。
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9.1.2 分布式水文模型的发展
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TOPMODEL模型具有参数较少，模拟精度高的 特点。TOPMODEL利用地形指数计算饱和缺水量， 将产流计算与易于获得的地形信息建立联系，这 一点对于构建基于DEM的分布式水文模型具有很好 的启迪作用。但同大多数模型类似，TOPMODEL模 型并不适合所有的流域。这是因为模型的蓄满产 流机制和饱和地下水稳定流的假设在一些流域并 不成立。
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9.2 基于DEM的流域分布式水文模型 9.2.1 流域水文过程及其数学模拟
9.2.1.1 流域水循环过程
流域是陆地系统中最为重要的自然集水区域。流域 水循环主要包括降水、冠层截留、径流（坡面流、壤中 流和地下径流）、下渗、蒸发（包括土壤蒸发、水面蒸 发、植被蒸腾、潜水蒸发）等几个环节。在这几个环节 中，伴随着水量的转化和物质及能量的交换，同时还受 到气候变化、大气降水动力学过程及流域地形、地貌、 人类活动等多种因素的影响。因此，流域水循环是一个 十分复杂的过程。
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9.2.2 基于DEM的流域分布式水文模拟
9.2.2.1 模型的特点与分类
基于DEM的分布式水文模型具有以下特点：①具有物 理基础，能够描述水循环的时空变化过程。②由于其分 布式特点，能够与GCM（大气环流模式）嵌套，研究自然 变化和气候变化对水循环的影响。③同RS和GIS相结合， 能够及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对流域 水循环过程的影响。
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第九章 分布式水文模拟技术
主要内容
9.1 9.2 9.3
分布式水文模型的发展
基于DEM的流域分布式水文模型
几个典型分布式水文模型的介绍
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9.1 分布式水文模型的发展
9.1.1 分布式水文模型的研究进展
9.1.1.1 研究进展
分布式水文模型的研究可以认为起始于1969年Freeze 和Harlan发表的《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。 后期比较具有代表性的水文模型包括SHE模型、IHDM模 型、SWAT模型、THALES模型以及DTVGM模型等。 进入20世纪90年代以后，随着计算机技术、GIS/RS技术、 信息技术和通讯技术的发展与普及，分布式水文模型也因此 获得了长足发展。
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.3 几个典型分布式水文模型的介绍
9.3.1 MIKE SHE模型
MIKE SHE是对SHE模型的发展和完善，它能够模拟 水循环陆面过程中主要的水文过程包括水量、水质及 沉积物输移。它能用于解决与地表水和地下水相关的 资源和环境问题，以及地表水和地下水之间的动态相 互作用关系。 典型应用包括：流域规划、供水、灌溉和排水、污 染物堆放场的污染物、农业耕作的影响（包括农用化学 品和化肥的使用）、土壤和水资源管理、土地利用变化 的影响、气候变化的影响和生态评价（包括沼泽区域）。
目前，基于模块的分布式水文模拟系统的研制在国 内还较为少见。在国外，USGS （美国地质调查局）在 MMS (Modular Modeling System)的基础上已联合欧洲等 国着手开发OMS (Objective Modeling System)，以JAVA 为开发语言，基于Internet实现网络数据共享。此外， USGS与BOR（复垦局）合作开展流域与河流系统管理计划 （WARSMP），目标是发展操作性强、以数据库为中心、 面向复杂的资源管理问题的决策支持系统。 总体上看，集成不同的水循环模型，基于模块化结构， 构建面向多目标的水文模拟系统是现代水文模拟技术发展 的又一个重要方向。
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MIKE SHE的水循环及模拟示意图
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MIKE SHE模型的核心是描述研究区域水分运动 的MIKE SHE WM模块。MIKE SHE WM模块的主结构包 括六个部分，分别描述了六个水文物理过程：截留 /植物蒸散发(ET)、坡面和河道径流（OC）、不饱 和层（UZ）、饱和层（SZ）、融雪（SM）和蓄水层 与河道间的交换。
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9.3.3 SWAT模型
SWAT（Soil and Water Assessment Tool ）模型是在 SWRRB（Simulater for Water Resources in Rural Basins）模型（Williams et al.,1985; Arnold et al., 1990）基础上发展起来的一个长时段的流域分布式水文模 型。它具有很强的物理基础，适用于具有不同土壤类型、 不同土地利用方式和管理条件下的复杂大流域，并能在资 料缺乏的地区建模，在加拿大和北美寒区具有广泛的应用。 SWAT属于第二类分布式水文模型，即在每一个网格单 元（或子流域）上应用传统的概念性模型来推求净雨，再 进行汇流演算，最后求得出口断面流量。
9.3.2 TOPMODEL
TOPMODEL（TOPgraphy based hydrological MODEL） 是一个以地形为基础的、基于变源面积概念的半分布式水 文模型。由Beven和Kirkby于1979年提出，经过20多年的发 展，TOPMODEL与DTM（或DEM）相结合在水文领域得到了十 分广泛的应用。 TOPMODEL的显著特点是利用易于获取的地形信息（如 地形指数 、土壤－地形指数等）来描述流域产流及源面积 的变化与分布，简化流域降水径流过程的模拟。模型具有 结构简单、优选参数少、物理概念明确、模拟精度高、易 于与GIS相结合等特点，无论在径流、泥沙、水质的模拟研 究中，还是在气候、土地植被变化研究和水资源管理等领 域都具有很好的应用前景。
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MIKE SHE WM模块的结构图
融雪
贡献于网格降雨
网格降雨
截留
潜在蒸散发
网格降雨
实际截流容量
蒸散发
水面蒸发
根带土壤含水量
蒸腾/土壤蒸发
下渗
坡面和河道径流
不饱和层
水位
基流/河 道损失 浅层地下水面
排泄 流量
浅层地下水面
补给/ 排水
交换模块
基流/河道损失
饱和层
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深层地下水 灌 溉
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SWAT采用类似于HYMO（Hydrologic Modeling） 模型（Williams and Hann,1973）的命令结构来控 制径流和化学物质的演算。通过子流域命令，进行 分布式产流计算；通过汇流演算命令，模拟河网与 水库的汇流过程；通过叠加命令，把实测的数据和 点源数据输入到模型中同模拟值进行比较；通过输 入命令，接受其他模型的输出值；通过转移命令， 把某河段（或水库）的水转移到其他的河段（或水 库）中，或直接用作农业灌溉。SWAT模型的命令代 码能够根据需要进行扩展。
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SWAT模型结构示意图
降 灌 溉 降 雨 水 降 雪 融 雪 盖 雪
下
渗
地 表 径 流 输 移 损 失 池塘/水库调蓄 池塘/水库蒸发 河 流
土 壤 水 土壤水分层（10层）
灌溉用水 输移损失 河段出流量
土壤水蒸发
灌
溉
植物蒸散发
池塘/水库出流 池塘/水库渗透
壤 中 流 浅层地下水 渗 漏 灌 溉 潜水蒸发 渗 透 回归流
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流域分布式水文模型的一般框架
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目前，基于DEM的分布式水文模型主要有两 种建模方式：
①应用数值分析来建立相邻网格单元之间的时空 关系，如SHE模型等。 ②在每一个网格单元（或子流域）上应用传统的 概念性（或系统理论）模型来推求净雨，再进行 汇流演算，最后求得出口断面流量，如SWAT模型 等。
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9.2.2.2 模型的结构与参数
基于DEM的分布式水文模型在结构上一般分为三 部分： ① 分布式输入模块，用于处理流域空间分布信息，为 水文模块提供空间输入数据和确定模型参数的信息。 ② 单元水文模型，是坡面产汇流计算的核心部分。 ③ 河网汇流模型。有些基于网格的分布式水文模型忽 略了该部分。
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ZHENGZHOU UNIVERSITY
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SWAT模型在产流计算上可以采用经验方法 SCS模型或者Green - Ampt下渗概念模型。流域 离散可以采用多种方法，如，子流域、山坡或 网格。SWAT模型的参数大多具有物理概念，但 由于参数繁多，在实际应用时仍然面临很多的 问题。SWAT模型作为第二类分布式水文模型的 典型代表，其模型结构和运行控制方式为构造 流域分布式水文模型（特别是日过程模型）提 供了很好的借鉴。
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TOPMODEL通过土壤含水量（或土壤饱和缺水 量）来确定流域产流面积的大小和位置，而土壤 饱和缺水量由地形指数计算得到。对于一个单元 流域TOPMODEL的计算流程为：①基于DEM计算地形 指数，并求出每类地形指数的面积分布；②根据 地形指数逐类进行产流计算，得到单元流域的产 流量；③进行单元流域的汇流计算。
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分布式水文模型的参数是一个反映流域下垫面 和气象因素空间变化的数集。它的确定方法包括 ：
①在单元上采用传统的概念性模型，不改变原有模型的 结构和参数，但每一个单元上水文模型的参数值随空间 变化。参数值的大小根据空间信息图进行分类计算。 ②重新设计单元水文模型的结构与参数。尽量选择或者 重新构造那些既反映空间变化，又具有物理意义，且便 于计算的指标作为模型的参数。 ③将原有模型的参数同易于获取的空间指标（主要是通 过RS影像或者DEM提取的空间指标）建立起某种对应关 系（一般是统计关系），从而得到分布式水文模型的参 数计算方法。
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9.1.1.2 几点讨论
流域分布式水文模型还有待于进一步完善，多 数还存在（或很少考虑）以下几个问题。
①分布式水文模型的真实性问题。
②尺度转换问题（或者模型参数的有效性问题）。
③模型的检验问题。 ④计算时间和数据存储的问题。
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9.1.2 分布式水文模型的发展
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TOPMODEL模型具有参数较少，模拟精度高的 特点。TOPMODEL利用地形指数计算饱和缺水量， 将产流计算与易于获得的地形信息建立联系，这 一点对于构建基于DEM的分布式水文模型具有很好 的启迪作用。但同大多数模型类似，TOPMODEL模 型并不适合所有的流域。这是因为模型的蓄满产 流机制和饱和地下水稳定流的假设在一些流域并 不成立。
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9.2 基于DEM的流域分布式水文模型 9.2.1 流域水文过程及其数学模拟
9.2.1.1 流域水循环过程
流域是陆地系统中最为重要的自然集水区域。流域 水循环主要包括降水、冠层截留、径流（坡面流、壤中 流和地下径流）、下渗、蒸发（包括土壤蒸发、水面蒸 发、植被蒸腾、潜水蒸发）等几个环节。在这几个环节 中，伴随着水量的转化和物质及能量的交换，同时还受 到气候变化、大气降水动力学过程及流域地形、地貌、 人类活动等多种因素的影响。因此，流域水循环是一个 十分复杂的过程。
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9.2.2 基于DEM的流域分布式水文模拟
9.2.2.1 模型的特点与分类
基于DEM的分布式水文模型具有以下特点：①具有物 理基础，能够描述水循环的时空变化过程。②由于其分 布式特点，能够与GCM（大气环流模式）嵌套，研究自然 变化和气候变化对水循环的影响。③同RS和GIS相结合， 能够及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对流域 水循环过程的影响。