斯坦福流域水文模型研究综述

斯坦福流域水文模型SWMM研究综述

摘要：自然界的水文现象,是一种多因素相互作用的复杂过程,由于其形成机理还不完全清楚,水文模型成为一种研究复杂水文现象的重要工具。本文在在查阅文献的基础上,从斯坦福流域水文模型，国内外 SWMM 研究进展，斯坦福模型主要组成，其他流域水文模型的研究进展个方面对斯坦福模型的研究现状及进展进行了整理和分析，并在此基础上探讨了流域水文模型研究的发展趋势。关于流域水文模型的研究成果有目共睹，但仍需要深入研究。总之,流域水文模型与GIS、遥感技术的结合越来越多的受到重视,必将成为今后研究中的一个主要方面。

关键词：斯坦福流域水文模型；综述；研究进展；

1.斯坦福流域水文模型

流域水文模型的起源是从水文预报模型开始的,即降雨-径流模型。1932年Sherman用叠加原理提出了单位线模型，单位线模型统治水文界20多年。随后Nash和Dooge对单位过程线进行了改进,提出了连续变化的暴雨响应模型。

第一个真正的流域水文模型就是1959年Linsley&Crawford开发的斯坦福流域水文模型，并经过改进和扩展,于1966年发展了SWM-IV。属于概念性集总式水文模型,将整个流域看作一个整体,不考虑流域内的空间变化,数据输入、流域特征描述(土壤类型、土地利用和坡度)通常采用平均值。这个时期的水文模型应用计算机模拟水循环系统,而不是简单地利用数学公式计算洪峰和降雨-径流关系。模型已可以模拟降雨、截留、入渗、蒸散发、河道流等水文过程,但模型中的参数大都缺乏明确的物理意义,以经验公式为主,不能反映流域水文过程空间上分散性输入和集中性输出的特点,且模型参数对水文实测资料的依赖性很大,无法模拟产汇流的空间分布规律,以及气候变化、土地利用/覆被等因素对水文过程变化的影响;这个时期的模型还主要表现在以模拟水量为主,无法模拟污染物等的迁移。虽然这些模型考虑的因素较粗,模拟精度不足,但在资料不完善地区仍然应用广泛。

HSPF模型是在斯坦福模型(Stanford-IV)的基础上发展萨克模型是集总参数型的连续运算的确定性流域水文模型,是在第IV斯坦福模型基础上改进和发展的。

2.国内外SWMM研究进展

2.1国外SWMM 研究进展

SWMM 是由美国环保局于 1971 年推出的，在世界各地获得了广泛的关注，为降雨径流方面的研究提供了可靠的技术支持，并且应用在面源污染负荷计算、城市防洪、雨洪调蓄、径流计算、雨水利用等方面。1975 年 Marsalek等人对美国3 个流域内的12 场暴雨事件

进行研究，结果表明 SWMM 模型、TRRL模型和 UCURM 模型在典型小流域模拟中的结果与实测径流较为接近。2001 年 ZaghloulN A 等人运用人工神经网络 ANN 对 SWMM 模型的参数敏感性进行模拟分析研究。同年 Steven JBurian 等运用 SWMM 模型对西班牙桑坦德市降雨径流水质进行预测研究。2002 年 Patrick L Bre-zonik 等人对美国明尼苏达州双城大都会区域的暴雨径流量、污染负荷量和污染物浓度进行分析。同年 Sands等人对 1999 年 8 月26 日曾发生的洪水淹没纽约事件运用 SWMM 模型进行了相关模拟分析。

2.2.国内SWMM 研究进展

国内对于 SWMM 模型的研究虽然相对比较晚，但是发展迅速。2001 年刘俊和徐向阳等人引进了美国 SWMM 模型，并且以天津市区某二级河道为研究对象进行了排涝模拟的实验，计算出了市区内相关的控制断面出流的过程。2006 年任伯帜等人采用了 SWMM 模型对长沙市霞凝港区的 3 场降雨径流过程进行了模拟分析。同年丛翔宇等人以 SWMM 模型为基础，选取了北京市的典型小区，研究在不同的暴雨条件下，小区的排水情况，积水的问题以及形成道路坡面流等情况。2008 年黄卡等人，运用 SWMM 模型，结合广州新白云机场的实际资料，率定各相关的参数。同年董欣等人以城市不透水的地区为研究对象，运用 SWMM模型进行地表径流模拟实验，并对参数进行识别与验证。赵冬泉等人基于地理信息系统利用SWMM 模型对城市排水管网进行构建，并在澳门进行应用与案例分析。2009 年陈鑫等人运用SWMM 模型对郑州市区某区域进行了模拟研究。2010 年黄卡应用 SWMM 模型在南宁心圩江模拟设计洪水。2012 年马晓宇等人以城市住宅区产生的非点源污染负荷为研究对象利用 SWMM 模型进行了模拟计算。

3.斯坦福模型主要组成

3.1 SWM-IV模型简介：

第IV号斯坦福流域水文模型(SWMIV)，是世界上最早最著名的流域水文模型，是一种确定性模型，是用数学方法模拟水文物理现象的模型。

斯坦福模型的研制，从1959开始，到1966年完成第IV号模型，一共用了8年时间。主要研制人是N.H.克劳福持和R.K.林斯雷。物理概念明确，模型结构环环相扣，层次鲜明。小流域采用集总模型方式，大流域采用分块模型方式。斯坦福模型的建立以水量平衡为基础: 4个蓄水层：上土壤层蓄积、下土壤层蓄积、地下水（浅层）蓄积和深层地下水蓄积。壤中流滞蓄和坡面滞蓄只是临时性蓄积。

模型中河川径流来源：不透水面积上的直接径流；坡面漫流；壤中流；浅层地下水。蒸散发来源：融雪蓄积；截留蓄积；上土壤层蓄积；下土壤层蓄积；地下水蓄积；河湖表面。模型是逐时段连续演算的模型。演算时段不能太长，否则，时段内的各项物理过程变化太大。SWMIV采用15min或1h作演算时段。

3.2斯坦福流域水文模型的组成

(1)流域（或每一分块）平均降雨量用流域代表性测站雨量乘上一个常数，此常数等于多年

平均的流域平均年雨量与该测站多年平均年雨量之比。这对模拟年、月径流量是合适的，对于雨洪的模拟，国内多采用泰森多边形法。

等雨量法

(2)不透水面积

流域不透水面积，主要指河槽（包括直接连通的湖泊）及与河槽毗连的不透水面积。这部分面积上的降雨没有损失，直接注入河槽。水流畅通的河、湖表面面积上的降雨也直接注入河槽，但有蒸发损失。共同特点：没有下渗损失，一般面积较小，大多数乡村流域不

超过1%-2%，城市可以大于20%。

不透水面积这一参数用A表示，指不透水面积与流域总面积之比。可分为有效不透水面积无效不透水面积：降雨不能直接形成径流的，如路面、屋顶、池塘、不汇入河槽的湖泊，不算入模型的不透水面积。在雨小时，因无截留损失，不透水面积上的降雨是径流的唯一来源。

（3）植物截留

在透水面积上发生，形成截留蓄积，最终消失于蒸发。截留蓄积：植物枝叶表面可以截住一部分雨水，被截住的这部分雨水停于枝叶表面上，称为截留蓄积。截留容量（EPXM）：截留蓄积的极限值。一般为0～5mm。假定降雨满足截流蓄积后才产生落地雨，流域平均的时段落地雨量用 X表示

（4）落地雨

i）计算中要求获得的数据：时段截留蒸发量EPX，时段截留蒸发后剩余的蒸散发能力E0（临时变量），时段末截留蓄积量EPXX2，落地雨X

ii）计算中所用其它符号

P 时段降雨量

E 时段蒸散发能力

EPXM 截留容量

EPXX1 时段初的截留蓄积

EPXX0 初算的时段末截留蓄积

iii）分三种情况计算

① EPXX1+P

EPX=EPXX1+P

EO=E-(EPXX1+P)

EPXX2=0

落地雨=0

② EPXX1+P=E 时：

EPX=E; EO=0; EPXX2=0;落地雨=0

③ EPXX1+P>E 时：

EPX=E; EO=0;EPXXO=EPXX1+P-E,又可分为：

EPXXO

EPXXO=EPXM：则EPXX2=EPXM,落地雨=0