第一节 流域水循环与分布式水文模型

分布式水文模拟模型的应用
SWAT模型结构 SWAT模型结构
适用于具有不同的土壤 类型、不同的土地利用 方式和管理条件下的复 杂大流域。 不适用于模拟具体的单 一洪水过程。 优点：输入数据容易获 取、计算效率高 。具 有较强的物理基础，能 够在缺乏资料的地区建 模。
分布式水文模拟模型的应用
SWAT模拟的流域水文过程 SWAT模拟的流域水文过程
分布式水文模拟模型的应用
流域水循环综合模拟模型
流域内水循环过程从大气降水开始、到坡 面流，随后在不饱和土壤带内运动，继续 汇流进入下游河网，同时部分下渗进入地 下饱和带参与地下水渗流运动。其中土壤 水非饱和带运动和地表地下水转化量的模 拟预测一直是流域整体水循环模拟中的棘 手问题，其处理方式的好坏直接影响整个 水循环模型的合理性和精度。
分布式水文模拟模型的应用
各种分布式水文模拟模型的介绍
流域水文模拟从模拟的侧重点上可以划分 为降雨径流模拟、地下水模拟、流域水循 环综合模拟。目前具有代表性的可用于流 域水资源管理的分布式水文模拟模型有 TOPMODEL、SWAT、ModFlow、FeFlow、 TOPMODEL、SWAT、ModFlow、FeFlow、 Mike-SHE等 Mike-SHE等 。 根据研究对象不同，可分为分布式降雨径 根据研究对象不同，可分为分布式降雨径 流模拟模型、分布式地下水模拟模型和 流模拟模型、分布式地下水模拟模型和流 域水循环综合模拟模型。 域水循环综合模拟模型。
分布式水文模拟模型的应用
Mike SHE模型 SHE模型
优点：为研究人类活动对于流域的产流、 优点：为研究人类活动对于流域的产流、 产沙及水质等影响问题提供了理想化的工 具。 缺点：对资料完备性和详细度要求较高， 缺点：对资料完备性和详细度要求较高， 不适用于资料基础较差的流域整体水循环 模拟分析。
分布式水文模拟模型的应用
分布式降雨径流模拟模型
是研究流域内降雨和径流规律的一个重要 工具，基于降雨过程中径流产生时雨水将 在地表形成很薄的一层水流的基本假设。 国外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 1969年Freeze和Harlan发表的“ 物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图” 物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图” 的文章。 最具有代表性的地表分布式水文模拟模型 包括TopModel模型以及SWAT模型。 包括TopModel模型以及SWAT模型。
常用的地下水文模拟模型包括解析模型、 数值模型、水均衡模型及物理模型等。数 值模拟模型以其精度高、物理意义明确， 而逐渐成为地下水文模拟的重要发展趋势。 而数值模拟方法又分为有限差分法和有限 单元法，其各有优缺点。 目前国际上较为流行的地下水数值模拟模 型主要包括ModFlow和FeFlow。 型主要包括ModFlow和FeFlow。
第一节 流域水循环与分布式水文模型
流域水循环 流域分布式水文模 型开发 基于DEM的分布式 基于DEM的分布式 水文模拟方法
分布式水文模拟模 型在流域水资源管 理中的应用
流域水循环
水圈与水资源 全球水循环
流域水循环
水圈与水资源
水圈的概念：地球表面不连续的水壳。地 水圈的概念：地球表面不连续的水壳。地 球上海洋、河流、冰川融化水、地下水、 湖泊、大气含水、土壤水和生物水，在地 球周围形成了一个紧密联系、相互作用， 又相互不断交换的水圈。
分布式水文模拟模型的应用
Feflow模型 Feflow模型
采用有限元法进行复杂二维和三维稳定/ 采用有限元法进行复杂二维和三维稳定/非 稳定水流和污染物运移模拟。 使用范围：可以实现饱和或非饱和条件下 （2D ＆ 3D）完全非稳定、半稳定和稳定 3D）完全非稳定、半稳定和稳定 状态下地下水流和溶质运移；颗粒跟踪和 流线模拟；化学物质运移（如线性/ 流线模拟；化学物质运移（如线性/非线性 吸附, 吸附,扩散等）；流体和固体中的热量运移； 密度流动模拟（如海水入侵等）。
分布式水文模拟模型的应用
如何选择流域水文模型
使用模型的目的是辅助决策。 模型的适用区。 模型的当前状态。 模型的数据需求。 模型对不同数据源获取信息的能力。 模型对用户的要求。 采用该模型软件的开销及可获得的技术支 持状况。
分布式水文模拟模型的应用
Mike SHE模型 SHE模型
Mike SHE模型（System Hydrologic European） SHE模型（System European） 是一个典型的整体分布式水循环模拟模型。 在SHE模型中，流域在平面上被划分成许多 SHE模型中，流域在平面上被划分成许多 矩形网格，这样便于处理模型参数、降雨 输入以及水文响应的空间分布性；在垂直 面上，则划分成几个水平层，以便处理不 同层次的土壤水运动问题。
流域水文模拟及分布式水文模型的发展 各种分布式水文模拟模型的介绍 如何选择适合流域特点的流域水文模型
分布式水文模拟模型的应用
流域水文模拟及分布式水文模型的 发展
20世纪50年代中期，伴随系统理论的发展，科学 20世纪50年代中期，伴随系统理论的发展，科学 家就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” 体来研究，并提出了“流域水文模型”的概念， 随即便涌现了SSARR模型（1958）和Stanford模型 随即便涌现了SSARR模型（1958）和Stanford模型 （1959）等模型 。 1959）等模型 20世纪70年代至80年代中期又出现了新安江、 20世纪70年代至80年代中期又出现了新安江、 Sacramento、Tank、HEC－ SCS、API等模型。 Sacramento、Tank、HEC－1、SCS、API等模型。 从对流域水文过程描述的离散程度看，流域水文 模型可分为集总模型（Lumped model）和分布式 模型可分为集总模型（Lumped model）和分布式 模型（Distributed model）两种。 模型（Distributed model）两种。
分布式水文模拟模型的应用
ModFlow模型 ModFlow模型
三维有限 差分模拟 地下水流 示意图如 图所示。
分布式水文模拟模型的应用
ModFlow模型 ModFlow模型
优点：程序结构合理,易于理解, 优点：程序结构合理,易于理解,便于操作。 缺点：由于采用矩形网格ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ行剖分，因而 对于处理复杂地质体中的地下水三维渗流 场模拟方面存在着不足，没有有限元三角 剖分灵活多变。
分布式水文模拟模型的应用
流域水文模拟及分布式水文模型的 发展
集总模型（Lumped model）：不考虑各部分 集总模型（Lumped model）：不考虑各部分 流域特征参数在空间上的变化，把全流域 作为一个整体 。 分布式模型（Distributed model）：按流域 分布式模型（Distributed model）：按流域 各处地形、土壤、植被、土地利用和降水 等的不同，将流域划分为若干个水文模拟 单元，在每一个单元上用一组参数反映该 部分的流域特性。
分布式水文模拟模型的应用
TOPMODEL模型结构 TOPMODEL模型结构
优点：模型结构和 概念比简单，优选 参数少，充分利用 了容易获取的地形 资料，而且与观测 的物理水文过程有 密切联系。 缺点：未考虑降 水、蒸发等因素的 空间分布对流域产 汇流的影响。
分布式水文模拟模型的应用
SWAT模型 SWAT模型
SWAT是一个具有很强物理机制的、长时段 SWAT是一个具有很强物理机制的、长时段 的流域水文模型，能够利用GIS和RS提供的 的流域水文模型，能够利用GIS和RS提供的 空间信息，模拟复杂大流域中多种不同的 水文物理过程，包括水、沙和化学物质的 输移与转化过程。 模型可采用多种方法将流域离散化（一般 基于栅格DEM），能够响应降水、蒸发等 基于栅格DEM），能够响应降水、蒸发等 气候因素和下垫面因素的空间变化以及人 类活动对流域水文循环的影响。
流域水循环
全球水循环
全球的水处于不断运动中，从冰川的难以 察觉的蠕动到急速的倾盆大雨，水运动的 形式与速度各不相同。 海洋、湖泊等都是水的蓄积点，水在蓄积 点之间流动，以降雨、蒸发和江河流水的 形式运动着。 人类对水循环的重要影响是对水的消耗性 使用。
流域水循环
全球水循环示意图
分布式水文模拟模型在流域水资 源管理中的应用
地球上水的分布（表2） 地球上水的分布（
陆地 土壤含水 量 水量 （m3) 滞留 时间 70000 1年 地下水 8.2×106 8.2× 1400年 1400年 冰川和冰帽 27.5× 27.5×106 生物水 1100
山地冰川1600年 山地冰川1600年 几小时 极地冰帽9700年 极地冰帽9700年
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SWAT模型 SWAT模型
子流域有三种划分的方法：自然子流域 （Subbasin）、山坡（Hillslop）和网格 Subbasin）、山坡（Hillslop）和网格 （Grid） 。 Grid） 每个子流域的输入信息归为5 每个子流域的输入信息归为5类：气候、水 包括子流域内具有相同植被覆盖、土壤类 文响应单元HRU、池塘（或湿地）、地下 文响应单元HRU、池塘（或湿地）、地下 型和管理条件的陆面面积的集总。 水和主河道（或河段） 。 在结构上，每个子流域至少包括：1个水文 在结构上，每个子流域至少包括：1 响应单元HRU、 响应单元HRU、1个支流河道（用于计算子 流域汇流时间）、1 流域汇流时间）、1个主河道（或河段）。 而池塘（或湿地）为可选项。
陆面部分（即产流和坡面汇流部分）：它 陆面部分（即产流和坡面汇流部分）：它 控制着每个流域内主河道的水、沙、营养 物质和化学物质等的输入量 。 水循环的水面部分（即河道汇流部分）水循环的水面部分（即河道汇流部分）-： 它决定水、沙等物质从河网向流域出口的 输移运动。
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分布式地下水模拟模型
分布式水文模拟模型的应用
TOPMODEL模型 TOPMODEL模型
TopModel（ TopModel（TOP graphy based hydrological MODEL）模型 MODEL）模型 ：以变源产流为基础 ，地 形空间变化为主要结构，基于DEM推求地 形空间变化为主要结构，基于DEM推求地 形指数，用地形指数或土壤－地形指数来 反映下垫面的空间变化对流域水文循环过 程的影响，描述水流趋势。模型基于重力 排水作用径流沿坡向运动原理，模拟径流 产生的变动产流面积概念，尤其是模拟地 表或地下饱和水源面积的变动。
流域水循环
地球上水的分布
流域水循环
地球上水的分布（表1） 地球上水的分布（
陆地 海洋 水量 （m3) 1.35× 1.35×1 09 大气 河流 13000 8天 1700 16天 16天 湖泊 1×105 17年 17年 内海 1.05× 1.05×1 05
滞留时 2500天 2500天 间
流域水循环
分布式水文模拟模型的应用
ModFlow模型 ModFlow模型
这是一套专门用于孔隙介质中三维地下水 流数值模拟的模型。 ModFlow主要采用三维有限差分方法进行模 ModFlow主要采用三维有限差分方法进行模 拟。其基本原理是：在不考虑水的密度变 化的条件下，孔隙介质中地下水在三维空 间的流动。
分布式水文模拟模型的应用
Mike SHE模型总体结构 SHE模型总体结构
Mike SHE系 SHE系 统是一个流 域整体水循 环模拟软件 系统 。
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Mike SHE模型核心模块 SHE模型核心模块
蒸发散模拟(ET)模块：求解截留量及蒸发散 蒸发散模拟(ET)模块：求解截留量及蒸发散 量。 非饱和带水分模拟(UZ)模块：系统提供 非饱和带水分模拟(UZ)模块：系统提供 Richard方程和重力流模拟两种方法进行非 Richard方程和重力流模拟两种方法进行非 饱和带水分的模拟。 饱和地下水流动模拟(SZ)模块：地下水流动 饱和地下水流动模拟(SZ)模块：地下水流动 的模拟。 坡面流与河道流模拟(OC)模块：采用Saint 坡面流与河道流模拟(OC)模块：采用Saint Venant方程进行求解。 Venant方程进行求解。