半分步式及分布式分水文模型研究

分布式水文模型研究概况

由于传统的流域水文模型本身所具有的局限性，同时随着水文循环中各个组成要素的深入研究，以及计算机、地理信息系统（GIS）和遥感技术的迅速发展，使构造具有一定物理基础的流域分布式水文模型成为可能。流域分布式水文模型充分考虑流域下垫面空间分布不均对水文循环的影响。在水平方向上将流域划分成许多单元网格和子流域（一般基于DEM），在垂直方向上将土壤分层，并依据流域产汇流的特性，使用一些物理的、水力学的微分方程（如连续方程与动量方程）求解径流的时空变化。与传统的流域概念性集总水文模型相比具有以下显著的优点：①具有物理机理，能描述流域内水文循环的时空变化过程；②其分布式结构，容易与GCM嵌套，研究自然和气候变化对水文循环的影响；③由于建立在DEM基础之上，所以能及时地模拟人类活动和下垫面因素变化对流域水文循环过程的影响。

下面我简单介绍一下国内外的著名的分布式水文模型。主要从模型名称，模型结构，输入输出变量，网格还是子流域为计算单元，适用性和范围等方面来描述。

一、分布式水文模型研究的发展现状----国际

在国外，分布式水文模型的研究可以认为始于 Freeze 和 Harlan 于 1969 年发表的《一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图》这篇文章。该文章提出了分布式水文物理模型的基本概念和框架。随后，Hewlett 和 Troenale 在 1975 年提出了森林流域的变源面积模拟模型(简称 VSAS)。1979 年 Bevenh 和 Kirbby 提出了以变源产流为基础的TOPMODEL 模型（TOPgraphy based hydrological MODEL）。

1 TOPMODEL 模型［1]（TOPgraphy based hydrological MODEL）

该模型基于DEM推求地形指数，并利用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，模型的参数具有物理意义，能用于无资料流域的产汇流计算。TOPMODEL模型的基础是变动产流面积的概念。流域降水满足冠层截留和填洼等初损以后，下渗进入土壤包气带，包气带分为土壤水带、中间带和毛细水带。只有包气带的含水量达到田间持水量后，多余的水分中才有一部分以重力水的形式，通过大空隙直接进入饱和地下水层，所以入渗没有马上引起地下水位抬升至地表面。TOPMODEL 模型把全流域按DEM网格分块，每一个网格称为一个水文单元。大的流域又可被分成若干个子流域（或单元流域）。对每一个单元流域进行产汇流计算。产流计算包括不饱和层水分运动、饱和层水分运动及地表径流。地表径流和地下径流均视为在空间上相等，可通过等流时线方法进行汇流演算，求出单元流域出口处的流量过程。通过河道汇流得出流域总出口断面流量过程。河道演算多采用近似运动波的常波速洪水演算方法。TOPMODEL模型可以根据地形指数和流域平均缺水量计算出各点的缺水量，直观地反映源面积的大小和分布。地形指数的空间分布即反映了流域蓄水容量的分布。蓄水容量曲线与地形指数的功能相同，都是为了计算径流。在应用时，仅需DEM图和基本的水文资料（降水、蒸发、流量），甚至可用于无资料地区。

图1 TOPMODEL 模型结构

2 MIKE SHE 模型

Beven等，1980年；Abbott等，1986年；Bathurst等，1995年；Refsgaard and Storm，1995年；Chapters 等等对SHE模型进行了改进，生成了很多不同版本的SHE模型［2,4]如：20世纪90年代初由丹麦水利学研究院(DHI)在SHE模型上进一步发展研制出MIKE SHE模型。MIKE SHE 模型功能上体现三维空间特性，包括了陆地区全部的水循环过程，同时对地下水资源和地下水环境问题分析、规划和管理是它的一大特色；采用多模块耦合的方式来模拟水循环中几乎所有主要的水文过程，包括了大气循环、水流运动、溶质和泥沙输移等；通过连续计算四个不同且相互影响的储水层的含水量来模拟产汇流过程，这几个储水层代表了流域内不同的物理单元。这些储水层是：积雪储水层、地表储水层、土壤或植物根区储水层、地下水储水层。因此它被广泛应用于流域管理、土地利用变化影响评价、地下水模拟、水质污染模拟、灌溉及农作物生长对水分和污染物质在非饱和带运移的影响等众多研究领域。模型中一个流域被沿水平方向划分成一系列的相互联系单元（grid），各自具有不同的物理参数，而在垂直方向又被划分成若干层（zone), 包括冠层、不饱和层和饱和层。它所反映的流域水文过程主要包括降水、蒸散发、含植物冠层截留、地表汇流、河道汇流、非饱和壤中流和饱和地下径流等过程，每个子过程分别进行计算建模。

图2 MIKE SHE 模型结构

3 ANSWERS(Areal Nonpoint Source Watershed Environment Response Simulation) 和AGNPS(Agricultural Nonpoint Source)

ANSWERS 模型[5]包括水文模型、泥沙分散- 输送模型和几个描述坡面、亚表面、渠中的水流路径的组件,采用概念模型模拟水文,用泥沙连续性方程模拟侵蚀,用方形网格划分研究区域,可供水质规划者或其他用户模拟土地利用方式对水文和侵蚀响应的影响,对控制非点源污染进行规划。ANSWERS 模型中,首先项目管理器从用户那儿收集信息,然后利用GIS 提取数据,产生一个输入文件,并将ANSWERS 模型的输出读入新的GIS 层,项目管理器的应用使输入数据赋值时间减少了7～10 倍。AGNPS 模型[6]采用方形网格划分单元,模型包含水文、侵蚀和泥沙输送、氮磷和COD 的输移等内容,其中径流量用CREAMS 模型中使用的公式计算,侵蚀用RUSLE 预测,化学物质的输移采用CREAMS 模型和一个饲育场评价模型中的方法,并对土壤结构的影响方面做了改进,化学物质的输移计算分为溶解相和泥沙吸附相的计算,溶解相的计算与径流量有关,而泥沙吸附相的计算则与产沙量有关;WEPP（Water Erosion Prediction Project）模型[7]估计了陆地和水渠的径流和侵蚀、保护措施的影响,是一种计算山坡和集水区土壤侵蚀和泥沙输送的新技术,模型包括气候、表面和亚表面的水文、冬季冻融过程、灌溉、残余物的降解、沟渠和蓄水坑中泥沙的分散、输送和沉积等部分。

最早的非点源污染模型是集总模型如CREAMS (Chemicals Runoff and Erosion from Agricultural Management Systems) 模型, 主要用于研究土地管理对水、泥沙、营养物和杀虫剂的影响, 其中预测径流使用的是SCS 法(美国农业部土壤保持局曲线) , 产沙子模型采用经验公式USLE(通用水土流失方程), 预测污染物负荷采用的是概念模型。限于集总模型不考虑时空变异性, 适用流域面积小, 因而提出了用网格划分流域、可以模拟时空变异性的