分布式水文模型-精选
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2020/5/26
第九章 分布式水文模拟技术
主要内容
9.1
分布式水文模型的发展
9.2 基于DEM的流域分布式水文模型 9.3 几个典型分布式水文模型的介绍
2020/5/26
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。
2020/5/26
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。
2020/5/26
流域水循环过程示意图
蒸腾 冠层截留
下渗
壤中流
2020/5/26
基流
降水 蒸发
蒸散发
坡面流
降雨 冠层截留 地表调蓄 土壤调蓄 地下调蓄
河 网 调 蓄
径流
河流
9.2.1.2 流域水循环的数学模拟
由于流域水循环过程极其复杂，在建立水文模型时 通常对复杂水文现象进行抽象和概化。目前，水文模型 的种类繁多，按模型的性质和建模技术可分为：实体模 型（如比例尺模型）、类比模型（如用电流欧姆定律类 比渗流达西定律的模型）和模拟模型。其中，数学模拟 模型是人们最常用的一类水文模型。
2020/5/பைடு நூலகம்6
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。
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。
2020/5/26
9.3 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）。
2020/5/26
MIKE SHE的水循环及模拟示意图
2020/5/26
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。
2020/5/26
流域分布式水文模型的一般框架
2020/5/26
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。
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。
2020/5/26
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。
2020/5/26
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。
2020/5/26
MIKE SHE WM模块的结构图
融雪
贡献于网格降雨
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。
2020/5/26
9.1.2 分布式水文模型的发展
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 策总支体持上系看统，。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。
2020/5/26
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。
第九章 分布式水文模拟技术
主要内容
9.1
分布式水文模型的发展
9.2 基于DEM的流域分布式水文模型 9.3 几个典型分布式水文模型的介绍
2020/5/26
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。
2020/5/26
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。
2020/5/26
流域水循环过程示意图
蒸腾 冠层截留
下渗
壤中流
2020/5/26
基流
降水 蒸发
蒸散发
坡面流
降雨 冠层截留 地表调蓄 土壤调蓄 地下调蓄
河 网 调 蓄
径流
河流
9.2.1.2 流域水循环的数学模拟
由于流域水循环过程极其复杂，在建立水文模型时 通常对复杂水文现象进行抽象和概化。目前，水文模型 的种类繁多，按模型的性质和建模技术可分为：实体模 型（如比例尺模型）、类比模型（如用电流欧姆定律类 比渗流达西定律的模型）和模拟模型。其中，数学模拟 模型是人们最常用的一类水文模型。
2020/5/பைடு நூலகம்6
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。
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。
2020/5/26
9.3 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）。
2020/5/26
MIKE SHE的水循环及模拟示意图
2020/5/26
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。
2020/5/26
流域分布式水文模型的一般框架
2020/5/26
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。
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。
2020/5/26
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。
2020/5/26
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。
2020/5/26
MIKE SHE WM模块的结构图
融雪
贡献于网格降雨
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。
2020/5/26
9.1.2 分布式水文模型的发展
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 策总支体持上系看统，。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。
2020/5/26
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。