国内外分布式水文模型研究和应用综述

国内外分布式水文模型研究和应用综述1

罗文兵，洪林, 时元智

武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉（430072）

E-mail: Lhong@

摘 要: 分布式水文模型研究已成为现代水文界研究的热点，是真实描述和科学揭示流域水文过程和规律的一个有效途径，为研究水文、生态和环境问题提供了一种有效的工具。本文概述了分布式水文模型的特点及结构、发展动态及趋势和目前国内外应用研究动态，分析了分布式水文模型研究和应用中存在的问题，并结合我国的实际展望了未来的发展方向。

关键词: 分布式；水文模型；研究动态；应用；发展方向

20世纪以来，水资源危机日益突出，为了适应气候变化和人类活动影响下的水文水资源研究之需，流域水文循环的模拟已从集总式模型扩展到分布式或者半分布式模型。分布式水文模型的开发不仅需要一定水文物理机制的支撑，而且还需要获得大量的流域空间数据和相关技术的支持。随着“3S”技术的发展，水文模拟技术趋向于将水文模型与数字高程模型(DEM)相结合，并与地理信息系统(GIS)与遥感(RS)集成。本文介绍了分布式水文模型的特点及结构、发展历程和目前国内外应用现状,分析总结了分布式水文模型存在的几点不足, 并对其未来发展做出展望。

1 引言

在水文循环过程中，影响流域降雨径流形成的气候因子(如降雨、蒸发等)和下垫面因子(如地形、地貌、地质、土壤、植被、土地利用等)均呈现空间分布不均匀状态。而分布式水文模型正是客观地考虑了气候和下垫面因子的空间分布对流域降雨径流形成的影响，所以能较真实地模拟现实世界的流域降雨径流形成的物理过程。虽然早在20世纪60 年代就已提出分布式水文模型的概念，但其发展受到计算机技术的制约。随着计算机、地理信息系统、遥感等信息技术的发展，分布式水文模型取得了很大进展，成为水文学研究的热点之一。

2 分布式水文模型的特点与结构

2.1 分布式水文模型的特点

分布式水文模型(Distributed Hydrological Model)是通过水循环的动力学机制来描述和模拟流域水文过程的数学模型。在分布式水文模型中，流域是一个有机的系统，其内部地理要素存在空间差异，这也导致了水文过程的空间差异。分布式模型用严格的数学物理方程表述水文循环的各个子过程，充分考虑了流域地理要素对水文过程的影响，还考虑到流域内不同水文过程之间的相互作用和联系，采用偏微分方程对水量和能量过程进行模拟，从而能够更加真实地模拟流域降雨径流形成的物理过程。此外，分布式水文模型将流域划分成若干个小的独立计算单元，它不仅能得到水文过程的结果，而且能给出水文过程的动态变化，这对于水文过程的进一步认识及提高水文预测的准确性具有重要的意义。

与集总式模型不同，分布式模型以其具有明确物理意义的参数结构和对空间差异性的全面反映，可以更加准确地描述和反映流域内真实的水文过程，帮助人们更加深入地了解水文

1资助项目:教育部科学研究重大项目（308017）；国家“863计划”（2006AA06X342）；国家自然基金重大项目（50639040）；湖北省自然基金（2005ABA290）。

循环的演变规律和过程。

2.2 分布式水文模型结构

分布式水文模型的结构一般较复杂，但过程严密，具有一定的物理基础，能客观地反映水文循环过程。分布式水文模型按照系统内部功能的聚集程度，把模型划分为一个个功能不同且相对独立的子系统，每一个子系统都通过数学语言来描述水文循环的一个子过程。通用功能模块主要有：一维降水冠层截留，一维辐射传输，一维蒸散发，一维融雪，一维包气带水分垂向运移，二维表面漫流，一维河流/渠道汇流，二维饱和壤中流/地下水模拟和二维灌溉。如果考虑到水质和土壤侵蚀问题，还应包括：一维包气带内溶质运移和化学反应过程，三维饱和带内溶质运移和化学反应过程和土壤侵蚀与沉积物运移[1,2]。

根据模型的结构，分布式水文模型可分为三类：分布式物理模型、分布式概念模型和半分布式模型。各分布式物理模型尽管在结构形式上不同，但其核心部分均为流域水循环过程。其一般结构如图1所示，主要包括以下八个部分：输入模块、冠层截留与蒸散发、入渗与土壤水、地表径流、地下径流、坡面汇流和河道汇流、积雪融雪和人工侧支循环。分布式概念模型根据流域的特征将流域离散为众多水文单元，在每个水文单元上运用概念性水文模型计算子流域出口断面的流量过程，再按空间拓扑关系演算至流域出口断面。半分布式模型一方面仅考虑流域水循环中某些部分如产汇流过程的分布性特征而不考虑其他部分如降雨、蒸发过程的分布性特征，对水循环过程有一定的简化；而另一方面，在对水循环过程描述中既可用水动力学方程亦可用单位线、线性水库等方法[3]。分布式水文模型一般结构如图1所示。

图1 分布式水文模型的一般结构

3 模型研究的发展动态及趋势

3.1国外水文模型的发展

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》的文章[4]。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）[5,6]。该模型并未考虑降水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响，因此，它不是严格意义上的分布式水文模型[7]。而由丹麦、法国及英国的水文学者(Beven等，1980年；Abbott等，1986年；Bathurst等，1995年；Refsgaard and Storm，1995年；Chapters等)联合研制及改进的SHE模型(System Hydrologic European)则是一个典型的分布式水文模型[8,9]。该模型为研究人类活动对于流域的产流、产沙及水质的影响问题提供了理想的工具。然而，该模型最初主要应用于欧洲，在其它地区应用得很少。现在，通过改进，该模型出现了很多不同的版本，比如MIKESHE，SHETRAN等，并在许多流域得到检验和应用。1980年，英国Morris提出了IHDM(Institute of Hydrology Distributed Model)模型。Beven等(1987年)和Calver(1988年、1995年)对IHDM模型进行了改进。1985年，美国农业部农业研究中心的Alons和Decoursey设计了SWAM模型(Small Watershed Model)。1994年，Jeff Arnold为美国农业部(USDA)农业研发中心(ARS)开发了SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool)。SWA T模型是一个具有物理机制的长时段的流域半分布式水文模型[10]。该模型的发展经历了一系列的改进，从最早的CREAMS模型，到SWRRB模型，结合ROTO模型后，最后形成了综合性的SW A T模型。它能够利用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。模型可采用多种方法将流域离散化(一般基于DEM)，能够反映降水、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。SWA T模型模拟的流域水文过程分为水循环的陆面部分(即产流和坡面汇流部分)和水循环的水面部分(即河道汇流部分)。SWAT模型通常仅适合于美国的流域，应用于美国18个主要流域。SWAT模型功能十分强大，能够用来模拟和分析水土流失、非点源污染、农业管理等问题，是一个值得推广的综合性流域水文模型。最新发展的流域分布式模型有STREAM、SWM等。其中SWIM (Soil and Water Intergated Model)模型[11]是在SW AT 和MATSALU模型的基础上开发的，主要目标是提供一种基于GIS的综合水文和水质的中尺度（100-10000 km2)流域模型。该模型集成了水文、植被、土壤侵蚀和N元素转移转化的动力学原理。

3.2 国内水文模型的发展

我国分布式水文模型的研究起步较晚。1995年，沈晓东等提出了一种在GIS支持下的动态分布式降雨径流流域模型，实现了基于栅格DEM的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟。1997年，黄平等[12]建立了描述森林坡地饱和与非饱和带水流运动规律的二维分布式水文数学模型，并利用加辽金有限元数值方法求解模型。任立良和刘新仁[13]于2000年在数字高程模型(DEM)的基础上成功开发了分布式的新安江模型。2000年，李兰等[14]建立了一个按子流域划分的分布式流域水文模型，该模型由各小流域产流模型、汇流模型、流域单宽入流和上游入流反演模型、河道洪水演进四个部分组成。该模型考虑了产流随空间和时间变化的分布特征，能计算产流的多种径流成分的物理过程。2000年，郭生练等[15,16]提出了一个基于DEM的分布式流域水文物理模型，用来模拟小流域的降雨径流时空变化过程。2002年，夏军等[17]建立了基于DEM的分布式时变增益水文模型(DTVGM)。熊立华等(2004)[18]提出了一个基于DEM的分布式水文模型，主要用来模拟蓄满产流机制，并通过实例检验模型模拟流量过程以及土壤蓄水量空间分布的能力。SW AT模型在我国黑河流域的应用，说明该模型较适用于中国西北寒区。