流域水文模擬發(fā)展歷程和趨勢

1、流域水文模擬的發(fā)展歷程和趨勢 作 者 姓 名： * 學(xué)科、 專業(yè)： 水文學(xué)與水資源工程 學(xué) 號： * 指 導(dǎo) 教 師： * 完 成 日 期： * -流域水文模擬大作業(yè)摘 要對現(xiàn)行概念性集總式流域水文模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹,指出了這類流域水文模型存在的主要發(fā)展歷程和功能。對新一代流域水文模型,即分布式流域水文模型,尤其是其中具有物理基礎(chǔ)的分布式流域水文模型,進(jìn)行了簡介,指出其不同于傳統(tǒng)水文模型的特點(diǎn)及作用。最后對流域水文模型的發(fā)展趨勢及所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞:集總式流域水文模型;分布式流域水文模型;趨勢I目 錄1 水文模型研究成果及現(xiàn)狀11.1 集總式水文模型11.1.1新安江

2、模型21.1.2水箱模型31.1.3薩克拉門托模型51.2 分布式水文模型71.2.1氣候變化研究與分布式水文模型71.2.2土地利用/覆被變化水文響應(yīng)與分布式水文模型81.2.3缺資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)與分布式水文模型91.2.4水資源管理與分布式水文模型102水文模型發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)112.1地理信息系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用122.2遙感技術(shù)的應(yīng)用132.3問題與挑戰(zhàn)14- II -1 水文模型研究成果及現(xiàn)狀世界人口迅速增長，人們對生活水平的期望不斷增長，同時(shí)大眾對生態(tài)環(huán)境的關(guān)注也日益增強(qiáng)。人民生活水平的提高離不開自然資源開發(fā)和利用。地球上最基礎(chǔ)的資源是空氣、水和土地。這些資源對于維持地球上的生命至關(guān)重要，

3、而又有限，無序開采和過度利用必然造成環(huán)境破壞，威脅人類的生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。于是，加強(qiáng)綜合自然資源管理，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境整體性和生物多樣性已成為當(dāng)前的核心任務(wù)。水在生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮著血液的作用。人類的生活、生產(chǎn)以及其他資源的開發(fā)都離不開水。由于水極易受到污染，污染的水又在流動(dòng)過程中污染土壤、植物、動(dòng)物、甚至人體，因此，生態(tài)環(huán)境管理的核心是對水的管理。自然界的水是以流域?yàn)轶w系存在和循環(huán)運(yùn)動(dòng)著的，生態(tài)環(huán)境管理也就需要以流域?yàn)榛A(chǔ)。管理過程將土地利用等人類活動(dòng)與水體流動(dòng)過程聯(lián)系起來，通過預(yù)測各種水體的水量和水質(zhì)，為人類生活、生產(chǎn)和生態(tài)的需水提供信息。這種預(yù)測需要定量描述流域降雨-徑流，以及引水、渠

4、系滲漏、灌溉、蒸發(fā)、作物耗水等水文過程，所以說水文模擬已成為生態(tài)環(huán)境管理的基礎(chǔ)技術(shù)。水文預(yù)報(bào)可以通過水文模型來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)十年來，人們研制了各種水文模型，并在許多流域中廣泛使用。流域水文模型的研究大約始于二十世紀(jì)五十年代叫，隨著電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，近幾十年已提出百余種模型。流域水文模型主要有三種類型:黑箱式、集總式、分布式(Kirkby，1988)。早期的水文模型多為黑箱模型，把流域看成黑箱，只有輸入和輸出，也就是一個(gè)流域降雨與徑流的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。在一個(gè)流域根據(jù)長期水文觀測資料建立的黑箱模型，是對該流域地形、土壤、植被等眾多要素及空間特征對水文影響的概括，但它忽略了流域內(nèi)部的水文過程，無法在空間上外延

5、和移用，當(dāng)流域內(nèi)部發(fā)生變化時(shí)也不能再使用原來的模型參數(shù)，需對模型參數(shù)重新訂正(Andersno，1985)。隨著對流域水分循環(huán)過程認(rèn)識(shí)的深入，出現(xiàn)了集總式水文模型。1.1 集總式水文模型氣候條件和下墊面條件，包括地貌、地質(zhì)、土壤、植被等共同影響著區(qū)域水文過程，這些地理要素隨空間和時(shí)間的變化而變化。然而集總式模型不考慮地理要素在流域內(nèi)的空間分布，比如是在全流域均降10mm降雨，還是在三分之一的流域面積上降雨30mm。，在集總式模型中是不予區(qū)分的，而是把整個(gè)流域看成一個(gè)均勻一致的整體，降雨在全流域均勻產(chǎn)流。最早的集總式模型是Linslye和Crwaford建立的斯坦福流域模型(Stnafordwa

6、tershedModel)，從1959年提出來到1966年完成第IV號模型，一共用了38年的時(shí)間。薩克拉門托模型是在斯坦福(Stnaford)VI號模型的基礎(chǔ)上發(fā)展的，在濕潤地區(qū)和大洪水事件中，兩者算得的結(jié)果相差不多，而在干旱地區(qū)，薩克拉門托模型能給出更好的一些成果。這一時(shí)期還有一種模型稱為水箱模型，也稱坦克(tnak)模型，是日本防災(zāi)研究中心營原正已在1961年提出來的，后經(jīng)不斷改進(jìn)發(fā)展成為應(yīng)用較為廣泛的流域水文模型。模型將復(fù)雜的降水徑流過程簡單地概化為流域的蓄水與出流的關(guān)系進(jìn)行模擬，以水箱的蓄水深度、邊孔和底孔出流為控制，計(jì)算流域的產(chǎn)流、匯流及下滲過程。多年來，水文模擬都是建立在降雨與徑流

7、觀測資料分析的基礎(chǔ)上的，早期的集總式模型也只能根據(jù)長期觀測獲得的大量數(shù)據(jù)來確定每個(gè)流域的模型參數(shù)值。1979年，委內(nèi)瑞拉水文學(xué)者羅德里格斯一伊圖而貝與BJ瓦而德斯首次建立了地貌氣候瞬時(shí)單位線理論。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和GIS技術(shù)的發(fā)展，集總式模型的某些參數(shù)，特別是與地形地貌有關(guān)的河道匯流參數(shù)，在GIS技術(shù)的支持下通過DEM模型來確定，而不完全依賴于觀測數(shù)據(jù)。地貌單位線模型是在傳統(tǒng)的單位線模型基礎(chǔ)上發(fā)展的一個(gè)集總式模型。它認(rèn)為流域內(nèi)降雨與產(chǎn)流是均勻一致的，只是流域地形的差別影響流域匯流。在國內(nèi)，南京水文水資源研究所與浙江省水文局首先研究了該模型，Lee等人在GIS支持下運(yùn)用地貌單位線模型研究了

8、臺(tái)灣北部流域的徑流過程，畢華興等用該模型研究了山西省吉縣在蔡家川流域的匯流過程。1.1.1 新安江模型創(chuàng)始于60年代，是分散性模型，它把全流域分成多個(gè)單元流域，在每一個(gè)單元流域內(nèi)，降水經(jīng)過蒸散發(fā)的消耗后，以蓄滿產(chǎn)流的方式經(jīng)產(chǎn)流量水源劃分后對各單元流域進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，得出單元流域的出口流量過程；再進(jìn)行出口以下的河道洪水演算，把各個(gè)單元流域的出流過程相加，就求得了流域的總出流過程。模型主要適應(yīng)于濕潤與半濕潤地區(qū)，其主要特點(diǎn)是應(yīng)用了蓄滿產(chǎn)流與馬斯京根匯流概念，有分單元，分水源，分匯流階段的特點(diǎn)，并且結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)較少，各參數(shù)具有明確的物理意義，計(jì)算精度較高，在國內(nèi)外水文預(yù)報(bào)工作中有較好的應(yīng)用。新安江

9、模型主要包含四個(gè)計(jì)算模塊：（1）蒸散發(fā)計(jì)算模塊：蒸散發(fā)計(jì)算根據(jù)土壤蓄水特性分上層、下層和深層三層分別計(jì)算；（2）產(chǎn)流計(jì)算模塊：采用流域蓄滿產(chǎn)流原理計(jì)算流域產(chǎn)流量；（3）分水源計(jì)算模塊：采用自由水蓄水庫將產(chǎn)流量分為地表、壤中和地下三種水源；（4）匯流計(jì)算模塊：根據(jù)坡面和河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)特性的較大差異，將匯流分為坡面匯流和河網(wǎng)匯流兩種分別計(jì)算。 新安江模型計(jì)算流程框圖如圖1.1所示，實(shí)際觀測降雨量P和實(shí)測水面蒸發(fā)量EM作為模型的輸入，輸出為流域出口斷面流量過程Q以及流域蒸發(fā)量E。其模型流程圖如圖1.1所示：圖1.1 新安江三水源水文模型流程圖1.1.2水箱模型水箱模型又稱坦克(Tank)模型，也稱黑箱

10、模型。水箱模型是通過降雨過程計(jì)算徑流過程的一種降雨徑流模型。該模型最早由日本菅原正巳博士在40年代提出，主要發(fā)展時(shí)期是19511958年，60年代已應(yīng)用于日本各河流。19711974年，主要是70年代初，水箱模型又進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，這是由于1969年世界氣象組織對11種模型進(jìn)行了檢驗(yàn)，肯定了水箱模型，從而推動(dòng)了它的發(fā)展。通常由降雨推求流量過程線是采用單位線法。為了尋求一種非線性的新概念方法，菅原正巳采用了串聯(lián)調(diào)蓄模型，后來稱為坦克模型，即水箱模型。4050年代初，大量數(shù)據(jù)采用手搖機(jī)械計(jì)算機(jī)處理。7080年代，計(jì)算機(jī)有了很大發(fā)展，應(yīng)用水箱模型計(jì)算一個(gè)流域的流量過程已十分方便，研究和應(yīng)用水箱

11、模型的人越來越多。8090年代初，甘肅省水文水資源勘測局選定省內(nèi)部分小流域(有降水資料的)進(jìn)行研究和調(diào)試，取得了初步成果和經(jīng)驗(yàn)。其基本原理為：水箱模型是一種科學(xué)實(shí)用的水文模型，已在全世界廣泛應(yīng)用。主要用于水文預(yù)報(bào)、水文水資源計(jì)算、徑流資料插補(bǔ)和水文測驗(yàn)檢驗(yàn)等。將一個(gè)流域視為一個(gè)水箱，經(jīng)過調(diào)蓄把降雨過程轉(zhuǎn)化為出口斷面的徑流過程，其間有一個(gè)復(fù)雜的物理過程。我們可以忽略這個(gè)物理過程，采用人工調(diào)節(jié)出孔大小和高度參數(shù)，模擬與實(shí)際流量過程近似的過程，這個(gè)過程就是水箱模型的參數(shù)率定。水箱模型按流域特點(diǎn)可以設(shè)計(jì)為:單水箱模型、串聯(lián)水箱模型、并聯(lián)水箱模型、串并混合水箱模型、溢流型水箱模型、調(diào)蓄型水箱模型和分箱型

12、水箱模型等。按流域特性，有洪水模型、濕潤地區(qū)模型、干旱半干旱模型、融雪模型和冰川模型等。如果對水箱模型的各水箱做線性近似，則第一個(gè)水箱的半衰期為13 d；第二個(gè)水箱約為7 d；第三個(gè)水箱為23個(gè)月；第四個(gè)水箱為6個(gè)月左右。從上至下這4層水箱的出流，分別與地面徑流、壤中流、準(zhǔn)基流和基流接近，符合一個(gè)流域的產(chǎn)流、匯流物理過程。說明水箱模型是一種科學(xué)實(shí)用的降雨徑流模型。串聯(lián)水箱結(jié)構(gòu)模型與并聯(lián)水箱結(jié)構(gòu)圖分別見圖1.2和圖1.3。圖1.2 串聯(lián)水箱模型結(jié)構(gòu)圖圖1.3并聯(lián)水箱結(jié)構(gòu)圖1.1.3薩克拉門托模型 薩克拉門托模型是在20世紀(jì)70年代初由美國加利福尼亞州薩克拉門托河流預(yù)報(bào)中心研制的一個(gè)概念性的集總參

13、數(shù)模型。 此模型在美國水文預(yù)報(bào)中應(yīng)用廣泛$也是國內(nèi)引進(jìn)的水文模型中人們較為熟悉的模型之一。SAC模型以土壤水分的貯存 、滲透 、運(yùn)移和蒸散發(fā)特性為基礎(chǔ)，用一系列具有一定物理概念的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述徑流形成的各個(gè)過程，模型中的每一個(gè)變量代表水文循環(huán)中的一個(gè)相對獨(dú)立的層次和特性，模型參數(shù)則是根據(jù)流域特性、降雨量和流量資料推求的。薩克水文模型把流域面積設(shè)計(jì)為不透水和透水面積兩部分，不透水面積部分又分為不變和可變兩種，可變不透水面積以其貯積水量對全部張力水容量之比來反映它的可變性；透水面積部分，其土壤分為上下兩層，每一層都有兩種形式的貯積水，即“張力水”和“自由水”。張力水是緊密包圍土壤顆粒的水，而自由

14、水是因重力而能運(yùn)動(dòng)的水。對于任何一層，張力水容量相當(dāng)于該層的田間持水量，自由水容量是界于該層飽和水容量和田間持水量之間的那部分水容量；張力水只供蒸散發(fā)，自由水在不同的條件下，消耗于垂直方向的滲透和水平方向的側(cè)向流，并當(dāng)兩種水分平衡失調(diào)時(shí)，部分自由水轉(zhuǎn)變?yōu)閺埩λ怨┱羯l(fā)。兩層之間用一個(gè)下滲方程聯(lián)結(jié)起來。對于透水面積上層土壤來說，水分首先滿足張力水容量，剩余水分才作為自由水蓄積，而下層土壤，模型則考慮土壤分布不均勻性，用一個(gè)常系數(shù)(PF-REE)將滲透水量(PERC)的一部分(PERC帶PFREE)分配給自由水，另一部分來(l-PFREE)供給張力水，當(dāng)張力水容量滿足后，所有滲透水補(bǔ)給自由水。薩

15、克模型中，土壤蒸發(fā)、產(chǎn)流按統(tǒng)一分層來考慮，即兩層模式，模式中各個(gè)貯水單元，包括河道水面在內(nèi)，都考慮蒸發(fā)損失，土壤蒸發(fā)與蒸發(fā)能力、土壤含水量成正比。薩克模型認(rèn)為河道徑流由四種水源組成，即不透水面積上的直接徑流，透水面積上的地表流、壤中流和基流(包括快速、慢速地下水)。直接徑流是不透水面積上的降雨所致，上層土壤水容量全部滿足后的過剩降雨作為地表流進(jìn)入河道，壤中流源于上層自由水，基流則源于下層自由水，其產(chǎn)流量均正比于相應(yīng)的自由水蓄量，即壤中流=UZK*UZFWC，快速基流=LZSK*LZFSC；慢速基流=LZ-PK*LZFPC。薩克模型使用短的時(shí)間步長分段計(jì)算，以此來模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，分段數(shù)

16、倚上層自由水量而變，以不超過5毫米控制步長。薩克拉門托模型結(jié)構(gòu)圖如圖1.4。圖1.4薩克拉門托模型結(jié)構(gòu)示意圖1.2 分布式水文模型以反映流域內(nèi)水文過程的時(shí)空變化，所以可以預(yù)測流域內(nèi)自然和人為因素的局部變化可能對流域水文過程的影響。80年代以來，地理要素的空間異質(zhì)性對水文過程的影響逐漸得到重視，并開展了以此為基礎(chǔ)的分布式水文模型的研究。分布式水文模型是根據(jù)物質(zhì)和能量守恒定律，基于地理要素的概念模型。它認(rèn)為植被、土壤、地貌等地理要素綜合影響流域的水文過程。模型把流域分成一系列的單元，每個(gè)單元內(nèi)部各地理要素是相對一致的，單元之間有水分的流動(dòng)和交換，根據(jù)各種地理要素對水文過程的影響機(jī)制，把地理要素作為

17、模型的參數(shù)，建立外部因素與水文過程的數(shù)量關(guān)系。與集總式模型相比，由于分布式水文模型充分考慮了各地理因素的空間差異性，可以反映流域內(nèi)水文過程的時(shí)空變化，所以可以預(yù)測流域內(nèi)自然和人為因素的局部變化可能對流域水文過程的影響。80年代以來，地理要素的空間異質(zhì)性對水文過程的影響逐漸得到重視，并開展了以此為基礎(chǔ)的分布式水文模型的研究。1.2.1氣候變化研究與分布式水文模型水文循環(huán)作為氣候系統(tǒng)的重要組成部分，全球正經(jīng)歷的以變暖為主要特征的氣候變化必然會(huì)導(dǎo)致水資源量的時(shí)空分布改變，為了給未來水資源規(guī)劃設(shè)計(jì)、開發(fā)利用和運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)，氣候變化對流域水文與水資源的影響成為當(dāng)前水文學(xué)研究的重大問題之一。氣候變

18、化對水文水資源影響的研究基本上遵從“未來氣候情景設(shè)計(jì)-水文模型-影響評估”的模式，未來氣候情景設(shè)計(jì)和水文模型的建立是研究氣候變化對水文水資源影響的關(guān)鍵問題。當(dāng)前，廣泛使用的是將大氣環(huán)流模型）與陸面流域水文模型進(jìn)行耦合研究，即陸氣耦合。國內(nèi)外用于氣候影響評價(jià)的分布式水文模型不僅有傳統(tǒng)的降雨徑流模型，如SWAT、DHSVM等，而且還有專門開發(fā)的月水量平衡模型、陸面過程模型等，如VIC、TOPX、AVIM（Atmosphere Vegetation Interaction Model）等。GCM隱含著更多確定性氣候變化信息，而分布式水文模型因有其能夠反映下墊面的不均勻性的優(yōu)點(diǎn)，因而陸氣耦合的模式被認(rèn)

19、為是最有效和最有潛力的方法。近年來，國內(nèi)外用陸氣耦合方式開展了大量的氣候變化對水文循環(huán)影響的評估研究，并取得了許多重大的成果和進(jìn)展，但是也還有很多問題值得研究，主要問題有：（1）陸面水文過程與氣候模型之間雙向耦合的問題。由于缺乏對大尺度水文物理過程和大氣系統(tǒng)內(nèi)部變化的深刻認(rèn)識(shí)，長期以來陸地水文循環(huán)和氣候系統(tǒng)被看作為彼此獨(dú)立的、靜態(tài)的過程，水文模型由未來情景的氣溫、降水、風(fēng)速等氣象因素單向驅(qū)動(dòng)，大氣模式中僅設(shè)置若干參數(shù)代替水文過程變化和空間分布，強(qiáng)調(diào)網(wǎng)格單元垂向水分輸移，不考慮水流的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。然而，氣候變化必將引起流域生態(tài)水文的改變，這種改變也將影響區(qū)域的水熱平衡，如何模擬或表達(dá)流域?qū)ψ兓h(huán)境的

20、響應(yīng)是分布式水文模型亟待解決的問題。（2）尺度匹配問題。分布式水文模型不僅面臨著自身時(shí)空尺度問題的挑戰(zhàn)，而且還要處理與GCMs尺度的銜接問題。GCMs模擬的網(wǎng)格尺度一般不能很好反映區(qū)域尺度范圍上水文氣象要素的空間不均勻性，必須進(jìn)行降尺度處理，而對于不同的分布式水文模型來說，在不同尺度下模擬能力也有區(qū)別，如何減小陸氣耦合模式下兩者尺度導(dǎo)致的模擬誤差也是分布式模型需要考慮的問題。（3）不確定性問題。雖然GCMs情景包含了更多的未來氣候變化信息，但是基于假定的大氣環(huán)流模式建立的GCMs情景自身就有著很大的不確定性。在氣候變化水文影響評價(jià)中，對于分布式水文模型來說不僅要克服數(shù)據(jù)、模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)率定的不

21、確定性問題，而且還要減小模擬流域生態(tài)水文對變化環(huán)境響應(yīng)的不確定性。（4）大尺度分布式水文模型研究。陸氣耦合中的水文模型有結(jié)構(gòu)簡單、概念明確、移植性強(qiáng)和模擬效率高等特點(diǎn)，并能夠適應(yīng)于模擬大尺度水文過程以及陸面過程對氣候系統(tǒng)的反饋等，而這類模型研究不足，需要加強(qiáng)大尺度水文過程規(guī)律、參數(shù)化、水文過程與氣候系統(tǒng)的耦合、模型可移植性以及大尺度分布式水文模型運(yùn)算效率相關(guān)的結(jié)構(gòu)及控制問題。1.2.2土地利用/覆被變化水文響應(yīng)與分布式水文模型水文循環(huán)作為聯(lián)結(jié)地球上各圈層的重要紐帶，土地利用/覆被變化（Land-Use/Cover Change，LUCC）對不同時(shí)間和空間尺度的水文循環(huán)都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。土地覆

22、被變化直接引起近地表的蒸散發(fā)、截留、填洼、下滲等因素的改變而導(dǎo)致產(chǎn)匯流的變化，如：產(chǎn)流過程中截留、下滲和土壤蓄水能力的變化；匯流過程中地表糙率、地表蓄水量、河道匯水路徑等因素及其反饋?zhàn)饔玫?。此外，LUCC對產(chǎn)匯流的改變也將引起流域水量、產(chǎn)輸沙、水質(zhì)、洪水過程等發(fā)生改變。目前，LUCC及其影響研究是IGBP研究的核心科學(xué)問題之一，研究LUCC對水文循環(huán)的影響，對于揭示區(qū)域及全球尺度水文循環(huán)規(guī)律、相互影響機(jī)理、生態(tài)安全格局等有十分重要的意義，也是水文學(xué)研究的重要問題，建立能夠靈活模擬變化條件下的LUCC水文影響評估模型是一項(xiàng)重要研究任務(wù)。LUCC對水文影響評價(jià)可以通過實(shí)驗(yàn)流域、流域水文模擬等不同方

23、式，由于實(shí)驗(yàn)流域研究方法需要詳細(xì)的長系列觀測資料且成本很高，采取流域水文模型模擬的方式有著物理基礎(chǔ)明確、易于控制等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用，特別是與GIS和遙感結(jié)合的分布式水文模型。最早嘗試用水文模型來評估LUCC水文影響的是Onstad & Jamieson在1970年開展的，到目前為止，有許多水文模型都曾用于影響評估研究，包括集總式模型，如HSPF、HBV、SCS、L-THIA（Long-Term Hydrologic Impacts Assessment of land use changes）等；半分布式/分布式水文模型，如PRMS（Precipitation Runoff Model

24、ing System）、TOPMODEL、LISFLOOD、SHETRAN和CLASSIC等。分布式水文模型分布式的參數(shù)和輸出結(jié)果更容易與遙感和GIS結(jié)合，能夠靈活地設(shè)置土地利用變化情景，模擬不同土地利用變化情景下的水文響應(yīng)，因此，分布式水文模型則成為研究LUCC水文響應(yīng)的重要工具。如何更好地開展LUCC變化條件下的分布式水文模擬不是模型結(jié)構(gòu)合理就能夠解決的問題，需要從水文循環(huán)理論上提高模型模擬流域?qū)ν恋乩?覆被變化響應(yīng)的能力。LUCC研究中，首先要求分布式水文模型能夠與GIS技術(shù)和遙感數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，這樣能夠很好地從遙感數(shù)據(jù)獲取和分析LUCC數(shù)據(jù)，并且能夠表達(dá)土地利用的時(shí)空差異特征及其對水文

25、過程的影響；其次是能夠模擬土地覆被變化條件下的水文過程變化，模型參數(shù)能夠反映土地覆被變化的時(shí)空變化特征。1.2.3缺資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)與分布式水文模型目前，許多國家和地區(qū)的流域水文站網(wǎng)分布密度及其觀測數(shù)據(jù)不足，一些基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)由于各種自然因素或人為因素的限制而無法獲得；而在人類活動(dòng)強(qiáng)度較大的地區(qū)，基于歷史積累資料的模擬和預(yù)測不能夠反映人類活動(dòng)的影響，不能夠?yàn)樗Y源管理和預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)而形成了新的缺資料地區(qū)，給水資源的科學(xué)管理帶來很大的困難。面對這樣的困境，國際水文科學(xué)協(xié)會(huì)（IAHS）在21世紀(jì)啟動(dòng)的第一個(gè)研究計(jì)劃（20032012年）就是缺資料地區(qū)的水文預(yù)報(bào)（PUB）。PUB計(jì)劃以減小水文與水

26、資源預(yù)測預(yù)報(bào)中的不確定性為核心，旨在探索水文模擬的新方法，改進(jìn)徑流、泥沙和水質(zhì)等預(yù)報(bào)精度，從傳統(tǒng)的基于觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定向機(jī)理探究的方向轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)水文理論的重大突破，以滿足各國國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展的需要，特別是發(fā)展中國家。PUB計(jì)劃有兩大目標(biāo)，一是檢驗(yàn)和完善現(xiàn)有模型或方法以提高其在缺資料地區(qū)的適應(yīng)性并減小其預(yù)報(bào)的不確定性；二是開發(fā)新一代能夠模擬不同時(shí)空尺度水文及其相關(guān)的生物、化學(xué)等過程的模型或方法，并減小其不確定性。PUB問題的出路在于充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和遙感手段獲取流域特征參數(shù)，基于水文物理過程，運(yùn)用系統(tǒng)論、信息論和控制論等現(xiàn)代科學(xué)方法，綜合空間技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，揭示地表水文及其相關(guān)過程

27、的動(dòng)力學(xué)機(jī)制與時(shí)空分布特征，最終達(dá)到基于物理過程的流域水文情勢數(shù)值模。因此，發(fā)展新一代的分布式水文模型是解決PUB問題的可行途徑之一。適用于缺資料地區(qū)的分布式水文模型需要能夠充分利用水文氣象遙測數(shù)據(jù)，如雷達(dá)測雨數(shù)據(jù)、DEM、土地覆被、遙感數(shù)據(jù)等，并能夠?qū)a(chǎn)匯流模型與植物生長模型、營養(yǎng)物質(zhì)遷移模型等地表水文、生物、化學(xué)過程模型耦合起來模擬地表水文過程，而且模型概念明確、易于控制、便于設(shè)置情景，從而能夠方便地利用缺資料地區(qū)的數(shù)據(jù)同化資料率定模型。1.2.4水資源管理與分布式水文模型在水資源開發(fā)利用程度不斷提高而水危機(jī)影響不斷加劇的今天，水文模型為流域水資源管理和決策提供了重要依據(jù)，已經(jīng)在流域水資源

28、綜合管理中的數(shù)字流域研究、非點(diǎn)源污染模擬、農(nóng)業(yè)灌溉和城市取用水研究、地表水與地下水評價(jià)與計(jì)算、洪水預(yù)警預(yù)報(bào)、水土保持等領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用。水資源管理研究涉及內(nèi)容廣泛，需要水文模型做支撐的可以小到單株植物水分調(diào)節(jié)模擬模型，大到研究氣候變化的全球水文循環(huán)模型，而中尺度分布式流域水文模型在水資源管理研究中應(yīng)用最廣泛。本文僅對水資源管理中非點(diǎn)源污染模擬和灌溉水文模擬中分布式水文模型的應(yīng)用著重討論。非點(diǎn)源污染模擬與水文模型是密不可分的，非點(diǎn)源模擬模型建立在水文模塊的基礎(chǔ)上，集成了氣候、泥沙、營養(yǎng)物模塊而具有非點(diǎn)源污染模擬能力。從20世紀(jì)5060年代開始研究農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染以來，非點(diǎn)源污染模擬模型的發(fā)展有兩

29、大顯著特征：一是從簡單的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析向復(fù)雜的機(jī)理模型發(fā)展；二是從長期平均負(fù)荷輸出或單場暴雨分析向連續(xù)的時(shí)間序列響應(yīng)分析發(fā)展。近十幾年來，分布式水文模型逐漸成為非點(diǎn)源污染模擬的重要工具和平臺(tái)，其中有場次模擬ANSWERS（ArealNonpoint Source Watershed Environment Response Simulation）、AGNPS（Agricultural NonPoint Source）等；連續(xù)模擬的HSPF、SWAT、WEPP（Water Erosion Prediction Project）、BASINS（Better Assessment Science In

30、tegrating point and Nonpoint Sources）等。然而，仍然有很多值得深入研究的問題，用于模擬非點(diǎn)源污染過程的分布式水文模型首先要能夠真實(shí)地模擬離散空間單元上的徑流成分；其次要能夠很好地將泥沙、營養(yǎng)物輸移耦合到水文過程中，流域離散方式、地表徑流、地下徑流、匯流等環(huán)節(jié)水文過程的模擬方式與土壤侵蝕、非點(diǎn)源污染過程模擬密切相關(guān)；最后，能夠有效地利用RS數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)提取和識(shí)別流域特征參數(shù)，及與水文、泥沙和營養(yǎng)物質(zhì)輸移相關(guān)的過程參數(shù)。灌區(qū)模擬問題是流域水資源管理中最常見的問題之一，不僅難以用傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，而且田間尺度試驗(yàn)的數(shù)據(jù)也難以反映灌區(qū)內(nèi)連續(xù)尺度間水分循環(huán)轉(zhuǎn)

31、換關(guān)系，而考慮時(shí)空變異的分布式水文模型能夠處理這一問題。針對不同研究目的、尺度的分布式水文模型已經(jīng)在灌區(qū)有較多應(yīng)用，但是還存在較多問題：（1）對灌區(qū)水文循環(huán)過程考慮不夠細(xì)致。灌區(qū)有其特殊的地表水、土壤水和地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及水庫、塘堰、灌排系統(tǒng)等水體的水量交換問題，而當(dāng)前絕大多數(shù)分布式水文模型對灌區(qū)的水分循環(huán)過程考慮較粗。（2）對灌區(qū)離散化處理不合理。分布式水文模型是基于DEM對流域進(jìn)行離散得到河網(wǎng)、子流域、水文計(jì)算單元，這種流域離散方式不能夠很好地反映灌溉渠系、排水溝網(wǎng)對水文過程的影響。（3）難以結(jié)合水資源管理進(jìn)行分析評價(jià)。當(dāng)前大多數(shù)模型中灌溉措施、灌溉方式設(shè)置較為簡單，對水文過程模擬見長，

32、較少考慮不同灌溉措施或水資源管理措施帶來的經(jīng)濟(jì)或社會(huì)效應(yīng)，如灌溉對作物產(chǎn)量的影響、水資源管理措施的經(jīng)濟(jì)分析等。考慮灌區(qū)的分布式水文模型要在降水和灌溉取水-產(chǎn)匯流模擬為核心的基礎(chǔ)上，模擬不同灌溉方式和灌溉制度下灌區(qū)的水文過程，能夠?qū)⒐鄥^(qū)水文循環(huán)拓展到水文-農(nóng)業(yè)-經(jīng)濟(jì)耦合研究范圍以指導(dǎo)節(jié)水灌溉或管理。此外，水電站或水庫、農(nóng)業(yè)灌溉引水、城市取用水等水資源管理措施對河道水量過程影響非常敏感，不僅增加了水資源管理的復(fù)雜性，而且給水文模擬帶來了很大的不確定性。目前大多數(shù)分布式水文模型對這些影響的模擬無能為力，如何有效地模擬這些水資源管理措施對水文過程的影響是分布式水文模型亟待加強(qiáng)的環(huán)節(jié)。2水文模型發(fā)展趨勢

33、及挑戰(zhàn)分布式水文模型之所以能成為近年來具有吸引力的水文學(xué)研究熱點(diǎn)之一，一是因?yàn)镚IS技術(shù)的不斷完善，使得描述下墊面因子復(fù)雜的空間分布有了強(qiáng)有力的工具；二是因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析理論的進(jìn)一步發(fā)展，為用數(shù)值方法求解描述復(fù)雜的流域產(chǎn)匯流過程的偏微分方程組奠定了基礎(chǔ)；三是因?yàn)槔走_(dá)測雨技術(shù)和衛(wèi)星云圖技術(shù)的進(jìn)步，為提供降雨量實(shí)時(shí)空間分布創(chuàng)造了條件。在自然界中，影響降雨徑流形成的氣候因子和下墊面因子在時(shí)空分布上都是不均勻的，但多年來，水文學(xué)家一直將流域作為一個(gè)整體來進(jìn)行研究，從而忽視了氣候因子和下墊面條件時(shí)空分布不均的事實(shí)。根據(jù)這種觀點(diǎn)建立起來的集總式概念性水文模型一般只能用于模擬氣候和下墊面因子空間分布

34、均勻的虛擬狀態(tài)，只能給出時(shí)空分布均化后的模擬結(jié)果。只有分布式水文模型才能真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)世界降雨徑流形成的物理過程，并客觀反映氣候和下墊面因子時(shí)空分布不均對流域降雨徑流形成過程的影響。雖然分布式水文模型早在20世紀(jì)60年代就已出現(xiàn)萌芽，但其廣泛的研究與應(yīng)用，只有在計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、遙感技術(shù)、雷達(dá)測雨技術(shù)和水文理論有了進(jìn)一步發(fā)展的今天，分布式水文模型才會(huì)成為21世紀(jì)水文學(xué)研究的熱點(diǎn)課題之一。分布式水文模型，尤其是具有物理機(jī)制的分布式水文模型，由于它們明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的集總式概念性水文模型，能為真實(shí)地描述和科學(xué)地揭示現(xiàn)實(shí)世界的降雨徑流形成機(jī)理提供有力工具，因此，是一種具有廣闊發(fā)展前景的新一代水

35、文模型。地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感(RS)技術(shù)在水文學(xué)研究中的應(yīng)用給水文模型的開發(fā)帶來了良好的機(jī)遇。就目前的研究工作來看，水文模型和GIS的集成，有的是“相互獨(dú)立”形式的集成，有的是松散或相對緊密型的集成，還都不是完全意義上的耦合。RS技術(shù)對于水文模型能夠提供流域空間特征信息，是描述流域水文變異性的最為可行的方法，尤其是在地面觀測缺乏地區(qū)。但由于遙感資料還沒有完全融入水文模型的結(jié)構(gòu)中，直接應(yīng)用還有很大的困難，又缺乏普遍可用的從遙感數(shù)據(jù)中提取水文變量的方法，使得遙感技術(shù)在水文模型中的應(yīng)用水平還比較低。因此，加強(qiáng)遙感技術(shù)與水文模型的集成和從遙感數(shù)據(jù)中提取水文數(shù)據(jù)的方法研究，將是未來相當(dāng)長一段時(shí)間

36、內(nèi)水文模型發(fā)展的方向和重要研究領(lǐng)域。2.1地理信息系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用地理信息系統(tǒng)是一種在計(jì)算機(jī)硬件和軟件支持下，基于系統(tǒng)工程和信息科學(xué)理論，進(jìn)行管理和綜合分析具有空間分布性質(zhì)的地理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。與流域產(chǎn)匯流有關(guān)的地理數(shù)據(jù)主要有地面高程和反映土壤、植被、地質(zhì)、水文地質(zhì)特性的參數(shù)等，其中以數(shù)字高程模型(DEM)最為有用，因?yàn)镈EM不僅表達(dá)了地面高程的空間分布，而且據(jù)此可以自動(dòng)生成流域水系和分水線、自動(dòng)提取地形坡度和其他地貌參數(shù)，將DEM與表達(dá)土壤、植被、地質(zhì)、水文地質(zhì)特性參數(shù)的空間分布疊加在一起，還可以描述這些下墊面參數(shù)與地面高程之間的關(guān)系。地理信息系統(tǒng)是用數(shù)字化方法描述具有復(fù)雜空間變化的水文過程的必要

37、技術(shù)支撐。加強(qiáng)水文學(xué)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合，不斷開發(fā)地理信息系統(tǒng)技術(shù)在水文學(xué)理論與應(yīng)用中的領(lǐng)域，是水文學(xué)家的一項(xiàng)重要任務(wù)。地理信息系統(tǒng)技術(shù)是快速、自動(dòng)、合理劃分子流域的強(qiáng)有力工具?，F(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)軟件已能自動(dòng)生成規(guī)則矩形網(wǎng)格和不規(guī)則三角形網(wǎng)格，根據(jù)網(wǎng)格型數(shù)字高程模型可以自動(dòng)生成流域水系和分水線，自動(dòng)按分水線劃分子流域，并能自動(dòng)提取每個(gè)子流域的地形地貌特征值，還能自動(dòng)繪制泰森多邊形和等流時(shí)線等。如果將所劃分的子流域分布圖與土壤、植被、地質(zhì)、水文地質(zhì)和土地利用圖疊加，還可以提取各子流域或子區(qū)域的土壤、植被、地質(zhì)、水文地質(zhì)和土地利用特征。現(xiàn)在，由地理信息系統(tǒng)構(gòu)建的數(shù)字化平臺(tái)已成為描寫水文現(xiàn)象時(shí)空

38、分布和探討降雨徑流形成機(jī)理新的研究手段。近年來，GIS技術(shù)在水文模型開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。借助GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)分析處理功能，水文模型的研究手段得到了根本性的轉(zhuǎn)變。GIS不僅可以管理空間數(shù)據(jù)，用于模型的輸入、輸出，而且還可以將水文模塊植入GIS系統(tǒng)，用戶只需要根據(jù)GIS開發(fā)的界面操作，不需要涉及水文模型本身。就目前的研究及應(yīng)用來看，GIS與水文模型的結(jié)合主要表現(xiàn)為3種方式，即GIS軟件中嵌入水文分析模塊、水文模型軟件中嵌入部分GIS工具(松散型結(jié)合)以及相互耦合嵌套的形式(緊密型結(jié)合)。分布式水文模型開發(fā)中，地形是十分關(guān)鍵的因素，GIS用于分布式水文模型，可以用來獲取、操作、顯示這些與模型

39、有關(guān)的空間數(shù)據(jù)和計(jì)算成果，使模型進(jìn)一步細(xì)化，從而深入認(rèn)識(shí)水文現(xiàn)象的物理本質(zhì)。通過GIS可以提取流域的基本特征，包括下墊面特征、水系、河網(wǎng)等，并可以依據(jù)河網(wǎng)等級對流域進(jìn)行任意子流域劃分或者進(jìn)行網(wǎng)格化劃分，不僅可以與傳統(tǒng)的概念性流域水文模型相結(jié)合，管理提供基本的數(shù)據(jù)信息，并實(shí)現(xiàn)輸入輸出功能，更重要的是為分布式水文模型研制提供了平臺(tái)。由GIS可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的可視化結(jié)合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并可以減少模型輸入時(shí)的數(shù)據(jù)誤差。2.2遙感技術(shù)的應(yīng)用遙感(RS)技術(shù)是20世紀(jì)60年代以后發(fā)展起來的新興邊緣學(xué)科，是一門先進(jìn)、實(shí)用的探測技術(shù)。在水循環(huán)領(lǐng)域，作為一種信息源，遙感技術(shù)可以提供土壤、植被、地質(zhì)、地貌、地形、土地

40、利用和水系水體等許多有關(guān)下墊面條件的信息，也可以獲取降雨的空間分布特征、估算區(qū)域蒸散發(fā)、監(jiān)測土壤水分等，這些信息是確定產(chǎn)匯流特性和模型參數(shù)所必需的。流域水文模擬的結(jié)果很大程度上依賴于輸入數(shù)據(jù)，只有獲得詳細(xì)的地形、地質(zhì)、土壤、植被和氣候資料，對大。 范圍流域氣候變化和土地利用產(chǎn)生的水文影響研究才有可能。通過遙感技術(shù)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測資料的不足，在無常規(guī)資料地區(qū)可能是唯一的數(shù)據(jù)源，大大豐富了水文模型的數(shù)據(jù)源。國外早期的研究主要是利用遙感資料提取流域地物信息、估算水文模型參數(shù)等，如進(jìn)行土壤分類、應(yīng)用一些經(jīng)驗(yàn)性的模型估算融雪徑流、估算損失參數(shù)等，后期主要集中在適應(yīng)于遙感信息的水文模型開發(fā)和研制。國內(nèi)也

41、有這方面的應(yīng)用嘗試，主要集中在運(yùn)用遙感資料獲取流域水文模型的輸入和率定有關(guān)參數(shù)方面。 確切地掌握降雨量的空間分布，是開發(fā)分布式水文模型的重要條件。傳統(tǒng)的定點(diǎn)測雨的雨量站一般難以給出復(fù)雜多變的降雨空間分布，測雨雷達(dá)則不同，它可以直接測得降雨的空間分布，提供流域或區(qū)域的面雨量，并具有實(shí)時(shí)跟蹤暴雨中心走向和暴雨空間變化的能力。盡管在當(dāng)前科學(xué)水平下，測雨雷達(dá)的精度還有待提高，但它仍然是測雨技術(shù)必然的發(fā)展方向之一。雷達(dá)測雨是遙感測雨技術(shù)中的一種，應(yīng)用衛(wèi)星遙感測雨技術(shù)也在研究之中。大力發(fā)展雷達(dá)和衛(wèi)星遙感測雨技術(shù)勢在必行，相信隨著雷達(dá)和衛(wèi)星遙感測雨技術(shù)的進(jìn)步，將會(huì)有力地推動(dòng)分布式水文模型的研究和應(yīng)用。2.3

42、問題與挑戰(zhàn)水文尺度問題自20世紀(jì)90年代初被正式提出來以后，在水文科學(xué)中一直受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和重視。水文科學(xué)的理論研究與實(shí)踐證明，不同時(shí)間和空間尺度的水文系統(tǒng)規(guī)律通常有很大的差異。不同尺度的水文循環(huán)機(jī)理是不相同的，水文模型的結(jié)構(gòu)也就不盡相同，如何考慮流域水文過程的時(shí)空不均勻性和變異性是尺度問題的關(guān)鍵，影響這種不均勻性和變異性的主要因素有流域地形、植被覆蓋、土壤及降雨、蒸發(fā)等氣候因素，而采用新技術(shù)如GIS、RS，獲取更多的信息源是水文模型發(fā)展的一個(gè)趨勢。由于尺度問題的存在，就涉及到這些信息源的時(shí)空分辨率問題。因此，對尺度問題的研究可以確定采集信息源的分辨率，如DEM的空間分辨率、遙感數(shù)據(jù)

43、源的時(shí)空分辨率等，而分辨率的不同直接影響著水文模型的模擬精度。不同的尺度對數(shù)據(jù)源的時(shí)空分辨率有不同的要求，但就具體的一般流域尺度而言，如果流域的時(shí)空不均勻性和變異性大，對反映這些特性的信息源的精度就有更高的要求，這里又同時(shí)涉及到計(jì)算機(jī)的處理能力問題。由于水文變量時(shí)空分布的不均勻性和水文過程轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性，水文尺度問題和不同尺度之間水文信息轉(zhuǎn)換的研究還遠(yuǎn)沒有取得成熟可靠的結(jié)果，尺度問題還遠(yuǎn)未得到解決。因此，在分布式水文模型開發(fā)中，無論是從宏觀綜合還是微觀研究，尺度問題始終是關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。由于沒有足夠的輸入數(shù)據(jù)，限制了分布式水文模型模擬的精度。水文循環(huán)過程的高度非線性和復(fù)雜性，及其與時(shí)空尺度的高

44、度相關(guān)性，使得不論是普適的還是特殊目的的分布式水文模型都需要大量的觀測數(shù)據(jù)或水文過程參數(shù)，不僅包括降水、氣溫、DEM、地質(zhì)、土壤、植被等大量的自然環(huán)境要素和數(shù)據(jù)，而且還有復(fù)雜的地下水、水庫調(diào)節(jié)和運(yùn)用、農(nóng)業(yè)灌溉、污染物排放等人類活動(dòng)對徑流影響的數(shù)據(jù)。雖然已經(jīng)積累了大量的站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，但是與分布式水文模型尺度相匹配的觀測數(shù)據(jù)尚難以滿足模型開發(fā)的需求，而且隨著人類活動(dòng)對自然水文循環(huán)的影響不斷加深，使得有觀測資料地區(qū)又發(fā)展成為了新的缺資料或無資料地區(qū)。因此，如何解決建模過程中數(shù)據(jù)需求問題和多源數(shù)據(jù)的同化與利用問題成為水文模型研究的難點(diǎn)之一，主要體現(xiàn)在空間屬性數(shù)據(jù)的尺度問題、與人類活動(dòng)相關(guān)的數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)同化問題。另一方面，大氣環(huán)流模型的不斷開發(fā)，為水文模型提供了可選擇的數(shù)據(jù)源。水文模型和大氣模式中模擬的資料互相應(yīng)用，可