分布式水文模型及3S技術(shù)簡介

3分布式水文模型不同的集總式流域水文模型雖然各自具有不同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，但最基本的特征是將流域作為一個單元體模擬，在產(chǎn)匯流等環(huán)節(jié)上采用概念性模擬或經(jīng)驗函數(shù)關(guān)系的描述，對模型輸入的空間分散性和不均勻性沒有充分考慮。

傳統(tǒng)的流域水文模型大多數(shù)是集總式流域水文模型。

集總式流域水文模型一般都不具備從機(jī)制上考慮降雨和下墊面條件空間分布不均對流域徑流形成影響的功能，使其在模擬流域降雨徑流過程中必然存在一定的局限性。近年來，伴隨著水文理論的發(fā)展和高新技術(shù)在水文學(xué)科領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為分布式流域水文模型的研制和應(yīng)用提供了重要的理論和技術(shù)支撐，使分布式流域水文模型的研制和應(yīng)用取得了令人鼓舞的進(jìn)展，分布式流域水文模型已成為當(dāng)今水文水資源科學(xué)領(lǐng)域中研究的熱點之一。

1986年由丹麥水力學(xué)研究所、英國水文研究所和法國SOGREAH合作開發(fā)的SHE(SystemeHydrologiqueEuropeen）模型是第一個真正意義上或者說最具有代表性的分布式水文物理模型；

模型考慮了蒸散發(fā)、植物截留、坡面和河網(wǎng)匯流、土壤非飽和流和飽和流、融雪徑流、地表和地下水交換等水文過程。

模型的參數(shù)從觀測資料中分析得到。流域特性，降水和流域響應(yīng)的空間分布信息在垂直方向用層來表示，水平方向采用正交的長方形網(wǎng)格來表示。至今，國內(nèi)外的水文學(xué)家們相繼提出了一系列的分布式水文模型，SHE模型就有不同的版本，如MIKESHE、SHETRAN等，較為常見的還有TOPKAPI、DHSVM。1979年，Beven提出的TOPMODEL是目前最具代表性的半分布式物理水文模型。TOPMODEL物理概念示意圖

地貌指數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：lnα/tanβ

，亦稱為“地形指數(shù)”，

為單寬集水面積，即指排向第

點的單寬匯水面積，

為該點處坡角的正切函數(shù)，也即地表坡度

，地表坡度即表示單位距離上的勢能變化，顯然對于坡面流而言，地表坡度是其最主要的作用力，表示該點的排水狀況，

是一個綜合表達(dá)式。分布式水文模型的應(yīng)用（1）水資源評價（2）節(jié)水灌溉（3）土壤侵蝕（4）地表水污染（5）地下水污染（6）洪水實時預(yù)報（7）土地利用變化（8）生態(tài)（9）氣候變化影響（10）人類活動影響。分布式模型的構(gòu)成從水平方向?qū)⒘饔騽澐殖梢幌盗械膯卧獑卧豢醋魇且粋€有物理意義的流域單元流域有自己的物理特性數(shù)據(jù)：DEM、植被類型、土壤類型和降雨量單元分成邊坡單元、河道單元和水庫單元三種適當(dāng)分辨率的DEM對整個流域進(jìn)行劃分從垂直方向?qū)卧殖扇龑又脖桓采w層（CanopyLayer）：地表面至樹葉頂部的空間區(qū)域。假定蒸散發(fā)只發(fā)生在植被覆蓋層，各單元流域的蒸散發(fā)量之間沒有相互影響地表層（SoilLayer）：地表面往地下若干深度的淺表土壤層，具有調(diào)蓄水能力地下層（UndergroundLayer）：地表層以下的含水層對地下層不進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個流域的地下層看作一個整體徑流模擬模塊：（1）截留/蒸發(fā)；（2）坡面流和河道流；（3）不飽和帶；（4）飽和帶；（5）融雪；（6）含水層和河道的水流交換。模型理論分布式流域水文模型一般是在揭示流域產(chǎn)匯流物理機(jī)制的基礎(chǔ)上，通過有關(guān)的物理定律如質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律，演繹并推導(dǎo)出描述產(chǎn)匯流過程微分方程組，一般為一常微分方程組或偏微分方程組。分布式模型的技術(shù)支撐目前人們把數(shù)字高程模型資料，作為地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的基本信息來源。常用的ARC/IofoGRID可提供基本的地形分析算法，另外還可生成一些反映流域水文特性的地貌參數(shù)。

遙感觀測資料：同步衛(wèi)星、軌道衛(wèi)星、MODIS等。（1）建立分布式水文模型的平臺——地理信息系統(tǒng)；（2）獲得大范圍空間信息和資料的方法—衛(wèi)星遙感；（3）計算機(jī)與計算技術(shù)；分布式水文模型的技術(shù)支撐（1）地理信息系統(tǒng)（GIS)技術(shù)

GIS是一種融合現(xiàn)代計算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)為一體，對現(xiàn)實世界各類空間數(shù)據(jù)及描述這些空間數(shù)據(jù)的屬性進(jìn)行采集、儲存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。基本的信息源——

GIS技術(shù)使人們有了強(qiáng)有力的工具去描述流域下墊面因子復(fù)雜的空間分布。GIS能夠處理不同源的數(shù)據(jù)：地圖、航空照片，衛(wèi)星影像和研究區(qū)的檢測與實測數(shù)據(jù)，其在水文模型中一下幾方面能發(fā)揮重要作用：（1）管理空間數(shù)據(jù)；（2）由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層生成新數(shù)據(jù)層；（3）為模型參數(shù)的自動獲取提供可能；（4）為水文建模提供方便；（5）GIS有利于分析計算的過程及結(jié)果可視化表達(dá)。水系和流域生成流程框圖（a）8個可能的水流流向；（b）高程格網(wǎng)（數(shù)據(jù)為格網(wǎng)中心位置的高程）（c）按最大可能的水流流向；（d）生成的水系（數(shù)字為匯入的格網(wǎng)數(shù)目）（2）空間技術(shù)與測控技術(shù)

隨著航天航空科學(xué)及遙感、遙測技術(shù)的快速發(fā)展，為獲取大范圍詳細(xì)的空間信息和資料創(chuàng)造了有利的條件。近20年來，世界各國都紛紛開發(fā)了各具特色的資源遙感衛(wèi)和多波段傳感器，使多傳感器、高光譜、多時角、多時相、高分辨率的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)越來越豐富。發(fā)達(dá)國家超短波二十世紀(jì)七十年代中國超短波二十世紀(jì)八十年代中國海事衛(wèi)星二十世紀(jì)九十年代中國二十一世紀(jì)北斗衛(wèi)星海事衛(wèi)星全線通GSMGPRSPSTN作為一種信息源，遙感、遙測技術(shù)能夠提供流域內(nèi)的地質(zhì)地貌、土壤類型、植被、土地利用和河流水系等眾多下墊面信息；也可以較為全面、準(zhǔn)確地測定估算蒸散發(fā)、土壤含水量和可能形成降雨的云中水汽含量。（3）計算機(jī)與計算技術(shù)

由于描述降雨徑流形成機(jī)制的常微分或偏微分方程組及其定解條件通常都為非線性的，而且一般都很復(fù)雜，數(shù)學(xué)上無法求得其解析解。

隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和計算數(shù)學(xué)理論的不斷發(fā)展，不僅提高了分布式流域水文模型的分辨率和模型的綜合性與復(fù)雜性，而且為用數(shù)值方法求解模型中所涉及到的描述植物截留、蒸散發(fā)、坡面水流、河道水流、土壤水、地下水流和融雪徑流等物理過程的微分方程組奠定了基礎(chǔ)。

描述河道水流運(yùn)動的圣維南方程組在數(shù)學(xué)上屬于非線性雙曲型偏微分方程，迄今尚無法求得其解析解。數(shù)值方法求解就是按某一差分格式對微分方程進(jìn)行離散，用差分方程代替微分方程并求出其數(shù)值解。分布式水文模型的特點

(1)、數(shù)字化平臺：模型可以在地理信息系統(tǒng)所構(gòu)建的數(shù)字化平臺上運(yùn)行；計算流域由許多正方形網(wǎng)格或經(jīng)緯網(wǎng)格單元組成；許多與降雨徑流形成過程有關(guān)的流域或水文要素DEM自動生成。

(2)、多信息源，分布輸入，應(yīng)用廣泛：可以方便地利用具有空間分布特征的信息，如天基（衛(wèi)星、遙感）、空基（航測）、地基（雷達(dá)、遙測、地面）觀測的不同時空尺度的能量、水分等多源信息進(jìn)行洪水預(yù)報、水資源評價、水質(zhì)及生態(tài)模擬；氣候變化及人類活動對水文水資源、水環(huán)境影響等方面的研究與應(yīng)用；利用流域下墊面的空間分布信息確定或檢驗所構(gòu)建模型的參數(shù)，包括集總式流域水文模型和分布式流域水文模型。(3)、分布式參數(shù)，反映空間不均勻性：模型參數(shù)具有空間分布特征，它們的空間分布反映了流域下墊面自然條件下空間分布不均勻程度，同時也反映了流域內(nèi)不同區(qū)域的降雨徑流特性及空間變化規(guī)律。(4)、輸出分布，反映不同變化過程：模型輸出信息具有空間分布特征，不僅能輸出與集總式流域水文模型相同的信息，而且能輸出諸如植物截留、蒸散發(fā)、土壤水分、地表徑流、壤中流、地下徑流等水文要素和狀態(tài)變量的空間分布場以及任意站點或斷面的流量或水文過程。16降水-徑流空間分布圖17產(chǎn)沙量的空間分布污染負(fù)荷空間分布GIS耦合的流域水文模型結(jié)構(gòu)圖GISRS流域DEM數(shù)字化特征數(shù)字化河網(wǎng)數(shù)據(jù)管理空間分析圖形顯示下墊面特征土壤植被土地利用降水蒸發(fā)流域水文模型產(chǎn)匯流機(jī)制模型結(jié)構(gòu)模型參數(shù)率定模型檢驗?zāi)Ｐ桶b輸出在DEM平臺上構(gòu)建的具有物理基礎(chǔ)的松散型分布式流域水文模型分布式水文模型的幾個典例

SWAT結(jié)構(gòu)與功能圖5-4TOPKAPI模型的模塊組成簡圖氣象資料（降水、空氣溫度等）DEM土壤類型土地利用蒸散發(fā)模塊土壤水模塊融雪