第1章 緒論

1.1 分布式水文模型研究進展

水文模型是指將整個流域作為研究對象，考慮流域超滲產流、蓄滿產流及匯流等概念，根據河川觀測流量來率定模型參數及模擬流域產匯流過程；分布式水文模型則是從水循環的動力學機制描述流域水文問題，根據水移動介質的物理性質推定模型參數，能夠分析流域下墊面變化后的產匯流變化規律。因分布式水文模型揭示的水文循環過程更接近客觀世界，已成為當今水文水資源研究的熱點之一［1］。分布式水文模型最基本的特征是根據流域各處氣象信息和下墊面特性要素信息的不同，將流域劃分為若干個小單元，在每一個單元上用一組參數反映其流域特征，具有從機理上考慮降雨和下墊面條件空間分布不均勻對流域降雨徑流的影響［2］。

目前，流域分布式水文模型主要有三類：緊密耦合型、松散耦合型和半分布式水文模型［3］。

（1）緊密耦合型分布式水文模型又稱為全分布式水文模型。這類模型是基于連續方程和動力學方程描述小尺度精細的物理過程，直接計算水量和能量的流動與增減，也是通常所指的具有物理機制的分布式水文模型。其優點是能涉及水文現象的本質或物理機制；缺點是計算量過大，需要數據資料過多，方程的數值求解困難［4］。

（2）松散耦合型分布式水文模型，又稱為準分布式水文模型。這類模型將產流和匯流過程分開模擬，在每個基本計算單元上應用現有的集總式概念性模型或系統模型來推求凈雨量，再進行匯流演算，最終求得出口斷面流量。與緊密耦合型相比，此類模型計算簡單、使用方便，但一般適用于宏觀水文現象的模擬。

（3）半分布式水文模型則不再關注各個產流計算單元的空間位置，而是采用某種分布函數來描述各計算單元產流的空間差異性。

分布式水文模型在實踐中的應用主要包括：流域條件變化與氣候變化響應模擬，缺乏前期觀測的流域模擬，洪水預報，水利工程影響以及污染物和沉積物的運移模擬等［5］。

1.1.1 國外研究進展

國外對分布式水文模型的研究起步比較早，1969年，Freeze、Harlan［6］發表了《一個具有物理基礎數值模擬的水文響應模型的藍圖》的文章。隨后，Hewlett等（1975）提出了森林流域變源模擬模型（VSAS），該模型中地下徑流被分層模擬，地表坡面徑流被分塊模擬［7］。1979年，Beven、Kirbby提出了以變源產流為基礎的TOPMODEL模型（TOPgraphy based hydrological MODEL）［8］，該模型基于DEM推求的地形指數可以反映下墊面的空間變化對流域水文循環過程的影響，模型參數具有明確的物理意義，不但能用野外的監測資料來確定，而且還能用于無資料地區的計算，但它并不是真正嚴格意義上的分布式水文模型。由丹麥、法國和英國的水文學者（Beven等，1980；Abbott等［9］，1986；Bathurst等［10］，1995）聯合研制的SHE模型（System Hydrologic European）是一個具有代表性的分布式水文物理模型，模型中考慮了蒸散發、植物截留、土壤非飽和流及飽和流、融雪徑流以及地表和地下水交換等水文過程；此外，該模型還可以研究人類活動對于產流等的影響。20世紀90年代，法國SOGREAH咨詢公司和丹麥水力學研究所（DHI）在SHE模型基礎上研制了一個綜合性的分布式水文模型MIKE—SHE，該模型可以用于模擬陸地水循環中幾乎所有主要的水文過程，包括水流運動、泥沙運移和水質變化等，目前，已發展成為一個用戶界面友好的商業化軟件系統，并被許多大學、研究院（所）及咨詢公司所采用。1987年，英國的Beven提出了一個具有物理機制的分布式降雨徑流模型IHDM（Institute of Hydrology Distributed Model）［11］，該模型根據流域坡面的地形特征，將流域劃分成若干部分，并利用數學物理方程描述水分在地表和土壤中的運動，計算得到暴雨的降雨徑流關系。隨后，IHDM模型得到了改進和應用［12］。1982年，美國農業部農業研究中心Alonso、Decoursey考慮到土地利用和管理將會影響到一個小流域的水文循環與化學循環，設計了SWAM（Small Watershed Model）模型［13］。1988年，Huber和Dickinson開發了暴雨洪水管理模型SWMM（Storm Water Management Model）［14］，該模型具有良好的用戶界面，目前已發展到5.0版本。進入20世紀90年代，出現了將土壤劃分為飽和帶和非飽和帶的TOPOG模型［15］和美國農業部農業研究中心的Arnold博士開發的SWAT（Soil and Water Assessment Tools）模型［16，17］，該模型是一個具有很強的物理機制，且能進行長時段模擬的分布式水文模型，能夠利用GIS和RS提供的空間信息，模擬復雜流域中多種不同的水文物理過程，被認為最適合模擬在不同土壤、土地利用中，長期土地管理對水、土沙、營養物質及農業化學物質的影響［18］，因此，該模型得到了廣泛的應用［19，20］。隨后，又相繼出現了HBV［21］、HEC—HMS［22］等分布式水文模型。

1.1.2 國內研究進展

相比國外，國內在分布式水文模型研究方面起步較晚，是從20世紀90年代逐漸發展起來的，但到現在也已取得了很多較顯著的成果。

1.1.2.1 模型應用方面

近些年來，在國內應用比較多的國外分布式水文模型主要有SWAT、TOPMODEL及HEC—HMS等。劉昌明等［23］（2003）運用SWAT模型模擬分析了氣候變化和土地覆被變化對黃河河源區徑流的影響。馮夏清等［24］（2010）利用SWAT模型對烏裕爾河流域進行了徑流模擬，并分析了未來氣候變化情景下徑流量的變化情況。龐靖龍等［25］（2007）、于磊等［26］（2008）、黃清華等［27］（2010）對SWAT模型也進行了相關應用研究，表明SWAT模型在國內一些流域也有良好的應用性。郭芳等［28］（2000）對TOPMODEL模型的基本理論進行了介紹，并將其應用于淮河流域中，結果表明該模型可以達到日模擬精度要求。針對現行的TOPMODEL模型僅局限于描述小尺度流域山坡水文特征及其計算流程存在一些與實際不相符的表達，黃晴等［29］（2008）對該模型的地形指數計算方法、產流機制和匯流方式進行了改進，并將其應用到中尺度半干旱流域中。張建軍等［30］（2009）將HEC—HMS模型應用于黃土高原小流域中，驗證了該模型的適用性。

1.1.2.2 模型開發創新方面

沈小東等［31］（1995）在研究降雨時空與下墊面參數空間分布的不均勻性對徑流過程影響的基礎上，提出了一個在GIS支持下的動態分布降雨徑流流域模型，實現了基于柵格DEM的坡面產匯流與河道匯流的數值模擬。賈仰文等［32，33，34］（1997，2000，2001）開發了一個網格分布式流域水文模型WEP模型，該模型對非飽和土壤水運動的模擬采取了比SHE模型更為簡化的算法，但強化了對植物耗水與熱輸送過程的模擬，對水循環與熱輸送各過程的描述大都基于物理概念。為解決缺資料地區的堰塞湖入湖徑流模擬預報的問題，趙志軒等［35］（2011）將WEP模型與熱帶降雨量衛星的降雨數據（TRMM_PR）結合，對唐家山堰塞湖日均入湖流量進行了模擬預報。此外，該模型在其他流域也得到了廣泛應用［36，37］。

楊大文等［38，39］（Yang，1998，2000）提出了基于流域地貌特征的大尺度分布式水文模型GBHM（Geomorphology-Based Hydrological Model），該模型的基本思想是首先將大流域劃分為若干小的子流域，然后利用流域的地貌特征參數，將每個子流域劃分為匯流區間，并將匯流區間表示為一系列山坡，在同一匯流區間內考慮不同植被和土壤類型對山坡產流的影響，其不僅擴展了分布式水文模型的尺度，而且較好地描述了流域水文空間的變異性。目前，該模型在黃河流域［40］、洞庭湖區間［41］、長江上游流域［42］等都得到了較好的應用。

李蘭等［43，44］（1999，2000）提出了LL—Ⅰ分布式水文模型，該模型由各個小流域產流模型、匯流模型、流域單寬入流和上游入流反演模型以及河道洪水演進四大部分組成。隨后，又提出了基于GIS的LL—Ⅱ［45］分布式降雨徑流模型，其產流模型為變動生態產流模式，該模型在洪水預報中得到了較好的應用效果［46］。

郭生練和熊立華等［49］（2001）提出了一個基于DEM（Digital Elevation Model）的分布式流域水文物理模型，該模型詳細描述了網格單元的截留、蒸散發、下滲、地表徑流、地下徑流及融雪等水文物理過程，在每一個網格上用地形高程來建立地表徑流之間的關系，該模型在美國緬因州BBMW流域得到了驗證；隨后（2004），又提出了一個基于DEM的用來模擬濕潤地區的蓄滿產流機制模型［50］。夏軍等［51，52］（2002，2004）將時變增益非線性水文系統（TVGM）與數字高程模型（DEM）結合，開發了一個分布式時變增益模型（DTVGM），該模型既具有分布式水文概念性模擬特征，又具有水文系統分析適應能力強的特點，是水文非線性系統方法與空間分布式模擬的一種結合。

根據我國內陸河流域的自然地理和社會經濟特點，賈仰文和王浩等［53，54，55］應用WEP—L（Water and Energy Transfer Processes in Large River Basin）模型，在WEP模型上集成積雪融雪模塊和灌溉系統模擬模塊等，開發了基于GIS和數據庫平臺、能夠精細描述水循環各環節的黑河流域分布式二元水循環模型，進行逐日分布式水循環模擬計算。然后又將該模型與集總式水資源配置模型相耦合形成水資源二元演化模型，對黃河流域的水資源演變規律進行了評估分析。該模型較好地反映了人類活動影響下的黃河水資源演變規律［56，57］。

為了推進分布式水文模型技術在實際水資源管理與洪水管理中的應用，雷曉輝等［58，59］（2010）開發了一個分布式水文模型EasyDHM（Easy Distributed Hydrological Model），該模型集成了很多新技術，如基于DEM的快速建模技術、支持不同時空尺度的快速模擬技術以及參數自動識別及率定技術等。此外，該模型還集成了多種水循環伴生過程模擬功能，包括水質過程模擬、土壤侵蝕過程模擬，人工用水過程模擬及水庫調度模擬等過程。該模型在漢江流域［60］、海河阜平流域［61］及南水北調中線受水區的應用中取得了較理想的效果。近年來，針對強人類活動地區，尤其是農田系統開發，中國水利水電科學研究院水資源研究所又開發了分布式水文模型MODCYCLE（An Object Oriented Modularized for Basin Scale Water Cycle Simulation）［62］，并將該模型應用到海河流域，對其“四水”（大氣降水、地表水、土壤水和地下水）轉化特征進行了定量分析。

1.1.2.3 珠江流域分布式水文模型研究狀況

解河海［63］（2006）將TOPMODEL模型應用于東江星豐流域，對其洪水進行了模擬計算。文佩［64］（2006）將兩水源TOPMODEL模型改進成三水源模型，并將其成功應用于東江流域產匯流模擬。符傳君等［65］（2007）應用TOPMODEL模型對東江流域枯水徑流進行了模擬，取得了較高的模擬精度。靳曉莉等［66］（2008）將HBV模型應用于東江流域及其子流域，采用代理流域法和全局平均法估計無資料流域的模型參數，取得了較好的模擬結果，驗證了模型的適用性。楊宏偉等［67］（2011）運用SWAT模型對東江典型流域的地表徑流進行了模擬，在此基礎上對土地利用和覆被變化對徑流的影響進行了探討，結果顯示林地面積的增加可導致年徑流量的減少，年內分配上表現出枯水期徑流明顯增加，豐水期徑流明顯減少。