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@https://www.360docs.net/doc/ff11540860.html,
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。
4 模型研究和应用中存在的问题及未来发展方向
4.1 存在的问题
分布式水文模型的发展具有明显的时代技术特征。在20世纪70、80年代，计算机水平的限制成为分布式水文模型发展的瓶颈。进入90年代后，随着计算机技术的迅速发展，分布式水文模型的发展不再受到计算能力的制约，而对水文机理的深刻认识、尺度转换和多学科交叉等问题成为发展分布式水文模型必须面对的难点。分布式水文模型面临的问题可归纳为5个方面：非线性问题、尺度问题、确定性问题、等效性问题和不确定性问题。本文主要从以下几个方面进行探讨。
(1) 资料缺乏
分布式水文模型需大量的输入数据，但目前因缺乏足够的输入数据而限制了模型的发展。这些信息的获得除通过地面观测及应用自动测量技术外，很大程度上依赖于地理信息系统、遥感、航测、雷达等遥测技术。但由于遥感资料还未完全融入到水文模型的结构中，因此直接应用困难较大，加之又缺乏普遍可用的从遥感数据中提取水文变量的方法，故遥感技术在水文模型中的应用水平还较低。因此，加强遥感技术与水文模型的集成、开发地理信息系统技术在水文学中的应用领域和从遥感数据中提取水文数据的方法研究，对水文模型的发展十分必要。
(2) 非线性问题
这是分布式水文建模所面临的大部分问题的核心。水文系统是非线性系统，所有分布式水文模型都会涉及到描述非线性水文过程。水文系统的非线性一方面使远离平衡态的系统形成有序结构，同时也使系统的演化具有多样性和不确定性。非线性问题的另外一个方面是非线性系统对模型的初始条件和边界条件都非常敏感，而在分布式水文模型中难于确定这两个条件。
(3) 尺度问题
尺度问题指在进行不同尺度之间信息传递（尺度转换）时所遇到的问题[19]。尺度问题表现在流域水文模型上则为一些小尺度的流域实验获得的参数往往不能直接应用到大流域的水文模拟，不同时间尺度的模型变量或参数也往往不能通过简单叠加或分解进行转换。水文学的理论研究和实践表明，不同时间和空间尺度对水文系统规律的研究通常有较大的影响。虽然从水文系统的观点看，不同尺度之间有客观的联系和转化规律，但模型的非线性和流域地形地貌特征及气象的不均匀性将导致模型应用尺度与方程适用尺度之间的不匹配[20]。设法寻求不同水文尺度间的水文规律及它们之间的相互转换关系，以期获得普遍性规律，而实现不同尺度间的转换是水文尺度目前面临的主要问题。国内外提出了一些解决尺度转换问题的方法，但至今仍无令人满意的结果。
(4) 不确定性问题
由于水文过程的复杂性、历史资料误差等因素的存在，给流域分布式水文模型参数率定及径流预报带来很大的不确定性。由于水文变量和模型参数具有很大的随机性，不同的模型或同一模型在不同时间和空间分辨率下使用同样的参数可能导致计算结果有较大差异，给模型预测带来了“不确定问题”，制约了模型的发展、应用和推广。因此，目前的模型需通过与实测资料进行对比分析、对模型参数的灵敏度分析及进行参数不确定性分析来减小模型计算结果的不确定性。但由于受观测资料的限制，很难充分检验现有模型，故不确定性问题有待于深入研究。
(5) 真实性问题
由于水文循环的复杂性，并受测量技术的限制，一些水文过程和边界条件并不确知，因此分布式水文模型都存在很多人为的假定，导致模型并不能再现真实的水文过程[21]。而且，人们对水文循环的自然规律并没有完全掌握和理解[22]，在模型中用来解释和计算水文过程的数学公式和所建立的模型结构越来越复杂，参数越来越多，参数间的相关性增加，不仅给参数的确定增加了困难，同时也影响了模型推广应用的精度。
4.2 未来的发展方向
近年来，随着计算机、GIS、RS等技术的发展极大促进了水文模拟技术的发展，为分布式水文模型的研究提供了有力的支持，使分布式水文模型得以迅速发展。分布式水文模型最主要的技术支撑为：①建立分布式水文模型的平台—GIS；②获得大范围空间信息和资料的方法—RS和GPS。基于地球信息科学方法的分布式水文模型有着广阔的发展前景。本文从以下几个方面做出展望：
(1) 加强水文不确定性、水文非线性和水文尺度问题的理论探索
水文不确定性、水文非线性和水文尺度问题，是解决水文系统复杂性问题的三个难点，也是目前水文学需要解决的关键问题。这些问题的研究将对分布式水文模型的发展起到重要的推动作用。这就需要我们加强对水文模型物理机制的研究，改善观测手段，力求从物理学的角度和深度，更加合理地模拟和描述水文过程，解决分布式水文模型中的非线性问题和尺度问题[23]。对于水文不确定性问题，则要求我们充分利用和不断充实已有的水文数据库，进行参数不确定性的分析，即参数识别和灵敏度试验，在明确参数物理意义的基础上，弄清参数的变化规律和水文联系，从而不断完善模型[24]。
(2) GIS、RS技术与水文模型集成应用
分布式水文模型的构建，不再是单纯的水文模型，而是一个以数据库为基础、以“3S”技术支撑的、集成资源管理与决策功能的、具有专业扩展性和广泛模拟能力的水文模拟系统。GIS和遥感技术为水文模拟提供了新的研究思路和技术方法[25,26]。
遥感技术可以提供长期、动态和连续的大范围资料和一些确定产汇流特性和模型参数所必需的下垫面信息和降雨信息，是描述流域水文变异性最为可行的方法，尤其是在地面观测手段和资料缺乏的地区。GIS用于水文模拟，可以用来获取、操作及显示与模型有关的空间数据和所得的成果, 有利于水文工作者研究流域特征的空间分布和对产汇流的影响，从而加深对产汇流等水文物理过程的认识，为分布式水文物理模型的研制提供了平台，促进流域水文模型的完善和发展。借助于GIS强大的空间数据分析处理功能，使得水文模型的研究手段得到了根本性的转变。
RS是及时、快捷获取大面积综合水文信息的有效手段。GIS是用数字化方法描述具有复杂时间和空间变化的水文过程的必要的技术支撑，而借助于二者的优势，可以更为客观地描述流域下垫面条件及其变化，是充分表征流域水文变量时空变异性的基础。目前，基于GIS、RS和数字流域技术来构建流域水文模型，是实现流域水文过程模拟的主要途径。而基于“3S”技术的分布式水文模型已经广泛应用于气候变化、污染防治、灾害监测等研究[27~29]。
(3) 与其它模型的耦合
与MM5气象模型耦合的VIC分布式水文模型[30]，能增长洪水的预报期。与农业灌溉、生态和水质等模型的耦合，并能考虑水库调度等水资源利用措施，是分布式水文模型应对流
域水资源综合管理实践要求的必然发展。
随着一系列理论和技术的进一步完善，可以预示分布式水文模型在水资源开发、利用、保护、洪水预报、节水灌溉、水生生态和人类活动影响等方面必将得到越来越广泛应用。未
来分布式水文模型将建成全球一大陆一区域一流域一局地等多尺度嵌套和水文一气候一地
貌一生态一环境等多系统耦合的模型库系统，并能最真实反映水文循环过程，满足工程和规
划等实际需要。
5 结语
本文主要从分布式水文模型的发展历程、模型结构、应用领域和面临问题等方面论述了
分布式水文模型目前的发展水平，可以看出：分布式水文模型，尤其是具有物理基础的分布
式水文模型，能较真实地描述和科学地揭示降雨径流的形成机理。分布式水文模型与计算机
技术、空间技术、地理信息系统、遥感技术等的结合代表了分布式水文模型的未来发展方向，具有广泛的应用前景。
参考文献
[1]于兴杰,孙金丹等.分布式水文模型的发展、现状及前景[J].山西水利科技,2009,2(172).
[2]夏积德,吴发启等.分布式水文模型建模过程研究[J].西安文理学院学报,2008,11(4).
[3]闫红飞,王船海等.分布式水文模型研究综述[J].水电能源科学,2008,26(6).
[4]芮孝芳,黄国加.分布式水文模型的现状与未来[J].水利水电科技进展,2004,4(2)：55-58.
[5]Beven,KJ,Kirkby,MJ.A Physically Based Variable Contributing Area Model of Basin Hydrology[J]. .Hydrological Sciences Bulletin,1979,24(1):43-69.
[6]Beven K J.Topmodel[A].in:VP Singh.Chapter 18 in Compute Models of Watershed Hydrology[C],Warer Resource Publications,Littleton,Co,1995.
[7]王中根,刘昌明,吴险峰.基于DEM的分布式水文模型研究综述[J].自然资源学报,2003,18(02)：168-173.
[8]Abbott,MBBathurst,JC,Cunge,JA,et al.Introduction to the European Hydrological System-Systeme Hydrologique European,SHE,2.Structure of a Physically-based, Distributed Modelling System[J].Journal of Hydrology JHYDA 7,1986,87(1/2):61-67.
[9]Bathurst,JC,Wicks,JM,O'Connell,PE.The SHE/SHESED basin scale water flow and sediment transport modelling system[A].in:V P Singh.Chapter 16 in Computer Models of Watershed Hydrology[C],Water Resource Publications,Littleton,Co,1995.
[10]熊立华,郭生练. 分布式流域水文模型[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2004.
[11]Valentina Krysanova, Dirk - Ingnar Muller -Wohlfeil Development and test of a spatially distributed hydrological water quality model form esoscale watersheds[J]. Ecological Modelling, 1998(106): 261-289.
[12]黄平,赵吉国.流域分布型水文数学模型的研究及应用前景展望[J].水文,1997,17(5)：5-10.
[13]任立良,刘新仁.基于DEM的水文物理过程模拟[J].地理研究,2000,19(4):369-376.
[14]李兰,郭生练等.流域水文数学物理耦合模型[A].中国水利学会优秀论文集[C].北京:中国三峡出版社,2000:322-329.
[15]郭生练,熊立华,杨井等.基于DEM的分布式流域水文物理模型[J].武汉水利电力大学学报.2000,33(6):1-5.
[16]郭生练,熊立华,杨井等.分布式流域水文物理模型的应用和检验[J].武汉大学学报(工学版),2001,34(1):1-5.
[17]夏军,王纲胜,谈戈等.水文非线性系统与分布式时变增益模型[J].中国科学(D辑:地球科学),2004,34(11):1062-1071.
[18]熊立华,郭生练,田向荣.基于DEM的分布式流域水文模型及应用[J].水科学进展,2002,15(4):517-520.
[19]刘建梅,裴铁璠.水文尺度转换研究进展[J].应用生态学报,,2003,14(12):2305-2310.
[20]董艳萍,袁晶瑄.流域水文模型的回顾与展望[J].水力发电,2008,34(3).
[21]Keith J Beven.A discussion of distributed hydrological modeling[A].In:Miehael B Abbort,Jens Christina Resfgaard.Distributed Hydrological ModelingIC].Kluwer Aedeemie Publishers,1996,255-278.
[22]尹雄锐,夏军,张翔等.水文模拟与预测中的不确定性研究现状与展望[J].水力发电,2006,32(10):27-31.
[23]王书功,康尔泗,李新.分布式水文模型的进展及展望[J]. 冰川冻土,2004,26(1):61-65.
[24]石教智,陈晓宏.流域水文模型研究进展[J].水文,2006,26(1):18-23.
[25]叶守则,夏军.水文科学研究的世纪回眸与展望[J].水科学进展,2002,13(1):93-103.
[26]吴险峰,刘昌明.流域水文模型研究的若干进展[J].地理科学进展,2002,21(4):341-348.
[27]杨井,郭生练,王金星等.基于GIS 的分布式月水量平衡模型及其应用[J].武汉大学学报,2002,35(4):22-26.
[28]牛振国,李保国,张凤荣.基于GIS 的流域土壤水分补给量的模拟研究[J].水利学报,2003,(02):73-82.
[29]万超,张思聪.基于GIS 的潘家口水库面源污染负荷计算[J].水力发电学报,2003, (02):62-68.
[30]张俊,郭生练,陈华等.与MM5气象模式耦合的VIC分布式水文模型构建[J].人民长江,2008(08).
Summary on Distributed Hydrological Modeling and Application Researches Domestic and Abroad
Luo Wenbing, Hong Lin, Shi Yuanzhi
State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan
430072
University, Wuhan （）
Abstract
Distributed watershed hydrological model has become a focus in the research on the modern hydrology domestic and abroad, and an effectively way to describe and reveal the hydrological processes and laws at watershed scale. Thus, it has become an effective tool to study problems of hydrology, ecology and environment. Firstly, this paper reviews the dynamics and development trends in distributed hydrological modeling and application on the basis of introducing its origins and characteristics; then it analyzes the main structure and its applications of distributed hydrological modeling; finally, it summarizes deficits and problems existing in the research and application of distributed hydrological models and previews the development direction of distributed hydrological modeling in China. Keywords: distributed; hydrological modeling; research dynamics; application; development trend
作者简介:罗文兵（1986-），男，武汉大学硕士研究生；
通讯作者:洪林（1963-），女，武汉大学教授，博士，E-mail: Lhong@https://www.360docs.net/doc/ff11540860.html,
遥感水文模型的研究进展-中国农村水利水电
生态环境 2006, 15(6): 1391-1396 https://www.360docs.net/doc/ff11540860.html, Ecology and Environment E-mail: editor@https://www.360docs.net/doc/ff11540860.html, 基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX-SW-446） 作者简介：赵少华（1980－），男，博士研究生，主要研究方向为农业生态及遥感水文生态。Tel: +86-311-85814806; E-mail: zshyytt@https://www.360docs.net/doc/ff11540860.html, *通讯作者 遥感水文耦合模型的研究进展 赵少华1, 2，邱国玉1，杨永辉2 *，吴 晓1，尹 靖1 1. 北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室//北京师范大学资源学院，北京 100875； 2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心//河北省节水农业重点实验室，河北 石家庄 050021 摘要：遥感水文的耦合模型在目前生态环境领域，特别是在水资源的应用和管理中其作用日益重要，具有大流域尺度上快速应用、实时动态监测等优点。结合国内外近年来取得的研究成果，文章综述了遥感水文耦合模型的研究进展。首先介绍了遥感技术在水文学中的应用，讨论了它的分类发展概况，接着介绍了几种主要的遥感水文耦合模型及其应用实例，包括SCS （Soil Conservation Services ）模型、SiB2（Simple Biosphere Model version 2）简化生物圈模型、SRM （Snowmelt Runoff Model ）融雪径流模型以及SWAT （Soil and Water Assessment Tool ）模型，最后展望了遥感水文耦合模型未来的发展趋势，指出尺度问题上的时空变异性仍是其发展的关键，与GIS （Geographic information system ）及其他空间技术的相结合是其未来发展的重要方向，从而为水文学、水资源的预测评价等研究提供参考。 关键词：遥感；水文；径流；流域 中图分类号：P338.9 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）06-1391-06 水文模型是以水文系统为研究对象，根据降雨和径流在自然界的运动规律建立数学模型，通过电子计算机快速分析、数值模拟、图像显示和实时预测各种水体的存在、循环和分布，以及物理和化学特性[1]。通过对各种参数的计算，水文模型可以对河流、流域、径流以及水体等进行监测预报、水资源调度等。然而随着社会的发展和科学技术的不断进步，对水文模型的功能要求也越来越多，也越来越高，从单纯的流域某控制断面的洪水预报到全流域的洪水、水资源调度，导致模型的框架结构越来越复杂。地理信息技术和遥感技术的发展更是大力促进了水文模型的应用和发展。对于遥感在水文模拟中的应用，Schultz [2]举出了利用多光谱Landsat 卫星数据估算模型参数、利用NOAA 红外卫星数据作为模型的输入量来计算历史的月径流量以及应用雷达测雨数据于分布式模型中来实时预报洪水的三个例子。水文模型需要大量的空间数据，通过遥感技术可以为其提供DEM （数字高程模型）、土地覆盖/利用、降雨、地表温度、土壤特性、LAI （叶面积指数）和蒸散发等资料[3-5]。 遥感水文的耦合模型是流域水文模型发展的一个重要方向，有广阔的发展前景。简单来说，遥感水文耦合模型就是与遥感信息相结合的水文模型，模型中可以直接或间接地应用遥感资料，通过遥感水文耦合模型可以在更大范围内更准确地估算流域的水文概况、水体变化监测、洪水过程监测 预报等。然而目前国内外对遥感水文耦合模型的研究还不多，还没有对该方面的研究做系统深入的报道，本文正是基于此目的，综述了近年来遥感水文耦合的模型在国内外取得的研究成果，分别讨论了它的分类发展概况、几种主要的遥感水文耦合模型及未来的发展趋势，以期为水资源、水文学的预测评价研究等提供参考。 1 遥感技术在水文学中的应用 遥感技术在水文学中的应用大致可分为两个方面：一是直接运用：如降雨量变化的估算[6]、水体（湖泊、湿地等）面积变化的推算[7-10]、冰川和积雪的融化状态监测以及洪水过程的动态监测等（其中监测洪水过程的动态最具有代表性）。如Zhang 等[11]在长江的汉口段流域上，提出利用高分辨率的QuickBird 2 卫星影像资料估算河流流量的方法，该法通过与河流宽度－水位及遥测水位－流量关系曲线耦合来测量河流水面宽度变化，从而准确评估其流量。二是间接运用：利用遥感资料推求有关水文过程中的参数和变量。通常是利用一些统计模型和概念性水文模型、经验公式等，结合遥感资料来获取诸如径流、水质（如全氮TN 、全磷TP 、悬浮物SS 、化学需氧量COD 、生物需氧量BOD 等）、 土壤水分等水文变量[12] ，如对径流的估算，可通过估算降雨、截流、蒸散发和土壤蓄水量等参数来进行[13]。对于全球或区域尺度上的蒸发估算，遥感技术不仅具有对大面积地面特征信息同时快捷获得
森林水文效应
森林水文效应 解释 森林水文效应hydrological effect of forest 森林对蒸发、降水、径流等水平衡要素及河流、地下水、泥沙等水文情势的影响。又称流域森林影响。 对蒸发影响 森林地区的降水，为林冠枝叶和林下枯枝落叶层截留。截留作用主要发生在降雨初期，一次降雨最大截留量有一定的数值。林冠枝叶截留的雨量最终消耗于蒸发，它与散发量（通过根、茎、叶向大气逸散的水量）、林内地面蒸发量共同构成林地蒸散发。林地蒸散发中散发量占很大比重，地面蒸发量较小。气候湿润，有充沛水分供给蒸发的地区，森林对流域的蒸散发影响不大；气候干燥，水分供应不足的地区，林区蒸散发比非林区大。 对降水影响 各家看法出入很大，一般认为由于林冠大量蒸腾，林区上空水汽含量增多，湿度大；大气中水平气流经森林阻碍被迫抬升等，都有利于降水；林区内多水平降水。苏联卡明草原58年观测资料表明，森林地区降水量比空旷地区大9％。中国的野外调查及实验资料也有这样的现象。但亦有不少资料表明，森林对降水没有影响或影响甚微。 林下土壤的下渗强度一般比非林地要大得多。这与林地落叶层能减缓地表径流流速、森林土壤中根系发育、土壤中有机质多、团粒结构发育等有关。据中国科学院地理研究所在陕西省黄龙林区的测定，林地的稳渗率比周围的耕地和草地都大。 对径流影响 包括对洪水、枯水、年径流量和径流年内分配等的影响。对于一次孤立的洪水，森林有明显的降低洪峰、减少洪水流量、延缓洪水过程的作用。对于连续洪水，林区洪水流量通常比非林区大。在一般情况下，流域内林区枯季径流量比非林区大，年内分配也较均匀。森林对年径流的影响比较复杂。森林流域年径流量比无林流域小，森林砍伐后会使年径流量增加。大面积森林随气候和下垫面性质不同，其结果也大不相同。苏联在喀尔巴阡山南北坡36个流域内的调查表明，年径流量随林率的增大而增加。中国通过对比流域分析表明，北方干旱地区年径流量随林率增大而减小（石质山区除外），南方湿润地区则相反。从热带到温带，年径流量均因森林砍伐而增加，造林后则使年径流量减少。 对地下水影响 较为复杂，一般认为山区森林下渗的水量对地下水补给有利；平原森林对地下水影响随气候条件不同而异。
流域水文模型研究现状及发展趋势
流域水文模型研究现状及发展趋势 发表时间：2018-09-11T16:04:44.667Z 来源：《基层建设》2018年第24期作者：王慧锋 [导读] 摘要：地球上的水文事件，是一种诸多因素相互作用的结果，在尚未找到复杂水文现象的科学规律之前，通过建立水文模型来仿真有关水文事件是一种合理、可行的途径。 安徽国祯环保节能科技股份有限公司安徽省 230088 摘要：地球上的水文事件，是一种诸多因素相互作用的结果，在尚未找到复杂水文现象的科学规律之前，通过建立水文模型来仿真有关水文事件是一种合理、可行的途径。随着计算机技术和一些交叉学科的发展，分布式物理模型被广泛提出，并逐渐成为21世纪水文学研究的热点课题之一。基于此，本文主要对流域水文模型研究现状及发展趋势进行分析探讨。 关键词：流域水文模型；研究现状；发展趋势 1、前言 流域水文模型是为模拟流域水文过程所建立的数学结构，在进行水循环机理的研究和解决生产实际问题中起着重要的作用，能有效应用于水文分析、水文预报、水资源开发、利用、保护和管理等方面。目前，国内外开发研制的流域水文模型众多，结构各异，按照不同的分类方法可划分为不同类型的流域水文模型。 2、模型的发展及现状 流域水文模型的研究始于20世纪50年代，早期主要依据传统产汇流理论和数理统计方法建立数学模型，应用于水利工程规划设计和洪水预报等领域。其间系统理论模型和概念性水文模型得到了快速充分的发展，国外曾出现了几个著名的概念性水文模型。比如，最简单的包顿模型和最具代表性的第Ⅳ斯坦福模型。包顿模型是澳大利亚的包顿（W.C.Boughton）先生于1966年研制成功的一个以日为计算时段的流域水文模型，在澳大利亚、新西兰等国有着广泛的应用，比较适用于干旱和半干旱地区。由N.H.克劳福特先生和R.K.林斯雷先生研制的第Ⅳ斯坦福模型（SWM-IV）是世界上最早也是最有名的流域水文模型，此模型物理概念明确，结构层次分明，为以后许多模型的建立提供了基础。此后比较有名的还有萨克拉门托模型和水箱模型。水箱模型是对水文现象的一种间接模拟，模型中并无直接的物理量，参数简单，操作简便，在我国湿润地区的水文计算和水文预报中采用较多。 水箱模型由菅原正已先生在20世纪50年代提出，对我国流域水文模型的发展影响较大。国内的流域水文模型在20世纪70年代至80年代中期也得到蓬勃的发展，其中典型代表为赵人俊教授等于70年代提出的新安江模型。新安江模型在湿润半湿润地区得到广泛应用，模拟精度也比较高，对我国水文模型的发展起了重要的作用。 1969年，当概念性水文模型的研究开展得如火如荼时，Freeze和Harlan提出了分布式水文物理模型的概念和框架，但当时的相关研究并不多。20世纪80年代以后，流域水文模型开始面临着许多新的挑战，包括水文循环的规律和过程如何随时间和空间尺度变化而变化的问题，水文过程的空间变异性问题，还有水文、地球化学、环境生态、气象和气候之间的耦合问题。以前研制的大部分流域水文模型（系统模型和概念性模型），由于其自身存在着许多不足和局限性，无法适应这些挑战。因此，人们开始关注分布式水文物理模型的研究。在20世纪90年代，计算机技术、GIS、遥感技术和雷达测雨技术等迅速发展，为研制和建立分布式水文物理模型提供了强大和及时的技术支撑，使得分布式水文物理模型成为水文学研究的热点课题之一。 第一个具有代表性的分布式水文物理模型由英国、法国和丹麦等国家的科学家联合研制而成，发表于1986年，称之为SHE模型。该模型主要的水文物理过程均用质量、能量和动量守恒的偏微分方程的差分形式来描述，也采用了一些经验关系；模型模拟流域特性、降水和流域响应的空间分布信息在垂直方向用层来表示，水平方向则采用正交的长方形网格来表示，能较好地描述降雨径流形成机理。从SHE模型开始，人们先后研制建立了一些分布式水文模型，例如MIKESHE、SHETRAN等，这些演化模型在许多流域得到检验和应用。我国水文学者在这方面的研究也取得了一些进展：黄平先生[1]等提出了流域三维动态水文数值模型；郭生练先生[2]等提出和建立了一种基于DEM的分布式水文物理模型，模拟整个流域的径流形成过程，分析径流形成机理；夏军先生[3]等开发了分布式时变增益水文模型，该模型既有分布式水文概念性模拟的特征，同时又具有水文系统分析适应能力强的特点，能够在水文资料信息不完全或不确定性的干扰条件下完成分布式水文模拟与分析；研究者提出了一个基于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需水量空间分布的能力；研究者等对分布式水文模型的发展现状进行了详尽概述，并对其发展前景作出展望。 3、模型研究展望 在经历了最初的萌芽与蓬勃发展之后，随着先进的计算机技术及地理信息系统、数字化高程模型等在水文学领域的应用，流域水文模型的发展进入了一个新的历史时期，其研究方法必将产生根本性的变化： （1）具有物理基础的分布式水文模型能为真实地描述和科学地揭示现实世界的降雨径流形成机理提供有力工具，是一种发展前景看好的新一代水文模型。另外，分布式水文模型所需资料主要来自空间水文、气象及下垫面等方面的信息，对实测降雨径流资料的依赖较小，这使得其在无资料及资料精度不高的地区有更好的适应性，也较集总式概念性水文模型有更广阔的发展空间。 （2）加强分布式水文模型的物理基础研究、更加合理地模拟和描述水文过程，是改善模型结构和明确参数意义的关键。对水文学基本理论的研究，尤其是降雨径流形成机理与地形、地貌、土壤、植被、地质、水文地质、土地利用和气候气象之间定量关系的揭示，将在本质上推动模型的发展，使其物理意义更加明确，对水文规律的模拟更加贴近真实情况。 （3）GIS和遥感技术为水文模拟提供了新的研究思路和技术方法。GIS用于水文模拟，可以用来获取、操作及显示与模型有关的空间数据和所得的成果，使模型进一步细化，从而深入认识水文现象的物理本质，为分布式的水文物理模型研制提供了平台。遥感技术可以提供一些确定产汇流特性和模型参数所必需的下垫面信息和降雨信息，是描述流域水文特性的最为可行的方法，尤其是在地面观测手段和资料缺乏的地区。 （4）尺度问题是当代水文学理论研究的中心内容。近些年来物理性水文模型的最新进展反映了目前处理尺度问题的几种研究思路，其中在物理性和计算效率之间取得平衡的准物理性水文模型、基于不规则网格的物理性水文模型以及直接在宏观尺度上建立数学物理方程的尺度协调的物理性水文模型都有了明显的突破，在一定程度上代表着物理性流域水文模型的发展方向。 4、结语 传统的概念性集总式模型由于忽略了参数和下垫面条件的时空变化，将参数和变量都取流域的平均值，这与流域的实际情况并不相
斯坦福流域水文模型研究综述
斯坦福流域水文模型SWMM研究综述 摘要：自然界的水文现象,是一种多因素相互作用的复杂过程,由于其形成机理还不完全清楚,水文模型成为一种研究复杂水文现象的重要工具。本文在在查阅文献的基础上,从斯坦福流域水文模型，国内外 SWMM 研究进展，斯坦福模型主要组成，其他流域水文模型的研究进展个方面对斯坦福模型的研究现状及进展进行了整理和分析，并在此基础上探讨了流域水文模型研究的发展趋势。关于流域水文模型的研究成果有目共睹，但仍需要深入研究。总之,流域水文模型与GIS、遥感技术的结合越来越多的受到重视,必将成为今后研究中的一个主要方面。 关键词：斯坦福流域水文模型；综述；研究进展； 1.斯坦福流域水文模型 流域水文模型的起源是从水文预报模型开始的,即降雨-径流模型。1932年Sherman用叠加原理提出了单位线模型，单位线模型统治水文界20多年。随后Nash和Dooge对单位过程线进行了改进,提出了连续变化的暴雨响应模型。 第一个真正的流域水文模型就是1959年Linsley&Crawford开发的斯坦福流域水文模型，并经过改进和扩展,于1966年发展了SWM-IV。属于概念性集总式水文模型,将整个流域看作一个整体,不考虑流域内的空间变化,数据输入、流域特征描述(土壤类型、土地利用和坡度)通常采用平均值。这个时期的水文模型应用计算机模拟水循环系统,而不是简单地利用数学公式计算洪峰和降雨-径流关系。模型已可以模拟降雨、截留、入渗、蒸散发、河道流等水文过程,但模型中的参数大都缺乏明确的物理意义,以经验公式为主,不能反映流域水文过程空间上分散性输入和集中性输出的特点,且模型参数对水文实测资料的依赖性很大,无法模拟产汇流的空间分布规律,以及气候变化、土地利用/覆被等因素对水文过程变化的影响;这个时期的模型还主要表现在以模拟水量为主,无法模拟污染物等的迁移。虽然这些模型考虑的因素较粗,模拟精度不足,但在资料不完善地区仍然应用广泛。 HSPF模型是在斯坦福模型(Stanford-IV)的基础上发展萨克模型是集总参数型的连续运算的确定性流域水文模型,是在第IV斯坦福模型基础上改进和发展的。 2.国内外SWMM研究进展 2.1国外SWMM 研究进展 SWMM 是由美国环保局于 1971 年推出的，在世界各地获得了广泛的关注，为降雨径流方面的研究提供了可靠的技术支持，并且应用在面源污染负荷计算、城市防洪、雨洪调蓄、径流计算、雨水利用等方面。1975 年 Marsalek等人对美国3 个流域内的12 场暴雨事件
水文学文献综述
森林对水文的影响 唐恩勇 ( 贵州大学林学院水土保持与荒漠化防治091班) 摘要：森林与人类的生活息息相关，他不仅是可供人类开采利用的一种自然资源，更是人类及其他生命赖以生存的环境与物质基础。随着人类的发展进步，无论是生活和生产实践还是科学的研究探索，对于森林的作用都有一个深刻地认识，总的来说，森林的防护效益有这几个方面：森林的水源涵养作用，土壤改良及水土保持作用，气候和环境的改善与维持作用，大气污染、土壤污染、水体污染防治作用，各种生物资源的保护作用，人类健康保健与环境美化作用等等。水不仅是生命存在和延续的先决条件，而且是全球与局部气候状况的重要决定因素，随着人类文明的发展，人们对水的用途的要求越来越高，用量越来越大，然而，随着全球环境的改变，地球上的可以利用的水资源越来越少，征对森林对水资源的作用，森林的存在对于水文效应的影响，无论是从宏观还是微观，无论是从地上还是地下都有着不可替代的作用，研究森林对水文的影响，更有利于合理利用水资源、保护生态环境的对策和措施有效地实施。研究和认识森林对水文影响的规律，对于开发、利用水资源，防治水患，充分发挥森林的生态效益具有重要意义。 关键字：森林水文效应生态效益 为了认识森林对自然界水分运动的影响及所产生的效应。研究森林对水文的影响，它起源于19世纪中叶。1864年德国的 E.埃贝迈尔在巴伐利亚建立了第一个森林气象站，对林区降水量、土壤蒸发和枯枝落叶层对地面蒸发的影响进行了观察。1900年在瑞士的埃曼托尔山地的两个集水区，对森林和牧地、耕地进行了河流流量的对比观察。之后，日本、美国、苏联等国家相继开展了这方面的研究。20世纪中期以来，研究范围进一步扩大，手段日趋现代化。如在不同自然地域内开展各种林分的水量平衡和水质研究，探索不同林种、不同采伐方式对降水和径流的影响，找出最佳森林水文效益的林种和采伐、更新方式，以及在测试仪器和装置方面采用中子散射、无线电遥控、室内模拟等。中国最早是于1924～1926年在山西、山东等地的寺庙林里进行了径流试验。 1森林的地上部分对降雨的再分配过程 大气降水落到森林表面时，首先被森林植物地上部分截留引起降水的第一次分配。然后，当降水量足够大时，一部分降水到达枯枝
流域水文概述
近几十年,新安江模型不断改进,已成为有我国特色应用较为广泛的一个流域水文模型。新安江模型是分散型模型,把全流域按泰森多边形法分成若干块,每一块称为单元流域。在每块单元流域内至少有一个雨量站;单元流域大小要适当,使得每块单元流域上的降雨分布相对比较均匀,并尽可能使单元流域与自然流域的地形、地貌和水系相一致,以便于能充分利用小流域的实测水文资料以及对某些问题的分析处理。新安江模型的结构分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流计算4个层次。蒸散发计算采用3层模型;产流计算采用蓄满产流模型;用自由水蓄水库结构将总径流划分为地表径流、壤中流和地下径流3种;流域汇流计算采用线性水库;河道汇流计算采用马斯京根分段连续演算法或滞后演算法。对划分好的每块单元流域分别进行蒸散发计算、产流计算、水源划分计算和汇流计算,得出单元流域的出口流量过程。对单元流域出口的流量过程进行出口以下的河道汇流计算,得到该单元流域在全流域出口的流量过程。将每块单元流域的出流过程线性叠加,即为全流域出口总的流量过程。新安江模型的结构特点可以简单的归纳为:(1)三分特点,即分单元计算产流、分水源坡面汇流和分阶段流域汇流;(2)模型参数少且大多数具有明确的物理意义,容易确定;(3)模型参数与流域自然条件的关系比较清楚,可以寻找到参数的区域规律;(4)模型中未设超渗产流机制,适用于湿润与半湿润地区。王金忠、胡环[4]利用新安江模型对清河水库产流进行了预报。吉林省水文水资源局[5]利用新安江三水源模型对竞赛流域的洪水进行了预报。李致家[6]等利用改进的新安江模型对高理流域和临沂流域的洪水进行了预报。瞿思敏[7]等利用新安江模型与垂向混合产流模型对青峰岭水库和危水水库流域的洪水进行了预报和比较。这些预报结果都说明了新安江模型在湿润地区和半湿润地区具有较好的适应性,而在干旱半干旱地区的模拟效果则不够理想。此外,新安江模型在大中流域的模拟效果比在小流域的模拟效果要好。 ＳＡＣ模型虽然研制完成时间相对较晚,但是其功能较为完善。ＳＡＣ模型在美国的
森林植被变化的水文生态效应研究进展
森林植被变化的水文生态效应研究进展 王礼先 张志强 (北京林业大学水土保持学院,北京100083) 摘要 从森林植被变化对水量、径流泥沙和水质的影响等方面介绍了国内外森 林植被变化水文生态效应研究进展。从世界各国的研究来看,普遍的研究结论认 为森林减少可以增加流域年产水量;森林植被可以较大幅度地减少径流泥沙含 量;森林植被参与生物地球化学循环,可以有效地改善溪流水质状况。由于影响 森林水文生态效益的环境异质性的普遍存在,森林植被变化水文生态效应影响 程度在不同水文生态区差别很大,因此,要想将一个地区森林植被水文生态效应 研究结果可靠地外推到其他地区其他流域,必须重视森林水文生态过程动力学 机制的研究。 关键词 森林植被变化 流域水量 径流泥沙 水质 随着人类对自身生存来自环境的压力与日俱增的认识逐渐加深,森林作为工业社会的主要材料来源之一的生态学后果的突现,人们对森林与林业对人类生存与发展显示的重要作用产生了新的认识,使得林业经营与发展进入更为注重生态与社会效益的经营利用观。森林生态效益的产生与其对生物地球化学循环动力(能量)与介质(水文循环与大气循环)的影响密切相关,揭示森林植被变化(森林采伐、森林火灾、开垦、造林等)的水文生态效应,可以为森林经营、流域管理、景观管理、自然保护、山地防灾、水资源利用和土地利用规划等提供科学依据。本文拟从森林植被变化对水量、径流泥沙和水质的影响等方面介绍国内外森林植被变化的水文生态效应研究进展。 1 森林植被变化对水量的影响 集水区具有特定的系统边界是水文循环和水量平衡研究的天然场所,在森林水文生态效应研究中占有非常重要的位置。另一方面,从森林植被对降水—汇流过程的影响出发,森林植被对水量的影响又可分为林冠截流、枯枝落叶层截持水、林地土壤水分入渗及贮水、林地蒸发散等方面。 1.1 流域试验研究 森林与水的关系的科学研究始于本世纪初,森林水文研究从其早期发展阶段来看,主1998 世 界 林 业 研 究 WO RL D F OR EST RY RESEA RCH N o .6a 收稿日期:1998-10-12
流域水文模型研究进展
流域水文模型研究进展 姓名：杨柳专业班级：水文学及水资源研1017班学号：1008150845 摘要：流域水文模型是水文研究的重要工具之一。本文较全面、较系统地对其概念、分类和国内外研究进展情况进行了综述，并简要介绍了分布式流域水文模型。探讨了未来的发展方向,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。 关键词：流域，水文模型，分布式流域水文模型，发展 Abstract:Hydrological model is an important tool for hydrological research. This more comprehensive, more systematic way of its concepts, classifications and research progress at home and abroad were reviewed, and briefly describes the distributed hydrological model. And it explored the future direction of development. I believe that it has important reference value and reference in peer-related work. Keywords:river basin; hydrological model; distributed hydrological model; development 1前言 流域水文模型把流域总体看成是一个系统，输入为降雨等，输出为出流流量等。流域内的水文过程则是系统的状态，是根据水文概念推理计算出来的。随着全球性缺水问题日益严重，水污染、水资源分布不均衡等问题的日益突出，就要求人们不断加强水文学的定量化研究，而流域水文模型就是其中发展较为迅速的研究领域。它有助于我们在利用水资源、分配水资源中提供合理的、科学的依据。流域水文模型在进行水文规律的研究和解决生产实际问题中起着重要的作用。因此，掌握常见的流域水文模型是必要的。 20世纪以来流域水资源问题日益突出，为了提高流域整体管理水平和科技水平，“数字流域”的建设正在日益兴起。模型建设尤其是流域水文模型的建设是“数字流域”建设的核心内容和基础工作。数字水文模型就是构建在DTN/DEM基础之上的一种分布式水文模型，先由DEM建立数字高程水系模型，再与数字产流模型和数字汇流模型有机结合形成数字水文模型，其基本框架见图1。数字水文模型是一种有物理基础结构的包含大量信息的现代化模拟技术，流域所有下垫面(诸如流域分水线、子流域集水面积、水系、地形、植被、土壤)都是栅格型数字式的点阵，流域产流单元、汇流路径、水系是根据地形由计算机自动生成[1]。 2流域水文模型的概念及分类 水文现象是一种非常复杂的现象，它不仅受降雨特性的影响，还受流域下垫面、人类活动等因素的影响。因此，多年来水文学者一直在不断地探索和研究，以便揭示水文现象及其发展变化规律。但是，至今仍有许多问题尚未解决。在没
基于的和分布式水文模型的应用比较
基金项目 作者简介山西运城人教授 主要从事水文预报研究 基于的和分布式水文模型的应用比较 李致家 水资源环境学院江苏南京 摘要本文采用 对 建了基于 并将个模型应用 于黄河支流洛河卢氏以上流域的水文模型的参数率定和模拟比较 以探讨 个模型都能很好地进行水文过程模拟 其中基于 更好的效果 新安江模型 自世纪后半叶许多水文模型被提出并应用于实际 利用地理信息和遥感技术考虑流域空间变异性的分布式水 赵人俊 改进作者曾在产流机制基础上提出了一个基于 栅格和地形的分布式物理模型 模型 本文将 最后将 模型 如图所示将流域划分成栅格图中流域有模型以 基础提取水系划分子流域 进行单个栅格产流计算再以流向为基础生成河网采用 产流计算 将单元汇流带内的栅格通过土壤缺水量建立联模型的部分产流理论
单元汇流带示意 式中是单元栅格的地 形指数 关系 黏 壤 式中 和 指在沙 植被及根系截留计算 认为同类土地覆盖参数 在单元栅格上时段的降水量 植物截留 蒸散发计算 在 植被及根系截留层蒸散 蒸散发先发生在植被及根系截留层当植被及根系截留层的水分蒸发完毕 式中上上时段的植被及根系截 是单元栅格上的植被及根系截留层最大截流量 式中上 上 土壤水流计算 式中?
图 ? 汇流计算 由 格演算次序矩阵 采用 如图 栅格水流都流入 由 得 则 出流量 为 之及自身产流量 其中 基于子流域的模型和基于子流域的新安江模型 图? 新安江模型计算流程模型结构 将模型和新安江 模型与构建了两个分布式水文模 型 分别采用 入流进行河网演算得到流域出口断面的流量 图 基于子流域的等流时线汇流法基于子 的面积 或面积 设时刻子流域出口断面的流 量为 时刻子流域的平均产流量为 的水流才对出口断面的 时刻流量 由于至时刻的产流量对出口断面 时刻流量 从而通过积分可以得到将子流域根据平均水流路径划分成个汇流区第个汇流区累计以上汇流区的面积和占流域总 面积百分比为 个汇流区距离出口的平均水流路径为 个汇流区的平均水流速度为
浅谈森林水文效应的研究进展
浅谈森林水文效应的研究进展 我省全面启动生态省建设，根据其功能划分，主导生态功能为保持和提高源头径流能力与水源涵养能力，保护生物多样性和保持水土。保护和发展方向主要是：搞好退耕还林、封山育林，建设水源涵养林。森林植被具有涵养水源、调节径流、改善水质、保护土壤和水环境等水文功能，现已成为共识，但森林对河流总径流量的影响却长期存在争论，国内外专家几十年的研究积累了大量正面和反面的例子，取得了积极的成果，但综合性的多因子森林水文效应定量研究较少，按流域进行的综合性研究分析还很薄弱。应该认为，由于各地流域面积、植被类型、气候特征、地质地貌条件、土壤结构等因素的差异，森林对河流年径流量的影响也因地而异，一个地区所获得的结论不能外推，以采伐森林来获得河流径流量增减的措施更不能盲目引用。本文对多年降雨、水文和森林覆盖资料进行分析，评估该流域森林覆盖率对河流径流能力的影响，对指导实践生态省建设有积极意义。森林水文效应是森林环境效应的组成部份，也是森林生态效益计量与评价研究的重要内容之一。 １．水资源的挑战 水是人类生存和发展的基本物质条件之一。从人类出现之日起，就以这种或那种方式影响地球上的水文系统，利用它，又同它斗争。水的消耗量同人口增长，经济发达程度，以及文化进步等有密切关系。我国人均耗水量约为600多立方米/年。据外国专家估算，20世纪初，全世界耗水量大约是4×1011立方米/年，到1950年11×1011立方米/年，1975年为3×1012立方米/年。2000年为6×1012立方米/年，为20世纪初的15倍。虽然增长速度有增快趋势，但世界总耗水量这个数字同地球上水圈的水总贮量15×1017立方米相比较，所占比例很小。 第一，我们通常所称的“水资源”并不是水圈的全部贮水，而是指和人类生活及工农业生产有密切关系的，能直接利用的一部分淡水，包括浅层地下水，湖泊（淡水），河川径流及土壤水等，这部分水的贮量约占地球上总水量的千分之三。 第二，因受大气环流，季风，距海洋远近，以及下垫面特征的影响，水资源的空间分布不均。全世界约有1/3的土地属干旱区，水资源严重不足，水资源空间不均的情况同土地资源，人口分布，工农业分布的不均分布相结合，加剧了区域性水资源不足的矛盾。同农业生产需水的季节性，工业生产和人的生活用水持续不断的需要，也产生很大矛盾。水分不足形成的干旱和水分集中过多所带来的洪水危害，一直是人类生存和发展过程中经常性的自然灾害。 第三，人类对水资源的开发利用受自然条件和社会经济及技术条件的限制，到目前为止，已开发利用的水资源只占可利用水资源的很小比例。虽然，人类一直不断地在扩大水资源的开发利用。有的水资源，如地下水又存在开发利用过度，以致带来一系列新问题。如地下水位显著下降，地下水漏斗状下降等。还有就是水资源严重污染，据统计全世界污水排放量达75×1010立方米/年，加剧了水资源短缺的矛盾。由于污染，全世界约有60%的居民饮水达不到卫生标准，这不仅
国内外遥感驱动的流域水文模拟
国内外遥感驱动的流域水文模拟 遥感技术应用中心路京选、宋文龙、曲伟 水循环过程及其影响要素的观测和数据获取对流域水文模拟具有重要意义。遥感影像的波谱能量特性，与水文循环和水文过程的能量过程具有相关的物理基础，具有服务于水循环过程关键因素反演与流域水文模拟的巨大应用潜力。尤其是遥感技术以其对地物的高光谱、高时相、高分辨率监测和反演优势，在流域水文模拟中的应用历来受到重视。尽管遥感技术无法直接测量河川径流，但是结合遥感提供的地形、土壤、植被、土地利用、冰雪覆盖、土壤水分和流域水系水体等下垫面状况信息，以及由遥感所反演的降水量和蒸散发等关键水文过程要素，在确定产汇流特性以及水文模型参数时十分有用。通过间接转化还可获得一些传统水文方法观测不到的信息，且遥感具有周期短、同步性好、及时准确、分布式等特点，能较好地满足水文模拟实时、空间分布的需求。与描述时空变异性、多变量或参数化的水文模型进行有效结合，可用于水文过程模拟及水循环规律研究。因此，直接或间接地应用遥感资料，能在多种时空尺度上更准确地服务于流域的水文情势分析、水资源评价、洪水过程监测预报等。 针对遥感技术在水利行业特别是流域水文模拟中的应用现状、前景和难点，报告首先对流域水文模拟的科学和管理意义、水文模型发展、遥感在驱动流域水文模拟定量化发展中的重要意义做了概述；其次，综述了遥感在流域水文模拟中的应用现状，包括直接获取相关要素的时空分布信息，为提高遥感信息精度和空间特性而将不同分辨率和精度数据进行的相互融合，以及结合模型算法实现水循环关键环节的空间尺度反演，用于流域水文模拟、参数率定和模拟精度验证等；最后，对近年来遥感在流域水文模拟应用中的发展新动向和关注点做了重点阐述，对推动我院在该领域的研究提出了具体建议。 1 调研背景概述 1.1 流域水文模型是水资源管理的基础 水文模型是对复杂水循环过程的近似描述，随着社会需求、技术发展和人对水循环规律认识的加深而不断发展。水文模型的发展可追溯到19世纪50年代，在一百多年的发展历程中，水文模型经历了萌芽、概念性模型和分布式模型三个主要发展阶段。20世纪50年代以前，水文模型大多
森林不同水文层次蓄水功能的研究_李红云
第12卷第5期水土保持研究V o l.12 N o.5 2005年10月R esearch of So il and W ater Conservati on O ct.,2005 ① 森林不同水文层次蓄水功能的研究 李红云1,杨吉华1,鲍玉海1,宗萍萍1,于洪泰2 (1.山东农业大学林学院水土保持系,山东泰安 271018;2.泰安市水土保持科学研究所,山东泰安 271000) 摘 要:在总结过去研究成果的基础上,论述了森林地上层、地表层、地下层三个水文层次的蓄水机理,系统分析了 不同因子对森林不同水文层次蓄水功能的影响,为以后深入研究森林涵养水源的作用及水土保持林的经营提供理 论依据。 关键词:森林;水文层次;蓄水能力 中图分类号:S715.7 文献标识码:A 文章编号:100523409(2005)0520175203 Study on the W a ter Con serva tion Function of D ifferen t Hydrology Arrangem en ts of Forest L I Hong2yun1,YAN G J i2hua1,BAO Yu2hai1,Z ON G P ing2p ing1,YU Hong2tai2 (1.S oil and W ater Conservation D ep art m ent of F orestry Colleg e, S hand ong A g ricu ltu ral U niversity,T aian,S hand ong271018,Ch ina; 2.Institu te of S oil and W ater Conservation S cience of T aian C ity,T aian,S hand ong271000,Ch ina) Abstract:O n the basis of summ arizing past research results,the conservati on sto rage m echanis m of the ground upper strata, the surface layer and the underground layer,w h ich are the th ree2hydro logy arrangem ents of fo rest w as described.T he autho rs system atically analyzed the influence on the th ree2hydro logy arrangem ents conservati on sto rage functi ons of different facto rs. It w ill offer a scientific theo retical foundati on fo r further investigati on on fo rest conservati on functi on and m anagem ent of fo rests fo r so il and w ater conservati on. Key words:fo rest;hydro logy arrangem ent;w ater conservati on capability 森林作为一个综合自然体,是陆地生态系统的主体,是生态平衡的重要调节器,在维护地球生态平衡与稳定方面发挥着主导作用。1998年夏季我国南北方发生的特大水灾和近几年春季干旱,华中、华北、西北、东北各地多次出现的泥雨、扬沙及沙尘暴天气一次次地向人们敲响了环境的警钟。保护和发展森林,发挥其涵养水源、保持水土的功效,这将是功在当代利在千秋的伟业[1]。森林有着巨大的蓄水功能,它通过地上层(乔、灌、草)、地表层(枯枝落叶)和土壤层三个水文层次对降水进行调蓄。森林每个水文层次的蓄水功能受该层次的结构、性质以及外界因子等诸多因素的影响。本文以整个森林生态系统为对象,论述了森林不同水文层次的蓄水机理及其影响因子,为深入研究森林涵养水源的作用和水土保持林的经营及流域综合治理提供理论依据。 1 森林地上层蓄水功能的研究 1.1 森林地上层的蓄水机理 大气降雨进入森林生态系统后首先通过林冠层进行第一次水量分配。当雨水落到枝叶的表面,受枝叶表面吸附力的作用被截留,逐渐在枝叶的表面形成一层水膜,这层水膜又吸附其他的雨水,直到降落在枝叶表面的雨滴重力超过了水膜的表面张力为止[1]。林冠层将大气降水分配为林内降水、树干茎流和林冠截留三部分[2]。对于复层结构林分,降水经过林冠截留后,大部分雨水透过林冠落到林下木本或草本覆盖层上,出现了与林冠层相似的再截留过程。 1.2 不同因子对地上层蓄水功能的影响 1.2.1 林冠特性因子对地上层蓄水功能的影响 林冠特性因子(林分类型、林冠结构、林冠郁闭度、树冠的湿润状况等)不同,林冠的截留率和截留量也不同。首先,林冠枝叶的粗糙度影响林冠的截留能力。刘向东等的研究表明,枝叶表面粗糙的树种比枝叶表面光滑的树种的林冠吸水能力强,截留量大[3]。林冠截留量还受林冠枝叶的分布情况的影响,范世香等研究表明,林冠枝叶空间分布越均匀,林冠枝叶量越多,其饱和截留容量越大[4]。林分结构是影响其截留量的一个重要因子。据观测,单层林分的降水截留量低于复层林分[5]。林冠截留率与林分郁闭度有很大关系,林冠层的郁闭度不同,枝叶量不同,所产生的总的表面张力也不同,从而导致林冠层的截留量不同。马雪华等的研究表明,林冠的郁闭度越大,其截留降水量就越大;箭竹-冷杉林郁闭度为0.7,林冠的截留率为23.40%,郁闭度为0.3,林冠截留率为12.66%[6]。林冠湿润状况是影响林冠截留率的一个不可忽视的因子。在多雨的季节,由于连续降雨,叶、枝、干经常保持潮湿,截留率较低[7]。 ①收稿日期:2004210213 基金项目:国家发展计划委员会山区生态环境建设项目 作者简介:李红云(1979-),女,硕士研究生,主要从事流域综合治理及生态林业工程方面的研究。
分布式水文模型
题目：分布式水文模型的原理及其应用 学院名称水建学院 专业名称水文与水资源 学生姓名朱良哲 学号2009011728 指导老师严宝文
分布式水文模型的原理及其应用 摘要 分布式水文模型是在分析和解决水资源多目标决策和管理中出现的问题的过程中发展起来的，所有的分布式水文模型都有一个共同点：有利于深入探讨自然变化和人类活动影响下的水文循环与水资源演化规律。本文就几种分布式水文模型进行分类总结与比较，探讨其原理与应用。 关键字：分布式；水文模型；DEM；MIKE SHE；TOPMODEL；SWAT Distributed hydrological model is analyzed and deal with the water in multi-objective decision-making and management problems in the process of the development of up, all of the distributed hydrological model have one thing in common: to further discussed natural change and human activities under the influence of the hydrologic cycle and water resource evolution rule. This paper distributed hydrological model several classification summary and comparison, this paper discusses the principle and application. Key word: distributed; Hydrological model; DEM; MIKE SHE; TOPMODEL; SWAT 一、分布式水文模型-特点 与传统模型相比，基于物理过程的分布式水文模型分布式可以更加准确详细地描述流域内的水文物理过程，获取流域的信息更贴近实际。二者具体的区别在于处理研究区域内时间、空间异质性的方法不一样：分布式水文模型的参数具有明确的物理意义，它充分考虑了流域内空间的异质性。采用数学物理偏微分方程较全面地描述水文过程，通过连续方程和动力方程求解，计算得出其水量和能量流动。 二、分布式水文模型-尺度问题、时空异质性及其整合 尺度问题指在进行不同尺度之间信息传递（尺度转换）时所遇到的问题。水文学研究的尺度包括过程尺度、水文观测尺度、水文模拟尺度。当三种尺度一致时，水文过程在测量和模型模拟中都可以得到比较理想的反应，但要想三种尺度一致是非常困难的。尺度转换就是把不同的时空尺度联系起来，实现水文过程在不同尺度上的衔接与综合，以期水文过程和水文参数的耦合。所谓转换，包括尺度的放大和尺度的缩小两个方面，尺度放大就是在考虑水文参数异质性的前提
森林生态系统水源涵养服务流量过程研究_李士美
第25卷 第4期自 然 资 源 学 报V o l.25N o.4 2010年4月J O U R N A L O F N A T U R A L R E S O U R C E S A p r.,2010 森林生态系统水源涵养服务流量过程研究 李士美1,2,谢高地1,张彩霞1,2,盖力强1,2 (1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;2.中国科学院研究生院,北京100049) 摘要:基于多年的定位监测数据,研究了亚热带5种森林生态系统水源涵养服务的流量过程。 结果表明,里骆杉木林、西江坪常绿阔叶林的年内林冠截留量曲线呈现单峰型,而宜山龙桥的3 种森林生态系统的林冠截留量曲线则呈双峰型。5种森林生态系统累积林冠截留价值的过程 曲线基本一致。里骆杉木林和西江坪常绿阔叶林的水文调节量变幅较大,而龙桥3种类型的年 内水文调节量变幅较小。5种森林生态系统的月平均水文调节量依次为西江坪常绿阔叶林> 里骆杉木林>龙桥柠檬桉马尾松混交林>龙桥马尾松林>龙桥杉木林。5种森林生态系统水 资源供给功能过程曲线呈现与水文调节功能曲线相似的规律,对应的月平均水资源供给量分别 是751.92、486.92、332.08、210.50、65.92m3/(h m2·月)。运用影子价格法计算了累积林冠截 留价值、累积水文调节价值和累积水资源供给价值。根据计算结果,建立了月水文调节量和月 水资源供给量与月降水量的回归方程。 关 键 词:生态系统服务;流量;水量平衡法;亚热带森林;水源涵养 中图分类号:S718.56;Q149 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2010)04-0585-09 森林的水源涵养服务功能是指森林生态系统通过林冠层、枯落物层和土壤层对降水再分配,从而有效涵蓄水分、调节径流的功能。水源涵养服务是森林生态系统的重要服务功能之一[1-3]。在全球森林的14项生态系统服务功能中,森林的水源涵养服务占两项,即水文调节和水资源供给[1]。一些研究者针对不同区域,对森林的水源涵养功能和价值进行了专题研究[4-8]。然而,目前对森林生态系统水源涵养服务的评价中大多是基于年降水、蒸散、径流等特征的研究成果对森林生态系统水源涵养功能和价值进行分析,缺乏对森林水源涵养服务流量过程和其价值累积过程的分析研究。所谓流量是指单位时间内水源涵养服务产生的大小。 20世纪70年代以来,国内陆续建立了各自然地带的森林水文站和生态站,如海南岛尖峰岭水文生态站,广西农大龙胜、宜山、田林、岑溪人工林和天然林水文综合观测场等[9]。这些台站对森林生态系统的水文功能进行了长期定位观测研究,为森林生态系统水源涵养服务的流量过程研究奠定了坚实的基础。 本文选取中亚热带和南亚热带森林为研究对象,以广西龙胜县、宜山县两地5种森林生态系统的多年定位监测数据为基础,研究水源涵养服务流量年内演变特征,比较分析不同森林生态系统和不同地理区的水源涵养服务功能差异性,以增进对森林水源涵养服务形成机理的认识,以期进一步增强生态系统服务功能价值评估的科学性。 收稿日期:2009-03-13;修订日期:2010-02-04。 基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2009C B421106);国家自然科学基金项目(30770410)。 第一作者简介:李士美(1981-),男,山东郓城人,博士研究生,主要从事生态系统服务功能研究。E-m a i l:l i s h i m e i @163.c o m