分布式水文模型的发展

分布式水文模型的发展、现状及前景 于兴杰1，孙金丹2，张树田1，史福祥1 （1.山西省电力勘测设计院 山西 太原； 2. 陕西煤炭地质局131大队，陕西 韩城 715400） 摘要：分布式水文模型的研究是当前水文建模领域最为活跃的研究方向之一，是解决流域水文、生态和环境问题的有效途径。文中讨论了分布式水文模型的分类、一般结构、下垫面因子、与GIS和遥感技术的关系、参数率定、应用领域等问题，指出分布式水文模型发展面临的问题并展望了未来的发展方向。 关键字：分布式水文模型 下垫面因子 遥感技术 GIS 中图分类号：P334 文献识别码：C 1 水文模型概况 流域水文模型是水文科学中一个最重要的分支之一，是研究水文自然规律和解决水文实践问题的主要工具。严格说来，水文模型可以分为确定性模型和随机性（统计）模型。确定性模型应用有限的物理学规律描述水文过程，其预测结果不存在不确定性；随机模型应用概率理论和随机性过程描述水文环节，其预测结果多为条件概率的形式。确定性模型根据模型对流域是空间集总式的还是分布式的描述，以及对水文过程是经验性描述、概念性描述还是完全物理描述，可将模型进一步划分为黑箱模型、概念模型和基于物理学的分布式模型。 黑箱模型、概念模型和物理模型分别代表确定性水文模型的不同发展阶段。黑箱模型基于传输函数，几乎没有任何物理意义；概念模型介于完全物理描述和经验式黑箱模型之间；基于物理的水文模型建立在人们对控制流域响应的水文过程的物理认识的基础之上。由于流域的水文异质性，物理模型必须对流域进行离散化，使得模型计算单元内的水文性质满足物理学的均一性要求，因而，物理模型是空间分布式的模型。分布式物理模型能够模拟整个径流过程，可以预测多个水文变量(如径流量、土壤含水量以及蒸散发等)的时空格局。在分布式模型中，物质、能量和动量的传输直接应用控制微分方程描述，如应用St．Venant方程描述坡面漫流、应用Richard方程描述包气带水分运移以及应用Boussinesq方程描述地下水流运动。分布式模型中的偏微分方程多采用数值解，如有限单元法和有限差分法，因此，相对于集总式概念模型，分布式模型需要更多的计算时间和性能更好的计算机。 分布式水文模型是近20年来水文建模领域的热点[11]。之所以能成为近年来具有吸引力的水文学研究热点之一，一是因为地理信息系统(GIS) 技术的不断完善，使得描述下垫面因子复杂的空间分布有了强有力的工具；二是因为计算机技术和数值分析理论的进一步发展，为用数值方法求解描述复杂的流域产汇流过程的偏微分方程组奠定了基础；三是因为雷达测雨技术和卫星云图技术的进步，为提供降雨量实时空间分布创造了条件，为分布式水文模型的发展铺平了技术道路；流域对自然和人为因素的响应研究以及流域管理决策人员的需求，极大地推动了分布式水文模型的发展。1986年丹麦水力学研究所、英国水文研究所和法国的SOGREAH合作开发的系统水文欧洲SHE是最早为人所知的分布式水文模型，它致力于模拟水文循环的所有重要环节。Famigliettieta1[1]将修改的TOPMODEL[1]和一个表面能量平衡模型耦合在一起，计算整个流域范围内的蒸散发空间变化。Wigmostaeta1[1]建立了一个分布式的水文—植被模型，研究复杂地形条件下的流域水文过程。本文立足于分布式水文模型的研究成果，归纳了分布式水文模型的分布式水文模型的分类、一般结构、下垫面因子、与GIS和遥感技术的关系、参数率定、应用领域等问题，论述了分布式水文模型未来发展方向。 2 分布式水文模型分类 2.1 现有分布式水文模型 20世纪70年代以来，水文学家已经提出了众多的分布式水文模型。建立在概念性水文模型基础上的一类分布式水文模型已为人们所熟知。在其他分布式水文模型中，笔者认为最值得介绍的当推SHE模型和DBSIN模型[1]，这是两个均具有比较明确物理概念的分布式水文模型。SHE模型以水动力学为其基础，模型中涉及到的植物截留、蒸散发、坡面水流、河道水流、土壤水运动、地下水流和融雪径流等的物理过程均由基于物质不灭和能量守恒定律的微分方程来描写。SHE模型的作者们曾对英国威尔士中部面积只有10.55 km2的Wye河流域率定了该模型参数，采用的平面网格的大小为250m×250m，整个土层划分为38个子土层，每个子土层厚仅0.05 m，达到的精度基本上是令人满意的。DBSIN[1]模型以水文学理论为基础，以数字高程模型为平台。模型将流域划分成网格，每个网格作为一个计算单元，其降雨输入由雨量站网或雷达测雨提供。模型由产流模块和汇流模块构成，采用运动型下渗模型计算每个网格的产流量，根据每个网格中水滴流达出口断面的汇流时间进行汇流计算。该模型曾应用于意大利半岛西北部Amo河的支流Sieve河流域，其流域面积为840km2，数字高程模型的高程分辨率为1 m，网格的大小为400m×400m，模型中大多数参数由地形地貌和土壤类型资料确定，只有少数参数通过率定求得，模拟结果有80％是令人满意的。 2.2 模型分类 概括现有分布式水文模型的结构可以看出，若按子流域或子区域所采用的分析降雨径流形成的理论和方法，分布式水文模型可分为概念性和具有物理基础两类。常见的可用于构建概念性分布式水文模型的有：美国的SAC模型、日本的TANK模型、中国的新安江模型等。具有物理基础的分布式水文模型又可分为以水动力学原理为主要基础和以水文学原理为主要基础两种情形，前者的例子可举上述的SHE模型，后者的例子可举上述的DBSIN模型。此外，也有一些模型，如TOPMODEL和TOPKAPI模型。由于既不同于概念性分布式水文模型的结构，又不同于具有物理基础的分布式水文模型的结构，而是属于具有物理基础的半分布式水文模型。若按各子流域或子区域形成的径流过程转变成全流域径流过程的方法，分布式水文模型可分为松散型和耦合型两类。松散型分布式水文模型的特点是：假设流域中每个子流域或子区域对整个流域的总响应的贡献是相互独立的，而具有物理基础的松散型分布式水文模型的优缺点介乎以上两者之间，因此它是近期发展前景较好的一类分布式水文模型。 3 水文模型的一般结构 分布式水文模型结构可以从两个角度进行分析，首先是功能结构，即按照系统内部功能的聚集程度，把模型划分成功能相对独立的子系统，每一个子系统实现了对水文循环某一环节的数学描述。 分布式水文模型的通用功能模块有：1)一维降水冠层截留模型；2)一维辐射传输模型；3)一维蒸散发模型；4)一维融雪模型；5)一维包气带水分垂向运移模型；6)二维表面漫流模型；7)一维河流（渠道）模型8)二维饱和壤中流（地下水）模型；9)二维灌溉模型。如果模型考虑水质和土壤侵蚀问题，还应包括：1)一维包气带内溶质运移和化学反应过程模型；2)三维饱和带内溶质运移和化学反应过程模型；3)土壤侵蚀和沉积物运移模型。分布式水文模型通过上述子系统描述水文过程的各个重要环节，如融雪过程、冠层截留、蒸散发、地表漫流、渠道汇流、不饱和与饱和土壤水分运动等。分布式水文模型从程序实现的角度，其结构可以分解为计算单元上的一维通量过程和计算单元的能量、物质空间集总过程。一维通量过程包括功能结构划分中的各个一维模型，即在计算单元上，分布式水文模型要实现降水截留计算、蒸散发计算、边界层短波辐射传输以及长波辐射计算、降水下渗计算和产流计算．在计算单元空间集总过程中，要实现功能模块中的二维和三维模型，如表面漫流模拟、饱和带土壤水(地下水)运移模拟，如果模型涉及水质问题，还需要模拟空间上溶质和沉积物的运移。模型单元的计算结果通过空间集总，最终通过一维河流（渠道）模型，给出流域出口断面的流量。分布式水文模型的功能结构通过子程序设计实现，其程序结构通过多重循环实现，模型单元的计算过程位于多重循环的最里层。 4 下垫面因子 水文学家早就认识到下垫面因子空间分布不均匀性对流域降雨径流形成影响的重要性。例如，1960年Linsley和Crawford[3]在研制Stanford模型时就曾使用下渗容量面积分布曲线来考虑下渗容量空间布对降雨径流形成的影响。20世纪70年代，赵人俊等[5]在研制新安江模型时提出了旨在考虑包气带持水能力的空间分布对蓄满产流影响的流域蓄水容量曲线。而这些考虑下垫面因子空间分布不均匀的方法仅是一种统计方法，且由于这种方法不能给出下垫面因子真实的空间分布，故不能同时考虑气候因子空间分布不均对流域降雨径流形成的影响。因此，寻求能够描写下垫面因子真实空间分布的方法，就成为研制分布式水文模型必须解决的关键技术．从数学上说，下垫面因子的空间分布可用下列函数[3]表达： ),(yxk （1）

式中：k表示下垫面因子；x，y表示流域上某一点的位置坐标。由于寻求式(1)的解析形式的困难性，使得过去相当长时间内分布式水文模型的发展比较缓慢。虽然直到目前，人们仍无法用一个解析函数来表达式式（1），以便精确地描述下垫面因子在空间上的连续变化，但是空间离散化技术为构建式（1）的离散形式指出了方向。时至今日，水文学家曾使用过的划分子流域或子区域的方法有Thiesse多边形法、等流时线法、自然分水线法、网格法和不规则三角网格法等，其中网格法最具普遍意义和发展前景。显然，这种做法是对式(1)的近似，其精度与子流域或子区域的划分方法和粗细程度有关。地理信息系统技术是快速、自动、合理地划分子流域或子区域的强有力的工具。目前由地理信息系统和遥感技术构建的数字化平台已成为描写水文现象时空分布和探讨降雨径流形成机理的新研究手段。 5 GIS和遥感在分布式水文模型中的角色 GIS(Geographical information system)，地理信息系统是采集、存储、分析和显示空间信息的计算机系统，是处理和分析地理数据的通用技术。GIS提供的空间分析功能，如空间数据的叠加分析、缓冲区分析、表面分析以及数字地形分析等功能 ，在水文建模中已经得到了广泛应用．分布式水文模型的发展极大地得益于GIS的成熟及其日趋强大的功能． 5.1 GIS在分布式水文模型中的作用 GIS在分布式水文模型中的以下几个方面发挥着重要作用： 1）空间数据管理。GIS能够统一管理与分布式水文模型相关的大量空间数据和属性数据，并提供数据查询、检索、更新以及维护等方面的功能；2）提取水文特征。如利用地形数据计算坡度、坡向、流域划分以及河网提取等；3）模型数据准备。如利用GIS的空间分析和数据转化功能，制备分布式水文模型要求的流域内土壤类型图、土壤深度图、植被分布图以及地下水埋深图等空间分布性数据；4）模型输出结果的可视化与再分析。如上所述，分布式水文模型的输出结果更多的是空间分布型信息，这些结果或者是以模型特定的数据格式，或者是以某些GIS系统的数据格式，如ArcView的ASCII-GRID格式或GRASS[1]的GRID数据格式输出，只有应用GIS，才能对这类结果进行显示、查询和再分析。 5.2 遥感数据在分布式水文模型中的应用 遥感数据(航空照片和卫星影像)能够提供流域空间特征信息，是描述流域水文变异性的最为可行的方法，尤其是在地面观测缺乏地区。在分布式水文建模中，遥感数据的应用可以归纳为：作为模型输入数据和用作模型参数估计，具体有7个方面[8]：1）降水强度观测以及空间格局；2）蒸散发计算和土壤湿度反演；3）雪被覆盖面积；4）