流域水文模型

维普资讯 第３４卷第３期　董艳萍，等：流域水文模型的回顾与展望　的方法．解决了由净雨过程线推求流域出口断面流量过程线　的问题，流域汇流理论开始取得重大进展。随后左贺（ＺＯＣｈ）先　生于１９３４年提出了现行水库和瞬时单位线的概念．克拉克　（Ｃｌａｒｋ）先生于１９４５年将等流时线与线性水库两种概念相结　合建立了瞬时单位线方法．纳西（Ｎａｓｈ）先生于１９７５年提出　了具有Ｇａｍｍａ函数分布形式的瞬时单位线．杜格（Ｄｏｏｇｅ）先　生于１９６０年将系统概念明确引入流域汇流之后相继提出一　般性流域汇流单位线、时变水文系统概念和各种流域非线性　汇流理论和计算方法　单位线概念只注重系统反应．不考虑　系统的状态，属于黑箱子模型．但因其概念与方法简单．要求　的资料少．又具有一定精度．在水文学上起了很大的作用．直　接推动了系统理论模型和概念性水文模型的发展　Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ　先生和Ｉｔｕｒｂｅ先生等依据流域河网定理和“粒子理论”于　１９７９年提出了地貌瞬时单位线的概念．把流域与河网结构　和流速的空间分布联系起来．从而提供了一个直接利用流域　出口断面流速资料就可以确定流域瞬时单位线的新途径　Ｒａｎａｌｄｏ先生于１９９１年首创的流域汇流理论充分纳入“扩散　理论”．认为流域汇流是地貌扩散和水动力学扩散共同作用　的结果　这些物理概念清晰的基础理论进一步推动了分布式　流域水文模型，特别是物理模型的发展ｌ５．６３　２流域水文模型简介　２．１模型的分类　从反映水文要素的科学性和复杂程度的角度说．流域水　文模型通常可以分为三大类：系统理论模型、概念性模型和　物理模型１７一　系统模型将所研究的流域或区间视作一种动力　系统，利用已有的输入（一般指雨量或上游干支流来水）与输　出（一般指流域控制断面流量）资料．建立某种数学关系，然　后据此用新的输入推测输出　这类模型只关心模拟结果的精　度．而不考虑输入与输出之间的物理因果关系，因此又被称　为“黑箱子模型”。代表模型有：总径流线性响应模型（ＴＬＲ）、　线性扰动模型（ＬＰＭ）等　概念性模型是以水文现象的物理概　念和一些经验公式为基础构造的．它把流域的物理基础（如　下垫面等）进行概化（如线性水库、土层划分、蓄水容量曲线　等）．再结合水文经验公式（如下渗曲线、汇流单位线、蒸散发　公式等）来近似地模拟流域水流过程　概念性流域水文模型　主要有：水箱模型（Ｔａｎｋ　Ｍｏｄｅ１）、斯坦福模型、萨克拉门托模　型、ＳＭＡＲ模型及新安江模型等。一般．物理模型认为流域面　上各点的水力学特征是非均匀分布的．因而依据物理学质　量、动量与能量守恒定律以及流域产汇流特性构造水动力学　方程组．来模拟降雨径流在时空上的变化。与概念性模型中　把基本单元简化为一个垂直圆柱体而只考虑水力的垂直向　运动不同的是，物理水文模型提出既要考虑单元内部垂直方　向水量交换．又要考虑水平方向的水量交换　其中有代表性　的有ＳＨＥ　模型和ＤＢＳＩＮＣＩＯｌ模型等　从反映水流运动空间变化的能力角度说．水文模型又可　分为两类：集总式模型和分布式模型ｌ１１］　集总式模型认为．流　域表面上各点的水力学特征是均匀分布的．对流域表面任何　一点上的降雨．其下渗、渗漏等纵向水流运动都是相同和平　行的．不和周围水流运动发生任何联系．因此整个流域被当　作一个单元体．只考虑水流在单元体内的纵向运动　分布式　模型则认为流域表面上各点的水力学特征是非均匀分布的．　水流在流域表面上分布并不均匀．应将流域划分为很多个小　单元．在考虑水流在每个小单元体内的纵向运动时．也要考　虑各个小单元之间水量的横向交换　分布式流域水文模型的　主要思路是：将流域划分成若干网格．对每个网格分别输入　不同的降雨．根据各网格内植被、土壤和高程等情势，对每个　网格采用不同的产流计算参数分别计算产流量：通过比较相　邻网格的高程确定各网格的流向．根据各网格的坡度、糙率　和土壤等情况确定参数．将其径流演算到流域出口断面得到　流域出口断面的径流过程。模型的参数由地形、地貌数据结　合实测历史洪水资料率定得到，雷达测雨、遥感、地理信息系　统、数值计算和计算机等技术的支撑使得分布式流域水文模　型的研究和应用得以实现。目前．分布式流域水文模型主要　有两类：分布式数学物理流域水文模型和分布式概念性流域　水文模型　分布式数学物理流域水文模型．其主要的水文物　理过程均采用质量、能量和动量守恒的偏微分方程描述．如　坡面洪水波、不饱和、饱和渗流等方程，相邻网格单元之间的　时、空间关系用水动力学的连续方程来建立，采用有限差分　方法对方程求解：同时．模型也采用了一些通过实验得到的　经验关系；模型考虑了蒸散发、植物截留、坡面和河网汇流、　土壤非饱和和饱和渗流、融雪径流、地表和地下水交换等水　文过程．模型参数主要根据地形和地貌数据量测和分析．并　结合历史洪水资料的率定来确定。这类模型的优点是模型的　参数具有明确的物理意义，可以通过连续方程和动力方程求　解，可以更准确地描述水文过程，具有很强的适应性；模型用　严格的数学物理方程表述水文循环的各子过程．参数和变量　中充分考虑空间的变异性，并着重考虑了不同单元间的水平　联系，对水量和能量过程均采用偏微分方程模拟。因此，它在　模拟土地利用、土地覆盖、水土流失变化的水文响应及面源　污染、陆面过程、气候变化影响评价等方面的应用具有优势：　参数一般不需要通过实测水文资料来率定，解决了参数间的　不独立性和不确定性问题，便于在无实测水文资料的地区推　广应用。分布式概念性这类流域水文模型，在每个单元网格　上应用现有的集总式概念性流域模型推求净雨．并进行汇流　演算，推求出口断面的流量过程：汇流演算一般采用水文学　或水力学方法：模型参数主要根据历史洪水资料分析率定，　并结合地形和地貌数据量测和分析得到ｌｌ２＿１４］　一般说来，系统模型和概念性模型都是集总式模型，而　物理模型都是分布式模型。另外，介于集总式模型和分布式　模型之间．还有一种“半分布式”水文模型，其典型代表是以　地形为水文过程空间变异性基础的ＴＯＰＭＯＤＥＬｔ１５］模型　２＿２模型的发展及现状　流域水文模型的研究始于２Ｏ世纪５Ｏ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　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３４．Ｎｏ．３豳

２０１１年第２期　

流域水文模型研究进展综述　

吴贤忠　

（甘肃民族师范学院，甘肃甘南７４７０００）　摘要：介绍了流域水文模型的发展，总结了常用的流域水文模型及特点，最后对流域水文模型的发展进行展望。　关键词：水文模型；分布式水文模型；概念模型；ＧＩＳ；展望　

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。　

１流域水文模型的发展特点　

随着计算机技术的诞生，流域水文模型应运而生。　

２０世纪５Ｏ年代后期，系统理论应用迅速发展，水文学提　

出了流域水文模型的概念。随后的二、三十年是流域水　

文模型的蓬勃发展时期。当前流域水文模型在洪水预　

报、流域规划等领域起着越来越重要的作用。其模型的　

发展主要呈现以下几个特点：　

１．１时间上呈阶段性　

随着电子计算机技术的迅速发展，流域水文模型的　

发展较快，按照发展的时间大约划分为原始、近代、现代　

三个阶段。其原始阶段，即水文模型起步阶段，发展时间　

大约在２０世纪５０年代后期至７０年代初期。近代发展　

阶段大约为随后的８０年代。从２０世纪９０年代至今是　

模型发展的现代阶段，也是水文模型突破性发展阶段。　

该阶段由于地理信息系统和卫星遥感技术的广泛应用，　分布式水文模型成为世界各国水文科学家研究的主流，　

该模型基于数字高程模型，以流域面上分散的水文参数　

和变量来描述流域水文时空变化的特性。　

１．２模型研究的区域不均衡　

美国和欧洲等发达国家在流域模型研究方面占有　

重要的地位，而发展中国家在该方面的研究相对落后，　

第２４卷第３期　２００７年９月　长江工程职业技术学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ＶＯ１．２４　ＮＯ．３　Ｓｅｐ．２００７　

流域水文模型进展与展望　

宋萌勃　，黄锦鑫２　（１．长江工程职业技术学院，湖北赤壁４３７３０２；　２．长江水利委员会陆水水文站，湖北赤壁４３７３０２）　

摘要：流域水文模型是水文研究的重要工具之一。本文试图较全面和系统地对其概念、分类和进展情况进行综　述。简要地对集总模型和分布式模型作了对比分析，并对流域水文模型建立的一般步骤及评价标准作了介绍。　关键词：流域水文模型；数字流域；评价标准；分类　中图分类号：Ｐ３３４＂．９２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７３—０４９６（２００７）０３—００２６—０３　

Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｒｉｖｅｒ　Ｂａｓｉｎ　Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｍｏｄｅｌ　Ｓ０ＮＧ　Ｍｅｎｇ－ｂｏ　．ＨＵＡＮＧ　Ｊｉｎ—ｘｉ　（１．Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　ＣｏＨｅｇｅ，Ｃｈｉｂｉ　４３７３０２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｌｕｓｈｕｉ　Ｈｙｄｒｏｍｅｔｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＷＲＣ，Ｃｈｉｂｉ　４３７３０２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏｏｌ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃ　ｓｔｕｄｙ，ｆｉｖｅｒ　ｂａｓｉｎ　ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ　ｉｎ￣ｏｄｕｃｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ，ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｆｏｃｕｓ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｌｕｍｐｅｄ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｍｏｄｅ１．Ｂｒｉｅｆ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　Ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｍａｄｅ　ｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｉｖｅｒ　ｂａｓｉｎ　ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ；ｄｉｇｉｔａｌ　ｂａｓｉｎ；ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄ；ｃａｔｅｇｏｒｙ　

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第16卷　第1期地质灾害与环境保护Vol.16,　No.1

2005年3月JournalofGeologicalHazardsandEnvironmentPreservationMarch2005

文章编号:　1006-4362(2005)01-0071-04

收稿日期:　2004203224基金项目:　国家地调项目子课题《西南岩溶地区地下水资源综合评价》流域水文模型发展展望

刘凤莲,陈植华

(中国地质大学环境学院,武汉　430074)

摘要:　介绍了流域水文模型的理论基础,总结了流域水文模型与计算机技术集成化,地理信息系统与遥感技术的嵌套应用趋势以及水文模型发展中将会遇到的问题。

关键词:　流域水文模型;地理信息系统;遥感;环境;发展中图分类号:　X143 文献标识码:　A

1　前言

流域水文模型即是用数学的方法去描述模拟重

现水文循环过程。可以定义为陆地表面上或地下环

境中水及其组份的流动和运移过程的数学函数构成

的一种数学物理模型,它严格满足流域水量平衡原

理。

地球上的水文现象,是诸多因素相互关联相互

作用的结果。出现这种结果的过程及规律性,一直为

水文工作者所研究探讨。目前为止,虽然有许多的问

题没有完全解决,但对已有规律的描述总是通过水

文模型的方法来重现水文现象。而且,通过水文模型

的方法来仿真水文事件已经被证明是一种有效而可

行的方法。

1.1　模型的应用流域水文模型可以生成年、月、日径流系列以及

流量过程线,还可以求得流域的实际蒸散发系列。作

为一种水文分析工具,其应用范围非常的广泛。

(1)水文计算:　在计算机的辅助下,径流模拟可以生成日平均流量、月径流量和年径流量、洪峰流

量,以及详细的洪水过程线。因此,应用流域水文模