基于分布式水文模型的水土保持水文水资源效应研究

《分布式水文模型的现状与未来》篇一一、引言随着全球气候变化和人类活动的加剧，水文问题日益突出，对水文模型的研究和开发变得尤为重要。

分布式水文模型作为当前水文研究的热点，其能够更精细地描述流域内水文过程的时空变化，为水资源管理、洪水预报、生态环境保护等提供科学依据。

本文将重点探讨分布式水文模型的现状与未来发展趋势。

二、分布式水文模型的现状1. 模型发展历程分布式水文模型起源于20世纪后期，经历了从集中式模型到分布式模型的转变。

早期集中式模型将整个流域视为一个整体，难以反映流域内不同地区的异质性。

随着计算机技术和地理信息系统的快速发展，分布式水文模型得以快速发展，该模型考虑了流域内地理、气候、土壤等多方面的因素，具有更高的模拟精度。

2. 模型应用领域分布式水文模型广泛应用于水资源管理、洪水预报、生态环境保护等领域。

在水资源管理方面，通过模拟流域内水文的时空变化，为水资源分配和调度提供科学依据。

在洪水预报方面，分布式水文模型能够提供更精确的预报结果，为防洪减灾提供支持。

在生态环境保护方面，分布式水文模型有助于评估人类活动对流域生态环境的影响。

3. 模型技术特点分布式水文模型具有以下技术特点：一是空间分布性，模型将流域划分为多个子流域或栅格，考虑了流域内地理、气候等因素的异质性；二是物理机制明确，模型基于水流运动的物理规律，能够更准确地描述水文过程；三是可扩展性强，模型可以方便地与其他模型进行耦合，提高模拟精度。

三、分布式水文模型的未来1. 模型精细化发展未来，分布式水文模型将进一步向精细化方向发展。

一方面，模型将更加关注流域内不同地区的异质性，提高模拟的时空精度；另一方面，模型将考虑更多的物理过程和影响因素，如地下水流动、植被蒸腾等，以提高模拟的准确性。

2. 模型智能化发展随着人工智能和大数据技术的发展，分布式水文模型将向智能化方向发展。

通过集成机器学习、深度学习等技术，实现模型的自动校准和优化，提高模型的预测能力。

水
2008 年 12 月 文章编号 : 0559 - 9350( 2008) 12 - 1279 - 07
利
SHUILI
学
XUEBAO
报
第 39 卷 第 12 期
基于分布式水文模型的水资源评价新方法
王忠静
1, 2
,杨
芬
1, 2
, 赵建世
1, 2
,何
杉
3
( 1 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 , 北京 100084; 2 清华大学 水利水电工程系 , 北京 100084; 3 水利部 海河水利委员会 , 天津 300170)
该区地处干旱该模型基于分布一28一ademc1990年土地利用e雨量站thiessen多边形b土壤类型d2000年土地利用图2永定河山区流域基础资料f蒸发站thiessen多边形表1不同土地利用类型的参数一1282一黜黼蹦黼岛口口口口黝黼群黼嬲图3水文测站分布一致不宜用取短时段的纳什nash系数评价模型模拟效果故提出拟合度年或更长时段模拟值与真实值的比值作为模型评价标准
摘要 : 为解决变化环境条件下水资源评价中的 还原 失真 和 还原失 效 问题 , 本文提 出基于 物理参 数的分 布式水 文模型用于变化环境下水资源评价方法的 原理和假定 , 以及基于此原理利用上游测 站流量进行 模型参数 率定和中 游测站进行验证 ( 简称 UCMV, Up -reach for Calibration and Mid -reach for Validation) 的 水资源评 价新方法。以永 定河山 区流域为实例 , 进行了不同时期下垫面的水资源评价。结果表明 , 流域 1990 年和 2000 年下垫面 条件下多 年平均地 表水资源量分别为 10 799 和 9 892 亿 m 3 , 后者相对于前者产流能力降低了 8 0% , 清楚地表现出下垫面变化对流域 产流能力的影响 , 也进一步证实了 还原失效 现象的存在以及基于物理分布式水文 模型进行变 化环境下 的水资源 评价的有效性。 关键词 : 分布式水文模型 ; 水资源评价 ; UCMV; 下垫面变化 ; 永定河山区 流域 中图分类号 : TV211 文献标识码 : A

第六章分布式水文循环模型近年来，水文模型研究的重点已从集总式流域水文统计模型转向分布式水文模型的研究，分布式水文机理过程模型的开发成为人们关注的焦点。

分布式水文模型的研制首先需要获得大量的流域空间分布数据，目前的水文模拟技术则趋向于将水文模型与地理信息系统（GIS）的集成，以便充分利用GIS在数据管理、空间分析及可视性方面的功能。

而数字高程模型（DEM）是构成GIS的基础数据，利用DEM可以提取流域的许多重要水文特征参数，如坡度、坡向、水沙运移方向、汇流网络、流域界线等。

因此，基于DEM 的流域分布式水文模型是水文模拟技术发展的必然趋势，也是本文水资源量可再生性的理论与评价研究的重要基础。

6.1 流域数字高程模型DEM及在水文中的应用数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)是由美国麻省理工学院Chaires ler教授于1956年提出来的，其目的是用摄影测量或其他技术手段获得地形数据，在满足一定精度的条件下，用离散数字的形式在计算机中进行表示，并用数字计算的方式进行各种分析。

DEM作为地理信息系统的基础数据，已在测绘、地质、土木工程、水利、建筑等许多领域得到广泛应用。

本节将介绍DEM的基本知识及其在水文中的应用。

6.1.1 DEM的基本知识(1) 地形的数字描述20世纪中叶，随着计算机科学、现代数学和计算机图形学等的发展，各种数字的地形表达方式得到迅猛的发展。

1958年Miller和Laflamme提出了数字地形模型DTM(Digital Terrain Mold)的概念，并给出了以下的定义：数字地形模型是利用一个任意坐标场中大量选择的已知X、Y、Z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示。

实际上，数字地形模型DTM是通过地表点集的空间直角坐标(x,y,z)并视需要进一步伴随若干专题特征数据来表示地形表面的。

它的更通用的定义是描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列，从数学的角度，可以用以下二维函数系列来概括地表示数字地形模型的丰富内容和多样形式：()),,3,2,1;,,3,2,1( ,n p m k v u f K p p k p === （6.1.1）式中：K p ——第p 号地面点（可以是单一的点，但一般是某点及其微小邻域所划定的一个地表面元）上的第人类地面特性信息的取值；u p ,v p ——第p 号地面点的二维坐标，可以是采用任一地图投影的平面坐标，或者是经纬度和矩阵的行列号等；m ——地面特性信息类型的数目（m ≥1）；n ——地面点的个数。

1分布式地下水模拟模型模的种类及特点常用的地下水文模拟模型包括解析模型、数值模型、水均衡模型及物理模型等。

目前国际上较为流行的地下水数值模拟模型主要包括ModFlow和FeFlow，下面对其分别进行介绍和比较。

1.1ModFlow模型是一套专门用于孔隙介质中三维地下水流数值模拟的模型。

自ModFlow问世以来,它已经在全美甚至在全世界范围内,在科研、生产、环境保护、城乡发展规划、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用,成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算软件. ModFlow主要采用三维有限差分方法进行模拟。

其基本原理是：在不考虑水的密度变化的条件下，孔隙介质中地下水在三维空间的流动可以用下面的偏微分方程来表示. 1.2Feflow模型它采用有限元法进行复杂二维和三维稳定/非稳定水流和污染物运移模拟。

Feflow的有限元方法允许用户快速构建模型来精确地进行复杂三维地质体的地下水流及运移分析，在这方面其功能要强于ModFlow。

2流域生态水文过程与分布式水文模型有限的淡水资源已经成为社会经济可持续发展和生态系统健康的重要限制因子，现有的水利工程技术难以有效解决这一矛盾，需要探索新的方法和机制以解决水资源短缺、水质恶化和生物多样性减少等环境问题，生态水文学（Ecohydrology）正是在这种背景下发展成为水文学研究的一个重要分支。

3建模的关键技术 3.1遥感与GIS技术遥感作为信息采集的重要手段，已经为水文建模提供了丰富的空间属性数据资料，并且为模型验证提供了新的方法，而GIS技术为水文模型的数据管理和模型应用带来了较大的便利，遥感数据和GIS技术成为水文建模研究的重要方向由于流域下垫面高度的空间异质性，大多数遥感数据获取的水文属性参数与物理观测值之间并没有很好的相关关系，给模型的验证带来很大的难度，遥感数据参数化和特征值提取还有很多问题亟待进一步研究。

3.2流域水循环综合模拟模型随着计算机技术、系统科学和大量水文模型方法研究的进展，使得进行整个流域整体水循环模拟成为可能。

收稿日期：2010-02-19基金项目：国家自然科学基金项目（50979005）；国家重点基础研究发展计划（“973”）项目（2010CB428402）；北京师范大学“京师学者”特聘教授启动经费作者简介：徐宗学（1962-），男，山东淄博人，教授，主要从事水文水资源研究。

E-mail ：zxxu@分布式水文模型研究与应用进展徐宗学，程磊（北京师范大学水科学研究院，水沙科学教育部重点实验室，北京100875）摘要：分布式水文模型是探索和认识复杂水文循环过程和机理的有效手段，也是解决许多水文实际问题的有效工具。

本文从当前水文水资源科学研究的热点问题出发，系统总结了分布式水文模型在解决水文学面临的重要问题中研究与应用的现状、进展与不足，讨论了建模中存在的难点问题和关键技术，并探讨了分布式水文模型的发展趋势。

关键词：水循环；水资源；分布式水文模型；进展中图分类号：P332文献标识码：A水利学报SHUILI XUEBAO 2010年9月第41卷第9期文章编号：0559-9350（2010）09-1009-091研究背景水文学的发展历史表明，社会需求是水文学发展的根本动力，并决定了其发展方向和进程［1-2］。

近二、三十年来，在人口膨胀、水资源短缺、环境污染和气候变化等研究需求的推动下，水文研究领域不断拓展并趋于综合，全球水文学、生态水文学和环境水文学等研究领域的兴起和不断深入给分布式水文模型研究、开发和应用带来了巨大的机遇和挑战［1，3］。

水文模型种类繁多，通常所说的水文模型和分布式水文模型分别指的是水文数学模型和分布式流域水文模型［4-7］，分布式流域水文模型最显著的特点是与DEM 结合，以偏微分方程控制基于物理过程的水文循环时空变化，分布式的过程描述和结果输出［4］。

分布式水文模型能够考虑水文参数和过程的空间异质性，将流域离散成很多较小单元，水分在离散单元之间运动和交换，这种假设与自然界中下垫面的复杂性和降水时空分布不均匀性导致的流域产汇流高度非线性的特征是相符的，因而所揭示的水文循环物理过程更接近客观世界，更能真实地模拟水文循环过程，是水文模型发展的必然趋势［1，3，5-6］。

科技 创新 与应 用 ｌ ２ ０ １ ３ 年 第２ ６ 期
科 技 创 新
分布式水文模拟模型在流域水资源管理中的应用
郭 舸
（ 南阳水文
摘 要： 为 了促 进 我 国 的流 域 水 资 源管理 综 合 效 益 的提 升 ， 需要 根 据 分 布 式流 域 水 文模 拟 模 型展 开分 析 ， 以 实现 对 其 内部 模 式 总体 结 构 的深入 应 用 ， 促进 其 特 点 的深入 了解 ， 保 证 流域 水 资 源 管理 综合 效益 的提 升 。 为 了 实现对 流 域 水文 模 拟模 型 的有 效 应 用， 需要 流 域 水资 源的 相 关管 理人 员做 好 相 关 的分析 工 作 。 关 键词 ： 水 文模 拟 ； 管理 应 用 ； 研 究深化 ； 探 究
１关 于分布式 降雨 径流模 拟模型及其 Ｔ Ｏ Ｐ ＭＯ Ｄ Ｅ Ｌ模型 的分 较 广 泛 的 ， 这 与其 自身 的 优 势是 分 不 开 的 ， 其顺 应 了低 地 下 水 流 数 值模型的发展局势 ， 具备 比较强大的实用性。 其包含了以下的内容 ， １ ． １国外 的分 布水 文模 式 的发 展 历史 比较 长 的 ， 其 经 历 了一 个 比如 离散 方法 的应 用 、 程 序设 计 结 构 的模 块化 应 用 等 。通 过对 矩 形 比较 长 的历 史发 展 阶段 ，逐 渐 实 现 了该模 型分 析 理论 系 统 的健 全 。 网格的应用 ， 来保证 Ｍ ｏ ｄ Ｆ ｌ ｏ ｗ工作模式的稳定发展 ， 促进工作环节 该模 型 的研 究理 论起 源 于 一篇 关 于物 理 基 础数 值模 拟 理 论 的文 章 。 的优化。 因而对于处理复杂地质体 中的地下水三维渗流场模拟方面 随着 时代 经 济 的不 断发 展 ， 美 国 的关于 Ｓ ＷＡ Ｔ 模 型的 理论 体 系 不 断 存 在 着不 足 ， 没有 有 限元 三 角剖 分灵 活 多变 。Ｆ ｅ ｌ ｆ ｏ ｗ是 由德 国 Ｗａ ｓ ｙ 得 到健 全 ， 出现 了 Ｔ Ｈ Ａ Ｌ Ｅ Ｓ模 型模 式 ， 该 模 式 是 一 种 分 布 式 的参 数 水 资 源规 划 系统 研究 所研 制 开 发 的地下 水模 型 软件 包 。 它 采 用有 限 模型， 其 具 备一 定 的矢 量高 程 数据 。 随着 经济 模 式 的不 断深 化 ， 国际 元 法 进 行 复 杂 二 维 和 三 维 稳 定 ／ 非稳定水 流和污染 物运移模 拟 。 科学经济技术的不 断发展 ， 其分布式水文模式诞生 ， 该模式实现了 Ｆ ｅ ｌ ｆ ｏ ｗ 的有 限 元 方 法允 许 用 户 快 速 构 建 模 型 来精 确 地 进 行 复 杂 三 对 各 个环 节 的综合 比如 空 间 参数 校 准 、河流 演 算 环 节 等 。无论 是 维 地质体 的地下水流及 运移分析 ，在这方 面其功能要强 于 Ｍ ｏ ｄ — ｏ ｗ。 Ｐ Ｒ Ｍ 模 型还 是 Ｓ Ｌ Ｕ Ｒ Ｐ模 型其 都属 于分 布 式水 文 模 型 。 比较 典 型 的 Ｆｌ 地 表分 布式 水 文模 拟模 型 包括 Ｓ ＷＡ Ｔ模 型 及其 Ｔ ｏ ｐ Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ 模 型。 ３关 于 流域 水循 环 综合 模 拟模 型 的分 析 Ｔ ｏ ｐ Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ 模 型 的发 展 是符 合 时代 的 发展 潮 流 的 ， 该 模式 是 以变 ３ ． １随着 知识 经 济时 代 的不 断发 展 ， 各种 计算 机 应用 技术 、 科 学 源 产流 是 基础 条件 的。通 过对 地 形 空 间变 化 的深 入 了解 ， 来 实 现 其 理论 体 系 不 断 发展 ， 其促 进 了水 文模 式 研 究 方法 的进 步 ， 从 而促 进 结 构模 式 的优 化 ， 促进 其 Ｄ Ｅ Ｍ 推 求地 形 指数 的 有效 应用 。 在 地形 指 相关 流 域整 体水 循 环模 拟 系统 的健全 ， 满足 了现实 工 作 的需 要 。其 数 应 用过 程 中 ， 可 以通 过 对 相关 数 据 信 息 的应 用 ， 来 剖 析 流 域 水 文 流 域 内水 循 环 系统 具 备 一 定 的规 律 性 ， 比如 其 大气 降水 运 动 、 地 层 的循 环 现 象 ， 实 现其 水 流 趋 势 的深 入 分 析 ， 该 模 式 可 以实 现 对 相 关 水运 动 、 地下 渗 流运 动 等 。 通 过对 其 地下 水运 作环 节 的模 拟 ， 来促 进 环 节 的水 源 面 积变 动 情 况 的模 拟 。Ｔ Ｏ Ｐ ＭＯ Ｄ Ｅ Ｌ模 型 结 构 和概 念 比 流域整体水循环模拟环节的优化 。只有保持其处理方案的健全 ， 才 简单， 优选参数少 ， 充分利用了容易获取 的地形资料 ， 而且与观测 的 能实现其处理方式 的优化 ， 保证水循环模型 的精度 的提升。下面以 物 理 水文 过程 有 密切 联 系 。模 型 已被应 用 到 各 个研 究 方 面 ， 并不 断 欧洲的 Ｓ Ｈ Ｅ模型为例介绍整体水循环模拟模型在流域水资源管理 发展 、 改进 ， 反 映 了降 雨径 流 模 拟 的最 新 思想 。但 Ｔ ｏ ｐ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ 并 未 考 中的应 用 。 Ｓ Ｈ Ｅ模 型是 一个 典 型 的整 体分 布式 水循 环 模拟 模 型 。在 虑 降水 、 蒸 发 等 因素 的空 间分 布 对 流域 产汇 流 的影 响 。 Ｓ Ｈ Ｅ模 型 中 ， 流域 在 平 面 上被 划 分 成 许 多矩 形 网格 ， 这 样便 于处 理 １ ． ２ Ｓ ＷＡ Ｔ模 式是 一 种 应 用 范 围 比较 广 泛 的流 域 水 文模 型 ， 该 模 型参 数 、 降雨 输 入 以及水 文 响应 的空 间分 布 性 ； 在 垂直 面 上 ， 则划 模 式 具备 比较 常 的物 理 机制 性 ， 在 某些 发 达 国家 中实 现 了广 泛 的普 分 成几 个水 平 层 ， 以便 处理 不 同层 次 的 土壤 水 运 动 问题 。Ｓ Ｈ Ｅ模 型 及， 比如加 拿 大及 其 相关 北 美洲 地 区 。该 模 式通 过 对 相关 空 间数 据 为 研究 人 类活 动对 于 流域 的 产流 、 产 沙 及水 质 等影 响 问题 提 供 了 理 信息的应用 ， 促 进其 各 个 流 域 各个 水 文 运 作 过程 的模 拟 ， 比如化 学 想 化 的工 具 。 物 质 的变 化情 况 等 。通 过对 模 式 的应 用 ， 促 进其 流 域 离散 化 环 节 的 为 了促 进 河道 流 模 式 的有 效 应 用 ，需 要 掌 握 其 必 要 的 运 作 资 优化 ， 实 现其 蒸发 环 节 、 降水 环 节 等 的优 化 ， 从 而深 入 剖析 人 类 行 为 料 ， 实现其流域整体水循环模式环节的稳定发展 ， 如果不具备合理 和流 域水 文循 环 之 间 的关 系 。通过 对该 Ｓ ＷＡ Ｔ运 作模 式 的研 究 ， 实 的资 料 运作 基 础 ，是很 难 促 进 其 整体 水 循 环模 拟 体 系 的 稳 定 发 展 现 对 流 域情 况 的有 效 模 拟 ， 以满 足 日常工 作 的需 要 。Ｓ ＷＡ Ｔ模 拟 的 的 。 这需 要 实现 其 Ｍ ＭＳ 模 式 的有 效应 用 。 从 根 本上 而 言 ， ＭＭＳ 是 一 流域 水 文 过 程 被分 为两 大 部分 ： 陆 面部 分 ， 它控 制 着 每 个 流 域 内 主 套 相互 匹配 的子 程序 ， 它 们 可 以被一 起 编 译 ， 以表 征 一个 特 定 流域 。 河 道 的水 、 沙、 营养 物 质 和 化学 物 质 等 的 输 入 量 ； 水 循 环 的水 面 部 这些子程序被称为模块 ， 分别描述降雨 、 蒸腾 、 地表漫流 、 地下水 、 日 分。 它 决定 水 、 沙等 物 质从 河 网 向流 域 出 口的输 移运 动 。 Ｓ ＷＡ Ｔ 采 用 射 、 蒸发 、 融雪 、 河 川径 流 和森 林 生长 。 现代 Ｗｉ ｎ ｄ ｏ ｗ ｓ界 面 ， 是 一 个模 型和 Ｇ Ｉ Ｓ 的综 合 型 系 统 ， 它模 拟 了水 ３ ． ２通 过对 这些 模 型 的应 用 ， 来 满 足 日常 工作 的需 要 ， 许 多 的水 和化 学 物质 从地 表 到地 下 含水 层 再 到河 网的运 动 过 程 ， 可 以用 于 几 文 模 型都 具备 一 系列 的 工作 侧 重点 。在模 型 应用 过 程 中 ， 要要 以实 千平 方英 里 的 流域 盆地 的水质 水量 模 拟 。 它 适用 于具有 不 同的土 壤 现 决 策 要 求 为 目的 ， 促 进 其 各 个模 型 的 有 效应 用 ， 促 进 其 各 个 适 用 类型 、 不 同 的土 地利 用 方式 和管 理 条件 下 的 复杂 大流 域 。 范 围的优 化 。实 现对 相关 模 型 结构 特 点 的深 入 了解 ， 保 证 其适 应 性 ２关 于 分布 式 地下 水模 拟 模 型 的分析 的提 升 。 要 针对 模 型 的相关 运 作条 件 ， 保证 其 良好 状 态 的保持 ， 促 进 地 下 水文 模 拟 模 型 的范 围是 比较 广 泛 的 ，比较 常 见 的物 理 模 其 现 实工 程 的开 展 。满 足实 际 场景 对 于模 型 的数 据 信 息 的需 要 ， 实 型、 数值 模 型等 。 通 过对 数值 模 拟模 型 的应 用 ， 实行 对 地下 水文 物 理 现其 相关 信 息采 集 方案 的优 化 ，促 进 流 域水 文模 式 的稳 定应 用 ， 保 过程 的 有效 模 拟 ， 其具 备相 当高 的精 度 型 ， 具 备很 好 的 应用 效 果 ， 它 障流 域水 文 模 型 的有效 开发 。模 型对 不 同数 据 源获 取 信 息 的能 力 。 是 目前 地下 水 文模 拟 系统 的 重要 一个 组 成部 分 。 数 值 模拟 模式 分 为 大 多数 流域 水 文模 型软 件具 有 数据 输 入 能力 ， 以尽 量 减少 数 据输 入 两种 模 式分 别 是有 限单 元 法及 其 有 限差 分法 。 这 两种 模式 具 备各 自 的工 作 量 。 模 型对 用 户 的要 求 。用户 必须 有什 么 样 的专 业知 识 和技 的 应用 特 跌 ， 目前 来 说 ， 在 国际 上 �

基于光滑的数值方法：该方法主要利用光滑函数对数据进行拟合，通 过对函数参数进行调整，使得模型输出与实际观测数据之间的误差最小化。常用 的光滑函数包括线性函数、多项式函数、高斯函数等。
（2）基于随机模拟的方法：该方法主要通过随机抽样对数据进行模拟，并 对模拟结果进行统计分析，以得到模型的输出结果。常用的随机模拟方法包括蒙 特卡罗方法、马尔可夫链蒙特卡罗方法等。
分布式水文模型理论
1、模型建立原理
分布式水文模型的建立需要基于水文学、地理信息系统、计算机科学等多学 科知识。首先，通过数据采集和预处理，获取研究区域内的地形、气候、土壤等 水文相关数据，并对其进行空间分析和数据清洗；其次，根据水文学原理和实际 需求，确定模型的结构和参数，并采用数值计算方法对模型进行求解；最后，通 过模型验证和结果分析，评估模型的精度和稳定性。
（3）基于粒子滤波的方法：该方法主要是通过跟踪一组随机粒子的运动轨 迹，得到模型的输出结果。常用的粒子滤波方法包括卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤 波等。
3、方法实验验证
为了评估分布式水文模型的精度和稳定性，需要进行实验验证。实验验证包 括实验设置、数据预处理、精度评估等步骤。实验设置包括确定研究区域、收集 相关数据、选择适当的模型和方法等；数据预处理包括数据清洗、数据转换、数 据归一化等；精度评估则可以采用均方误差、相对误差、绝对误差等指标进行评 估。
分布式水文模型理论与方法研 究
目录
01 引言
03 分布式水文模型方法
02 分布式水文模型理论 04 结论
引言
水文模型是模拟和预测水文循环过程的重要工具，对于水资源管理、水灾害 防控、生态保护等方面具有重要意义。随着科技的发展和研究的深入，分布式水 文模型逐渐成为水文科学研究的前沿领域之一。分布式水文模型能够综合考虑地 形、气候、土壤等因素对水文循环的影响，提高模型精度和预测能力，为水资源 管理和生态保护提供更为科学可靠的决策支持。本次演示将围绕分布式水文模型 的理论与方法展开探讨。

基于分布式水文模型的水资源评价新方法王忠静;杨芬;赵建世;何杉【期刊名称】《水利学报》【年(卷),期】2008(039)012【摘要】为解决变化环境条件下水资源评价中的"还原失真"和"还原失效"问题,本文提出基于物理参数的分布式水文模型用于变化环境下水资源评价方法的原理和假定,以及基于此原理利用上游测站流量进行模型参数率定和中游测站进行验证(简称UCMV,Up-reach for Calibration and Mid.reach for Validation)的水资源评价新方法.以永定河山区流域为实例,进行了不同时期下垫面的水资源评价.结果表明,流域1990年和2000年下垫面条件下多年平均地表水资源量分别为10.799和9.892亿m3,后者相对于前者产流能力降低了8.0%,清楚地表现出下垫面变化对流域产流能力的影响,也进一步证实了"还原失效"现象的存在以及基于物理分布式水文模型进行变化环境下的水资源评价的有效性.【总页数】7页(P1279-1285)【作者】王忠静;杨芬;赵建世;何杉【作者单位】清华大学,水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京,100084;清华大学,水利水电工程系,北京,100084;清华大学,水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京,100084;清华大学,水利水电工程系,北京,100084;清华大学,水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京,100084;清华大学,水利水电工程系,北京,100084;水利部海河水利委员会,天津,300170【正文语种】中文【中图分类】TV211【相关文献】1.基于分布式水文模型水文还原的地表水资源评价 [J], 魏怀斌;王明娜;周祖昊;桑学峰2.基于分布式水文模型SWAT的缺资料地区水资源评价方法 [J], 梁犁丽;龚家国;冶运涛;徐海卿3.脏盆理论——一种基于河湖水质影响的地表水资源评价新方法 [J], 黄本胜;李深林;邱静;胡培;刘达4.基于ArcGIS的水资源评价系统的开发与应用——以迁安市水资源评价为例 [J], 周娟;李志萍;徐贵新5.“洪水预报和水资源评价新方法”国际研讨会召开 [J],因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

《分布式水文模型的现状与未来》篇一一、引言分布式水文模型作为水文学和水资源管理的核心工具，对于深入理解流域水文过程和有效利用水资源具有至关重要的作用。

在气候变化的背景下，研究和分析分布式水文模型的现状及未来发展趋势显得尤为重要。

本文将探讨当前分布式水文模型的应用现状、所面临的挑战以及未来的发展趋势。

二、分布式水文模型的现状1. 模型发展与应用分布式水文模型通过将流域划分为多个子流域或网格单元，模拟每个单元的水文过程，从而更准确地描述流域的时空变化特性。

自分布式水文模型诞生以来，其发展迅猛，已被广泛应用于水文学、水资源管理、环境监测和保护等多个领域。

在流域洪水预测、水质评估、水资源合理配置等方面取得了显著成果。

2. 技术手段与算法改进随着计算机技术的发展，分布式水文模型在技术手段和算法方面不断取得突破。

例如，利用遥感技术、地理信息系统（GIS）和大数据技术等手段，提高了模型的输入数据精度和空间分辨率；同时，模型算法的改进也使得模型能够更好地模拟复杂的水文过程。

此外，集成多源数据和多种模型的耦合方法也得到了广泛应用。

三、面临的挑战1. 数据获取与处理尽管遥感技术和GIS等技术为分布式水文模型提供了丰富的数据来源，但数据的获取和处理仍面临诸多挑战。

例如，数据的时空分辨率、数据质量、数据同化等问题都需要在模型应用过程中得到妥善解决。

此外，如何将多源数据进行有效整合和利用也是当前研究的重点。

2. 模型复杂性与计算效率分布式水文模型具有较高的复杂性，需要大量的计算资源。

随着模型精度的提高和模拟尺度的扩大，计算效率问题日益突出。

如何在保证模型精度的同时提高计算效率是当前研究的热点问题。

四、未来发展趋势1. 模型精细化与智能化未来，分布式水文模型将更加注重模型的精细化和智能化。

通过引入人工智能、机器学习等技术手段，提高模型的自学习和自适应能力，使模型能够更好地模拟复杂的水文过程。

同时，随着遥感技术和GIS技术的不断发展，模型的输入数据将更加丰富和准确。

分布式水文模型在流域水资源开发利用中的应用探究纵观我国水资源开发利用和管理研究的基本状况，目前的水资源管理是基于一定水文规律的现状水资源的调控与开发利用的。

在自然和人类活动的双重作用下，水资源循环规律发生了改变，具有物理基础的分布式水文模型将为研究宏观尺度上变化环境下水文循环规律和开发利用流域水资源提供科学有力的工具，开发具有物理基础的分布式水文模型将为我国水资源开发利用和管理提供技术支撑和保障。

标签：分布式水文模型；水资源；水文循环1、国内外分布式水文模型的研究现状及意义1. 1 国内外研究现状具有物理基础的分布式模型的研究与开发经历了几十年的时间。

早期的分布式模型没有考虑全部的水文循环，而仅考虑流域内水的流动和运移的特定阶段。

随着基础研究的开展及计算机技术的快速发展，出现了两个最著名的分布式流域模型，即SHE 模型和IHDM。

由于其对资料要求较高，这两个模型的建立和应用主要限于小尺度的流域。

近年来，分布式模型研发的重要性也为众多国内学者所重视，由于国内分布式水文模型的研究起步相对较晚，更多的研究多集中于引进、改良国外的分布式水文模型。

一方面，这些分布式水文模型的开发多基于不同的目标；另一方面，由于中国的实际条件与国外大不相同，如流域资料缺乏、气候及环境要素的不同等均造成了应用的效率降低。

1. 2 研究意义近些年中国在水文水资源高效管理研究方面取得了众多的成果，为解决水资源配置中存在的诸多问题，然而我国水资源配置研究的重点主要集中在建立符合现代流域水循环过程的“天然- 人工”二元认知模式，建立以水循环为基础的水资源合理配置模式、建立具有统一基础的水资源配置准则和建立水资源配置合理性评价标准和体系等。

根据水资源供需平衡及一定的用水目标，一些科学家从水资源优化配置的角度建立了水资源优化配置管理模型。

值得注意的是，这些模型的建立并没有考虑流域水文循环的物理过程，而从水资源供需、水资源最优化配置出发建立模型并应用于区域水资源的管理中。

分布式水文模型水文模型始终是水文科学研究的重要手段与方法之一。

21世纪以来水资源危机日益突出，为了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，基于DEM的分布式水文模型成为当今水文界研究的热点。

回顾水文模型的发展历史，不难发现分布式水文模型并不是一个新的概念。

早在20世纪70年代，国外就开始了分布式水文数学模型的研究，1969年Freeze和Harlan发表了《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。

目前代表性的模型有： SHE模型、IHDM模型、SWAT模型等。

我国在分布式水文模型的研制方面则起步较晚，目前还没有比较成熟或者得到国际上普遍认可的分布式水文模型。

同时国外的模型也不太适用于中国的国情，许多模型在具体引用时还存在很多的问题。

因此，我们急需在借鉴国外先进模型的基础上，利用现代科学技术（尤其是计算机和"3S"技术），研制适合我们国情的分布式水文模型。

"3S"技术的引进，为水文科学注入了新的血液。

目前水文模拟技术趋向于将水文模型与地理信息系统（GIS）集成，以便充分利用GIS在数据管理、空间分析及可视性方面的功能。

而数字高程模型（DEM）是构成GIS的基础数据，利用DEM可以提取流域的许多重要水文特征参数，如坡度、坡向、水沙运移方向、汇流网络、流域界线等。

因此，基于DEM的分布式水文模型是现代水文模拟技术发展的必然趋势。

基于DEM的分布式水文模型，通过DEM可提取大量的陆地表面形态信息，这些信息包含流域网格单元的坡度、坡向以及单元之间的关系等。

同时根据一定的算法可以确定出地表水流路径、河流网络和流域的边界。

在DEM所划分的流域单元上建立水文模型，模拟流域单元内土壤～植被～大气（SVAT）系统中水的运动，并考虑单元之间水平方向的联系，进行地表水和地下水的演算。

概括起来，由于建立在DEM基础之上，分布式水文模型具有以下特色：①具有物理基础，描述水文循环的时空变化过程。

源 概念 。
始 条 件等 数据 ， 采 用一种 离 散化 的计 算方 式 ， 对 其 进行 分析 求解 。 影 响水 循环 的因 素有 很 多 ， 模 型 参数 主 要 依靠 其 水 体移 动 介质 的物 理 特 性 来测 量 、推 算 ， 分 布 式水 文 模 型可 广 泛 应 用于 对 流
腾三种 评价 准则 ， 基 于水 资源 准 则 的有效 性 、 可控 性 、 可再 生 性 又 可分 为 三种 评 价 口径 ， 分 别 代 表 了狭 义 、 广义 水 资 源 量、 国民经 济 可利 用 量 。本 文 从狭 义 、广 义 水 资 源 口径 对 水 土 保持 水 文 水 资源 效应 做 出评价 。不 重 复 的有 效 蒸 散 发量 加 上 狭 义水 资 源 总量 就 可 以得 出广义 水 资源 总 量 ， 狭 义 水 资源 其 中 包 括 地表 水 资源 量 、 不重 复 的地 下水 资源 量 ， 符合 现 阶 段 水 资
１ 分布 式水 文模 型 的研究
由于 水 体存 在 流 动 性、 空 间变 异 性 的特 点 ， 现 阶 段 水 文模 型有 两 种 ， 分 别 是集 总 式 水文 模 型 、分布 式水 文 模 型 ， 这两 种 水 文 模 型 最大 的 不 同是 其 水体 的水利 学 特 征分 布 是 否 均匀 ， 根 据 水利 学 分布 特 征 的不 同 ， 两 种 水文 模 型在 概 念 上 有着 很 大 的 差别 。 分布 式 水 文模 型 是通 过 水 流 的偏 微分 物 理 方程 来 展 示 水 体在 流 域 时 间、 流域 空 间 上 的变 化规 律 ， 考虑 到 周 边 环境 、初
２ ＷＥ Ｐ — Ｌ 模 型基 本原 理及水 资源 评价 口径
２ ． １ Ｗ Ｅ Ｐ — Ｌ模型 基本 原理 Ｗ Ｅ Ｐ — Ｌ模 型 是 一种 具 有 物 理 机 制 的分 布 式 水 文 模 型 ， 通 过 参考 Ｗ Ｅ Ｐ — Ｌ模 型 就 能 了解 到 自然 界 中 水循 环 的 各个 要 素 模拟 情 况 ，Ｗ Ｅ Ｐ — Ｌ模 型 的模 拟 对 象包 括 天 然 与人 工 这 两种 ， 其 中 天然 的对 象 是 坡 面 河 道 的 主 循环 过 程 ， 人 工 的对 象 则 是 供 一用 一 耗一 排 的侧 支循 环 过 程 ， 这 两种 模 拟 对 象 的耦 合关 系 需 要 水量 平 衡 、各 项 循 环 要素 间 的水 力 联 系 得 以 实现 。Ｗ Ｅ Ｐ — Ｌ模 型 可 由 平面 、 垂 直这 两 种结 构 形 成 ， 其 平面 结 构 由坡 面 汇流 计 算 出各 项 高 带 高程 、 坡 度 、Ｍ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ糙 率 系 数等 ， 通 过 一 维 运 动 坡 法 计算 流 体 的 坡面 径 流 ， 从 其流 域 最 上游 开 始 计 算 ， 直到 追 算 至 最下 游 ， 凡 是河 道 内存 在下 游条 件汇 流 就可 使 用一 维运 动 坡法 。 Ｗ Ｅ Ｐ — Ｌ 模 型 垂 直 结 构 是按 照 从 上 到 下 的方 式 ， 其研 究对 象 包 括 融 雪 与冰 川 层 、植 被 与建 筑 物截 留层 、土 壤 表 层 、过渡 带层 以 及深 、浅层 地 下 水 层等 ，由于 不 均 匀 的土 地 利用 ， 通过 使 用 马 赛 克法 计 算 出每 种 土 地类 型 平 均面 积 值 的地 表 面水 热 通 量 ， 可

分布式水文模型与水资源配置模型耦合研究的开题报告1. 研究背景和意义水资源是人类生存和发展的重要基础，而水资源的合理配置和利用是保障水资源可持续发展的基础。

传统的水资源配置模型主要考虑水资源的供需平衡，但对于分布式水文模型及其对水资源分布和利用的影响却没有考虑。

因此，将分布式水文模型与水资源配置模型进行耦合研究，可以更加准确地揭示水资源的分布和利用规律，为水资源的可持续利用提供科学依据和技术支持。

2. 研究内容及方法本研究将基于区域水文循环模型和水资源配置模型，构建分布式水文模型与水资源配置模型的耦合系统。

具体研究内容包括：（1）构建区域水文循环模型，根据区域地形、土地利用、气象等影响因素，模拟区域水文循环过程，包括地表径流、地下水、蒸散发等。

（2）基于水资源供需平衡原理，构建水资源配置模型，考虑水资源的供需关系、水资源的价格和成本等因素，建立水资源的优化配置模型。

（3）将分布式水文模型与水资源配置模型进行耦合，建立水资源的分布式供应和利用模型，考虑水资源的空间分布、供应与需求等因素，探究分布式水文模型对水资源分配和利用的影响。

研究方法主要包括模型参数校验、模型耦合和模型评价等。

3. 研究预期结果及意义本研究预期建立分布式水文模型与水资源配置模型的耦合系统，探究水资源的分布和利用规律，为研究区域水资源的经济、环境和社会效益提供科学有效的指导。

具体意义包括：（1）探究水文循环与水资源分配的内在联系，揭示水资源的空间分布和利用规律，为水资源的可持续利用提供科学依据。

（2）利用分布式水文模型改善水资源配置模型的供需关系，为水资源的优化配置提供新思路和方法。

（3）提高水资源管理和调控的精度和效益，为区域经济和社会发展提供重要支撑。

基于物理的分布式水文模型引言水文模型是研究水文过程的数学模型，可以帮助我们理解和预测水文系统的行为。

基于物理的分布式水文模型是一种较为复杂的水文模型，它基于物理原理，并将流域分为多个单元进行建模，以更精确地模拟水文过程。

本文将介绍基于物理的分布式水文模型的原理和应用。

一、基本原理基于物理的分布式水文模型主要基于质量守恒和能量守恒原理，通过描述水在流域内的运动和转化过程来模拟水文过程。

它将流域划分为多个水文单元，每个单元代表一个小区域，包括土壤、植被、河流等要素，并考虑地形、气象条件、土壤性质等因素。

1.1 水量平衡基于物理的分布式水文模型通过质量守恒原理来描述水在流域内的运动。

它考虑了降水、蒸发、入渗、径流等过程，并利用水流连续方程建立水量平衡方程。

通过求解水量平衡方程，可以得到流域内各个水文单元的水量变化。

1.2 能量平衡基于物理的分布式水文模型还考虑了能量守恒原理，通过能量平衡方程描述水在流域内的能量转化过程。

它考虑了辐射、蒸发、传导等能量交换过程，并通过求解能量平衡方程，得到流域内各个水文单元的能量变化。

二、模型构建基于物理的分布式水文模型的构建主要包括以下几个步骤：2.1 流域划分流域划分是将整个流域划分为多个水文单元的过程。

划分的精细程度取决于研究的需要和数据的可用性。

一般来说，流域划分越精细，模型的精度就越高。

2.2 参数设定每个水文单元都有一组参数，包括土壤类型、植被类型、蓄水容量等。

这些参数可以通过实地观测、实验室测试或者遥感数据获取。

2.3 模型求解基于物理的分布式水文模型通过数值方法求解水量平衡和能量平衡方程，得到各个水文单元的水量和能量变化。

常用的求解方法包括有限元法、有限差分法等。

2.4 模型验证模型验证是检验模型的准确性和可靠性的过程。

可以与实测数据进行比较，评估模型的预测能力。

如果模型的预测结果与实测数据相吻合，则说明模型具有较好的预测能力。

三、应用案例基于物理的分布式水文模型在水文学研究和水资源管理中有广泛的应用。

分布式水文模型研究与应用进展摘要：自20世纪以来全球水资源危机日益加深，为了研究在特定气候和人类活动影响下的水文规律，水文研究从流域水循环的模拟即集总式水文模型扩展到分布式或半分布式水文模型再到使用专业水文模拟软件进行协同分布式模拟计算。

水文模型是水文科学的重要的研究方法和手段。

关键词：分布式；水文模型；应用1 构建分布式水文模型的难点问题1.1 尺度问题水文现象在不同时空尺度上呈现出性质迥异的变化特征，如何从一种尺度水文变量及其变化特性去认识和推证另一种尺度的水文变量及其变化特性在理论上和实践上都有重要的意义，是当前水文科学研究的前沿，至今还没有形成完整的理论和方法体系。

随着理论和技术的不断发展，水文尺度问题研究呈现出以下发展趋势：（1）借助GIS技术和遥感观测数据对不同时空尺度上流域水文过程对地貌、土壤、植被等流域特征参数的响应进行研究；（2）加强不同尺度上水文过程特征的研究，使水文模拟在不同尺度上得到与观测尺度相符的描述；（3）利用中小尺度上建立的分布式水文模型进行尺度转换研究，探讨较大尺度上的水文过程和规律；（4）应用新技术和新方法提高不同尺度上水文观测的精度和分辨率，从而揭示不同尺度上的水文规律和过程；（5）结合生态、气象等领域的方法、资料和原理拓展水文尺度研究的思路，不断完善尺度理论、方法和技术。

1.2 数据与建模水文循环过程的高度非线性和复杂性，及其与时空尺度的高度相关性，使得不论是一般的还是特殊的分布式水文模型都需要大量的观测数据或水文过程参数，不仅有降水、气温、DEM、地质、土壤、植被等大量的自然环境要素数据，而且还有复杂的地下水取用、水电站径流调节、农业灌溉、污染物排放等人类活动数据。

虽然已经积累了大量的站点观测数据和遥感数据，但是与建模研究的水文过程尺度相匹配的观测数据还很难满足分布式水文模型的需求，而且随着人类活动对自然水文循环的影响不断加深而使得有观测地区又发展成为了新的缺资料或无资料地区。

一、分布式水文模型的优势
一、分布式水文模型的优势
分布式水文模型相对于传统集中式水文模型，其优势主要体现在以下几个方 面：
一、分布式水文模型的优势
1、精细化模拟：分布式水文模型可以针对流域内的不同区域，如地形、土地 利用、土壤类型等因素，建立独立的模型子系统，实现水文过程的精细化模拟。
一、分布式水文模型的优势
三、分布式水文模型的应用领域
2、干旱评估：分布式水文模型能够模拟流域内的水分平衡过程，预测不同气 候条件下的干旱发生概率和影响范围。例如，SWMM-PET模型将SWMM模型与蒸散发 能力计算相结合，能够评估不同气候条件下的干旱风险。
四、分布式水文模型未来研究方 向
四、分布式水文模型未来研究方向
随着计算机技术、数据科学和数值计算方法的发展，分布式水文模型的未来 研究将集中在以下几个方面：
四、分布式水文模型未来研究方向
1、模型参数的估计：针对分布式水文模型参数估计的问题，未来研究将探索 更为高效和准确的参数估计方法，如利用机器学习和人工智能技术进行参数优化。
四、分布式水文模型未来研究方向
四、分布式水文模型未来研究方向
4、跨学科交叉：未来研究将加强跨学科交叉合作，推动分布式水文模型与环 境科学、地球科学、社会科学等领域的交叉融合，拓展其应用范围和领域。
四、分布式水文模型未来研究方向
总之，分布式水文模型作为重要的水文模拟工具，将在未来的水资源管理和 防灾减灾等领域发挥越来越重要的作用。随着科学技术的发展，相信分布式水文 模型的研究和应用将会取得更为显著的进展。
2、动态性考虑：分布式水文模型能够充分考虑气候变化、土地利用变化等因 素对水文循环的影响，具有更强的动态性。
一、分布式水文模型的优势

分布式水文模型理论与方法研究一、本文概述Overview of this article随着全球气候变化和人类活动对水文循环的深刻影响，传统的水文学研究方法已经难以满足日益复杂的水资源管理需求。

分布式水文模型作为一种新兴的水文学研究方法，以其对流域空间异质性的精细刻画和对复杂水文过程的深入模拟，逐渐成为国内外水文学研究的热点和前沿。

本文旨在全面系统地探讨分布式水文模型的理论基础、方法体系、应用实践及其未来发展，以期为水文科学研究和水资源管理工作提供新的思路和方法。

With the profound impact of global climate change and human activities on hydrological cycles, traditional hydrological research methods are no longer able to meet the increasingly complex water resource management needs. Distributed hydrological models, as an emerging method of hydrological research, have gradually become a hot topic and frontier in domestic and international hydrological research due to their precise characterization of spatial heterogeneity inwatersheds and in-depth simulation of complex hydrological processes. This article aims to comprehensively and systematically explore the theoretical basis, methodological system, application practice, and future development of distributed hydrological models, in order to provide new ideas and methods for hydrological science research and water resource management.本文将首先回顾分布式水文模型的发展历程，阐述其产生背景和基本原理。