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流域水文模型研究进展综述摘要：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50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，具有一定影响力的模型很少。
在我国，除了新安江模型的发展影响较大外，还没有其它影响较为深远的模型。
四种水文模型的比较摘要：水文模型是用数学的语言对现实水文过程进行模拟和预报，在进行水文规律的探讨和解决水文及生产实际问题中起着重要作用。
本文分别介绍了新安江模型、萨克拉门托（SAC）模型、SWAT模型以及TOPMODEL模型，并对这四种水文模型的蒸发计算、产流机制、汇流计算、适用流域、参数以及模型特点等不同方面进行了比较分析。
并结合对着4种模型之间的比较，作出了总结分析和展望。
关键词：新安江模型；SAC模型；SWA T模型；TOPMODEL模型；模型比较引言流域水文模型在进行水文规律研究和解决生产实际问题中起着重要的作用。
新安江模型是一个概念性水文模型，1973年由赵人俊教授领导的研究组在编制新安江预报方案时，汇集了当时在产汇流理论方面的成果，并结合大流域洪水预报的特点，设计出的我国第一个完整的流域水文模型，至今仍在我国湿润和半湿润地区的洪水预报中得到广泛应用；萨克拉门托水文模型，简称SAC模型，是R.C.伯纳什（Burnash）和R.L.费雷尔（Ferral）以及R.A.麦圭儿（Mcguire）于20世纪60年代末至70年代初研制的，是一个连续模拟模型，模型研制完成时间相对较晚，其功能较为完善，兼有蓄满产流和超渗产流，广泛应用于美国水文预报中；SWAT模型是美国农业部农业研究中心研制开发的用于模拟预测土地利用及土地管理方式对流域水量、水质过程影响的分布式流域水文模型；TOPMODEL为基于地形的半分布式流域水文模型，于1979年由Beven和Kirkby提出，其主要特征是将数字高程模型（DEM）的广泛适用性与水文模型及地理信息系统（GIS）相结合，基于DEM数据推求地形指数，并以此来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响，描述水流趋势。
本文对这四中水文模型从蒸发计算、产汇流计算、适用流域以及参数等方面进行分析比较，并得出结论。
1模型简介1.1新安江模型新安江模型是赵人俊等在对新安江水库做入库流量预报工作中，归纳成的一个完整的降雨径流模型。
分布式流域水文模型原理与实践一、引言随着水资源管理的重要性日益凸显，流域水文模型成为了研究流域水循环和水资源管理的重要工具。
传统的流域水文模型通常基于集中式的计算框架，但随着计算能力的提升和云计算等技术的广泛应用，分布式流域水文模型逐渐成为研究的热点。
本文将介绍分布式流域水文模型的原理与实践。
二、分布式流域水文模型原理分布式流域水文模型是一种将流域划分为多个子流域，并在每个子流域内进行水文过程模拟的方法。
其原理是通过将流域划分为多个小区域，每个小区域内考虑地形、土壤、植被等因素的空间变异性，以及降雨、蒸发等水文过程的时间变异性，从而更准确地模拟流域水循环的各个环节。
分布式流域水文模型通常基于物理过程描述和统计学方法，通过建立水文模型方程组来模拟流域内的水文过程。
三、分布式流域水文模型实践1. 数据准备：分布式流域水文模型需要大量的输入数据，包括降雨数据、地形数据、土壤参数、植被参数等。
这些数据可以通过观测站点、遥感技术等手段获取，并进行预处理和插值处理，以满足模型的要求。
2. 子流域划分：将流域划分为多个子流域是分布式流域水文模型的核心步骤之一。
常用的方法包括根据地形的坡度、地貌的特征、土地利用类型等进行划分。
划分后的子流域应具有相对独立的水文特征，以便进行独立的水文模拟。
3. 模型参数估计：分布式流域水文模型需要估计一系列的模型参数，包括土壤水分保持能力、蒸发抑制因子、径流产生系数等。
这些参数可以通过实地观测、实验室试验等手段获得，并结合模型的优化算法进行估计。
4. 模型求解：在得到模型输入数据和参数后，可以使用数值方法求解分布式流域水文模型方程组。
常用的求解方法包括有限元法、有限差分法、蒙特卡洛方法等。
通过迭代计算，可以得到各个子流域的水文过程模拟结果。
5. 模型评估与应用：对分布式流域水文模型进行评估是验证模型可靠性的重要步骤。
常用的评估指标包括径流系数、水平分布误差、峰值流量误差等。
在模型得到验证后，可以应用模型进行流域水资源管理、洪水预报、干旱监测等工作。
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。
课程：流域水文模型姓名：xxx专业：水利工程学号：xxxxxxxxxxxx流域水文模型研究的若干进展摘要: 计算机技术和一些交叉学科的发展, 给水文模拟的研究方法带来了根本性的变化。
文章阐述了分布式物理水文模型、地理信息系统( GI S) 和遥感( RS) 技术在流域模拟中的应用等方面的进展。
指出分布式模型具有良好的发展前景,应用GI S的水文模型尽管有诸多优点, 但并不能代表模型本身的高质量, 遥感资料还没有完全融入水文模型的结构中, 给直接应用带来较大的困难。
提出立足于产汇流机理研究, 建立基于RS和GI S的耦合水文模型是研究的趋势, 尺度问题仍然是关注的焦点。
1引言用数学的方法去描述和模拟水文循环的过程,产生了水文模型的概念[1],水文模型的产生是对水文循环规律研究的必然结果。
水文模型在水资源开发利用、防洪减灾、水库、道路、城市规划、面源污染评价、人类活动的流域响应等诸多方面得到了广泛的应用,当今的一些研究热点,如生态环境需水、水资源可再生性等均需要水文模型的支持。
流域水文模型是在计算机技术和系统理论的发展中产生的,20世纪60、70年代是蓬勃发展的时期, 涌现出了大量的流域水文模型,Stanford流域模型(SWM)、Sacramento模型、Tank模型、Boughton模型、前期降水指标(API)模型、新安江模型等是这一时期的典型代表[2]。
其后一段时期,相对处于缓慢的发展阶段。
随着计算机技术和一些交叉学科的发展,流域水文模拟的研究方法也开始产生了根本性的变化。
流域水文模型研究的突出趋势主要反映在计算机技术、空间技术、遥感技术等的应用方面,分布式物理模型被广泛提出,遥感(RS)、地理信息系统(GIS)在水文模拟中的应用给传统的研究方法带来了创新。
但由于受到技术等原因的制约,分布式模型目前的应用还较困难,应用GIS的水文模型尽管有诸多优点,但并不能代表模型本身的高质量,遥感资料还没有完全融入水文模型的结构中。
2 分布式水文模型流域水文模型根据不同的标准有多种分类[3],根据模型结构和参数的物理完善性,目前常用的可分为概念性模型和分布式物理模型。
概念性模型用概化的方法表达流域的水文过程,具有一定的物理基础,也具有相当的经验性,模型结构简单,实用性强。
分布式物理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,可以更准确的描述水文过程,具有很强的适应性。
与概念性模型相比,分布式水文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,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应用显出优势。
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。
自1969年Freeze和Harlan[4]第一次提出了关于分布式物理模型的概念,分布式模型开始得到快速发展。
三个欧洲机构提出的SHE模型[5]是最早的分布式水文模型的代表。
SHE模型考虑了截留、下渗、土壤蓄水量、蒸散发、地表径流、壤中流、地下径流、融雪径流等水文过程。
流域参数、降雨及水文响应的空间分布垂直方向用层表示,水平方向用方形网格表示。
该模型的主要水文过程可由质量、动量和能量守恒偏微分方程的有限差分表示,也可由经验方程表示。
模型有18个参数,部分具有物理意义,可由流域特征确定。
它的物理基础和计算的灵活性使它适用于多种资料条件,在欧洲和其它地区得到了应用和验证[6]。
这期间还有一些考虑流域空间特性、输入、输出空间变化的分布式物理模型,如, CEQUEAU模型[7],将流域分为方形网格,输入所有网格的地形、地貌、雨量等特征,对每一个网格进行计算,在水质模拟、防洪、水库设计等诸多方面有适用性;Susa流域模型[8]强调地表水和地下水的合成,除可模拟径流外,还可以用于预测土地利用的水文效应;还有一些SHE模型的不同版本及IHDM模型[9]等。
国内这方面的研究开展较晚,但也进行了有益的探索和研究。
李兰等[10,11]提出了一种分布式水文模型,模型包括各小流域产流、汇流、流域单宽入流和上游入流反演、河道洪水演进四个部分。
水源分坡面流、壤中流和地下径流,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。
将数学物理反问题与洪水预报结合,给出了流域产流、河道汇流、水库洪水演进三个动态分布预报耦合模型,不仅可以用于分析降水径流规律,还可以用于洪水预报。
该模型在丰满、龙河口和陆浑等水库流域得到应用[12];张建云等[13]建立了参数网格化的分布式月径流模型,并应用模型进行了华北、江淮流域的水资源动态模拟评估。
郭生练等[14]提出了一个基于DEM(DigitalElevationModel)的分布式流域水文物理模型,该模型将流域划分为网格单元,详细描述了网格单元的截留、蒸散发、下渗、地表径流、地下径流、融雪等水文物理过程,在每一个网格上用地形高程来建立地表径流之间的关系。
模型的结构中,植物截留过程引入了描述植物截留能力的物理参数-植物蓄积容量; 流域的蒸散发主要考虑了太阳辐射、日云量、反射率、植物叶面指数、可供土壤水、大气温度等因素;用一维圣维南方程的运动波近似法模拟坡面水流运动,用运动波模型模拟地下径流。
不同网格单元之间水流流向的确定是模型的关键,该模型采用多流向法确定从较高单元到相邻的较低单元的流量,数学公式为:fj→i=spj→i/∑spj→i(1)其中sj→i=(zj-zi)/[(xj-xi)2+(yj-yi)2]1/2(2)式中fj→i表示从j单元分配给i单元的流量部分;sj→i表示从j单元到i单元的方向坡度;p是无量纲常数;z为地面高程;x、y为单元的平面直角坐标。
将式(2)高程用土壤水水头表示来计算地下径流的流量分配。
模型作者应用美国缅因州BBMW流域验证模型的结构和精度[15],将流域划分为30m×30m的网格单元,选用了五场洪水。
模型仅优化调整了一个参数,即下渗能力校正系数,其它参数均可从基础资料中分析求得。
计算得出,模型的效率系数平均值为85.2%,水量守恒指数平均值为0.98,与新安江模型的计算结果相比(分别为83.48%、1.10),精度略高。
3 GIS在水文模型中的应用GIS是运用系统工程和信息科学的理论,科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据,以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统[16]。
近年来,GIS在水文模拟中得到了广泛的应用。
借助于GIS强大的空间数据分析处理功能,水文模型的研究手段得到了根本性的转变。
GIS不仅可以管理空间数据,用于模型的输入、输出,而且还可以将水文模块植入GIS 系统,用户只需要根据GIS开发的界面操作,不需要涉及水文模型的本身。
就目前的研究及应用看,GIS与水文模型的结合主要表现为三种方式,即GIS软件中嵌入水文分析模块、水文模型软件中嵌入部分GIS工具(松散型结合)及相互耦合嵌套的形式(紧密型结合)。
水文陆面模拟中,地形是十分关键的因素,GIS用于水文模拟,可以用来获取、操作、显示这些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[17]。
当今以数字地形模型(DTM)、数字高程模型(DEM)存储的地形信息, 为流域水系信息参数的自动化提取提供了可能[18]。
通过GIS可以提取流域的基本特征,包括下垫面特征、水系、河网等,并可以依据河网等级对流域进行任意的子流域的划分或者进行网格化划分,不仅可以与传统的概念性流域水文模型相结合,管理提供基本的数据信息,并实现输入输出功能,更重要的是为分布式的水文物理模型研制提供了平台。
由GIS可以实现不同数据的可视化结合、数据转换,并可以减少模型输入时的数据误差。
GIS在流域水文模拟中得到广泛的应用,出现了许多商业化的集成软件和专业软件。
如ESRI提供的Hydro模块,可以在Arc/info、Arcview中直接调用;RSI提供的RiverTools,目前发展到2.4版本,它的一个特点是可以处理很大的DEM数据;GarbrechtJ,MartzW.的TOPAZ工具等,这些工具在流域地形处理方面功能非常强大。
还有一些基于GIS的专业水文处理软件,如WMS(WatershedModelingSystem)模型系统,它是美国BrighamYoung大学环境模型研究实验室(EMRL)开发的专业水文模拟处理软件,提供水文模拟全过程的工具。
包括流域、子流域的自动生成、几何参数的计算、水文参数(如汇流时间、降雨深等)的计算等,并能实现模拟结果的可视化。
WMS可以使用矢量地图、DEM、TIN等格式的数据来进行地形分析和水文模拟。
嵌入了多种传统的概念性水文模型,包括HEC-1、NFF、TR-20、TR-55、RationalMethod、HSPF等,根据自动提取的流域参数进行水文模拟,可以用于洪水预报、水库设计、城市规划等。
以地形空间变化为主要结构,用地形信息模拟水文响应的TOPMODEL概念提出后, 国外已有多方面的研究应用[19],国内也有较多的应用和研究报道。
如,郭方等[20]将TOP- MODEL应用在淮河流域史河水系。
任立良等[21,22]建立了基于DEM的数字流域水文模型, 该模型的基本结构是:在流域栅格DEM数据上,应用数字高程流域水系模型(DEDNM)[23] 的原理和方法自动提取流域水系,构建数字流域,主要过程包括凹陷区的识别处理、平坦部位水流流向设定、子流域集水单元勾划、河网生成、河网与子流域编码及河网拓扑关系的建立;然后对生成的每一集水子流域应用新安江模型建立产流模型,再根据河网结构拓扑关系,采用分段马斯京根法,建立数字河网汇流模型,构成了数字水文模型,并在淮河史灌河流域进行了实例应用研究,计算的黄泥庄站时流量过程和蒋集站日流量过程均能与实测过程较好的拟合。
4 遥感水文模型遥感(RS)技术是20世纪60年代以来发展起来的新兴边缘学科,是一门先进的、实用的探测技术[24]。
在水循环领域,作为一种信息源,遥感技术可以提供土壤、植被、地质、地貌、地形、土地利用和水系水体等许多有关下垫面条件的信息,也可以获取降雨的空间变化特征、估算区域蒸发、监测土壤水分等,这些信息是确定产汇流特性和模型参数所必需的。
流域水文模拟的结果很大程度上依赖于输入数据,而往往由于缺乏足够的、合适的数据而不能很好的描述水文过程,并且只有获得详细的地形、地质、土壤、植被和气候资料,对大范围流域气候变化和土地利用产生的水文影响研究才有可能。
