流域水文模型研究进展综述
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流域水文模型研究综述何长高1,2,董增川1,陈卫宾1(1.河海大学水文水资源及水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210098;2.江西省水利厅,江西南昌330009)摘要:流域水文模拟是用数学的方法描述和模拟水文循环的过程.按照水文循环运动的物理规律和空间变化规律介绍了流域水文模型的分类及其特点,回顾了流域水文过程模型的研究进展,总结、介绍了国内外分布式流域水文模型的开发研究成果,结合当前流域水文模型研究中存在的尺度、非线性、模型动态耦合等主要问题,提出了发展方向.关键词:流域;研究进展;水文模型中图分类号:P33文献标识码:A文章编号:1004-4701(2008)01-0020-06收稿日期:2007-11-14基金项目:江西省重大关键技术攻关计划项目(2005IA0500101)作者简介:何长高(1962-),男,在读博士,教授级高工.0引言水文模型是水资源评价、配置、开发和利用的基础,在防洪减灾、水库调度、生态环境需水、水资源开发利用、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均需要水文模型的支持。
因此,水文模型的研究一直是水文学研究的重点,并建立了一系列水文模型。
特别是近几十年,随着水资源问题日益突出和计算机技术的快速发展,人们对流域水文模型的研究、应用的广度和深度日渐加大,研制出了大量的各具特色的流域水文模拟模型。
流域水文模拟是用数学的方法描述和模拟水文循环的过程,即将流域概化成一个系统,根据系统输入条件(一般为降雨、融雪、水质、泥沙过程以及流域的蒸散发能力),对流域内发生的水文过程进行模拟计算,求解输出结果(如流域出口断面的流量过程和流域实际蒸散发等)。
1流域水文模型的分类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,经过20世纪六十、七十年代和九十年代的蓬勃发展,涌现出了大量的流域水文模型。
纵观已有流域水文模型,从反映水文循环运动物理规律的过程性和复杂度来看,流域水文模型可划分为系统模型(即“黑箱”模型)、概念性模型和物理模型。
流域水文模拟的发展历程和趋势作者姓名: ***学科、专业:水文学与水资源工程学号: ***指导教师: *** 完成日期: ***摘要对现行概念性集总式流域水文模型的结构和参数的特点进行了介绍,指出了这类流域水文模型存在的主要发展历程和功能。
对新一代流域水文模型,即分布式流域水文模型,尤其是其中具有物理基础的分布式流域水文模型,进行了简介,指出其不同于传统水文模型的特点及作用。
最后对流域水文模型的发展趋势及所面临的挑战进行了分析。
关键词:集总式流域水文模型;分布式流域水文模型;趋势I目录1 水文模型研究成果及现状 (1)1.1 集总式水文模型 (1)1.1.1新安江模型 (2)1.1.2水箱模型 (3)1.1.3萨克拉门托模型 (5)1.2 分布式水文模型 (7)1.2.1气候变化研究与分布式水文模型 (7)1.2.2土地利用/覆被变化水文响应与分布式水文模型 (8)1.2.3缺资料地区水文预报与分布式水文模型 (9)1.2.4水资源管理与分布式水文模型 (10)2水文模型发展趋势及挑战 (11)2.1地理信息系统技术的应用 (12)2.2遥感技术的应用 (13)2.3问题与挑战 (14)1 水文模型研究成果及现状世界人口迅速增长,人们对生活水平的期望不断增长,同时大众对生态环境的关注也日益增强。
人民生活水平的提高离不开自然资源开发和利用。
地球上最基础的资源是空气、水和土地。
这些资源对于维持地球上的生命至关重要,而又有限,无序开采和过度利用必然造成环境破坏,威胁人类的生存和社会经济的可持续发展。
于是,加强综合自然资源管理,恢复生态环境整体性和生物多样性已成为当前的核心任务。
水在生态环境中发挥着血液的作用。
人类的生活、生产以及其他资源的开发都离不开水。
由于水极易受到污染,污染的水又在流动过程中污染土壤、植物、动物、甚至人体,因此,生态环境管理的核心是对水的管理。
自然界的水是以流域为体系存在和循环运动着的,生态环境管理也就需要以流域为基础。
水文模型的研究进展概述周祥 2014217890 给排水14-1班摘要:水文模型是人们认识水文循环过程,进行水文预报和水资源管理的重要工具和手段。
在水文预报和水资源管理事务中,针对具体的预报和决策目标,需要根据研究区本身特征、各类数据现状,选择符合实际需求的水文模型。
详细分析水文模型选择的必要性及其在水文建模及模型应用中的地位,在回顾水文模型选择研究现状基础上,总结水文模型选择的基本原则,并对各种水文模型选择方法进行分类,进而明确提出水文模型选择的概念,最后提出基于知识、水文模型特性及数据资料等相结合的综合水文模型智能选择框架,探讨水文模型选择的发展趋势。
关键词:水文模型;发展状况;研究现状1.水文模型概念水文模型是对自然界中复杂水文现象的近似模拟,是水文科学研究的一种手段和方法。
描述水文过程的模型,是一切与水文过程有关的过程模拟的基础。
从20世纪30年代Horton提出著名的下渗理论。
至今,在近一个世纪以来,各国水文学家在水文规律研究及水文过程模拟方面做了大量的研究工作,获得了丰硕的成果,也提出了众多的水文模型。
按模型的性质和建模技术,水文模型可分为:实体模型、类比模型和模拟模型。
其中,模拟模型是最常用的一类水文模型,也是各国学者着力研究的重点。
该类模型的特征是运用数学的语言和方式描述水文原型的主要特征关系和过程,因此也称为水文数学模型。
2.水文模型发展过程水文模型是水文学发展的产物,并伴随着水文学的发展而发展。
现代水文模型出现于应用水文学兴起的20世纪30年代],特别是Sherman提出水文单位线过程的概念和Horton提出下渗理论以后。
在50年代以前,水文模拟大多是针对某一个水文环节(如产流、汇流等)进行的。
进入50年代以后,随着人们对入渗理论、土壤水运动理论和河道理论等的综合认识,以及将计算机引入水文研究领域,开始把水文循环的整体过程作为一个完整的系统来研究,在50年代后期提出了“流域模型”的概念。
流域生态水文模型研究进展摘要:流域生态水文模型是全球变化下流域生态水文响应研究的重要工具,通过定量刻画植被与水文过程的相互作用及全球变化对流域生态水文过程演变的影响机制,为流域水资源管理和生态恢复提供科学支撑,是生态水文研究的前沿和热点。
基于植被与水文过程相互作用规律,流域生态水文模型一方面要充分描述植被与水文过程相互作用和互为反馈机制,另一方面要精确刻画流域的空间异质性。
本文在分析流域尺度陆地植被与水文过程相互作用特点的基础上,将现有流域生态水文模型进行归纳和分类,剖析不同类型模型的优缺点,并总结现有模型应用的代表性研究成果,最后,对流域生态水文模型存在的关键问题(如植被与水文相互作用机制的描述、模型参数的估计、模拟结果的不确定性分析等)进行讨论。
在全球变化加剧水资源危机的背景下,传统的水文学研究难以解决流域出现的新问题,生态水文过程的耦合研究日益引起学者们的关注[1-6]。
国际地圈生物圈计划及联合国教科文组织(UNESCO)国际水文计划(IHP)等都将陆地植被生态过程与水文过程的耦合研究作为核心内容1992年召开的国际水和环境会议首次将生态水文学作为一个独立的学科提出,其核心是在不同的时空尺度上揭示不同环境条件下植物与水的相互作用关系,为解决流域水资源危机和生态环境问题提供理论支持。
指出生态水文耦合研究将是21世纪水文学研究最前沿和最激动人心的创新领域。
流域生态水文模型是定量评估环境变化流域生态水文响应的重要工具,通过定量刻画植被与水文过程的相互作用及全球变化对流域生态水文过程演变的影响机制,为流域水资源管理和生态恢复提供科学支撑。
目前,国内外对流域生态水文模型已开展了一定深度的研究,并取得了一些阶段性成果。
本文主要针对陆地生态系统的流域生态水文模型,在分析陆生植被与水文过程相互作用特点的基础上,将现有的生态水文模型进行了归纳和分类,剖析不同类型模型的优缺点,并总结现有模型应用的代表性成果,最后,对流域生态水文模型存在的关键问题进行讨论。
水文科学从以研究陆地水循环过程为核心的地表水文学、土壤水动力学、地下水动力学以及为生产实践服务的工程水文学现已逐渐发展成为综合研究水分、能量与物质(泥沙、二氧化碳以及营养物质等)耦合循环及陆面与大气相互作用、水文过程与生态过程相互作用等为主要内容的综合性、交叉性学科。
生态水文学是水文学与生态学的交叉学科,由于气候变化与人类活动加剧引起的流域植被生态退化问题日益严峻,同时由于流域水文过程与植被生态过程的紧密相互作用,流域植被生态水文问题近年来成为国内外的研究热点之一[1]。
基于文献调研,本文旨在从流域水文过程与植被相互作用机理、流域植被生态水文模型、气候变化下的流域生态水文响应三个方面阐述流域水文过程与植被相互作用研究的现状,分析流域生态水文学研究的发展历程与趋势。
1流域水文过程与植被相互作用规律研究1.1植被对水文过程的影响植被通过根系吸水和气孔蒸腾对水文过程直接作用,同时也通过其垂直方向的冠层结构和水平方向的群落分布对降雨、下渗、坡面产汇流以及蒸散发过程产生间接影响,形成了植被对水文过程的复杂作用。
植被对降雨的影响主要表现为冠层截留及茎干流对降雨的重分配作用。
植被的截留能力受植被类型、郁闭度、降雨量和降雨强度等因素影响。
一般情况下,郁闭度愈大、降雨量和降雨强度较小,植被的截留能力愈大。
据统计,我国各类森林生态系统的林冠降雨截留率的平均值为22%左右[2]。
流域水文过程与植被相互作用研究现状评述杨大文,雷慧闽,丛振涛(清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京100084)摘要:从流域水文过程与植被相互作用规律、流域生态水文模型、流域生态水文对气候变化的响应三个方面,对国内外相关研究现状进行了总结分析。
从中发现,当前流域水文学正在从以单一水循环过程为主要研究对象发展成以研究水分、能量与物质耦合循环以及水文过程与生态过程的相互作用等为主要内容的综合性、交叉性学科。
现关于流域水文过程与植被之间的关系研究多集中于单向作用的研究,如水文过程对植被的影响研究和植被变化对水文过程的影响研究,而对水文过程与植被之间的反馈机制以及对流域内土壤-植被-大气复杂系统的整体研究不足,缺乏对流域水文过程与植被相互作用机理的全面认识。
SWAT模型研究进展SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool)是一种用于流域水文模拟和水资源管理的集成模型。
它综合考虑了土壤水分平衡、表面径流、地下径流、蒸散发等关键过程,可用于分析流域内的水文过程、土壤侵蚀、水质等问题。
近年来,SWAT模型在流域尺度水文模拟和水资源管理方面取得了很大的研究进展。
本文将对SWAT模型的研究进展进行综述。
关于SWAT模型的改进和优化方面,研究人员进行了大量的努力。
针对模型在土壤侵蚀方面的不足,研究者提出了改进模型中土壤侵蚀算法的方法,同时改进了对坡面过程的描述,提高了模型对土壤侵蚀的模拟能力。
模型在蒸散发过程的模拟方面也进行了不少研究。
研究者通过改进模型中蒸散发算法,提高了模型对蒸散发过程的模拟精度。
针对模型在水质模拟方面的不足,研究者还改进了对水质污染的描述,提高了对水质过程的模拟能力。
SWAT模型在应用方面得到了广泛的应用。
研究者将SWAT模型应用于不同流域的水文模拟、水资源管理等研究中。
通过模拟分析和实验验证,SWAT模型被证明在流域水文过程、土壤侵蚀、水质模拟等方面具有较高的模拟精度。
研究者还将SWAT模型与其他模型进行比较和集成,以提高模型的模拟能力。
SWAT模型在不同研究领域的应用也得到了关注。
在气候变化研究领域,研究者将SWAT 模型与气候模型相结合,用于模拟未来流域水文过程的变化。
在水资源管理领域,研究者利用SWAT模型评估流域的水资源利用状况,制定合理的水资源管理策略。
在生态系统保护和恢复领域,研究者利用SWAT模型模拟分析生态系统的水文过程和水质变化,为生态系统的管理和保护提供科学依据。
SWAT模型在可持续发展研究方面的应用也备受关注。
研究者利用SWAT模型评估流域的水资源可持续利用能力,制定合理的水资源规划和管理策略。
SWAT模型也可用于评估不同的土地利用和管理措施对流域水资源的影响,为土地利用规划和管理提供科学依据。
收稿日期:2005Ο02Ο01基金项目:国家重点基础发展规划“973”资助项目(G 1999043601);水利发展“十一五”规划重大课题资助项目作者简介:柳长顺(1975—),男,山西临县人,工程师,博士,主要从事水资源管理研究.国外流域水资源配置模型研究进展柳长顺1,陈 献1,刘昌明2,杨 红3(1.水利部发展研究中心,北京 100038;2.北京师范大学水科学研究所,北京 100875;3.S wiss Federal Institute for Environmental Science and T echnology ,S witzerland Duebendor f CH Ο8600)摘要:对国外水资源配置模型研究进行了综述,总结了水资源配置模型研究发展的趋势,即单目标模型向多目标模型发展,模拟与优化模型相结合,以及不确定性和模糊优化模型的建立.建议开发多目标、多层次、多用户、群决策的流域水资源优化配置模型系统,为流域水资源合理配置与科学管理实践提供科学的决策依据.关键词:流域;水资源配置模型;多目标;群决策中图分类号:T V213.9 文献标识码:A 文章编号:1000Ο1980(2005)05Ο0522Ο03流域水资源合理配置是在流域水资源可持续利用思想指导下,遵循自然规律与经济规律,通过工程和非工程措施,借助于先进决策理论和计算机技术,干预水资源的天然时空分配,统一调配流域地表水、地下水、废污水、外流域调水、微咸水和海水等水源,以合理的费用保质保量地适时满足不同用户用水需求,充分发挥流域水资源的社会功能和生态环境功能,促进流域及区域经济的持续稳定发展和生态系统的健康稳定[1,2].流域水资源配置非常复杂,具有不确定性,经常要解决不同层次、不同目标、不同用户间的相互竞争,有时是相互冲突的问题,而水资源配置模型为决策者解决此类问题提供了必要的工具[3].本文重点对国外水资源配置模型研究进行综述,总结水资源配置研究发展趋势,以期对我国水资源配置模型研究有所帮助.1 研究概述流域水资源配置模型的研究始于20世纪50年代中期,六七十年代得到了迅猛发展,线性规划、动态规划、多目标规划、群决策和大系统理论被广泛应用于水资源配置.优化模型是六七十年代研究的主流.20世纪60年代,由于系统工程理论与计算机技术的发展,系统分析方法应用到流域水资源系统规划中[4].最早由工程、社会与自然科学等学科的专家们组成的美国哈佛大学“哈佛水资源规划组(Harvard Water Program )”,于1955年提出了将水资源与环境系统统一考虑的设想,探索经济目标、工程分析和政府决策间的关系,于1962年发表了《水资源系统分析》一书,将系统分析引入水资源规划[5],开始了流域水资源配置模型研究,从此,水资源配置模型在欧美受到极大的重视[6].20世纪70年代以后,美国的麻省理工学院、加州大学等学校和工程兵团等工程单位用系统分析方法在水资源规划与设计方面做了大量的工作;同时,前苏联、加拿大、英国、法国等国家也先后开始用系统分析方法研究水资源问题.1972年,Buras [7]出版的《水资源科学分配》一书是由福特基金从20世纪60年代中期开始资助的“数学分析在水资源工程中的应用”项目的成果,系统进行了线性规划和动态规划在水资源配置中应用的研究,并提出水资源系统模拟的一些思路.同年,Haimes 等[8]把多目标分析应用于水资源规划中,G rigg 等[9]对系统动力学应用于水资源系统进行了研究.1977年,Haimes 等[10]将层次分析法(AHP )和大系统分解原理应用于水资源配置模型中,简化了流域水资源优化配置的方法,将流域大系统分解为若干相对独立的子系统,每个子系统应用优化技术分别求出优化解,然后通过全局变量把各子系统优化结果反馈给流域大系统优化模型,得到整个流域的优化解.1978年,Singh 等[11]在前人研究的基础上,就流域系统分解、优化和控制理论进行了探讨.1982年,美国召开“水资源多目标分析”会议,推动了水资源管理多目标决策技术的研究和应用[12].K rzysztofowicz 等探讨了水资源多目标分析中的群决策问题[13].第33卷第5期2005年9月河海大学学报(自然科学版)Journal of H ohai University (Natural Sciences )V ol.33N o.5Sep.2005水资源配置通常是多目标的,有时目标会相互冲突,最优解往往不存在或难以达到,水资源管理中应用模拟和决策支持技术同样需要.20世纪80年代以后,随着计算机的普及、地理信息系统(GIS )的发展以及公众参与水资源管理意识的不断提高,开发多用户参与的交互式多目标水资源配置模型得到了重视.Salewicz 等[14]开发了水资源协商Ο交互式流域模拟模型IRIS.不同的用户可以输入自己的数据进行协商,帮助冲突各方快速解决冲突争议.Camara 等[15]介绍了水资源管理的综合决策辅助模拟模型,该模型通过逻辑关系和矢量计算,把数字、语言、图片等自然语言用于水资源管理决策,增加了决策的可视化程度.Sim onoviv [16]就可持续水资源管理决策支持系统的概念进行了界定,并通过实例对决策支持系统在水资源管理中的应用进行了探讨.Hamalalnen 等[17]讨论了多准则水资源管理和多用户协商决策支持系统的框架,并将其应用于芬兰的K ymijoki 流域.K ipkorir 等[18]为肯尼亚的Perkerra 灌区开发了灌溉辅助实时决策系统,优化结果说明,通过决策系统可以优化种植结构.20世纪90年代中期以后,流域水资源配置模型出现了新的趋势.一方面,基因算法和灰色模拟等计算技术不断引入模型中;另一方面表现为水资源管理模型与地理信息系统、水文模型和经济模型的耦合.Minsker 等[19]应用遗传算法(G enetic Alg orithms )建立了不确定性条件下的水资源配置多目标分析模型.R osegrant 等[20]为评价改善水资源配置和利用的效益,将经济模型与水文模型进行耦合,并把模型应用于智利的Maipo 流域.Xu 等[21]将分布式水文模型与地理信息系统有机结合,解决了传统方法不能解决的大量水资源配置方案的检验问题,同时,能形象展示决策者由于条件变化对流域水资源管理的改变,为开发流域水资源管理空间决策支持系统(S DSS )奠定了基础.地理信息系统可以表示流域水资源系统的空间关系和属性特征,解决复杂的水资源配置和管理问题.1992年,Walsh [22]对地理信息系统扩展到水资源领域进行了综合的讨论与分析,随后许多专家学者对如何连接地理信息系统与水资源配置模型进行了有益的尝试.Mckinny 等[23]利用面向对象技术把水资源管理模型与地理信息系统有机地结合,模拟流域水资源分配.2 发展趋势a.单一水利工程模型向流域系统模型发展,单一目标模型向多目标模型发展.目前流域水资源配置模型以单一水利工程如水库、灌区等工程的用水、配水管理模型为主,对流域尺度研究较少.实现流域水资源的持续利用,以支持流域经济社会的可持续发展,需要把社会、生态等难以量化的目标引入流域水资源配置模型的目标函数中,建立多目标配置模型.b.开发模拟与优化耦合模型.虽然流域水资源配置问题非常复杂,往往不存在最优解,仅仅通过优化技术难以得到满意的结果,而且结果难以执行并指导生产,但可以计算不同方案对应的不同解.模拟与优化模型相耦合,可以较快得出易于各方接受和实施的满意解.c.建立多层次、多用户的面向对象的交互式决策支持系统.流域水资源配置属于一类半结构化的决策问题,具有多层次的、多目标、多水源、多用户、多功能的特点,用单一模型是不可能描述的.流域水资源配置面临许多具体的问题,要实现水资源的可持续利用,需要用水户参与决策管理和配置.d.不确定性和模糊优化模型是未来流域水资源配置模型的发展方向.水资源配置常遇到许多不确定性或模糊性问题,需要不确定性模型或模糊模型予以解决.近年来,不确定性问题与模糊问题的优化方法发展较快,为流域水资源配置模型的开发提供了有力的工具.e.“3S ”技术与分布式水文模型(包括地下水模型)有机结合是流域水资源配置模型研究的重要领域.“3S ”技术的发展及其在流域水资源管理中的广泛应用,为流域水资源配置模型提供了强有力的工具与丰富详实的数据.分布式水文模型不断完善,为流域水资源管理科学决策奠定了基础.目前,这方面的研究较少.参考文献:[1]柳长顺.流域水资源合理配置与管理研究[D].北京:北京师范大学,2004.[2]李令跃,甘泓.试论水资源合理配置和承载力概念与可持续发展的关系[J ].水科学进展,2000,9(3):307—313.[3]G UPT A R A.River basin management :a case study of Narmada Valley development with special reference to the Sardar Project inG ujarat ,India[J ].Water Res ources 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scientific management of river basin water res ources.K ey w ords:river basin;water res ources allocation m odel;multi2objective;group decision。
水文模型是模拟分析流域水文过程的重要手段,然而在复杂的流域系统中,只针对水分运动的传统水文模型对水文过程的解析往往具有多解性[1],使其模拟与预测结果具有极大不确定性,造成对水文过程机理认识的偏差。
同时,传统水文模型在揭示不同介质中水流传输时间(指水分子进入流域至其流出流域出口所用时间)、水文连通性等流域水文功能方面也存在不足。
近年来,在水文模型中耦合示踪剂信息的示踪水文模型(Tracer-aided hydrological model )得到快速发展[2-3]。
该模型方法为水文过程解析的准确性与模型预测精度提供了新的研究思路,也为追踪流域内水流路径、评价水分滞留时间等流域水文功能提供了新思路[4-5]。
同时,通过假设各种降雨或降雪水分输入及与之伴随的溶质浓度情景,利用耦合水文过程与示踪剂信息的示踪水文模型进行数值试验,为流域径流、蓄量以及运移时间动态解析的理论发展提供了有力支持[6-7]。
示踪水文模型是在针对蒸散发、入渗和径流等水文过程的传统水文模型中融合示踪剂信息,实现水文过程与示踪剂过程的耦合计算的新型水文模型(见图1)。
其不仅深化了对流域水文过程的认知,也提高了原有水文模型在水流路径、水龄分布等流域水文功能模拟方面的能力[8-10]。
与水文模型类似,流域示踪水文模型主要分为两种:概念性模型和物理过程模型。
从反映水流与示踪剂运移过程的空间变化能力方面,流域示踪水文模型又可以分为集总式模型和分布式模型。
概念性模型以集总式模型居多,物理过程模型大多是分布式模型。
由于水分示踪剂受气候变化、水文条件、水文地质特征、生态环境等多种因素影响,目前示踪水文模型较多应用于小尺度或中尺度流域(小于100km 2),以去除气候、地貌类型差异引起的示踪剂区域效应[11-12]。
随着观测技术与分析方法的发展,基于不同示踪剂的示踪水文模型开始在更大尺度的流域上应用[13]。
用于示踪水文模型的示踪剂一般采用在研究时间尺度内的保守示踪剂,即可忽略其生物地球化学过收稿日期:2020-04-05基金项目:国家自然科学基金国际合作重大项目(41571130071);国家自然科学基金面上项目(41971028);国家重点研发项目(2016YFC0502602)作者简介:张志才(1980-),男,河北邯郸人,副教授,主要研究方向为喀斯特流域水文和示踪水文。
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。
所以,我国应加强流域模型的研究和探索,推动数字流域研究发展,进而推动我国水利事业的发展。
1.3模型的种类多
流域水文模型按不同的分类依据就可将其归类,这种分类方法是很多的。
例如按模型的基本性质和建模技术可分为实体模型、类比模型、模拟模型。
其中实体模型又可分为比例尺模型和单项因素试验模型;模拟模型包括确定性模型和统计模型等。
流域水文模型的种类有很多,但是目前在水文学科领域影响最大、发展较快的主要还是概念性流域水文模型和分布式流域水文模型两大类。
1.4模型的应用范围广
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。
因此它的应用范围是非常广泛的。
2常用的流域水文模型及其特点
在20世纪50年代中期,随着计算机的出现,世界各国科研人员开始把流域水文循环的各个环节作为一个整体来研究,并提出了“流域水文模型”的概念。
在随后的科学研究中,具有一定使用价值的流域水文模型至少发展到70个之多,其中比较常用的也有15个。
下面对应用较为广泛的几个模型做一些简单介绍。
2.1包顿模型
该模型在澳大利亚、新加坡等国有着广泛的应用,它是由澳大利亚的包顿于1966年研制成功的一个以日为计算时段的流域水文模型,在干旱和半干旱地区较为适用。
该流域水文模型是常用的水文模型中最简单的一个。
在模型中共设截留层、上土壤层、排水层和下土壤层4个蓄水层,用以模拟流域的蓄水、排水剖面,然后在各层分别设置一个最大可能蓄水量,用以控制模型的蒸发、下渗和径流。
该模型缺点是未设置地下水结构,径流只有地面径流。
2.2第Ⅳ号斯坦福流域水文模型
该模型是世界上研究最早,影响力最大的流域水文模型,它是一种用数学方法模拟水文物理现象的模型。
该模型的建立为以后许多模型的建立发展提供了基础。
此模型的特点是物理概念明确,模型结构严谨,层次鲜明。
在小流域中采用集总模型方式,对大流域,采用分块模型方式。
2.3萨克拉门托模型
简称“SAC”模型,SAC模型类似于斯坦福模型,它是一个连续模拟模型,该模型始用于美国大利福尼亚州萨克拉门托河而得名。
它是在第Ⅳ号斯坦福流域水文模型基础上改进和发展的。
1973年研制成功了日流量模拟程序,在此基础上于1975年又进一步提出了6h时段模拟程序。
该模型能应用于大、中流域,又能适应湿润地区和干旱地区而收到较好的效果。
2.4水箱模型
该模型由日本菅原正在20世纪60年代初提出,水箱模型又叫坦克模型,在后来的不断发展中成为世界各国广泛采用的流域水文模型。
水箱模型是一种概念性径流模型,把流域当作数个组合的蓄水容器,容器中的蓄水量看做流域蓄水量,并以容器中的蓄水深度为参数来计算流域的降雨~径流关系及其汇流过程。
在模型的应用中,它将复杂的降雨转化为径流的过程,简单归纳为流域的蓄水与出流的关系进行模拟,因此,该模型具有一定的灵活性,适应性强,在各种大小流域以及各种气候、地形都可以应用,只要多设置水箱就可以,此外,水箱模型操作也较简单。
2.5新安江模型
该模型是我国研制的概念性流域水文模型,在20世纪60年代初,由河海大学赵人俊等在配合一定的汇流计算的情况下研究蓄满产流模型,其成果可以用于水文预报和水文设计。
1973年,他们在对以往工作经验归纳总结下,提出一个完整的降雨径流流域模型——新安江模型,最初该模型为2水源——地表径流和地下径流,在随后的研究应用中,相继提出了3水源和4水源的新安江模型。
新安江模型在国内湿润和半湿润地区得到广泛的应用。
2.6HEC-1模型
HEC-1模型是所有HEC模型中最基本的,是HEC的第1号模型,它又称为“洪水过程线汇编”,意思是把有关洪水过程线各个部分过去研究的成果汇编起来,它是模拟一次降雨洪水模型,即事件模型。
它将一个流域划分为若干演算河段进行模拟。
它的模拟要素分为降水损失(包括截留损失与下渗损失),分块面积上的径流形成,河段上的洪水演算。
3流域水文模型发展展望
分布式流域水文模型等虽然得到了极大的发展,广泛应用于水文学领域。
但是随着研究的深入,诸如尺度问题、非线性问题、动态耦合问题等仍阻碍着水文模型研究的发展,需要有所创新与突破。
今后GIS和RS在水文循环领域的应用给水文模型的研究思路和技术方法带来了创新和革命。
使得模型的应用更为简单方便。
通过GIS和RS的结合,将为流域水文模型的发展开创一片新天地,它可以在收集、处理数据时运作更快,模拟结果也更为精确,可以为生产实际提供更为科学的依据。
另外具有物理基础的分布式水文模型能更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。
随着人们逐渐认识到流域水文模型的重要性和模型的日趋完善,今后在流域水文模型的研制新的方法探索、模型参数的检验以及模型效果的评价也将会越来越重要,成为人们研究的新重点之一。
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