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基于分布式水文模型的水资源评价新方法

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基于分布式水文模型的水资源评价新方法_王忠静

基于分布式水文模型的水资源评价新方法_王忠静
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

分布式水文模拟模型在流域水资源管理中的应用

分布式水文模拟模型在流域水资源管理中的应用

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。

分布式水文模拟模型在流域水资源管理中的应用

分布式水文模拟模型在流域水资源管理中的应用
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 �

水文模型在水资源评价中的应用研究

水文模型在水资源评价中的应用研究

水文模型在水资源评价中的应用研究水资源是人类生活和经济发展的重要基础，因此水资源的合理评价和管理对于社会的可持续发展至关重要。

而水文模型作为一种广泛应用于水资源评价的工具，已经在许多研究中发挥了重要的作用。

水文模型是一种用来描述水文过程和预测水文变量的数学模型。

通过对水文模型的建立和运行，可以模拟流域水文循环过程，如降水入渗、径流产生和地下水补给等。

这些模型可以基于物理原理，如能量平衡和质量守恒定律，也可以基于统计方法，如时间序列模型和机器学习算法等。

水文模型的应用能够更好地理解水文过程，提供有关水资源的丰度、可用性和可持续性的信息。

首先，水文模型可以应用于水资源评价中的水文循环模拟。

通过建立水文模型，我们可以模拟流域盈水和亏水情况，并预测降水对径流和地下水补给的影响。

这些模型可以帮助我们了解水资源的时空分布特征，优化水资源的配置和利用，提高水资源利用效率。

其次，水文模型在水资源评价中的洪水预测和防洪规划方面也发挥着重要作用。

洪水是一种严重的自然灾害，严重影响人类的生命财产安全。

通过建立水文模型，我们可以模拟流域的洪水过程，预测洪水的发生概率和洪峰流量，并制定相应的防洪措施和规划。

这些模型可以提供重要的决策支持，帮助我们做出科学的洪水调度和防洪决策。

最后，水文模型还可以用于水资源评价中的水质模拟和污染控制。

随着人类活动的不断增加，水体污染成为全球范围内的一项严重问题。

通过建立水文模型和水质模型，我们可以模拟水质的输运和转化过程，预测水体的水质状态和污染浓度分布，并设计相应的污染控制策略和措施。

这些模型可以帮助我们更好地了解水资源的质量状况，实施科学的水质管理和保护。

综上所述，水文模型在水资源评价中具有重要的应用价值。

通过水文模型的建立和应用，我们可以更好地理解水文过程，预测水文变量，优化水资源配置，制定防洪规划，实施水质管理和保护等。

进一步推广和应用水文模型，将有助于更好地进行水资源管理和保护，实现社会的可持续发展。

分布式水文模型理论与方法研究

分布式水文模型理论与方法研究
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。

SWAT分布式流域水文物理模型的改进及应用研究

SWAT分布式流域水文物理模型的改进及应用研究

SWAT分布式流域水文物理模型的改进及应用研究SWAT分布式流域水文物理模型的改进及应用研究摘要：随着水资源管理需求的提高，分布式流域水文物理模型在水资源管理中发挥着重要的作用。

本文以SWAT分布式流域水文物理模型为研究对象，对其进行改进，并探讨了其在水资源管理中的应用。

1.引言流域水文物理模型是表征流域水循环过程和水资源利用的重要工具。

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）是一种常用的分布式流域水文物理模型。

通过模拟和预测流域内不同土地利用类型对水文过程的影响，可以为流域的水资源管理和决策提供重要的参考。

2.SWAT模型的结构和原理SWAT模型是基于物理学原理的模型，它将流域划分为许多亚流域，并通过描述亚流域内水文过程的参数来模拟和预测流域水文循环。

模型的输入包括降雨、温度、蒸散发等气象数据，以及土地利用、土壤信息等地理环境数据。

模型通过计算水文过程，如降雨入渗、地表径流、蒸散发等，来模拟流域的水文过程。

3.SWAT模型的改进为了提高SWAT模型的准确性和适用性，研究者们对其进行了一系列的改进。

首先，针对降雨入渗和土壤蒸发等关键过程，改进了模型的计算方法和参数。

其次，引入了水库组分，增加了水库调节对流域水文过程的影响。

此外，考虑到人类活动对流域水文过程的影响，模型还加入了人类活动组分，如灌溉、排污等，以更准确地模拟实际情况。

4.SWAT模型在水资源管理中的应用4.1.水资源管理决策支持SWAT模型结合现代计算机技术，可以实时模拟和预测流域内的水文过程，为水资源管理决策提供科学依据。

通过模拟不同管理方案对流域水资源的影响，可以评估其潜在的效益和不利影响，为决策者提供参考。

4.2.流域水资源规划与分配SWAT模型可以模拟流域内水资源的时空分布，为流域水资源规划和分配提供科学依据。

通过模拟不同规划方案对流域水资源的需求和供应进行评估，可以帮助决策者制定合理的水资源分配方案。

基于分布式水文模型的水资源评价新方法

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。

分布式水文模型在流域水资源开发利用中的应用探究

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

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。

基于SWAT模型的平原河网区水文过程分布式模拟

基于SWAT模型的平原河网区水文过程分布式模拟SWAT模型（Soil and Water Assessment Tool）是一种被广泛应用于水文过程模拟的分布式模型。

它可用于评估不同地区的水文循环、水质和土地利用变化对水资源管理的影响。

在平原河网区，SWAT模型可以用来模拟降雨、蒸发、径流和溶质输移等水文过程，以帮助决策者了解和预测水资源的可持续利用。

本文将重点探讨基于SWAT模型的平原河网区水文过程分布式模拟的方法和应用。

首先，进行SWAT模型的建立是模拟平原河网区水文过程的第一步。

SWAT模型基于GIS技术，以分布式方式对流域进行划分，并将流域划分为许多亚区。

每个亚区包括水文过程的输入和输出点，如降雨、蒸散发和流出等。

模型还需要准备输入数据，如降雨数据、土壤类型、植被覆盖和地形等。

这些数据可以通过气象站、遥感和地形分析等手段来获取。

运行模型时，可以使用不同的模型参数来模拟不同的水文过程，如径流系数、蒸发系数和土壤含水量等。

当SWAT模型建立完成后，下一步是对平原河网区的水文过程进行模拟。

模拟需要考虑不同的情景和条件，如不同的降雨强度、土地利用变化和气候变化等。

通过运行模型，可以得到不同时期和不同条件下的降雨和蒸发量、径流系数和溶质输移等参数。

模型的输出可以用来预测水资源的可持续利用、水质污染和洪水风险等问题。

在应用方面，基于SWAT模型的平原河网区水文过程分布式模拟可以用来辅助水资源管理和决策。

模拟结果可以揭示流域的水文循环特征、水资源利用情况和水质状况等信息。

例如，模拟可以帮助决策者了解不同流域区域的水资源供需情况，评估不同水利工程对水资源利用的影响，制定合理的水资源分配计划。

此外，模拟还可以用于预测洪水风险，指导防洪措施的制定和调整。

需要注意的是，基于SWAT模型的平原河网区水文过程分布式模拟需要精确地获取输入数据，并对模型进行合理的参数调整和验证。

此外，模型的运行需要大量的计算资源和时间。

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研究背景
通常情况下 , 水资源评价的基本方法是实测- 还原法 , 一般包括还原和 还现 过程。一般情况下,
水文整编中的还原是将各类用水回加到实测系列中, 完成历史实测下垫面条件下水资源评价中的第 1 次还原过程 ; 但是, 对于人类剧烈活动、 下垫面变化对水资源形成产生较大影响且破坏了径流系列一致 性的情况 , 水文还原还需将历史实测下垫面条件下经第一次还原计算后的天然径流系列修正到现状 下垫面条件下的径流系列 , 使其具有一致性, 从而完成第 2 次还原过程 , 也或称之为 还现 过程。目前, 水文还原的方法有降雨径流模拟法、 蒸发差值法和分项调查法, 我国水文工作中常用的方法为分项调查 法。 在一些流域 , 由于高强度的人类活动 , 使 得分项调查法中存在着 还原失 真 与 还原失效 的问 题 。如图 1 所示 , 官厅水库天然入库河川径流量中的还原水量在 20 世纪 80 年代以后远远超过实测 水量 , 此时还原计算中的调查误差将极大影响评价结果, 从而产生 还原失真 问题, 对应于传统方法中 的第一次还原过程; 此外 , 当下垫面变化导致水文循环规律变化时, 如草地改旱 ( 农) 地、 旱坡地改旱梯田 等后, 流域产流能力大为不同, 此过程没有使用工程意义下的水资源 ( 我国现行以天然河川径流量与不 重复地下水资源量之和计 ) , 因而就 无水可还 , 此时的 还原失真 更可能为 还原失效 , 对应于第 2 次 还原过程。目前 , 第 2 次还原过程中采用的方法为引入修正系数进行修正。其值如何选取更为恰当 , 是 需要研究的问题。 自 60 年代以来 , 随着人们对产流理论的深入理解, 集总型 ( 概念性 ) 水文模型慢慢发展起来。这种 模型开始主要用于洪水预报, 1994 年赵人俊首次使用这种模型( 新安江模型 ) 进行还原分析和水资源评 价 。由于这种模型参数的率定是通过对流域出口径流与流域面平均雨量和蒸发量的反演而推求的,
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。下面将详细阐述分布式水文模型用
于水资源评价的原理、 假定和进行率定的步骤和方法以及应用。
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分布式水文模型用于水资源评价的原理与假定
设流域可以无限细分 , 大流域由子流域组成, 子流域由具有单一的下垫面条件即完全均质的下垫面
响应单元组成。当水文模型的描述对象从一个流域聚焦到水文响应单元时, 基于降水产流原理的概念 性水文模型参数 , 在很大程度上就具有了物理参数属性 ; 当水文模型的概念性假定进一步逼进真实的产 流过程时 , 就成为具有物理机制的水文模型。此时模型参数将仅是反映下垫面物理特性的参数, 与降水 无关。这样一个均质响应单元无论出现在流域的什么位置 , 其参数均保持不变 , 具有同样的水文响应。 以水面为例 , 水面在水文模型中一般被视为不透水下垫面。当降水到水面时, 直接产流, 亦即形成 水资源 , 其降水产流系数为 1。无论水面出现在流域哪个位置, 降水强度多大, 这个下垫面的水文参数 是不变的 , 即该下垫面的产流规律是不变的。再以基本不透水的混凝土路面为例, 当降水的雨强很小且 历时不长时 , 水平放置的混凝土面不会产生径流, 因其表面对少量降水有截留 , 而截留的水又很快被蒸 发; 但是同样的降水 , 若加载在倾斜放置的混凝土面时 , 因其坡度增大而增加了水力梯度 , 减小了截留能 力, 则很可能产生径流。这说明产流系数不仅与下垫面的质地有关 , 还与下垫面放置的角度有关。因 此, 至少需要用两类参数才能描述此下垫面的产流特性, 一类是下垫面的渗透性质, 另一类是其放置的 坡度。 实际上, 下垫面是影响水文过程的地表各类覆盖物的一个综合体 , 包括地质、 地貌、 植被和人工建筑 4 个主要因素 , 简称要素。每个要素是一个有限集集合 , 如地质因素中就包括不同的土壤类型。在水 文模拟中, 常常用一组独立不相关的物理参数来描述下垫面各类要素的水文特性, 如地形坡度、 土壤导 水率、 饱和含水率、 叶面指数等。有的要素可以用一个物理参数来描述, 如地形要素可用坡度来描述; 而 有的要素却需要多个参数 , 如土壤要素的水文特性至少要用饱和导水率、 饱和含水率和凋萎含水率来描 述。所有要素中的某一种元素组合方式则可认为代表了一个均质的下垫面 ( 即水文响应单元 ) , 此时参 数的某个特定值或特定值组合 , 就表示了其代表要素的这个集合中某元素的水文特性。按前文所述, 该 元素的水文特性参数仅与其物理性质有关, 在任何其他的均质下垫面 ( 元素组合 ) 中都保持不变。 下垫面要素的物理参数值获取方法可以分为两类 : 一类是通过观测可以得到, 如地形坡度、 土地利 用类型和覆被; 另一类是通过模型率定得到, 如最大叶面指数、 地表最大储水量等。这些参数值一旦率 定好 , 可在类似区域直接使用。 简而言之, 一个流域的下垫面系统可认为是由一定数量的不同均质下垫面组合而成的, 而流域内下 ! 1280 !
收稿日期 : 2008 04 10 基金项目 : 十一五 国家科技支撑计划 ( 2006BAB14B01) ; 国家重点基础研究发展 ( 973) 计划 ( 2006CB403401) 作者简介 : 王忠静 ( 1963- ) , 男 , 山东莱芜人 , 博士 , 教授 , 主要从事水资源规划及水文模型研究。 E mail: zj. wang@ tsinghua. edu. cn
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的物理参数 , 可用于变化环境条件下的水资源评价。根据 UCMV 方法 , 本文首先选取了 1990 年土地利 用作为模型参数率定的下垫面 , 对应 103 站 1990~ 1992 年降雨系列 , 同时选取上游 5 个流量站的径流资 料用于模型参数率定, 选取中下游 13 个流量站用于模型参数初步验证 , 各水文站的分布见图 3。表 1 列 出了与土地利用相关的主要水文物理参数, 表 2 列出了模型在各水文断面的率定和检验的结果。其中 计算量为模型计算输出值 , 对应于同水文站的实测量与还原量。 考虑到流域有水库的调节和人类取水活动的影响 , 短时段的实测径流与天然径流过程必然存在不 ! 1281 !
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应用实例 ! ! ! 永定河山区流域不同下垫面条件下的地表水资源评价
研究区选在永定河流域官厅水库以上的集水区( 不包括妫水河 ) 。该区地处干旱
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4 1 永定河流域概况
和湿润气候的过渡地带, 流域面积 4 17 万 km , 其中山区面积占 80% 以上。流域多年平均降水不足 400 mm, 年内分配很不均匀 , 80% 左右集中在汛期。该区水资源缺乏 , 开发利用程度高达 80% 以上, 同时受 地下水位下降、 土地资源开发和人类活动等因素影响, 下垫面变化剧烈。 4 2 基础数据 包括: 永定河山区流域 DEM 图( 1∀5 万 , 图 2( a) ) ; 表层土壤类型图 ( 1∀500 万 , 图 2( b) ) ; 1990 年和 2000 年土地利用图( 1∀25 万, 图 2( c) 、 2( d) ) ; 1990~ 1992、 2000~ 2001 年的日降水、 蒸发系列和 实测径流系列。其中降雨、 蒸发系列用于模型降水产流模拟计算 , 径流系列则用于模型率定和校核。降 水、 蒸发资料来自水文年鉴的 103 个雨量站以及国家气象中心的 14 个蒸发站 , 降水和蒸发站分布如图 2e 、 2f 所示。此外, 模型使用了 1957~ 2000 年共 44 年的日降水资料用以计算流域多年同系列的产流量 , 评价地表水资源量。 4 3 模型及其率定与验证 本文改进了基于坡面流单元的 GBHM 分布式水文模型 , 该模型基于分布
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垫面要素的元素组合变化就导致了流域下垫面系统的变化, 但这种组合变化并不会改变下垫面要素集 合中这些元素本身的产流特性。因此, 只要没有新的元素出现, 就可以不重新率定模型而直接模拟变化 下垫面的水文特性, 从而进行变化环境下的流域水资源评价。
3 UCMV 率定方法
分布式水文模型输入主要为下垫面以及对应此下垫面时期的降雨和蒸发资料。下垫面数据主要来 自于调查或遥感获得的土地利用分布图以及土壤分布图。率定时应选取代表性和同步性较好时期的下 垫面及水文资料 , 不但地图精度要高 , 而且要有对应的降雨及蒸发系列。考虑到下垫面的变化, 率定的 年份不能太长, 要与下垫面形成的时期匹配。由于分布式水文模型输入参量是分布的, 输出结果也是分 布的, 率定时可不限于在流域出口一个测站, 只要分布式模型及资料的分辨率足够高, 就可以选择在流 域的任何适宜位置进行率定和检验。虽然采用分布式水文模型模拟进行水资源评价, 在原理上克服了 还原失真 和 还原失效 问题 , 但对于人类活动剧烈 , 水资源开发利用强度大的地区, 其模型参数率定 所需的径流资料必须慎重考虑。应避免选择那些还原量比例较大的水文测站作为率定参考站。为此, 本文提出了变化环境条件下的分布式水文模型 UCMV( Up reach for Calibration and Mid reach for Validat ion) 率定方法。其具体步骤如下: ( 1) 选择流域上游人类干扰很小、 水资源开发利用程度不高的若干个小流 域为基本小流域 , 选择其出口水文站为基本参照径流站 ; ( 2) 以基本小流域和基本参照径流站为基础 , 结 合同期降水蒸发观测资料 , 率定基本小流域下垫面的各单个因子的物理参数 ; ( 3) 将在基本小流域率定 出的单个因子物理参数作为全流域相同下垫面条件各单个因子的基本物理参数 , 在全流域使用, 并以中 游人类干扰不太剧烈的若干小流域作为初步检验单元 , 修正参数 ; ( 4) 应用率定的模型模拟全流域的降 水产流, 计算评价同期的天然水资源量。 值得强调的是, 在上述水资源评价新方法以及对应 UCMV 率定方法中 , 假设的流域中任一下垫面要 素中单一因子的物理参数在流域中不变。为保证其适用性 , 要求区域内参数空间不变假定的条件成立, 如具有较为相近的气候特征、 植被特点以及耕种习惯等。
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