分布式水文模型研究进展综述
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第ｌ６卷第４期 ２０１０年４月 水利科技与经济
Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｃｏｎｏｍｙ Ｖｏ１．１６ Ｎｏ．４ Ａｐｒ．，２０１０
分布式水文模型研究进展综述
王文志 ，罗艳云 ，段利民
（１．内蒙古城镇建设水文中心，呼和浩特０１００１８；２．内蒙古农业大学，呼和浩特０１００１８）
［摘要］简述分布式水文模型的优势和发展情况，归纳模型应用主要于降水——径流模拟，
非点源污染，水资源开发利用等方面，并介绍各方面的应用方法，总结了常见的分布式水文模
型，重点分析了ＳＷＡＴ模型，ＳＨＥ模型，提出了模型未来发展需完善理论水平，提高技术支撑能
力。
［关键词］分布式水文模型；降水——径流；非点源污染；水资源开发利用；ＳＷＡＴ ［中图分类号】ＴＶ２１３ ［文献标识码］ Ｂ ［文章编号］ １００６—７１７５（２０１０）０４—０３８１—０２
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ
ＷＡＮＧ Ｗｅｎ—ｚｈｉ ，ＬＵＯ Ｙａｎ—ｙｕｎ ，ＤＵＡＮ Ｌｉ—ｍｉｎ
（１．Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｃｉｔｙ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｈｏｈｈｏｔ ０１００１８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ａｇ—
ｒｉｃｕｈｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｏｈｈｏｔ ０１００１８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｕｔｌｉｎｅｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ，ｓｕｍ ｕｐ
ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｍａｉｎｌｙ ａｐｐｌｙ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ—ｒｕｎｏｆｆ，ｎｏｎ—ｐｏｉｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｗａｔｅｒ ｒｅ－
ｓｏｕｒｃｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅａｃｈ ａｓｐｅｃｔｓ．Ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｃｏｍｍｏｎ
Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ，ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ＳＷＡＴ ｍｏｄｅｌ，ＳＨＥ ｍｏｄｅ１．Ｐｒｏｐｏｓｅｄ
ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｎｅｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ；ｒａｉｎｆａｌｌ—ｒｕｎｏｆｆ；ｎｏｎ—ｐｏｉｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ；ｗａ・
ｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ；ＳＷＡＴ
０ 引 言 发展，近几年已成为水文研究领域的重点和热点问题。
“对任何一门学科，精准的预测都是对是否具备充足 知识的严峻考验。…”就水文循环的研究而言更是如此。 水文模型为模拟水文循环建立了实体结构和数学结构与 逻辑结构。分布式水文模型是基于过程描述的模型，其 克服了集总式流域水文模型物理基础薄弱的缺点，希望 对水文物理过程的时空变化给予更贴近真实过程的描 述 。 对分布式水文模型的研究一般认为开始于１９７６年加 拿大学者Ｆｒｅｅｚｅ和Ｈａｒｌａｎ发表了《一个具有物理基础数 值数值模拟的水文响应模型的蓝图》的文章…。分布式 水文模型的概念在提出后相当长的一段时间内发展缓 慢，这主要是由于分布式水文模拟需要大量的数据支持 以及较大的运算量。近年来随着３ｓ技术、空间技术、信息 技术等高新技术的发展和应用为分布式水文模型的研究 提供了条件与支撑，分布式水文模型也的得到了迅速的 １ 分布式水文模型的应用类型
１．１降水——径流过程模拟
目前，分布式水文模型在降水——径流模拟中应用 较为广泛，并在很多流域得到验证。基于分布式水文模 型对降水——径流的模拟，考虑到降雨——径流的主要 过程，及流域气象和下垫面要素的空间各异性，将流域离 散为小的水文计算单元，并按水流特性将水文计算单元 分为为坡面单元和河网单元。在坡面单元上主要计算降 雨、下渗、坡面流、壤中流等水文过程，而河网单元则主要 计算河道汇流过程。模型利用插值的方法将有限个雨量 站点的降雨量插值到各个计算单元，各单元格分别采用 动力方程计算坡面流，将壤中流概化为垂向流和侧向流 及河道汇流 Ｉ４ Ｊ。此类模型结构简单、参数的物理意义明 确，大多数参数可利用已有的ＤＥＭ、土壤类型、植被类型 资料直接获取，少数敏感参数通过率定也确定。
［收稿日期］２００９—１０—１５ ［作者简介】 王文志（１９７１一），男，内蒙古赤峰人，高级工程师，硕士；罗艳云（１９８５一），女，河南滑县人，博士研究生；段 利民（１９８２一），男，河北崇礼人，博士研究生．
一
３８１— 第１６卷第４期 ２０１０年４月 水利科技与经济
Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｃｏｎｏｍｙ Ｖｏ１．１６ Ｎｏ．４
Ａｐｒ．，２０１０
１．２非点源污染
非点源污染通常是由降水或融雪在地表或地下运动 所引起的，它们所形成的径流携带着污染物并最终沉积 在河流、湖泊和海洋中。分布式水文模型可以从水文循 环的角度研究非点源污染的时空分布特征与规律，能有 效模拟土壤侵蚀和水土流失，地表水和地下水污染情况， 是进行非点源污染模拟的有效工具。分布式水文模型分 布式模型在充分考虑降水、地表水、土壤水、地下水及其 相互关系的物理规律的基础之上的叠加泥沙、营养物质 （Ｎ、Ｐ）、杀虫剂迁移的连续模拟，并估算污染负荷。
１．３水资源开发利用
由于气候和人类活动对水文过程影响加剧，过去的 水资源规划管理方式亟待改进。王浩、王建华等 指出， 目前，我国水资源配置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。开发具有物理 基础的分布式水文模型，是研究宏观尺度上水文循环规 律的有力工具。分布式模型的网格化结构便于其与大气 环流模式耦合，使研究尺度可以扩展到区域范围，能够对 气候变化下水文水资源效应进行模拟与预测。另外，遥 感可以获取流域下垫面及其随时间变化的信息，将其应 用到分布式水文模型中评价由于人类活动对流域改造的 水文效应，加快了信息提取的速度和频率，为决策者提供 及时准确的参考依据，从而提高水资源开发利用和管理 的水平，为水资源长期稳定的开发利用提供保障。
２ 常见的分布式水文模型
２．１ ＳＷＡＴ模型 ＳＷＡＴ（Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ Ｔｏｏ１）模型是美国 农业部（ＵＳＤＡ）农业研究局（ＡＲＳ）开发的基于流域尺度 的一个长时段的分布式流域水文模型。它具有很强的物 理基础，能够利用地理信息系统和遥感提供的空间数据 信息模拟地表水和地下水的水量与水质，长期预测土地 管理措施对于具有多种土壤类型、土地利用和管理条件 的大面积复杂流域的径流、泥沙负荷和营养物流失的影 响。模型中产流计算采用的是ＳＣＳ径流曲线数方法 （Ｍｏｄｉｆｉｅｄ ＳＣＳ ｃｕｎ，ｅ Ｎｕｍｂｅｒ Ｍｅｔｈｏｄ），产沙计算采用的是 修正通用土壤流失方程ＭＵ—ＳＬＥ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｏｉｌ Ｌｏｓｓ Ｅｑｕａｔｉｏｎ）方法 。该模型在美国，加拿大，欧洲等国 家得到应用，近年来在国内也越来越受到重视，并成为一 个热点研究模型，并在国内的很多地区得到检验校正。 在模型的应用过程中也得到了不断地修正，其适用范围 更加广泛。我国学者王中根 等将ＳＷＥＴ模型成功应用 于黑河莺落峡以上流域的日、月径流过程中，发现模型在 结构上考虑了融雪和冻土对水文循环的影响，适于我国 西北寒区的应用。 ２．２ ＳＨＥ模型
由丹麦、法国及英国的水文学者（Ｂｅｖｅｎ等，１９８０；Ａｂ— ｂｏｒｔ等，１９８６；Ｂａｔｈｕｒｓｔ等，１９９５；Ｒｅｆｓｇａａｒｄ等，１９９５； Ｃｈａｐｔｅｒｓ等等）联合研制及改进的ＳＨＥ模型（Ｓｙｓｔｅｍ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃ Ｅｕｒｏｐｅａｎ）是一个典型的分布式水文模型。该 模型主要的水文过程利用质量、能量和动量守恒的偏微
－－－——３８２・－－—— 分方程的差分形式来描述，同时也采用了一些独立实验 研究得来的经验关系，综合考虑降水、蒸发、地表径流、土 壤对地下水的补给、地下水的流动等水文过程 。在 ＳＨＥ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，则划分成几个水平层，以便处理不同层 的土壤水运动问题。模型还包括一个二维的地表径流计 算部分，该部分通过一个一维的非饱和水流模型与一个 二维的地下水水流模型连接在一起。模型参数具有一定 的物理意义，可以通过观测或资料分析得到。模型采用
一维Ｓｔ．ｖｅｎａｎｔ方程模拟坡面流、一维Ｒｉｅｈａｒｄｓ方程模拟 不饱和带流、二维Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程模拟饱和带流。由于应 用ＳＨＥ模型模拟所需资料多，模型的参数确定困难，所以 投入实际应用，难度较大。
３ 分布式水文模型的发展趋势
３．１理论水平的提高
为适应各个地区不同的水文，地质，气候的特点，分 布式水文模型需要在结构的构建、模型尺度的确定以及 模型参数的提取上进行深入研究。特别是参数的不确定 性研究，及参数物理意义的探讨。 ３．２技术支撑的完善
ＧＩＳ和ＲＳ在目前的研究中基本是与分布式水文模型 的发展密不可分，他们可以快速提供水文模拟大量的空 间参数数据，从而可以节省大量的数据收集时间，快速地 预测水文状况。另外，观测技术的发展将更强有力地推 动分布式水文模型的发展和应用 Ｊ。
［参考文献］
［１］Ｆｒｅｅｚｅ Ｒ Ａ，Ｈａｒｌａｎ Ｒ Ｌ Ｂｌｕｅｐｒｉｎｔ ｏｆ ａ Ｐｈｙｓｉｃａｌｌｙ— ｂａｓｅｄ Ｄｉｇｉｔａｌｌｙ—ｓｉｍｕｌａｔｅｄ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｍｏｄｅｌ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ，１９６９，（９）：２３７—２５８． ［２］张金存，芮孝芳．分布式水文模型构建理论与方法 述评［Ｊ］．水科学进展，２００７，１８（２）：２８６—２９２． ［３］都金康，谢顺平，许有鹏，等．分布式降雨径流物理 模型的建立和应用［Ｊ］．水科学进展，２００６，１７（５）： ６３７—６４４． ［４］赵强．ＧＩＳ在分布式水文模型中的应用——以北 京雁栖河流域为例［Ｊ］．干旱区资源与环境，２００７，２１ （３）：６０—６２． ［５］王浩，王建华，秦大庸．流域水资源合理配置的研 究进展与发展方向［Ｊ］．水科学进展，２００４，１１５ （１１）：ｔ２３—１２８． ［６］刘金涛，冯杰，张佳宝．分布式水文模型在流域水 资源开发利用中的应用研究进展［Ｊ］．中国农村水 利水电，２００７，（２）：１４２—１４４． ［７］丁飞，潘剑君．分布式水文模型ＳＷＡＴ的发展与 研究动态［Ｊ］．水土保持研究，２００７，１４（１）：３４—３７． ［８］刘昌明，夏军，郭生练，等．黄河流域分布式水文 模型初步研究与进展［Ｊ］．水科学进展，２００４，１５ （４）：４９５—５００． （编辑：赵琳琳）
