基于雷達測雨實時洪水預報模型

1、基于雷達測雨的實時洪水預報模型劉金濤1,李致家2分布式水文模型需要將流域劃分為子單元,與傳統(tǒng)的集總式水文模型相比，它可以更好地與地理信息數(shù)據(jù)(如DEM)和遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合,同時也可以更好地研究流域下墊面(地形、土壤及植被等)、水文氣象(降雨、蒸發(fā)等)等環(huán)境要素的空間變化對水文過程的影響。分布式水文模型在流域離散完成后,通常在子單元內(nèi)部分別建立單元水文模型.按照單元水文模型的構(gòu)建方法,分布式水文模型又可劃分為兩類:一類是數(shù)學物理模型;另一類是概念型模型.數(shù)學物理型分布式水文模型在所研究范圍的每一個子單元都要求有不同的模型參數(shù),而且對參數(shù)的規(guī)范性要求很嚴格。由于概念型分布式水文模型一般把流域劃分為子

2、單元,它在一定程度上可以反映出流域下墊面及水文氣象等環(huán)境要素的空間變化對水文過程的影響.此外,這種分布式水文模型結(jié)構(gòu)與計算過程都比較簡單,對資料要求較低,因此適合于面積較大的流域分布式水文模型的進展及展望王書功,康爾泗,李新(中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅蘭州730000). 1引言水文模型是描述水文過程的數(shù)學模型,是水文循環(huán)規(guī)律研究的必然結(jié)果.水文模型可以分為確定性模型和隨機性模型:確定性模型應用有限的物理學規(guī)律描述水文過程,其預測結(jié)果不存在不確定性1;隨機模型應用概率理論和隨機性過程描述水文環(huán)節(jié),其預測結(jié)果多為條件概率的形式.確定性模型根據(jù)模型對流域的描述是空間集總式的還是分布式

3、的描述,以及對水文過程是經(jīng)驗性描述、概念性描述還是完全物理描述進一步劃分為黑箱模型、概念模型和基于物理學的分布式模型.水文模型是描述水文過程的數(shù)學模型，是水文循環(huán)規(guī)律研究的必然結(jié)果.也可以說是水文過程的符號化。水文模型可以分為確定性模型和隨機性模型。隨機模型應用概率理論和隨機性過程描述水文環(huán)節(jié),其預測結(jié)果多為條件概率的形式.確定性模型根據(jù)模型對流域的描述是空間集總式的還是分布式的描述,以及對水文過程是經(jīng)驗性描述、概念性描述還是完全物理描述進一步劃分為黑箱模型、概念模型和基于物理學的分布式模型.黑箱模型基于傳輸函數(shù),幾乎沒有任何物理意義;概念模型處于完全物理描述和經(jīng)驗式黑箱分析的中間位置;基于物

4、理的水文模型建立在人們對控制流域響應的水文過程的物理認識的基礎上.由于流域的水文異質(zhì)性,物理模型必須對流域進行離散化,使得模型計算單元內(nèi)的水文性質(zhì)滿足物理學的均一性要求,因而,物理模型是空間分布式的模型.分布式物理模型能夠模擬整個徑流過程,可以預測多個水文變量(如徑流量、土壤含水量以及蒸散發(fā)等)的時空格局.納了分布式水文模型的一般結(jié)構(gòu)、應用領域以及與地理信息系統(tǒng)和遙感技術的關系及其存在的問題,論述了分布式水文模型未來發(fā)展方向.水文模型可以分為確定性模型和隨機性模型:確定性模型應用有限的物理學規(guī)律描述水文過程,其預測結(jié)果不存在不確定性;隨機模型應用概率理論和隨機性過程描述水文環(huán)節(jié),其預測結(jié)果多為

5、條件概率的形式.確定性模型根據(jù)模型對流域的描述是空間集總式的還是分布式的描述,以及對水文過程是經(jīng)驗性描述、概念性描述還是完全物理描述，進一步劃分為黑箱模型、概念模型和基于物理學的分布式模型.黑箱模型、概念模型和物理模型分別代表確定性水文模型的不同發(fā)展階段.黑箱模型基于傳輸函數(shù),幾乎沒有任何物理意義;概念模型處于完全物理描述和經(jīng)驗式黑箱分析的中間位置;基于物理的水文模型建立在人們對控制流域響應的水文過程的物理認識的基礎上.由于流域的水文異質(zhì)性,物理模型必須對流域進行離散化,使得模型計算單元內(nèi)的水文性質(zhì)滿足物理學的均一性要求,因而,物理模型是空間分布式的模型.分布式物理模型能夠模擬整個徑流過程,可

6、以預測多個水文變量(如徑流量、土壤含水量以及蒸散發(fā)等)的時空格局.在分布式模型中,物質(zhì)、能量和動量的傳輸直接應用控制微分方程描述,例如應用St. Venant方程描述坡面漫流、應用Richard方程描述包氣帶水分運移以及應用Boussinesq方程描述地下水流運動.分布式模型中的偏微分方程多采用數(shù)值解,如有限單元法和有限差分法,因此,相對集總式概念模型,分布式模型需要更多的計算時間和性能更好的計算機.分布式水文模型是近20 a來水文建模領域的熱點, 20世紀80年代以來,計算機的普遍應用和計算能力大幅度提高,為分布式水文模型的發(fā)展鋪平了技術道路;流域?qū)ψ匀缓腿藶橐蛩氐捻憫芯恳约傲饔蚬芾頉Q策人

7、員的需求,極大地推動了分布式水文模型的發(fā)展. 1986年丹麥水力學研究所、英國水文研究所和法國的SOGREAH合作開發(fā)的系統(tǒng)水文歐洲SHE是最早為人所知的分布式水文模型,它致力于模擬水文循環(huán)的所有重要環(huán)節(jié).Famigliettiet al.2將修改的TOPMODEL3和一個表面能量平衡模型耦合在一起,計算整個流域范圍內(nèi)的蒸散發(fā)空間變化. Wigmostaet al.4建立了一個分布式的水文植被模型,研究復雜地形條件下的流域水文過程.本文立足于分布式水文模型的研究成果,歸納了分布式水文模型的一般結(jié)構(gòu)、應用領域以及與地理信息系統(tǒng)和遙感技術的關系及其存在的問題,論述了分布式水文模型未來發(fā)展方向.2分

8、布式水文模型的一般結(jié)構(gòu)分布式水文模型結(jié)構(gòu)可以從兩個角度進行分析,首先是功能結(jié)構(gòu),即按照系統(tǒng)內(nèi)部功能的聚集程度,把模型劃分成功能相對獨立的子系統(tǒng),每一個子系統(tǒng)實現(xiàn)了對水文循環(huán)某一環(huán)節(jié)的數(shù)學描述.分布式水文模型的通用功能模塊有:1)一維降水冠層截留模型; 2)一維輻射傳輸模型; 3)一維蒸散發(fā)模型; 4)一維融雪模型; 5)一維包氣帶水分垂向運移模型; 6)二維表面漫流模型; 7)一維河流/渠道模型; 8)二維飽和壤中流/地下水模型;9)二維灌溉模型.如果模型考慮水質(zhì)和土壤侵蝕問題,還應包分布式水文模型的一般結(jié)構(gòu)分布式水文模型結(jié)構(gòu)可以從兩個角度進行分析,首先是功能結(jié)構(gòu),即按照系統(tǒng)內(nèi)部功能的聚集程度

9、,把模型劃分成功能相對獨立的子系統(tǒng),每一個子系統(tǒng)實現(xiàn)了對水文循環(huán)某一環(huán)節(jié)的數(shù)學描述.分布式水文模型的通用功能模塊有:1)一維降水冠層截留模型; 2)一維輻射傳輸模型; 3)一維蒸散發(fā)模型; 4)一維融雪模型; 5)一維包氣帶水分垂向運移模型; 6)二維表面漫流模型; 7)一維河流/渠道模型; 8)二維飽和壤中流/地下水模型;9)二維灌溉模型.如果模型考慮水質(zhì)和土壤侵蝕問題,還應包括: 1)一維包氣帶內(nèi)溶質(zhì)運移和化學反應過程模型; 2)三維飽和帶內(nèi)溶質(zhì)運移和化學反應過程模型; 3)土壤侵蝕和沉積物運移模型.分布式水文模型通過上述子系統(tǒng)描述水文過程的各個重要環(huán)節(jié),如融雪過程、冠層截留、蒸散發(fā)、地表

10、漫流、渠道匯流、不飽和與飽和土壤水分運動等.括:1)一維包氣帶內(nèi)溶質(zhì)運移和化學反應過程模型; 2)三維飽和帶內(nèi)溶質(zhì)運移和化學反應過程模型; 3)土壤侵蝕和沉積物運移模型.分布式水文模型通過上述子系統(tǒng)描述水文過程的各個重要環(huán)節(jié),如融雪過程、冠層截留、蒸散發(fā)、地表漫流、渠道匯流、不飽和與飽和土壤水分運動等.分布式水文模型從程序?qū)崿F(xiàn)的角度,其結(jié)構(gòu)可以分解為計算單元上的一維通量過程和計算單元的能量、物質(zhì)空間集總過程.一維通量過程包括功能結(jié)構(gòu)劃分中的各個一維模型,即在計算單元上,分布式水文模型要實現(xiàn)降水截留計算、蒸散發(fā)計算、邊界層短波輻射傳輸以及長波輻射計算、降水下滲計算和產(chǎn)流計算.在計算單元空間集總過

11、程中,要實現(xiàn)功能模塊中的二維和三維模型,如表面漫流模擬、飽和帶土壤水/地下水運移模擬,如果模型涉及水質(zhì)問題,還需要模擬空間上溶質(zhì)和沉積物的運移.模型單元的計算結(jié)果通過空間集總,最終通過一維河流/渠道模型,給出流域出口斷面的流量.分布式水文模型的功能結(jié)構(gòu)通過子程序設計實現(xiàn),其程序結(jié)構(gòu)通過多重循環(huán)實現(xiàn),模型單元的計算過程位于多重循環(huán)的最里層.3GIS和遙感在分布式水文模型中的角色GIS(Geographical information system,地理信息系統(tǒng))是采集、存儲、分析和顯示空間信息的計算機系統(tǒng),是處理和分析地理數(shù)據(jù)的通用技術. GIS對于分布式水文模型的作用主要體現(xiàn)在兩個方面:分布式

12、水文模型的相關數(shù)據(jù)處理和分布式水文模型的系統(tǒng)集成.根據(jù)GIS在水文模型運轉(zhuǎn)過程中發(fā)揮作用的時間,其數(shù)據(jù)處理功能又可以劃分為兩類:前處理和后處理.所謂前處理指的是將不同投影和比例尺的數(shù)字地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標準格式的數(shù)據(jù)并提供復雜的地圖疊加分析和空間分析功能為水文模型處理輸入數(shù)據(jù);后處理指的是將水文模型輸出可視化和再分析.分布式水文模型對流域水文過程的物理描述要求模型的輸入數(shù)據(jù)能夠充分反映流域空間的水文異質(zhì)性,此外,分布式水文模型的輸出結(jié)果也遠遠的超過了傳統(tǒng)的降水徑流模型,其輸出更多的是如流域內(nèi)不同深度的土壤含水量、地下水埋深或者污染物濃度等空間分布式信息,這些都不是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)制備和處理方法所能解決的

13、,只有GIS能夠勝任. GIS在分布式水文模型中的以下幾個方面發(fā)揮著重要作用: 1)空間數(shù)據(jù)管理. GIS能夠統(tǒng)一管理與分布式水文模型相關的大量空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),并提供數(shù)據(jù)查詢、檢索、更新以及維護等方面的功能; 2)提取水文特征.如利用地形數(shù)據(jù)計算坡度、坡向、流域劃分以及河網(wǎng)提取等;3)模型數(shù)據(jù)準備.如利用GIS的空間分析和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化功能,制備分布式水文模型要求的流域內(nèi)土壤類型圖、土壤深度圖、植被分布圖以及地下水埋深圖等空間分布性數(shù)據(jù); 4)模型輸出結(jié)果的可視化與再分析.如上所述,分布式水文模型的輸出結(jié)果更多的是空間分布型信息,這些結(jié)果或者是以模型特定的數(shù)據(jù)格式,或者是以某些GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格

14、式,例如ArcView的ASCII-GRID格式或GRASS的GRID數(shù)據(jù)格式輸出,只有應用GIS,才能對這類結(jié)果進行顯示、查詢和再分析.GIS(Geographical information system,地理信息系統(tǒng))是采集、存儲、分析和顯示空間信息的計算機系統(tǒng),是處理和分析地理數(shù)據(jù)的通用技術.GIS提供的空間分析功能,如空間數(shù)據(jù)的疊加分析、緩沖區(qū)分析、表面分析以及數(shù)字地形分析等功能5,在水文建模中已經(jīng)得到了廣泛應用.分布式水文模型的發(fā)展極大地得益于GIS的成熟和日趨強大的功能.總的來說, GIS對于分布式水文模型的作用主要體現(xiàn)在兩個方面:分布式水文模型的相關數(shù)據(jù)處理和分布式水文模型的系

15、統(tǒng)集成.3.1GIS的前處理和后處理根據(jù)GIS在水文模型運轉(zhuǎn)過程中發(fā)揮作用的時間,其數(shù)據(jù)處理功能又可以劃分為兩類:前處理和后處理.所謂前處理指的是將不同投影和比例尺的數(shù)字地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標準格式的數(shù)據(jù)并提供復雜的地圖疊加分析和空間分析功能為水文模型處理輸入數(shù)據(jù);后處理指的是將水文模型輸出可視化和再分析6.分布式水文模型對流域水文過程的物理描述要求模型的輸入數(shù)據(jù)能夠充分反映流域空間的水文異質(zhì)性,此外,分布式水文模型的輸出結(jié)果也遠遠的超過了傳統(tǒng)的降水徑流模型,其輸出更多的是如流域內(nèi)不同深度的土壤含水量、地下水埋深或者污染物濃度等空間分布式信息,這些都不是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)制備和處理方法所能解決的,只有GIS

16、能夠勝任.具體地說, GIS在分布式水文模型中的以下幾個方面發(fā)揮著重要作用: 1)空間數(shù)據(jù)管理. GIS能夠統(tǒng)一管理與分布式水文模型相關的大量空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),并提供數(shù)據(jù)查詢、檢索、更新以及維護等方面的功能; 2)提取水文特征.如利用地形數(shù)據(jù)計算坡度、坡向、流域劃分以及河網(wǎng)提取等;3)模型數(shù)據(jù)準備.如利用GIS的空間分析和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化功能,制備分布式水文模型要求的流域內(nèi)土壤類型圖、土壤深度圖、植被分布圖以及地下水埋深圖等空間分布性數(shù)據(jù); 4)模型輸出結(jié)果的可視化與再分析.如上所述,分布式水文模型的輸出結(jié)果更多的是空間分布型信息,這些結(jié)果或者是以模型特定的數(shù)據(jù)格式,或者是以某些GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式

17、,例如ArcView的ASCII-GRID格式或GRASS的GRID數(shù)據(jù)格式輸出,只有應用GIS,才能對這類結(jié)果進行顯示、查詢和再分析.3.2GIS與分布式水文模型系統(tǒng)集成3.2GIS與分布式水文模型系統(tǒng)集成分布式水文模型和GIS的耦合方式影響著模型的穩(wěn)定性和可應用性.根據(jù)緊密程度,分布式水文模型和GIS之間有三個水平的集成耦合方式7:松散耦合、緊密耦合與完全集成.松散耦合指的是分布式水文模型和GIS相互獨立,彼此通過中間數(shù)據(jù)文件交換信息.分布式水文模型DHSVM和VIC與地理信息系統(tǒng)的耦合方式就屬于松散耦合, GIS的作用僅限于為水文模型提供數(shù)據(jù)的前處理和后處理.與GIS松散耦合的水文模型穩(wěn)

18、定性較好,而易用性很差.緊密耦合是指GIS為分布式水文模型提供圖形用戶界面(GUI),用戶可以通過這個界面操作模型.通常情況下,與GIS緊密耦合的水文模型由多個模塊組成, GIS一般作為各個模塊的共享接口,用于調(diào)度其它相對對立的模塊. ArcView GIS提供了友好的圖形用戶界面和簡單易用的腳本開發(fā)語言Avenue6,是分布式水文模型緊密耦合的理想GIS平臺.分布式水文模型與GIS的緊密耦合,增加了模型本身的復雜性,使得模型穩(wěn)定性有所降低,但是提高了模型的可操作性,降低了模型應用的難度.完全集成指的是分布式水文模型作為GIS的一個組成部分存在,這種耦合方式,需要在開放性體系架構(gòu)的GIS平臺基

19、礎上進行.所謂開放性體系的GIS平臺,要求GIS系統(tǒng)提供二次開發(fā)語言或者支持某種第三方開發(fā)語言,并提供系統(tǒng)擴展機制. ArcView GIS提供了Avenue開發(fā)腳本,用戶可以應用腳本語言擴展ArcView的專題分析功能;GRASS GIS提供了C語言的開發(fā)接口; ArcGISDesktop不但本身提供了Visual Basic for Application開發(fā)環(huán)境,還支持第三方語言擴展7.這3種GIS平臺都屬于開放式系統(tǒng),都是常用的分布式水文模型完全集成平臺.分布式水文模型Arc.Water.Fea與Casc2d都有在GRASS系統(tǒng)下完全集成的案例,并作為GRASS GIS的一部分提供給用

20、戶. Arc.Water.Fea是應用ArcView提供的Avenue開發(fā)設計,用戶可以像使用ArcView自身擴展模塊一樣方便地使Arc.Water.Fea.盡管目前還沒有分布式水文模型通過ArcGIS Desktop集成,但由于Ar-cGIS Desktop卓越的二次開發(fā)性能,它必然會成為未來集成的選擇.與GIS完全集成的分布式水文模型穩(wěn)定性和易用性都是最優(yōu)秀的,但是其開發(fā)難度也是最大的.對于研究型分布式水文模型,可能同時存在多種集成方式,例如非點源水污染模型AG-NPS存在與ArcView GIS三個層次的系統(tǒng)集成.具體的集成方式選擇取決于模型的用戶以及開發(fā)人員的技術能力以及開發(fā)成本等因

21、素。3.3遙感數(shù)據(jù)在分布式水文模型中的應用遙感數(shù)據(jù)(航空照片和衛(wèi)星影像)能夠提供流域空間特征信息,是描述流域水文變異性的最為可行的方法,尤其是在地面觀測缺乏地區(qū).在分布式水文建模中,遙感數(shù)據(jù)的應用可以歸納為8:作為模型輸入數(shù)據(jù)和用作模型參數(shù)估計,具體有7個方面: 1)降水強度觀測以及空間格局; 2)蒸散發(fā)計算和土壤濕度反演; 3)雪被覆蓋面積; 4)地下水埋深; 5)土地覆蓋與土地利用分類; 6)水體特征;7)植被參數(shù)提取.相對GIS,遙感技術在分布式水文模型中的應用水平比較低,其原因主要由于: 1)遙感數(shù)據(jù)空間分辨率和時間分辨率的矛盾,即空間分辨率較高的數(shù)據(jù),其時間分辨率較低,反之亦然,這樣

22、限制了遙感數(shù)據(jù)的應用; 2)缺乏普遍可用的從遙感數(shù)據(jù)中提取水文變量的方法; 3)缺乏必要教育與技術培訓93.3遙感數(shù)據(jù)在分布式水文模型中的應用遙感數(shù)據(jù)(航空照片和衛(wèi)星影像)能夠提供流域空間特征信息,是描述流域水文變異性的最為可行的方法,尤其是在地面觀測缺乏地區(qū).在分布式水文建模中,遙感數(shù)據(jù)的應用可以歸納為8:作為模型輸入數(shù)據(jù)和用作模型參數(shù)估計,具體有7個方面: 1)降水強度觀測以及空間格局; 2)蒸散發(fā)計算和土壤濕度反演; 3)雪被覆蓋面積; 4)地下水埋深; 5)土地覆蓋與土地利用分類; 6)水體特征;7)植被參數(shù)提取.相對GIS,遙感技術在分布式水文模型中的應用水平比較低,其原因主要由于:

23、 1)遙感數(shù)據(jù)空間分辨率和時間分辨率的矛盾,即空間分辨率較高的數(shù)據(jù),其時間分辨率較低,反之亦然,這樣限制了遙感數(shù)據(jù)的應用; 2)缺乏普遍可用的從遙感數(shù)據(jù)中提取水文變量的方法; 3)缺乏必要教育與技術培訓94分布式水文模型的參數(shù)標定分布式水文模型在用于科學研究或者生產(chǎn)實踐之前,必須進行參數(shù)標定.所謂參數(shù)標定,指的是通過在適當范圍內(nèi),調(diào)整模型參數(shù),使模型的預測結(jié)果更加接近觀測數(shù)據(jù).相對集總式模型,分布式水文模型的參數(shù)標定有以下特點: 1)模型需要標定大量空間位置的多個參數(shù),而觀測數(shù)據(jù)非常有限,例如降水和流量都是有限點觀測; 2)模型的參數(shù)取值受到模型計算單元尺寸的影響,例如水力學粗糙系數(shù); 3)模

24、型參數(shù)具有明確物理意義,盡管難于確定精確值,但是易于估計變化范圍10,例如土壤水力學性質(zhì); 4)參數(shù)優(yōu)化計算強度大,一些傳統(tǒng)的優(yōu)化方法不能勝任。目前,集總式水文模型參數(shù)標定的研究和討論已經(jīng)相當豐富,但針對分布式水文模型標定方法的研究,尚處在起步階段11.分布式水文模型明確的物理意義和微分方程日益廣泛的應用,使得其參數(shù)標定研究可以借鑒大氣模型的已有工作成果,伴隨模型方法、自動微分理論以及Kalman濾波方法已經(jīng)用于分布式水文模型的參數(shù)率定和實時更新.伴隨模型是描述水文過程的微分方程在已有數(shù)據(jù)集上的反向表達,并受一定優(yōu)化條件限制. Vieuxetal.12曾經(jīng)應用伴隨方法,計算成本函數(shù)的梯度優(yōu)化分

25、布式水文模型的參數(shù),取得了很好效果.5分布式水文模型的應用基于物理學的分布式水文模型基本上可以應用于絕大部分水文學問題,不過針對大多數(shù)并不復雜的水文問題,使用結(jié)構(gòu)簡單的經(jīng)驗模型、集總式概念模型或者統(tǒng)計模型更為經(jīng)濟有效.但是,當水文問題變得復雜時,基于物理學原理的分布式水文模型成為解決這類問題的唯一選擇,以下是分布式水文模型的典型應用領域。5.1流域條件變化以及氣候變化響應模擬流域變化包括自然和人為因素,例如森林火災、森林砍伐及恢復、城市化和農(nóng)業(yè)布局變化導致的流域內(nèi)部土地利用的變化.氣候變化指的是全球氣候變暖,溫室氣體濃度上升.分布式水文模型的參數(shù)具有明確的物理解釋,這意味著在流域?qū)ν恋乩米兓?/p>

26、和氣候變化的響應發(fā)生之前,分布式水文模型就能夠估計出流域體統(tǒng)的未來狀態(tài)。5.2缺乏前期觀測的流域模擬分布式水文模型參數(shù)的物理意義使其在模擬缺乏前期觀測的流域之前,只需要開展短期高強度的野外觀測和試驗,就能獲得模型標定和運轉(zhuǎn)所需的數(shù)據(jù)及參數(shù),而不像傳統(tǒng)的水文模型,需要有長時間序列的觀測資料來標定模型參數(shù)。5.3空間異質(zhì)性模擬流域性質(zhì)空間異質(zhì)性普遍存在,相對集總式水文模型,分布式模型更能夠反映空間異質(zhì)性對流域水文過程的影響,并能夠給出分布式定量化的結(jié)論,而不是集總式模型給出的流域狀態(tài)平均值.5.4污染物和沉積物的運移模擬流域內(nèi)水流運動是污染物擴散和沉積物運移的基本機制,因此,為了模擬污染物和沉積物

27、的空間運移,首先必須分布式模擬流域內(nèi)部的水流過程.分布式水文模型能夠提供流域內(nèi)水體運動的基本信息,是模擬水質(zhì)變化的最合適選擇.6分布式水文模型面臨的問題分布式水文模型發(fā)展至今,其面臨的問題具有明顯的時代技術特征.在20世紀7080年代分布式水文模型的發(fā)展主要受到計算機發(fā)展水平的限制,進入90年代以后,計算機迅速發(fā)展,計算能力已經(jīng)不是分布式水文模型發(fā)展的瓶頸,而對水文系統(tǒng)的深刻認識、復雜系統(tǒng)建模和多學科交叉等問題成為分布式水文建模必須面對的難點. Beven13將分布式水文模型面臨的問題歸納為5個方面:非線性問題、尺度問題、唯一性問題、等效性問題和不確定性問題,其中,前兩個問題屬于水文學機理認識

28、方面,表現(xiàn)最為突出.此外,多學科建模人員的有效組織和交叉是制約分布式水文模型發(fā)展的重要因素.非線性問題是分布式水文建模所面臨的大部分問題的核心.水文系統(tǒng)是非線性系統(tǒng),所有分布式水文模型都會涉及到描述非線性水文過程,例如描述分布式水文模型計算單元內(nèi)的產(chǎn)流過程,不管是應用Richard方程還是SCS曲線數(shù)方法,都屬于非線性方程.分布式水文模型的物理特征之一就是其參數(shù)可以通過實地測量獲得,然而測量結(jié)果僅僅是點尺度上的參數(shù)化特征,將這樣的實測參數(shù)直接應用到模型計算單元(具有一定的形狀和面積)必然會產(chǎn)生誤差. Reggianiet al.14曾試圖在子流域以及亞網(wǎng)格尺度上直接應用物質(zhì)、能量和動量守恒方程描述水文過程以解決這類參數(shù)化問題,但是沒有成功.