分布式水文模型

1、Zuo Qiting第九章第九章分布式水文模擬分布式水文模擬技術(shù)技術(shù) Zuo Qiting分布式水文模型的發(fā)展分布式水文模型的發(fā)展基于基于DEM的流域分布式水文模型的流域分布式水文模型幾個典型分布式水文模型的介紹幾個典型分布式水文模型的介紹9.19.29.3第九章第九章 分布式水文模擬技術(shù)分布式水文模擬技術(shù)主要內(nèi)容主要內(nèi)容Zuo Qiting9.1 9.1 分布式水文模型的發(fā)展分布式水文模型的發(fā)展9.1.1 9.1.1 分布式水文模型的研究進展分布式水文模型的研究進展9.1.1.1 9.1.1.1 研究進展研究進展 分布式水文模型的研究可以認為起始于分布式水文模型的研究可以認為起始于19691

2、969年年FreezeFreeze和和HarlanHarlan發(fā)表的發(fā)表的一個具有物理基礎(chǔ)數(shù)值模擬的水文響應(yīng)一個具有物理基礎(chǔ)數(shù)值模擬的水文響應(yīng)模型的藍圖模型的藍圖的文章。的文章。 后期比較具有代表性的水文模型包括后期比較具有代表性的水文模型包括SHESHE模型、模型、IHDMIHDM模模型、型、SWATSWAT模型、模型、THALESTHALES模型以及模型以及DTVGMDTVGM模型等。模型等。 進入進入2020世紀世紀9090年代以后，隨著計算機技術(shù)、年代以后，隨著計算機技術(shù)、GIS/RSGIS/RS技術(shù)、技術(shù)、信息技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展與普及，分布式水文模型也因此信息技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展與

3、普及，分布式水文模型也因此獲得了長足發(fā)展。獲得了長足發(fā)展。Zuo Qiting9.1.1.2 9.1.1.2 幾點討論幾點討論 流域分布式水文模型還有待于進一步完善，多流域分布式水文模型還有待于進一步完善，多數(shù)還存在（或很少考慮）以下幾個問題。數(shù)還存在（或很少考慮）以下幾個問題。 分布式水文模型的真實性問題。分布式水文模型的真實性問題。尺度轉(zhuǎn)換問題（或者模型參數(shù)的有效性問題）。尺度轉(zhuǎn)換問題（或者模型參數(shù)的有效性問題）。 模型的檢驗問題。模型的檢驗問題。 計算時間和數(shù)據(jù)存儲的問題。計算時間和數(shù)據(jù)存儲的問題。 Zuo Qiting9.1.2 9.1.2 分布式水文模型的發(fā)展分布式水文模型的發(fā)展 目

4、前，基于模塊的分布式水文模擬系統(tǒng)的研制在國目前，基于模塊的分布式水文模擬系統(tǒng)的研制在國內(nèi)還較為少見。在國外，內(nèi)還較為少見。在國外，USGS USGS （美國地質(zhì)調(diào)查局）在（美國地質(zhì)調(diào)查局）在MMS (Modular Modeling System)MMS (Modular Modeling System)的基礎(chǔ)上已聯(lián)合歐洲等的基礎(chǔ)上已聯(lián)合歐洲等國著手開發(fā)國著手開發(fā)OMS (Objective Modeling System)OMS (Objective Modeling System)，以，以JAVAJAVA為開發(fā)語言，基于為開發(fā)語言，基于InternetInternet實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享。此外

5、，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享。此外，USGSUSGS與與BORBOR（復(fù)墾局）合作開展流域與河流系統(tǒng)管理計劃（復(fù)墾局）合作開展流域與河流系統(tǒng)管理計劃（WARSMPWARSMP），目標是發(fā)展操作性強、以數(shù)據(jù)庫為中心、），目標是發(fā)展操作性強、以數(shù)據(jù)庫為中心、面向復(fù)雜的資源管理問題的決策支持系統(tǒng)。面向復(fù)雜的資源管理問題的決策支持系統(tǒng)。 總體上看，集成不同的水循環(huán)模型，基于模塊化結(jié)構(gòu)，總體上看，集成不同的水循環(huán)模型，基于模塊化結(jié)構(gòu)，構(gòu)建面向多目標的水文模擬系統(tǒng)是現(xiàn)代水文模擬技術(shù)發(fā)展構(gòu)建面向多目標的水文模擬系統(tǒng)是現(xiàn)代水文模擬技術(shù)發(fā)展的又一個重要方向。的又一個重要方向。Zuo Qiting9.2 9.2 基于基于D

6、EMDEM的流域分布式水文模型的流域分布式水文模型9.2.1 9.2.1 流域水文過程及其數(shù)學(xué)模擬流域水文過程及其數(shù)學(xué)模擬9.2.1.1 9.2.1.1 流域水循環(huán)過程流域水循環(huán)過程 流域是陸地系統(tǒng)中最為重要的自然集水區(qū)域。流域流域是陸地系統(tǒng)中最為重要的自然集水區(qū)域。流域水循環(huán)主要包括降水、冠層截留、徑流（坡面流、壤中水循環(huán)主要包括降水、冠層截留、徑流（坡面流、壤中流和地下徑流）、下滲、蒸發(fā)（包括土壤蒸發(fā)、水面蒸流和地下徑流）、下滲、蒸發(fā)（包括土壤蒸發(fā)、水面蒸發(fā)、植被蒸騰、潛水蒸發(fā)）等幾個環(huán)節(jié)。在這幾個環(huán)節(jié)發(fā)、植被蒸騰、潛水蒸發(fā)）等幾個環(huán)節(jié)。在這幾個環(huán)節(jié)中，伴隨著水量的轉(zhuǎn)化和物質(zhì)及能量的交換，

7、同時還受中，伴隨著水量的轉(zhuǎn)化和物質(zhì)及能量的交換，同時還受到氣候變化、大氣降水動力學(xué)過程及流域地形、地貌、到氣候變化、大氣降水動力學(xué)過程及流域地形、地貌、人類活動等多種因素的影響。因此，流域水循環(huán)是一個人類活動等多種因素的影響。因此，流域水循環(huán)是一個十分復(fù)雜的過程。十分復(fù)雜的過程。 Zuo Qiting流域水循環(huán)過程示意圖流域水循環(huán)過程示意圖 降水蒸發(fā)蒸騰坡面流壤中流下滲冠層截留河流基流降雨冠層截留地表調(diào)蓄土壤調(diào)蓄地下調(diào)蓄蒸散發(fā)河網(wǎng)調(diào)蓄徑流Zuo Qiting9.2.1.2 9.2.1.2 流域水循環(huán)的數(shù)學(xué)模擬流域水循環(huán)的數(shù)學(xué)模擬 由于流域水循環(huán)過程極其復(fù)雜，在建立水文模型時由于流域水循環(huán)過程極

8、其復(fù)雜，在建立水文模型時通常對復(fù)雜水文現(xiàn)象進行抽象和概化。目前，水文模型通常對復(fù)雜水文現(xiàn)象進行抽象和概化。目前，水文模型的種類繁多，按模型的性質(zhì)和建模技術(shù)可分為：實體模的種類繁多，按模型的性質(zhì)和建模技術(shù)可分為：實體模型（如比例尺模型）、類比模型（如用電流歐姆定律類型（如比例尺模型）、類比模型（如用電流歐姆定律類比滲流達西定律的模型）和模擬模型。比滲流達西定律的模型）和模擬模型。其中，數(shù)學(xué)模擬其中，數(shù)學(xué)模擬模型是人們最常用的一類水文模型。模型是人們最常用的一類水文模型。Zuo Qiting9.2.2 9.2.2 基于基于DEMDEM的流域分布式水文模擬的流域分布式水文模擬9.2.2.1 9.2.

9、2.1 模型的特點與分類模型的特點與分類 基于基于DEMDEM的分布式水文模型具有以下特點：具有物的分布式水文模型具有以下特點：具有物理基礎(chǔ)，能夠描述水循環(huán)的時空變化過程。由于其分理基礎(chǔ)，能夠描述水循環(huán)的時空變化過程。由于其分布式特點，能夠與布式特點，能夠與GCMGCM（大氣環(huán)流模式）嵌套，研究自然（大氣環(huán)流模式）嵌套，研究自然變化和氣候變化對水循環(huán)的影響。同變化和氣候變化對水循環(huán)的影響。同RSRS和和GISGIS相結(jié)合，相結(jié)合，能夠及時地模擬出人類活動或下墊面因素的變化對流域能夠及時地模擬出人類活動或下墊面因素的變化對流域水循環(huán)過程的影響。水循環(huán)過程的影響。Zuo Qiting流域分布式水文

10、模型的一般框架流域分布式水文模型的一般框架 Zuo Qiting 目前，基于目前，基于DEMDEM的分布式水文模型主要有兩的分布式水文模型主要有兩種建模方式：種建模方式： 應(yīng)用數(shù)值分析來建立相鄰網(wǎng)格單元之間的時空應(yīng)用數(shù)值分析來建立相鄰網(wǎng)格單元之間的時空關(guān)系，如關(guān)系，如SHESHE模型等。模型等。在每一個網(wǎng)格單元（或子流域）上應(yīng)用傳統(tǒng)的在每一個網(wǎng)格單元（或子流域）上應(yīng)用傳統(tǒng)的概念性（或系統(tǒng)理論）模型來推求凈雨，再進行概念性（或系統(tǒng)理論）模型來推求凈雨，再進行匯流演算，最后求得出口斷面流量，如匯流演算，最后求得出口斷面流量，如SWATSWAT模型模型等。等。 Zuo Qiting9.2.2.2 9

11、.2.2.2 模型的結(jié)構(gòu)與參數(shù)模型的結(jié)構(gòu)與參數(shù) 基于基于DEMDEM的分布式水文模型在結(jié)構(gòu)上一般分為三的分布式水文模型在結(jié)構(gòu)上一般分為三部分：部分： 分布式輸入模塊，用于處理流域空間分布信息，為分布式輸入模塊，用于處理流域空間分布信息，為水文模塊提供空間輸入數(shù)據(jù)和確定模型參數(shù)的信息。水文模塊提供空間輸入數(shù)據(jù)和確定模型參數(shù)的信息。 單元水文模型，是坡面產(chǎn)匯流計算的核心部分。單元水文模型，是坡面產(chǎn)匯流計算的核心部分。 河網(wǎng)匯流模型。有些基于網(wǎng)格的分布式水文模型忽河網(wǎng)匯流模型。有些基于網(wǎng)格的分布式水文模型忽略了該部分。略了該部分。Zuo Qiting在單元上采用傳統(tǒng)的概念性模型，不改變原有模型的在單

12、元上采用傳統(tǒng)的概念性模型，不改變原有模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，但每一個單元上水文模型的參數(shù)值隨空間結(jié)構(gòu)和參數(shù)，但每一個單元上水文模型的參數(shù)值隨空間變化。參數(shù)值的大小根據(jù)空間信息圖進行分類計算。變化。參數(shù)值的大小根據(jù)空間信息圖進行分類計算。重新設(shè)計單元水文模型的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。盡量選擇或者重新設(shè)計單元水文模型的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。盡量選擇或者重新構(gòu)造那些既反映空間變化，又具有物理意義，且便重新構(gòu)造那些既反映空間變化，又具有物理意義，且便于計算的指標作為模型的參數(shù)。于計算的指標作為模型的參數(shù)。 將原有模型的參數(shù)同易于獲取的空間指標（主要是通將原有模型的參數(shù)同易于獲取的空間指標（主要是通過過RSRS影像或者影像或者DE

13、MDEM提取的空間指標）建立起某種對應(yīng)關(guān)提取的空間指標）建立起某種對應(yīng)關(guān)系（一般是統(tǒng)計關(guān)系），從而得到分布式水文模型的參系（一般是統(tǒng)計關(guān)系），從而得到分布式水文模型的參數(shù)計算方法。數(shù)計算方法。 分布式水文模型的參數(shù)是一個反映流域下墊面分布式水文模型的參數(shù)是一個反映流域下墊面和氣象因素空間變化的數(shù)集。它的確定方法包括和氣象因素空間變化的數(shù)集。它的確定方法包括： Zuo Qiting9.3 9.3 幾個典型分布式水文模型的介紹幾個典型分布式水文模型的介紹9.3.1 MIKE SHE9.3.1 MIKE SHE模型模型 MIKE SHE MIKE SHE是對是對SHESHE模型的發(fā)展和完善，它能夠模

14、擬模型的發(fā)展和完善，它能夠模擬水循環(huán)陸面過程中主要的水文過程包括水量、水質(zhì)及水循環(huán)陸面過程中主要的水文過程包括水量、水質(zhì)及沉積物輸移。它能用于解決與地表水和地下水相關(guān)的沉積物輸移。它能用于解決與地表水和地下水相關(guān)的資源和環(huán)境問題，以及地表水和地下水之間的動態(tài)相資源和環(huán)境問題，以及地表水和地下水之間的動態(tài)相互作用關(guān)系?；プ饔藐P(guān)系。 典型應(yīng)用包括：流域規(guī)劃、供水、灌溉和排水、污典型應(yīng)用包括：流域規(guī)劃、供水、灌溉和排水、污染物堆放場的污染物、農(nóng)業(yè)耕作的影響（包括農(nóng)用化學(xué)染物堆放場的污染物、農(nóng)業(yè)耕作的影響（包括農(nóng)用化學(xué)品和化肥的使用）、土壤和水資源管理、土地利用變化品和化肥的使用）、土壤和水資源管理、

15、土地利用變化的影響、氣候變化的影響和生態(tài)評價（包括沼澤區(qū)域）。的影響、氣候變化的影響和生態(tài)評價（包括沼澤區(qū)域）。 Zuo QitingMIKE SHEMIKE SHE的水循環(huán)及模擬示意圖的水循環(huán)及模擬示意圖 Zuo Qiting MIKE SHEMIKE SHE模型的核心是描述研究區(qū)域水分運動模型的核心是描述研究區(qū)域水分運動的的MIKE SHE WMMIKE SHE WM模塊模塊。MIKE SHE WMMIKE SHE WM模塊的主結(jié)構(gòu)包模塊的主結(jié)構(gòu)包括六個部分，分別描述了六個水文物理過程：截留括六個部分，分別描述了六個水文物理過程：截留/ /植物蒸散發(fā)植物蒸散發(fā)(ET)(ET)、坡面和河道徑

16、流（、坡面和河道徑流（OCOC）、不飽）、不飽和層（和層（UZUZ）、飽和層（）、飽和層（SZSZ）、融雪（）、融雪（SMSM）和蓄水層）和蓄水層與河道間的交換。與河道間的交換。Zuo QitingMIKE SHE WMMIKE SHE WM模塊的結(jié)構(gòu)圖模塊的結(jié)構(gòu)圖 融雪蒸散發(fā)交換模塊坡面和河道徑流飽和層截留不飽和層貢獻于網(wǎng)格降雨網(wǎng)格降雨網(wǎng)格降雨實際截流容量潛在蒸散發(fā)根帶土壤含水量水面蒸發(fā)蒸騰/土壤蒸發(fā)下滲補給/排水排泄流量淺層地下水面淺層地下水面基流/河道損失基流/河道損失水位Zuo Qiting9.3.2 TOPMODEL9.3.2 TOPMODEL TOPMODEL TOPMODEL（T

17、OPgraphy based hydrological MODELTOPgraphy based hydrological MODEL）是一個以地形為基礎(chǔ)的、基于變源面積概念的半分布式水是一個以地形為基礎(chǔ)的、基于變源面積概念的半分布式水文模型。由文模型。由BevenBeven和和KirkbyKirkby于于19791979年提出，經(jīng)過年提出，經(jīng)過2020多年的發(fā)多年的發(fā)展，展，TOPMODELTOPMODEL與與DTMDTM（或（或DEMDEM）相結(jié)合在水文領(lǐng)域得到了十）相結(jié)合在水文領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用。分廣泛的應(yīng)用。 TOPMODEL TOPMODEL的顯著特點是利用易于獲取的地形信息（

18、如的顯著特點是利用易于獲取的地形信息（如地形指數(shù)地形指數(shù) 、土壤地形指數(shù)等）來描述流域產(chǎn)流及源面積、土壤地形指數(shù)等）來描述流域產(chǎn)流及源面積的變化與分布，簡化流域降水徑流過程的模擬。模型具有的變化與分布，簡化流域降水徑流過程的模擬。模型具有結(jié)構(gòu)簡單、優(yōu)選參數(shù)少、物理概念明確、模擬精度高、易結(jié)構(gòu)簡單、優(yōu)選參數(shù)少、物理概念明確、模擬精度高、易于與于與GISGIS相結(jié)合等特點，無論在徑流、泥沙、水質(zhì)的模擬研相結(jié)合等特點，無論在徑流、泥沙、水質(zhì)的模擬研究中，還是在氣候、土地植被變化研究和水資源管理等領(lǐng)究中，還是在氣候、土地植被變化研究和水資源管理等領(lǐng)域都具有很好的應(yīng)用前景。域都具有很好的應(yīng)用前景。Zuo

19、 Qiting TOPMODEL TOPMODEL通過土壤含水量（或土壤飽和缺水通過土壤含水量（或土壤飽和缺水量）來確定流域產(chǎn)流面積的大小和位置，而土壤量）來確定流域產(chǎn)流面積的大小和位置，而土壤飽和缺水量由地形指數(shù)計算得到。對于一個單元飽和缺水量由地形指數(shù)計算得到。對于一個單元流域流域TOPMODELTOPMODEL的計算流程為：基于的計算流程為：基于DEMDEM計算地形計算地形指數(shù)，并求出每類地形指數(shù)的面積分布；根據(jù)指數(shù)，并求出每類地形指數(shù)的面積分布；根據(jù)地形指數(shù)逐類進行產(chǎn)流計算，得到單元流域的產(chǎn)地形指數(shù)逐類進行產(chǎn)流計算，得到單元流域的產(chǎn)流量；進行單元流域的匯流計算。流量；進行單元流域的匯流

20、計算。 Zuo Qiting TOPMODEL TOPMODEL模型具有參數(shù)較少，模擬精度高的模型具有參數(shù)較少，模擬精度高的特點。特點。TOPMODELTOPMODEL利用地形指數(shù)計算飽和缺水量，利用地形指數(shù)計算飽和缺水量，將產(chǎn)流計算與易于獲得的地形信息建立聯(lián)系，這將產(chǎn)流計算與易于獲得的地形信息建立聯(lián)系，這一點對于構(gòu)建基于一點對于構(gòu)建基于DEMDEM的分布式水文模型具有很好的分布式水文模型具有很好的啟迪作用。的啟迪作用。但同大多數(shù)模型類似，但同大多數(shù)模型類似，TOPMODELTOPMODEL模模型并不適合所有的流域型并不適合所有的流域。這是因為模型的蓄滿產(chǎn)。這是因為模型的蓄滿產(chǎn)流機制和飽和地下

21、水穩(wěn)定流的假設(shè)在一些流域并流機制和飽和地下水穩(wěn)定流的假設(shè)在一些流域并不成立。不成立。 Zuo Qiting9.3.3 SWAT9.3.3 SWAT模型模型 SWAT SWAT（Soil and Water Assessment ToolSoil and Water Assessment Tool）模型是在）模型是在SWRRBSWRRB（Simulater for Water Resources in Rural Simulater for Water Resources in Rural BasinsBasins）模型（）模型（Williams et al.,1985; Arnold et a

22、l., Williams et al.,1985; Arnold et al., 19901990）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個長時段的流域分布式水文模）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個長時段的流域分布式水文模型。它具有很強的物理基礎(chǔ)，適用于具有不同土壤類型、型。它具有很強的物理基礎(chǔ)，適用于具有不同土壤類型、不同土地利用方式和管理條件下的復(fù)雜大流域，并能在資不同土地利用方式和管理條件下的復(fù)雜大流域，并能在資料缺乏的地區(qū)建模，在加拿大和北美寒區(qū)具有廣泛的應(yīng)用。料缺乏的地區(qū)建模，在加拿大和北美寒區(qū)具有廣泛的應(yīng)用。 SWAT SWAT屬于第二類分布式水文模型，即在每一個網(wǎng)格單屬于第二類分布式水文模型，即在每一個網(wǎng)格單元

23、（或子流域）上應(yīng)用傳統(tǒng)的概念性模型來推求凈雨，再元（或子流域）上應(yīng)用傳統(tǒng)的概念性模型來推求凈雨，再進行匯流演算，最后求得出口斷面流量。進行匯流演算，最后求得出口斷面流量。Zuo QitingSWATSWAT模型結(jié)構(gòu)示意圖模型結(jié)構(gòu)示意圖 降 水灌 溉降 雨降 雪融 雪 下 滲 地 表 徑 流土壤水蒸發(fā)植物蒸散發(fā)壤 中 流滲 漏輸 移 損 失池塘/水庫蒸發(fā)灌 溉池塘/水庫出流池塘/水庫滲透灌 溉潛水蒸發(fā)滲 透回歸流灌 溉灌溉用水輸移損失河段出流量雪 蓋土 壤 水土壤水分層（10層）河 流淺層地下水深層地下水池塘/水庫調(diào)蓄Zuo Qiting SWAT SWAT采用類似于采用類似于HYMOHYMO（Hydrologic ModelingHydrologic Modeling）模型（模型（Williams and Hann,1973Wi