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2014-关于分布式水文模型认识的讨论


关于分布式水文模型认识的讨论,陈建等

关于分布式水文模型认识的讨论
陈建 赵宇 王建平
(国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司)

摘要:分布式水文模型应用研究目前是水文的热点问题之一,国内外很多学者在这方面做了很 多的论述, 本文总结了从 70 年代分布式水文模型提出以来国内外在这方面的研究成果和在水资 源管理领域的

应用现状。针对目前的状况提出了分布式水文模型还存在的主要问题以及未来分 布式水文模型的发展方向。 关键词:分布式水文模型;水文模型;综述;水资源管理 水文模型是对自然界中复杂水文现象的一种简化,是水文水资源研究的重要工具。大约在 20 世 纪 50 年代中期, 伴随计算机的出现, 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。随即出现了SSARR模型(1958 年)和STANFORD模型(1959 年) 等模型,20 世纪 70 年代至 80 年代中期又提出了新安江模型、SACRAMENTO模型、HEC-1 模型、 tank模型、SCS模型、API连续演算流域水文模型等。这些传统的流域水文模型大多为概念性模型, 又分为集总模型和分散模型两种。集总模型忽略了各部分流域特征参数在空间上的变化,把全流域 作为一个整体。分散模型按流域各处地形、土壤、植被、土地利用和降水等的不同,将流域划分为 若干个水文模拟单元,在每一个单元上用一组参数反映该部分的流域特性。显然,当今所谈论的分 布式水文模型属于分散模型范畴[1]。

1 分布式水文模型的出现和发展
1.1 国外分布式水文模型 在国外分布式水文模型的研究可以认为起始于 1969 年(Freez和Harlan发表的“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。 随后, Hewllet和Troenale在 1975 年提出了森林流域的变源 面积模拟模型(简称VSAS) 。在该模型中,地下径流被分层模拟,在坡面上的地表径流被分块模拟。 1979 年Bevenh和Kirbby提出了以变源产流为基础的TOPMODEL模型[2]。 该模型基于DEM推求地形指 数Ln(α/tanuβ),并利用地形指数来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响,模型的参数 具有物理意义,能用于无资料流域的产汇流计算。但TOPMODEL并未考虑降水、蒸发等因素的空间 分布对流域产汇流的影响,因此,它不是严格意义上的分布式水文模型。由丹麦、法国及英国的水 文学者(BEVEN,Abbott,Bathurst,Refsgaard and Storm等等)联合研制及改进的SHE模型(System Hydrologic European)则是一个典型的分布式水文模型[3]。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,以便处理不同层次的土壤水运 动问题。 SHE模型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想的工具。 1980 年, 英国的Morris进行了IHDM(Institute of Hydrology Distributed Mode)的研究,根据流域坡面的地形特征, 流域被划分成若干部分,每一部分包含有坡面流单元,一维明渠段以及二维(在垂面上)表层流及壤中 流区域。Beven等(1987 年)和Calver等(1988 年,1995 年)对IHDM模型进行了改进[4]。1994 年,Jeff Arnold为美国农业部 (USDA) 农业研究中心 (ARS) 开发了SWAT模型 (Soil and Water Assessment Tool) 。 SWAT是一个具有很强物理机制的、长时段的流域水文模型。它能够利用GIS和RES供的空间信息,模拟 复杂大流域中多种不同的水文物理过程。模型可采用多种方法将流域离散化(一般基于栅格DEM) ,能 够响应降水、蒸发等气候因素和下垫面因素的空间变化以及人类活动对流域水文循环的影响。到目前世

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界各个国家各种分布式水文模型已经有几十种之多。 1.2 我国分布式水文模型的发展 在我国分布式水文模型的研究起步较晚。1995 年,沈晓东等在研究降雨时空分布与下垫面自然 地理参数空间分布的不均匀性对径流过程影响的基础上, 提出了一种在GIS支持下的动态分布式降雨 径流流域模型,实现了基于栅格DEM的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟。1997 年,黄平等分析了 国外一些具有物理基础的分布式水文数学模型的不足,提出了流域三维动态水文数值模型的构想[5]。 Huaxia Yao等(1998 年,1999 年,2001 年) ,提出了基于网格的集降雨空间输入估计,降雨—蒸发 —径流过程模拟, 河流演算和空间参数校准为一体的分布式水文模型。 杨大文等 (2000 年, 2002 年) 提出了基于山坡的和基于 10km网格的大尺度分布式水文模型。 任立良等进行了流域数字水文模型研 究,并基于DEM考虑流域空间的变异性,建立数字高程流域水系模型[6]。夏军(2000 年)运用系统 理论与物理机制结合的方法,建立了大尺度分布式时变增益水文模型(DTVGM),它能够在一定程度 土解决无资料(缺资料)地区的水文问题(PUB)。刘新仁(2002 年)建立一种基于数字高程模型(DEM) 和地理信息系统(GIS)的网格式空间分布水文模型。该模型可在分别考虑不同网格的热量和水分状态 的基础上计算产流和汇流[7]。莫兴国,刘苏峡等(2004)建立基于土壤-植被-大气传输机理的分布式 生态水文模型,模拟流域水量平衡的时空分布[8]。李兰(2005)开发了全分布式的LL-Ⅱ分布式流域 水文模型,基于山坡水文学原理进行产流计算。贾仰文等(2005)综合了分布式水文模型和陆面过程 模型各自优点的基础上,开发出模拟对象为“天然—人工”二元水循环系统的WEP-L模型[9]。康尔泗 等(2006)构建了一个以 1 km×1 km网格为基础,日为时间步长内陆河高寒山区流域分布式水热耦合 模型(DWHC), 设计了与中尺度大气模式MM5 的嵌套接口,也可以用地面气象资料驱动[10]。 国内目前 已经开发了许多分布式水文模型,取得了很大的进步,但是模型都缺乏影响力和本身适用性不强, 这主要有两方面的原因:一是模型设计时太具体化,只针对某一特定的流域进行建模设计,二是模 型没有开发适用不同植被覆盖、土壤、气候和气象特性的参数库,当要应用于一个新的区域时又得 重新修改模型模块来满足新的特性。

2 分布式水文模型对水资源管理的应用
水资源管理是目前世界水环境的主要问题,是水资源可持续发展的关键,分布式模型由于其基 于物理机制的建模过程和考虑空间变异性而更加接近描述真实世界而得到了广泛的应用。从目前来 看,虽然分布式水文模型还存在一些缺陷,但其为今后水资源管理模型的发展提供了明确的方向。 下面从水资源管理的几个方面来分析分布式水文模型在水资源管理中的应用: 2.1 水资源评价 水资源评价是对水质,水量和水资源的可获得性进行评价,同时在这个基础上对水资源的管理, 控制和可持续发展进行评价。传统模型对水资源评价的时候往往采取的是分离和一元静态的集总式 评价模式,其不能全面的反映水资源的变化,能够对流域水资源变化进行整体评价,而对流域内的 局部变化不能有效的评价,造成有时局部发生较大的变化而整体变化不明显而被忽略,特别是当今 全球气候变暖,水文极端事件的发生频率越来越大,而传统模型在其应用过程中由于尺度限制,并 不能反映这种变化。随着人口增长和生产力发展,农业生产、城市化、水土保持和人工取、用、耗、 排水等人类活动正深度改变着天然水循环的大气、地表、土壤和地下各个过程。2006 年王浩提出了 “天然—人工”二元水循环理论与分布式水文模型进行结合,综合了分布式流域水文模型和陆地地表 过程模型的优势,能够精细描述大空间尺度和长时间序列的水文过程,并且能够耦合模拟流域“坡面 —河道—地下”天然水循环过程与“取水—输水—用水 耗水—排水”社会水循环过程。能够实现对水 资源进行动态多尺度的评价[11]。 2.2 径流模拟和洪水预报 降雨量是洪水预报中最重要的信息之一许多研究表明在没有充分考虑降雨的空间分布时,水文 模型参数率定以及极端洪水事件的预测存在不确定性。目前水利防汛部门的雨量信息主要是由地而

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进行点的观测得到。由于地形等因素的影响,这种雨量信息往往不能代表真实雨量的空间分布,有 时无法满足防汛要求,目前我国也开发的分布式水文模型中有许多都包含水文预报或叫次降雨径流 模拟模块。 Collier(1996a)指出,完全分布式水文模型在实时洪水预报的精度上并没有一致性的提 高,这主要是因为输入模型的流域空间信息分辨率需要与模型单元划分的尺度相一致。 因此,目前在流 域下垫面及水文气象条件比较复杂的大流域建立分布式水文模型并应用于实际的洪水预报比较困 难。目前我国开发的分布式水文模型中也有许多都包含水文预报或叫次降雨径流模拟的模块[12],如 LL-Ⅱ模型,分布式官司河模型(GSH模型)等。雷达测雨技术和分布式水文模型的耦合也是提高水文 预报精度的一个发展方向,刘金涛,李致家(2004)尝试将雷达测雨技术引入流域洪水预报中,建立 基于分布式水文模型的洪水预报模型[13,14]。从预报的结果来看,该实时预报模型很好地解决了雷达遥 感数据与水文模型的耦合,为在流域洪水预报中采用雷达测雨提供了先行的研究基础。 2.3 农业灌溉 通过现代科技提高农业灌溉效率对经济和环境的发展将产生巨大影响,但这方面的研究还没有 得到全球范围的推广,尤其是像中国这种以农业为主的发展中国家。分布式水文模型为能够分析灌 区中不同区域土壤水分和地下水的空间变异性,可以实际知道各个网格单元的实际灌溉需水量,这 是传统模型的优化所不能做到的。我国在分布式农业灌溉模型的开发应用还处于初步阶段,更多的 是利用模型来模拟灌区的来水过程, 对灌区的需水量分布, 目前只是通过GIS和分布式模型的松散耦 合来分析土壤水分和降雨蒸发量的空间变化, 但有研究表明在灌区内影响灌溉需水量的两大因素中, 灌溉作物的空间分布比土壤类型和地下水的空间变化的影响要大得多,因此在开发农业灌溉模型的 过程中,研究作物的需水量变化显得很重要。要实现区域灌溉的水资源管理,分布式水文模型需要 实现对灌区三维空间的水循环的过程及相互作用的过程的准确模拟,比如上游灌区的灌溉水下渗对 下游灌区地下水的补给影响[15]。 2.4 水土侵蚀和流失 水土侵蚀是一个非常复杂的过程,一般而言土壤侵蚀模型分为三类,即经验模型,概念模型和 物理模型。土壤侵蚀分布式物理模型与经验模型,概念模型相比有许多优点。由于这类模型不仅能 够计算泥沙浓度在时间上的变化,而且还能计算其在空间上的变化,从而帮助我们识别有高度侵蚀 危险的区域以及推算从田间尺度到流域尺度的土壤侵蚀量。此外,科学家们能够通过模型中的物理 描述去验证新的理论,同时借助灵敏度分析得出哪一个因子或哪一个侵蚀过程来讲最重要。因而, 我们可以把这样的模型最为规划工具,发挥它更大的潜能。 目前国内的侵蚀产沙模型多为集总式模型(Lumped Model),分布式侵蚀产沙模型不多见[16,17]。符 素华等建立了一个流域尺度的、以次暴雨为基础的与GIS相结合的分布式模型[18]。在栅格单元的基 础上,模型可以计算每一栅格单元的径流量和坡面侵蚀量。该模型可以模拟流域内土壤侵蚀的空间分 布和评价不同土地利用、水土保持措施等对水土流失的影响。祁伟等建立了基于场次暴雨的小流域 侵蚀产沙分布式数学模型[19]。该模型能够模拟出流域在不同水土保持措施(不同土地利用类型)下的 径流和侵蚀产沙的时空过程。郝芳华,张雪松等应用SWAT模型分析亚流域划分对分布式水文模型模 拟结果的影响发现, 产沙量随亚流域数量的增加而减小,变化幅度较大;同时存在一个亚流域划分水平, 当超过此水平时亚流域数量的变化对产沙量几乎没有影响[20]。 目前,我国分布式侵蚀产沙模型研究存在的一些问题。如目前研究的产沙侵蚀模型大多数来自 于黄土高原,应用具有相当大的局限性,大多数的产沙侵蚀关系式是经验的,而且考虑汇沙过程显 得很简单,很重要的一点产沙与次降雨时间变化和空间变化过程不清楚。 2.5 水污染模型 由于科学技术的原因,地表水水质模型的发展现状相对好一些,并且模型的应用也比较广泛。 在地下水污染研究方而,其主要问题是要获得详细的水文地质资料,包括二维空间的描述以及决定 污染物输移扩散的水力学参数的空间变化。与资料获取相比,地下水运输模型技术有了较大的提高。 至于地下水水质方而,仍然需要在方法鉴别以及有机无机地化方面的相关参数估计及其相互关系等

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方而进行进一步研究。在农用化学品的非点源污染问题中,化学物质在根系区的作用过程和机理还 需要进一步研究,尤其是在耕作方式等农业管理技术方面。桂峰,于革(2006a)应用流域分布式水文 模型SWAT,探讨传统农业条件下流域营养盐输移的规律[21]。模拟结果显示,传统农业条件下流域营养 盐输出,TN和TP浓度变化有明显的季节特征,体现了耕作制度对营养盐浓度的影响。李恒鹏,杨桂山 等(2007)以太湖上游地区为研究对象,采用代表性流域实测参数与分布式水文模型相结合的思路, 开发基于单元格网的面源污染模拟模型[22]。分析流域土地利用与河流水质的联系,估算林地、耕地产 出径流的面源污染总氮浓度特征。 2.6 土地利用模型 土地利用变化对水质和水量的影响也是很重要的。例如,城市化和森林退化对洪涝和干旱的影 响、耕作方式和其他农业生产活动对水土流失和地下水水质的影响等,都是目前许多地区在水资源 ~ 管理方而存在的主要问题[23 25]。因此,分布式水文模型应用对解决这些问题是非常有用的,限制模 型在该领域广泛应用的主要因素是缺少在过程描述和参数估计方而的一些基木知识。与此同时,由于 城市化过程往往伴随着人口与财富的聚集,极端事件造成的可能损失将会大大增大。近年来国内外许 多学者都对城市水文机理进行了探索。郑璟,袁艺等(2005)选择土地利用变化剧烈的典型快速城市 化地区——深圳市为研究区域,在前人已有的土地利用变化研究基础上,应用美国农业部水土保持局 开发的SCS水文模型对深圳地区在城市化不同阶段城市扩张地区土地利用变化引起的地表径流深度 变化进行了模拟分析[26]。 2.7 生态系统模型 湿地和水生生态系统模型以前都是利用很简单的水文模型,因为生态系统木身的作用过程很复 杂,资料获取很难,并且直到现在,即使最先进的水文模型也不能为生态系统模型的建立提供详细 的资料。目前,建立水生生态系统模型的一个前提条件就是要充分利用先进的分布式物理模型,近 年来取得了一些进展。莫兴国,刘苏峡等(2004a)建立基于土壤-植被-大气传输机理的分布式生态 水文模型,模拟流域水量平衡的时空分布。研究结果发现,该流域的年平均植被指数(NDVI)的年际 变化不明显,但NDVI最大值的年际变化显著[27]。陈仁升 ,康尔泗等(2003,2004)建立了一个基于 GIS网格的黑河中游山前绿洲地区分布式水文模型[28]。模拟结果表明,黑河流域中游山前绿洲地带 的降水几乎完全消耗于蒸散发,且大约 70%的山区地表径流补给也消耗于蒸散发。蒸散发以中游森 林为最多,草本植被蒸散发同植被覆盖度呈正比。天然植被覆盖度同降水量的多少呈正比,在当地 气候条件下,降水是天然荒漠植被类型和分布的控制因子。

3 分布式水文模型的问题
3.1 资料问题 分布式水文模型跟传统水文模型有一个很大的区别就是需要大量的空间水文、气象、及下垫面 信息,而这些信息不易获得,即使有资料也存在水文尺度问题,除了地形资料,像降雨资料大都是根据 站点资料插值,很难满足模型的精确度要求,因而其研究和应用得到一定的限制。雷达测雨技术和 红外遥感技术的发展为获取空间分布数据提供了一种有效的手段。不过就目前而言,资料获取由于 费用昂贵和缺乏长时间尺度的资料,使得其处理很多时间尺度有关的问题时一筹莫展。另外,基于 物理机制的分布式水文模型不再同于传统模型只关心目标结果,分布式水文模型需要计算各个单元 栅格的水量平衡要素的动态变化规律,现有的观测资料远远不能满足检验模型结果的需要[29]。 3.2 模型问题 水文循环本身是一个很复杂的过程,人类目前的认识水平对水文循环的自然规律并不能完全掌 握和理解,在对客观世界进行抽象刻画的过程描述还不是很准确,许多机理过程都需要作深入的研 究。另一方面,随着认识的深入,在模型中用来解释和计算水文过程的数学公式和所建立的模型结 构越来越复杂,参数越来越多,而参数间的相关性增高,不但为参数确定增加了困难,同时影响了模型推 广应用的精度[30]。

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3.3 尺度问题 如何把不同的时空尺度联系起来,实现宏观与微观的水文过程在尺度上的衔接与综合。在空间尺 度上存在两个问题:一是从下往上进行尺度放大,即考虑地表面的非一致性,如何把单位均匀面积上所 得的结果扩大到大尺度区域的模拟上,二是从上往下进行尺度缩小,即把大尺度模型的输出结果转化 为较小尺度信息。由于水文信息的不完全性和水文模型参数的非独立性,寻求参数信息丰富、有物理 基础的分布式水文模型和独立输入输出资料的方法,就显得十分重要。尽管分布式水文模型考虑了空 间异质性,但对空间异质性本身的内在规律没有进行深入探讨,因此并未从根本上解决尺度的转换问 题。 3.4 参数问题 分布式水文模型中采用了物理方程与高分辨率的图像和大量的数据资料,但这种远比集总式复 杂的模型并没有必然地得到更好的结果。像Seyfried和Wilcox说的:“物理基础模型的缺点之一是较集 总式模型需要更多的输入资料,这样参数化和检验的工作量就大大加大了[31]。尽管参数化、检验和运 行模型需要更多的努力,而模拟结果甚至不如集总式模型。 理论上,物理模型的参数可以实测或者由实 测资料率定得出。 但在实践中,由于水文系统的非线性和结构异质性,物理模型的参数往往并不能由实 测物理量确定出来。这就导致需要率定所谓的网格尺度上的有效参数值,。一个真正的基于物理机制 的模型,应该有足够多的资料来对参数进行事先的估计或者采用直接野地试验的得出的参数。而这 一点,现在是远远做不到的。

4 分布式水文模型发展展望
分布式水文模型的出现是对传统集总模型的一个更加深入细化的过程, 它将更多目前技术条件 下可获得的对水过程有重要影响的数据资料加入模型进行建模,理论上属于对物理世界更加客观的 描述,这使得分布式水文模型的研究成为当今水文的一大热点。但是分布式水文模型要想更快的能 够应用于实际生产,必须在以下几点有所进步:一、突破传统的产流与汇流理论,对水分在土壤中 的运动进行更细致的描述,而不仅仅是对水进行划分;二、将分布式水文模型与气象气候模式耦合 在一起进行水分循环研究,单单的水文模型模拟其实割裂了水循环运动的连续性,缺乏对大气层水 分的变化的掌控;三、对水文参数的时空变化特性进行深入的研究,能够描绘不同时间尺度和空间 尺度下水文模型参数的变化规律,以提高模型范围的适用性。

参考文献
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作者简介 陈建(1983-) 男,汉族,湖南郴州人,硕士研究生,主要从事水文与水资源研究。 E-mail:nehcjian1983@gmail.com tel: 13438880390 基金项目 江苏省自然科学基金资助课题(BK2011138)


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