分布式水文模型

1、Zuo Qiting第九章第九章分布式水文模拟分布式水文模拟技术技术 Zuo Qiting分布式水文模型的发展分布式水文模型的发展基于基于DEM的流域分布式水文模型的流域分布式水文模型几个典型分布式水文模型的介绍几个典型分布式水文模型的介绍9.19.29.3第九章第九章 分布式水文模拟技术分布式水文模拟技术主要内容主要内容Zuo Qiting9.1 9.1 分布式水文模型的发展分布式水文模型的发展9.1.1 9.1.1 分布式水文模型的研究进展分布式水文模型的研究进展9.1.1.1 9.1.1.1 研究进展研究进展 分布式水文模型的研究可以认为起始于分布式水文模型的研究可以认为起始于19691

2、969年年FreezeFreeze和和HarlanHarlan发表的发表的一个具有物理基础数值模拟的水文响应一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图模型的蓝图的文章。的文章。 后期比较具有代表性的水文模型包括后期比较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。 进入进入2020世纪世纪9090年代以后，随着计算机技术、年代以后，随着计算机技术、GIS/RSGIS/RS技术、技术、信息技术和通讯技术的发展与普及，分布式水文模型也因此信息技术和通讯技术的发展与

3、普及，分布式水文模型也因此获得了长足发展。获得了长足发展。Zuo Qiting9.1.1.2 9.1.1.2 几点讨论几点讨论 流域分布式水文模型还有待于进一步完善，多流域分布式水文模型还有待于进一步完善，多数还存在（或很少考虑）以下几个问题。数还存在（或很少考虑）以下几个问题。 分布式水文模型的真实性问题。分布式水文模型的真实性问题。尺度转换问题（或者模型参数的有效性问题）。尺度转换问题（或者模型参数的有效性问题）。 模型的检验问题。模型的检验问题。 计算时间和数据存储的问题。计算时间和数据存储的问题。 Zuo Qiting9.1.2 9.1.2 分布式水文模型的发展分布式水文模型的发展 目

4、前，基于模块的分布式水文模拟系统的研制在国目前，基于模块的分布式水文模拟系统的研制在国内还较为少见。在国外，内还较为少见。在国外，USGS USGS （美国地质调查局）在（美国地质调查局）在MMS (Modular Modeling System)MMS (Modular Modeling System)的基础上已联合欧洲等的基础上已联合欧洲等国着手开发国着手开发OMS (Objective Modeling System)OMS (Objective Modeling System)，以，以JAVAJAVA为开发语言，基于为开发语言，基于InternetInternet实现网络数据共享。此外

5、，实现网络数据共享。此外，USGSUSGS与与BORBOR（复垦局）合作开展流域与河流系统管理计划（复垦局）合作开展流域与河流系统管理计划（WARSMPWARSMP），目标是发展操作性强、以数据库为中心、），目标是发展操作性强、以数据库为中心、面向复杂的资源管理问题的决策支持系统。面向复杂的资源管理问题的决策支持系统。 总体上看，集成不同的水循环模型，基于模块化结构，总体上看，集成不同的水循环模型，基于模块化结构，构建面向多目标的水文模拟系统是现代水文模拟技术发展构建面向多目标的水文模拟系统是现代水文模拟技术发展的又一个重要方向。的又一个重要方向。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 流域水文过程及其数学模拟流域水文过程及其数学模拟9.2.1.1 9.2.1.1 流域水循环过程流域水循环过程 流域是陆地系统中最为重要的自然集水区域。流域流域是陆地系统中最为重要的自然集水区域。流域水循环主要包括降水、冠层截留、径流（坡面流、壤中水循环主要包括降水、冠层截留、径流（坡面流、壤中流和地下径流）、下渗、蒸发（包括土壤蒸发、水面蒸流和地下径流）、下渗、蒸发（包括土壤蒸发、水面蒸发、植被蒸腾、潜水蒸发）等几个环节。在这几个环节发、植被蒸腾、潜水蒸发）等几个环节。在这几个环节中，伴随着水量的转化和物质及能量的交换，

7、同时还受中，伴随着水量的转化和物质及能量的交换，同时还受到气候变化、大气降水动力学过程及流域地形、地貌、到气候变化、大气降水动力学过程及流域地形、地貌、人类活动等多种因素的影响。因此，流域水循环是一个人类活动等多种因素的影响。因此，流域水循环是一个十分复杂的过程。十分复杂的过程。 Zuo Qiting流域水循环过程示意图流域水循环过程示意图 降水蒸发蒸腾坡面流壤中流下渗冠层截留河流基流降雨冠层截留地表调蓄土壤调蓄地下调蓄蒸散发河网调蓄径流Zuo Qiting9.2.1.2 9.2.1.2 流域水循环的数学模拟流域水循环的数学模拟 由于流域水循环过程极其复杂，在建立水文模型时由于流域水循环过程极

8、其复杂，在建立水文模型时通常对复杂水文现象进行抽象和概化。目前，水文模型通常对复杂水文现象进行抽象和概化。目前，水文模型的种类繁多，按模型的性质和建模技术可分为：实体模的种类繁多，按模型的性质和建模技术可分为：实体模型（如比例尺模型）、类比模型（如用电流欧姆定律类型（如比例尺模型）、类比模型（如用电流欧姆定律类比渗流达西定律的模型）和模拟模型。比渗流达西定律的模型）和模拟模型。其中，数学模拟其中，数学模拟模型是人们最常用的一类水文模型。模型是人们最常用的一类水文模型。Zuo Qiting9.2.2 9.2.2 基于基于DEMDEM的流域分布式水文模拟的流域分布式水文模拟9.2.2.1 9.2.

9、2.1 模型的特点与分类模型的特点与分类 基于基于DEMDEM的分布式水文模型具有以下特点：具有物的分布式水文模型具有以下特点：具有物理基础，能够描述水循环的时空变化过程。由于其分理基础，能够描述水循环的时空变化过程。由于其分布式特点，能够与布式特点，能够与GCMGCM（大气环流模式）嵌套，研究自然（大气环流模式）嵌套，研究自然变化和气候变化对水循环的影响。同变化和气候变化对水循环的影响。同RSRS和和GISGIS相结合，相结合，能够及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对流域能够及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对流域水循环过程的影响。水循环过程的影响。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两的分布式水文模型主要有两种建模方式：种建模方式： 应用数值分析来建立相邻网格单元之间的时空应用数值分析来建立相邻网格单元之间的时空关系，如关系，如SHESHE模型等。模型等。在每一个网格单元（或子流域）上应用传统的在每一个网格单元（或子流域）上应用传统的概念性（或系统理论）模型来推求净雨，再进行概念性（或系统理论）模型来推求净雨，再进行汇流演算，最后求得出口断面流量，如汇流演算，最后求得出口断面流量，如SWATSWAT模型模型等。等。 Zuo Qiting9.2.2.2 9

11、.2.2.2 模型的结构与参数模型的结构与参数 基于基于DEMDEM的分布式水文模型在结构上一般分为三的分布式水文模型在结构上一般分为三部分：部分： 分布式输入模块，用于处理流域空间分布信息，为分布式输入模块，用于处理流域空间分布信息，为水文模块提供空间输入数据和确定模型参数的信息。水文模块提供空间输入数据和确定模型参数的信息。 单元水文模型，是坡面产汇流计算的核心部分。单元水文模型，是坡面产汇流计算的核心部分。 河网汇流模型。有些基于网格的分布式水文模型忽河网汇流模型。有些基于网格的分布式水文模型忽略了该部分。略了该部分。Zuo Qiting在单元上采用传统的概念性模型，不改变原有模型的在单

12、元上采用传统的概念性模型，不改变原有模型的结构和参数，但每一个单元上水文模型的参数值随空间结构和参数，但每一个单元上水文模型的参数值随空间变化。参数值的大小根据空间信息图进行分类计算。变化。参数值的大小根据空间信息图进行分类计算。重新设计单元水文模型的结构与参数。尽量选择或者重新设计单元水文模型的结构与参数。尽量选择或者重新构造那些既反映空间变化，又具有物理意义，且便重新构造那些既反映空间变化，又具有物理意义，且便于计算的指标作为模型的参数。于计算的指标作为模型的参数。 将原有模型的参数同易于获取的空间指标（主要是通将原有模型的参数同易于获取的空间指标（主要是通过过RSRS影像或者影像或者DE

13、MDEM提取的空间指标）建立起某种对应关提取的空间指标）建立起某种对应关系（一般是统计关系），从而得到分布式水文模型的参系（一般是统计关系），从而得到分布式水文模型的参数计算方法。数计算方法。 分布式水文模型的参数是一个反映流域下垫面分布式水文模型的参数是一个反映流域下垫面和气象因素空间变化的数集。它的确定方法包括和气象因素空间变化的数集。它的确定方法包括： Zuo Qiting9.3 9.3 几个典型分布式水文模型的介绍几个典型分布式水文模型的介绍9.3.1 MIKE SHE9.3.1 MIKE SHE模型模型 MIKE SHE MIKE SHE是对是对SHESHE模型的发展和完善，它能够模

14、拟模型的发展和完善，它能够模拟水循环陆面过程中主要的水文过程包括水量、水质及水循环陆面过程中主要的水文过程包括水量、水质及沉积物输移。它能用于解决与地表水和地下水相关的沉积物输移。它能用于解决与地表水和地下水相关的资源和环境问题，以及地表水和地下水之间的动态相资源和环境问题，以及地表水和地下水之间的动态相互作用关系。互作用关系。 典型应用包括：流域规划、供水、灌溉和排水、污典型应用包括：流域规划、供水、灌溉和排水、污染物堆放场的污染物、农业耕作的影响（包括农用化学染物堆放场的污染物、农业耕作的影响（包括农用化学品和化肥的使用）、土壤和水资源管理、土地利用变化品和化肥的使用）、土壤和水资源管理、

15、土地利用变化的影响、气候变化的影响和生态评价（包括沼泽区域）。的影响、气候变化的影响和生态评价（包括沼泽区域）。 Zuo QitingMIKE SHEMIKE SHE的水循环及模拟示意图的水循环及模拟示意图 Zuo Qiting MIKE SHEMIKE SHE模型的核心是描述研究区域水分运动模型的核心是描述研究区域水分运动的的MIKE SHE WMMIKE SHE WM模块模块。MIKE SHE WMMIKE SHE WM模块的主结构包模块的主结构包括六个部分，分别描述了六个水文物理过程：截留括六个部分，分别描述了六个水文物理过程：截留/ /植物蒸散发植物蒸散发(ET)(ET)、坡面和河道径

16、流（、坡面和河道径流（OCOC）、不饱）、不饱和层（和层（UZUZ）、饱和层（）、饱和层（SZSZ）、融雪（）、融雪（SMSM）和蓄水层）和蓄水层与河道间的交换。与河道间的交换。Zuo QitingMIKE SHE WMMIKE SHE WM模块的结构图模块的结构图 融雪蒸散发交换模块坡面和河道径流饱和层截留不饱和层贡献于网格降雨网格降雨网格降雨实际截流容量潜在蒸散发根带土壤含水量水面蒸发蒸腾/土壤蒸发下渗补给/排水排泄流量浅层地下水面浅层地下水面基流/河道损失基流/河道损失水位Zuo Qiting9.3.2 TOPMODEL9.3.2 TOPMODEL TOPMODEL TOPMODEL（T

17、OPgraphy based hydrological MODELTOPgraphy based hydrological MODEL）是一个以地形为基础的、基于变源面积概念的半分布式水是一个以地形为基础的、基于变源面积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，经过年提出，经过2020多年的发多年的发展，展，TOPMODELTOPMODEL与与DTMDTM（或（或DEMDEM）相结合在水文领域得到了十）相结合在水文领域得到了十分广泛的应用。分广泛的应用。 TOPMODEL TOPMODEL的显著特点是利用易于获取的地形信息（

18、如的显著特点是利用易于获取的地形信息（如地形指数地形指数 、土壤地形指数等）来描述流域产流及源面积、土壤地形指数等）来描述流域产流及源面积的变化与分布，简化流域降水径流过程的模拟。模型具有的变化与分布，简化流域降水径流过程的模拟。模型具有结构简单、优选参数少、物理概念明确、模拟精度高、易结构简单、优选参数少、物理概念明确、模拟精度高、易于与于与GISGIS相结合等特点，无论在径流、泥沙、水质的模拟研相结合等特点，无论在径流、泥沙、水质的模拟研究中，还是在气候、土地植被变化研究和水资源管理等领究中，还是在气候、土地植被变化研究和水资源管理等领域都具有很好的应用前景。域都具有很好的应用前景。Zuo

19、 Qiting TOPMODEL TOPMODEL通过土壤含水量（或土壤饱和缺水通过土壤含水量（或土壤饱和缺水量）来确定流域产流面积的大小和位置，而土壤量）来确定流域产流面积的大小和位置，而土壤饱和缺水量由地形指数计算得到。对于一个单元饱和缺水量由地形指数计算得到。对于一个单元流域流域TOPMODELTOPMODEL的计算流程为：基于的计算流程为：基于DEMDEM计算地形计算地形指数，并求出每类地形指数的面积分布；根据指数，并求出每类地形指数的面积分布；根据地形指数逐类进行产流计算，得到单元流域的产地形指数逐类进行产流计算，得到单元流域的产流量；进行单元流域的汇流计算。流量；进行单元流域的汇流

20、计算。 Zuo Qiting TOPMODEL TOPMODEL模型具有参数较少，模拟精度高的模型具有参数较少，模拟精度高的特点。特点。TOPMODELTOPMODEL利用地形指数计算饱和缺水量，利用地形指数计算饱和缺水量，将产流计算与易于获得的地形信息建立联系，这将产流计算与易于获得的地形信息建立联系，这一点对于构建基于一点对于构建基于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启迪作用。的启迪作用。但同大多数模型类似，但同大多数模型类似，TOPMODELTOPMODEL模模型并不适合所有的流域型并不适合所有的流域。这是因为模型的蓄满产。这是因为模型的蓄满产流机制和饱和地下

21、水稳定流的假设在一些流域并流机制和饱和地下水稳定流的假设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）基础上发展起来的一个长时段的流域分布式水文模）基础上发展起来的一个长时段的流域分布式水文模型。它具有很强的物理基础，适用于具有不同土壤类型、型。它具有很强的物理基础，适用于具有不同土壤类型、不同土地利用方式和管理条件下的复杂大流域，并能在资不同土地利用方式和管理条件下的复杂大流域，并能在资料缺乏的地区建模，在加拿大和北美寒区具有广泛的应用。料缺乏的地区建模，在加拿大和北美寒区具有广泛的应用。 SWAT SWAT属于第二类分布式水文模型，即在每一个网格单属于第二类分布式水文模型，即在每一个网格单元

23、（或子流域）上应用传统的概念性模型来推求净雨，再元（或子流域）上应用传统的概念性模型来推求净雨，再进行汇流演算，最后求得出口断面流量。进行汇流演算，最后求得出口断面流量。Zuo QitingSWATSWAT模型结构示意图模型结构示意图 降 水灌 溉降 雨降 雪融 雪 下 渗 地 表 径 流土壤水蒸发植物蒸散发壤 中 流渗 漏输 移 损 失池塘/水库蒸发灌 溉池塘/水库出流池塘/水库渗透灌 溉潜水蒸发渗 透回归流灌 溉灌溉用水输移损失河段出流量雪 盖土 壤 水土壤水分层（10层）河 流浅层地下水深层地下水池塘/水库调蓄Zuo Qiting SWAT SWAT采用类似于采用类似于HYMOHYMO（Hydrologic ModelingHydrologic Modeling）模型（模型（Williams and Hann,1973Wi