流域水文模型綜述

郭禹含等

【摘 要】主要對流域水文模型的定義進(jìn)行闡述，并且介紹了流域水文模型的基本結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步根據(jù)不同劃分依據(jù)對流域水文模型進(jìn)行分類。最后對于流域水文學(xué)進(jìn)行多個(gè)方面的展望。

【關(guān)鍵詞】流域水文模型；定義；架構(gòu)；分類；展望

0 引言

當(dāng)今社會(huì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展越來越迅猛，人們對于數(shù)字化的要求也越來越高。水文學(xué)作為一門歷史悠久的學(xué)科也越來越趨向于數(shù)字化與定量化。在這樣的大背景下，水文模型則應(yīng)運(yùn)而生。水文模型是在防洪與水利工程的實(shí)際運(yùn)用和實(shí)踐中逐漸發(fā)展起來的，它早期用于實(shí)時(shí)洪水與實(shí)時(shí)水位預(yù)報(bào)中。現(xiàn)在，水文模型的作用范圍更加廣泛，它在防洪減災(zāi)、水庫調(diào)度、生態(tài)環(huán)境需水、水資源開發(fā)利用、道路、城市規(guī)劃、面源污染評價(jià)、人類活動(dòng)的流域響應(yīng)等諸多方面起到了不可或缺的重要作用。因此，水文模型的研究已經(jīng)成為水文學(xué)的熱點(diǎn)問題。并且相應(yīng)于河口水文模型，山坡水文模型等其他水文模型而言，流域水文模型的研究更加具有實(shí)際意義。

1 定義

根據(jù)何長高，董增川等發(fā)表的論文，流域水文模擬是用數(shù)學(xué)的方法描述和模擬水文循環(huán)的過程，即將流域概化成一個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)輸入條件，對流域內(nèi)發(fā)生的水文過程進(jìn)行模擬計(jì)算，求解輸出結(jié)果。更進(jìn)一步，流域水文模型就是用于流域水文模擬的這個(gè)系統(tǒng)。

流域水文模型是基于人們對客觀世界的長期觀測和理解認(rèn)識(shí)所提出能夠高度概化現(xiàn)實(shí)世界，并用于預(yù)測未來的工具。

2 基本架構(gòu)

不管是何種流域水文模型，以機(jī)制為基礎(chǔ)還是以模式為基礎(chǔ)，流域水文模型都包含著幾個(gè)必不可少的模型階段，即坡面產(chǎn)流階段，坡面匯流階段和河網(wǎng)匯流階段。

2.1 坡面產(chǎn)流階段

1933年霍頓提出了超滲產(chǎn)流理論，相應(yīng)在國外的產(chǎn)匯流計(jì)算中有了超滲產(chǎn)流機(jī)制。霍頓提出：當(dāng)雨強(qiáng)I大于下滲能力fp時(shí)，雨強(qiáng)一部分按照下滲能力fp下滲到土壤當(dāng)中，另一部分產(chǎn)生地面徑流rs；當(dāng)雨強(qiáng)I小于下滲能力fp時(shí)，雨強(qiáng)按照其自身的強(qiáng)度全部下滲到土壤當(dāng)中。在實(shí)際的勘測與實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)在植被覆蓋良好，地表疏松的地方即使雨強(qiáng)I小于下滲能力fp，也會(huì)存在地面徑流。鄧恩在六十年代提出了蓄滿產(chǎn)流機(jī)制。鄧恩認(rèn)為：土壤在垂直結(jié)構(gòu)上并不是僅有一個(gè)層次，實(shí)際上土壤上層是有較大土壤顆粒的淋溶層，而土壤下層是有較小土壤顆粒的淀積層，這兩層之間存在一個(gè)相對不透水層。當(dāng)雨強(qiáng)I小于下滲能力fp時(shí)，雨強(qiáng)會(huì)在相對不透水層上產(chǎn)生飽水帶，隨著飽水帶厚度逐漸增加直至充滿整個(gè)上土層，多余的水量會(huì)溢出產(chǎn)生地面徑流。超滲產(chǎn)流機(jī)制一般適用于包氣帶較厚，植被覆蓋率較差的地區(qū)。而蓄滿產(chǎn)流機(jī)制則適用于濕潤地區(qū)。

2.2 坡面匯流階段

在坡面產(chǎn)流階段，有的模型會(huì)通過兩水源或是三水源劃分出各徑流成分的徑流量，如新安江模型；另外一些則一開始就計(jì)算出了各徑流成分的徑流量，如SAC模型。在坡面匯流常用的方法有單位線法和線性水庫法。單位線法有兩個(gè)苛刻的假定，即倍比假定和疊加假定。由于不能考慮降雨和下墊面的時(shí)空分布不均勻，使得該法推流的較大誤差來源就來自于此。單位線推流適用于短歷時(shí)降雨，原因在于如果降雨時(shí)段增多，那么對于出流時(shí)洪水過程的劃分就會(huì)相應(yīng)的增加，計(jì)算過程變得麻煩而且計(jì)算結(jié)果也會(huì)變得不準(zhǔn)確。該方法由于測量誤差會(huì)使單位線后部呈現(xiàn)鋸齒形狀，此時(shí)應(yīng)該加入控制條件加以修正。有時(shí)凈雨時(shí)段長與單位線的時(shí)段長不一致還要進(jìn)行單位線的時(shí)段轉(zhuǎn)換。單位線法目前已經(jīng)是發(fā)展成熟的坡面匯流方法，因此被工作單位廣泛的使用。在新安江模型中，地下水的坡面匯流用的一般就是線性水庫方法，實(shí)際上地面徑流也是可以運(yùn)用線性水庫的。根據(jù)不同徑流成分的消退系數(shù)就可以得到各個(gè)徑流成分的坡面匯流公式。

2.3 河槽匯流模型

河槽匯流主要有兩種方法：一個(gè)是水文學(xué)方法，一個(gè)是水力學(xué)方法。水文學(xué)方法主要運(yùn)用水量平衡方程和槽蓄方程，另以圣維南方程組的簡化形式為輔而得出結(jié)果，該方法的特點(diǎn)是物理概念性較強(qiáng)，常用的方法有馬斯京根法和特征河長法。而水力學(xué)方法主要是以圣維南方程組為基礎(chǔ)的一系列河道演算方法，該方法的特點(diǎn)是中間斷面的每一個(gè)過程都比較清晰，但是方程只能用數(shù)值解表示。水文學(xué)方法不適用于流域下游受回水頂托的地方以及河網(wǎng)地區(qū)，但是水力學(xué)方法的圣維南方程組卻可以在河網(wǎng)地區(qū)適用。圣維南方程組是偏微分方程組，所以要引入差分格式來進(jìn)行數(shù)值解代替解析解的計(jì)算。常見的差分格式有蛙跳格式，中心差分格式等，其中普利斯曼隱式格式由于其差分的傳播誤差很小而廣泛應(yīng)用于水力學(xué)方法的計(jì)算中。

3 分類

按照模型構(gòu)建有無物理基礎(chǔ)來劃分，流域水文模型可以分為物理模型，概念性模型和黑箱子模型。完全物理化的模型的通用性非常好，這是水文工作者希望提出的理想化模型。概念性模型就是模型中含有物理意義，但是又不是完全的遵循物理規(guī)律，需要提出一定的假設(shè)條件?，F(xiàn)在大多數(shù)發(fā)展起來的概念性模型有新安江模型，SAC模型，VIC模型等等。黑箱子模型是一種完全沒有物理背景的模型，它的大概模式就是：輸入-運(yùn)行-輸出。這樣的模型大多數(shù)都是隨機(jī)水文模型，比如BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，回歸模型，模糊數(shù)學(xué)模型等等。

按照模型構(gòu)建的尺度大小可以分為集總式模型和分布式模型。集總式模型把流域當(dāng)作一個(gè)整體來考慮，統(tǒng)一的進(jìn)行分析和處理，它存在一個(gè)很大的問題，那就是忽略了下墊面和降雨的時(shí)空分布不均勻性。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，學(xué)者們提出的分布式水文模型具有更高的精度。分布式水文模型有效地解決了集總式模型忽略下墊面和降雨的時(shí)空分布不均勻性，它把流域劃分成滿足精度的網(wǎng)格，并且使用3s技術(shù)獲取龐大的數(shù)據(jù)，使每一個(gè)單元網(wǎng)格上都有一個(gè)出流過程，最后再匯集成總的出流過程。分布式水文模型還劃分為松散耦合型分布式水文模型和緊密耦合型分布式水文模型。典型的松散耦合型分布式水文模型有新安江模型為基礎(chǔ)的分布式模型。典型的緊密耦合型分布式水文模型TOPKAPI模型，SHE模型。

4 展望

4.1 模型尺度

不管是時(shí)間尺度還是空間尺度對于模型研究者來說都是難以把握的問題。因?yàn)樵诓煌瑫r(shí)間尺度或是空間尺度的組合上水文情勢如何發(fā)生變化是水文工作者無法預(yù)知的。另外時(shí)間尺度與空間尺度如何耦合也是一個(gè)棘手的問題。

4.2 與其他學(xué)科的融合

水資源是地球上最龐大的自然資源之一，水文情勢也與大氣、土壤、植被等有著密切的聯(lián)系。因此水文學(xué)與其他學(xué)科的交叉研究就顯得至關(guān)重要。

現(xiàn)在廣泛研究的問題是氣候變化對陸面水文過程的影響，但這是一個(gè)單向耦合過程，應(yīng)該有進(jìn)一步的研究探討氣候?qū)τ陉懨孢^程的響應(yīng)又是如何的。在新安江模型中，土壤含水量的模擬對于蒸發(fā)和產(chǎn)流的計(jì)算影響也是很大的，這說明對于土壤的研究能更好的提高模型預(yù)測的精度。在干旱研究中，歸一化植被指數(shù)NDVI常作為干旱評估的指標(biāo)，這也是學(xué)科交叉融合的實(shí)例。

綜上所述，水文學(xué)與其他學(xué)科的交叉融合已經(jīng)成為了一個(gè)新的待研究方向，其它學(xué)科的知識(shí)運(yùn)用到水文中有很大可能出現(xiàn)新的突破。

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[責(zé)任編輯：劉展]