第11卷第4期
2008年10月西安文理学院学报:自然科学版Journal of Xi’an University of A rts &Science (Nat Sci Ed ) Vol . 11 No . 4Oct . 2008文章编号:100825564(2008) 0420001207
分布式水文模型建模过程研究
夏积德1, 2, 吴发启, 郭江涛11, 2, 孙茂存2
(1. 西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌712100;
2. 杨凌职业技术学院交通与测绘工程系, 陕西杨凌712100)
摘 要:分布式水文模型以其具有明确物理意义的参数结构和对空间分异性的全面反映, 可以更加
准确详尽地描述和反映流域内真实的水文过程, 从而成为水文研究的热点和前沿问题. 在对水文模型详
细分类的基础上, 充分考虑和依据水文循环过程各个环节, 法, 提出了分布式水文模型建立和应用过程中存在的问题, 关键词:水文模型; 分布式; 空间尺度
中图分类号:T V12 文献标识码:A
0 引言
(hydr ol ogical model ) 是通过水循环的动力学机制来描述和模拟流域水. , 利于分析流域下垫面变化后的产汇流变化规律[1]. 与概念性模型相比, 分布式水文模型以其具有明确物理意义的参数结构和对空间分异性的全面反映, 可以更加准确详尽地描述和反映流域内真实的水文过程, 帮助人们更加深入地了解水文循环在不同时间和空间尺度上的演变规律和过程, 获得流域内所有相关信息和情况, 可以通过尺度转换与大气环流模式耦合来预测全球变化对水资源的影响[2], 从而成为水文研究的热点和前沿问题. 分布式模型用严格的数学物理方程表述水文循环的各个子过程, 充分考虑了流域参数和变量的空间变异, 并考虑了不同水文单元之间的相互作用和联系, 采用偏微分方程对水量和能量过程进行模拟, 能够更加真实地模拟流域降雨径流形成的物理过程. 计算机和数学技术方法的革新, 在一定程度上推动了分布式水文模型从理论走向应用实践. 目前, 分布式水文模型在模拟土地利用、土地覆盖、水土流失等各种变化过程的水文响应、面源污染、陆面过程、气候变化影响评价等诸多领域都有广泛的应用. 另外, 分布式水文模型中参数具有明确的物理意义, 解决了参数间的不独立性和不确定性问题, 便于在无实测水文资
[3][4]料地区推广应用. 自1969年Freeze 和Harlan 第一次提出关于分布式水文模型的概念以来, 分布式
水文模型发展迅速. 1986年由英国水文研究所、法国S OGREAH 咨询公司和丹麦水力学研究所联合研
[5]制出第一个真正的具有代表性的分布式水文物理模型———SHE (Syste me Hydr ol ogque Eur opeen ) 模型.
国外此后出现了诸如I HDM
VM [11][6]、T HALES 、M I KE SHE 、T OP MODE L [7][8][9]、T OPK AP I 、SHETRAN [10]、DHS 2、S WAT [12]、S WMM [13]等许多分布式模型. 国内针对分布式水文模型的研究开展较晚, 但也取得了
收稿日期:2008207212
基金项目:国家973资助项目(2007C B407201)
作者简介:夏积德(1980—) , 男, 河南鹿邑人, 西北农林科技大学资源环境学院硕士研究生. 研究方向:土壤侵蚀与流
域管理.
通讯作者:吴发启(1957—) , 男, 陕西黄陵人, 西北农林科技大学资源环境学院教授, 博士生导师. 研究方向:土壤侵
蚀与流域管理.
2西安文理学院学报:自然科学版第11卷
[14]有价值探索. 郭生练等提出了一个基于DE M (D igital Elevati on Model ) 的分布式流域水文物理模型;
李兰等提出了LL_Ⅰ模型, 并改进为LL_Ⅱ模型; 康尔泗等根据HBV 水文模型的基本原理建立了出
[16][17]山月径流概念性水文模型; 夏军等提出了分布式时变增益模型(DT VG M ) ; 任立良等建立了松散
[18]耦合型分布式水文模型.
本文在对水文模型详细分类的基础上, 充分考虑和依据水文循环过程各个环节, 总结了分布式水文模型建模的一般步骤和方法, 提出了分布式水文模型建立和应用过程中存在问题, 指出了模型今后发展的方向. [15]
1 水文模型分类
水文模型分为物理模型和数学模型两类. 物理模型是一种通过比尺或比拟模型模拟对水文物理过程进行定性或定量分析. 数学模型是根据人们掌握的流域径流的物理机制, 应用物理定律建立其数学方程式, 然后用数学方法实行求解, 从而获得各种情况下流域降雨与径流之间的定量关系. 数学模型又可分为确定性模型和随机模型两类. 确定性模型是描述水文现象必然规律的数学结构; 随机模型描述水文现象随机性规律的数学结构. 近几年来, 两类模型之间联系越发密切, 已经形成第三类模型:随机-确定耦合模型.
从反映水文运动物理规律的科学性和复杂性程度而言, :经验或系统模型(即黑箱模型, back -box model ) 、概念性模型((physically -based model ) .
利用输入(一般指雨量或上游干支流来水) 与输出() , 然后可由新的输入推测输出. 该模-输出之间的物理因果关系. 系统模型有线性的和非线性的, , 多输入单输出的, 多输入多输出的等多种类型. 代表性模型有:总(T LR ) 、线性振扰动模型(LP M ) 以及神经网络(ANN ) 等.
概念性模型利用一些简单的物理概念和经验公式, 如下渗曲线、汇流单位线、蒸发公式或有物理意义的结构单元, 如线性水库、线性河段等, 组成一个系统来近似地描述流域水文过程. 代表性模型有:美国的斯坦福模型(S WM ) 、日本的水箱模型(Tank ) 、我国的新安江模型(XJ M ) 等.
物理模型依据水流的连续方程和动量方程来求解水流在流域的时间和空间的变化规律. 代表模型有SHE 模型, DBSI N 模型等.
从反映水流运动的空间变化能力而言, 水文模型可分为:集总式模型(lu mped model ) 和分布式模型(distributed model ) 两类.
集总式模型认为流域表面上各点的水力学特征是均匀分布的, 对流域表面上的任何一点上的降雨, 其下渗、渗漏等纵向水流运动都是相同和平行的, 不和周围的水流发生任何联系, 即不存在水平运动. 集总模型把全流域当作一个整体来建立模型, 即对流域参数进行均匀处理.
分布式模型认为流域表面上的各点的水力学特征是非均匀分布的, 水流在流域表面上的分布并不均匀, 应将流域划分为很多小单元, 在考虑水流在每个小单元体纵向运动时, 也要考虑各个单元之间的水量的横向交换.
2 水文循环过程
水文循环过程模型化是一项复杂的工作, 需要对水文过程有透彻的理解. 水文循环中最主要的几个物理过程包括降雨、植被截流、下渗、蒸散发、流域汇流.
2. 1 降雨
降雨是水文循环过程中最重要、最活跃的物理过程之一, 其时空分布对流域产汇流过程影响非常大. 目前阶段, 大多数流域观测降雨的主要方法仍然是常规的雨量站法, 较新的观测手段如雷达测雨和遥感的应用不普遍. 但是雨量站网观测的降雨资料在空间上是无规则离散分布的, 不能全面反映降雨在
第4期夏积德, 等:
分布式水文模型建模过程研究3空间上的连续分布. 而在实际应用和水文学研究中, 需要空间
连续的降雨资料, 如在分布式水文模型中, 需要估计流域DE M
中每个网格点上的雨量值. 所以, 从雨量站网观测资料合理提
取降雨空间分布特征值和模拟降雨空间分布非常必要. 主要
包括流域平均降雨量计算和降雨量插值. 流域平均降雨量计
算方法主要有:算术平均法、泰森多边形法(垂直平分法) 、等
雨量线法和网格点法.
2. 2 植被截流
植被截留是指大气降水到达冠层后, 部分降水被植被的图1 水文模型分类
冠层(树干和枝叶) 截流并存储的现象. 植被截留是对降水的基本折减之一, 降雨过程中植被对降水的截留与植被的叶面积指数LA I 相关. 植被截流量一般是通过计算降雨过程中作物和自然植被的蓄水量来计算, 降雨累计截留量常用A st on (1979) 方程计算:
S v =c p ・S max 1-e -S P max
最大截留量常用Hoyningen -Huene (1981) 方程计算:
S max =0. 935+0. 498×LA I -0. 005×LA I 2
式中:S max 为树冠蓄水能力, mm; S v 为累计截留量, mm; c p , ; , mm; η为系数.
η=0. 046・LA I
c p =100・[1. 0-exp (2LA I/22. 3 下渗
. 下渗不仅直接影响地面径流的产生、. 按照水分所受作用力类型和运动特征, 可以将下渗过程分为渗润阶段、渗漏阶段、渗透阶段三个阶段. 下渗过程水分向土壤中作垂直运动, 由于土壤有饱和和非饱和之分, 所以下渗理论分为饱和下渗理论和非饱和下渗理论. 饱和下渗理论在1911年第一次由Green 和Amp t 提出, 所以又被称为Green -Amp t 公式. 非饱和下渗理论分为考虑
-k t 重力作用和忽略重力作用两种情况. Hort on 公式是应用最广泛的下渗经验公式:f =f c +(f 0-f c ) e 公式
中f 为现在的下渗率, f c 为最终稳定下渗率, f 0为起始时刻下渗率, k 为比例常数. 该公式假定下渗过程是一个消退的过程, 消退的速率与剩余的量成正比, 消退速率为:d f /d t .
2. 4 蒸散发
蒸散发是指水份在某种界面上以分子运动形式发生散逸及回归, 最终造成水份损失的过程. 蒸散发是水文循环过程的重要环节, 大陆上一年内的降水约有60%消耗于蒸散发. 蒸散发存在和发生于土壤-植被-大气系统内, 是一个从生物赖以生存的下垫面(蒸发面) 丧失水分的连续过程, 蒸散发既是地面热量平衡的组成部分, 又是水分平衡的组成部分. 地面热量、水分的状况在很大程度上决定着天气、气候的变化[19]. 按蒸发面的性质不同可以将蒸散发分为水面蒸发、冰雪蒸发、土壤蒸发和植物散发. 按蒸
. 发面供水情况不同可以分为饱和蒸发面蒸发和非饱和蒸发面蒸发. 流域蒸散发指流域上各部分蒸发与散发的总和[20]
2. 5 流域汇流
流域汇流是指在流域面积上, 降水形成的水流从它产生的地点向流域出口断面的汇集过程. 是产流水量在某一范围内的集中过程. 汇流可分为坡地汇流及河网汇流两阶段. 汇流主要受降雨特性和下垫面因素影响. 降雨特性是指降雨的时空分布和降雨强度的变化. 降雨在时空分布上的不均匀, 决定了流域上产流的不均匀和不同步. 水流流程的长短和沿程承受调节作用的大小直接影响着流域汇流过程. 在水文学中, 通常采用水量平衡方程与坡地水流的蓄泄关系来描述水流在坡地上汇流的运动规律, 采用最经典的马斯京根法进行河道流量演算[21]. 在水力学中, 河道流量演算方法主要是数值求解圣维南方程
4西安文理学院学报:自然科学版
. 第11卷组[22]
对于必须考虑汇流过程的分布式水文模型而言, 其汇流模型可以分解为三个层次来讨论:第一个层次是单元划分; 第二个层次为汇流路径; 第三个层次则是基于该汇流路径的汇流演算模型. 基于栅格的分级运动波汇流模型是根据栅格DE M 的网格单元水流流向来划分栅格等级(汇流带) , 然后应用运动
[23]
波模型进行逐级汇流演算.
图2 分布式水文模型的建模步骤
3 分布式水文模型建模步骤
分布式水文模型的建模步骤如图2所示.
3. 1 模型建立过程
建模第一步是定义模型的应用目的. 清晰的目标是模拟建模和进行交流必不可少的前提条件. 为某一目标而开发的模型不能用其他目标来评价和判别, 否则会产生误导性的结论、错误的管理决策和对相关模型的的不合理认识. 人们对水文模型的认识存在非常明显的差异, 不同研究者的研究目的、方法也有所不同. 使用分布式水文模型的用户主要有水文野外试验人员、水文管理决策者和水文科学研究人员. 建模之前, 应考虑模型是用来支持什么决策的.
第二步是建立概念模型. 首先确定模型中包含的关键过程和环节. 对涉及到的过程和环节的描述的详细程度取决于这些环节的重要性和研究目的. 然后选择合适的模型代码, 可以在原有模型代码上进行改进和调整.
第三步是模型建立, 包括收集数据, 选择模型结构, 选择模拟方法, 估算参数值, 定义模型边界, 内部离散化等. 收集数据是分布式水文模型建立和应用过程最重要的内容之一, 也是主要困难之一. 因为分布式水文模型需要流域内大量的多方面的信息和数据, 包括降水、植被、地形、土壤质地、土地利用及水利工程设施等, 对于大部分流域都不能够满足.
第4期
3. 2 模型结构和模拟方法夏积德, 等:分布式水文模型建模过程研究5
分布式水文模型的结构一般较复杂, 但过程严密, 有比较清晰的物理解释, 能客观地反映水文循环过程. 分布式水文模型包括功能不同且相对独立的子系统, 每一个子系统都从数学上描述水文循环的一个子过程. 通用功能模块主要有:一维降水冠层截留, 一维辐射传输, 一维蒸散发, 一维融雪, 一维包气带水分垂向运移, 二维表面漫流, 一维河流/渠道汇流, 二维饱和壤中流/地下水模拟和二维灌溉, 一维包气
[24]带内溶质运移和化学反应过程, 三维饱和带内溶质运移和化学反应过程, 土壤侵蚀和沉积物运移.
分布式流域水文模型, 通常是将水循环的各个子过程联系起来进行模拟. 蒸发、蒸腾通常根据空气动力学和能量平衡原理, 采用Penman -Monteith 公式计算, 并考虑土壤的水量和热量运移以及植被叶面截雨、叶孔水汽扩散和根系吸水的情况. 浅层地下水的计算采用Boussinesq 方程计算, 河流水和地下水的相互补给量按达西定律计算. 地表径流的坡面汇流, 主要是按照二维运动波或扩散波和按照数字高程模型(DE M ) 预先设定好汇流方向进行一维计算. 河道汇流则视河道坡度及下游边界条件不同, 采用一维运动波、扩散波或动力波计算. 基于栅格的分级运动波汇流模型是根据栅格DE M 的网格单元水
[25]流流向来划分栅格等级(汇流带) , 然后应用运动波模型进行逐级汇流演算.
参数值估算又称为参数率定, 目的是使模型的模拟输出值与实际观测值误差最小. 分布式水文模型面临着参数过多难以率定的问题. 参数率定是水文模拟中不可避免的重要环节. 的参数率定中, 用得最多的是面向全局优化的遗传算法(Genetic 、SCE -UA 算法(Shuffled Comp lex Evoluti on ) 、贝叶斯方法(Bayesian ) 方法(Sensitivity Analy 2sis ) 和G LUE 方法(Generalized L ikelihood ) .
3. 3 模型校准[9]
. 在校准过程中, 需要确定那些不能直接、自动参数优化法及两种方法结合法. 手动试错法是. 在复杂模型中较为常用. 自动参数优化法是运用数值算法确. 常用的有最小二乘法、线性或非线性回归、最大似然法等. 在分布式水文模型中, 应用最广泛的校准方法是反演方法. 校准过程中, 即使模拟值与观测值拟合较好, 且参数值合理, 也必须在验证了模型对大量降雨事件有效后, 才能认为该模型有较好模拟自然环境的能力.
3. 4 模型验证
模型验证即是证明模型得出符合精度要求的模拟结果. 由不同的人校准相同的模型, 使用不同的参数组合可以得到几乎完全相同的校准结果. Stephens on 和Freeze 于1974年提出为证明校准后模型的实用性, 必须用不同于校准所用数据的数据进行模型验证. 模型验证根据有无控制站和流域条件可分为:分样本验证、替代流域验证和差别分样本验证. 分布式模型与集总性模型在验证步骤上是相同的, 但是由于模型结构、模型应用目的等不同, 分布式模型验证要复杂一些, 在模型输出、有效标准、有效性检验、典型模型应用及模拟尺度方面, 分布式水文模型验证是多标准、多尺度要求的.
4 存在问题
分布式水文模型发展至今, 其建立和应用过程中面临的问题具有明显的时代技术特征. 在20世纪90年代前, 分布式水文模型的发展主要受到计算机水平的限制. 90年代后, 计算机技术迅速发展, 计算能力已经不再是分布式水文模型发展的制约, 而对水文系统的深刻认识、复杂系统建模和多学科交叉等问题成为分布式水文模型必须面对的重点和难点. 分布式水文模型面临的问题主要有:非线性问题、尺度问题、参数不确定性问题、观测资料的误差和还原问题等.
4. 1 非线性问题
非线性问题是分布式水文模型所面临的大部分问题的核心. 水文系统是非线性系统, 所有分布式水文模型都会涉及到描述非线性水文过程, 分布式水文模型的物理特征之一就是其大部分参数可以通过试验获得, 而测量结果仅仅是点尺度上的参数化特征, 将这样的实测参数直接应用到模型计算单元上必然会产生误差. 非线性问题的另外一个方面是非线性系统对模型的初始条件和边界条件非常敏感, 而在[26]
6西安文理学院学报:自然科学版第11卷分布式水文模型中难于确定这两个条件.
4. 2 尺度问题
不同时间和空间尺度对水文系统规律的研究通常有较大的影响. 尺度问题主要包括控制方程和参数化的尺度扩展以及分布式水文模型和气象模型的尺度耦合. 表现在流域水文模型上则为一些小尺度的流域实验获得的参数往往不能直接应用到大流域的水文模拟, 不同时间尺度的模型变量或参数也往往不能通过简单叠加或分解进行转换. 尺度问题和非线性问题有着紧密的联系. 针对尺度问题, 目前存在着两种不同的观点, Beven
尺度依赖性; B lEschl [28][27]认为尺度问题最终将被证明是不可解决的, 必须接受分布式水文模型的认为尺度问题正在逐步被解决, 而且将来必然在水文学理论和实践中取得重要进展. 解决尺度问题, 探索不同尺度模型变量或参数之间的转换规律, 是建立普适性水文模型的关键.
4. 3 参数不确定性问题
由于水文过程的复杂性、历史资料误差及土壤侵蚀模型结构误差等因素的存在, 给流域分布式水文模型参数率定及径流预报带来很大的不确定性. 参数不确定性制约了模型的发展、应用和推广. 解决参数不确定性问题, 一是加强对分布式水文模型的研究, 利用遥感、雷达等先进测量技术准确量测, 进而从水文物理结构而不是单纯的数学物理公式或参数优化来改进水文模型; 二是利用和充实已有的水文数据库, 进行参数不确定性分析, 在明确物理意义的基础上, 提高参数的精度.
4. 4 降雨径流资料的误差和还原问题
大部分流域降雨径流资料受到测量技术的限制, . 人类活动的影响也会导致某些水文因素的变化, , 无论是修正历史资料还是还原近期资料都有难度, . 先进的大面积的测量技术的不断提高, , , 利用研究结.
5 结语
分布式水文模型是研究流域内时空变异的有效途径和方法, 其发展方向取决于大尺度测量技术的发展, 而不是小尺度集总理论的改进及分布式模型的参数值的改进和优化. “没有任何一个模型是通用
[29]的, 即使是物理过程模拟也具有区域性”. 所以在建立和修正分布式水文模型时, 要注意模型的适用
范围和可塑性, 建立参数和研究区域之间的定量关系, 使参数的获得更容易、更准确. 在使用分布式水文模型时, 不要生搬硬套, 要灵活选用. 开发更简单、更可靠、更容易率定的分布式水文模型而不引入更复杂的和更多的参数是未来模型开发的重点和难点.
[参 考 文 献]
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[责任编辑 马云彤]
Study of the Bu ild i n g Process of the D istr i buted Hydrolog i ca l M odel
X IA J i 2de 1, 2,WU Fa 2qi , G UO J iang 2tao 11, 2, S UN M ao 2cun 2
(1. Shool of Res ources and Envir on ment , North west Agriculture &Forestry University, Yangling 712100, China;
2. Depart m ent of Traffic and Survey Engineering, Yangling Vocati onal and Techinal College, Yangling 712100, China )
Abstract:W ith clear physical meaning of the para meters structure and fully reflect of s patial heter osexual, the distributed hydr ol ogical model could descri p t and si m ulate the real p r ocess of p reci p itati on runoff in the basin accurately and in detail, thus becomes the hot s pot and the fr ont questi on in the hydr ol ogy research . On the basis of detailed classificati on about hydr ol ogy model, this paper fully considers each step of the circulati on of water p r ocess, and based on which, summarizes general step and method in modeling the distributed hydr ol ogy model, p r oposes the p r oble m s existing in the building and app licati on p r ocess of distributed hydr ol ogy model, and points out the devel opment directi on in the future .
Key words:hydr ol ogical model; distributed; scale
第11卷第4期
2008年10月西安文理学院学报:自然科学版Journal of Xi’an University of A rts &Science (Nat Sci Ed ) Vol . 11 No . 4Oct . 2008文章编号:100825564(2008) 0420001207
分布式水文模型建模过程研究
夏积德1, 2, 吴发启, 郭江涛11, 2, 孙茂存2
(1. 西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌712100;
2. 杨凌职业技术学院交通与测绘工程系, 陕西杨凌712100)
摘 要:分布式水文模型以其具有明确物理意义的参数结构和对空间分异性的全面反映, 可以更加
准确详尽地描述和反映流域内真实的水文过程, 从而成为水文研究的热点和前沿问题. 在对水文模型详
细分类的基础上, 充分考虑和依据水文循环过程各个环节, 法, 提出了分布式水文模型建立和应用过程中存在的问题, 关键词:水文模型; 分布式; 空间尺度
中图分类号:T V12 文献标识码:A
0 引言
(hydr ol ogical model ) 是通过水循环的动力学机制来描述和模拟流域水. , 利于分析流域下垫面变化后的产汇流变化规律[1]. 与概念性模型相比, 分布式水文模型以其具有明确物理意义的参数结构和对空间分异性的全面反映, 可以更加准确详尽地描述和反映流域内真实的水文过程, 帮助人们更加深入地了解水文循环在不同时间和空间尺度上的演变规律和过程, 获得流域内所有相关信息和情况, 可以通过尺度转换与大气环流模式耦合来预测全球变化对水资源的影响[2], 从而成为水文研究的热点和前沿问题. 分布式模型用严格的数学物理方程表述水文循环的各个子过程, 充分考虑了流域参数和变量的空间变异, 并考虑了不同水文单元之间的相互作用和联系, 采用偏微分方程对水量和能量过程进行模拟, 能够更加真实地模拟流域降雨径流形成的物理过程. 计算机和数学技术方法的革新, 在一定程度上推动了分布式水文模型从理论走向应用实践. 目前, 分布式水文模型在模拟土地利用、土地覆盖、水土流失等各种变化过程的水文响应、面源污染、陆面过程、气候变化影响评价等诸多领域都有广泛的应用. 另外, 分布式水文模型中参数具有明确的物理意义, 解决了参数间的不独立性和不确定性问题, 便于在无实测水文资
[3][4]料地区推广应用. 自1969年Freeze 和Harlan 第一次提出关于分布式水文模型的概念以来, 分布式
水文模型发展迅速. 1986年由英国水文研究所、法国S OGREAH 咨询公司和丹麦水力学研究所联合研
[5]制出第一个真正的具有代表性的分布式水文物理模型———SHE (Syste me Hydr ol ogque Eur opeen ) 模型.
国外此后出现了诸如I HDM
VM [11][6]、T HALES 、M I KE SHE 、T OP MODE L [7][8][9]、T OPK AP I 、SHETRAN [10]、DHS 2、S WAT [12]、S WMM [13]等许多分布式模型. 国内针对分布式水文模型的研究开展较晚, 但也取得了
收稿日期:2008207212
基金项目:国家973资助项目(2007C B407201)
作者简介:夏积德(1980—) , 男, 河南鹿邑人, 西北农林科技大学资源环境学院硕士研究生. 研究方向:土壤侵蚀与流
域管理.
通讯作者:吴发启(1957—) , 男, 陕西黄陵人, 西北农林科技大学资源环境学院教授, 博士生导师. 研究方向:土壤侵
蚀与流域管理.
2西安文理学院学报:自然科学版第11卷
[14]有价值探索. 郭生练等提出了一个基于DE M (D igital Elevati on Model ) 的分布式流域水文物理模型;
李兰等提出了LL_Ⅰ模型, 并改进为LL_Ⅱ模型; 康尔泗等根据HBV 水文模型的基本原理建立了出
[16][17]山月径流概念性水文模型; 夏军等提出了分布式时变增益模型(DT VG M ) ; 任立良等建立了松散
[18]耦合型分布式水文模型.
本文在对水文模型详细分类的基础上, 充分考虑和依据水文循环过程各个环节, 总结了分布式水文模型建模的一般步骤和方法, 提出了分布式水文模型建立和应用过程中存在问题, 指出了模型今后发展的方向. [15]
1 水文模型分类
水文模型分为物理模型和数学模型两类. 物理模型是一种通过比尺或比拟模型模拟对水文物理过程进行定性或定量分析. 数学模型是根据人们掌握的流域径流的物理机制, 应用物理定律建立其数学方程式, 然后用数学方法实行求解, 从而获得各种情况下流域降雨与径流之间的定量关系. 数学模型又可分为确定性模型和随机模型两类. 确定性模型是描述水文现象必然规律的数学结构; 随机模型描述水文现象随机性规律的数学结构. 近几年来, 两类模型之间联系越发密切, 已经形成第三类模型:随机-确定耦合模型.
从反映水文运动物理规律的科学性和复杂性程度而言, :经验或系统模型(即黑箱模型, back -box model ) 、概念性模型((physically -based model ) .
利用输入(一般指雨量或上游干支流来水) 与输出() , 然后可由新的输入推测输出. 该模-输出之间的物理因果关系. 系统模型有线性的和非线性的, , 多输入单输出的, 多输入多输出的等多种类型. 代表性模型有:总(T LR ) 、线性振扰动模型(LP M ) 以及神经网络(ANN ) 等.
概念性模型利用一些简单的物理概念和经验公式, 如下渗曲线、汇流单位线、蒸发公式或有物理意义的结构单元, 如线性水库、线性河段等, 组成一个系统来近似地描述流域水文过程. 代表性模型有:美国的斯坦福模型(S WM ) 、日本的水箱模型(Tank ) 、我国的新安江模型(XJ M ) 等.
物理模型依据水流的连续方程和动量方程来求解水流在流域的时间和空间的变化规律. 代表模型有SHE 模型, DBSI N 模型等.
从反映水流运动的空间变化能力而言, 水文模型可分为:集总式模型(lu mped model ) 和分布式模型(distributed model ) 两类.
集总式模型认为流域表面上各点的水力学特征是均匀分布的, 对流域表面上的任何一点上的降雨, 其下渗、渗漏等纵向水流运动都是相同和平行的, 不和周围的水流发生任何联系, 即不存在水平运动. 集总模型把全流域当作一个整体来建立模型, 即对流域参数进行均匀处理.
分布式模型认为流域表面上的各点的水力学特征是非均匀分布的, 水流在流域表面上的分布并不均匀, 应将流域划分为很多小单元, 在考虑水流在每个小单元体纵向运动时, 也要考虑各个单元之间的水量的横向交换.
2 水文循环过程
水文循环过程模型化是一项复杂的工作, 需要对水文过程有透彻的理解. 水文循环中最主要的几个物理过程包括降雨、植被截流、下渗、蒸散发、流域汇流.
2. 1 降雨
降雨是水文循环过程中最重要、最活跃的物理过程之一, 其时空分布对流域产汇流过程影响非常大. 目前阶段, 大多数流域观测降雨的主要方法仍然是常规的雨量站法, 较新的观测手段如雷达测雨和遥感的应用不普遍. 但是雨量站网观测的降雨资料在空间上是无规则离散分布的, 不能全面反映降雨在
第4期夏积德, 等:
分布式水文模型建模过程研究3空间上的连续分布. 而在实际应用和水文学研究中, 需要空间
连续的降雨资料, 如在分布式水文模型中, 需要估计流域DE M
中每个网格点上的雨量值. 所以, 从雨量站网观测资料合理提
取降雨空间分布特征值和模拟降雨空间分布非常必要. 主要
包括流域平均降雨量计算和降雨量插值. 流域平均降雨量计
算方法主要有:算术平均法、泰森多边形法(垂直平分法) 、等
雨量线法和网格点法.
2. 2 植被截流
植被截留是指大气降水到达冠层后, 部分降水被植被的图1 水文模型分类
冠层(树干和枝叶) 截流并存储的现象. 植被截留是对降水的基本折减之一, 降雨过程中植被对降水的截留与植被的叶面积指数LA I 相关. 植被截流量一般是通过计算降雨过程中作物和自然植被的蓄水量来计算, 降雨累计截留量常用A st on (1979) 方程计算:
S v =c p ・S max 1-e -S P max
最大截留量常用Hoyningen -Huene (1981) 方程计算:
S max =0. 935+0. 498×LA I -0. 005×LA I 2
式中:S max 为树冠蓄水能力, mm; S v 为累计截留量, mm; c p , ; , mm; η为系数.
η=0. 046・LA I
c p =100・[1. 0-exp (2LA I/22. 3 下渗
. 下渗不仅直接影响地面径流的产生、. 按照水分所受作用力类型和运动特征, 可以将下渗过程分为渗润阶段、渗漏阶段、渗透阶段三个阶段. 下渗过程水分向土壤中作垂直运动, 由于土壤有饱和和非饱和之分, 所以下渗理论分为饱和下渗理论和非饱和下渗理论. 饱和下渗理论在1911年第一次由Green 和Amp t 提出, 所以又被称为Green -Amp t 公式. 非饱和下渗理论分为考虑
-k t 重力作用和忽略重力作用两种情况. Hort on 公式是应用最广泛的下渗经验公式:f =f c +(f 0-f c ) e 公式
中f 为现在的下渗率, f c 为最终稳定下渗率, f 0为起始时刻下渗率, k 为比例常数. 该公式假定下渗过程是一个消退的过程, 消退的速率与剩余的量成正比, 消退速率为:d f /d t .
2. 4 蒸散发
蒸散发是指水份在某种界面上以分子运动形式发生散逸及回归, 最终造成水份损失的过程. 蒸散发是水文循环过程的重要环节, 大陆上一年内的降水约有60%消耗于蒸散发. 蒸散发存在和发生于土壤-植被-大气系统内, 是一个从生物赖以生存的下垫面(蒸发面) 丧失水分的连续过程, 蒸散发既是地面热量平衡的组成部分, 又是水分平衡的组成部分. 地面热量、水分的状况在很大程度上决定着天气、气候的变化[19]. 按蒸发面的性质不同可以将蒸散发分为水面蒸发、冰雪蒸发、土壤蒸发和植物散发. 按蒸
. 发面供水情况不同可以分为饱和蒸发面蒸发和非饱和蒸发面蒸发. 流域蒸散发指流域上各部分蒸发与散发的总和[20]
2. 5 流域汇流
流域汇流是指在流域面积上, 降水形成的水流从它产生的地点向流域出口断面的汇集过程. 是产流水量在某一范围内的集中过程. 汇流可分为坡地汇流及河网汇流两阶段. 汇流主要受降雨特性和下垫面因素影响. 降雨特性是指降雨的时空分布和降雨强度的变化. 降雨在时空分布上的不均匀, 决定了流域上产流的不均匀和不同步. 水流流程的长短和沿程承受调节作用的大小直接影响着流域汇流过程. 在水文学中, 通常采用水量平衡方程与坡地水流的蓄泄关系来描述水流在坡地上汇流的运动规律, 采用最经典的马斯京根法进行河道流量演算[21]. 在水力学中, 河道流量演算方法主要是数值求解圣维南方程
4西安文理学院学报:自然科学版
. 第11卷组[22]
对于必须考虑汇流过程的分布式水文模型而言, 其汇流模型可以分解为三个层次来讨论:第一个层次是单元划分; 第二个层次为汇流路径; 第三个层次则是基于该汇流路径的汇流演算模型. 基于栅格的分级运动波汇流模型是根据栅格DE M 的网格单元水流流向来划分栅格等级(汇流带) , 然后应用运动
[23]
波模型进行逐级汇流演算.
图2 分布式水文模型的建模步骤
3 分布式水文模型建模步骤
分布式水文模型的建模步骤如图2所示.
3. 1 模型建立过程
建模第一步是定义模型的应用目的. 清晰的目标是模拟建模和进行交流必不可少的前提条件. 为某一目标而开发的模型不能用其他目标来评价和判别, 否则会产生误导性的结论、错误的管理决策和对相关模型的的不合理认识. 人们对水文模型的认识存在非常明显的差异, 不同研究者的研究目的、方法也有所不同. 使用分布式水文模型的用户主要有水文野外试验人员、水文管理决策者和水文科学研究人员. 建模之前, 应考虑模型是用来支持什么决策的.
第二步是建立概念模型. 首先确定模型中包含的关键过程和环节. 对涉及到的过程和环节的描述的详细程度取决于这些环节的重要性和研究目的. 然后选择合适的模型代码, 可以在原有模型代码上进行改进和调整.
第三步是模型建立, 包括收集数据, 选择模型结构, 选择模拟方法, 估算参数值, 定义模型边界, 内部离散化等. 收集数据是分布式水文模型建立和应用过程最重要的内容之一, 也是主要困难之一. 因为分布式水文模型需要流域内大量的多方面的信息和数据, 包括降水、植被、地形、土壤质地、土地利用及水利工程设施等, 对于大部分流域都不能够满足.
第4期
3. 2 模型结构和模拟方法夏积德, 等:分布式水文模型建模过程研究5
分布式水文模型的结构一般较复杂, 但过程严密, 有比较清晰的物理解释, 能客观地反映水文循环过程. 分布式水文模型包括功能不同且相对独立的子系统, 每一个子系统都从数学上描述水文循环的一个子过程. 通用功能模块主要有:一维降水冠层截留, 一维辐射传输, 一维蒸散发, 一维融雪, 一维包气带水分垂向运移, 二维表面漫流, 一维河流/渠道汇流, 二维饱和壤中流/地下水模拟和二维灌溉, 一维包气
[24]带内溶质运移和化学反应过程, 三维饱和带内溶质运移和化学反应过程, 土壤侵蚀和沉积物运移.
分布式流域水文模型, 通常是将水循环的各个子过程联系起来进行模拟. 蒸发、蒸腾通常根据空气动力学和能量平衡原理, 采用Penman -Monteith 公式计算, 并考虑土壤的水量和热量运移以及植被叶面截雨、叶孔水汽扩散和根系吸水的情况. 浅层地下水的计算采用Boussinesq 方程计算, 河流水和地下水的相互补给量按达西定律计算. 地表径流的坡面汇流, 主要是按照二维运动波或扩散波和按照数字高程模型(DE M ) 预先设定好汇流方向进行一维计算. 河道汇流则视河道坡度及下游边界条件不同, 采用一维运动波、扩散波或动力波计算. 基于栅格的分级运动波汇流模型是根据栅格DE M 的网格单元水
[25]流流向来划分栅格等级(汇流带) , 然后应用运动波模型进行逐级汇流演算.
参数值估算又称为参数率定, 目的是使模型的模拟输出值与实际观测值误差最小. 分布式水文模型面临着参数过多难以率定的问题. 参数率定是水文模拟中不可避免的重要环节. 的参数率定中, 用得最多的是面向全局优化的遗传算法(Genetic 、SCE -UA 算法(Shuffled Comp lex Evoluti on ) 、贝叶斯方法(Bayesian ) 方法(Sensitivity Analy 2sis ) 和G LUE 方法(Generalized L ikelihood ) .
3. 3 模型校准[9]
. 在校准过程中, 需要确定那些不能直接、自动参数优化法及两种方法结合法. 手动试错法是. 在复杂模型中较为常用. 自动参数优化法是运用数值算法确. 常用的有最小二乘法、线性或非线性回归、最大似然法等. 在分布式水文模型中, 应用最广泛的校准方法是反演方法. 校准过程中, 即使模拟值与观测值拟合较好, 且参数值合理, 也必须在验证了模型对大量降雨事件有效后, 才能认为该模型有较好模拟自然环境的能力.
3. 4 模型验证
模型验证即是证明模型得出符合精度要求的模拟结果. 由不同的人校准相同的模型, 使用不同的参数组合可以得到几乎完全相同的校准结果. Stephens on 和Freeze 于1974年提出为证明校准后模型的实用性, 必须用不同于校准所用数据的数据进行模型验证. 模型验证根据有无控制站和流域条件可分为:分样本验证、替代流域验证和差别分样本验证. 分布式模型与集总性模型在验证步骤上是相同的, 但是由于模型结构、模型应用目的等不同, 分布式模型验证要复杂一些, 在模型输出、有效标准、有效性检验、典型模型应用及模拟尺度方面, 分布式水文模型验证是多标准、多尺度要求的.
4 存在问题
分布式水文模型发展至今, 其建立和应用过程中面临的问题具有明显的时代技术特征. 在20世纪90年代前, 分布式水文模型的发展主要受到计算机水平的限制. 90年代后, 计算机技术迅速发展, 计算能力已经不再是分布式水文模型发展的制约, 而对水文系统的深刻认识、复杂系统建模和多学科交叉等问题成为分布式水文模型必须面对的重点和难点. 分布式水文模型面临的问题主要有:非线性问题、尺度问题、参数不确定性问题、观测资料的误差和还原问题等.
4. 1 非线性问题
非线性问题是分布式水文模型所面临的大部分问题的核心. 水文系统是非线性系统, 所有分布式水文模型都会涉及到描述非线性水文过程, 分布式水文模型的物理特征之一就是其大部分参数可以通过试验获得, 而测量结果仅仅是点尺度上的参数化特征, 将这样的实测参数直接应用到模型计算单元上必然会产生误差. 非线性问题的另外一个方面是非线性系统对模型的初始条件和边界条件非常敏感, 而在[26]
6西安文理学院学报:自然科学版第11卷分布式水文模型中难于确定这两个条件.
4. 2 尺度问题
不同时间和空间尺度对水文系统规律的研究通常有较大的影响. 尺度问题主要包括控制方程和参数化的尺度扩展以及分布式水文模型和气象模型的尺度耦合. 表现在流域水文模型上则为一些小尺度的流域实验获得的参数往往不能直接应用到大流域的水文模拟, 不同时间尺度的模型变量或参数也往往不能通过简单叠加或分解进行转换. 尺度问题和非线性问题有着紧密的联系. 针对尺度问题, 目前存在着两种不同的观点, Beven
尺度依赖性; B lEschl [28][27]认为尺度问题最终将被证明是不可解决的, 必须接受分布式水文模型的认为尺度问题正在逐步被解决, 而且将来必然在水文学理论和实践中取得重要进展. 解决尺度问题, 探索不同尺度模型变量或参数之间的转换规律, 是建立普适性水文模型的关键.
4. 3 参数不确定性问题
由于水文过程的复杂性、历史资料误差及土壤侵蚀模型结构误差等因素的存在, 给流域分布式水文模型参数率定及径流预报带来很大的不确定性. 参数不确定性制约了模型的发展、应用和推广. 解决参数不确定性问题, 一是加强对分布式水文模型的研究, 利用遥感、雷达等先进测量技术准确量测, 进而从水文物理结构而不是单纯的数学物理公式或参数优化来改进水文模型; 二是利用和充实已有的水文数据库, 进行参数不确定性分析, 在明确物理意义的基础上, 提高参数的精度.
4. 4 降雨径流资料的误差和还原问题
大部分流域降雨径流资料受到测量技术的限制, . 人类活动的影响也会导致某些水文因素的变化, , 无论是修正历史资料还是还原近期资料都有难度, . 先进的大面积的测量技术的不断提高, , , 利用研究结.
5 结语
分布式水文模型是研究流域内时空变异的有效途径和方法, 其发展方向取决于大尺度测量技术的发展, 而不是小尺度集总理论的改进及分布式模型的参数值的改进和优化. “没有任何一个模型是通用
[29]的, 即使是物理过程模拟也具有区域性”. 所以在建立和修正分布式水文模型时, 要注意模型的适用
范围和可塑性, 建立参数和研究区域之间的定量关系, 使参数的获得更容易、更准确. 在使用分布式水文模型时, 不要生搬硬套, 要灵活选用. 开发更简单、更可靠、更容易率定的分布式水文模型而不引入更复杂的和更多的参数是未来模型开发的重点和难点.
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[责任编辑 马云彤]
Study of the Bu ild i n g Process of the D istr i buted Hydrolog i ca l M odel
X IA J i 2de 1, 2,WU Fa 2qi , G UO J iang 2tao 11, 2, S UN M ao 2cun 2
(1. Shool of Res ources and Envir on ment , North west Agriculture &Forestry University, Yangling 712100, China;
2. Depart m ent of Traffic and Survey Engineering, Yangling Vocati onal and Techinal College, Yangling 712100, China )
Abstract:W ith clear physical meaning of the para meters structure and fully reflect of s patial heter osexual, the distributed hydr ol ogical model could descri p t and si m ulate the real p r ocess of p reci p itati on runoff in the basin accurately and in detail, thus becomes the hot s pot and the fr ont questi on in the hydr ol ogy research . On the basis of detailed classificati on about hydr ol ogy model, this paper fully considers each step of the circulati on of water p r ocess, and based on which, summarizes general step and method in modeling the distributed hydr ol ogy model, p r oposes the p r oble m s existing in the building and app licati on p r ocess of distributed hydr ol ogy model, and points out the devel opment directi on in the future .
Key words:hydr ol ogical model; distributed; scale