第16卷第4期
2010年4月
水利科技与经济
W ater Conservancy Science and Technol ogy and Economy
Vol 116 No 14
Ap r 1, 2010
分布式水文模型研究进展综述
王文志, 罗艳云, 段利民
1
2
2
(11内蒙古城镇建设水文中心, 呼和浩特 010018; 21内蒙古农业大学, 呼和浩特 010018)
———径流模拟,
非点源污染, 水资源开发利用等方面, 并介绍各方面的应用方法, 总结了常见的分布式水文模型, 重点分析了S WAT 模型, SHE 模型, 提出了模型未来发展需完善理论水平, 提高技术支撑能力。
[关键词] 分布式水文模型; 降水———径流; 非点源污染; 水资源开发利用; S WAT
[中图分类号] T V213 [文献标识码] B [文章编号] 1006-7175(2010) 04-0381-02
[摘 要] 简述分布式水文模型的优势和发展情况, 归纳模型应用主要于降水
Research Rev i ew of D istr ibuted Hydrolog i l n g
WANG W en -zhi , LUO , m in
1
2
(1. I nnerMongolia City Building Hydr ol China; 2. I nnerMongolia Ag 2ricultural University, )
Abstract:and devel opment of D istributed Hydr ol ogical Modelling, sum up that the model app ly t o si m ulate the rainfall -runoff, non -point s ource polluti on, water re 2s ource devel opment and utilizati on, and intr oduce the method of each as pects 1Summarized common D istributed Hydr ol ogicalModelling, f ocusing on analysis of the S WAT model, SHE model 1Pr oposed the model f or future devel opment need t o i m p r ove the theoretical level and i m p r ove technical support 1Key words:D istributed Hydr ol ogicalModelling; rainfall -runoff; non -point s ource polluti on; wa 2ter res ource devel opment and utilizati on; S WAT
0 引 言
“对任何一门学科, 精准的预测都是对是否具备充足
[1]
知识的严峻考验。”就水文循环的研究而言更是如此。水文模型为模拟水文循环建立了实体结构和数学结构与逻辑结构。分布式水文模型是基于过程描述的模型, 其克服了集总式流域水文模型物理基础薄弱的缺点, 希望对水文物理过程的时空变化给予更贴近真实过程的描述[2]。
对分布式水文模型的研究一般认为开始于1976年加拿大学者Freeze 和Harlan 发表了《一个具有物理基础数值数值模拟的水文响应模型的蓝图》的文章[1]。分布式水文模型的概念在提出后相当长的一段时间内发展缓慢, 这主要是由于分布式水文模拟需要大量的数据支持以及较大的运算量。近年来随着3S 技术、空间技术、信息技术等高新技术的发展和应用为分布式水文模型的研究提供了条件与支撑, 分布式水文模型也的得到了迅速的
发展, 近几年已成为水文研究领域的重点和热点问题。
1 分布式水文模型的应用类型
111 降水———径流过程模拟
目前, 分布式水文模型在降水———径流模拟中应用较为广泛, 并在很多流域得到验证。基于分布式水文模型对降水———径流的模拟, 考虑到降雨———径流的主要过程, 及流域气象和下垫面要素的空间各异性, 将流域离散为小的水文计算单元, 并按水流特性将水文计算单元分为为坡面单元和河网单元。在坡面单元上主要计算降雨、下渗、坡面流、壤中流等水文过程, 而河网单元则主要计算河道汇流过程。模型利用插值的方法将有限个雨量站点的降雨量插值到各个计算单元, 各单元格分别采用动力方程计算坡面流, 将壤中流概化为垂向流和侧向流及河道汇流[3-4]。此类模型结构简单、参数的物理意义明确, 大多数参数可利用已有的DE M 、土壤类型、植被类型资料直接获取, 少数敏感参数通过率定也确定。
[收稿日期] 2009-10-15[作者简介] 王文志(1971-) , 男, 内蒙古赤峰人, 高级工程师, 硕士; 罗艳云(1985-) , 女, 河南滑县人, 博士研究生; 段
利民(1982-) , 男, 河北崇礼人, 博士研究生1
—381—
第16卷第4期
2010年4月112 非点源污染
水利科技与经济
W ater Conservancy Science and Technol ogy and Economy
Vol 116 No 14
Ap r 1, 2010
非点源污染通常是由降水或融雪在地表或地下运动所引起的, 它们所形成的径流携带着污染物并最终沉积在河流、湖泊和海洋中。分布式水文模型可以从水文循环的角度研究非点源污染的时空分布特征与规律, 能有效模拟土壤侵蚀和水土流失, 地表水和地下水污染情况, 是进行非点源污染模拟的有效工具。分布式水文模型分布式模型在充分考虑降水、地表水、土壤水、地下水及其相互关系的物理规律的基础之上的叠加泥沙、营养物质(N 、P ) 、杀虫剂迁移的连续模拟, 并估算污染负荷。
113 水资源开发利用
由于气候和人类活动对水文过程影响加剧, 过去的水资源规划管理方式亟待改进。王浩、王建华等[5]指出, 目前, 我国水资源配置的重点主要集中在建立符合现代流域水循环过程的“天然———人工”二元认知模式, 建立以水循环为基础的水资源合理配置模式。开发具有物理基础的分布式水文模型, 是研究宏观尺度上水文循环规律的有力工具。分布式模型的网格化结构便于其与大气环流模式耦合, 使研究尺度可以扩展到区域范围, 能够对气候变化下水文水资源效应进行模拟与预测。另外, 遥感可以获取流域下垫面及其随时间变化的信息水文效应, , , 的水平, 。
分方程的差分形式来描述, 同时也采用了一些独立实验研究得来的经验关系, 综合考虑降水、蒸发、地表径流、土
[7]
壤对地下水的补给、地下水的流动等水文过程。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, 以便处理不同层的土壤水运动问题。模型还包括一个二维的地表径流计算部分, 该部分通过一个一维的非饱和水流模型与一个二维的地下水水流模型连接在一起。模型参数具有一定的物理意义, 可以通过观测或资料分析得到。模型采用一维St 1venant 方程模拟坡面流、一维R ichards 方程模拟不饱和带流、二维Boussinesq 方程模拟饱和带流。由于应用SHE 模型模拟所需资料多, 模型的参数确定困难, 所以投入实际应用, 难度较大。
3 分布式水文模型的发展趋势
311 理论水平的提高
, , 气候的特点, 分。特别是参数的不确定。
32技术支撑的完善
GI S 和RS 在目前的研究中基本是与分布式水文模型
2 常见的分布式水文模型
211 S WAT 模型
S WAT (Soil and W ater A ssess ment Tool ) 模型是美国
农业部(US DA ) 农业研究局(ARS ) 开发的基于流域尺度
的发展密不可分, 他们可以快速提供水文模拟大量的空间参数数据, 从而可以节省大量的数据收集时间, 快速地预测水文状况。另外, 观测技术的发展将更强有力地推动分布式水文模型的发展和应用[8]。
[参考文献]
[1]Freeze R A, Harlan R L 1B luep rint of a Physically -based D igitally -si m ulated Hydr ol ogic Res ponse Model [J ]1Journal of Hydr ol ogy, 1969, (9) :237-2581[2]张金存, 芮孝芳1分布式水文模型构建理论与方法
述评[J ]1水科学进展, 2007, 18(2) :286-2921[3]都金康, 谢顺平, 许有鹏, 等1分布式降雨径流物理
模型的建立和应用[J ]1水科学进展, 2006, 17(5) :637-6441[4]赵 强1GI S 在分布式水文模型中的应用———以北
京雁栖河流域为例[J ]1干旱区资源与环境, 2007, 21(3) :60-621[5]王 浩, 王建华, 秦大庸1流域水资源合理配置的研
的一个长时段的分布式流域水文模型。它具有很强的物
理基础, 能够利用地理信息系统和遥感提供的空间数据信息模拟地表水和地下水的水量与水质, 长期预测土地管理措施对于具有多种土壤类型、土地利用和管理条件的大面积复杂流域的径流、泥沙负荷和营养物流失的影响。模型中产流计算采用的是SCS 径流曲线数方法(Modified SCS Curve Nu mberMethod ) , 产沙计算采用的是修正通用土壤流失方程MU -S LE (Modified Universal Soil
[7]
Loss Equati on ) 方法。该模型在美国, 加拿大, 欧洲等国家得到应用, 近年来在国内也越来越受到重视, 并成为一个热点研究模型, 并在国内的很多地区得到检验校正。在模型的应用过程中也得到了不断地修正, 其适用范围更加广泛。我国学者王中根[8]等将S W ET 模型成功应用于黑河莺落峡以上流域的日、月径流过程中, 发现模型在结构上考虑了融雪和冻土对水文循环的影响, 适于我国西北寒区的应用。
212 SHE 模型
由丹麦、法国及英国的水文学者(Beven 等, 1980; Ab 2bort 等, 1986; Bathurst 等, 1995; Refsgaard 等, 1995; Chap ters 等等) 联合研制及改进的SHE 模型(Syste m Hydr ol ogic Eur opean ) 是一个典型的分布式水文模型。该模型主要的水文过程利用质量、能量和动量守恒的偏微
究进展与发展方向[J ]1水科学进展, 2004, 115
(11) :123-1281[6]刘金涛, 冯 杰, 张佳宝1分布式水文模型在流域水
资源开发利用中的应用研究进展[J ]1中国农村水利水电, 2007, (2) :142-1441[7]丁 飞, 潘剑君1分布式水文模型S WAT 的发展与
研究动态[J ]1水土保持研究, 2007, 14(1) :34-371[8]刘昌明, 夏 军, 郭生练, 等1黄河流域分布式水文
模型初步研究与进展[J ]1水科学进展, 2004, 15(4) :495-5001
(编辑:赵琳琳)
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第16卷第4期
2010年4月
水利科技与经济
W ater Conservancy Science and Technol ogy and Economy
Vol 116 No 14
Ap r 1, 2010
分布式水文模型研究进展综述
王文志, 罗艳云, 段利民
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2
2
(11内蒙古城镇建设水文中心, 呼和浩特 010018; 21内蒙古农业大学, 呼和浩特 010018)
———径流模拟,
非点源污染, 水资源开发利用等方面, 并介绍各方面的应用方法, 总结了常见的分布式水文模型, 重点分析了S WAT 模型, SHE 模型, 提出了模型未来发展需完善理论水平, 提高技术支撑能力。
[关键词] 分布式水文模型; 降水———径流; 非点源污染; 水资源开发利用; S WAT
[中图分类号] T V213 [文献标识码] B [文章编号] 1006-7175(2010) 04-0381-02
[摘 要] 简述分布式水文模型的优势和发展情况, 归纳模型应用主要于降水
Research Rev i ew of D istr ibuted Hydrolog i l n g
WANG W en -zhi , LUO , m in
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(1. I nnerMongolia City Building Hydr ol China; 2. I nnerMongolia Ag 2ricultural University, )
Abstract:and devel opment of D istributed Hydr ol ogical Modelling, sum up that the model app ly t o si m ulate the rainfall -runoff, non -point s ource polluti on, water re 2s ource devel opment and utilizati on, and intr oduce the method of each as pects 1Summarized common D istributed Hydr ol ogicalModelling, f ocusing on analysis of the S WAT model, SHE model 1Pr oposed the model f or future devel opment need t o i m p r ove the theoretical level and i m p r ove technical support 1Key words:D istributed Hydr ol ogicalModelling; rainfall -runoff; non -point s ource polluti on; wa 2ter res ource devel opment and utilizati on; S WAT
0 引 言
“对任何一门学科, 精准的预测都是对是否具备充足
[1]
知识的严峻考验。”就水文循环的研究而言更是如此。水文模型为模拟水文循环建立了实体结构和数学结构与逻辑结构。分布式水文模型是基于过程描述的模型, 其克服了集总式流域水文模型物理基础薄弱的缺点, 希望对水文物理过程的时空变化给予更贴近真实过程的描述[2]。
对分布式水文模型的研究一般认为开始于1976年加拿大学者Freeze 和Harlan 发表了《一个具有物理基础数值数值模拟的水文响应模型的蓝图》的文章[1]。分布式水文模型的概念在提出后相当长的一段时间内发展缓慢, 这主要是由于分布式水文模拟需要大量的数据支持以及较大的运算量。近年来随着3S 技术、空间技术、信息技术等高新技术的发展和应用为分布式水文模型的研究提供了条件与支撑, 分布式水文模型也的得到了迅速的
发展, 近几年已成为水文研究领域的重点和热点问题。
1 分布式水文模型的应用类型
111 降水———径流过程模拟
目前, 分布式水文模型在降水———径流模拟中应用较为广泛, 并在很多流域得到验证。基于分布式水文模型对降水———径流的模拟, 考虑到降雨———径流的主要过程, 及流域气象和下垫面要素的空间各异性, 将流域离散为小的水文计算单元, 并按水流特性将水文计算单元分为为坡面单元和河网单元。在坡面单元上主要计算降雨、下渗、坡面流、壤中流等水文过程, 而河网单元则主要计算河道汇流过程。模型利用插值的方法将有限个雨量站点的降雨量插值到各个计算单元, 各单元格分别采用动力方程计算坡面流, 将壤中流概化为垂向流和侧向流及河道汇流[3-4]。此类模型结构简单、参数的物理意义明确, 大多数参数可利用已有的DE M 、土壤类型、植被类型资料直接获取, 少数敏感参数通过率定也确定。
[收稿日期] 2009-10-15[作者简介] 王文志(1971-) , 男, 内蒙古赤峰人, 高级工程师, 硕士; 罗艳云(1985-) , 女, 河南滑县人, 博士研究生; 段
利民(1982-) , 男, 河北崇礼人, 博士研究生1
—381—
第16卷第4期
2010年4月112 非点源污染
水利科技与经济
W ater Conservancy Science and Technol ogy and Economy
Vol 116 No 14
Ap r 1, 2010
非点源污染通常是由降水或融雪在地表或地下运动所引起的, 它们所形成的径流携带着污染物并最终沉积在河流、湖泊和海洋中。分布式水文模型可以从水文循环的角度研究非点源污染的时空分布特征与规律, 能有效模拟土壤侵蚀和水土流失, 地表水和地下水污染情况, 是进行非点源污染模拟的有效工具。分布式水文模型分布式模型在充分考虑降水、地表水、土壤水、地下水及其相互关系的物理规律的基础之上的叠加泥沙、营养物质(N 、P ) 、杀虫剂迁移的连续模拟, 并估算污染负荷。
113 水资源开发利用
由于气候和人类活动对水文过程影响加剧, 过去的水资源规划管理方式亟待改进。王浩、王建华等[5]指出, 目前, 我国水资源配置的重点主要集中在建立符合现代流域水循环过程的“天然———人工”二元认知模式, 建立以水循环为基础的水资源合理配置模式。开发具有物理基础的分布式水文模型, 是研究宏观尺度上水文循环规律的有力工具。分布式模型的网格化结构便于其与大气环流模式耦合, 使研究尺度可以扩展到区域范围, 能够对气候变化下水文水资源效应进行模拟与预测。另外, 遥感可以获取流域下垫面及其随时间变化的信息水文效应, , , 的水平, 。
分方程的差分形式来描述, 同时也采用了一些独立实验研究得来的经验关系, 综合考虑降水、蒸发、地表径流、土
[7]
壤对地下水的补给、地下水的流动等水文过程。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, 以便处理不同层的土壤水运动问题。模型还包括一个二维的地表径流计算部分, 该部分通过一个一维的非饱和水流模型与一个二维的地下水水流模型连接在一起。模型参数具有一定的物理意义, 可以通过观测或资料分析得到。模型采用一维St 1venant 方程模拟坡面流、一维R ichards 方程模拟不饱和带流、二维Boussinesq 方程模拟饱和带流。由于应用SHE 模型模拟所需资料多, 模型的参数确定困难, 所以投入实际应用, 难度较大。
3 分布式水文模型的发展趋势
311 理论水平的提高
, , 气候的特点, 分。特别是参数的不确定。
32技术支撑的完善
GI S 和RS 在目前的研究中基本是与分布式水文模型
2 常见的分布式水文模型
211 S WAT 模型
S WAT (Soil and W ater A ssess ment Tool ) 模型是美国
农业部(US DA ) 农业研究局(ARS ) 开发的基于流域尺度
的发展密不可分, 他们可以快速提供水文模拟大量的空间参数数据, 从而可以节省大量的数据收集时间, 快速地预测水文状况。另外, 观测技术的发展将更强有力地推动分布式水文模型的发展和应用[8]。
[参考文献]
[1]Freeze R A, Harlan R L 1B luep rint of a Physically -based D igitally -si m ulated Hydr ol ogic Res ponse Model [J ]1Journal of Hydr ol ogy, 1969, (9) :237-2581[2]张金存, 芮孝芳1分布式水文模型构建理论与方法
述评[J ]1水科学进展, 2007, 18(2) :286-2921[3]都金康, 谢顺平, 许有鹏, 等1分布式降雨径流物理
模型的建立和应用[J ]1水科学进展, 2006, 17(5) :637-6441[4]赵 强1GI S 在分布式水文模型中的应用———以北
京雁栖河流域为例[J ]1干旱区资源与环境, 2007, 21(3) :60-621[5]王 浩, 王建华, 秦大庸1流域水资源合理配置的研
的一个长时段的分布式流域水文模型。它具有很强的物
理基础, 能够利用地理信息系统和遥感提供的空间数据信息模拟地表水和地下水的水量与水质, 长期预测土地管理措施对于具有多种土壤类型、土地利用和管理条件的大面积复杂流域的径流、泥沙负荷和营养物流失的影响。模型中产流计算采用的是SCS 径流曲线数方法(Modified SCS Curve Nu mberMethod ) , 产沙计算采用的是修正通用土壤流失方程MU -S LE (Modified Universal Soil
[7]
Loss Equati on ) 方法。该模型在美国, 加拿大, 欧洲等国家得到应用, 近年来在国内也越来越受到重视, 并成为一个热点研究模型, 并在国内的很多地区得到检验校正。在模型的应用过程中也得到了不断地修正, 其适用范围更加广泛。我国学者王中根[8]等将S W ET 模型成功应用于黑河莺落峡以上流域的日、月径流过程中, 发现模型在结构上考虑了融雪和冻土对水文循环的影响, 适于我国西北寒区的应用。
212 SHE 模型
由丹麦、法国及英国的水文学者(Beven 等, 1980; Ab 2bort 等, 1986; Bathurst 等, 1995; Refsgaard 等, 1995; Chap ters 等等) 联合研制及改进的SHE 模型(Syste m Hydr ol ogic Eur opean ) 是一个典型的分布式水文模型。该模型主要的水文过程利用质量、能量和动量守恒的偏微
究进展与发展方向[J ]1水科学进展, 2004, 115
(11) :123-1281[6]刘金涛, 冯 杰, 张佳宝1分布式水文模型在流域水
资源开发利用中的应用研究进展[J ]1中国农村水利水电, 2007, (2) :142-1441[7]丁 飞, 潘剑君1分布式水文模型S WAT 的发展与
研究动态[J ]1水土保持研究, 2007, 14(1) :34-371[8]刘昌明, 夏 军, 郭生练, 等1黄河流域分布式水文
模型初步研究与进展[J ]1水科学进展, 2004, 15(4) :495-5001
(编辑:赵琳琳)
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