国内外分布式水文模型研究和应用综述

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国内外分布式水文模型研究和应用综述1

罗文兵，洪林, 时元智

武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉（430072）

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摘  要: 分布式水文模型研究已成为现代水文界研究的热点，是真实描述和科学揭示流域水文过程和规律的一个有效途径，为研究水文、生态和环境问题提供了一种有效的工具。本文概述了分布式水文模型的特点及结构、发展动态及趋势和目前国内外应用研究动态，分析了分布式水文模型研究和应用中存在的问题，并结合我国的实际展望了未来的发展方向。 关键词: 分布式；水文模型；研究动态；应用；发展方向

20世纪以来，水资源危机日益突出，为了适应气候变化和人类活动影响下的水文水资源研究之需，流域水文循环的模拟已从集总式模型扩展到分布式或者半分布式模型。分布式水文模型的开发不仅需要一定水文物理机制的支撑，而且还需要获得大量的流域空间数据和相关技术的支持。随着“3S”技术的发展，水文模拟技术趋向于将水文模型与数字高程模型(DEM)相结合，并与地理信息系统(GIS)与遥感(RS)集成。本文介绍了分布式水文模型的特点及结构、发展历程和目前国内外应用现状, 分析总结了分布式水文模型存在的几点不足, 并对其未来发展做出展望。

1 引言

在水文循环过程中，影响流域降雨径流形成的气候因子(如降雨、蒸发等) 和下垫面因子(如地形、地貌、地质、土壤、植被、土地利用等) 均呈现空间分布不均匀状态。而分布式水文模型正是客观地考虑了气候和下垫面因子的空间分布对流域降雨径流形成的影响，所以能较真实地模拟现实世界的流域降雨径流形成的物理过程。虽然早在20世纪60 年代就已提出分布式水文模型的概念，但其发展受到计算机技术的制约。随着计算机、地理信息系统、遥感等信息技术的发展，分布式水文模型取得了很大进展，成为水文学研究的热点之一。 2 分布式水文模型的特点与结构

2.1 分布式水文模型的特点

分布式水文模型(Distributed Hydrological Model)是通过水循环的动力学机制来描述和模拟流域水文过程的数学模型。在分布式水文模型中，流域是一个有机的系统，其内部地理要素存在空间差异，这也导致了水文过程的空间差异。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，充分考虑了流域地理要素对水文过程的影响，还考虑到流域内不同水文过程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，从而能够更加真实地模拟流域降雨径流形成的物理过程。此外，分布式水文模型将流域划分成若干个小的独立计算单元，它不仅能得到水文过程的结果，而且能给出水文过程的动态变化，这对于水文过程的进一步认识及提高水文预测的准确性具有重要的意义。

与集总式模型不同，分布式模型以其具有明确物理意义的参数结构和对空间差异性的全面反映，可以更加准确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1资助项目:教育部科学研究重大项目（308017）；国家“863计划”（2006AA06X342）；国家自然基金重大项目（50639040）；湖北省自然基金（2005ABA290）。

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循环的演变规律和过程。 http://www.paper.edu.cn

2.2 分布式水文模型结构

分布式水文模型的结构一般较复杂，但过程严密，具有一定的物理基础，能客观地反映水文循环过程。分布式水文模型按照系统内部功能的聚集程度，把模型划分为一个个功能不同且相对独立的子系统，每一个子系统都通过数学语言来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。如果考虑到水质和土壤侵蚀问题，还应包括：一维包气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和土壤侵蚀与沉积物运移[1,2]。

根据模型的结构，分布式水文模型可分为三类：分布式物理模型、分布式概念模型和半分布式模型。各分布式物理模型尽管在结构形式上不同，但其核心部分均为流域水循环过程。其一般结构如图1所示，主要包括以下八个部分：输入模块、冠层截留与蒸散发、入渗与土壤水、地表径流、地下径流、坡面汇流和河道汇流、积雪融雪和人工侧支循环。分布式概念模型根据流域的特征将流域离散为众多水文单元，在每个水文单元上运用概念性水文模型计算子流域出口断面的流量过程，再按空间拓扑关系演算至流域出口断面。半分布式模型一方面仅考虑流域水循环中某些部分如产汇流过程的分布性特征而不考虑其他部分如降雨、蒸发过程的分布性特征，对水循环过程有一定的简化；而另一方面，在对水循环过程描述中既可

用水动力学方程亦可用单位线、线性水库等方法[3]。分布式水文模型一般结构如图1所示。

图1 分布式水文模型的一般结构

3 模型研究的发展动态及趋势

3.1国外水文模型的发展

在国外，分布式水文模型的研究可以认为始于Freeze 和Harlan 于1969年发表的《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[4]。该文章提出了分布式水文物理模型的基本概念和框架。随后，Hewlett 和Troenale 在1975年提出了森林流域的变源面积模

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 拟模型(简称VSAS) 。1979年Bevenh 和Kirbby 提出了以变源产流为基础的TOPMODEL 模型（TOPgraphy based hydrological MODEL）[5,6]。该模型并未考虑降水、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[7]。而由丹麦、法国及英国的水文学者(Beven等，1980年；Abbott 等，1986年；Bathurst 等，1995年；Refsgaard and Storm，1995年；Chapters 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[8,9]。该模型为研究人类活动对于流域的产流、产沙及水质的影响问题提供了理想的工具。然而，该模型最初主要应用于欧洲，在其它地区应用得很少。现在，通过改进，该模型出现了很多不同的版本，比如MIKESHE ，SHETRAN 等，并在许多流域得到检验和应用。1980年，英国Morris 提出了IHDM(Institute of Hydrology Distributed Model) 模型。Beven 等(1987年) 和Calver(1988年、1995年) 对IHDM 模型进行了改进。1985年，美国农业部农业研究中心的Alons 和Decoursey 设计了SWAM 模型(Small Watershed Model) 。1994年，Jeff Arnold为美国农业部(USDA)农业研发中心(ARS)开发了SWAT 模型(Soil and Water Assessment Tool)。SWA T 模型是一个具有物理机制的长时段的流域半分布式水文模型[10]。该模型的发展经历了一系列的改进，从最早的CREAMS 模型，到SWRRB 模型，结合ROTO 模型后，最后形成了综合性的SW A T 模型。它能够利用GIS 和RS 提供的空间信息，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DEM) ，能够反映降水、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。SWA T 模型模拟的流域水文过程分为水循环的陆面部分(即产流和坡面汇流部分) 和水循环的水面部分(即河道汇流部分) 。SWAT 模型通常仅适合于美国的流域，应用于美国18个主要流域。SWAT 模型功能十分强大，能够用来模拟和分析水土流失、非点源污染、农业管理等问题，是一个值得推广的综合性流域水文模型。最新发展的流域分布式模型有STREAM 、SWM 等。其中SWIM (Soil and Water Intergated Model)模型[11]是在SW AT 和MATSALU 模型的基础上开发的，主要目标是提供一种基于GIS 的综合水文和水质的中尺度（100-10000 km2)流域模型。该模型集成了水文、植被、土壤侵蚀和N 元素转移转化的动力学原理。

3.2 国内水文模型的发展

我国分布式水文模型的研究起步较晚。1995年，沈晓东等提出了一种在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[12]建立了描述森林坡地饱和与非饱和带水流运动规律的二维分布式水文数学模型，并利用加辽金有限元数值方法求解模型。任立良和刘新仁[13]于2000年在数字高程模型(DEM)的基础上成功开发了分布式的新安江模型。2000年，李兰等[14]建立了一个按子流域划分的分布式流域水文模型，该模型由各小流域产流模型、汇流模型、流域单宽入流和上游入流反演模型、河道洪水演进四个部分组成。该模型考虑了产流随空间和时间变化的分布特征，能计算产流的多种径流成分的物理过程。2000年，郭生练等[15,16]提出了一个基于DEM 的分布式流域水文物理模型，用来模拟小流域的降雨径流时空变化过程。2002年，夏

熊立华等(2004)[18]提出了一军等[17]建立了基于DEM 的分布式时变增益水文模型(DTVGM)。

个基于DEM 的分布式水文模型，主要用来模拟蓄满产流机制，并通过实例检验模型模拟流量过程以及土壤蓄水量空间分布的能力。SW AT 模型在我国黑河流域的应用，说明该模型较适用于中国西北寒区。

4 模型研究和应用中存在的问题及未来发展方向

4.1 存在的问题 分布式水文模型的发展具有明显的时代技术特征。在20世纪70、80年代，计算机水平的限制成为分布式水文模型发展的瓶颈。进入90年代后，随着计算机技术的迅速发展，分布式水文模型的发展不再受到计算能力的制约，而对水文机理的深刻认识、尺度转换和多学科交叉等问题成为发展分布式水文模型必须面对的难点。分布式水文模型面临的问题可归纳为5个方面：非线性问题、尺度问题、确定性问题、等效性问题和不确定性问题。本文主要从以下几个方面进行探讨。

(1) 资料缺乏

分布式水文模型需大量的输入数据，但目前因缺乏足够的输入数据而限制了模型的发展。这些信息的获得除通过地面观测及应用自动测量技术外，很大程度上依赖于地理信息系统、遥感、航测、雷达等遥测技术。但由于遥感资料还未完全融入到水文模型的结构中，因此直接应用困难较大，加之又缺乏普遍可用的从遥感数据中提取水文变量的方法，故遥感技术在水文模型中的应用水平还较低。因此，加强遥感技术与水文模型的集成、开发地理信息系统技术在水文学中的应用领域和从遥感数据中提取水文数据的方法研究，对水文模型的发展十分必要。

(2) 非线性问题

这是分布式水文建模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。水文系统的非线性一方面使远离平衡态的系统形成有序结构，同时也使系统的演化具有多样性和不确定性。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都非常敏感，而在分布式水文模型中难于确定这两个条件。

(3) 尺度问题

尺度问题指在进行不同尺度之间信息传递（尺度转换）时所遇到的问题[19]。尺度问题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。水文学的理论研究和实践表明，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。虽然从水文系统的观点看，不同尺度之间有客观的联系和转化规律，但模型的非线性和流域地形地貌特征及气象的不均匀性将导致模型应用尺度与方程适用尺度之间的不匹配

[20]。设法寻求不同水文尺度间的水文规律及它们之间的相互转换关系，以期获得普遍性规律，而实现不同尺度间的转换是水文尺度目前面临的主要问题。国内外提出了一些解决尺度转换问题的方法，但至今仍无令人满意的结果。

(4) 不确定性问题

由于水文过程的复杂性、历史资料误差等因素的存在，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。由于水文变量和模型参数具有很大的随机性，不同的模型或同一模型在不同时间和空间分辨率下使用同样的参数可能导致计算结果有较大差异，给模型预测带来了“不确定问题”，制约了模型的发展、应用和推广。因此，目前的模型需通过与实测资料进行对比分析、对模型参数的灵敏度分析及进行参数不确定性分析来减小模型计算结果的不确定性。但由于受观测资料的限制，很难充分检验现有模型，故不确定性问题有待于深入研究。

(5) 真实性问题 由于水文循环的复杂性，并受测量技术的限制，一些水文过程和边界条件并不确知，因此分布式水文模型都存在很多人为的假定，导致模型并不能再现真实的水文过程[21]。而且，人们对水文循环的自然规律并没有完全掌握和理解[22]，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，参数间的相关性增加，不仅给参数的确定增加了困难，同时也影响了模型推广应用的精度。

4.2 未来的发展方向

近年来，随着计算机、GIS 、RS 等技术的发展极大促进了水文模拟技术的发展，为分布式水文模型的研究提供了有力的支持，使分布式水文模型得以迅速发展。分布式水文模型最主要的技术支撑为：①建立分布式水文模型的平台—GIS；②获得大范围空间信息和资料的方法—RS和GPS 。基于地球信息科学方法的分布式水文模型有着广阔的发展前景。本文从以下几个方面做出展望：

(1) 加强水文不确定性、水文非线性和水文尺度问题的理论探索

水文不确定性、水文非线性和水文尺度问题，是解决水文系统复杂性问题的三个难点，也是目前水文学需要解决的关键问题。这些问题的研究将对分布式水文模型的发展起到重要的推动作用。这就需要我们加强对水文模型物理机制的研究，改善观测手段，力求从物理学的角度和深度，更加合理地模拟和描述水文过程，解决分布式水文模型中的非线性问题和尺度问题[23]。对于水文不确定性问题，则要求我们充分利用和不断充实已有的水文数据库，进行参数不确定性的分析，即参数识别和灵敏度试验，在明确参数物理意义的基础上，弄清参数的变化规律和水文联系，从而不断完善模型[24]。

(2) GIS、RS 技术与水文模型集成应用

分布式水文模型的构建，不再是单纯的水文模型，而是一个以数据库为基础、以“3S”技术支撑的、集成资源管理与决策功能的、具有专业扩展性和广泛模拟能力的水文模拟系统。GIS 和遥感技术为水文模拟提供了新的研究思路和技术方法[25,26]。

遥感技术可以提供长期、动态和连续的大范围资料和一些确定产汇流特性和模型参数所必需的下垫面信息和降雨信息，是描述流域水文变异性最为可行的方法，尤其是在地面观测手段和资料缺乏的地区。GIS 用于水文模拟，可以用来获取、操作及显示与模型有关的空间数据和所得的成果, 有利于水文工作者研究流域特征的空间分布和对产汇流的影响，从而加深对产汇流等水文物理过程的认识，为分布式水文物理模型的研制提供了平台，促进流域水文模型的完善和发展。借助于GIS 强大的空间数据分析处理功能，使得水文模型的研究手段得到了根本性的转变。

RS 是及时、快捷获取大面积综合水文信息的有效手段。GIS 是用数字化方法描述具有复杂时间和空间变化的水文过程的必要的技术支撑，而借助于二者的优势，可以更为客观地描述流域下垫面条件及其变化，是充分表征流域水文变量时空变异性的基础。目前，基于GIS 、RS 和数字流域技术来构建流域水文模型，是实现流域水文过程模拟的主要途径。而基于“3S”技术的分布式水文模型已经广泛应用于气候变化、污染防治、灾害监测等研究

[27~29]。

(3) 与其它模型的耦合

与MM5气象模型耦合的VIC 分布式水文模型[30]，能增长洪水的预报期。与农业灌溉、生态和水质等模型的耦合，并能考虑水库调度等水资源利用措施，是分布式水文模型应对流

域水资源综合管理实践要求的必然发展。 随着一系列理论和技术的进一步完善，可以预示分布式水文模型在水资源开发、利用、保护、洪水预报、节水灌溉、水生生态和人类活动影响等方面必将得到越来越广泛应用。未来分布式水文模型将建成全球一大陆一区域一流域一局地等多尺度嵌套和水文一气候一地貌一生态一环境等多系统耦合的模型库系统，并能最真实反映水文循环过程，满足工程和规划等实际需要。

5 结语

本文主要从分布式水文模型的发展历程、模型结构、应用领域和面临问题等方面论述了分布式水文模型目前的发展水平，可以看出：分布式水文模型，尤其是具有物理基础的分布式水文模型，能较真实地描述和科学地揭示降雨径流的形成机理。分布式水文模型与计算机技术、空间技术、地理信息系统、遥感技术等的结合代表了分布式水文模型的未来发展方向， 具有广泛的应用前景。

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Summary on Distributed Hydrological Modeling and

Application Researches Domestic and Abroad

Luo Wenbing, Hong Lin, Shi Yuanzhi

State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan

University, Wuhan （430072）

Abstract

Distributed watershed hydrological model has become a focus in the research on the modern hydrology domestic and abroad, and an effectively way to describe and reveal the hydrological processes and laws at watershed scale. Thus, it has become an effective tool to study problems of hydrology, ecology and environment. Firstly, this paper reviews the dynamics and development trends in distributed hydrological modeling and application on the basis of introducing its origins and characteristics; then it analyzes the main structure and its applications of distributed hydrological modeling; finally, it summarizes deficits and problems existing in the research and application of distributed hydrological models and previews the development direction of distributed hydrological modeling in China.

Keywords: distributed; hydrological modeling; research dynamics; application; development trend

作者简介:罗文兵（1986-），男，武汉大学硕士研究生；

通讯作者:洪林（1963-），女，武汉大学教授，博士，E-mail: [email protected]