流域水文模型综述

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0229建筑材料2021-07-18 12:04:37

当今社会科学技术发展越来越迅猛，人们对于数字化的要求也越来越高。水文学作为一门历史悠久的学科也越来越趋向于数字化与定量化。在这样的大背景下，水文模型则应运而生。水文模型是在防洪与水利工程的实际运用和实践中逐渐发展起来的，它早期用于实时洪水与实时水位预报中。现在，水文模型的作用范围更加广泛，它在防洪减灾、水库调度、生态环境需水、水资源开发利用、道路、城市规划、面源污染评价、人类活动的流域响应等诸多方面起到了不可或缺的重要作用。因此，水文模型的研究已经成为水文学的热点问题。并且相应于河口水文模型，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实际意义。　　

1 定义　　

根据何长高，董增川等发表的论文，流域水文模拟是用数学的方法描述和模拟水文循环的过程，即将流域概化成一个系统，根据系统输入条件，对流域内发生的水文过程进行模拟计算，求解输出结果。更进一步，流域水文模型就是用于流域水文模拟的这个系统。　　流域水文模型是基于人们对客观世界的长期观测和理解认识所提出能够高度概化现实世界，并用于预测未来的工具。　　

2 基本架构　　

不管是何种流域水文模型，以机制为基础还是以模式为基础，流域水文模型都包含着几个必不可少的模型阶段，即坡面产流阶段，坡面汇流阶段和河网汇流阶段。　　
2.1 坡面产流阶段　　
1933年霍顿提出了超渗产流理论，相应在国外的产汇流计算中有了超渗产流机制。霍顿提出：当雨强I大于下渗能力fp时，雨强一部分按照下渗能力fp下渗到土壤当中，另一部分产生地面径流rs；当雨强I小于下渗能力fp时，雨强按照其自身的强度全部下渗到土壤当中。在实际的勘测与实践中，人们发现在植被覆盖良好，地表疏松的地方即使雨强I小于下渗能力fp，也会存在地面径流。邓恩在六十年代提出了蓄满产流机制。邓恩认为：土壤在垂直结构上并不是仅有一个层次，实际上土壤上层是有较大土壤颗粒的淋溶层，而土壤下层是有较小土壤颗粒的淀积层，这两层之间存在一个相对不透水层。当雨强I小于下渗能力fp时，雨强会在相对不透水层上产生饱水带，随着饱水带厚度逐渐增加直至充满整个上土层，多余的水量会溢出产生地面径流。超渗产流机制一般适用于包气带较厚，植被覆盖率较差的地区。而蓄满产流机制则适用于湿润地区。　　
2.2 坡面汇流阶段　　
在坡面产流阶段，有的模型会通过两水源或是三水源划分出各径流成分的径流量，如新安江模型；另外一些则一开始就计算出了各径流成分的径流量，如SAC模型。在坡面汇流常用的方法有单位线法和线性水库法。单位线法有两个苛刻的假定，即倍比假定和叠加假定。由于不能考虑降雨和下垫面的时空分布不均匀，使得该法推流的较大误差来源就来自于此。单位线推流适用于短历时降雨，原因在于如果降雨时段增多，那么对于出流时洪水过程的划分就会相应的增加，计算过程变得麻烦而且计算结果也会变得不准确。该方法由于测量误差会使单位线后部呈现锯齿形状，此时应该加入控制条件加以修正。有时净雨时段长与单位线的时段长不一致还要进行单位线的时段转换。单位线法目前已经是发展成熟的坡面汇流方法，因此被工作单位广泛的使用。在新安江模型中，地下水的坡面汇流用的一般就是线性水库方法，实际上地面径流也是可以运用线性水库的。根据不同径流成分的消退系数就可以得到各个径流成分的坡面汇流公式。　　
2.3 河槽汇流模型　　
河槽汇流主要有两种方法：一个是水文学方法，一个是水力学方法。水文学方法主要运用水量平衡方程和槽蓄方程，另以圣维南方程组的简化形式为辅而得出结果，该方法的特点是物理概念性较强，常用的方法有马斯京根法和特征河长法。而水力学方法主要是以圣维南方程组为基础的一系列河道演算方法，该方法的特点是中间断面的每一个过程都比较清晰，但是方程只能用数值解表示。水文学方法不适用于流域下游受回水顶托的地方以及河网地区，但是水力学方法的圣维南方程组却可以在河网地区适用。圣维南方程组是偏微分方程组，所以要引入差分格式来进行数值解代替解析解的计算。常见的差分格式有蛙跳格式，中心差分格式等，其中普利斯曼隐式格式由于其差分的传播误差很小而广泛应用于水力学方法的计算中。　　

3 分类　　

按照模型构建有无物理基础来划分，流域水文模型可以分为物理模型，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，这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义，但是又不是完全的遵循物理规律，需要提出一定的假设条件。现在大多数发展起来的概念性模型有新安江模型，SAC模型，VIC模型等等。黑箱子模型是一种完全没有物理背景的模型，它的大概模式就是：输入-运行-输出。这样的模型大多数都是随机水文模型，比如BP人工神经网络模型，回归模型，模糊数学模型等等。　　
按照模型构建的尺度大小可以分为集总式模型和分布式模型。集总式模型把流域当作一个整体来考虑，统一的进行分析和处理，它存在一个很大的问题，那就是忽略了下垫面和降雨的时空分布不均匀性。随着科学技术的日益发展，学者们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决了集总式模型忽略下垫面和降雨的时空分布不均匀性，它把流域划分成满足精度的网格，并且使用3s技术获取庞大的数据，使每一个单元网格上都有一个出流过程，最后再汇集成总的出流过程。分布式水文模型还划分为松散耦合型分布式水文模型和紧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为基础的分布式模型。典型的紧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　　
不管是时间尺度还是空间尺度对于模型研究者来说都是难以把握的问题。因为在不同时间尺度或是空间尺度的组合上水文情势如何发生变化是水文工作者无法预知的。另外时间尺度与空间尺度如何耦合也是一个棘手的问题。　　
4.2 与其他学科的融合　　
水资源是地球上最庞大的自然资源之一，水文情势也与大气、土壤、植被等有着密切的联系。因此水文学与其他学科的交叉研究就显得至关重要。　　
现在广泛研究的问题是气候变化对陆面水文过程的影响，但这是一个单向耦合过程，应该有进一步的研究探讨气候对于陆面过程的响应又是如何的。在新安江模型中，土壤含水量的模拟对于蒸发和产流的计算影响也是很大的，这说明对于土壤的研究能更好的提高模型预测的精度。在干旱研究中，归一化植被指数NDVI常作为干旱评估的指标，这也是学科交叉融合的实例。　　
综上所述，水文学与其他学科的交叉融合已经成为了一个新的待研究方向，其它学科的知识运用到水文中有很大可能出现新的突破。　　

模型水文径流