2022年分布式水文模型 .pdf

分布式水文模型的原理及其应用题目 ：分布式水文模型的原理及其应用学院名称水建学院专业名称水文与水资源学生姓名朱良哲学号2009011728 指导老师严宝文名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - 分布式水文模型的原理及其应用分布式水文模型的原理及其应用摘 要分布式水文模型是在分析和解决水资源多目标决策和管理中出现的问题的过程中发展起来的，所有的分布式水文模型都有一个共同点：有利于深入探讨自然变化和人类活动影响下的水文循环与水资源演化规律。本文就几种分布式水文模型进行分类总结与比较，探讨其原理与应用。关键字： 分布式；水文模型； DEM ；MIKE SHE ；TOPMODEL；SWAT Distributed hydrological model is analyzed and deal with the water in multi-objective decision-making and management problems in the process of the development of up, all of the distributed hydrological model have one thing in common: to further discussed natural change and human activities under the influence of the hydrologic cycle and water resource evolution rule. This paper distributed hydrological model several classification summary and comparison, this paper discusses the principle and application. Key word: distributed; Hydrological model; DEM; MIKE SHE; TOPMODEL; SWAT一、分布式水文模型- 特点与传统模型相比 ，基于物理过程的分布式水文模型分布式可以更加准确详细地描述流域内的水文物理过程，获取流域的信息更贴近实际。二者具体的区别在于处理研究区域内时间、空间异质性的方法不一样：分布式水文模型的参数具有明确的物理意义，它充分考虑了流域内空间的异质性。采用数学物理偏微分方程较全面地描述水文过程，通过连续方程和动力方程求解，计算得出其水量和能量流动。二、分布式水文模型- 尺度问题、时空异质性及其整合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。水文学研究的尺度包括过程尺度、水文观测尺度、水文模拟尺度。当三种尺度一致时，水文过程在测量和模型模拟中都可以得到比较理想的反应，但要想三种尺度一致是非常困难的。尺度转换就是把不同的时空尺度联系起来，实现水文过程在不同尺度上的衔接与综合，以期水文过程和水文参数的耦合。所谓转换，包括尺度的放大和尺度的缩小两个方面，尺度放大就是在考虑水文参数异质性的前提名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 分布式水文模型的原理及其应用下，把单位面积上所得的结果应用到更大的尺度范围的模拟上，尺度缩小是把较大尺度的模型的模拟输出结果转化为较小尺度信息。尺度转换容易导致时空数据信息的丢失，这一问题一直为科学家所重视，却一直未能得到真正解决，这也是当今水文学界研究的热点和难点。尺度问题源于目前缺乏对高度非线性的水文学系统准确的表达式；于是对于一个高度非线性的、且没有表达式的系统，人们用“分布式”方法来“克服”它。然而事实上，无论是“subwatersheds ”是“rid Cells ”其内部仍然是非线性的且没有表达式 。但是，人们认为他们是“均一”的 ，于是就产生了尺度问题。比如，自然界中水文参数存在很大的时间、空间异质性，野外实验证明，传统上认为在“均一”单元，且属于同一土壤类型的小尺度土地上，其水力传导度的变化范围差异可以达到好几个数量级。在分布式水文模型MIKESHE 中，处理的最有代表性的尺度问题就是模拟不饱和带的垂向水分运动， Richards方程用到的水力参数是由实验室对野外采集回来的少量未扰动的土壤样品测量而得，然而，对分辨率低（计算网格比较大）的单元格，用一个参数值来表示起土壤的水力参数肯定是不够的，除非该网格内土壤质地绝对均一，而这显然是不大可能的。解决尺度转换的问题还应该在以下几方面的深入研究：研究水文过程在不同尺度间的联系、影响与相互作用，以及不同尺度水文循环规律，用不同分辨率的空间数据表达各个尺度水循环的物理过程。改良水文数据的获取方式、处理方法，提高数据的精度。研究水文过程在不同尺度上的适用性及其不同的影响因素。水文模型模拟的主要任务之一就是将小于模型计算空间尺度的水文异质性特征整合在计算单元格之中，以达到对水文物理过程的准确模拟 。传统的集总式模型都是建立在水文环境不变这一基本假设之上，而在分布式模型中，空间异质性通过模行深入探讨，水文参数的空间分布尺度不确定等。在当今的分布式水文模型中，各种参数由实验数据得来，每个计算单元的水文异质性特征被不同程度地概化或单一化处理，所以其“分布性”不彻底，水文物理过程的描述也不是百分之百的详尽，因此并未从根本上解决尺度的转换问题。但是，能实时收集大容量面上信息的遥感技术和具有管理、分析、处理大容量空间属性数据的地理信息系统技术的发展，为找到适合不同尺度流域的分布式水文模型的模型结构及主要参数提供了可能，实现尺度转换也许只是时间问题。三、分布式水文模型的研究进展名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 分布式水文模型的原理及其应用分布式水文模型的研究可以认为起始于1969年 Freeze 和 Harlan 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。后期比较具有代表性的水文模型包括 SHE模型、IHDM模型、SWAT 模型、THALES 模型以及 DTVGM 模型等。进入 20 世纪 90 年代以后，随着计算机技术、GIS/RS技术、信息技术和通讯技术的发展与普及， 分布式水文模型也因此获得了长足发展。目前，基于模块的分布式水文模拟系统的研制在国内还较为少见。在国外，USGS （美国地质调查局）在 MMS (Modular Modeling System)的基础上已联合欧洲等国着手开发OMS (Objective Modeling System)，以 JAVA为开发语言，基于Internet实现网络数据共享。此外，USGS与 BOR （复垦局）合作开展流域与河流系统管理计划（WARSMP），目标是发展操作性强、以数据库为中心、面向复杂的资源管理问题的决策支持系统。总体上看，集成不同的水循环模型，基于模块化结构，构建面向多目标的水文模拟系统是现代水文模拟技术发展的又一个重要方向。四、四种分布式水文模型的原理及其应用1.DEM 的流域分布式水文模型流域是陆地系统中最为重要的自然集水区域。流域水循环主要包括降水、 冠层截留、径流（坡面流、壤中流和地下径流）、下渗、蒸发（包括土壤蒸发、水面蒸发、植被蒸腾、潜水蒸发）等几个环节。在这几个环节中，伴随着水量的转化和物质及能量的交换， 同时还受到气候变化、 大气降水动力学过程及流域地形、地貌、人类活动等多种因素的影响。因此，流域水循环是一个十分复杂的过程。由于流域水循环过程极其复杂， 在建立水文模型时通常对复杂水文现象进行抽象和概化。目前，水文模型的种类繁多，按模型的性质和建模技术可分为：实体模型（如比例尺模型）、类比模型（如用电流欧姆定律类比渗流达西定律的模型）和模拟模型。其中，数学模拟模型是人们最常用的一类水文模型。基于 DEM 的分布式水文模型具有以下特点：具有物理基础， 能够描述水循环的时空变化过程。由于其分布式特点，能够与GCM （大气环流模式）嵌套，研究自然变化和气候变化对水循环的影响。同RS和 GIS相结合，能够及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对流域水循环过程的影响。目前，基于 DEM 的分布式水文模型主要有两种建模方式：应用数值分析来建立相邻网格单元之间的时空关系，如 SHE 模型等。在每一个网格单元 （或子流域）上应用传统的概念性（或系统理论）模型来推求净雨，再进行汇流演算，最后求得出口断面流量，如SWAT 模型等。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 分布式水文模型的原理及其应用流域分布式水文模型的一般框架2. MIKE SHE模型MIKE SHE是对 SHE模型的发展和完善，它能够模拟水循环陆面过程中主要的水文过程包括水量、 水质及沉积物输移。 它能用于解决与地表水和地下水相关的资源和环境问题， 以及地表水和地下水之间的动态相互作用关系。典型应用包括：流域规划、供水、灌溉和排水、 污染物堆放场的污染物、 农业耕作的影响 （包括农用化学品和化肥的使用）、土壤和水资源管理、土地利用变化的影响、气候变化的影响和生态评价（包括沼泽区域）。MIKE SHE 模型的核心是描述研究区域水分运动的MIKE SHE WM 模块。 MIKE SHE WM 模块的主结构包括六个部分，分别描述了六个水文物理过程：截留/ 植物蒸散发(ET)、坡面和河道径流（ OC ）、不饱和层（ UZ ）、饱和层（ SZ ）、融雪（ SM ）和蓄水层与河道间的交换。融雪蒸散发交换模块坡面和河道径流饱和层截留不饱和层贡献于网格降雨网格降雨网格降雨实际截流容量潜在蒸散发根带土壤含水量水面蒸发蒸腾/ 土壤蒸发下渗补给/排水排泄流量浅层地下水面浅层地下水面基流/ 河道损失基流/ 河道损失水位名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 分布式水文模型的原理及其应用MIKE SHE WM 模块的结构图3. TOPMODEL TOPMODEL（TOPgraphy based hydrological MODEL）是一个以地形为基础的、基于变源面积概念的半分布式水文模型。由 Beven和 Kirkby 于 1979年提出，经过 20 多年的发展， TOPMODEL与 DTM （或 DEM ）相结合在水文领域得到了十分广泛的应用。 TOPMODEL的显著特点是利用易于获取的地形信息（如地形指数、土壤地形指数等） 来描述流域产流及源面积的变化与分布，简化流域降水径流过程的模拟。模型具有结构简单、优选参数少、物理概念明确、模拟精度高、易于与 GIS相结合等特点，无论在径流、泥沙、水质的模拟研究中，还是在气候、土地植被变化研究和水资源管理等领域都具有很好的应用前景。TOPMODEL 模型具有参数较少，模拟精度高的特点。TOPMODEL 利用地形指数计算饱和缺水量，将产流计算与易于获得的地形信息建立联系，这一点对于构建基于DEM 的分布式水文模型具有很好的启迪作用。但同大多数模型类似，TOPMODEL模型并不适合所有的流域。这是因为模型的蓄满产流机制和饱和地下水稳定流的假设在一些流域并不成立。4.SWAT 模型SWAT （Soil and Water Assessment Tool ）模型是在 SWRRB（Simulater for Water Resources in Rural Basins）模型（ Williams et al.,1985; Arnold et al., 1990）基础上发展起来的一个长时段的流域分布式水文模型。它具有很强的物理基础， 适用于具有不同土壤类型、 不同土地利用方式和管理条件下的复杂大流域， 并能在资料缺乏的地区建模， 在加拿大和北美寒区具有广泛的应用。 SWAT属于第二类分布式水文模型， 即在每一个网格单元 （或子流域） 上应用传统的概念性模型来推求净雨，再进行汇流演算，最后求得出口断面流量。SWAT采用类似于 HYMO（Hydrologic Modeling）模型（ Williams and Hann,1973）的命令结构来控制径流和化学物质的演算。通过子流域命令， 进行分布式产流计算； 通过汇流演算命令， 模拟河网与水库的汇流过程；通过叠加命令， 把实测的数据和点源数据输入到模型中同模拟值进行比较； 通过输入命令，接受其他模型的输出值；通过转移命令，把某河段（或水库）的水转移到其他的河段（或水库）中，或直接用作农业灌溉。 SWAT 模型的命令代码能够根据需要进行扩展。SWAT 模型在产流计算上可以采用经验方法SCS模型或者 Green - Ampt 下渗概念模型。流域离散可以采用多种方法，如，子流域、山坡或网格。SWAT模型的参数大多具有物理概念，但由于参数繁多，在实际应用时仍然面临很多的问题。SWAT 模型作为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 分布式水文模型的原理及其应用第二类分布式水文模型的典型代表， 其模型结构和运行控制方式为构造流域分布式水文模型（特别是日过程模型）提供了很好的借鉴。SWAT 模型结构示意图参考文献1. 基于 DEM 的分布式水文模型构建方法王中根地理科学进展 2002 第 5 期 - 万方数据2. 分布式流域水文物理模型郭生练熊立华等 武汉水利电力大学学报 2000 第6 期 - 维普资讯网3. 分布式水文模型研究综述王中根刘昌明吴险峰自然资源学报 2003 第 2期 - 万方数据降 水灌 溉降 雨降 雪融 雪 下 渗 地 表 径 流土壤水蒸发植物蒸散发壤 中 流渗 漏输 移 损 失池塘/水库蒸发灌 溉池塘/水库出流池塘/水库渗透灌 溉潜水蒸发渗 透回归流灌 溉灌溉用水输移损失河段出流量雪 盖土 壤 水土壤水分层（ 10层）河 流浅层地下水深层地下水池塘/水库调蓄名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 分布式水文模型的原理及其应用名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -