分布式水文模型.docx

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1、IB正让农林布发大学题目：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同学姓名朱良哲学 号 学22011728指导老师严宝文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消失的问题的 过程中进展起来的，全部的分布式水文模型都有一个共同点：有利于深化研讨自 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拟，研讨其原理与应用。关键字：分布式；水文模型；DEM； MIKE SHE； TOPMODEL； SWATDistributed hydrological model is analyzed a

2、nd 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 wate

3、r 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精确 具体地描述流域内的水文物理过程，猎

4、取流域的信息更贴近实际。二者具体的区 分在于处理讨论区域内时间、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。采纳数学物理偏微分 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 能量流淌。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。 水文学讨论的尺度包括过程尺度、水文观测尺度、水文模拟尺度。当三种尺度全 都时，水文过程在测量和模型模拟中都可以得到比拟抱负的反响，但要想三种尺 度全都是特别困难的。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

5、尺度上的连接与综合，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 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。尺度转换简洁导致时空数据 信息的丧失，这一问题始终为科学家所重视，却始终未能得到真正解决，这也是 当今水文学界讨论的热点和难点。尺度问题源于目前缺乏对高度非线性的水文学系统精确 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”

6、其内部 仍旧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。比方，自然界中水文参数存在很大的时间、空间异质性，野外试验 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到达好几个数量级。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试验室对野外采集回 来的少量未扰动的土壤样品测量而得，然而，对区分率低（计算网格比拟大）的 单元格，用一个参数值来表示起土壤的水力参数确定是不够的，除非该网格内土 壤质地确定均一，而这明显是不大可能的

7、。解决尺度转换的问题还应当在以下几 方面的深化讨论：讨论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，用不同区分率的空间数据表达各个尺度水循环的物理过 程。改良水文数据的猎取方式、处理方法，提高数据的精度。讨论水文过程在不 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，以到达对水文物 理过程的精确 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化研讨，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，各种参数由试验数据得来

8、, 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进展，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供应了可能，实现尺度转换或许 只是时间问题。三、分布式水文模型的讨论进展分布式水文模型的讨论可以认为起始于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。后期比拟具有代表性 的水文模型包括SHE模型、IHDM模型、SW

9、AT模型、THALES模型以及DTVGM模型 等。进入20世纪90年月以后，随着计算机技术、GIS/RS技术、信息技术和通 讯技术的进展与普及，分布式水文模型也因此获得了长足进展。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B0R （复垦局）合作开展流域与河流系统管理方案 （WARSMP）,目标是进展操作

10、性强、以数据库为中心、面对简单的资源管理问题 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 对多目标的水文模拟系统是现代水文模拟技术进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，流域水循环是一个特别简单的过

11、程。 由于流域水循环过程极其简单，在建立水文模型时通常对简单水文现象进行抽象 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， 讨论自然变化和气候变化对水循环的影响。同RS和GIS相结合，能够准时地 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

12、：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， 最终求得出口断面流量，如SWAT模型等。流域分布式水文模型的一般框架2. MIKE SHE 模型MIKE SHE是对SHE模型的进展和完善，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、浇灌和排水、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

13、地采用变化的影响、气候 变化的影响和生态评价（包括沼泽区域）。MIKE SHE模型的核心是描述讨论区域水分运动的MIKE SHE WM模块。MIKE SHE WM模块的主结构包括六个局部，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（0C）、不饱和层（UZ）、饱和层（SZ）、融雪（SM） 和蓄水层与河道间的交换。交换模块基流/河道损失MIKE SHE WM模块的结构图TOPMODELTOPMODEL (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

14、提出，经 过20多年的进展，TOPMODEL与DTM (或DEM)相结合在水文领域得到了特别广 泛的应用。TOPMODEL的显著特点是采用易于猎取的地形信息(如地形指数、土 壤一地形指数等)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。模型具有结构简洁、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、水质的模拟讨论中，还是在气候、土 地植被变化讨论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采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

15、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模型并不适合全 部的流域。这是由于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。3. 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)基础上进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、不同土地采用方式和管理

16、条件下的简单 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 属于其次类分布式水文模型，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，最终求得出口断面流量。SWAT采纳类 似于 HYMO (Hydrologic Modeling)模型(Williams and Hann, 1973)的命令结 构来掌握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拟;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

17、(或水库)的水转移到其他的河段(或水库)中，或直 接用作农业浇灌。SWAT模型的命令代码能够依据需要进行扩展。SWAT模型在产 流计算上可以采纳阅历方法SCS模型或者Green - Ampt下渗概念模型。流域离 散可以采纳多种方法，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，在实际应用时仍旧面临许多的问题。SWAT模型作为其次类分布式水文模型的典型代表，其模型结构和运行掌握方式为构造流域分布 式水文模型（特殊是日过程模型）供应了很好的借鉴。SWAT模型结构示意图答考文献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高校学报2000第6期-维普资讯网3 .分布式水文模型讨论综述王中根 刘昌明吴险峰自然资源学报2003第2期-万方数据