水利工程论文-分布式水文模拟模型在流域水资源管理中的应用.doc

水利工程论文-分布式水文模拟模型在流域水资源管理中的应用摘要：旨在通过对国外比较流行的分布式流域水文模拟模型的介绍，对比分析各类模型的总体结构、特点及适应领域，结合在流域水资源管理中的应用，为流域水资源管理部门及相关研究工作人员在进行流域水文模拟模型选用时提供参考。关键词：水文模拟模型水资源管理流域1引言20世纪以来流域水资源问题日益突出，为了提高流域整体管理水平和科技水平，“数字流域”建设正在日益兴起。国际上发达的国家在“数字流域”方面的研究和应用起步较早，并已实际工程和管理中发挥了重要的作用，收到了巨大的效益。国内也相继开展了“数字黄河”、“数字长江”、“数字海河”等工程的建设。模型建设尤其是流域水文模型的建设是“数字流域”建设的核心内容和基础工作。随着流域水文模拟建模的不断发展，基于计算机的模拟模型已经可以描述水循环的各个阶段，如气候和天气、暴雨系统、降水、地面漫流、蒸散、暴雨地面漫流、地下水、河网汇流以及海湾与河口的潮汐等。早在20世纪50年代中期，伴随系统理论的发展，科学家就开始把流域水文循环的各个环节作为一个整体来研究，并提出了“流域水文模型”的概念，随即便涌现了SSARR模型（1958）和Stanford模型（1959）等模型，20世纪70年代至80年代中期又出现了新安江、Sacramento、Tank、HEC1、SCS、API等模型。从对流域水文过程描述的离散程度看，流域水文模型可分为集总模型（Lumpedmodel）和分布式模型（Distributedmodel）两种。集总模型不考虑各部分流域特征参数在空间上的变化，把全流域作为一个整体；分布式模型则按流域各处地形、土壤、植被、土地利用和降水等的不同，将流域划分为若干个水文模拟单元，在每一个单元上用一组参数反映该部分的流域特性。为了适应气候变化和人类活动影响下的流域水资源管理需求，分布式水文模型已成为流域水文模拟的重要发展趋势，也已成为“数字流域”建设的基础。流域水文模拟从模拟的侧重点上可以划分为降雨径流模拟、地下水模拟、流域水循环综合模拟。目前具有代表性的可用于流域水资源管理的分布式水文模拟模型有TOPMODEL、SWAT、ModFlow、FeFlow、Mike-SHE等，本文从流域水资源管理的角度出发，分别介绍上述模型的总体结构、特点及适用领域等。2分布式降雨径流模拟模型国外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。随后，Hewlett和Troenale在1975年提出了森林流域的变源面积模拟模型（简称VSAS）。在该模型中，地下径流被分层模拟，在坡面上的地表径流被分块模拟。1979年Beven和Kirbby提出了以变源产流为基础的TopModel模型。1980年，英国的Morris进行了IHDM（InstituteofHydrologyDirstributedModel）的研究，根据流域坡面的地形特征，流域被划分成若干部分，每一部分包含有坡面流单元，一维明渠段以及二维（在垂面上）表层流及壤中流区域。Beven等（1987年）和Calver等（1988年，1995年）对IHDM模型进行了改进。1994年，Jeffnold为美国农业部（USDA）农业研究中心（ARS）开发了SWAT模型。1995年，Grayson等提出了THALES模型，它是一个基于矢量高程数据的分布式参数模型。HuaXiaYao等（1998年，1999年，2001年），提出了基于网格的集降雨空间输入估计，降雨蒸发径流过程模拟，河流演算和空间参数校准为一体的分布式水文模型。DawenYang等（2000年，2002年）提出了基于山坡的和基于10km网格的大尺度分布式水文模型。此外，USGS模型（Dawdy等，1970年，1978）、WATFLOOD模型（Kouwen等，1993年，2000年）、SLURP模型（Kite1995年）和PRM模型（LeavesleyStannard1990年）等等都属于分布式水文模型的范畴。最具有代表性的地表分布式水文模拟模型包括TopModel模型以及SWAT模型。2.1TOPMODEL模型1979年Beven和Kirbby提出了以变源产流为基础的TopModel（TOPgraphybasedhydrologicalMODEL）模型。TOPMODEL以地形空间变化为主要结构，基于DEM推求地形指数（Ln/tan），用地形指数ln(/tan)或土壤地形指数ln(/T0tan)）来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响，描述水流趋势。模型基于重力排水作用径流沿坡向运动原理，模拟径流产生的变动产流面积概念，尤其是模拟地表或地下饱和水源面积的变动。模型基本结构如图1所示。TOPMODEL模型结构和概念比简单，优选参数少，充分利用了容易获取的地形资料，而且与观测的物理水文过程有密切联系。模型已被应用到各个研究方面，并不断发展、改进，反映了降雨径流模拟的最新思想。但TopModel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。此外，该模型在干旱半干旱地区水文模拟效率较低，需要用户根据具体情况进行必要的修改。2.2SWAT模型1994年，JeffArnold为美国农业部（USDA）农业研究中心（ARS）开发了SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)模型。SWAT是一个具有很强物理机制的、长时段的流域水文模型，在加拿大和北美寒区具有广泛的应用。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，包括水、沙和化学物质的输移与转化过程。模型可采用多种方法将流域离散化（一般基于栅格DEM），能够响应降水、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。SWAT可以模拟流域内多种不同的物理过程。由于流域下垫面和气候因素具有时空变异性，为了便于模拟，SWAT模型将流域细分为若干个子流域。目前有三种划分的方法：自然子流域（Subbasin）、山坡（Hillslop）和网格（Grid）等。SWAT将每个子流域的输入信息归为5类：气候、水文响应单元HRU、池塘（或湿地）、地下水和主河道（或河段）等。在结构上，每个子流域至少包括：1个水文响应单元HRU、1个支流河道（用于计算子流域汇流时间）、1个主河道（或河段）。而池塘（或湿地）为可选项。水文响应单元则是包括子流域内具有相同植被覆盖、土壤类型和管理条件的陆面面积的集总。HRU之间不考虑交互作用。SWAT模型的结构如图2所示。SWAT模拟的流域水文过程被分为两大部分：（1）陆面部分（即产流和坡面汇流部分）。它控制着每个流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量；（2）水循环的水面部分（即河道汇流部分）。它决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。SWAT采用现代Windows界面，是一个模型和GIS的综合型系统，它模拟了水和化学物质从地表到地下含水层再到河网的运动过程，可以用于几千平方英里的流域盆地的水质水量模拟。它适用于具有不同的土壤类型、不同的土地利用方式和管理条件下的复杂大流域。主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响。不适用于模拟具体的单一洪水过程。由于SWAT模型具有较强的物理基础，能够在缺乏资料的地区建模；具有输入数据容易获取、计算效率高等特点。3分布式地下水模拟模型常用的地下水文模拟模型包括解析模型、数值模型、水均衡模型及物理模型等。数值模拟模型以其精度高、物理意义明确，而逐渐成为地下水文模拟的重要发展趋势。而数值模拟方法又分为有限差分法和有限单元法，其各有优缺点。目前国际上较为流行的地下水数值模拟模型主要包括ModFlow和FeFlow，下面对其分别进行介绍和比较。3.1ModFlow模型美国地质调查局(USGS)的McDonald和Harbaugh于80年代开发出来的ModFlow(ModularThreedimensionalFiniteDifferenceGroundwaterFlowModel)是一套专门用于孔隙介质中三维地下水流