前言

水资源是自然资源的一个重要组成部分，可以被人类直接或间接利用。天然水资源包括河川径流、地下水、积雪和冰川、湖泊水、沼泽水、海水。与其他自然资源不同，水资源是可再生的资源，可以重复多次使用，并表现出年内和年际量的变化，具有一定的周期和规律。水资源的储存形式和运动过程受自然地理因素和人类活动所影响。流域水资源不仅是基础性自然资源和战略性经济资源，也是国家资源安全体系中最重要和核心的安全问题。随着我国经济社会的不断发展，水资源不足和水质污染引起的水危机已成为许多地区可持续发展的重要制约因素。我国的重要流域都不同程度地出现了水土流失、水污染严重、水生态环境持续恶化的现象。随着流域水资源短缺的日益严重和流域水环境污染的加剧，如何实现水资源的合理开发和高效利用，以及水生态环境的改善已成为一个被广泛关注的焦点问题。

水文现象是由众多因素相互作用的复杂过程，它与大气圈、地壳圈、生物圈都有十分密切的关系，属于综合性的自然现象。水文科学从以研究陆地水循环过程为核心的地表水文学、土壤水动力学、地下水动力学以及为生产实践服务的工程水文学已逐渐发展成为综合研究水分、能量与物质（如泥沙、污染物等）耦合循环及陆面与大气相互作用、水文过程与生态过程相互作用为主要内容的综合性、交叉性的学科。

流域水文模型是为模拟流域水文过程所建立的数学结构，被模拟的水文现象称为原型，模型则是对原型的物理和逻辑过程的描述。迄今为止，人们还不可能对水文现象用严格的物理定律来描述。常见的研究方法是将复杂水文现象加以概化，忽略次要的与随机的因素，保留主要因素和具有基本规律的部分，建立具有一定物理意义的数学物理模型。水文模型在进行水文规律研究和解决生产实际问题中起着重要的作用。随着现代科学技术的快速发展，以计算机技术为核心，结合通信和“3S”技术（Geographic Information System，GIS，地理信息系统；Global Positioning System，GPS，全球定位系统；Remote Sensing，RS，遥感技术）在水文学及水资源以及水利工程科学领域的广泛应用，使水文模型的研究得到了迅速发展，并被广泛地应用于水文基本规律的研究、水旱灾害防治、水资源评价与开发利用、水环境和水生态系统保护、气候变化及人类活动对水资源和水环境影响分析等领域，因此，水文模型的开发研究具有重要的科学意义和应用价值。

流域分布式水文模型（指完全分布式水文模型）的研究在近年来得到了迅速发展，其基本思路是：按照流域河网的空间连接关系，将流域划分成由各级小流域连接而成的形式，采用物理性方程式描述水文要素动态过程，每个小流域控制的区域根据实际物理条件输入降雨，下垫面信息如蒸散发、入渗、坡面面积、坡面及河道长度和坡度等数据以及率定计算所需要其他物理性参数，对每个分布式小流域进行产汇流计算并将其径流演算到流域出口断面得到流域出口断面的径流过程。分布式水文模型最基本的特征是根据流域各处气候信息和下垫面特性要素信息的不同，将流域划分为若干个单元，在每一个单元上用一组参数反映其流域特征，具有从机理上考虑降水和下垫面条件空间分布不均匀对流域降雨-径流形成影响的功能。它具有强大的模拟功能，从而能够把单一水量变化的模拟扩展到更加广泛的水文水资源相关问题模拟中。利用分布式水文模型对流域降雨-径流过程计算是分布式水文模型最常见的应用，随着分布式水文模型研究的不断发展，耦合陆面过程如融雪、输沙以及污染物运移等过程分布式水文模型的研究和应用近年来发展迅速。数字流域建设的核心是分布式水文模型，当前，以构建流域水文模型平台为基础的需要大数据支撑的数字流域的研究迅速发展，水文模拟技术趋向于将水文模型与地理信息系统集成，以便充分利用GIS在数据管理、空间分析及可视性方面的功能。分布式水文模型的研究，也更加注重模型尺度的问题以及对水文过程物理规律的描述。在当前和今后相当长一段时间内，具有物理基础的耦合陆面过程的分布式水文模型的研究仍然是水文及水资源学科领域研究的热点之一。

本书所述主要研究内容为以所选3个中小尺度流域为依托，该3个研究流域分别为流经内蒙古自治区东部和黑龙江省西部位于平原区的中尺度流域——阿伦河流域，位于山区的Bukuro小流域（日本鸟取县）和位于黄土高原北部沟壑区的六道沟小流域。基于各研究流域的地形及基础水文地质条件以运动波理论的基础方程式结合GIS技术分别构建了各研究流域具有物理基础的分布式水文模型，并通过数值模拟检验了模型的实用性；基于能量平衡法构建了融雪过程计算模块并与分布式水文模型耦合，耦合融雪的分布式水文模型的适用性在位于积雪融雪区的阿伦河流域和Bukuro流域进行了检验。在基于针对单一地形条件的流域（平原区的阿伦河流域，山区的Bukuro流域，沟壑区的六道沟流域）研发分布式水文模型的基础上，筛选模型的结构共性，研发了具有结构通用性和核心模块易调节性的适用于不同地形条件中小尺度流域的分布式水文模型。本书的有关研究方法和结果，以期待为位处于不同地形条件下的中小尺度流域地表水资源的准确推求提供数值计算方法，为不同地形及水文地质条件下的中小尺度流域耦合陆面过程分布式水文模型的深入研究提供方法上的参考以及为中小尺度流域数字流域的研究提供部分研究基础。

全书共分为6章，第1章主要介绍了分布式水文模型的研究现状和发展趋势；第2章主要介绍了分布式水文模型的基础知识，即构建分布式水文模型所需的基础资料、数据常用处理方法以及运动波理论的基础知识等内容；第3章阐述了依托流经内蒙古东部和黑龙江西部位于平原区的阿伦河流域构建耦合融雪分布式水文模型、模型检验、数值计算以及结果解析的过程，并推求了阿伦河流域2012—2015年的年径流系数和融雪对径流的贡献率；第4章介绍了依托日本鸟取县境内的山区流域构建耦合融雪分布式水文模型的过程，重点论述了主要参数值变化对模型计算结果的影响以及参数率定过程；第5章阐述了依托黄土高原北部沟壑区的六道沟小流域开发分布式水文模型，模型验证以及数值计算结果解析的有关内容，并基于对2005—2009年模型计算结果的分析近似地推求了六道沟流域所在地区的年径流系数；第6章主要介绍了适用于不同地形及水文地质条件具有结构通用性分布式水文模型的研发过程，并对模型的不足和应用上的局限性进行了说明。

本书的有关研究工作以及出版工作，得到了以下基金或项目研究经费的联合资助，作者在此深表谢意。

基金项目：国家自然科学基金项目“耦合融雪的分布式流域降雨-径流过程数值模型的研究”（No.41271046；2013年1月至2016年12月）；2016年国家留学基金委公派访问学者项目（201608320019；2016年11月至2017年4月）；中日合作项目“中国内陆部沙漠化防止及其开发利用”项目（项目主持单位：中国科学院水利部水土保持研究所，日本鸟取大学干旱地研究中心，2001年1月至2010年12月）；中国博士后科学基金（海外学人：87328）和黑龙江省博士后科研启动基金项目（LRB10-170）“流域水文循环数值解析方法的研究及应用”（2010年7月至2012年6月）；黑龙江省教育厅海外学人科研项目“黑龙江省西部半干旱区降雨-径流数值解析方法的研究”（No.1251 H017；2011年6月至2015年5月）；扬州市“绿扬金凤计划”优秀博士项目（No.yzlyjfjh2013YB105）；扬州大学科研启动基金项目“适用于不同地形小尺度流域分布式水文模型的研究”（No.5015-137010583；2013年6月至2016年5月）；扬州大学新世纪人才“优秀青年教师”项目（No.5015-137050209）；扬州大学科技创新培育基金项目“基于分布式水文模型的东北寒旱区中尺度流域输沙特性研究”（No.2016CXJ034；2017年1月至2018年1月），扬州大学出版基金项目（2017）。

本书有关研究活动的开展过程中，得到了以下单位和研究者的热心支持和帮助：中国科学院水利部水土保持研究所张兴昌研究员、郑继勇副研究员等；日本鸟取大学大学院工学研究科桧谷治（Osamu Hinokidani）教授、梶川勇树（Yuki Kajikawa）助教；日本鸟取大学干旱地研究中心安田裕（Hiroshi Yasuda）副教授；三峡大学水利与环境工程学院朱士江副教授；东北农业大学水利与建筑学院宫兴龙副教授、侯仁杰博士等，作者在此深表谢意。感谢中国科学院水利部水土保持研究所神木试验站，阿伦河流域那吉水文站和黑龙江省甘南县气象站，以及Bukuro流域Tochimoto雨量站（日本）提供的基础资料和数据。

本书在撰写过程中，参阅和借鉴了国内外大量学术论文及相关学科的专业书籍，在此向各位作者表示诚挚的谢意。

本书所述依托各研究流域的下垫面物理条件针对不同地形条件构建的分布式水文模型，是基于大量的野外调查和水文、气象观测的基础上，以运动理论基础方程式结合GIS技术依托作者所在科研团队力量自主进行的分布式水文模型的研发结果，但由于对各研究区水文地质条件、土地利用方式等的调查尚不够翔实，加之编者的研究能力和水平所限，针对各单一地形（平原、山区、沟壑区）流域研发的分布式水文模型依然存在物理性不足、模型在相似地形流域的同类研究中可推广性不强等问题。对于具有通用性结构适用于不同地形和水文地质条件中小尺度流域的分布式水文模型，是针对中小尺度流域通用性分布式水文模型研发技术的一次大胆尝试，现模型只具“雏形”，难言“成熟”。分布式水文模型的研究，涉及水文学、气象学、河流动力学、土壤学、数学、计算机语言等多学科知识的综合运用，需要研究和探讨的内容有很多。由于作者的科研水平和能力所限，加之前期研究中基础数据和资料的积累相对不足，本书所述内容只作为针对中小尺度流域研发具有物理基础分布式水文模型和应用的一次探索。书中内容涉及的观点、研究思路和方法的不足以及错误之处在所难免，敬请同行专家和广大读者批评指正并多提宝贵意见，我们将在今后的科研工作中加以改进。

全书共6章，黄金柏撰写了第3、4、5、6章，并参与撰写了第1、2章，以及负责全书的统筹定稿；温佳伟参与了第1、2章的撰写工作；王斌撰写了第2章的部分内容并承担了全书所用数据及参考文献的复核工作。

作者

2017年4月