第1章　分布式水文模型研究综述

1.1　概述

水文学是研究地球大气层、地表及地壳内水的分布、运动和变化规律，以及水与环境相互作用的学科，其通过测验、分析、计算和模拟等手段，预报自然界中水量和水质的变化及发展趋势，为开发利用水资源、控制洪水和保护水环境等方面提供科学依据，属于地球物理学和自然地理学的分支学科。水文学与气象学、海洋学、地质学、自然地理学等学科关系密切。水文现象的时间变化过程存在着有周期而又不重复的性质，一般称为“准周期”性质。水在循环过程中的存在和运动的各种形态，如蒸发、降水、河流和湖泊中的水位涨落、冰情变化、地下水的运动和水质变化等，统称水文现象。水文现象在各种自然因素和人类活动影响下，在空间分布或时间变化上都显得十分复杂。水文学是一门古老的科学，长期以来人们一直在努力实现水文研究的定量化，尤其是近几十年来，随着人口的增加和工农业的快速发展，生活用水、生产用水日趋紧张，水质污染，水资源的不合理应用，地区用水的不平衡，极端洪灾、旱灾事件的频繁出现等，要求对各种水文现象在机制和过程进行研究，这就需要构建模拟功能强，计算精度高的水文模型（陈仁升等，2003）。

水文模型是水文学发展的产物，它是水文科学研究的一种方法和手段，是对复杂水文系统的一种简化体现，是用一种特定的表达方式来描述一定的水文系统，其能够更大程度上代表实际的水文系统，并在一定的目标下代替实际的水文系统（Diskin 1970；Clarke，1973；金鑫等，2006）。

流域，指由分水线所包围的河流集水区，分地面集水区和地下集水区两类。如果地面集水区和地下集水区相重合，称为闭合流域，如果不重合，则称为非闭合流域。通常所说的流域，一般都指地面闭合的集水区域。流域特征包括流域面积、河网密度、流域形状、流域高度、流域方向或干流方向等。对各种水文现象的研究，常以流域为单元开展，而流域水文模型是研究流域水文过程的重要手段。流域水文模型是水文科学与计算机科学相结合的产物，是信息技术的快速发展造就的水文科学的一个充满生机的研究领域。流域水文模拟旨在综合应用物理、数学、水文学、计算机科学、气象学等知识，在流域尺度范围内，对降雨径流形成的过程以及与之耦合的陆面过程进行局部或综合模拟，从而达到确定流域水文响应的目的（徐宗学，2010）。水文模型用数学语言或物理模型对现实水文系统进行刻画和描述，并对水文变量在时间和空间上的变化情况进行模拟和预报（芮孝芳等，2006）。自流域水文模型产生以来，得到了越来越广泛的应用，其在水文学中扮演的角色也越来越重要。水文模型在解决水文预报、水资源规划与管理、水文分析与计算、揭示污染物运移规律及特性等实际问题的研究中发挥着重要的作用。流域水文模型的不断发展，使从机制和过程上实现对各种水文现象的研究成为可能。

自从现代水文学建立以来，分支学科不断产生，各种新技术、新手段逐渐被应用到水文学研究中，水文模型也相应蓬勃发展起来。现代水文模型出现于水文学兴起的20世纪30年代（Anderson and Burt，1990）。在20世纪50年代以前，水文模拟大多是针对某一个水文环节如产流、汇流等进行的。进入50年代以后，随着人们对入渗理论（Philip，1954）、土壤水运动理论（Richards，1956）和河道理论（Mc Cathy，1938）等的综合认识不断加深以及将计算机技术引入到水文研究领域，开始把水文循环的整体过程作为一个完整的系统来研究。在50年代后期提出了“流域模型”的概念（严登华等，2004；金鑫等，2006），水文模型将流域概化成一个系统，该系统根据输入条件求解输出结果，其实质是对流域上发生的水文过程进行模拟、计算。水文模型的出现是对水循环规律研究和认识的必然结果，在水资源开发利用、防洪减灾、水库规划与设计、道路与桥梁设计、城市规划、非点源污染模拟与评价、人类活动的流域响应等诸多方面都得到了十分广泛的应用。当前的水文学与水资源领域的研究热点问题，如生态需水量研究、水资源可再生性维持机理等均需要水文模型的支持。