1.2　水文模型发展阶段和分类

水文模型的研究和应用经过了漫长的时期，总结多年来水文模型的发展历程，可以将水文模型的发展按阶段概括为初期阶段、概念性水文模型阶段和分布式水文模型阶段。早期水文模型的出现是基于洪峰预报的需要，1851年，Dooge提出了传统的洪峰预报方法（Ciriani等，1977），这是具有标志性意义的萌芽阶段的水文模型。在此之后，现代水文模型出现，并伴随着应用水文学的发展逐渐兴起，1932年，Sherman提出了水文单位过程线的概念，以及1933年Horton提出了经典的地表径流入渗理论，虽然Sherman和Horton模型在流域径流模拟方面契合度很高，但二者在模型构建的基础上有本质的区别，前者属集总式经验模型，而后者是具有一定物理基础的物理性模型（Anderson等，1990）。最初的分布式水文模型的概念是由Freeze和Harland在1969年提出的。当时，由于模型对资料的要求很高，但要从水文观测站点的有限资料中找到质量上符合要求，而且在空间和时间分辨率上合适的资料是十分困难的，加之分布式水文模型计算对计算机性能的要求较高，导致分布式水文模型在20世纪80年代以前发展缓慢。20世纪60年代以后计算机技术的快速发展为水文模型的研究发展提供了物质保障和技术支撑。分布式水文模型的快速发展开始于20世纪80年代以后，有代表性的如欧洲学者在20世纪80年代初期开发的SHE模型（System Hydrologic European）（Abbott等，1986），不规则三角形节面模型（Irregular triangular facets）（Oscar等，1992），美国农业部农业局开发的SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型等，这些模型被广泛地应用于流域的河网汇流，土壤水分模拟及计算，融雪径流，地表和地下水分交换，流域水文循环等过程的研究。

从时间的角度考查水文模型的发展，其大致可以划分为原始、近代、现代3个阶段。原始阶段，即水文模型起步阶段，大约在20世纪50年代后期至70年代初期；近代发展阶段大约为随后的80年代；从20世纪90年代至今是水文模型发展的现代阶段，也是水文模型突破性发展阶段，该阶段由于地理信息系统和卫星遥感技术的广泛应用，分布式水文模型成为世界各国水文科学家研究的主流，其主要特点是模型基于流域的数字高程模型，以流域面上分散的水文参数和变量来描述流域水文时空变化的特性（吴贤忠，2011）。

根据水文模型的各发展阶段结合水文模型的结构特点，大体可以将水文模型分为3类，即黑箱模型、灰箱模型和白箱模型。

（1）“黑箱型”模型。黑箱模型的基础是传输函数，几乎没有任何物理意义（王书功等，2004），其研究水文系统与外界的信息交换情况，而不研究水文系统内部的性质与结构，此种模型称为“黑箱型”模型，即输入-输出型模型。这种模型对水文系统的输入、输出有明确的限定，但不能在过程上对水文过程进行研究，其内部结构主要为一系列函数的转换，比较典型的有人工神经网络模型、统计模型等。

（2）“灰箱型”模型。亦称概念模型，其结构和性质介于黑箱和白箱型模型之间，传统上主要指灰色系统模型，此类模型虽然具有一定的物理基础但又在某些方面只能设置概念或概化型参数来实现对模型的表达，灰箱模型可以实现某种程度上的对水文过程的研究。

（3）“白箱型”模型。也称物理性模型，研究水文系统本身的性质与结构的模型，它对水文系统进行明确的物理定义，参数具有明确的物理意义，可以对水文过程在机制和过程上进行研究，代表性的模型为物理性分布式水文模型。