1.3　分布式水文模型的研究现状及发展趋势

1.3.1　分布式水文模型的研究现状

随着计算机技术和交叉学科的发展，分布式流域水文模型被广泛提出，逐渐成为21世纪水文学研究的热点课题之一（郑长统等，2009）。进入20世纪90年代以来，随着地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）以及卫星遥感技术（RS）在水文上的应用，考虑水文变量空间变异性的分布式流域水文模型的研究日益受到重视（宋萌勃等，2007），分布式水文模型得到了快速的发展，以下介绍的是几个具有代表性且被广泛应用的分布式水文模型。

1.3.1.1　TOPMODEL

TOPMODEL（Topography Based Hydrological Model）是Beven和Kirkby于1979年提出的，是以地形为基础的流域水文模型。在结构上，TOPMODEL是一种基于物理过程的半分布式水文模型（王润等，2005）。变源面积理论是TOPMODEL的理论基础，该理论指出，流域上产生的地表径流并不均匀，地表径流仅仅产生于由于降水使土壤达到饱和的一小部分流域面积上，这部分面积称为饱和地表面积或源面积，一般位于河道附近，而且这一源面积是在不断变化的，流域源面积的空间位置受流域地形、土壤水力特性和流域前期含水量等诸多因素控制（Hewlett and Hibbert，1967）。TOPMODEL结构简单，参数较少，并且每个参数都具有一定的物理意义，原始数据容易获得。与传统集总式流域水文模型相比，TOPMODEL对实际水文过程的模拟更贴切，考虑了下垫面地形的空间变异性对水文响应的影响，实现了产流面积的空间可视化，并与地理信息系统结合，易于实现数据的更新，能够实时反映下垫面的变化（刘青娥等，2003）。TOPMODEL不仅适合于坡地集水区，还能用于无资料流域的产汇流计算（余新晓等，2002）。另一方面，因为结构简单，TOPMODEL对水文要素的空间变异性及水文单元的相互联系考虑得不够全面，模型仅仅考虑了下垫面地形的空间变异性，其他水文要素，如降水、蒸发及产流等，都被假定为空间上均一，而且除了计算地形指数，网格并没有实际的意义（Beven，1997），这也是TOPMODEL有别于完全分布式水文模型主要特征。近30年来，TOPMODEL在水文模拟、生态监测、气候变化、地球物理化学等领域得到了广泛的应用。谢帆等（2007）将TOPMODEL和新安江模型分别应用于淮河息县以上流域的洪水模拟，并在径流深相对误差、洪峰相对误差、确定性系数等方面进行了比较；Choi和Beven（2007）提出了一种降低多阶段、多准则的TOPMODEL预测不确定性方法；Gallart等（2008）通过粗化分散的观测数据来推求模型参数。TOPMODEL仍存在一些问题，在干旱半干旱地区的适用性较差，又因为地下水流动情况与模型描述的不相符合，不是所有数据资料地形指数都能成功地预测源面积的分布，现在还没有一种能够通过调查、等高线或栅格DEM数据来推导地形指数的理想方法，DEM对洼地处理问题及与此相关的河流网格问题一直没有得到很好的解决（刘青娥等，2003）。

1.3.1.2　SHE

SHE（System Hydrological European）是由Danish Hydraulic Institute（丹麦水利研究所）、the British Institute of Hydrology（英国水文研究所）和SOGREAH（法国索格利公司）联合提出的，是最早的分布式水文模型的代表。该模型考虑了流域尺度的截留、下渗、土壤蓄水量、蒸散发、融雪径流、地表径流、壤中流、地下径流、含水层与河道水交换等水文过程，并在不断的发展过程中增加了土壤侵蚀、溶质运移等模块。模型中，流域参数、降水及水文响应的空间分布垂直方向用分层结构表示，水平方向用矩形网格表示，这样便于对模型参数、降雨输入以及水文响应的空间分布性进行处理。在垂直面上，则划分成几个水平层，以便处理不同层的土壤水运动问题。模型还包括一个二维的地表径流计算部分，该部分通过一个一维的非饱和水流模型与一个二维的地下水水流模型连接在一起（Sahoo and Ray，2006）。模型参数具有一定的物理意义，可以通过观测或资料分析得到。模型采用一维Saint-Venant方程模拟坡面流、一维Richards方程模拟不饱和带流、二维Boussinesq方程模拟饱和带流（王文志等，2010）。由于应用SHE模型模拟所需资料多，模型的参数确定困难，所以投入实际应用的难度较大。该模型的主要水文过程可由质量、动量和能量守恒偏微分方程的有限差分表示，也可由经验方程表示。该模型的特点是：①参数具有物理意义，可由流域特征确定它的物理基础，计算的灵活性使其适用于多种资料条件；②模型可用于水资源的管理如供水、流域规划、灌溉与排水、气候变化与土地利用改变后的水文响应，也可用于环境规划如工农业污染物迁移、土壤侵蚀、湿地生态保护等，其实用性在欧洲和其他地区得到了广泛的应用和验证；③由于模型按规则矩形网格对流域下垫面进行划分，在精度和计算量上相对难以取得平衡，对于较大流域来说计算量较大，存在参数化难以克服的问题（吴险峰等，2002；刘昌明等，2004）。

1.3.1.3　SWAT

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是美国农业部（United States Department of Agriculture，USDA）农业研究局（ARS）开发的基于流域尺度的一个长时段的分布式流域水文模型，是在SWRRB（Simulator for Water Resources in Rural Basins）模型基础上发展起来的（Arnold等，1998；Neitsch等，2001）。SWAT模型的径流模拟通常将流域划分成若干个单元流域，以减小流域下垫面和气候要素时空变异对模拟精度的影响。流域离散的方法有自然子流域、山坡和网格3种。根据不同植被覆盖和土壤类型，单元流域进一步细分为若干个HRU。每个HRU都单独计算径流量，最后得到流域总径流量。SWAT模型提供Green-Ampt方法或SCS（Modified SCS Curve Number Method）曲线法计算地表径流；度-日因子模型计算融雪量；动态存储模型计算壤中流；Hargreaves法、Priestley-Tayor法或Penman-Monteith法计算潜在蒸散发。SWAT将地下水分为浅层和深层地下水，浅层地下径流汇入流域内河流，深层地下径流汇入流域外河流。河道水流演算采用变动存储系数模型或马斯京根法（孙瑞等，2010）。SWAT以日为时间步长，可同时连续长时段模拟流域的水文过程、水土流失、化学过程、农业管理措施和生物量变化，并能预测在不同土壤条件、土地利用类型和管理措施下人类活动对上述过程的影响，其中，径流模拟是SWAT模型最基本、最重要的功能，基于SWAT模型的径流模拟是SWAT研究的焦点。SWAT模型以其强大的功能、先进的模型结构及高效的计算，在世界各国得到了广泛应用。SWAT能够利用地理信息系统和遥感提供的空间数据信息模拟地表水和地下水的水量与水质，长期预测土地管理措施对于具有多种土壤类型、土地利用和管理条件的大面积复杂流域的径流、泥沙负荷和营养物流失的影响。模型中产沙计算采用的是修正通用土壤流失方程MU-SLE（Modified Universal Soil Loss Equation）方法（Watson等，2007）。该模型在美国、加拿大、欧洲等国家和地区得到较广泛的应用，近年来在我国也越来越受到重视，成为一个热点研究模型，并在国内的很多地区得到检验校正，如西北黑河莺落峡以上流域（王中根等，2003）、黄河中游三川河流域（罗睿等，2008）、青海湖（舒卫先等，2008）等。鉴于我国自然条件和资料特点，国内学者针对不同研究区特点以及研究问题的不同对SWAT模型进行了有针对性地改进以提高其模拟精度，如任启伟（2002）为研究西南岩溶流域表层岩溶带和岩溶浅层水的调蓄功能，改进了SWAT模型的产流模块；王宏等（2005）为克服SWAT地下水模块的弱势，应用SWAT和地下水模型GAM对华北平原地下水系统进行了联合模拟；张东等（2005）针对模型在黑河流域和汉江流域水文模拟中存在的问题，增加了土壤粒径转换模块，改进了模型的WGEN、潜在蒸散量模拟算法以及气象参数的空间离散方法；Luo等（2008）考虑到黄河流域的干旱情况，对叶面积指数曲线和地下水蒸发的计算方法进行了修改，改进了模型的植物、土壤水和地下水模块。针对高海拔地区的空间差异大，气象站资料空间插值后代表性较差等因素对SWAT模型应用产生的问题，需对气温和降水资料进行高度校正，刘吉峰等（2007）提出了带有高度校正的梯度距离倒数加权法（GIDW）；刘昌明等（2003）针对青藏高原特殊下垫面，引入流域高程带划分、气温递减率和降水递减率等参数，以改进高原控制融雪的水文和大气过程。SWAT模型在我国水文过程以及耦合陆面过程的研究中，将得到更广泛的应用。

1.3.1.4　新安江模型

与国际上（特别美国、英国等少数国家）所开发的成熟水文模型较多的现状相比，我国自主研发的分布式水文模型较少，其中，有代表性的是新安江模型。新安江模型及其理论是20世纪60—70年代由赵人俊及其团队创立的，是中国水文科学领域最具原创性的学术成果（刘金涛等，2014）。1963年，赵人俊在总结我国大量产汇流计算的经验和分析水文资料的基础上，提出了蓄满产流的概念，从而奠定了新安江模型的理论基础（赵人俊等，1963）。此后，将流域水文过程作为一个完整的系统加以研究，给出了蒸发、产流、汇流等环节的连续计算公式。在实际应用中，新安江模型在理论和结构等方面得到了不断地完善和发展，并在20世纪80年代趋于成熟，形成了一个比较完整的、适合在我国湿润和半湿润地区应用的降雨径流模型（王厥谋，1994）。新安江模型采用统计曲线描述山坡或流域面上蓄水容量分布的空间异质性（Gan等，1997）。新安江模型的参数较少，只有15个，每个参数有其合理的取值范围和明确的定义，但物理基础不足，同时，模型在不同流域应用时，需要重新率定参数，这在一定程度限制了模型应用的发展，特别是在无资料地区，参数率定相对难以实现。近年来，随着地理信息系统（GIS）的快速发展，新安江模型的发展呈现了架构形式趋于多样性，产汇流计算物理性趋于明显，应用范围愈加广泛等特点（刘金涛等，2014）。Liu等（2012）讨论了不同网格尺度上，张力水蓄水容量曲线空间分布的规律，发现网格间的变异随网格尺度变小而增大，不能忽视较小的网格尺度上的空间变异，并认为200m网格是应用新安江模型蓄水容量曲线的合理尺度。产汇流理论的快速物理化得益于地形处理技术的迅猛发展，网格水流方向及水系可以方便的定义，为建立具有物理基础的流域产汇流模型提供了技术保障。在河道汇流方面，王船海等（2003）采用圣维南方程组进行河道汇流演算；在坡面汇流方面，袁飞等（2004）采用Muskingum Cunge算法，或者采用基于栅格单元系统的运动波方程描述（Liu等，2009）。近年来，通过扩展蒸散发、产污等模块，新安江模型被应用于生态环境领域，如Li等（2009）基于MODIS-LAI数据，通过在新安江模型中增加Penman-Monteith公式，预测了植被影响下的径流响应；Yuan等（2008）将双源蒸散发模型与新安江模型耦合，用于评价植被对水文过程的影响等。新安江模型或者说水文模型理论的发展需要水文、地质、地貌和土壤学研究的交叉和共同推进，建立适合新一代模型的完整的方法体系，强调野外实验、理论分析与计算机建模3项工作的协调与密切配合，这是实现新安江模型理论创新的重要途径之一。

1.3.2　分布式水文模型研究现状分析

除如上所述的4个有代表性的分布式水文模型，在20世纪90年代前后，在水资源可持续利用、非点源污染、全球变化对水文循环影响等研究需求的推动下，作为探索与发现复杂水文现象机理与规律有效途径之一的分布式流域水文模型受到了极大的关注，在建模思想、理论和技术等方面有了长足的发展，涌现了一批分布式水文模型，如DHSVM（Distributed Hydrology Soil Vegetation Model）、VIC（Variable Infiltration Capacity）、HMS（Hydrologic Model System）、SVAT（Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer model）等，并在对实际问题的研究中得到了广泛应用（徐宗学等，2010）。

当前，气候变化对水文水资源影响是研究热点之一，气候变化对水文水资源影响的研究基本上遵从“气候情景设计-水文模型-影响评估”的模式。国内外很多学者以陆气耦合方式开展了大量的气候变化对水文循环影响的研究，其中大气环流模型（General Circulation Models，GCMs）与分布式水文模型的耦合研究得到了较广泛的开展（王顺久等，2006；张建云等，2007）。分布式水文模型在陆气耦合领域的研究虽然取得了许多成果，但也还有很多问题值得研究，如陆面水文过程与气候模型之间双向耦合的问题，分布式水文模型与GCMs耦合的尺度衔接问题，模型可移植性以及大尺度分布式水文模型运算效率相关的结构及控制问题等。

随着水资源开发利用程度的不断提高和水危机影响的不断加剧，促使分布式水文模型在水资源综合管理中进行应用，为流域水资源管理和决策提供了重要依据（贾仰文等，2005；刘昌明等，2006）。分布式水文模型已经在流域水资源综合管理中的数字流域研究、非点源污染模拟、农业灌溉和城市取用水研究、地表水与地下水评价与计算、洪水预警预报、水土保持等领域发挥了重大作用（许继军等，2007；王忠静等，2008）。

分布式水文模型的参数和输出结果更容易与遥感和GIS结合，能够灵活地设置土地利用变化情景，实现对不同土地利用方式下的水文响应的模拟，因此，分布式水文模型成为研究土地利用和覆被变化（Land Use/Cover Change，LUCC）情境下水文响应的重要工具。在此过程中，要求分布式水文模型能够与GIS技术和遥感数据紧密结合，这样能够很好地从遥感数据获取和分析土地利用及覆被变化的数据，能够表达土地利用的时空差异特征及其对水文过程的影响，并且能够模拟土地覆被变化条件下的水文过程变化，模型参数能够反映土地覆被变化的时空变化特征（Foley等，2005）。

分布式水文模型可应用于缺乏水文资料地区的水文预报中。在许多国家和地区，流域水文站网分布密度及观测数据不足，一些基础性的数据由于各种自然因素或人为因素的限制而无法获得。面对这样的问题，国际水文科学协会（International Association of Hydrological Sciences，IAHS）在21世纪初启动了资料缺乏地区的水文预报（Predictions in Ungauged Basins，PUB）。PUB计划以减小水文与水资源预测预报中的不确定性为核心，旨在探索水文模拟的新方法，改进径流、泥沙和水质等预报精度，从传统的基于观测数据进行模型率定向机理探究的方向转变，实现水文理论的重大突破，以满足各国国民经济生产和社会发展的需要，特别是发展中国家（Sivapalan等，2003），发展新一代的分布式水文模型是解决PUB问题的可行途径之一。适用于资料缺乏地区的分布式水文模型需要能够充分利用水文气象遥测数据，如雷达测雨数据、DEM、土地覆被、遥感数据等，并能够将产汇流模型与植物生长模型、营养物质迁移模型等地表水文、生物、化学过程模型耦合起来模拟地表水文过程，而且模型概念明确、易于控制、便于设置情景，从而能够方便地利用缺资料地区的数据同化资料率定模型。

当前，生态水文学（Ecohydrology）已发展成为水文学研究的一个重要分支，其主要研究水文过程与生态系统之间的动力学机制，生态水文格局和生态水文过程，其中生态水文模型是研究的重要内容之一（严登华等，2005）。随着计算机技术、GIS和RS技术的发展，生态水文开始以GIS为平台借助于分布式水文模型研究生态水文格局的演化，探讨生态水文格局与区域水环境的安全调控。生态水文学研究需要分布式水文模型能够将流域生态过程耦合到水文过程模拟之中，加强土壤水文、土壤性质等与植被生长之间的作用与反馈模拟，以及LUCC等生态环境变化的水文响应模拟，耦合植被生长和水文过程并实现信息数据的实时交换。

1.3.3　分布式水文模型的发展趋势

分布式流域水文模型虽然得到了快速的发展和进步，被广泛应用于水文学领域，但是随着研究的不断深入，诸如尺度问题、非线性问题、动态耦合问题等仍阻碍着水文模型研究的发展，需要有所创新与突破（吴贤忠，2011）。地理信息系统和遥感技术在水文循环领域的应用给水文模型的研究思路和技术方法带来了创新和革命，使得模型的应用更为简单方便，通过地理信息系统和遥感技术的结合，将为流域水文模型的发展开创一片新天地，它可以在收集、处理数据时运作更快，模拟结果也更为精确，可以为生产实际提供更为科学的依据（李纪人，1997；傅国斌等，2001；宋萌勃等，2007）。

遥感技术是20世纪60年代以来发展起来的新兴学科，是一门先进的、实用的探测技术。在水循环领域，作为一种信息源，遥感技术可以提供土壤、植被、地质、地貌、地形、土地利用和水系水体等许多有关下垫面条件的信息，也可以获取降雨的空间变化特征、估算区域蒸发、监测土壤水分等，这些信息是确定产汇流特性和模型参数所必需的。流域水文模拟的结果很大程度上依赖于输入数据，而往往由于缺乏足够的、合适的数据而不能很好地描述水文过程。只有获得详细的地形、地质、土壤、植被和气候资料，才有可能对大尺度流域气候变化和土地利用产生的水文影响进行研究（胡著志等，1999）。通过遥感技术，能够弥补传统监测资料的不足，在无常规资料地区可能是唯一的数据源，大大丰富了水文模型的数据源。与传统的数据收集方法相比，遥感技术获取数据的优点主要有：面状数据，无需要再进行点面的转化；直接获取或经转换后为数字化形式，便于应用；可提供相对高分辨率的时间和空间信息；可获取偏僻的无人可及的区域资料（吴险峰等，2002）。

如今，水文学及水资源领域的诸多问题需要基于分布式水文模型搭建的数字平台来解决，人类对水文水资源研究的需求从未像今天这样迫切，社会的需求决定了分布式水文建模研究发展的方向，分布式水文模型的发展趋势将表现在以下几个方面。

（1）中尺度分布式水文模型的研究将成为解决水文与水资源管理中热点和难点问题的有效工具。尺度问题是当代水文学理论研究的中心内容，从国外分布式水文模型发展进程可以知晓，在小尺度或点尺度上建立的规律或水文过程关系如何推导和扩展到大中尺度流域是建模研究的主要问题之一，探讨和研究大中尺度的水文过程规律和模型也是分布式水文模型研究的重点内容。对于当前水文学研究的热点问题和社会重大需求而言，分布式水文模型是揭示气候变化、LUCC及变化环境下的流域水文、生态响应和演变规律的有效工具，将是未来水文建模研究的重点之一，而中尺度或大尺度模拟对于研究和决策来说是最合适的尺度选择，对管理与决策更有意义。此外，能够很好模拟中尺度流域的分布式水文模型比较容易扩展到大尺度，或者小尺度流域。

（2）对传统水文模型的改进和应用是当前及今后分布式水文模型研究中的一个热点。基于产汇流机理研究，运用新的技术方法，不断改进水文模型结构；加强蓄满和超渗两种产流机制兼容的混合产流模型及融雪径流模型的研究；需要改进地表水文参数化方案中对地表蒸发量的计算，引入对蒸发和降水有更加真实响应的水文过程，引入比较符合实际的土层渗透过程。这就需要对次网格的水文过程尤其是对降水过程进行更加真实的参数化。新一代的水文模式应努力实现植被与土壤耦合，水量与能量耦合，尽量从物理基础上去描述蒸散发、土壤水传输、产汇流等水文过程，以减少参数率定所带来的不确定性（曹丽娟等，2005）。

（3）基于地理信息系统和遥感技术的耦合陆面过程的物理性分布式水文模型将代表今后相当一段时期水文模型发展的方向。

迅速发展的航测及遥感技术为大尺度陆面水文模型研究提供了良好时机，提高对遥感数据的利用能力及与地理信息系统功能耦合程度是发展的必然趋势。降雨是水文模拟的最重要的基础数据，随着遥感技术对降雨更准确的估计，必将提高水文模拟和预报的精度，并可以将模型用于无资料地区。水文模型需要精细的地形、地貌、植被、气候及水文资料，随着遥感技术的不断发展，利用航测及遥感技术可以提供高分辨率的植被分布、地形地貌（高程、坡度、坡向、分水岭、河道及集水面积）的数据集，可叠加各种地理特征，作各种聚集、分类及插值计算，获取更高精度水文信息。高性能计算机的不断发展以及性能良好的可视化软件的出现，必然会促进陆面水文过程的研究。基于物理机制的分布式水文模型和大尺度水文模型等都需要大量时空分布数据的支持，使得遥感观测的数据逐渐成为分布式水文模型中必不可少的数据之一（赵英时，2003），而且随着遥感技术的发展，多元、更为可靠和更高时空分辨率的遥感数据已经成功地应用到了地学研究领域。如今，遥感不仅能够为分布式水文模型提供DEM、土地利用/覆被、雪盖等空间信息，而且还能够利用遥感手段获取降雨时空分布、解译降水信息、遥测水位和水面变化、反演蒸散发和土壤水等水文信息，极大地丰富了模型基础数据获取的手段和数据量。因此，对于分布式水文模型，提高对遥感数据的利用能力不仅有利于获得更为丰富的时空分布水文参数，而且更能够使建立的模型在气候变化、生态水文学、水资源管理等领域以及缺资料地区都有较强的适用性，同时，面对如此繁杂的数据信息，需要专门的数据管理平台。借助于地理信息系统功能处理并利用多源时空分布数据不仅省时省力，而且能够极大地提高模型的交互能力，为研究和决策提供更为直接的信息和过程。从当前分布式水文模型发展及应用研究来看，也都表明提高分布式水文模型对遥感数据的利用能力及与地理信息系统平台的耦合程度是发展的必然趋势。

（4）流域生态分布式水文模型将得到快速发展。流域生态水文模拟包括光合作用、呼吸作用等多个过程，每个过程都含有大量参数，在分布式模拟的框架下，如何获取区域异质的模型参数成为生态水文模型区域应用所面临的瓶颈问题（陈腊娇等，2011）。植被在土壤水分的时空变化中扮演着重要角色，它既是土壤水分动态变化的原因之一，也受土壤水分动态变化的影响。传统的模型参数获取方式主要为站点观测，由于观测站点数量有限且分布稀疏，虽然通过插值等空间推测方法可获得参数的空间分布信息，但是植被参数在空间上的变异强烈，导致参数误差很大，所以，流域尺度生态水文过程模拟是分布式水文模型亟待加强的环节。流域水文过程的生态过程方面不仅是生态水文学关注的热点问题，也是不同尺度流域水文模型建模过程中必须考虑且富于挑战的环节，当前能够很好模拟流域尺度上生态与水文过程耦合的模型还很少。在生态水文学日益成为水文学家关注焦点的今天，流域尺度分布式水文模型中对生态过程的模拟能力是亟待加强的方面，对于中尺度分布式流域水文模型，生态过程也是流域尺度上与水文过程紧密相关的过程，比如不同植被类型对截留、土壤水和蒸发等水文环节的影响；植被在不同生长阶段对水文过程的影响，特别是在农业灌溉地区；植被的空间分布对产汇流过程的影响；植被对气候变化和波动的响应等方面。遥感技术能反演和提取区域的地面物理参数和植被生物物理参数，如地表反照率、土壤水分、叶面积指数、光合有效辐射、森林郁闭度、冠层结构参数等，但仅仅依靠遥感观测数据势必在模型参数估算中引入了很大程度的不确定性，为最大限度地利用易获取的遥感数据，减小参数估算的误差，数据同化开始活跃于模型参数估算中。遥感数据同化研究兴起于20世纪90年代后期，主要采用模型模拟与遥感观测数据相结合的途径来估算地表参数（Pellenq等，2004；Pauwels等，2007），其中卡尔曼滤波方法是数据同化中应用最为广泛的方法（Pastres等，2003；Mo等，2008）。应用数据同化能最大限度地利用不同来源和不同时空分辨率的遥感数据，将是未来流域生态水文模型参数获取的重要手段。