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流域水文模拟的发展历程和趋势
-作 者 姓 名：学科、专业：学
号：指 导 教 师：完 成 日 期： ***
水文学与水资源工程 ***
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流域水文模拟大作业
摘要
对现行概念性集总式流域水文模型的结构和参数的特点进行了介绍,指出了这类流域水文模型存在的主要发展历程和功能。对新一代流域水文模型,即分布式流域水文模型,尤其是其中具有物理基础的分布式流域水文模型,进行了简介,指出其不同于传统水文模型的特点及作用。最后对流域水文模型的发展趋势及所面临的挑战进行了分析。
关键词:集总式流域水文模型;分布式流域水文模型;趋势
I
流域水文模拟大作业
目 录水文模型研究成果及现状............................................................................................1
1.1 集总式水文模型.................................................................................................1
1.1.1 新安江模型.............................................................................................2 1.1.2水箱模型...................................................................................................3 1.1.3萨克拉门托模型.......................................................................................5 1.2 分布式水文模型.................................................................................................7
1.2.1气候变化研究与分布式水文模型...........................................................7 1.2.2土地利用/覆被变化水文响应与分布式水文模型..................................8 1.2.3缺资料地区水文预报与分布式水文模型...............................................9 1.2.4水资源管理与分布式水文模型.............................................................10
2水文模型发展趋势及挑战...........................................................................................11
2.1地理信息系统技术的应用................................................................................12 2.2遥感技术的应用................................................................................................13 2.3问题与挑战........................................................................................................14
-II-
流域水文模拟大作业水文模型研究成果及现状
世界人口迅速增长，人们对生活水平的期望不断增长，同时大众对生态环境的关注也日益增强。人民生活水平的提高离不开自然资源开发和利用。地球上最基础的资源是空气、水和土地。这些资源对于维持地球上的生命至关重要，而又有限，无序开采和过度利用必然造成环境破坏，威胁人类的生存和社会经济的可持续发展。于是，加强综合自然资源管理，恢复生态环境整体性和生物多样性已成为当前的核心任务。
水在生态环境中发挥着血液的作用。人类的生活、生产以及其他资源的开发都离不开水。由于水极易受到污染，污染的水又在流动过程中污染土壤、植物、动物、甚至人体，因此，生态环境管理的核心是对水的管理。自然界的水是以流域为体系存在和循环运动着的，生态环境管理也就需要以流域为基础。管理过程将土地利用等人类活动与水体流动过程联系起来，通过预测各种水体的水量和水质，为人类生活、生产和生态的需水提供信息。这种预测需要定量描述流域降雨-径流，以及引水、渠系渗漏、灌溉、蒸发、作物耗水等水文过程，所以说水文模拟已成为生态环境管理的基础技术。
水文预报可以通过水文模型来实现的。数十年来，人们研制了各种水文模型，并在许多流域中广泛使用。流域水文模型的研究大约始于二十世纪五十年代叫，随着电子计算机的应用，近几十年已提出百余种模型。流域水文模型主要有三种类型:黑箱式、集总式、分布式(Kirkby，1988)。早期的水文模型多为黑箱模型，把流域看成黑箱，只有输入和输出，也就是一个流域降雨与径流的统计关系。在一个流域根据长期水文观测资料建立的黑箱模型，是对该流域地形、土壤、植被等众多要素及空间特征对水文影响的概括，但它忽略了流域内部的水文过程，无法在空间上外延和移用，当流域内部发生变化时也不能再使用原来的模型参数，需对模型参数重新订正(Andersno，1985)。随着对流域水分循环过程认识的深入，出现了集总式水文模型。
1.1 集总式水文模型
气候条件和下垫面条件，包括地貌、地质、土壤、植被等共同影响着区域水文过程，这些地理要素随空间和时间的变化而变化。然而集总式模型不考虑地理要素在流域内的空间分布，比如是在全流域均降10mm降雨，还是在三分之一的流域面积上降雨30mm。，在集总式模型中是不予区分的，而是把整个流域看成一个均匀一致的整体，降雨在全流域均匀产流。最早的集总式模型是Linslye和Crwaford建立的斯坦福流域模型(StnafordwatershedModel)，从1959年提出来到1966年完成第IV号模型，一共用了38
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年的时间。萨克拉门托模型是在斯坦福(Stnaford)VI号模型的基础上发展的，在湿润地区和大洪水事件中，两者算得的结果相差不多，而在干旱地区，萨克拉门托模型能给出更好的一些成果。这一时期还有一种模型称为水箱模型，也称坦克(tnak)模型，是日本防灾研究中心营原正已在1961年提出来的，后经不断改进发展成为应用较为广泛的流域水文模型。模型将复杂的降水径流过程简单地概化为流域的蓄水与出流的关系进行模拟，以水箱的蓄水深度、边孔和底孔出流为控制，计算流域的产流、汇流及下渗过程。多年来，水文模拟都是建立在降雨与径流观测资料分析的基础上的，早期的集总式模型也只能根据长期观测获得的大量数据来确定每个流域的模型参数值。1979年，委内瑞拉水文学者罗德里格斯一伊图而贝与BJ瓦而德斯首次建立了地貌气候瞬时单位线理论。近年来，随着计算机技术和GIS技术的发展，集总式模型的某些参数，特别是与地形地貌有关的河道汇流参数，在GIS技术的支持下通过DEM模型来确定，而不完全依赖于观测数据。地貌单位线模型是在传统的单位线模型基础上发展的一个集总式模型。它认为流域内降雨与产流是均匀一致的，只是流域地形的差别影响流域汇流。在国内，南京水文水资源研究所与浙江省水文局首先研究了该模型，Lee等人在GIS支持下运用地貌单位线模型研究了台湾北部流域的径流过程，毕华兴等用该模型研究了山西省吉县在蔡家川流域的汇流过程。1.1.1 新安江模型
创始于60年代，是分散性模型，它把全流域分成多个单元流域，在每一个单元流域内，降水经过蒸散发的消耗后，以蓄满产流的方式经产流量水源划分后对各单元流域进行产汇流计算，得出单元流域的出口流量过程；再进行出口以下的河道洪水演算，把各个单元流域的出流过程相加，就求得了流域的总出流过程。模型主要适应于湿润与半湿润地区，其主要特点是应用了蓄满产流与马斯京根汇流概念，有分单元，分水源，分汇流阶段的特点，并且结构简单，参数较少，各参数具有明确的物理意义，计算精度较高，在国内外水文预报工作中有较好的应用。
新安江模型主要包含四个计算模块：（1）蒸散发计算模块：蒸散发计算根据土壤蓄水特性分上层、下层和深层三层分别计算；（2）产流计算模块：采用流域蓄满产流原理计算流域产流量；（3）分水源计算模块：采用自由水蓄水库将产流量分为地表、壤中和地下三种水源；（4）汇流计算模块：根据坡面和河网水流运动特性的较大差异，将汇流分为坡面汇流和河网汇流两种分别计算。新安江模型计算流程框图如图1.1所示，实际观测降雨量P和实测水面蒸发量EM作为模型的输入，输出为流域出口断面流量过程Q以及流域蒸发量E。其模型流程图如图1.1所示：
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图1.1 新安江三水源水文模型流程图
1.1.2水箱模型
水箱模型又称坦克(Tank)模型，也称黑箱模型。水箱模型是通过降雨过程计算径流过程的一种降雨径流模型。该模型最早由日本菅原正巳博士在40年代提出，主要发展时期是1951～1958年，60年代已应用于日本各河流。1971～1974年，主要是70年代初，水箱模型又进入了一个新的发展阶段，这是由于1969年世界气象组织对11种模型进行了检验，肯定了水箱模型，从而推动了它的发展。通常由降雨推求流量过程线是采用单位线法。为了寻求一种非线性的新概念方法，菅原正巳采用了串联调蓄模型，后来称为坦克模型，即水箱模型。40～50年代初，大量数据采用手摇机械计算机处理。70～80年代，计算机有了很大发展，应用水箱模型计算一个流域的流量过程已十分方便，研究和应用水箱模型的人越来越多。80～90年代初，甘肃省水文水资源勘测局选定省内部分小流域(有降水资料的)进行研究和调试，取得了初步成果和经验。
其基本原理为：水箱模型是一种科学实用的水文模型，已在全世界广泛应用。主要用于水文预报、水文水资源计算、径流资料插补和水文测验检验等。将一个流域视为一个水箱，经过调蓄把降雨过程转化为出口断面的径流过程，其间有一个复杂的物理过程。我们可以忽略这个物理过程，采用人工调节出孔大小和高度参数，模拟与实际流量过程近似的过程，这个过程就是水箱模型的参数率定。水箱模型按流域特点可以设计为:单水
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箱模型、串联水箱模型、并联水箱模型、串并混合水箱模型、溢流型水箱模型、调蓄型水箱模型和分箱型水箱模型等。按流域特性，有洪水模型、湿润地区模型、干旱半干旱模型、融雪模型和冰川模型等。如果对水箱模型的各水箱做线性近似，则第一个水箱的半衰期为1～3 d；第二个水箱约为7 d；第三个水箱为2～3个月；第四个水箱为6个月左右。从上至下这4层水箱的出流，分别与地面径流、壤中流、准基流和基流接近，符合一个流域的产流、汇流物理过程。说明水箱模型是一种科学实用的降雨径流模型。串联水箱结构模型与并联水箱结构图分别见图1.2和图1.3。
图1.2 串联水箱模型结构图
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图1.3并联水箱结构图
1.1.3萨克拉门托模型
萨克拉门托模型是在20世纪70年代初由美国加利福尼亚州萨克拉门托河流预报中心研制的一个概念性的集总参数模型。此模型在美国水文预报中应用广泛$也是国内引进的水文模型中人们较为熟悉的模型之一。
SAC模型以土壤水分的贮存、渗透、运移和蒸散发特性为基础，用一系列具有一定物理概念的数学表达式来描述径流形成的各个过程，模型中的每一个变量代表水文循环中的一个相对独立的层次和特性，模型参数则是根据流域特性、降雨量和流量资料推求的。
萨克水文模型把流域面积设计为不透水和透水面积两部分，不透水面积部分又分为不变和可变两种，可变不透水面积以其贮积水量对全部张力水容量之比来反映它的可变性；透水面积部分，其土壤分为上下两层，每一层都有两种形式的贮积水，即“张力水”和“自由水”。张力水是紧密包围土壤颗粒的水，而自由水是因重力而能运动的水。对于任何一层，张力水容量相当于该层的田间持水量，自由水容量是界于该层饱和水容量和田间持水量之间的那部分水容量；张力水只供蒸散发，自由水在不同的条件下，消耗于垂直方向的渗透和水平方向的侧向流，并当两种水分平衡失调时，部分自由水转变为张力水以供蒸散发。两层之间用一个下渗方程联结起来。对于透水面积上层土壤来说，水分首先满足张力水容量，剩余水分才作为自由水蓄积，而下层土壤，模型则考虑土壤分布不均匀性，用一个常系数(PF-REE)将渗透水量(PERC)的一部分(PERC带PFREE)分
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配给自由水，另一部分来(l-PFREE))供给张力水，当张力水容量满足后，所有渗透水补给自由水。
萨克模型中，土壤蒸发、产流按统一分层来考虑，即两层模式，模式中各个贮水单元，包括河道水面在内，都考虑蒸发损失，土壤蒸发与蒸发能力、土壤含水量成正比。萨克模型认为河道径流由四种水源组成，即不透水面积上的直接径流，透水面积上的地表流、壤中流和基流(包括快速、慢速地下水)。直接径流是不透水面积上的降雨所致，上层土壤水容量全部满足后的过剩降雨作为地表流进入河道，壤中流源于上层自由水，基流则源于下层自由水，其产流量均正比于相应的自由水蓄量，即壤中流=UZK*UZFWC，快速基流=LZSK*LZFSC；慢速基流=LZ-PK*LZFPC。萨克模型使用短的时间步长分段计算，以此来模拟土壤水分运动的连续性，分段数倚上层自由水量而变，以不超过5毫米控制步长。萨克拉门托模型结构图如图1.4。
图1.4萨克拉门托模型结构示意图
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1.2 分布式水文模型
以反映流域内水文过程的时空变化，所以可以预测流域内自然和人为因素的局部变化可能对流域水文过程的影响。80年代以来，地理要素的空间异质性对水文过程的影响逐渐得到重视，并开展了以此为基础的分布式水文模型的研究。分布式水文模型是根据物质和能量守恒定律，基于地理要素的概念模型。它认为植被、土壤、地貌等地理要素综合影响流域的水文过程。模型把流域分成一系列的单元，每个单元内部各地理要素是相对一致的，单元之间有水分的流动和交换，根据各种地理要素对水文过程的影响机制，把地理要素作为模型的参数，建立外部因素与水文过程的数量关系。与集总式模型相比，由于分布式水文模型充分考虑了各地理因素的空间差异性，可以反映流域内水文过程的时空变化，所以可以预测流域内自然和人为因素的局部变化可能对流域水文过程的影响。80年代以来，地理要素的空间异质性对水文过程的影响逐渐得到重视，并开展了以此为基础的分布式水文模型的研究。
1.2.1气候变化研究与分布式水文模型
水文循环作为气候系统的重要组成部分，全球正经历的以变暖为主要特征的气候变化必然会导致水资源量的时空分布改变，为了给未来水资源规划设计、开发利用和运行管理提供科学依据，气候变化对流域水文与水资源的影响成为当前水文学研究的重大问题之一。
气候变化对水文水资源影响的研究基本上遵从“未来气候情景设计-水文模型-影响评估”的模式，未来气候情景设计和水文模型的建立是研究气候变化对水文水资源影响的关键问题。当前，广泛使用的是将大气环流模型）与陆面流域水文模型进行耦合研究，即陆气耦合。国内外用于气候影响评价的分布式水文模型不仅有传统的降雨径流模型，如SWAT、DHSVM等，而且还有专门开发的月水量平衡模型、陆面过程模型等，如VIC、TOPX、AVIM（Atmosphere Vegetation Interaction Model）等。GCM隐含着更多确定性气候变化信息，而分布式水文模型因有其能够反映下垫面的不均匀性的优点，因而陆气耦合的模式被认为是最有效和最有潜力的方法。
近年来，国内外用陆气耦合方式开展了大量的气候变化对水文循环影响的评估研究，并取得了许多重大的成果和进展，但是也还有很多问题值得研究，主要问题有：（1）陆面水文过程与气候模型之间双向耦合的问题。由于缺乏对大尺度水文物理过程和大气系统内部变化的深刻认识，长期以来陆地水文循环和气候系统被看作为彼此独立的、静
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态的过程，水文模型由未来情景的气温、降水、风速等气象因素单向驱动，大气模式中仅设置若干参数代替水文过程变化和空间分布，强调网格单元垂向水分输移，不考虑水流的侧向运动。然而，气候变化必将引起流域生态水文的改变，这种改变也将影响区域的水热平衡，如何模拟或表达流域对变化环境的响应是分布式水文模型亟待解决的问题。（2）尺度匹配问题。分布式水文模型不仅面临着自身时空尺度问题的挑战，而且还要处理与GC⁃Ms尺度的衔接问题。GCMs模拟的网格尺度一般不能很好反映区域尺度范围上水文气象要素的空间不均匀性，必须进行降尺度处理，而对于不同的分布式水文模型来说，在不同尺度下模拟能力也有区别，如何减小陆气耦合模式下两者尺度导致的模拟误差也是分布式模型需要考虑的问题。（3）不确定性问题。虽然GCMs情景包含了更多的未来气候变化信息，但是基于假定的大气环流模式建立的GCMs情景自身就有着很大的不确定性。在气候变化水文影响评价中，对于分布式水文模型来说不仅要克服数据、模型结构和参数率定的不确定性问题，而且还要减小模拟流域生态水文对变化环境响应的不确定性。（4）大尺度分布式水文模型研究。陆气耦合中的水文模型有结构简单、概念明确、移植性强和模拟效率高等特点，并能够适应于模拟大尺度水文过程以及陆面过程对气候系统的反馈等，而这类模型研究不足，需要加强大尺度水文过程规律、参数化、水文过程与气候系统的耦合、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。1.2.2土地利用/覆被变化水文响应与分布式水文模型
水文循环作为联结地球上各圈层的重要纽带，土地利用/覆被变化（Land-Use/Cover Change，LUCC）对不同时间和空间尺度的水文循环都会产生一定的影响。土地覆被变化直接引起近地表的蒸散发、截留、填洼、下渗等因素的改变而导致产汇流的变化，如：产流过程中截留、下渗和土壤蓄水能力的变化；汇流过程中地表糙率、地表蓄水量、河道汇水路径等因素及其反馈作用等。此外，LUCC对产汇流的改变也将引起流域水量、产输沙、水质、洪水过程等发生改变。
目前，LUCC及其影响研究是IGBP研究的核心科学问题之一，研究LUCC对水文循环的影响，对于揭示区域及全球尺度水文循环规律、相互影响机理、生态安全格局等有十分重要的意义，也是水文学研究的重要问题，建立能够灵活模拟变化条件下的LUCC水文影响评估模型是一项重要研究任务。LUCC对水文影响评价可以通过实验流域、流域水文模拟等不同方式，由于实验流域研究方法需要详细的长系列观测资料且成本很高，采取流域水文模型模拟的方式有着物理基础明确、易于控制等优点而被广泛采用，特别是与GIS和遥感结合的分布式水文模型。最早尝试用水文模型来评估LUCC
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水文影响的是Onstad & Jamieson在1970年开展的，到目前为止，有许多水文模型都曾用于影响评估研究，包括集总式模型，如HSPF、HBV、SCS、L-THIA（Long-Term Hydrologic Impacts Ae⁃ment of land use changes）等；半分布式/分布式水文模型，如PRMS（Precipitation Runoff Modeling System）、TOPMODEL、LISFLOOD、SHETRAN和CLASSIC等。
分布式水文模型分布式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，模拟不同土地利用变化情景下的水文响应，因此，分布式水文模型则成为研究LUCC水文响应的重要工具。如何更好地开展LUCC变化条件下的分布式水文模拟不是模型结构合理就能够解决的问题，需要从水文循环理论上提高模型模拟流域对土地利用/覆被变化响应的能力。LUCC研究中，首先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LUCC数据，并且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；其次是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。1.2.3缺资料地区水文预报与分布式水文模型
目前，许多国家和地区的流域水文站网分布密度及其观测数据不足，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；而在人类活动强度较大的地区，基于历史积累资料的模拟和预测不能够反映人类活动的影响，不能够为水资源管理和预测提供科学依据而形成了新的缺资料地区，给水资源的科学管理带来很大的困难。面对这样的困境，国际水文科学协会（IAHS）在21世纪启动的第一个研究计划（2003—2012年）就是缺资料地区的水文预报（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。PUB计划有两大目标，一是检验和完善现有模型或方法以提高其在缺资料地区的适应性并减小其预报的不确定性；二是开发新一代能够模拟不同时空尺度水文及其相关的生物、化学等过程的模型或方法，并减小其不确定性。
PUB问题的出路在于充分利用计算机技术和遥感手段获取流域特征参数，基于水文物理过程，运用系统论、信息论和控制论等现代科学方法，综合空间技术和计算机技术，揭示地表水文及其相关过程的动力学机制与时空分布特征，最终达到基于物理过程的流域水文情势数值模。因此，发展新一代的分布式水文模型是解决PUB问题的可行途径
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之一。适用于缺资料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。
1.2.4水资源管理与分布式水文模型
在水资源开发利用程度不断提高而水危机影响不断加剧的今天，水文模型为流域水资源管理和决策提供了重要依据，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。水资源管理研究涉及内容广泛，需要水文模型做支撑的可以小到单株植物水分调节模拟模型，大到研究气候变化的全球水文循环模型，而中尺度分布式流域水文模型在水资源管理研究中应用最广泛。本文仅对水资源管理中非点源污染模拟和灌溉水文模拟中分布式水文模型的应用着重讨论。
非点源污染模拟与水文模型是密不可分的，非点源模拟模型建立在水文模块的基础上，集成了气候、泥沙、营养物模块而具有非点源污染模拟能力。从20世纪50—60年代开始研究农业非点源污染以来，非点源污染模拟模型的发展有两大显著特征：一是从简单的经验统计分析向复杂的机理模型发展；二是从长期平均负荷输出或单场暴雨分析向连续的时间序列响应分析发展。近十几年来，分布式水文模型逐渐成为非点源污染模拟的重要工具和平台，其中有场次模拟ANSWERS（ArealNonpoint Source Watershed Environment Response Simulation）、AGNPS（Agricultural NonPoint Source）等；连续模拟的HSPF、SWAT、WEPP（Water Erosion Prediction Project）、BASINS（Better Aement Science Integrating point and Nonpoint Sources）等。然而，仍然有很多值得深入研究的问题，用于模拟非点源污染过程的分布式水文模型首先要能够真实地模拟离散空间单元上的径流成分；其次要能够很好地将泥沙、营养物输移耦合到水文过程中，流域离散方式、地表径流、地下径流、汇流等环节水文过程的模拟方式与土壤侵蚀、非点源污染过程模拟密切相关；最后，能够有效地利用RS数据和GIS技术提取和识别流域特征参数，及与水文、泥沙和营养物质输移相关的过程参数。
灌区模拟问题是流域水资源管理中最常见的问题之一，不仅难以用传统的试验方法进行研究，而且田间尺度试验的数据也难以反映灌区内连续尺度间水分循环转换关系，而考虑时空变异的分布式水文模型能够处理这一问题。针对不同研究目的、尺度的分布式水文模型已经在灌区有较多应用，但是还存在较多问题：（1）对灌区水文循环过程
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考虑不够细致。灌区有其特殊的地表水、土壤水和地下水转换关系，以及水库、塘堰、灌排系统等水体的水量交换问题，而当前绝大多数分布式水文模型对灌区的水分循环过程考虑较粗。（2）对灌区离散化处理不合理。分布式水文模型是基于DEM对流域进行离散得到河网、子流域、水文计算单元，这种流域离散方式不能够很好地反映灌溉渠系、排水沟网对水文过程的影响。（3）难以结合水资源管理进行分析评价。当前大多数模型中灌溉措施、灌溉方式设置较为简单，对水文过程模拟见长，较少考虑不同灌溉措施或水资源管理措施带来的经济或社会效应，如灌溉对作物产量的影响、水资源管理措施的经济分析等。考虑灌区的分布式水文模型要在降水和灌溉取水-产汇流模拟为核心的基础上，模拟不同灌溉方式和灌溉制度下灌区的水文过程，能够将灌区水文循环拓展到水文-农业-经济耦合研究范围以指导节水灌溉或管理。
此外，水电站或水库、农业灌溉引水、城市取用水等水资源管理措施对河道水量过程影响非常敏感，不仅增加了水资源管理的复杂性，而且给水文模拟带来了很大的不确定性。目前大多数分布式水文模型对这些影响的模拟无能为力，如何有效地模拟这些水资源管理措施对水文过程的影响是分布式水文模型亟待加强的环节。
2水文模型发展趋势及挑战
分布式水文模型之所以能成为近年来具有吸引力的水文学研究热点之一，一是因为GIS技术的不断完善，使得描述下垫面因子复杂的空间分布有了强有力的工具；二是因为计算机技术和数值分析理论的进一步发展，为用数值方法求解描述复杂的流域产汇流过程的偏微分方程组奠定了基础；三是因为雷达测雨技术和卫星云图技术的进步，为提供降雨量实时空间分布创造了条件。
在自然界中，影响降雨径流形成的气候因子和下垫面因子在时空分布上都是不均匀的，但多年来，水文学家一直将流域作为一个整体来进行研究，从而忽视了气候因子和下垫面条件时空分布不均的事实。根据这种观点建立起来的集总式概念性水文模型一般只能用于模拟气候和下垫面因子空间分布均匀的虚拟状态，只能给出时空分布均化后的模拟结果。只有分布式水文模型才能真实模拟现实世界降雨径流形成的物理过程，并客观反映气候和下垫面因子时空分布不均对流域降雨径流形成过程的影响。虽然分布式水文模型早在20世纪60年代就已出现萌芽，但其广泛的研究与应用，只有在计算机技术、地理信息系统技术、遥感技术、雷达测雨技术和水文理论有了进一步发展的今天，分布式水文模型才会成为21世纪水文学研究的热点课题之一。分布式水文模型，尤其是具
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有物理机制的分布式水文模型，由于它们明显优于传统的集总式概念性水文模型，能为真实地描述和科学地揭示现实世界的降雨径流形成机理提供有力工具，因此，是一种具有广阔发展前景的新一代水文模型。地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术在水文学研究中的应用给水文模型的开发带来了良好的机遇。就目前的研究工作来看，水文模型和GIS的集成，有的是“相互独立”形式的集成，有的是松散或相对紧密型的集成，还都不是完全意义上的耦合。RS技术对于水文模型能够提供流域空间特征信息，是描述流域水文变异性的最为可行的方法，尤其是在地面观测缺乏地区。但由于遥感资料还没有完全融入水文模型的结构中，直接应用还有很大的困难，又缺乏普遍可用的从遥感数据中提取水文变量的方法，使得遥感技术在水文模型中的应用水平还比较低。因此，加强遥感技术与水文模型的集成和从遥感数据中提取水文数据的方法研究，将是未来相当长一段时间内水文模型发展的方向和重要研究领域。
2.1地理信息系统技术的应用
地理信息系统是一种在计算机硬件和软件支持下，基于系统工程和信息科学理论，进行管理和综合分析具有空间分布性质的地理数据的系统。与流域产汇流有关的地理数据主要有地面高程和反映土壤、植被、地质、水文地质特性的参数等，其中以数字高程模型(DEM)最为有用，因为DEM不仅表达了地面高程的空间分布，而且据此可以自动生成流域水系和分水线、自动提取地形坡度和其他地貌参数，将DEM与表达土壤、植被、地质、水文地质特性参数的空间分布叠加在一起，还可以描述这些下垫面参数与地面高程之间的关系。
地理信息系统是用数字化方法描述具有复杂空间变化的水文过程的必要技术支撑。加强水文学与地理信息系统技术的结合，不断开发地理信息系统技术在水文学理论与应用中的领域，是水文学家的一项重要任务。地理信息系统技术是快速、自动、合理划分子流域的强有力工具。现有的地理信息系统软件已能自动生成规则矩形网格和不规则三角形网格，根据网格型数字高程模型可以自动生成流域水系和分水线，自动按分水线划分子流域，并能自动提取每个子流域的地形地貌特征值，还能自动绘制泰森多边形和等流时线等。如果将所划分的子流域分布图与土壤、植被、地质、水文地质和土地利用图叠加，还可以提取各子流域或子区域的土壤、植被、地质、水文地质和土地利用特征。现在，由地理信息系统构建的数字化平台已成为描写水文现象时空分布和探讨降雨径流形成机理新的研究手段。
近年来，GIS技术在水文模型开发中得到了广泛的应用。借助GIS强大的空间数据分析处理功能，水文模型的研究手段得到了根本性的转变。GIS不仅可以管理空间数据，流域水文模拟大作业
用于模型的输入、输出，而且还可以将水文模块植入GIS系统，用户只需要根据GIS开发的界面操作，不需要涉及水文模型本身。就目前的研究及应用来看，GIS与水文模型的结合主要表现为3种方式，即GIS软件中嵌入水文分析模块、水文模型软件中嵌入部分GIS工具(松散型结合)以及相互耦合嵌套的形式(紧密型结合)。
分布式水文模型开发中，地形是十分关键的因素，GIS用于分布式水文模型，可以用来获取、操作、显示这些与模型有关的空间数据和计算成果，使模型进一步细化，从而深入认识水文现象的物理本质。通过GIS可以提取流域的基本特征，包括下垫面特征、水系、河网等，并可以依据河网等级对流域进行任意子流域划分或者进行网格化划分，不仅可以与传统的概念性流域水文模型相结合，管理提供基本的数据信息，并实现输入输出功能，更重要的是为分布式水文模型研制提供了平台。由GIS可以实现不同数据的可视化结合、数据转换，并可以减少模型输入时的数据误差。
2.2遥感技术的应用
遥感(RS)技术是20世纪60年代以后发展起来的新兴边缘学科，是一门先进、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分布特征、估算区域蒸散发、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，只有获得详细的地形、地质、土壤、植被和气候资料，对大。范围流域气候变化和土地利用产生的水文影响研究才有可能。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。国外早期的研究主要是利用遥感资料提取流域地物信息、估算水文模型参数等，如进行土壤分类、应用一些经验性的模型估算融雪径流、估算损失参数等，后期主要集中在适应于遥感信息的水文模型开发和研制。国内也有这方面的应用尝试，主要集中在运用遥感资料获取流域水文模型的输入和率定有关参数方面。
确切地掌握降雨量的空间分布，是开发分布式水文模型的重要条件。传统的定点测雨的雨量站一般难以给出复杂多变的降雨空间分布，测雨雷达则不同，它可以直接测得降雨的空间分布，提供流域或区域的面雨量，并具有实时跟踪暴雨中心走向和暴雨空间变化的能力。尽管在当前科学水平下，测雨雷达的精度还有待提高，但它仍然是测雨技术必然的发展方向之一。雷达测雨是遥感测雨技术中的一种，应用卫星遥感测雨技术也在研究之中。大力发展雷达和卫星遥感测雨技术势在必行，相信随着雷达和卫星遥感测雨技术的进步，将会有力地推动分布式水文模型的研究和应用。
流域水文模拟大作业
2.3问题与挑战
水文尺度问题自20世纪90年代初被正式提出来以后，在水文科学中一直受到国内外学者的广泛关注和重视。水文科学的理论研究与实践证明，不同时间和空间尺度的水文系统规律通常有很大的差异。不同尺度的水文循环机理是不相同的，水文模型的结构也就不尽相同，如何考虑流域水文过程的时空不均匀性和变异性是尺度问题的关键，影响这种不均匀性和变异性的主要因素有流域地形、植被覆盖、土壤及降雨、蒸发等气候因素，而采用新技术如GIS、RS，获取更多的信息源是水文模型发展的一个趋势。由于尺度问题的存在，就涉及到这些信息源的时空分辨率问题。因此，对尺度问题的研究可以确定采集信息源的分辨率，如DEM的空间分辨率、遥感数据源的时空分辨率等，而分辨率的不同直接影响着水文模型的模拟精度。不同的尺度对数据源的时空分辨率有不同的要求，但就具体的一般流域尺度而言，如果流域的时空不均匀性和变异性大，对反映这些特性的信息源的精度就有更高的要求，这里又同时涉及到计算机的处理能力问题。由于水文变量时空分布的不均匀性和水文过程转换的复杂性，水文尺度问题和不同尺度之间水文信息转换的研究还远没有取得成熟可靠的结果，尺度问题还远未得到解决。因此，在分布式水文模型开发中，无论是从宏观综合还是微观研究，尺度问题始终是关注和研究的焦点。
由于没有足够的输入数据，限制了分布式水文模型模拟的精度。水文循环过程的高度非线性和复杂性，及其与时空尺度的高度相关性，使得不论是普适的还是特殊目的的分布式水文模型都需要大量的观测数据或水文过程参数，不仅包括降水、气温、DEM、地质、土壤、植被等大量的自然环境要素和数据，而且还有复杂的地下水、水库调节和运用、农业灌溉、污染物排放等人类活动对径流影响的数据。虽然已经积累了大量的站点观测数据和遥感数据，但是与分布式水文模型尺度相匹配的观测数据尚难以满足模型开发的需求，而且随着人类活动对自然水文循环的影响不断加深，使得有观测资料地区又发展成为了新的缺资料或无资料地区。因此，如何解决建模过程中数据需求问题和多源数据的同化与利用问题成为水文模型研究的难点之一，主要体现在空间属性数据的尺度问题、与人类活动相关的数据获取与数据同化问题。另一方面，大气环流模型的不断开发，为水文模型提供了可选择的数据源。水文模型和大气模式中模拟的资料互相应用，可以取得较好的结果。而大气环流模型不适合模拟边界层的变量如蒸散发和径流，它没有包括陆地水循环中水体的水平方向运动，对蒸散发的模拟完全是根据垂直方向的水量平衡。因此，加强水文模型与大气环流模型的耦合研究，仍然是今后水文模型研究的热点。此外，水文循环是一个多过程相互嵌套的高度复杂的系统，随着水文信息观测技术
流域水文模拟大作业
和计算机计算性能的发展，分布式水文模型模拟程度和能力不断提高，但是仍然回避不了不确定性问题。缺乏或忽视对这些不确定性的深入分析，将无法为决策者提供充分的客观信息，并有碍于提高对水文过程和机理的认知与把握。因此，如何降低模型以及参数估计的不确定性是未来水文模型研究的另一个重点领域。
水循环深刻地影响着全球生态系统的结构和演变，影响着自然界中一系列的物理、化学和生物过程，也影响着人类社会的进步和人民的生产生活，在地圈-生物圈-大气圈的相互作用中占有显著的地位。因此，水文模型不仅在水循环研究领域有着重要的地位，在与水循环有关的其他系统的模拟研究中，水文模型也发挥着重要作用。目前，水文模型除了在水资源评价、地表水污染、水环境预测中有较好的应用外，在农业灌溉、水土流失、地下水污染、土地利用变化影响、生态系统健康评价、气候变化影响等方面的研究及应用都有待加强。加强水文模型与其他系统模型的耦合研究，以充分利用水文模型的研究成果是值得深入研究的工作。另外，水循环过程的物理规律是对水文过程进行准确描述的基础，而目前还远未完全掌握，这也限制了水文模型的发展。因此，充分利用新技术和新手段，加强水文物理规律的研究仍是今后水文模型研究的重点内容之一。
构造合理、功能强大的分布式水文模型是分析水文过程的强有力工具。开发一个成熟的分布式水文模型需要花费大量的时间、财力及人力。从国内外已开发的一些通用性较强、产汇流机制比较完整的分布式水文模型来看，这种水文模型应具有以下特征:(1)具有模拟所有重要水文过程及其相互作用功能，可进行短期和长期模拟；(2)模型参数和输入输出灵活且时空可变；(3)合理的模型求解算法。运行分布式水文模型需要花费大量的时间，使用并行计算处理是减少运行时间的有效选择之一；(4)具有良好的前处理、后处理及与GIS集成的功能，GIS是进行模型设计、模拟结果分析的强有力工具，模型应具有基于GIS的数据输入、管理和操作等功能；(5)灵活、模块化程序设计，具有一定的可扩展性；(6)为实现复杂系统模型的参数率定与模型检验，模型应具有参数反演及灵敏性分析功能，可运用随机方法进行参数时空不确定性、输入输出的不确定性分析；(7)易于移植，可运行于UNIX、Windows和Linux等多个操作平台；(8)易于使用，具有友好的图形界面。随着经济和社会的快速发展，人类对有限的水资源的需求日益增加，建立具有很强物理机制、可以模拟水循环中各种水文过程及其相互作用的分布式水文模型是今后的研究发展方向，将为水资源综合管理提供强有力的支撑。
过去几十年来，我国广大水文工作者前赴后继、孜孜不倦，结合我国国民经济建设的重大需求和水文科学发展的迫切要求，在水文模型的开发、研究和应用方面，开展了大量卓有成效的研究工作，取得了很多可喜可贺的成就。在概念性水文模型开发和应用
流域水文模拟大作业
方面，先后出版了赵人俊先生和袁作新先生的专著。近年来，在分布式水文模型方面，则先后有多本很好的专著问世，这些成果的出版和发表，大大缩短了我国与世界发达国家在水文模型研究和开发方面的差距，相信我国广大水文工作者今后一定会戒骄戒躁、奋起直追，为国际水文科学和水文模型的发展做出自己应有的贡献。
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