水文学中流域水循环机制与水文模型研究.pdf

'2012年第7期黑龙江水利科技No．7．2012(第4O卷)HeilongjiangScienceandTechnologyofWaterConservancy(TodalNo．40)文章编号：1007—7596(2012)07—0008—02水文学中流域水循环机制与水文模型研究陈永强(广州市水务科学研究所，广州510220)摘要：随着社会的迅速发展，人类对自然水循环的影响越来越严重；流域内的水并非静止不动，而是处于不停地运动变化与相互变更的状态，这就要求我们要把大气、土壤及水看作一个整体或者一个系统，从而对其进行研究管理。介绍了几个较为典型的流域水文学模型，分析了现有流域水文模型的局限性，指出当前的不足及其原因。关键词：水文学；流域水循环；水文模型；分布式水文模型；局限性中图分类号：TV213文献标识码：AResearchofWatershedWaterCycleMechanismandHydrologicModelinHydrology．CHENYong——qiang(GuangzhouCityWaterAfairsScientificResearchInstitute，Guangzhou510220，China)Abstract：Withrapiddevelopmentofthesociety，thehuman’Sinfluenceonnaturalwatercyclebecomesincreasinglysevere．Waterwithinthewatershedisreallynotstaticinsteadofbeinginthestateofmoving，changing，replacingeachotherwithoutabreak，whichrequestsUStoregardatmosphere，soilandwaterasawholeorasolesystem，SOastoresearchandmanagethem．Sometypicalhydrologicmodelsareintroduced，thelimitationofexistinghydrologicmodelsisanalyzed，andcurrentin—suficientandthereasonsareputforwardinthestudy．Keywords：hydrology；watercycleofariverbasin；hydrologicmodel；distributedhydrologicmodel；limitation的状态。由于太阳的辐射能，水始终被蒸发变为水蒸气而进0引言入大气层，因气流的流动而扩散到各区域，当遇到冷空气凝结水是生命之源，是国民经济及进行农业生产的根本。随着成足够大水滴时，下落形成降雨，一部分进入江河，然后随江社会经济的迅速增长，现代农业与工业尤其是高新技术行业、旅河流人大海；一部分渗入地下被土壤或植物根系吸收，接着又游服务业等的蓬勃发展，对水质及水环境的要求越来越高。经过蒸发和散发回归大气层；还有一部分渗入更深层次的土水资源有很多特点，如循环可再生性、时空分布不均性、层里面形成地下水，然后以泉水及地下水的方式流入江河，最在一些方面的不可代替性、对经济的利害两重性等等。然而，终回归大海。水文循环又称水循环，是指水圈中不同形式的水和其他自然资源基本属性的区别在于其循环可再生性。水水体通过不停的蒸发、水汽输送、凝结、降落、渗入、地面和地资源始终处于降水——径流——蒸发的自然循环状态，因此，下径流这种反复循环过程。随着人类社会经济的发展，人们人类在利用水资源时要构建一个水源——供水——用水——对水的开发利用越来越多，同时影响也在逐渐加剧，于是人工排水——处理——回用的循环系统。循环应运而生，它是以水的自然循环为基础，以人类社会活动通过水文模型这一重要方法去探索与认知水循环及水文过为主的一种水资源循环。程，同时还是一项有效工具，能解决水文预报、水资源规划及管1．1人为因素对流域水循环的影响理、水文分析和计算等实际问题。随着社会的发展，目前水多、水自然水循环始终处于动态的，在无人类活动影响的情况脏、水浑的现象Et益严重，随着气候变更与人类活动对水循环的下，由于太阳辐射能的作用反复循环。随着社会的迅速发展，影响越来越严重，加上数字水文学研究的发展，既给水文模型的人类对自然水循环的影响越来越严重。研究、开发及应用创造了很好机会，又给其带来了很大挑战。为1)山区蓄水工程。在山区，降水量充足，植被覆盖面积了能模拟水循环过程专门建立了水文模型，利用它能够分析水文较大，因此，水资源存在的形式主要是降水与地表径流。同物理过程中的数学模型，是水文科学研究的重要措施与手段。水时，山涧裂隙里面也存在地下水的形式运动，此区域主要是产文模型的应用与研究，使人们能够科学的认知和合理利用水资流与回流区域。源，是一种有效合理的工具与手段，也为水资源管理和决策提供2)平原引水工程和地下水开发工程。水资源从山区以了宝贵的科学根据。地表径流的方式流入平原区域。因为平原地区有着较厚的冲积层，良好的透水性，因此在该区域地表水向地下水的转变非l流域水循环机制及发展状况常严重。流域内的水并非绝对静止的，始终处于变化与相互变更3)工农业用水。在工业、农业及生活用水中，农业用水[收稿日期]2012—06—21[作者简介】陈永强(1985一)，男，广东广州人，助理工程师，从事水文学及水资源方面的工作。一8一 陈永强：水文学中流域水循环机制与水文模型研究第7期量最大。在农业灌溉的过程中，一部分水资源以水蒸气的形2．2．3模型参数问题式散发，一部分渗入地下形成地下水，在整个流域水循环的过传统的流域水文模型通常由两个以上的参数组成，是通程中，增加了水资源的消耗。过实测降雨径流信息反向而求得的，采用最优化对此类问题1．2与流域水循环相关的生态环境问题进行处理是数学中常用的方法。模型的变量包括状态变量和对干旱地区的流域水循环分析，由于干旱缺水，西北地区输出变量，其一的模拟值和实测值间的误差组成了流域水文生态环境非常脆弱。通过水资源开发利用后，会严重影响生模型的目标函数，但是模拟结构并不会影响目标函数和约束态环境。其主要体现在：①河湖面积缩小，水资源严重缺乏；条件，也就是说它们三者间关系不大，通过此方法得出的模型②自然植被严重遭到破坏，自然生态系统也严重失衡；③土地参数并不能说明其物理意义，仅能从中看出模拟值和实测值沙漠化越来越严重；④水土流失严重；⑤土地次生盐渍化现象之间的拟合程度。另外，有些模型是固定不变的，这样就会导日益加剧；⑥水污染现象日益严重。致与实际情况存在一定的差异。2．2．4模型的科学化管理2流域水文学模型现今，实际应用的要求越来越高，传统防洪系统中的单一预经过长期以来的与水斗争实践，总结了很多经验，也有了报方案将无法满足应用要求，因此要合理管理模型参数，合理选相应的一些预防措施，然而这些手段仅仅局限于与经验相关择模拟参数，改进完善模型功能，进而设立水文数据库，从而将水的范畴。伴随着科学技术的越来越发达，传统的水文预报也文预报发展成具有很强实用功能的独立预报系统，既要求计算系慢慢地向着水文模拟的趋势发展，再加上系统模拟的理念和统准确，又要求具有友好的人机画面，保证系统具有较强的扩展技巧在水文学方面得到很好应用，促进了水文模型的发展。与容错性能。对于大型的防洪系统，模型对实时计算与人工智能2．1几种较为典型的流域水文学模型的性能要求更高。在1969年，美国天气局西纳(Sittner)等机构建立了API2．2．5模型不匹配问题模型，该模型能模拟降雨径流过程，是以次洪API法为基础经由于洪水过程变化迅速，因此现有的雨量数据并不能将过改进与完善而建立起来的；而美国天气局布拉西(Bumash)该过程很好地体现出来，所以严重阻碍了预报精度的提升。等机构，在1971—1973年期间，将萨克拉门托流域模型由先目前应用较为广泛的是雷达测雨、卫星信息估计降水量，能够前的第一代改造成第八代；1973年在我国，赵人俊等学者提将不同区域降水的信息资料详细反映出来，达到缓解该问题出了蓄满产流方法，对其进行改造与完善，进而发展成为新安的目的。同时必须将对应的模型结构加以改变，以实现与网格江流域模型；同年，以托迪尼(Todini)为首的意大利人，构建数值降水相匹配。2．3流域水文模型的应用了线性约束系统(CLS)模型。80年代后期，由于人类活动对环境的影响越来越严重，因此须将该重要因素考虑进去，这样对于地球来说，支撑其所有生命的基本要素就是大气、土一来就推动了以物理因素为基础的分布型流域水文模型的发壤和水，这3个要素之间相互作用、相互关联、缺一不可，到现展，例如以地形为基础的TOPMODEL和以SHE模型为基础在人类还不能很好地应用及了解所有要素。正是由于这种关的MIKESHE模型等。此外，在之前的20a里，简单调和法及系特性，就要求我们把大气、土壤及水看作一个整体或者一个概念修正法在美国天气预报系统得到很好的应用，表明逐步系统，从而对其进行研究管理。事实证明，并不是所有国家都重视校正预报模型；事实就是依据，如美国学者P．K．Kitani-能做到把大气、土壤及水列入一个整体进行研究，根本原因是这些要素并不是归属一个部门管理，部门与部门之间又是独dis与P．L．Bras共同合作，提出“用概念性水文模型进行实立的，欠缺必要地联系。时预报”；通过利用卡尔曼滤波校正技术，意大利教授E．Tdoi-就如目前应用最为广泛的分布式水文模型，它大部分是以ni实现了预报算法。连续方程、能量方程和动量方程为为核心，属于基本物理方程，带2．2目前使用的流域水文学模型的局限性有较强的物理特陛，所以，在单元式流域的水循环过程应用较为从上世纪8O年代后期以来，流域水文模型发展并不迅广泛。在实际的洪水预报、水文设计及规划等方面，应用较多的速，其影响因素涉及很多方面，主要的原因有以下几个方面：是概念性水文模型，通常隋况下不考虑物理机制的黑箱模型。2．2．1模型中的假设和简化如果用网络来表示模型的话，则构成网络的每个节点就3结束语表示为流域中的一种蓄能量，节点间的连线就相应的表示为本文简单介绍了流域水循环机制及现状和流域水文学模水分在各蓄能点间的运动方向。与其他物体运动一样，水分的转移也要遵循运动规律，蓄能就要遵循能量守恒定律。然型，详细介绍了人为因素对流域水循环的影响，同时也对与流而与数学物理方程不同的是模型仅仅是对水文现象的大概描域水循环相关的生态环境问题做了举例说明。接着简单介绍了几种较为典型的流域水文学模型，从几个方面分析了现有述。因此，它就忽略了次要的或者随机一些因素，对其进行了的流域水文学模型的局限性。最后，针对流域水文模型的应简化，但其正确与否就要看是否符合客观现象。换句话说，模拟仅仅注重现象的表面却忽略了更深层次的实质，从而确定用，分析了当前的不足及其原因。模型参数时定会存在一定的经验性。参考文献：2．2．2模型输入的分布不均性[1]ANGELAT．，BEDNAREK．UndammingRivers：AReviewofthe对于流域水文模型来说，流域内不同点的降水过程就表EcdogieMImpactsofDamRemovM[J]．EnvironmentalManage-ment，2001，27(06)：35—36．示为其输入，但是降水过程并不是均匀分布的。然而，能够通[2]冉珑，田义文．建立流域水资源环境管理的新机制[J]．安徽农过土壤的分层来解决垂直分布不均的问题，同时也可以通过业科学，2006，34(15)：3776—3777．统计分布来解决面上分布不均的问题，依据泰森多边形分不[3]赵海伟．流域分布式水文模拟方案构建范式研究与应用[D]．同单元来进行计算。然而，此种情况并没有将不同或同一单南京：河海大学，2007．元面积内不同植被、不同地质条件对径流形成机制与模型参[4]徐宗学．水文模型：回顾与展望[J]．北京师范大学学报：自然数造成的影响考虑进去。科学版，2010，46(03)：278—289．一9一'