分布式水文模型的研究进展与优化趋势

由于分布式水文模型是具有明确物理意义的大尺度水文模型，在建立气候—水文耦合模型中具有重要的地位，下面将对其作简要介绍[73]。

分布式水文模型按流域各处土壤、植被、土地利用和降水等的不同，将流域划分为若干个水文模拟单元，在每个单元上以一组参数（如坡面面积、比降、汇流时间等）表示该部分流域的各种自然地理特征分布式水文模型突出特点是能反映各子流域各处地形、土壤、植被、土地利用和降水等的空间分布特征，然后通过径流演算得到全流域的总输出。分布式水文模型突出特点是能反映流域各处地形、土壤、植被、土地利用和降水等的空间分布特征。

在国外分布式水文模型的研究可以认为起始于1969年Freeze和Harlan发表的“一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图”的文章[74]。随后，Hewlett和Troenale在1975年提出了森林流域的变源面积模拟模型（简称VSAS）。在该模型中，地下径流被分层模拟，在坡面上的地表径流被分块模拟。1979年Bevenh和Kirbby提出了以变源产流为基础的TOPMODEL模型（TOPgraphy based hydrological MODEL）[75，76]。该模型基于DEM推求地形指数[Ln（α/tanβ）]，并利用地形指数来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响，模型的参数具有物理意义，能用于无资料流域的产汇流计算。但TOPMODEL并未考虑降水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响，因此，它不是严格意义上的分布式水文模型。而由丹麦、法国及英国的水文学者联合研制及改进的SHE模型（System Hydrologic European）则是一个典型的分布式水文模型[77，78]。在SHE模型中，流域在平面上被划分成许多矩形网格，这样便于处理模型参数、降雨输入以及水文响应的空间分布性；在垂直面上，则划分成几个水平层，以便处理不同层次的土壤水运动问题。SHE模型为研究人类活动对于流域的产流、产沙及水质等影响问题提供了理想的工具。1980年，英国的Morris进行了IHDM（Institute of Hydrology Distributed Model）的研究，根据流域坡面的地形特征，流域被划分成若干部分，每一部分包含有坡面流单元，一维明渠段以及二维（在垂面上）表层流及壤中流区域。Beven等和Calver等对IHDM模型进行了改进[79，80]。1994年，Jeff Arnold为美国农业部（USDA）农业研究中心（ARS）开发了SWAT模型（Soil and Water Assessment Tool）[81]。SWAT是一个具有很强物理机制的、长时段的流域水文模型。它能够利用GIS和RS提供的空间信息，模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程。模型可采用多种方法将流域离散化（一般基于栅格DEM），能够响应降水、蒸发等气候因素和下垫面因素的空间变化以及人类活动对流域水文循环的影响。1995年，Grayson等提出了THALES模型，它是一个基于矢量高程数据的分布式参数模型。Huaxia Yao等提出了基于网格的集降雨空间输入估计，降雨—蒸发—径流过程模拟，河流演算和空间参数校准为一体的分布式水文模型[82]。杨大文等提出了基于山坡的和基于10km网格的大尺度分布式水文模型[83]。此外，USGS模型、WATFLOOD模型、SLURP模型和PRM模型等等都属于分布式水文模型的范畴。(https://www.xing528.com)

在我国分布式水文模型的研究起步较晚。1995年，沈晓东等在研究降雨时空分布与下垫面自然地理参数空间分布的不均匀性对径流过程影响的基础上，提出了一种在GIS支持下的动态分布式降雨径流流域模型，实现了基于栅格DEM的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟。1997年黄平等分析了国外一些具有物理基础的分布式水文数学模型的不足，提出了流域三维动态水文数值模型的构想。2000年黄平等又建立了描述森林坡地饱和与非饱和带水流运动规律的二维分布式水文数学模型，并用加辽金有限元数值方法求解模型。2000年郭生练等建立了一个基于DEM的分布式流域水文物理模型，用来模拟小流域的降雨径流时空变化过程[84]。任立良等进行了流域数字水文模型研究，并基于DEM考虑流域空间的变异性，建立数字高程流域水系模型。2002年张成才等进行了基于DEM模型的流域参数识别方法研究。牛振国等建立了基于DEM的区域参考作物蒸散量的分布式模型。

在20世纪70～80年代，由于受计算条件、数据观测与采集手段的限制，分布式水文模型发展比较缓慢，远远落后于同时期的集总式模型。同集总式模型相比，分布式模型“拟合的情况并不特别好，也不特别差，这大概便是这类复杂的理论模型用于资料有限、率定过程存在不确定性，且情况复杂的流域中所能期待的结果”（Freeze语）。20世纪90年代以后，集总式模型由于自身的局限性[85]，几乎处于停滞状态。随着计算机技术、GIS技术、RS技术、信息技术和通讯技术的发展和普及，获取和描述流域下垫面空间分布信息的技术日渐完善，水文模拟技术发生了巨大的变革，分布式水文模型也因此获得了长足发展。而此时分布式水文模型的一个显著特点是同DEM相结合，这种基于DEM的分布式水文模型也被称作数字水文模型，是数字化时代的产物[86]。