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9.2.2.2 模型的结构与参数
基于DEM的分布式水文模型在结构上一般分为三 基于DEM的分布式水文模型在结构上一般分为三 DEM 部分： 部分： 分布式输入模块，用于处理流域空间分布信息， ① 分布式输入模块，用于处理流域空间分布信息，为 水文模块提供空间输入数据和确定模型参数的信息。 水文模块提供空间输入数据和确定模型参数的信息。 单元水文模型，是坡面产汇流计算的核心部分。 ② 单元水文模型，是坡面产汇流计算的核心部分。 河网汇流模型。 ③ 河网汇流模型。有些基于网格的分布式水文模型忽 略了该部分。 略了该部分。
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9.3.2 TOPMODEL
TOPMODEL（TOPgraphy based hydrological MODEL） TOPMODEL（ MODEL） 是一个以地形为基础的、 是一个以地形为基础的、基于变源面积概念的半分布式水 文模型。 Beven和Kirkby于1979年提出 经过20 年提出， 20多年的发 文模型。由Beven和Kirkby于1979年提出，经过20多年的发 TOPMODEL与DTM（ DEM） 展，TOPMODEL与DTM（或DEM）相结合在水文领域得到了十 分广泛的应用。 分广泛的应用。 TOPMODEL的显著特点是利用易于获取的地形信息 的显著特点是利用易于获取的地形信息（ TOPMODEL的显著特点是利用易于获取的地形信息（如 地形指数 、土壤－地形指数等）来描述流域产流及源面积 土壤－地形指数等） 的变化与分布，简化流域降水径流过程的模拟。 的变化与分布，简化流域降水径流过程的模拟。模型具有 结构简单、优选参数少、物理概念明确、模拟精度高、 结构简单、优选参数少、物理概念明确、模拟精度高、易 于与GIS相结合等特点，无论在径流、泥沙、 GIS相结合等特点 于与GIS相结合等特点，无论在径流、泥沙、水质的模拟研 究中，还是在气候、 究中，还是在气候、土地植被变化研究和水资源管理等领 域都具有很好的应用前景。 域都具有很好的应用前景。
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SHE的水循环及模拟示意图 MIKE SHE的水循环及模拟示意图
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SHE模型的核心是描述研究区域水分运动 MIKE SHE模型的核心是描述研究区域水分运动 WM模块 模块。 WM模块的主结构包 的MIKE SHE WM模块。MIKE SHE WM模块的主结构包 括六个部分，分别描述了六个水文物理过程： 括六个部分，分别描述了六个水文物理过程：截留 植物蒸散发(ET) 坡面和河道径流（OC）、 (ET)、 ）、不饱 /植物蒸散发(ET)、坡面和河道径流（OC）、不饱 和层（UZ）、饱和层（SZ）、融雪（SM） ）、饱和层 ）、融雪 和层（UZ）、饱和层（SZ）、融雪（SM）和蓄水层 与河道间的交换。 与河道间的交换。
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基于DEM DEM的流域分布式水文模型 9.2 基于DEM的流域分布式水文模型 9.2.1 流域水文过程及其数学模拟
9.2.1.1 流域水循环过程
流域是陆地系统中最为重要的自然集水区域。流域 流域是陆地系统中最为重要的自然集水区域。 水循环主要包括降水、冠层截留、径流（坡面流、 水循环主要包括降水、冠层截留、径流（坡面流、壤中 流和地下径流）、下渗、蒸发（包括土壤蒸发、 ）、下渗 流和地下径流）、下渗、蒸发（包括土壤蒸发、水面蒸 发、植被蒸腾、潜水蒸发）等几个环节。在这几个环节 植被蒸腾、潜水蒸发）等几个环节。 伴随着水量的转化和物质及能量的交换， 中，伴随着水量的转化和物质及能量的交换，同时还受 到气候变化、大气降水动力学过程及流域地形、地貌、 到气候变化、大气降水动力学过程及流域地形、地貌、 人类活动等多种因素的影响。因此， 人类活动等多种因素的影响。因此，流域水循环是一个 十分复杂的过程。 十分复杂的过程。
9.1.1.1 研究进展
分布式水文模型的研究可以认为起始于1969年 分布式水文模型的研究可以认为起始于1969年Freeze 1969 Harlan发表的 发表的《 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。 模型的蓝图》的文章。 后期比较具有代表性的水文模型包括SHE模型、IHDM模 后期比较具有代表性的水文模型包括SHE模型、IHDM模 SHE模型 SWAT模型 THALES模型以及DTVGM模型等 模型、 模型以及DTVGM模型等。 型、SWAT模型、THALES模型以及DTVGM模型等。 进入20世纪90年代以后，随着计算机技术、GIS/RS技术、 进入20世纪90年代以后，随着计算机技术、GIS/RS技术、 20世纪90年代以后 技术 信息技术和通讯技术的发展与普及， 信息技术和通讯技术的发展与普及，分布式水文模型也因此 获得了长足发展。 获得了长足发展。
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9.1.1.2 几点讨论
流域分布式水文模型还有待于进一步完善， 流域分布式水文模型还有待于进一步完善，多 数还存在（或很少考虑）以下几个问题。 数还存在（或很少考虑）以下几个问题。
①分布式水文模型的真实性问题。 分布式水文模型的真实性问题。 ②尺度转换问题（或者模型参数的有效性问题）。 尺度转换问题（或者模型参数的有效性问题）。 ③模型的检验问题。 模型的检验问题。 ④计算时间和数据存储的问题。 计算时间和数据存储的问题。
第九章 分布式水文模拟 技术
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第九章 分布式水文模拟技术
主要内容 9.1 9.2 9.3
分布式水文模型的发展 基于DEM的流域分布式水文模型 的流域分布式水文模型 基于 几个典型分布式水文模型的介绍
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9.1 分布式水文模型的发展
9.1.1 分布式水文模型的研究进展
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流域水循环过程示意图
蒸腾 降水 冠层截留 蒸发
土壤调蓄 地下调蓄 蒸散发 降雨 冠层截留 地表调蓄 河 网 调 蓄
下渗 壤中流
坡面流
径流
河流 基流
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9.2.1.2 流域水循环的数学模拟
由于流域水循环过程极其复杂， 由于流域水循环过程极其复杂，在建立水文模型时 通常对复杂水文现象进行抽象和概化。目前， 通常对复杂水文现象进行抽象和概化。目前，水文模型 的种类繁多，按模型的性质和建模技术可分为： 的种类繁多，按模型的性质和建模技术可分为：实体模 如比例尺模型）、类比模型（ ）、类比模型 型（如比例尺模型）、类比模型（如用电流欧姆定律类 比渗流达西定律的模型）和模拟模型。其中， 比渗流达西定律的模型）和模拟模型。其中，数学模拟 模型是人们最常用的一类水文模型。 模型是人们最常用的一类水文模型。
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TOPMODEL通过土壤含水量（ TOPMODEL通过土壤含水量（或土壤饱和缺水 通过土壤含水量 来确定流域产流面积的大小和位置， 量）来确定流域产流面积的大小和位置，而土壤 饱和缺水量由地形指数计算得到。对于一个单元 饱和缺水量由地形指数计算得到。 流域TOPMODEL的计算流程为： 基于DEM TOPMODEL的计算流程为 DEM计算地形 流域TOPMODEL的计算流程为：①基于DEM计算地形 指数，并求出每类地形指数的面积分布； 指数，并求出每类地形指数的面积分布；②根据 地形指数逐类进行产流计算， 地形指数逐类进行产流计算，得到单元流域的产 流量； 进行单元流域的汇流计算。 流量；③进行单元流域的汇流计算。
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流域分布式水文模型的一般框架
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目前，基于DEM DEM的分布式水文模型主要有两 目前，基于DEM的分布式水文模型主要有两 种建模方式： 种建模方式：
①应用数值分析来建立相邻网格单元之间的时空 关系， SHE模型等 模型等。 关系，如SHE模型等。 ②在每一个网格单元（或子流域）上应用传统的 在每一个网格单元（或子流域） 概念性（或系统理论）模型来推求净雨， 概念性（或系统理论）模型来推求净雨，再进行 汇流演算，最后求得出口断面流量， SWAT模型 汇流演算，最后求得出口断面流量，如SWAT模型 等。
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9.3 几个典型分布式水文模型的介绍
SHE模型 9.3.1 MIKE SHE模型
MIKE SHE是对SHE模型的发展和完善，它能够模拟 SHE是对SHE模型的发展和完善， 是对SHE模型的发展和完善 水循环陆面过程中主要的水文过程包括水量、 水循环陆面过程中主要的水文过程包括水量、水质及 沉积物输移。 沉积物输移。它能用于解决与地表水和地下水相关的 资源和环境问题， 资源和环境问题，以及地表水和地下水之间的动态相 互作用关系。 互作用关系。 典型应用包括：流域规划、供水、灌溉和排水、 典型应用包括：流域规划、供水、灌溉和排水、污 染物堆放场的污染物、农业耕作的影响（ 染物堆放场的污染物、农业耕作的影响（包括农用化学 品和化肥的使用）、土壤和水资源管理、 ）、土壤和水资源管理 品和化肥的使用）、土壤和水资源管理、土地利用变化 的影响、气候变化的影响和生态评价（包括沼泽区域）。 的影响、气候变化的影响和生态评价（包括沼泽区域）。
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分布式水文模型的参数是一个反映流域下垫面 和气象因素空间变化的数集。 和气象因素空间变化的数集。它的确定方法包括：
①在单元上采用传统的概念性模型，不改变原有模型的 在单元上采用传统的概念性模型， 结构和参数， 结构和参数，但每一个单元上水文模型的参数值随空间 变化。参数值的大小根据空间信息图进行分类计算。 变化。参数值的大小根据空间信息图进行分类计算。 ②重新设计单元水文模型的结构与参数。尽量选择或者 重新设计单元水文模型的结构与参数。 重新构造那些既反映空间变化，又具有物理意义， 重新构造那些既反映空间变化，又具有物理意义，且便 于计算的指标作为模型的参数。 于计算的指标作为模型的参数。 ③将原有模型的参数同易于获取的空间指标（主要是通 将原有模型的参数同易于获取的空间指标（ RS影像或者DEM提取的空间指标 影像或者DEM提取的空间指标） 过RS影像或者DEM提取的空间指标）建立起某种对应关 一般是统计关系）， ），从而得到分布式水文模型的参 系（一般是统计关系），从而得到分布式水文模型的参 数计算方法。 数计算方法。