1986年由丹麦水力学研究所、英 国水文研究所和法国SOGREAH合作 开发的SHE(Systeme Hydrologique Europeen）模型是第一个真正意义上 或者说最具有代表性的分布式水文物
理模型；
1979年，Beven 提出的 TOPMODEL是目前最具代表性的半分布式物理水文模型。
垂 向 过 程
坡面径流RO、 暴雨壤中流RH、 直接基流RN、 长期基流RG、 地下水渗流GW
接口
侧向流过程
数据： GIS地图：DEM、土地、植被、土壤、河网、地表水划分、地下水深度等地图； 气象水文等。
分布式模型的构成
➢ 从水平方向将流域划分成一 系列的单元
✓ 单元被看作是一个有物理意 义的流域
✓ 单元流域有自己的物理特性 数据：DEM、植被类型、土 壤类型和降雨量
✓ 单元分成边坡单元、河道单 元和水库单元三种
适当分辨率的DEM对整个流 域进行划分
➢从垂直方向将单元分成三层
✓植被覆盖层（Canopy Layer）：地表 面至树叶顶部的空间区域。假定蒸散发 只发生在植被覆盖层，各单元流域的蒸 散发量之间没有相互影响 ✓地表层（Soil Layer）：地表面往地 下若干深度的浅表土壤层，具有调蓄水 能力 ✓地下层（Underground Layer）：地表 层以下的含水层 ✓对地下层不进行网格划分，整个流域 的地下层看作一个整体
成
流
程
单元积水面积生成
框
流域分水线识别 （自动生成流域）
图
水系生成
（c）按最大可能的水流流向；（d） 生成的水系（数字为汇入的格网数目）
• （2）空间技术与测控技术
•
随着作航天为航一空种科信学息及源遥感，、遥遥感测、技遥术测的技快速术发能展够，提为供获流取大域范围
详内细的的空地间质信地息貌和、资土料创壤造类了型有、利植的被条件、。土近地2利0年用来和，河世界流各水国系都纷
在DEM平台上构建的具有物理基础的松散型分布式流域水文模型
分布式水文模型的几个典例
SWAT
结 构 与 功 能
灌溉
降雨
降水
降雪 雪盖 融雪
下渗 土壤水 土壤水分层（10层） 土壤水蒸发 植物蒸散发 壤中流 渗漏
地表径流 输移损失 池塘/水库调蓄 池塘/水库蒸发
灌溉 池塘/水库出流 池塘/水库渗透
地貌指数，其数学表达式为：lnα/tanβ ， 亦称为“地形指数”， 为单宽集水面积，即 指排向第 点的单宽汇水面积， 为该点处坡角 的正切函数，也即地表坡度 ，地表坡度即表
示单位距离上的势能变化，显然对于坡面流 而言，地表坡度是其最主要的作用力，表示 该点的排水状况， 是一个综合表达式。
TOPMODEL物理概念示意图
浅层地下水
灌 溉 潜水蒸发 渗 透 回归流
深层地下水 灌溉
河流 灌溉用水 输移损失 河段出流量
气象资料
（降水、空气温度等）
DEM
土壤类型
土地利用
蒸散发模块 融雪水模块
土壤水模块
渗漏和地下水模块
地表水模块
河道水模块
湖泊水模块
TOPKAPI模型的模块组成简图
• VIC-3L model
ARC/EGMO模型结构
(3)、分布式参数，反映空间不均匀性：模型参数具有空间 分布特征，它们的空间分布反映了流域下垫面自然条件下 空间分布不均匀程度，同时也反映了流域内不同区域的降 雨径流特性及空间变化规律。
(4)、输出分布，反映不同变化过程：模型输出信息具有 空间分布特征，不仅能输出与集总式流域水文模型相同的 信息，而且能输出诸如植物截留、蒸散发、土壤水分、地 表径流、壤中流、地下径流等水文要素和状态变量的空间 分布场以及任意站点或断面的流量或水文过程。
分布式水文模型的特点
(1)、数字化平台：模型可以在地理信息系统所构建的数字化平 台上运行；计算流域由许多正方形网格或经纬网格单元组成；许 多与降雨径流形成过程有关的流域或水文要素DEM自动生成。
(2)、多信息源，分布输入，应用广泛：可以方便地利用具有空 间分布特征的信息，如天基（卫星、遥感）、空基（航测）、地 基（雷达、遥测、地面）观测的不同时空尺度的能量、水分等多 源信息进行洪水预报、水资源评价、水质及生态模拟；气候变化 及人类活动对水文水资源、水环境影响等方面的研究与应用；利 用流域下垫面的空间分布信息确定或检验所构建模型的参数，包 括集总式流域水文模型和分布式流域水文模型。
降雨量
降水-径流 空间分布图
产水量
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产沙量 总氮
产沙量的空间分布
污染负荷 空间分布
总磷
17
GIS耦合的流域水文模型结构图
GIS
流域水文模型
流域DEM 数字化特征
数字化河网
产汇流机制 模型结构
模型参数率定
数据管理 空间分析 图形显示
模型检验 模型包装输出
RS
下垫面特征 土壤植被 土地利用 降水蒸发
3 分布式水文模型
传统的流域水文模型大多数是集总式流域水文模型。
• 集不同总的式集流总式域流水域文水模文模型型一虽般然都各自不具具有备不从同的机结制构上和考参数虑，降但雨最和基本下的特 垫面征条是件将流空域间作分为布一个不单均元对体流模拟域，径在流产形汇流成等影环响节的上采功用能概，念使性模其拟在或经验 模拟函流数域关系降的雨描径述流，对过模程型中输必入的然空存间在分一散性定和的不局均限匀性性没。有充分考虑。
遥感观测资料：同步卫星、轨道卫星、MODIS等。
分布式水文模型的技术支撑
•GIS（能1够）处理地不理同信源的息数系据：统地（图、GI航S空)技照片术，卫星影像和研究区的检
测与实测数据，其在水文模型中一下几方面能发挥重要作用：
•（和1）数管理据G空I库S间数管是据理一；技种术融为合一现体代，计对算现机实图世形界学 （各2）类由基空础间数据数层据生成及新描数述据层这；些空间数据的属 （性3）进为模行型采参数集的、自动储获存取、提供管可理能；、运算、分析、
至今，国内外的水文学家们相继提出了一系列的分布式水文模型，SHE
模型就有不同的版本，如MIKESHE、SHETRAN等，较为常见的还有TOPKAPI、
DHSVM。
分布式水文模型的应用
（1）水资源评价 （2）节水灌溉 （3）土壤侵蚀 （4）地表水污染 （5）地下水污染 （6）洪水实时预报 （7）土地利用变化 （8）生态 （9）气候变化影响 （10）人类活动影响。
纷等开发众了多各下具垫特面色信的息资源；遥也感可卫以和较多为波段全传面感、器准，确使地多测传感定器估、算高光
谱蒸、多散时发角、、土多壤时含相水、高量分和辨可率能的形卫成星降影像雨数的据云越中来水越汽丰富含。量。
发达国家
中国
中国
中国

二十世纪七十年代 二十世纪八十年代 二十世纪九十年代
二十一世纪
超短波
超短波
模型考虑了蒸散发、植物截留、坡面和河网汇流、土壤 非饱和流近年和来饱，和伴流随着、水融文雪理径论的流发、展地和表高新和技地术下在水水文交学换科等领水域的文广过泛应 程。用，为分布式流域水文模型的研制和应用提供了重要的理论和技术支撑，使
模分布型式的流参域水数文从模观型测的研资制料和中应分用取析得得了到令。人鼓舞的进展，分布式流域水文 流模型域已特成性为当，今降水水文和水资流源域科响学应领域的中空研间究分的热布点信之息一在。 垂直方向用 层来表示，水平方向采用正交的长方形网格来表示。
2
4
8
River network
1
3
6
10
17
5
controlled by dams
7
11
22
& floodgates
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13
14
16
21
23
25
15
9
18
20
24
19
水
输入DEM
系
和
流
数据预处理（洼地填平）
域
生
单元格网流向确定
（a）8个可能的水流流向；（b）高 程格网（数据为格网中心位置的高程）
分布式模型的技术支撑
（1）建立分布式水文模型的平台——地理信息系统； （2）获得大范围空间信息和资料的方法—卫星遥感； （3）计算机与计算技术；
目前人们把数字高程模型资料，作为地理信息系统数据库的基本 信息来源。常用的ARC/Iofo GRID可提供基本的地形分析算法，另外 还可生成一些反映流域水文特性的地貌参数。
海事卫星
北斗卫星 海事卫星 全线通
GSM GPRS PSTN
• （3）计算机与计算技术
•
由于描述描降述雨河径道流水形流成运机动制的的圣常维微南分或方偏程微组分在方数程组及其定解
条解件析通解学 无常。法上都求属为非得于线其非性解线的析性，解双而。曲且数型一值偏般方微都法分很求方复解程杂就，，是迄数按今学某尚上无法求得其
一差分格式对微分方程进行离散，用差分方
程代替微分方程并求出其数值解。
•
随着计算机应用技术和计算数学理论的不断发展，不
仅提高了分布式流域水文模型的分辨率和模型的综合性与
复杂性，而且为用数值方法求解模型中所涉及到的描述植
物截留、蒸散发、坡面水流、河道水流、土壤水、地下水
流和融雪径流等物理过程的微分方程组奠定了基础。
（显4）示为水和文描建模述提的供方技便术；系统。
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源头子流域 河段子流域
•（基5）本GIS的有利信于息分析源计—算的—过程及结果可视化表达。 7
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GIS技术使人们有了强有力的工
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