四种水文模型的比较

四种水文模型的比较摘要：水文模型是用数学的语言对现实水文过程进行模拟和预报，在进行水文规律的探讨和解决水文及生产实际问题中起着重要作用。本文分别介绍了新安江模型、萨克拉门托（SAC）模型、SWAT模型以及TOPMODEL模型，并对这四种水文模型的蒸发计算、产流机制、汇流计算、适用流域、参数以及模型特点等不同方面进行了比较分析。并结合对着4种模型之间的比较，作出了总结分析和展望。关键词：新安江模型；SAC模型；SWAT模型；TOPMODEL模型；模型比较引言流域水文模型在进行水文规律研究和解决生产实际问题中起着重要的作用。新安江模型是一个概念性水文模型，1973年由赵人俊教授领导的研究组在编制新安江预报方案时，汇集了当时在产汇流理论方面的成果，并结合大流域洪水预报的特点，设计出的我国第一个完整的流域水文模型，至今仍在我国湿润和半湿润地区的洪水预报中得到广泛应用；萨克拉门托水文模型，简称SAC模型，是R.C.伯纳什（Burnash）和R.L.费雷尔（Ferral）以及R.A.麦圭儿（Mcguire）于20世纪60年代末至70年代初研制的，是一个连续模拟模型，模型研制完成时间相对较晚，其功能较为完善，兼有蓄满产流和超渗产流，广泛应用于美国水文预报中；SWAT模型是美国农业部农业研究中心研制开发的用于模拟预测土地利用及土地管理方式对流域水量、水质过程影响的分布式流域水文模型；TOPMODEL为基于地形的半分布式流域水文模型，于1979年由Beven和Kirkby提出，其主要特征是将数字高程模型（DEM）的广泛适用性与水文模型及地理信息系统（GIS）相结合，基于DEM数据推求地形指数，并以此来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响，描述水流趋势。本文对这四中水文模型从蒸发计算、产汇流计算、适用流域以及参数等方面进行分析比较，并得出结论。1模型简介1.1新安江模型新安江模型是赵人俊等在对新安江水库做入库流量预报工作中，归纳成的一个完整的降雨径流模型。20世纪70年代初提出了新安江二水源模型，80年代提出了新安江三水源模型。新安江模型可用于流域的降雨-径流的洪水模拟和预报以及水资源模拟，主要适用于我国湿润和半湿润地区。新安江模型是一个分散性模型，把流域分成多块，对每块分别计算产汇流，总和后求得出口断面流量过程。模型有蒸散发、产流、分水源和汇流4个模块，产流计算采用蓄满产流模型，将水源划分为地表径流、壤中流和地下径流3种，流域汇流计算采用线性水库法和瞬时单位线法，河道汇流计算采用马斯京根分段连续演算法或滞后演算法。新安江模型的结构特点可简单归纳为：①三分特点，即分单元计算产流、分水源坡面汇流和分阶段流域汇流；②模型参数少且大多数具有明确的物理意义，容易确定；③模型参数与流域自然条件的关系比较清楚，可以寻找到参数的区域规律；④模型中未设超渗产流机制，适用于湿润与半湿润地区。1.2SAC模型萨克拉门托流域水文模型，简称SAC模型，是美国天气局水文办公室萨克拉门托预报中心于20世纪70年代研制成功的，属于集总参数型的概念性水文模型。SAC模型功能比较完善，既能应用于大中小流域，又能适应湿润地区和干旱地区，能取得较好的效果。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。SAC模型的结构可以简单的归纳为：①蓄满产流与超渗产流兼有，流域分单元和总径流分水源；②模型参数虽有物理意义，但参数多，难于优选，产流计算复杂，汇流计算相对简单；③模型中设有超渗产流机制，可以根据不同的地理条件，采用不同的参数组合，描述不同的产流机制，在湿润与半湿润地区以蓄满产流为主，在干旱与半干旱地区以超渗产流为主，其适应范围广。1.3SWAT模型SWAT模型是美国农业部农业研究中心研制开发的用于模拟预测土地利用及土地管理方式对流域水量、水质过程影响的分布式流域水文模型。该模型具有较强的物理机制，可以模拟流域内发生的多个水文物理化学过程，如径流、泥沙、营养物质以及杀虫剂的输移，并在流域产汇流计算、水土流失、面源污染、土地利用等多个领域得到广泛应用。作为一个半分布式的水文模型，SWAT首先将整个研究流域按一定的子流域面积阈值划分为若干个子流域。在此基础上进一步按土地利用和土壤面积阈值划分水文响应单元（HRU），并采用概念性模型来估算HRU上的净雨、计算产流量和泥沙、污染物质产生量；然后进行河道汇流演算，最后求得出口断面流量、泥沙和污染负荷。SWAT模型的特点可以概括为：①对大流域的计算效率高；②连续模拟，能够模拟长期管理变化的影响；③模型将流域划分为多个子流域进行模拟提高了水文模拟的精度，降低了空间差异的影响。1.4TOPMODEL模型TOPMODEL是基于地形的半分布式流域水文模型。TOPMODEL的主要特征是利用地形指数来反映流域水文现象，即以地形指数的空间变化来模拟径流产生的变动产流面积，尤其模拟地表或地下饱和水源面积的变动。TOPMODEL模型的主要特点是：①考虑了流域地形、地貌、土壤等因素对径流形成的影响；②将集总式水文模型计算和参数方面的有点与分布式水文模型物理基础好的有点结合在一起；③模型结构简单，参数少，物理概念明确。2模型比较2.1蒸发计算方面新安江模型没有考虑流域内土壤含水量在面上分布的不均匀性，而是按土壤垂向分布的不均匀性将土层分为3层，用3层蒸散发模型计算蒸散发量，其实际蒸发量的大小主要由流域平均张力水容量WM，上层张力水容量UM，下层张力水容量LM，深层张力水容量DM，蒸散发折算系数KC和深层蒸散发扩散系数C这几种因素来控制的；SAC模型的流域蒸散发能力有蒸发观测值经地形、高程、季节等校正后得到。蒸散发与蒸散发能力和土壤含水量成正比；SWAT模型建立了潜在蒸散量与土壤含水量和有效水的函数方程来计算实际蒸散量，模型首先计算出潜在蒸散量，然后分别计算土壤蒸发和植物蒸腾，最大土壤水分蒸发由潜在蒸散量和叶面积指数方程计算，实际土壤水分蒸发考虑了土层深度和含水量的影响；在TOPMODEL中，蒸发至发生在植被根系区，实际蒸发量的大小主要由植被根系区缺水量与根系区最大容水量之比来控制，并通过地形指数在空间上的分布来考虑植被根系区缺水量在面上分布的不均匀性。2.2产汇流计算方面新安江模型先进性汇流计算，即计算出总径流量，然后通过自由水蓄水库结构进行3种水源划分，以进行接下来的汇流计算；SAC模型中流域被划分为透水、不透水及变动不透水面积三部分，透水面积为主体，汇流计算分为坡面汇流和河网汇流两部分，一般采用无因次单位线，总的来看是一个分—总的过程；SWAT模型中主河道汇流计算可采用变动存储系数法或马斯京根方法；TOPMODEL按照地下水深在空间上的分布及变化判断出源面积，并将壤中流和饱和坡面流分开计算，最后汇总到流域总径流中，即先划分水源再进行产流计算，汇流方面TOPMODEL嘉定汇流流苏在子流域内是不变的，通过等流时线法建立距离-累计面积曲线。2.3适用流域方面由于新安江模型产流采用的是蓄满产流的概念，所以该模型主要适用于湿润和半湿润地区，但我国的洪水预报中也将其应用到了半干旱的黄河、海河等流域；由于SAC模型在产流中上下土层采用下渗的概念，从理论上说该模型适用于湿润、半湿润及半干旱地区；SWAT模型是适用于较大流域尺度的水文模型；TOPMODEL主要通过流域含水量或缺水量来确定源面积大小和位置，从理论上说其适用于湿润及半湿润地区。2.4参数方面新安江模型和SAC模型有17个主要参数，分别包括蒸发层参数、产流和划分水源层参数和汇流层参数；SWAT模型10个主要参数，分别包括径流曲线数CN、土壤有效含水量SOL-AWC、土壤蒸散发补偿系数ESCO、基流因子ALPHA-BF、地下水蒸发系数GW-REVAP、浅层含水量中再蒸发或下渗的地下水深度阀值REVAPMN、回归流产生所需地下水深阀值GWQMN、最大融雪度日影子SMFMX、侧向流移动时间LAT-TIME以及地表径流延迟系数SURLAG；TOPMODEL模型有9个参数，分别为根系区最大蓄水容量Srmax、重力排水的时间滞时参数Td，非饱和区最大蓄水容量Szm、土壤刚打到饱和时导水率的自然对数的流域均值T0、调整初始时刻根系区平均土壤缺水量的经验系数B、河道汇流的有效速度Rv、有效地表汇流速率CHv、马斯京根法演算参数x、子流域出口断面距总流域出口断面的河段数。可以看出TOPMODEL和SWAT模型的优选参数比新安江模型和SAC模型要少很多，且大多数参数都有较为明确的物理概念，所以在进行模型率定时，TOPMODEL和SWAT模型先对来说较为简单方便。3总结分析不同的流域水文模型在建模思路、产汇流机制描述、计算单元划分、求解方法等方面存在较大差别。这些差别导致研究者在建模时形成各自的描述方式和特色，并由此研制了不同的流域水文模型。新安江模型、SAC模型、SWAT模型以及TOPMODEL模型的各方面对比分析如表1所示。表1四个模型对比结果统计模型新安江模型SAC模型SWAT模型TOPMODEL模型模型功能流域产汇流计算流域产汇流计算流域产汇流计算，水土流失和面源污染模拟，土地利用及土地管理方式预测流域产汇流计算，水土流失和面源污染模拟流域划分自然流域划分法泰森多边形法等透水面积不透水面积变动不透水面积自然流域划分法泰森多边形法等自然流域划分法泰森多边形法等产流机制蓄满产流蓄满-超渗产流兼容蓄满-超渗产流兼容蓄满产流汇流计算瞬时单位线阀、线性水库法瞬时单位线法、马斯京根法变动存储系数法、马斯京根法等流时线法参数17个17个10个9个模型特点适用于湿润地区与半湿润地区的湿润季节考虑土壤水分的渗透作用，适用于超渗产流地区，参数较多，难以调试基于物理机制使用常规数据，计算效率高可模拟长期影响半分布式水文模型，适用于湿润地区与半湿润地区从上表可以将四个模型的比较总结归纳为以下几点：①在模型功能方面，新安江模型、SAC模型的主要功能都是流域的产、汇流计算，而SWAT模型和TOPMODEL模型的功能除具有流域产、汇流计算的功能外，还可以模拟流域内发生的多个水文物理化学过程。②在产流机制方面，新安江模型、TOPMODEL模型主要计算蓄满产流；而SWAT模型和SAC模型则既可计算超渗产流，又可计算蓄满产流。③在参数率定方面，新安江模型、SAC模型参数比较多，TOPMODEL相对来说属于参数较少的，所以在进行模型率定的时候，TOPMODEL相对来说较为简单方便。4存在问题及展望总而言之，新安江模型属于集总式流域水文模型，存在着集总式流域水文模型的问题，即使用精度往往不能令人满意；SAC模型虽然在干旱半干旱地区和湿润地区都具有较好的适用性，但模型的参数独立性差，最优解不唯一，参数的自动优选问题很难解决；SWAT模型是一个以模拟长时间段为主的分布式水文模型；TOPMODEL一个突出的特点就是模型结构简单，物理概念明确，优选参数少，结构化的程序语言使其很容易根据实际情况调整结构，模型在应用时仅需DEM图和基本的水文资料(降水、蒸发、流量)，甚至可用于无资料地区。参考文献[1]李致家，孔凡哲，陈骥，等.现代水文模拟与预报技术[M].河海大学，2010.[2]赵人俊.流域水文模拟—新安江模型与陕北模型[M].北京：水利电力出版社，1984.[3]郭方，刘新仁，任立良.以地形为基础的流域水文模型[J].水科学进展，2000，11(3)：296-301.[4]陈红刚，李致家，李锐，等.新安江模型、TOPMODEL和萨克拉门托模型的应用比较[J].水力发电，2009，35(3)：14-25.[5]刘青娥，左其亭.TOPMODEL模型探讨[J].郑州大学学报(工学版)，2002，23(4)：82-86.[6]DuanJ，MillerNL.AgeneralisedpowerfunctionforthesubsurfacetransmissivityprofileinTOPM