2.4 各类流域水文模型介绍

2.4.1 流域集总式模型

集总式流域水文模型的最基本特征是将流域作为一个整体来模拟其径流形成过程。不同的集总式流域水文模型尽管具有不同的模型结构和参数，但其本身都不具备从机理上考虑降雨和下垫面条件空间分布不均对流域径流形成的影响，模拟结果只要求符合流域出口断面实际发生的流量过程，而不一定追求中间过程的真实性。就模型结构而言，现有集总式流域水文模型绝大多数都是由概念性元素按径流形成过程组合而构成的。这些概念性元素可归纳为6类，即表示蒸散发作用的概念性元素、表示产流机制的概念性元素、表示下垫面特征不均匀性的概念性元素、表示坡面汇流的概念性元素、表示多孔介质水流汇集的概念性元素、表示河网汇流的概念性元素等。不同的概念性集总式流域水文模型在结构上的区别就在于采用的概念性元素的不同及其组合方式的不同。从确定总径流量及其组成成分看，现有集总式流域水文模型中概念性元素的组合方式几乎只有两类：①先确定总径流量，然后划分径流成分，并按不同径流成分进行汇流计算，通过叠加得到流域响应；②划分径流成分与对不同径流成分的汇流计算同时进行，然后得到流域响应。对现有概念性集总式流域水文模型所包含的参数，可以按不同的观点进行分类。

若按参数所具有的意义，则可以分为几何参数、物理参数、经验参数等。若按参数在径流形成中所起的作用，则可以分为蒸散发参数、产流参数、分水源参数、汇流参数等。若按对流域响应计算精度的影响程度大小，则可分为敏感性参数和不敏感性参数。若按确定参数的方法，则可分为直接测量参数、试验分析参数和率定参数。现有概念性集总式流域水文模型所包含的参数，具有明确物理意义的较少，通过物理方法确定的更少，大多数参数都要依靠率定方法确定。目前率定参数的基本思想是：要求所确定的参数必须使计算的流域响应误差最小或与实测的流域响应拟合最佳（曹玉涛，2008）^［4］。

2.4.1.1 新安江模型

新安江模型创始于20世纪60年代，它把全流域分成多个单元流域，在每一个单元流域内，降水经过蒸散发的消耗后，以蓄满产流的方式经产流量水源划分后对各单元流域进行产汇流计算，得出单元流域的出口流量过程；再进行出口以下的河道洪水演算，把各个单元流域的出流过程相加，就求得了流域的总出流过程。模型主要适应于湿润与半湿润地区，其主要特点是应用了蓄满产流与马斯京根汇流概念，有分单元、分水源、分汇流阶段的特点，并且结构简单，参数较少，各参数具有明确的物理意义，计算精度较高，在国内外水文预报工作中有较好的应用（芮孝芳等，2006）^［5］。

新安江模型研究概括起来可以分为二水源新安江模型、三水源新安江模型和新安江模型改进研究。

二水源新安江模型包括直接径流和地下径流，水源划分采用的是稳定下渗法，直接径流坡面汇流采用单位线法，地下径流坡面汇流采用线性水库法。

二水源新安江模型在应用中常遇到降雨空间分布不均匀和稳定下渗率参数随洪水变化而变化两个问题，提出三水源划分方法和以雨量站划分产流计算单元，再结合二水源新安江模型其他结构构成三水源新安江模型。

三水源新安江模型结构与二水源模型比较，主要有水源划分和产流计算单元划分两方面的改进，以及由此引起的整个模型结构由二水源模型的集中式变为积木式组合。三水源新安江模型结构的主要特点是考虑了3个不均匀性和两个差异，即考虑降雨空间分布不均匀采用分单元产流计算，考虑土壤蓄水量和自由水蓄量的空间变化分别采用蓄水容量和自由水容量分布曲线，考虑流域调蓄对坡面不同水源汇流作用和坡面汇流与河网汇流的差异分别采用分水源和分阶段汇流（赵串串等，2007）^［6］。

三水源新安江模型的特点是认为湿润地区主要产流方式为蓄满产流，所提出的流域蓄水容量曲线是模型的核心。近几十年，新安江模型不断改进，已成为有我国特色应用较为广泛的一个流域水文模型。新安江模型是分散型模型，把全流域按泰森多边形法分成若干块，每一块称为单元流域。在每块单元流域内至少有一个雨量站；单元流域大小要适当，使得每块单元流域上的降雨分布相对比较均匀，并尽可能使单元流域与自然流域的地形、地貌和水系相一致，以便于能充分利用小流域的实测水文资料以及对某些问题的分析处理。新安江模型的结构分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流计算4个层次。蒸散发计算采用3层模型；产流计算采用蓄满产流模型；用自由水蓄水库结构将总径流划分为地表径流、壤中流和地下径流3种；流域汇流计算采用线性水库法；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。

对划分好的每块单元流域分别进行蒸散发计算、产流计算、水源划分计算和汇流计算，得出单元流域的出口流量过程。对单元流域出口的流量过程进行出口以下的河道汇流计算得到该单元流域在全流域出口的流量过程。将每块单元流域的出流过程线性叠加，即为全流域出口总的流量过程。

新安江模型的结构特点可以简单地归纳为：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（徐宗学，2009）^［7］。

2.4.1.2 WRAP模型

WRAP模型是由斯得哥尔摩环境署（SEI）研发的基于水资源有限分配制度模拟一个流域或多个流域水资源分配与管理的水权分析模型。该模型的起源可归于20世纪70年代得克萨斯州水权许可系统的实施，以及90年代末期该州水资源管理机构和美国地质调查局“优化得克萨斯州水库管理”项目中研发的WAM模型，只要输入流域的相关资料，WRAP模型便可以应用到河流、水库和其他相关的用水系统。

水权分析模型是将一个流域的自然水文和人类水资源管理两方面的信息结合起来，把河流、水库使用系统的空间配置模拟为一组控制点，模拟成果包括：所有控制点调节流量和非专用流量的月序列、水库蓄水量、水库净蒸发量、供水的引水和缺水量、所生产的电量和短缺量，以及其他变量。

WRAP模型将流域水文分为天然径流、水库净蒸发降雨率和渠道损失三大部分。在WRAP模型中，一个水权是一系列的水管理权能和使用要求，水权分配是按照用户预先设定的水权优先顺序进行的。水权包括不同用水户水的分配量、回归水（指经过用水系统使用后重新排入径流的水量）、河道内生态环境用水、水力发电、洪水控制、水库蓄水、河道外蓄水、流域内和跨流域调水等方面。WRAP模型的模拟结果包括各用水户的水权保证率、天然径流、调度径流（指满足所有水权需水要求之后的物理径流，等于实际径流减去水权目标分水）、未分配流量（指多余的未被利用的那部分天然径流，等于天然径流减径流消耗再加所有的水权的回归流得到的最终值）、缺水量、消耗径流等。

WRAP模型主要由3个功能不同的计算机程序模块组成，在Microsoft Windows操作系统下借助WinWRAP用户界面运行。HYD模块用于创建模型运行所需要的水文输入文件，为SIM模块的执行做准备；SIM模块是核心的模拟程序；TABLES模块是模拟后程序，用于为用户组织模拟结果，包括天然径流、调度径流、未占用径流、径流消耗、目标分水量、实际分水量、缺水量等。

WRAP模型运用时用到的辅助程序主要有以下3个。

（1）Microsoft相关程序。如Windows、Excel、写字本、记事本、Word等。

（2）HEC-DSSVue程序。HEC-DSSVue（HEC-DSS Visual Utility Engine）可用于HEC-DSS文件中数据的显示、编辑以及其他操作。HEC-DSS具备图表和数据管理能力，可同时为多个模拟模型服务。

（3）ArcGIS。ArcGIS可以产生WRAP模型的输入数据集，并能通过ArcMap展示模拟结果图（王红瑞等，2010）^［8］。

WEAP模型是按照月水资源平衡原理计算的，能够灵活适应各种用水单位的发展需要。模型在南非Olifants河流域应用中，主要讨论了14个灌区、2个城市、16个矿区和1个水库的用水，对以上这些主要用水部门，再分别讨论以上每个用户的用水效率、年用水量、月用水量的变化情况等。应用结果说明，在流域没有太多水库的情形下，用水部门和管理部门更依赖于流域水环境的流速流量。为此，在极端水文现象经常出现的南非地区，很难明确区别丰水年、平水年和枯水年这一概念，很难预测流域未来的水文现象，限制了模型的广泛应用。

WEAP模型具有灵活而友好的用户接口，主要实现供水、需水、水质和生态保护的水资源系统模拟。WEAP模型既可作为数据库系统存储基准年的用水需求、污染负荷、资源和供给等信息，也可作为预测工具模拟水的需求、供给、流量和存储，以及产生的污染、处理和排放过程。WEAP模型与其他水资源规划模型的主要区别在于模拟水系统的综合方法和政策导向功能。模型综合考虑水资源的需求端（用水模式、设备效率、回用、价格和分配策略）与供给端（包括地表水、地下水、水库和调水）。WEAP模型主要由5个主要接口显示部分构成：概化图、数据、结果显示、总览和注释。模型应用的主要步骤包括定义时间跨度、空间范围、水资源系统组分、问题概化、计算与分析（胡立堂等，2009）^［9］。

2.4.2 流域分布式模型

与传统的集总式模型相比，分布式水文模型考虑了流域内部各地理要素的空间异质性，能够反映水文水资源要素在空间上的变化，能够进行下垫面变化条件下的计算，特别是它具有更多的模拟功能，即能够把单一水量变化的模拟扩大到广泛的水文水资源与生态环境问题模拟，而这些是基于经验与黑箱方法的集总式水文模型所难以实现的。分布式水文模型通过将研究区域划分为大量的水文计算基本单元（如栅格、不规则三角网、水文相似单元、子流域等）来考虑各种水文响应影响因素的空间分布，并以GIS、RS、雷达以及全球气候模式（GCM）、数值天气预报等空间分布的信息为数据源（图2.4），可以在一定程度上解决无资料或缺资料地区的水文模拟问题。分布式水文模型以其可以充分利用多源信息的优势，可以较为方便地用于研究下垫面变化对水文循环过程以及水资源的影响；以其结构优势，便于与气候模式和气象模式耦合，进一步研究气候变化对水资源的影响；同时，分布式水文模型的数据源输入多为分布式的，它可以充分考虑降水、气温等气象影响因素的空间分布，进一步确定径流、水资源的空间分布，为水资源的管理和水灾害的防治提供必要的信息和参考。

图2.4 水文模型的信息环境

分布式水文模型一般建立在DEM基础上。通过DEM可以提取包括流域网格单元的坡度、坡向以及单元之间的拓扑关系等大量的陆地表面形态信息，同时根据一定的算法可以确定出地表水流路径、河流网络、流域的边界和划分子流域。在DEM所划分的流域网格单元上建立水文模型，根据遥感、地理信息、土地利用、植被、土壤、地质、水文气象信息，综合考虑模型的物理参数，通过参数优选技术确定所有的模型参数。

最新发展的流域分布式模型有GGNPS、ANSWERS、MATSALU、SWAT、STREAM和SWIM等模型。

2.4.2.1 全分布式水文模型

1.AGNPS模型

AGNPS模型是由美国农业研究局与明尼苏达污染物防治局共同研制出的计算机模拟模型。模型由水文、侵蚀、沉积和化学传输四大模块组成，水文模块中采用径流曲线数（SCS curve number）方法计算径流总量；侵蚀模块采用改进的通用土壤流失方程计算土壤侵蚀量；泥沙传输模块采用稳态的连续性方程模拟流失的土壤在流域内的传输情况，并计算流域最终泥沙的输出量。

AGNPS模型在意大利Alpone流域的应用中，评价了流域径流、土壤侵蚀以及由此引发的面源污染问题，Alpone流域1992—1993年20个径流事件的模拟结果表明，观察结果与预测结果有一定线性递减关系，而且径流事件观察结果的平均值与预测平均值的差值是0.06；Alpone流域的侵蚀事件观察结果的平均值与预测平均值的差值是0.26；Alpone流域7个营养元素污染事件考察结果表明，N和P观察结果的平均值与预测平均值的差值是0.147和0.146。

AGNPS模型在我国的应用目前还只限于南方地区，这与我国南方地区人口密集，农业生产集约化程度高，由此引起的湖泊富营养化程度严重等特点有关。

AGNPS模型在应用中虽然取得较好的效果，但由于它是单事件模型，在应用中有许多局限性，因此20世纪90年代初，美国农业部自然资源保护局与农业研究局转向开发连续模拟模型、AnnAGNPS模型。

2.SWAT模型

SWAT模型是由美国农业部农业研究中心开发的流域尺度模型。SWAT模型主要基于SWRRB模型，并且吸收了CREAMS模型、GLEAMS模型、EPIC模型和ROTO模型的主要特征。SWAT模型用于模拟地表水和地下水的水质与水量，长期预测土地管理措施对具有多种土壤、土地利用和管理条件的大面积复杂流域的水文、泥沙和农业化学物质产量的影响，主要包括水文过程子模型、土壤侵蚀子模型和污染负荷子模型。

SWAT模型计算涉及地表径流、土壤水、地下水、河道和蓄水体汇流。模型结构框图如图2.5所示（李峰等，2008）^［10］。

水量平衡在SWAT模型流域模拟中十分重要，流域的水文模拟可以分为两个主要部分：第一部分为水文循环的陆地阶段，控制进入河道的水、泥沙和营养物以及杀虫剂的量；第二部分为水文循环的河道演算阶段，可以定义为水和泥沙等在河道中运动至出口的过程。

SWAT模型在进行产汇流及污染物演算之前，首先借助于ArcView或ArcGIS9.x对空间属性进行处理并构建其他属性数据库。产汇流计算涉及地表径流、土壤水、地下径流及河道汇流过程等环节。

SWAT模型按照子流域/水文响应单元计算指令进行分布式产流计算，通过汇流演算命令，运行河网及水库模拟汇流过程；通过叠加命令，把实测的数据和源数据输入到模型中同模拟值进行比较；通过输入命令，接受其他模型的输出值；通过转移命令，把某河段（或水库）的水转移到其他河段（或水库）中，也可以直接用作农业灌溉。

SWAT模型的优点：给予物理过程、输入数据易取、运算效率高，能够进行连续长时间的模拟，并且可将流域划分为多个亚流域进行模拟等。

图2.5 SWAT模型结构示意图

3.SWIM模型

SWIM模型是在SWAT和MATSALU模型的基础上开发的，SWIM模型保存SWAT和MATSALU模型的优势和特色，主要目标是提供一种基于GIS的综合水文和水质的中尺度（100～10000km²）流域模型。与SWAT模型相比，SWIM模型为日步长模型。该模型集成了水文、植被、土壤侵蚀和N元素转移转化的动力学原理。其模块有来自MATSALU模型的三水平空间离散化和营养物N元素模拟模块，有改良的GARSS界面，有水文模块，有从属于SWAT模型的河流演进模块。模型为中尺度流域的N元素模拟提供了一种有效的方法。在易北河（流经中欧）流域5个面积大小相差很大（64～250km²）的子流域开展了模型的可移植性研究，每个子流域具有不同土壤、不同空间分辨率等条件，结果表明模型对中尺度流域由于气候变化和土地利用类型变化而引发的水质问题，有很强的分析能力。

4.SHE模型

SHE模型是第一个真正的或具有代表性的分布式水文模型，由英国、法国、丹麦的科学家联合研制而成，发布于1986年。

SHE模型是基于物理机制的模型，意味着各种水流过程都以有限差分来描述质量、动量及能量的偏微分方程，或通过独立实验得出的经验公式来描述。模型参数具有物理意义并且可以通过测量进行估计。将流域划分为网格，并在垂直方向上将每个网格划分为若干水平层，这样通过输入流域属性及降水等数据就可以得到流域的水文响应过程。河道系统通过网格边界来描述。在水资源工程中，建模的复杂程度取决于各种条件，如可用数据、问题类型、需求精度、计算条件以及经济条件等。通过结构化的程序、模块化设计及嵌入不同水平的过程模型等，SHE模型包含了不同复杂程度的模块，在应用过程中可根据可用数据或建模目的的不同选择复杂程度不同的模型。在模型软件中，每个水文和输送过程都有自己的模块，并且所有模块的模拟操作都受到中央模块的控制。

模型的子模块包括：蒸散发、截流、坡面流和河道水流、非饱和流、饱和流、融雪以及河道与含水层之间的交换模块，除此之外，还包括一个总体的控制框架模块。

5.MIKE SHE模型

MIKE SHE模型是一个功能强大的以物理过程为基础的充分集成的模型，可用于水文系统的三维模拟。MIKE SHE模型利用空间分布的、连续的气象数据模拟湿润和较干旱地区的综合水文学、水力学和运移的问题。

模型将研究流域分成若干方格或矩形格。这些网格是模型最基本的计算单元，网格之间在进行模拟时通过不同的水分物理方程建立联系，采用有限元的方法解决地表水、地下水运动的数学模拟问题。

模型的基本框架和原理：由于流域下垫面和气候因素具有时空异质性，为了提高模拟的精度，网格划分视流域面积大小、下垫面的状况以及要求模拟的精度而定。在MIKE SHE模型中一个流域被沿水平方向划分成一系列的相互联系单元（grid），各自具有不同的物理参数，应用数值分析的方法建立相邻网格单元之间的时空关系，它在平面上把流域划分成许多正方形网格，这样便于处理模型参数、数据输入以及水文响应的空间分布性；而在垂直方向又被划分成若干层（zone），包括冠层、不饱和层和饱和层，以便处理不同层次的土壤水运行问题。它所反映的流域水文过程主要包括降水（含降雨和降雪）、蒸散发、植物冠层截留、地表汇流、河道汇流、非饱和壤中流和饱和地下径流等过程，每一个子过程分别进行计算建模。

在MIKE SHE模型软件开发过程中，依照DHI强大的模块化设计思想，将每一个子过程分别设计成一个软件模块，每一模块仅执行一个子过程的计算，现在的软件版本通常具有一个以上的计算模型或方法。

这样的组件式结构，不仅符合现代的软件结构化设计的思想，而且应用灵活：子模块可单独使用，也可根据需要进行耦合或者叠加（万增友，2011）^［11］。

应用范围：MIKE SHE模型已广泛应用于与地表水、地下水以及它们之间的动态交互作用有关的水资源和环境问题，包括流域规划、灌溉和排水、水资源管理、农业生产的影响（农用化学品和肥料）、土地利用变化的影响、气候变化的影响及生态评价等。MIKE SHE模型也可连接到MIKE SHE污水管网模型，用来模拟城市雨水、生活污水管网和地下水以及它们的相互作用。MIKE SHE模型还适用于各种空间尺度描述，小到估算庄稼需水量的单个土壤剖面，大到包含若干子流域的较大区域。MIKE SHE模型已在许多研究和咨询项目中体现出巨大价值，涵盖了大量的气候和水文环境（姚建等，2012）^［12］。

MIKE SHE模型的特点：①高度灵活性，包括简单和高级过程描述，充分提高计算效率；灵活的模块结构，只需模拟必要的过程；轻松链接区域性和局部性的模型。②MIKE SHE模型通用性可链接ArcView进行GIS高级应用；包括可代替过程描述，用于不同应用；包含一个与MODFLOW和MODFLOW-HMS的接口。③简单操作性，MIKE SHE模型带有一个新的先进的用户界面，可以进行链接原始数据而不是输入数据；包含一个动态数据树，可以精确浏览所有数据；带有自动的数据和模型验证程序；支持复杂输出，包括动画演示。

6.SWMM模型

SWMM模型是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质。其径流模块部分综合处理各子流域所发生的降水、径流和污染负荷。其汇流模块部分则通过管网、渠道、蓄水和处理设施、水泵、调节闸等进行水量传输。该模型可以跟踪模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水质和水量，以及每个管道和河道中水的流量、水深及水质等情况。

SWMM模型自1971年开发以来，已经经历过多次升级。在世界范围内广泛应用于城市地区的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道以及其他排水系统的规划、分析和设计，在其他非城市区域也有广泛的应用。当前最新版本5.0是在以前版本的基础上进行了全新升级的结果，最新的版本开发由国家环境保护署国家风险管理研究中心实验室下属的供水和水资源研究中心资助，同时也得到了来自CDM咨询公司的协助。可以在Windows操作系统下运行，SWMM5提供了一个宽松的综合性环境，可以对研究区输入的数据进行编辑、模拟水文、水力和水质情况，并可以用多种形式对结果进行显示，包括对排水区域和系统输水路线进行彩色编码，提供结果的时间序列曲线和图表、坡面图以及统计频率的分析结果。

SWMM模型主要用于处理城市区域径流产生的各种水文过程，包括时变降水量、地表水蒸发、积雪与融雪、洼地对降水的截留、不饱和土壤的降水下渗、降水下渗对地下水的补给、地下水与排水管道的交换水量、非线性水库法计算坡面汇流量、模拟各种使降水和径流量减少或延续的各种微影响过程。所有这些过程的空间变异性是通过将区域划分成一系列更小的、相似的子区域来反映的，每一个子区域都有各自的透水和不透水面积比例。地表径流可以在子区域之内或子流域之间输送。SWMM模型同时还包括一套设置灵活的水力学模块，该模块能用来模拟径流和外来水流在管道、渠道、蓄水和处理单元以及分水建筑物等在排水管道中的流动。其功能主要包括：处理无大小限制的排水网；除了能模拟自然河道中的水流外，还可以模拟各种形状的封闭式管道和明渠管道中的水流；模拟蓄水和处理单元、分流阀、水泵、堰和排水孔口等一些特殊部分；接受外部水流和水质数据的输入，包括地表径流、地下水流交换、由降雨决定的渗透和入渗、晴天排污入流和用户自定义入流；应用动力波或者完整的动力波方程进行汇流计算；模拟各种形式的水流，如回水、溢流、逆流和地面积水等；应用用户自定义的动态控制规则来模拟水泵、孔口开度、堰顶胸墙高度等。另外，为模拟径流过程和污染物的输送，SWMM模型可以估算与径流相关的污染物负荷。应用下面的过程就可以针对用户定义的水质进行模拟：不同土地使用类型干旱天气下的污染物；在暴雨产生时，特定土地使用类型的污染物冲刷；降雨沉积的直接贡献；道路清洁引起的干旱天气下污染物的减少；最佳管理实践（best management practice，BMP）引起的冲刷负荷减少；干旱天气下公用系统径流的流入和排水系统任何一点的外部流入；排水系统水质因子的演算；储存单元的处理和管道中自然过程所引起的污染物浓度的减少。

SWMM模型的功能可以通过它所包含的各模块具体表现出来，主要包括5个模块：径流模块、输送模块、扩展输送模块、调蓄/处理模块、受纳水模块。

2.4.2.2 半分布式水文模型

1.TOPMODEL模型

TOPMODEL模型是由Beven和 Kirby（1979年）开发的，是以地形为基础的半分布式流域水文模型，其主要利用地貌指数（也称为地形参数）来反映流域水文现象，模型结构简单，参数较少。该模型物理概念和结构示意图如图2.6和图2.7所示。

图2.6 TOPMODEL模型物理概念和结构示意图

图2.7 TOPMODEL模型结构示意图

降水满足截留后，下渗进入土壤非饱和区。非饱和区又分为根带蓄水层和非活性含水层。入渗的降水直接对根带蓄水层进行补偿，达到饱和后才进入下一层。同时，储存在该水中的水分以一定的速率蒸散发。由于垂直排水及流域内的侧向水分运动，一部分面积地下水位抬升至地表面成为饱和面。产流发生在这种饱和地表面积或者源面积上，在整个过程中，源面积不断变化，故也称为变动产流面积模型。TOPMODEL模型主要通过流域含水量（或缺水量）来确定源面积的大小，含水量由地表指数计算，因此TOPMODEL模型被称为以地形为基础的流域水文模型。

TOPMODEL模型有以下3个基本假定。

假设1：饱和区的水动力特性用连续稳定状态近似描述。

假设2：饱和区的水力梯度近似等于局部地表面的地形坡度。

假设3：沿坡向传导度随高度的分布与缺水量或地下水埋深呈指数关系。

TOPMODEL模型，是一种以数学方式表示水文循环过程的基于物理过程的半分布式流域水文模型。模型基于DEM推求地形指数来反映流域水文响应特性，体现了降雨径流模拟的最新思想。

该模型结构明晰，参数较少且具有明确的物理意义，不但适合于坡地集水区，还能用于无资料流域的产汇流估算。模型最初是用来模拟英国山区降雨径流的，后来被广泛应用于美国东部、新西兰等温湿地区，均显示了很好的模拟结果及可信的变源产流贡献模拟。但是在我国，TOPMODEL模型的应用还处于初步研究的阶段。

2.GBHM模型

GBHM模型的“流带-坡面”划分体系，在单元流域范围内，从源头到单元流域出口的汇流路径被划分为若干流带，显然每个流带中又包含着若干河段。假定在每一流带中，任一河段的两边具有对称坡面，并且这些坡面几何相似（通过坡长和倾角来表示），那么每一流带可以用若干几何相似的坡面来表示，每个这样的坡面就是一个坡面流单元。

GBHM模型是基于坡面流单元所构造的模型，是一种具有物理意义的坡面响应模型。坡面流单元是垂直河流方向的梯形土柱，各土柱上水分运动由地表快速流运动，包括土壤水运动在内的SPAC系统和地下水运动构成，如图2.8所示，坡面通常简化为倾斜平面，宽为dx（流带的宽度），倾角为α（取流带中各网格的最陡坡降的平均值），坡长L计算公式为

式中：A（x）为面积函数；W（x）为宽度函数。由式（2.1）可知，计算单元的几何特性可以用流距的一维形式描述，即概化为x的单值函数。

图2.8 BHM模型的“流带-坡面”划分体系

GBHM模型首先将整个流域逐级划分为若干单元流域；然后利用面积函数和宽度函数概化流域地形特性，将每个单元流域划分为一系列“流带坡面”单元。坡面流单元即是GBHM模型中的基本计算单元。这样，一方面大大减少了计算单元的数目，另一方面又能够充分反映土地利用类型等除地形特性以外的流域空间特性。相对于TOPMODEL模型来说，GBHM模型对水文要素的空间变异性考虑更为完善，但是计算用时增加不多（王磊等，2006）^［13］。

GBHM模型在黄河流域中的应用结果显示，它能较好地模拟河道流量、实际蒸发和土壤水分的空间分布及季节变化。如果将该模型扩展到包含灌溉和水库调节等人工作用，它将为水资源管理提供有力的辅助工具。

3.HSPF模型

HSPF模型是在Stanford水文模型的基础上开发的，在使用过程中不断加工修改而逐步完善，成为综合性流域模型的典范之作。HSPF模型采用标准的FORTRAN语言编写，能够运行水文模拟程序（HSP）、农业径流管理模型（ARM）和非点源污染负荷模型（NPS）的所有函数，在一定程度上克服了大部分模型在数据管理和模型兼容性方面存在的许多缺陷，便于维护和修改数据。1996年HSPF模型被整合到点源-非点源综合评估模型BASINS里，利用ArcView软件对空间数据的存储和处理能力，HSPF模型能够自动提取模拟区域所需要的地形、地貌、土地利用、土壤、植被、河流等数据，进行非点源污染负荷的长时间连续模拟，在水旱灾害防治、水环境监测、水资源开发利用中得到广泛的应用。

迄今为止，HSPF模型是唯一可以模拟流域内连续的水文和水力过程，以及水质变化过程的模型。已被美国环保署列为推荐模型，广泛用于区域的水资源水环境模拟，并取得了精确的结果，为同类中比较出色的模型（薛亦峰等，2009）^［14］。

HSPF模型的结构与主要功能：该模型能够解决不同时空尺度下点源、非点源污染问题，并且与Windows结合成易于操作的WinHSPF应用界面。模型的结构与功能如图2.9所示。模型主要模块包括透水地段水文水质模块（PERLND）、不透水地段水文水质模拟模块（IMPLND）以及地表水体水文水质模拟模块（RCHRES）。3个模块又可按照功能分为若干子模块，各功能模块之间，按一定的层次排列，实现对径流和泥沙、BOD、DO、氮、磷、农药等污染物的迁移转化和负荷的连续模拟。其中，PERLND模块适宜于HSPF模型的子流域透水部分（耕地、园地、林地等），径流通过坡面流或者其他方式汇入河流或水库中，从而实现该地段水、颗粒沉积物、化学污染物、有机物质的运移。IMPLND模块解决不透水地段（建设用地）水文水质过程模拟。RCHRES模块模拟单一开放式河流、封闭式渠道或湖泊、水库等水体。水流以及其他化学元素均为单向流动，入口物质一部分到达出口，余下的滞留；出口接纳既包括入口水流携带的物质，也包括该段流域经溶解、冲刷重新加入的物质。该复杂过程构成了首尾连成一体的地表水体水文水质模拟模块（李兆富等，2012）^［15］。

2.4.3 水文模型的比较

集总式模型假设流域表面上各点的水力学特征是均匀分布的，对流域表面任何一点上的降雨，其下渗、渗漏等纵向水流运动都是相同和平行的，不与周边的水流发生任何联系，因此整个流域被当作一个单元体，只考虑水流在单元体内的纵向运动。分布式模型则认为流域表面上各点的水力学特征是非均匀分布的，水流在流域表面上分布并不均匀，应将流域划分为很多小单元，在考虑水流在每个小单元内的纵向运动时，也要考虑各个小单元之间水量的横向交换。一般来说，系统模型和概念性模型都是集总式模型，而物理模型都是分布式模型。

图2.9 HSPF模型结构与功能

集总式模型用概化的方法表达流域的水文过程，具有一定的物理基础，也具有相当的经验性，模型结构简单，实用性强。但其在产流、汇流等环节上，主要借助于概念性水文模型、水量平衡方程或经验公式。在一些比较著名的模型中，如美国的斯坦福模型和萨克门托模型、日本的水箱模型以及我国的新安江和陕北模型等，常采用简单的下渗经验公式、经验流域蓄水曲线或水箱侧孔、低孔出流等来模拟产流过程；采用单位线、线性或非线性水库及渠道来模拟汇流过程。这与实际水文空间分散性和不均匀性输入是不匹配的，不能反映实际暴雨洪水产汇流的空间分布特性，无法全面地刻画水文系统分散输入集中输出的产汇流规律，无法模拟变化环境（如土地利用、水土流失、面源污染和气候变化影响等）中的陆地表面过程。分布式物理模型的优点是模型的参数具有明确的物理意义，可以通过连续方程和动力方程求解，可以更准确地描述水文过程，具有很强的适应性。与概念性模型相比，分布式水文模型用严格的数学物理偏微分方程表述水文循环的各子过程，参数和变量中充分考虑空间的变异性，并着重考虑不同单元间的水平联系，对水量和能量过程均采用偏微分方程模拟。因此，分布式水文模型在模拟土地利用、土地覆盖、水土流失变化的水文响应及面源污染、陆面过程、气候变化影响评价等方面具有明显的优势。