第1章　绪论

1.1　引言

在现实世界中，影响流域降雨径流形成的气候因子(如降雨、蒸发等)和下垫面因子(如地形、地貌、地质、土壤、植被、土地利用等)均呈现空间分布不均匀状态。自17世纪水量平衡理论创立以来，由于受到科学技术发展水平的制约，水文学一般只能将流域作为一个整体，由流域的平均降雨量过程和平均状态参数来推求流域出口断面的流量过程。这种集总式流域水文模型虽然对水文学的发展起到了历史性的作用，但与实际流域的情况并不相符，因为不仅暴雨在空间上分布不均匀，流域的土壤、植被、地形、地貌、水文地质等条件在空间上也呈现不均匀分布，人类活动的影响一般也是随时空变化的。集总式水文模型显然只能用于模拟气候和下垫面因子空间分布均匀的虚拟状况，并只能给出流域产汇流过程空间均化的模拟结果，这样必然使得集总式水文模型的结构和参数的物理意义模糊，以致在模拟现实世界的流域降雨径流形成时必然存在较大的局限性，精度也常常不尽如人意。

只有分布式水文模型才能为真实地模拟现实世界的流域降雨径流形成机理提供有力的工具，因为它能客观地反映气候和下垫面因子的空间分布对流域降雨径流形成的影响。到目前为止，虽然人们还是无法用一个解析函数来精确地表达气候和下垫面因子的空间分布，以便精确地描述气候和下垫面因子在空间上的连续变化规律，但可以采用空间离散形式给出气候和下垫面因子的空间分布。与流域产汇流有关的地理数据主要有地面高程和反映土壤、植被、地质、水文地质特性的参数等，其中尤以数字高程模型(DEM)最为有用，因为DEM不仅表达了地面高程的空间分布，而且据此可以自动生成流域的水系和分水线、自动提取地形坡度和其他相关地貌参数。将DEM与表达土壤、植被、地质、水文地质特性的参数的空间分布叠加在一起，还可以描述这些下垫面参数与地面高程之间的关系。将所划分的子流域分布图与土壤、植被、地质和土地利用图叠加还可以生成离散化的下垫面因子的空间分布。故此，由GIS构建的数字化平台已能为探求流域降雨径流形成机理提供新的研究手段。本书在国家自然科学基金项目(基于数字平台的流域水文模拟研究，编号:50309002)的支持下，着重探讨在数字化平台上构建分布式水文模型来模拟流域降雨径流形成过程。这是流域水文模型发展的主要趋势，已成为国内外水文学的研究热点。这对推动我国水文水资源科学的发展，提高水文模拟预报精度，探讨水资源演化规律和可持续利用，均具有重要的理论价值和实际意义。

降水是径流模拟中最主要的影响因素之一，是洪水预报中最重要的输入信息。因此，了解降水的空间分布对洪水过程的影响是非常重要的。在分布式水文模型的研究与应用中也必须解决降雨空间分布的描述问题。目前，水利防汛部门获得的雨量信息主要是通过地面雨量计的观测得到。对于湿润地区，一般站网的密度是200～300km2，由此得到的雨量信息一般不能正确代表真实的雨量空间分布，不能满足分布式水文模型的需要。雷达作为一种主动遥感手段可以探测较大范围的瞬时降水空间分布，而且其建立和维护费用要比建立稠密的雨量站网低，但是由于雷达测雨技术的复杂性和实验条件的限制等原因，使得目前雷达测雨存在一定的误差，特别是大范围降雨测量的准确性尚不能完全满足水文模拟和预报的要求。针对上述问题本书采用不同的空间插值方法来构建根据有限的站点资料获取流域降雨的空间分布模式。

水文学家对汇流问题的研究已有100多年历史。在“河道汇流”中建立了基于槽蓄概念的Maskingum洪水演算法。在“流域汇流”中建立了基于单位线基本假定的单位线法和基于等流时线概念的等流时线法。这些理论和方法在长期的发展中又出现了许多变种，并得到了广泛的应用。但由于这些理论和方法物理根据不强，适用条件较窄，因此，在一些复杂的实际条件下使用效果并不理想。加之这些理论和方法皆过多地依赖于实测水文资料，故在缺乏实测水文资料和人类活动影响情况下往往难以使用或使用效果不佳。因此，依据新的理论和技术建立新的流域汇流计算方法，尤其注重研制可适用于缺乏实测水文资料和人类活动影响情况下的汇流计算方法十分重要。

本书的研究目的:一是建立一个网格型松散结构的分布式水文模型，并寻求一种与之相配套的能够合理描述降雨空间分布及下垫面情况的方法;二是通过对河网结构的拓扑分析，探讨流域结构对水文响应的影响，寻求新的建立地貌瞬时单位线的方法。