2.2 流域水文模型的基础
流域被定义为“地表水及地下水的分水线所包围的集水区或汇水区”，也称为“地表水的集水区”。流域一般包括上游、中游、下游和河口等地理单元，涵盖淡水生态系统、陆地生态系统以及海洋和海岸带生态系统。水是流域不同单元与生态系统之间相互联系的最重要的纽带。
自然界中的水体处于不断运动中。海洋和大陆的水受到太阳辐射的作用，蒸发上升变成水汽进入大气，且随着大气而运动；在一定条件下凝结形成降水，重新降落到地球表面；降落到地球表面的水一部分被蒸发，另一部分则经过河网再次汇入海洋。水的这种周而复始的运动过程称为水循环。水循环的动力是太阳辐射和地心引力。水循环示意图如图2.1所示。
图2.1 水循环示意图
流域水循环实际上就是流域内降雨径流的形成过程。落到流域上的雨水，首先满足截留、填挖和下渗的要求，剩余部分成为地表径流，汇入河网，再流达流域出口断面。流域或区域水文循环的空间尺度一般为1～10000km2。流域水循环系统指在某个流域范围内的水迁移转化过程形成的局部陆地水循环系统。流域水循环包括大气水循环、地表水循环和地下水循环。大气水循环主要受太阳辐射的影响，水分由水面、陆面和植物的叶面蒸发蒸腾进入大气圈。水蒸气受大气环流的影响，形成凝聚和远距离输送。大气环流也受到来自宇宙多方面的影响，如气压、气温、海水温度分布等。水蒸气凝聚到一定程度就会由空中坠落，形成降雨。
降水过程模拟。大气中的液态或固态水，在重力作用下，克服空气阻力，从空中降落到地面的现象称为降水，它是自然界一种重要的气象和水文现象，是水循环的重要环节。降水的主要形式是降雨和降雪，前者是液态降水，后者为固态降水，其他的降水形式还有露、霜、雹等。由气象学可知，降雨形成的主要物理条件是：大气中必须含有足够的水汽；必须具有使大气中水汽凝结成液态水的动力冷却条件；大气中还应含有吸水性微粒——凝结核，以便形成足够大的液态水滴。若按动力冷却条件分，降雨可分为气旋雨、对流雨、地形雨和台风雨等四大类。降水要素主要有降雨深、降雨历时、降雨强度、降雨面积等；降水特征的表示方法主要有降水过程线、降水累积曲线、等降水量线、降水特征综合曲线等。降水的时空分布不均匀，根据年降水量大小可以将我国划分为十分湿润带、湿润带、半湿润带、半干旱带、干旱带五类地区。融雪径流的模拟问题与区域的气候和地形状况有关，它是数据、区域特征、模拟方法和模型应用的函数。降水过程如图2.2所示。
图2.2 降水过程
地表截留和入渗过程模拟。在流域中，经常发生水的状态变化和地点变化，即水循环。水不断地从水面、陆面和植物的茎叶面，通过蒸发或散发，以水汽的形式进入大气圈，再以雨、雪、露等形式的降水从大气返回地球表面。从大气返回流域的过程中，降水被重新分配。首先，在植物表面吸着力、承托力和水分重力、表面张力等作用下，在植物表面上储存一部分降水，称为截留；同时，流域上的池塘、小沟等大大小小的闭合洼地，在降雨中也会拦蓄部分雨水，称为填洼。将植物截留和地表填洼统称为地表截留。此外，土壤吸收一部分降水，称为下渗。下渗的土壤水中，一部分直接蒸发，一部分在土壤中侧向输送，剩余的土壤水渗滤成地下水，而后以地下径流的形式汇入河流。对地表截留和入渗过程的模拟对水文模型的建立具有重要的意义。
蒸散发过程模拟。蒸散发是海洋和陆地水分进入大气的唯一途径，陆地上的年降水量有60%～70%通过蒸发和散发返回大气，因此蒸散发是地球水文循环的主要环节之一，蒸散发是降雨径流形成的主要过程之一，是流域水量平衡计算的重要组成部分。蒸散发过程还包括能量的转化，没有能量的交换就不可能产生蒸散发。蒸散发的计算是研究水资源评价的基础和作物灌溉的基本依据。蒸散发的抑制和调控对改变全球和区域的水文循环具有重要意义。蒸散发可分为水面蒸发、土壤蒸发、冰雪蒸发、植物散发等。影响蒸散发的因素主要有气象因素、蒸发面、水质等。通过对蒸散发过程的模拟能为水文模型的建立提供必要的依据。
地下水过程模拟。依据赋存条件不同，可以将地下水分为孔隙水、裂隙水、岩溶水等。尽管地下水常常被忽视，但它却是人类赖以生存和生产的宝贵资源。在全球淡水资源组成中，地下水占有重要地位，同地表水一样，地下水也是水资源的重要组成部分，在有的地方甚至是主要组成部分。然而由于地下水环境的复杂性，不同的地质地貌条件下，地下水运动规律各不相同。因此，对地下水运动过程的模拟具有重要的实践意义。
产汇流过程模拟。目前，流域产汇流在大多数情况下都是应用流域水文模型来模拟的。流域水文模型是由描述流域降雨径流形成的数学函数构成的一种数学物理模型，它严格满足流域水量平衡。水文模型将流域概化成一个系统，包括系统输入、系统主题和系统输出3部分，它根据输入条件，通过模型结构来求解输出结果，其实质是对流域内的产汇流过程进行模拟计算。在进行流域产流模拟时，一般将流域划分为若干子流域，这些子流域或网格构成了流域内不同的水文响应单元；接着对各个水文相应单元进行产流模拟和汇流模拟，得到单元的出流过程；然后将得到的各个单元出流过程通过河道洪水演算方法，得到其流域出口的出流过程；最后将各个单元在流域出口叠加，求出流域出口的流量过程。流域产汇流模拟主要包括产流模拟、汇流模拟以及洪水演算3个部分。产流模拟即是对流域内的降水进行扣除损失的计算；汇流模拟主要指水文响应单元内的汇流计算或网格间的汇流计算（即扣除损失后的净雨向径流转化的计算）；而洪水演算则主要指河道或河网内上下断面间的流量演算（有时也进行水位演算）。产流过程模拟也就是降水的损失模拟，包括植物截留模拟、洼地填洼模拟、蒸散发模拟以及下渗模拟4部分。汇流模拟又可分为地表径流模拟和地下径流模拟，包括水文相应单元内的汇流计算和河道汇流计算（洪水演算），如图2.3所示。
图2.3 产汇流模拟