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书名：半湿润半干旱区水文预报模型研究及应用
定价：99.0
ISBN：9787030593382
作者：师鹏飞,杨涛,王晓燕
版次：1
出版时间：2018-11
内容提要：
半湿润半干旱区流域水文模拟和洪水预报模型研究是目前水文学研究领域的热点和难点。本书在阐述半湿润半干旱流域产流和汇流特征的基础上，结合典型流域水文要素分析，重点介绍半湿润半干旱流域的产流模型及洪水预报模型等技术。本书内容主要包括：半湿润半干旱区产汇流特征、半湿润半干旱流域水文特性分析、下渗理论及方法、基于联合分布的垂向蓄超组合产流模型、基于变动产流层结构的产流模型、基于变动产流层结构和蓄超产流模式的水文模型等。
目录：
目录
第1章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究进展综述 1
1.2.1产流理论研究进展 1
1.2.2流域水文模型研究进展 3
1.2.3半湿润半干旱区水文模型研究进展 8
1.3本书主要内容 11
参考文献 12
第2章 半湿润半干旱区产汇流特征 18
2.1产流机制 18
2.1.1霍顿产流理论 18
2.1.2非均质土壤产流理论 19
2.1.3特殊下垫面产流 21
2.1.4产流机制的相互转化和共性分析 21
2.2半湿润半干旱区产流特征 22
2.2.1包气带特征分析 22
2.2.2半湿润半干旱区产流分析 26
2.2.3半湿润半干旱区产流及计算的复杂性 27
2.3半湿润半干旱区汇流特征 28
2.3.1流域汇流理论 28
2.3.2半湿润半干旱区汇流分析 28
2.4小结 29
参考文献 29
第3章 半湿润半干旱流域水文特性分析 31
3.1紫荆关流域 31
3.1.1水丈要素逐日变化 32
3.1.2水文要素年际变化 32
3.1.3水文要素年内分配特征 33
3.1.4径流系数分析 35
3.2西泉流域 41
3.2.1水文要素逐日变化 41
3.2.2水文要素年际变化 42
3.2.3水文要素年内分配特征 44
3.2.4径流系数变化 46
3.3初头朗流域 48
3.3.1水文要素逐日变化 49
3.3.2水文要素年际变化 49
3.3.3水文要素年内分配特征 51
3.3.4径流系数变化 52
参考文献 56
第4章 下渗理论及方法 57
4.1下渗机理 57
4.1.1下渗时间变化特点 57
4.1.2下渗空间变化特点 57
4.1.3下渗时间和空间变化特征的对应分析 58
4.1.4非均质土壤下渗 59
4.2非饱和下渗理论 59
4.3经验下渗模型 61
4.4 Green-Ampt模型 62
参考文献 64
第5章 基于联合分布的垂向蓄超组合产流模型 65
5.1模型思路 65
5.2模型结构 65
5.3产流计算 66
5.3.1下渗公式 66
5.3.2下渗能力空间分布曲线 66
5.3.3空间不均匀下渗量计算 67
5.3.4地表以下径流计算 68
5.4模型参数 70
5.5数值解抽样数设置 71
5.6应用实例 71
5.6.1研究区介绍 71
5.6.2模拟率定和验证 72
5.6.3结果分析 73
参考文献 76
第6章 基于变动产流层结构的产流模型 77
6.1模型思路 77
6.2模型结构 78
6.3产流计算 79
6.3.1相对蓄水容量垂向分布 79
6.3.2相对蓄水容量空间分布 83
6.3.3产流计算 84
6.4汇流计算 86
6.4.1线性水库法 86
6.4.2马斯京根法 87
6.5应用实例 87
6.5.1模拟率定和验证 87
6.5.2结果分析 88
6.5.3讨论 92
参考文献 93
第7章 基于变动产流层结构和蓄超产流模式的水文模型 94
7.1模型研究思路 94
7.2模型结构 95
7.2.1蒸散发计算 97
7.2.2蓄超组合产流计算 98
7.2.3坡面径流损失模拟和分水源计算 101
7.2.4汇流计算 102
7.2.5模型特点 103
7.2.6心结 104
7.3模型应用及检验 105
7.3.1模型率定和验证 106
7.3.2小结 120
7.4模型参数分析 122
7.4.1参数概述 122
7.4.2关键参数敏感性分析 122
7.4.3建模方案推荐 127
7.4.4小结 131
参考文献 131
在线试读：
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
我国有37%的国土面积为半湿润半干旱区，面积大、人口多、经济体量大，洪涝灾害时有发生，严重威胁着社会经济安全，亟须研究半湿润半干旱区的产汇流机制，建立适用于半湿润半干旱区的流域水文模型，及时、准确地预报洪水，保障人民生命财产安全和社会经济发展（***中央***，2011；庄一瓴和林三益, 1986）。“新丝绸之路经济带”覆盖的新疆、甘肃、宁夏、青海、陕西等多地均处于半湿润半干旱区，研究半湿润半干旱区水文预报模型，准确预报洪水，对保障国家水安全战略和“****”倡议的顺利实施具有重要的意义。
在半湿润半干旱区，降水时空分布非均匀性强，降水主要集中在雨季的几场高强度降雨过程，强度大、历时短、分布极不均匀，洪水具有突发性（李力, 2009;胡彩虹, 2004）。此外，半湿润半干旱区下垫面复杂，包气带厚，难蓄满，土壤介质复杂，垂向异质性强，存在相对不透水层界面流。经典产流理论难以刻画半湿润半干旱区的真实产汇流过程，一直存在着水文预报准确度低的突出问题。在半湿润半干旱区，特别是半干旱区及地下水位下降严重的半湿润区，尚无适用的流域水文模型，预报精度无法满足社会发展的需求。因此，开展半湿润半干旱区的洪水预报模型研究，具有重要的理论及应用意义。
1.2 国内外研究进展综述
1.2.1 产流理论研究进展
1935 年Horton 提出了史上**个产流理论，指出降雨产流的两个基本条件：①降雨强度超过地面下渗能力时，产生超渗地面径流；②下渗水量超过包气带缺水量时，超过的部分成为地下径流（Horton, 1935; 1939）。20 世纪70 年代，Dunne和Black（1970）在大量观测和实验基础上发现了壤中流的形成条件和饱和地面径流机制。Dunne 提出的产流理论揭示了相对不透水层产流机制和饱和机制，丰富了流域产流理论。虽然产流理论得到了极大完善，但上述理论均为在点尺度或实验场尺度的探索，由于流域内土壤特性、植被覆盖、前期土壤含水量、地形地貌等存在空间非均匀性，流域产流量一直无法准确计算。流域局部产流问题（赵人俊和庄一鸰, 1963; Musgrave and Horton, 1964; Dunne and Black, 1970）的发现，使水文工作者对流域产流的认识上升到了新层次。为准确模拟产流，水文学家提出了局部贡献面积（partial contribution areas, PCA）（Betson, 1964; Ragan, 1968;Dunne and Black, 1970）和变动源面积（variable source areas）（Musgrave and Horton,1964; Hewlett and Hibbert, 1967）。能否合理表征局部贡献程度及流域局部产流过程，成为决定流域水文过程模拟精度的关键。我国水文学家赵人俊教授等提出的张力水蓄水容量曲线（Zhao et al., 1980）、国外水文学家Beven 和Kirkby（1979）提出的利用地形指数反映变动产流面积、SCS 模型中通过不同CN 值推求局部有效*大存储量（McCuen, 1982）等方法，为流域非均匀局部产流模拟提供了切实可行的途径，促使流域水文模型真正应用到实践中。随着计算机技术和DEM 技术的发展，利用分布式网格手段解决局部产流问题也得到快速发展（Abbott et al.,1986a; Kim and Steenhuis, 2001; Ivanov et al., 2004）。石朋等（2008）利用对数韦布尔分布曲线，建立了网格蓄水容量和地形指数的关系，解决了分布式新安江模型中确定网格蓄水容量的难题，实现了分布式模型中空间产流不均匀性描述。后来，考虑到地形指数等方法是静态的（Grabs et al., 2009），一些学者利用SCS-CN与土壤地形指数集合的半分布式模型来识别局部产流面积的时空分布（Schneiderman et al., 2010; Dahlke et al., 2009），还有学者利用当前降雨指数（current precipitation index，CPI）发展局部贡献面积（PCA）时变模拟理论（Lee and Huang, 2013）。尽管局部产流研究取得了丰硕成果，但国内外水文学家发现，即使很精细地描述了流域水平方向产流的非均匀性，半湿润半干旱区的水文模拟精度依然较低（徐宗学和李景玉, 2010），其原因值得深思。实际上，半湿润半干旱区多数区域包气带较厚、土壤缺水量较大，基本难以蓄满，基于蓄水容量分布和地形指数等方法的空间局部产流理论主要针对湿润区，认为产流的前提条件是包气带蓄满或者饱和，其识别的产流区为包气带蓄满或饱和的区域。因此，以包气带蓄满（或饱和）为特征的空间局部产流方法并不能很好地适用于华北半湿润半干旱区，难以识别包气带未蓄满（或未饱和）条件下，因高强度集中降水引起的部分区域产生的超渗地面产流、饱和地面产流、包气带上部相对不透水层局部饱和产流。此外，基于“超渗产流”模式，以下渗能力分布曲线为代表的空间局部产流方法（赵人俊, 1984; 包为民和王从良, 1997; 晋华, 2006; 李力, 2009），仅能识别超渗地面径流的贡献面积，不能识别土壤前期缺水量较小条件下的包气带土壤蓄满或饱和机制的径流成分对流域产流的贡献（面积）。因此，现有产流空间非均匀性描述理论显然不，在半湿润半干旱区，还需考虑包气带入渗产流的垂向非均匀性，进一步精细化描述时空不均匀产流。在实际产流过程中，下渗湿润锋和局部饱和带的深度不仅受不同雨强、雨型影响，还受土壤垂向空间分异特征的复杂影响，产流层的深度和范围是动态变化的，因此并不存在固定的产流层。在半湿润半干旱区降水和土壤特性复杂时空变化下，流域产流区域的识别不能仅以包气带饱和面积或超渗面积来描述，还应考虑包气带垂向局部饱和带的动态变化对产流的贡献。
土壤水文学中相关下渗理论的发展，为详细模拟垂向降雨入渗过程和处理土壤特性空间变异提供了有力工具（雷志栋等, 1988）。一方面，利用经典土壤水动力方程——理查德（Richards）方程，可描述垂向降雨入渗及包气带局部动态产流过程。与流域水文学中的经验方法相比，Richards 方程更能描述产流带的变化和垂向产流非均匀性。但由于其高度的非线性，即使对于小尺度问题，仍然要求求解大规模的方程系统（Troch et al., 2003）。另一方面，以Green-Ampt 为代表的入渗模型，能够计算垂向入渗速度，也可计算入渗条件下土壤含水率的垂向分布，但此类公式均在简化条件下推导得出，其模拟效果未必好于经验公式，且公式计算复杂，常数往往需要试验确定，应用较为困难（芮孝芳, 2004）。总体来说，土壤水动力学方法为精细化描述产流带变化和空间产流不均匀性提供了新的途径，但土壤水文学中用于实验土柱或点尺度的理论方法，在网格尺度和流域尺度的有效性仍有待验证（Beven, 2002; Abbott and Refsgaard, 2003）。Troch 等（2002）采用低维动力方程描述复杂三维结构下的山坡水动力过程，建立了山坡蓄量动力学理论。该理论提供了一种融合地貌特征的山坡水文模拟方法，为解决水文模拟中的尺度扩展问题指出了新方向（Troch et al., 2007）。然而，将其应用于流域尺度仍然需要在理论和方法上不断完善，其在解决尺度扩展和参数化问题上的意义有待进一步分析验证。上述土壤动力学方法为非饱和带入渗和产流过程的精准模拟提供了有力的工具，但从流域水文响应角度，该类方法的有效性仍有待验证。
总体而言，半湿润半干旱区的时空不均匀产流的研究仍然不足，在流域或网格尺度上，关于产流区识别和时空动态产流理论的研究，仍然较为薄弱，亟待深入研究。
1.2.2 流域水文模型研究进展
1.2.2.1 流域水文模型分类
流域水文模型通常可以分为三大类：系统理论模型、概念性模型和物理模型（石教智和陈晓宏, 2006）。系统理论模型只关心模拟结果的精度，而不考虑输入与输出之间的物理因果关系，又称“黑箱子模型”。代表性成果有：20 世纪70 年代末爱尔兰J. Dooge 教授提出的线性水文系统理论、爱尔兰UCG 大学Nash 提出的总径流线性响应模型（TLR）和线性扰动模型（LPM）等（Kang and Liang, 1986）。国内代表性的系统理论模型有水文时变增益非线性模型（TVGM）（Xia, 1995; Xiaet al., 2005），该模型考虑产流量与土壤湿度、不同下垫面和降水强度之间的非线性系统关系，建立降雨-径流形成的“时变增益”非线性产流公式。概念性模型以水文过程的物理概念和一些经验公式为基础构造，把流域的物理基础（如下垫面等）进行概化（如线性水库、土层划分、蓄水容量曲线等），再结合水文经验公式（如下渗曲线、汇流单位线、蒸散发公式等）来近似地模拟流域水流过程（董艳萍和袁晶瑄, 2008），代表性模型主要有：斯坦福模型（Crawford and Linsley, 1966）、水箱模型（tank model）（Sugawara et al., 1986; Sugawara, 1995）、萨克拉门托模型（Vrugt et al., 2006; Finnerty et al., 1997; Gan et al., 1997），以及我国的新安江模型（赵人俊, 1984; 赵人俊和王佩兰, 1988;王佩兰和赵人俊, 1989）等。物理模型认为流域上各点水力学特性是非均匀分布的，依据物理学的质量、动量与能量守恒定律和流域产汇流特性，构造水动力学方程组，模拟降雨径流在时空上的变化过程，代表性模型有：SHE 模型（Abbott et al., 1986a;Refshaard et al., 1995）和DBSIN模（Garrote and Bras, 1995）等。
从反映水文要素空间变化能力的角度，水文模型分为集总式模型和分布式模型。集总式模型的基本特征是将流域作为一个整体来模拟径流形成过程，其本身并未从机理上考虑降雨和下垫面条件空间分布不均匀性对流域径流形成的影响，模拟和预报结果只关注流域出口流量过程。现有集总式模型多数均由概念性元素按降雨-径流过程构成，不同概念性集总式模型的区别在于采用的概念性元素的不同及组合方式的不同（芮孝芳等, 2006）。分布式模型的基本特征是认为流域上各点水力学特性是非均匀分布的，水文要素在流域上分布并不均匀，应将流域划分为很多单元，然后根据流域产汇流特性，计算单元之间的质量和能量传递。按照计算径流采用的理论和方法，分布式模型可分为概念性分布式水文模型和具有物理基础的分布式水文模型两类。按照单元面积向出口断面汇集过程的处理方法，分为松散型和耦合型两类。松散型结构假设单元面积之间互不影响，先计算各单元面积对流域的贡献，再通过叠加确定流域响应。概念性分布式水文模型一般为松散型的，松散型结构的优点在于计算方法简单，缺点在于反映降雨径流过程尚不完善。耦合型结构利用一组微分方程及其定解条件构成的定解问题来描述降雨径流过程，优点在于能够很好地反映径流形成机制，缺点在于必须通过联立求解
定价：99.0
ISBN：9787030593382
作者：师鹏飞,杨涛,王晓燕
版次：1
出版时间：2018-11
内容提要：
半湿润半干旱区流域水文模拟和洪水预报模型研究是目前水文学研究领域的热点和难点。本书在阐述半湿润半干旱流域产流和汇流特征的基础上，结合典型流域水文要素分析，重点介绍半湿润半干旱流域的产流模型及洪水预报模型等技术。本书内容主要包括：半湿润半干旱区产汇流特征、半湿润半干旱流域水文特性分析、下渗理论及方法、基于联合分布的垂向蓄超组合产流模型、基于变动产流层结构的产流模型、基于变动产流层结构和蓄超产流模式的水文模型等。
目录：
目录
第1章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究进展综述 1
1.2.1产流理论研究进展 1
1.2.2流域水文模型研究进展 3
1.2.3半湿润半干旱区水文模型研究进展 8
1.3本书主要内容 11
参考文献 12
第2章 半湿润半干旱区产汇流特征 18
2.1产流机制 18
2.1.1霍顿产流理论 18
2.1.2非均质土壤产流理论 19
2.1.3特殊下垫面产流 21
2.1.4产流机制的相互转化和共性分析 21
2.2半湿润半干旱区产流特征 22
2.2.1包气带特征分析 22
2.2.2半湿润半干旱区产流分析 26
2.2.3半湿润半干旱区产流及计算的复杂性 27
2.3半湿润半干旱区汇流特征 28
2.3.1流域汇流理论 28
2.3.2半湿润半干旱区汇流分析 28
2.4小结 29
参考文献 29
第3章 半湿润半干旱流域水文特性分析 31
3.1紫荆关流域 31
3.1.1水丈要素逐日变化 32
3.1.2水文要素年际变化 32
3.1.3水文要素年内分配特征 33
3.1.4径流系数分析 35
3.2西泉流域 41
3.2.1水文要素逐日变化 41
3.2.2水文要素年际变化 42
3.2.3水文要素年内分配特征 44
3.2.4径流系数变化 46
3.3初头朗流域 48
3.3.1水文要素逐日变化 49
3.3.2水文要素年际变化 49
3.3.3水文要素年内分配特征 51
3.3.4径流系数变化 52
参考文献 56
第4章 下渗理论及方法 57
4.1下渗机理 57
4.1.1下渗时间变化特点 57
4.1.2下渗空间变化特点 57
4.1.3下渗时间和空间变化特征的对应分析 58
4.1.4非均质土壤下渗 59
4.2非饱和下渗理论 59
4.3经验下渗模型 61
4.4 Green-Ampt模型 62
参考文献 64
第5章 基于联合分布的垂向蓄超组合产流模型 65
5.1模型思路 65
5.2模型结构 65
5.3产流计算 66
5.3.1下渗公式 66
5.3.2下渗能力空间分布曲线 66
5.3.3空间不均匀下渗量计算 67
5.3.4地表以下径流计算 68
5.4模型参数 70
5.5数值解抽样数设置 71
5.6应用实例 71
5.6.1研究区介绍 71
5.6.2模拟率定和验证 72
5.6.3结果分析 73
参考文献 76
第6章 基于变动产流层结构的产流模型 77
6.1模型思路 77
6.2模型结构 78
6.3产流计算 79
6.3.1相对蓄水容量垂向分布 79
6.3.2相对蓄水容量空间分布 83
6.3.3产流计算 84
6.4汇流计算 86
6.4.1线性水库法 86
6.4.2马斯京根法 87
6.5应用实例 87
6.5.1模拟率定和验证 87
6.5.2结果分析 88
6.5.3讨论 92
参考文献 93
第7章 基于变动产流层结构和蓄超产流模式的水文模型 94
7.1模型研究思路 94
7.2模型结构 95
7.2.1蒸散发计算 97
7.2.2蓄超组合产流计算 98
7.2.3坡面径流损失模拟和分水源计算 101
7.2.4汇流计算 102
7.2.5模型特点 103
7.2.6心结 104
7.3模型应用及检验 105
7.3.1模型率定和验证 106
7.3.2小结 120
7.4模型参数分析 122
7.4.1参数概述 122
7.4.2关键参数敏感性分析 122
7.4.3建模方案推荐 127
7.4.4小结 131
参考文献 131
在线试读：
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
我国有37%的国土面积为半湿润半干旱区，面积大、人口多、经济体量大，洪涝灾害时有发生，严重威胁着社会经济安全，亟须研究半湿润半干旱区的产汇流机制，建立适用于半湿润半干旱区的流域水文模型，及时、准确地预报洪水，保障人民生命财产安全和社会经济发展（***中央***，2011；庄一瓴和林三益, 1986）。“新丝绸之路经济带”覆盖的新疆、甘肃、宁夏、青海、陕西等多地均处于半湿润半干旱区，研究半湿润半干旱区水文预报模型，准确预报洪水，对保障国家水安全战略和“****”倡议的顺利实施具有重要的意义。
在半湿润半干旱区，降水时空分布非均匀性强，降水主要集中在雨季的几场高强度降雨过程，强度大、历时短、分布极不均匀，洪水具有突发性（李力, 2009;胡彩虹, 2004）。此外，半湿润半干旱区下垫面复杂，包气带厚，难蓄满，土壤介质复杂，垂向异质性强，存在相对不透水层界面流。经典产流理论难以刻画半湿润半干旱区的真实产汇流过程，一直存在着水文预报准确度低的突出问题。在半湿润半干旱区，特别是半干旱区及地下水位下降严重的半湿润区，尚无适用的流域水文模型，预报精度无法满足社会发展的需求。因此，开展半湿润半干旱区的洪水预报模型研究，具有重要的理论及应用意义。
1.2 国内外研究进展综述
1.2.1 产流理论研究进展
1935 年Horton 提出了史上**个产流理论，指出降雨产流的两个基本条件：①降雨强度超过地面下渗能力时，产生超渗地面径流；②下渗水量超过包气带缺水量时，超过的部分成为地下径流（Horton, 1935; 1939）。20 世纪70 年代，Dunne和Black（1970）在大量观测和实验基础上发现了壤中流的形成条件和饱和地面径流机制。Dunne 提出的产流理论揭示了相对不透水层产流机制和饱和机制，丰富了流域产流理论。虽然产流理论得到了极大完善，但上述理论均为在点尺度或实验场尺度的探索，由于流域内土壤特性、植被覆盖、前期土壤含水量、地形地貌等存在空间非均匀性，流域产流量一直无法准确计算。流域局部产流问题（赵人俊和庄一鸰, 1963; Musgrave and Horton, 1964; Dunne and Black, 1970）的发现，使水文工作者对流域产流的认识上升到了新层次。为准确模拟产流，水文学家提出了局部贡献面积（partial contribution areas, PCA）（Betson, 1964; Ragan, 1968;Dunne and Black, 1970）和变动源面积（variable source areas）（Musgrave and Horton,1964; Hewlett and Hibbert, 1967）。能否合理表征局部贡献程度及流域局部产流过程，成为决定流域水文过程模拟精度的关键。我国水文学家赵人俊教授等提出的张力水蓄水容量曲线（Zhao et al., 1980）、国外水文学家Beven 和Kirkby（1979）提出的利用地形指数反映变动产流面积、SCS 模型中通过不同CN 值推求局部有效*大存储量（McCuen, 1982）等方法，为流域非均匀局部产流模拟提供了切实可行的途径，促使流域水文模型真正应用到实践中。随着计算机技术和DEM 技术的发展，利用分布式网格手段解决局部产流问题也得到快速发展（Abbott et al.,1986a; Kim and Steenhuis, 2001; Ivanov et al., 2004）。石朋等（2008）利用对数韦布尔分布曲线，建立了网格蓄水容量和地形指数的关系，解决了分布式新安江模型中确定网格蓄水容量的难题，实现了分布式模型中空间产流不均匀性描述。后来，考虑到地形指数等方法是静态的（Grabs et al., 2009），一些学者利用SCS-CN与土壤地形指数集合的半分布式模型来识别局部产流面积的时空分布（Schneiderman et al., 2010; Dahlke et al., 2009），还有学者利用当前降雨指数（current precipitation index，CPI）发展局部贡献面积（PCA）时变模拟理论（Lee and Huang, 2013）。尽管局部产流研究取得了丰硕成果，但国内外水文学家发现，即使很精细地描述了流域水平方向产流的非均匀性，半湿润半干旱区的水文模拟精度依然较低（徐宗学和李景玉, 2010），其原因值得深思。实际上，半湿润半干旱区多数区域包气带较厚、土壤缺水量较大，基本难以蓄满，基于蓄水容量分布和地形指数等方法的空间局部产流理论主要针对湿润区，认为产流的前提条件是包气带蓄满或者饱和，其识别的产流区为包气带蓄满或饱和的区域。因此，以包气带蓄满（或饱和）为特征的空间局部产流方法并不能很好地适用于华北半湿润半干旱区，难以识别包气带未蓄满（或未饱和）条件下，因高强度集中降水引起的部分区域产生的超渗地面产流、饱和地面产流、包气带上部相对不透水层局部饱和产流。此外，基于“超渗产流”模式，以下渗能力分布曲线为代表的空间局部产流方法（赵人俊, 1984; 包为民和王从良, 1997; 晋华, 2006; 李力, 2009），仅能识别超渗地面径流的贡献面积，不能识别土壤前期缺水量较小条件下的包气带土壤蓄满或饱和机制的径流成分对流域产流的贡献（面积）。因此，现有产流空间非均匀性描述理论显然不，在半湿润半干旱区，还需考虑包气带入渗产流的垂向非均匀性，进一步精细化描述时空不均匀产流。在实际产流过程中，下渗湿润锋和局部饱和带的深度不仅受不同雨强、雨型影响，还受土壤垂向空间分异特征的复杂影响，产流层的深度和范围是动态变化的，因此并不存在固定的产流层。在半湿润半干旱区降水和土壤特性复杂时空变化下，流域产流区域的识别不能仅以包气带饱和面积或超渗面积来描述，还应考虑包气带垂向局部饱和带的动态变化对产流的贡献。
土壤水文学中相关下渗理论的发展，为详细模拟垂向降雨入渗过程和处理土壤特性空间变异提供了有力工具（雷志栋等, 1988）。一方面，利用经典土壤水动力方程——理查德（Richards）方程，可描述垂向降雨入渗及包气带局部动态产流过程。与流域水文学中的经验方法相比，Richards 方程更能描述产流带的变化和垂向产流非均匀性。但由于其高度的非线性，即使对于小尺度问题，仍然要求求解大规模的方程系统（Troch et al., 2003）。另一方面，以Green-Ampt 为代表的入渗模型，能够计算垂向入渗速度，也可计算入渗条件下土壤含水率的垂向分布，但此类公式均在简化条件下推导得出，其模拟效果未必好于经验公式，且公式计算复杂，常数往往需要试验确定，应用较为困难（芮孝芳, 2004）。总体来说，土壤水动力学方法为精细化描述产流带变化和空间产流不均匀性提供了新的途径，但土壤水文学中用于实验土柱或点尺度的理论方法，在网格尺度和流域尺度的有效性仍有待验证（Beven, 2002; Abbott and Refsgaard, 2003）。Troch 等（2002）采用低维动力方程描述复杂三维结构下的山坡水动力过程，建立了山坡蓄量动力学理论。该理论提供了一种融合地貌特征的山坡水文模拟方法，为解决水文模拟中的尺度扩展问题指出了新方向（Troch et al., 2007）。然而，将其应用于流域尺度仍然需要在理论和方法上不断完善，其在解决尺度扩展和参数化问题上的意义有待进一步分析验证。上述土壤动力学方法为非饱和带入渗和产流过程的精准模拟提供了有力的工具，但从流域水文响应角度，该类方法的有效性仍有待验证。
总体而言，半湿润半干旱区的时空不均匀产流的研究仍然不足，在流域或网格尺度上，关于产流区识别和时空动态产流理论的研究，仍然较为薄弱，亟待深入研究。
1.2.2 流域水文模型研究进展
1.2.2.1 流域水文模型分类
流域水文模型通常可以分为三大类：系统理论模型、概念性模型和物理模型（石教智和陈晓宏, 2006）。系统理论模型只关心模拟结果的精度，而不考虑输入与输出之间的物理因果关系，又称“黑箱子模型”。代表性成果有：20 世纪70 年代末爱尔兰J. Dooge 教授提出的线性水文系统理论、爱尔兰UCG 大学Nash 提出的总径流线性响应模型（TLR）和线性扰动模型（LPM）等（Kang and Liang, 1986）。国内代表性的系统理论模型有水文时变增益非线性模型（TVGM）（Xia, 1995; Xiaet al., 2005），该模型考虑产流量与土壤湿度、不同下垫面和降水强度之间的非线性系统关系，建立降雨-径流形成的“时变增益”非线性产流公式。概念性模型以水文过程的物理概念和一些经验公式为基础构造，把流域的物理基础（如下垫面等）进行概化（如线性水库、土层划分、蓄水容量曲线等），再结合水文经验公式（如下渗曲线、汇流单位线、蒸散发公式等）来近似地模拟流域水流过程（董艳萍和袁晶瑄, 2008），代表性模型主要有：斯坦福模型（Crawford and Linsley, 1966）、水箱模型（tank model）（Sugawara et al., 1986; Sugawara, 1995）、萨克拉门托模型（Vrugt et al., 2006; Finnerty et al., 1997; Gan et al., 1997），以及我国的新安江模型（赵人俊, 1984; 赵人俊和王佩兰, 1988;王佩兰和赵人俊, 1989）等。物理模型认为流域上各点水力学特性是非均匀分布的，依据物理学的质量、动量与能量守恒定律和流域产汇流特性，构造水动力学方程组，模拟降雨径流在时空上的变化过程，代表性模型有：SHE 模型（Abbott et al., 1986a;Refshaard et al., 1995）和DBSIN模（Garrote and Bras, 1995）等。
从反映水文要素空间变化能力的角度，水文模型分为集总式模型和分布式模型。集总式模型的基本特征是将流域作为一个整体来模拟径流形成过程，其本身并未从机理上考虑降雨和下垫面条件空间分布不均匀性对流域径流形成的影响，模拟和预报结果只关注流域出口流量过程。现有集总式模型多数均由概念性元素按降雨-径流过程构成，不同概念性集总式模型的区别在于采用的概念性元素的不同及组合方式的不同（芮孝芳等, 2006）。分布式模型的基本特征是认为流域上各点水力学特性是非均匀分布的，水文要素在流域上分布并不均匀，应将流域划分为很多单元，然后根据流域产汇流特性，计算单元之间的质量和能量传递。按照计算径流采用的理论和方法，分布式模型可分为概念性分布式水文模型和具有物理基础的分布式水文模型两类。按照单元面积向出口断面汇集过程的处理方法，分为松散型和耦合型两类。松散型结构假设单元面积之间互不影响，先计算各单元面积对流域的贡献，再通过叠加确定流域响应。概念性分布式水文模型一般为松散型的，松散型结构的优点在于计算方法简单，缺点在于反映降雨径流过程尚不完善。耦合型结构利用一组微分方程及其定解条件构成的定解问题来描述降雨径流过程，优点在于能够很好地反映径流形成机制，缺点在于必须通过联立求解