基于二元演化模式的流域水文模型

摘要 所謂流域水文模型的本質就是：把流域看成為一個系統，已知其輸入，要求其輸入。在推算中把系統的狀態，即流域上發生的水文過程模擬計算出來。在我們的研究范圍內，系統的輸入是降雨過程(沒有包括融雪、水質、泥沙登)，系統的輸出是流域出口斷面的流量過程，因此所建的是將雨徑流流域模型。

關鍵字：流域；二元演化模式；水文模型

一、流域的產、匯流過程

由降雨到徑流是一個很復雜的過程，為了便于分析通常將其分解為產流和匯流兩個過程。

雨水降落到地面，一部分損失掉，剩下能形成地面、地下徑流的那部分稱為凈雨，把降雨扣除損失成為凈雨的過程稱作產流過程。

凈雨沿坡地從地面和地下匯入河網，然后沿著河網匯合到流域出口斷面，這一完整的過程稱為流域匯流過程。

二、自然過程和人類活動對流域水文過程的影響

流域作為一個系統，其水文過程受到自然過程和人類活動兩方面因素的影響。就流域的產、匯流過程來說，影響其發生和演變的流域水文特征有：

(1)降雨特性：降雨作為流域水文系統的輸入，影響其特性的有：降雨量、降雨強度、降雨歷時等，這些因素都不同程度上影響著流域的水文過程。

(2)蒸散發特性：蒸散發在流域水量平衡中是很重要的一個項目，影響其特性的有：氣候、日照等。

(3)下墊面特性通常包括：土壤類型、植被類型、地形、地貌、土壤含水量等，其特性影響著流域產流、匯流、蒸散發等。

(4)匯流特性：匯流通常包括：坡地匯流、河網匯流、人類取用水過程等，其特性影響著流域的蓄水能力、出口斷面的流量等。

通過分析不難發現，每一種流域水文特性都同時受到自然過程和人類活動的影響：

首先，流域的降雨特性和蒸發特性是一個自然過程，或者說它們在很大程度上受自然過程影響。但隨著工業化進程的推進，溫室氣體大量排放使氣溫升高和大氣環流發生變化，當地的氣候發生了緩慢的改變，氣候的改變導致了流域降水和蒸發特性也產生了相應變化，還有人類活動對流域下墊面情況的改變也會間接地影響流域的降雨和蒸發特性。

其次，流域的下墊面特性最初形成過程只是一個自然的演變過程，這個過程是非常緩慢的。隨著人類出現和人類社會的發展進步，人類對自然的改造越來越大，人類活動對流域下墊面的影響越來越大。比如，人們通過種植各種作物改變了流域下墊面的植被類型，通過平整土地改變了流域下墊面的坡度，等等。人類活動可以在較短的時間內改變流域的下墊面特性。

最后，流域天然循環由大氣水—地表水—土壤水—地下水“四水”之間相互轉化，并在轉化過程中滋養了天然生態系統。水資源開發利用改變了江河湖泊關系，改變了地下水的賦存環境，也改變了地表水和地下水的轉化路徑。

通過以上分析，可以得到如下結論：

(1)在沒有人類活動影響的情況下，流域水文過程是一個具有趨勢性、周期性、隨機性特征的過程。

(2)對于不同的流域水文特性，自然過程和人類活動對其的影響在不同的空間尺度和時間尺度上表現為不同的形式。

(3)自然過程和人類活動對流域產、匯流過程的影響是復合的。

三、基于二元演化模式的流域水文模型

1、隨著人類社會的發展，人類活動對流域水文過程的影響越來越大。要想更清楚地研究流域的水文過程，必須分別研究自然過程和人類活動對流域水文過程的影響，然后再把它們結合起來共同考慮。所謂二元演化模式的本質就是分別考慮自然過程和人類活動對流域水文過程的影響。流域水文過程研究的最終目的，就是建立基于二元演化模式的流域水文模型，它將全面考慮自然過程和人類活動對流域水文過程的影響。

自然過程對流域水文的影響主要是對流域降雨蒸發特性的改變。一般情況下，流域水文模型把降雨蒸發資料作為模型的輸入，因此，自然過程對流域水文的影響只要考慮比較降雨蒸發資料，更重要的是考慮人類活動對流域水文的影響。人類活動對流域水文過程的影響主要表現為流域下墊面和匯流特性的影響。本文認為考慮人類活動對文過程的影響，應該從這樣兩個方面人手：只有清楚地考慮了人類活動對流域水文過程的影響，才能建立更能反映流域的真實水文過程的流域水文模型。

2、傳統流域水文模型及其對人類活動影響考慮的不足。

對天然狀態下的流域水文，古代先哲早已有了相當深刻的認識。傳統的流域水文模型的主要研究對象就是：自然過程對流域水文過程的影響，或者說天然狀態下的流域水文過程。傳統的水文模型對人類活動的考慮方法是：通過水量還原，把人類用水還原到天然過程中，從而扣除人類活動對流域水文過程的影響，使整個流域水文過程單純在天然狀態下進行。其實，單純的水量還原沒有完全扣除人類活動的影響。

降雨蒸發特性作為傳統流域水文模型的原始資料輸入，都包括自然過程和人類活動對它們的影響。但是，做為影響流域水文過程的關鍵因素——流域下墊面，傳統的水文模型并沒有清楚地考慮。

傳統的水文模型都采用了這樣一個假說：流域的下墊面情況是相對穩定不變的。由于下墊面的情況的相對穩定(即流域的下墊面參數是相對穩定的)也就是說流域水文響應是相對穩定的。因此就有了降雨徑流關系圖等經驗圖表的出現和應用。傳統的水文模型都是根據這個假定利用實測的降雨徑流資料來反求流域的下墊面參數。然后，再利用這些下墊面參數來模擬流域的水文過程。當然這種假設是有一定道理的，在人類活動影響較小的流域，其下墊面情況在相當一段時間跨度范圍內變化較小，可以近似認為流域的下墊面情況是相對穩定不變的。然而，很多事實已經證明流域的下墊面情況可以在很短的時間內發生變化。流域的降雨徑流關系也是變化的。因而流域的降雨徑流相關圖也就很難應用了。同樣傳統的流域水文模型遇到了困難。

傳統的水文模型對下墊面的考慮只是利用一些集總性的參數加以概化處理。而不能反映分區內各種下墊面類型的下墊面情況。

3、基于二元演化模式的流域水文人類活動影響的考慮。

針對傳統流域水文模型在考慮人類活動影響時的不足和問題，本文為力求通過前面提出的基于二元演化模式的流域水文模型解決這些問題。

a考慮人類活動對流域下墊面特性的影響時，認為對于某種特定下墊面的水文響應是永遠固定的。而流域下墊面特性的變化只是各種下墊面組合的變化，因此，只要知道各種下墊面的水文響應，就可以知道整個流域水文響應。

b考慮人類活動對流域特性的影響，牽扯到兩方面的問題：(1)流域下墊面特性的變化對流域匯流特性的影響，如土地利用類型的改變導致水流速度的變化，地形的改變導致水流坡降的變化等。(2)人類用水過程的變化對流域匯流特性的影響。這方面的計算可以用水量還原的方法來實現，或者根據二元演化模式的理論來計算。

四、結論

對于基于二元演化模式的流域水文模型而言，本文只是通過分析自然過程和人類活動對流域水文過程的影響，提出一個流域水文模擬研究的方向和一些探索性的方法。對于基于二元演化模式的流域水文模型所涉及的眾多問題，就基于二元演化模式的流域水文流域下墊面的考慮進行了詳細地論述。