流域分布式水文模型的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

陳 靜

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

1 引言

20世紀60年代出現(xiàn)的斯坦福（Stanford）模型是第一個真正意義上的流域水文模型，是計算機科學(xué)與水文學(xué)成功結(jié)合的產(chǎn)物，標志著定量水文學(xué)在經(jīng)歷了漫長而緩慢的發(fā)展之后開始進入快速發(fā)展階段[1]。在過去的半個多世紀中，水文模型的發(fā)展經(jīng)歷了從黑箱子、概念性模型向具有物理基礎(chǔ)的分布式水文模型，從集總式向分布式，從僅考慮降雨徑流模擬到耦合水質(zhì)、泥沙、生態(tài)系統(tǒng)及大氣系統(tǒng)等的發(fā)展歷程[2]。

根據(jù)對流域空間離散程度的不同描述方法，水文模型可分為集總式和分布式。其中集總式水文模型將流域視作一個整體，假定整個流域上降雨、流域下墊面和初始狀態(tài)在空間上均勻分布，不考慮三者的空間差異性；而分布式水文模型則充分考慮了降雨、流域下墊面和初始狀態(tài)在空間上的不均勻性，模型在求解描述水文循環(huán)過程中的偏微分方程時，采用離散化方法將流域分成多個單元，并考慮水分在離散單元之間的水量和動量交換。由于這種假設(shè)與自然界下墊面的空間異質(zhì)性和降雨的時空不均勻性，而導(dǎo)致降雨徑流非線性的特征比較吻合，因此分布式水文模型對于水文循環(huán)過程的描述更加接近實際，是水文模型發(fā)展的必然趨勢[3-4]。1969年，F(xiàn)reeze和Harlan[5]第一次提出分布式物理模型的概念后，分布式水文模型的開發(fā)和應(yīng)用開始進入快速發(fā)展階段。

2 分布式水文模型的研究現(xiàn)狀

歐美國家研究機構(gòu)在分布式水文模型方面起步較早，在這方面的研究一直走在世界前列。目前應(yīng)用較多的分布式水文模型也是以歐美國家或科研機構(gòu)開發(fā)為主，主要包括歐洲科研機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的SHE（System Hydrological European）模型、美國農(nóng)業(yè)部研發(fā)的SWAT（Soiland Water Assessment Tool）模型、英國水文學(xué)家開發(fā)的IHDM（Insistute of Hydrology Distributed Model）模型、意大利水文學(xué)家開發(fā)的TOPKAP（Topographic Kinematic Approximation and Integration）模型、美國科研機構(gòu)開發(fā)的VIC（Variable Infiltration Capacity）模型等。

1986年,由歐洲多個國家水文學(xué)家聯(lián)合開發(fā)的SHE水文模型是最早出現(xiàn)的分布式水文模型，也是應(yīng)用最廣泛的分布式水文模型之一，自出現(xiàn)以來在全世界不同國家和流域均有較為成功的應(yīng)用實踐。SHE模型是迄今為止唯一一個全部用連續(xù)性方程和動力方程控制流域產(chǎn)匯流的流域水文模型，然而對于這樣一個包含復(fù)雜定解條件的偏微分方程組，得到解析解是相當困難。SHE模型利用有限差分法進行數(shù)值求解，在流域網(wǎng)格化方面SHE模型在水平方向上用網(wǎng)格表示，垂直方向上用層來表示。SHE模型的部分參數(shù)具有一定的物理意義，跟流域特征有關(guān)。數(shù)值化求解方法使得SHE模型在計算上具有較強的靈活性，而表征流域特性的參數(shù)亦使其具有一定的物理基礎(chǔ)，上述特點使SHE模型適用于多種資料條件，在歐洲和其他地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。

美國農(nóng)業(yè)部于1988年開發(fā)的SWAT模型是目前應(yīng)用最廣泛的分布式水文模型之一，是一個具有很強物理基礎(chǔ)的長時段流域分布式水文模型，適用于下墊面和管理條件差異性明顯的復(fù)雜大流域[6]。SWAT在模型架構(gòu)上采用模塊化設(shè)計思路，模型功能強大，不僅能夠模擬降雨徑流過程，而且在水土流失、非點源污染和水資源管理等問題上也得到了很好的應(yīng)用。

分布式水文模型在國內(nèi)發(fā)展較晚，國內(nèi)對于流域水文模型的探索是應(yīng)用與開發(fā)相結(jié)合的模式，一方面積極引入國外相對成熟的流域水文模型，嘗試將其應(yīng)用于國內(nèi)不同流域的水文模擬、洪水預(yù)報、水資源管理等水文過程，同時驗證分布式水文模型對流域的適應(yīng)性，獲得符合流域?qū)嶋H的參數(shù)，服務(wù)于流域的研究和應(yīng)用實踐；另一方面也積極開發(fā)新的流域水文模型。

張建云[7]建立了一種參數(shù)網(wǎng)格化的分布式徑流模型，并在華北、江淮流域的水資源動態(tài)模擬評估中得到較好應(yīng)用；李蘭等[8]提出了一種分布式水文模型，將數(shù)學(xué)物理反問題與洪水預(yù)報相結(jié)合，給出了包含流域產(chǎn)匯流和水庫洪水演進的動態(tài)分布預(yù)報耦合模型，不僅可以用于分析地區(qū)的降雨徑流規(guī)律，也可以用于洪水預(yù)報，并在多個水庫流域得到應(yīng)用；熊立華等[9]提出了一個基于數(shù)字高程模型（DEM）的分布式水文模型（DDRM），將土壤蓄水能力作為反映流域土壤特征的參數(shù)，同時假設(shè)各點地形指數(shù)與土壤蓄水能力存在相關(guān)性，可用于描述土壤蓄水能力的空間分布。

3 分布式水文模型的應(yīng)用

面對一般的水文問題，集總式水文模型也可得到相對令人滿意的結(jié)果，而分布式水文模型的優(yōu)勢并不十分突出。但在面對復(fù)雜的水文問題時，如缺乏資料地區(qū)、空間異質(zhì)性明顯的流域，以及在研究氣候變化對水文水資源的影響、土地利用對水文過程的響應(yīng)等問題時，分布式水文模型就表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢和不可替代性。

3.1 分布式水文模型在缺少資料地區(qū)水文模擬中的應(yīng)用

在實際研究和應(yīng)用中流域水文資料不足是經(jīng)常遇到的情況，所謂的缺乏資料地區(qū)不僅有因區(qū)域測站建設(shè)不完善導(dǎo)致的資料缺乏，也有由于下墊面和氣候條件變化導(dǎo)致以往的水文資料不再適用而成為新的缺乏資料地區(qū)。經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃图偸剿哪Ｐ蛯τ诘貐^(qū)觀測資料有著很強的依賴性，因此面對資料缺乏地區(qū)的水文問題常常無從下手。分布式水文模型通過求解水文過程偏微分方程的方法，弱化了對經(jīng)驗參數(shù)的依賴性，具有很強的普適性，因而在缺少觀測資料地區(qū)的水文模擬中得到了廣泛應(yīng)用，也成為缺乏資料地區(qū)模擬降雨徑流過程、進行水文預(yù)報的一種有效的工具。黃粵等[10]選取具有物理基礎(chǔ)的分布式水文模型MIKE SHE來模擬塔里木河主要源區(qū)之一——開都河流域的徑流量變化過程，在觀測缺乏的條件下,研究分布式水文模型在缺乏資料地區(qū)的日徑流模擬中的適用性，結(jié)果表明模擬結(jié)果與實測結(jié)果高度相關(guān)，在資料相對缺乏的客觀條件下，應(yīng)用分布式水文模型來模擬地區(qū)水文過程的方法是可行的。

3.2 分布式水文模型在研究水文循環(huán)對氣候變化響應(yīng)機理中的應(yīng)用

全球正在經(jīng)歷的氣候變化直接影響了降雨的時空分布，局部極端天氣發(fā)生的頻率和降雨強度的明顯增強，地區(qū)降雨徑流特性和水資源量也在不斷變化，因此研究氣候變化對水文水資源的影響也成為近年來水文學(xué)的熱點之一，不少學(xué)者將大氣環(huán)流模型與流域水文模型耦合而形成陸-氣耦合模式（GCMs），該模式成為研究水文循環(huán)對氣候變化響應(yīng)機理的重要方法。分布式水文模型對陸面的空間差異性有著更為真實的描述和表征，這一特點使其在陸-氣耦合模式中尤被重視。彭艷[11]針對三峽庫區(qū)流域特點，利用分布式水文模型與數(shù)值天氣預(yù)報模式進行耦合，構(gòu)建了三峽庫區(qū)陸-氣耦合洪水預(yù)報模型，并開發(fā)了陸-氣耦合的洪水預(yù)報系統(tǒng)，有效延長了入庫洪水預(yù)報預(yù)見期，提高了洪水預(yù)報精度。

3.3 分布式水文模型在流域土地利用（覆被）變化對水文過程影響研究中的應(yīng)用

人類活動對水文過程的影響主要表現(xiàn)為改變土地利用方式及陸面覆被情況，這種改變直接導(dǎo)致蒸散發(fā)、截留、填洼、下滲等因素的改變，從而改變流域（區(qū)域）產(chǎn)匯流的過程及流量，繼而導(dǎo)致流域（區(qū)域）不同時間和空間尺度下的水文循環(huán)的變化。土地利用（覆被）變化對水文過程影響的研究，對于揭示區(qū)域及全球尺度水文循環(huán)規(guī)律、相互影響機理、生態(tài)安全格局等有著十分重要的意義[12]。而分布式水文模型的特點使其在這一類研究中越來越被重視，尤其是近年來遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)與分布式水文模型的耦合不斷深入，使得分布式水文模型能夠更加靈活地反映土地利用（覆被）變化的情景，模擬不同土地利用變化情境下的水文響應(yīng)[13]。

3.4 分布式水文模型在物質(zhì)輸移和水質(zhì)模擬中的廣泛應(yīng)用

分布式水文模型的發(fā)展從最初的單一模擬降雨徑流逐漸向耦合水質(zhì)、泥沙等物質(zhì)運移的方向發(fā)展，國外學(xué)者較早就對分布式模型在物質(zhì)運移方面的應(yīng)用進行了探索，利用模型對流域的產(chǎn)流、產(chǎn)沙、非點源污染等過程進行了大量的模擬研究。Schomberg等[14]應(yīng)用分布式水文模型在美國的不同州進行了產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量模擬，獲得了令人滿意的模擬結(jié)果。國內(nèi)對于分布式水文模型的研究和應(yīng)用起步相對較晚，但近年來在應(yīng)用分布式水文模型分析產(chǎn)流、產(chǎn)沙量及非點源污染負荷等方面也有較多的應(yīng)用實踐。解志林[15]利用SWAT模型研究了阜陽市沙潁河流域非點源總氮的時空分布特征，不僅分析確認了農(nóng)業(yè)面源污染物的重點貢獻區(qū)域，同時研究了降雨、下滲、地表徑流等各個水文環(huán)節(jié)總氮進入水體的變化過程；陳祥義[16]選取三峽庫區(qū)典型流域龍河流域作為研究區(qū)域，利用分布式水文模型SWAT對研究區(qū)內(nèi)的非點源污染進行模擬，找到污染物排放關(guān)鍵源區(qū)，同時探討了非點源污染防控最佳管理措施，提高非點源污染治理的效率；楊寶林等[17]利用分布式水文模型模擬分析了浙江省蓮塘口流域的關(guān)鍵污染源區(qū)，為流域后續(xù)的面源污染控制和治理提供科學(xué)依據(jù)和治理方向。

3.5 分布式水文模型在水資源管理中的應(yīng)用

在水資源利用程度不斷提高而水資源危機不斷加劇的背景下，水資源量與質(zhì)并重，管理更加精細化的要求使得傳統(tǒng)的水資源管理方式已不能滿足需要，分布式水文模型較好地適應(yīng)了這一發(fā)展要求。分布式水文模型已經(jīng)在流域水資源綜合管理、農(nóng)業(yè)灌溉和城市取用水研究、地表水與地下水評價與計算等領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用。王忠靜等[18]利用分布式水文模型應(yīng)用于變化環(huán)境下的水資源評價，以永定河山區(qū)為例進行了不同時期下墊面的水資源評價，驗證了分布式水文模型用于水資源評價的有效性。在南水北調(diào)工程中，分析人員應(yīng)用分布式水文模型進行情景分析，研究水文系統(tǒng)的動態(tài)變化，對地下水資源進行評估與計算，從而制定地下水恢復(fù)的方案[19]。

4 存在的一些問題

在過去的研究進程中，分布式水文模型的研究和應(yīng)用獲得了較大的發(fā)展，但亦存在一些問題亟待獲得突破和發(fā)展。

（1）能夠適應(yīng)不同尺度的新一代分布式水文模型研究和應(yīng)用亟待出現(xiàn)。尺度的問題包含兩類，一類是對不同時間和空間尺度的適應(yīng)性。不同尺度的水文循環(huán)機理、水文規(guī)律和特征均有不同，所使用的水文模型的結(jié)構(gòu)也就不盡相同。開發(fā)一種模型結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)于不同尺度的分布式水文模型，使得模型對于不同尺度的水文問題都有著較好的表達，是水文模型進一步發(fā)展的主要難點和方向之一；另一類則是分布式水文模型與相關(guān)模型耦合時的尺度協(xié)調(diào)問題。例如，水文模型與生態(tài)系統(tǒng)模型的耦合，水文模型與大氣環(huán)流模型的耦合等，均存在時間和空間尺度的協(xié)調(diào)問題，如何實現(xiàn)模型之間尺度的轉(zhuǎn)換是耦合模型進一步發(fā)展的重點和難點之一。

（2）遙感與地理信息系統(tǒng)、分布式水文模型的耦合與集成有待進一步發(fā)展。分布式水文模型的特點決定了其對地理信息有著較高的依賴性，一直以來受數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)密度的制約，并沒有出現(xiàn)真正意義上的分布式水文模型。地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感技術(shù)（RS）的發(fā)展為分布式水文模型解決了數(shù)據(jù)源及密度的阻礙，RS技術(shù)強大的動態(tài)數(shù)據(jù)采集以及GIS數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)在分布式水文模型中的交互式應(yīng)用，使得真正意義上分布式水文模型的出現(xiàn)成為可能。一般來說分布式水文模型與地理信息系統(tǒng)的耦合有4種形式[20]，模型嵌入GIS平臺、GIS功能集成到模型、模型和GIS的松散連接、模型和GIS的緊密連接。松散連接是目前分布式水文模型與GIS集成研究中最普遍的方法，通過數(shù)據(jù)文件或者共享數(shù)據(jù)庫的方式借助數(shù)據(jù)接口程序來實現(xiàn)二者的結(jié)合，接口程序相對簡單，運行效率高，模型的穩(wěn)定性較好，但是缺點在于易用性較差，經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)交換錯誤，從而影響到模型的精度及效果。通過地理信息系統(tǒng)的宏語言或二次平發(fā)，將分布式水文模型與地理信息系統(tǒng)緊密連接，實現(xiàn)二者的完全集成，是模型耦合集成的難點和發(fā)展方向。

（3）分布式水文模型在參數(shù)率定及運行方面有待進一步優(yōu)化。分布式水文模型的參數(shù)眾多，多參數(shù)率定一直以來都是模型的難點，自動率定成為一種必然的發(fā)展趨勢。利用粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及人工智能等方法應(yīng)用于模型的多參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)多參數(shù)的自動率定，是模型提升計算效率的重要手段。另外，在運行方面現(xiàn)有的分布式水文模型多為串行計算方式，但隨著分布式水文模型在大流域、高密度數(shù)據(jù)源條件下的應(yīng)用，串行計算在運行方面會遇到較大的瓶頸，并行計算的研究和應(yīng)用能夠幫助分布式水文模型實現(xiàn)在運行效率上的優(yōu)化。

5 發(fā)展展望

分布式水文模型與RS、GIS的緊密耦合和完全集成是未來研究的熱點之一，在開發(fā)性體系架構(gòu)的GIS平臺基礎(chǔ)上，通過GIS提供的宏語言或者二次開發(fā)高級語言，將水文模型和GIS緊密連接，實現(xiàn)分布式模型和GIS的完全集成。完全集成的分布式水文模型可實現(xiàn)對水文動態(tài)的實時模擬及演示，而且穩(wěn)定性和易用性均較好，是分布式水文模型發(fā)展的一個方向。

分布式水文模型在多學(xué)科的交叉融合中發(fā)揮更大作用。分布式水文模型與大氣環(huán)流模型耦合發(fā)展起來的陸-氣模式也是學(xué)科交叉的一個熱點和難點。新一代陸-氣耦合模型的出現(xiàn)，將促進人們對水文循環(huán)與氣候演變交互影響機理的進一步認識。而在生態(tài)水文學(xué)領(lǐng)域，隨著分布式水文模型與相關(guān)模型在尺度匹配和參數(shù)傳遞等方面的突破，模型之間的耦合從松散向緊密耦合，植被生長過程與水文循環(huán)之間的作用與反饋模擬將得到進一步發(fā)展，從而不斷提高生物動力與水文循環(huán)相互作用機理。