【摘要】隨著流域生態(tài)水文模型應(yīng)用水平的不斷提高，研究其進(jìn)展情況凸顯出重要意義。本文首先對相關(guān)內(nèi)容做了概述，分析了流域生態(tài)水文特征。在探討常用的流域生態(tài)水文模型及其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以MIKESHE模型為實(shí)例進(jìn)行深入研究。

【關(guān)鍵詞】流域生態(tài)；水文模型；研究；進(jìn)展

一、前言

作為與流域生態(tài)密切相關(guān)的一項(xiàng)重要工作，水文模型在近期得到了長足的發(fā)展和應(yīng)用。研究流域生態(tài)水文模型的進(jìn)展，能夠更好地把握其動向，從而為良好利用打下基礎(chǔ)。本文從介紹生態(tài)水文模型的相關(guān)內(nèi)容著手本課題的研究。

二、生態(tài)水文模型概述

1.水文模型的概念

水文現(xiàn)象是一種非常復(fù)雜的現(xiàn)象，它不僅受降雨特性的影響，還受流域下墊面、人類活動等因素的影響。因此，多年來水文學(xué)者一直在不斷的探索和研究，以便揭示水文現(xiàn)象及其發(fā)展變化規(guī)律。但是，至今仍有許多問題尚未解決。在沒有完全搞明水文發(fā)展的規(guī)律之前，通過建立模型對水文過程進(jìn)行模擬（試驗(yàn)），不失為一種可取的途徑。仿照原型制造模型稱為“模擬”，模擬工作首先要制作一個(gè)“模型”。對于水文問題來講，模型可認(rèn)為是描述一種現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為另一現(xiàn)象的工具。

2.水文模型的分類

按模型的性質(zhì)和建模技術(shù)來分，可分為以下幾種：

實(shí)體模型：包括比例尺模型和單項(xiàng)因素試驗(yàn)?zāi)Ｐ停活惐饶Ｐ停阂懒硪环N現(xiàn)象的物理性質(zhì)類比水文現(xiàn)象的物理性質(zhì)，以便于觀測或形象化。例如根據(jù)滲流的達(dá)西定律和歐姆定律之間的相似性進(jìn)行類比的電模擬模型等；模擬模型：模擬模型也稱數(shù)學(xué)模型，即運(yùn)用數(shù)學(xué)方法模擬水文現(xiàn)象的模型。

（一）確定性模型：以水文現(xiàn)象的因果關(guān)系作為基礎(chǔ)，來建立水文模型。它又可分為：a水動力學(xué)模型。采用水動力學(xué)方程及能量守恒定律等水力學(xué)方法對水文現(xiàn)象進(jìn)行概化模擬；b概念性模型。以水文現(xiàn)象的物理概念和機(jī)制為基礎(chǔ)對水文過程進(jìn)行模擬；c黑箱模型（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型ANNM）。采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和算法對水文內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行模擬。

（二）統(tǒng)計(jì)（隨機(jī)）模型：它是以水文現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)規(guī)律為基礎(chǔ)進(jìn)行水文模擬的模型。包括隨機(jī)水文學(xué)、頻率分析計(jì)算等。

三、流域生態(tài)水文特征

流域濕地的景觀地貌系統(tǒng)的各類自然要素是形成水文生態(tài)功能的基礎(chǔ)，隨著自然要素連續(xù)性的日漸破損和丟失必然會導(dǎo)致生態(tài)功能的故障，導(dǎo)致周圍生態(tài)環(huán)境發(fā)生巨大的改變。景觀變化結(jié)果不僅改變了景觀的空間結(jié)構(gòu)，而且影響景觀中能量分配和物質(zhì)循環(huán)，最為明顯的是流域景觀結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重影響水的自然循環(huán)過程，使整個(gè)水文生態(tài)系統(tǒng)平衡被打破，從而加劇了城市澇災(zāi)的發(fā)生[1]。

近年來，越來越嚴(yán)重的水環(huán)境問題與洪澇災(zāi)害引起人們對流域生態(tài)問題的關(guān)注，促進(jìn)了景觀生態(tài)學(xué)在流域水文生態(tài)學(xué)科的應(yīng)用，開展了對流域景觀結(jié)構(gòu)變化及其對流域水文過程影響的研究。事實(shí)上，隨著城市化的加速發(fā)展，我國各地出現(xiàn)的洪澇災(zāi)害趨于頻繁化和重創(chuàng)化的形勢，均與流域景觀結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)，主要表現(xiàn)在上游林地、農(nóng)田和灘地等滯洪、消能空間減少和中下游用于調(diào)蓄的湖泊面積減少等方面。

目前我國城市面臨的生態(tài)失調(diào)、生物多樣性與景觀美學(xué)特色喪失，地質(zhì)災(zāi)害與水澇災(zāi)害等生態(tài)環(huán)境問題，反映了大規(guī)模的城市化建設(shè)缺乏科學(xué)的理念與技術(shù)方法，嚴(yán)重干擾了城市原有的景觀生態(tài)系統(tǒng)，特別是流域范圍內(nèi)不合理開發(fā)和利用以及傳統(tǒng)的水利工程措施如加固堤岸、裁彎取直、修筑水壩等。

然而，城市流域的“城市化”是必然趨勢，因此，如何維持和提高城市流域的自然屬性與景觀質(zhì)量價(jià)值來確保人類生存的安全與穩(wěn)定，是人們期待解決和發(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo)。城市河道既來源于自然，又必須回歸自然。

四、常用的流域生態(tài)水文模型及其特點(diǎn)

1.包頓模型

該模型在澳大利亞、新加坡等國有著廣泛的應(yīng)用，它是由澳大利亞的包頓于1966年研制成功的一個(gè)以日為計(jì)算時(shí)段的流域水文模型，在干旱和半干旱地區(qū)較為適用。該流域水文模型是常用的水文模型中最簡單的一個(gè)。在模型中共設(shè)截留層、上土壤層、排水層和下土壤層4個(gè)蓄水層，用以模擬流域的蓄水、排水剖面，然后在各層分別設(shè)置一個(gè)最大可能蓄水量，用以控制模型的蒸發(fā)、下滲和徑流。該模型缺點(diǎn)是未設(shè)置地下水結(jié)構(gòu)，徑流只有地面徑流。

2.第Ⅳ號斯坦福流域水文模型

該模型是世界上研究最早，影響力最大的流域水文模型，它是一種用數(shù)學(xué)方法模擬水文物理現(xiàn)象的模型。該模型的建立為以后許多模型的建立發(fā)展提供了基礎(chǔ)。此模型的特點(diǎn)是物理概念明確，模型結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，層次鮮明。在小流域中采用集總模型方式，對大流域，采用分塊模型方式。

3.薩克拉門托模型

簡稱“SAC”模型，SAC模型類似于斯坦福模型，它是一個(gè)連續(xù)模擬模型，該模型始用于美國大利福尼亞州薩克拉門托河而得名。它是在第Ⅳ號斯坦福流域水文模型基礎(chǔ)上改進(jìn)和發(fā)展的。1973年研制成功了日流量模擬程序，在此基礎(chǔ)上于1975年又進(jìn)一步提出了6h時(shí)段模擬程序。

4.水箱模型

該模型由日本菅原正在20世紀(jì)60年代初提出，水箱模型又叫坦克模型，在后來的不斷發(fā)展中成為世界各國廣泛采用的流域水文模型。水箱模型是一種概念性徑流模型，把流域當(dāng)作數(shù)個(gè)組合的蓄水容器，容器中的蓄水量看做流域蓄水量，并以容器中的蓄水深度為參數(shù)來計(jì)算流域的降雨、徑流關(guān)系及其匯流過程。在模型的應(yīng)用中，它將復(fù)雜的降雨轉(zhuǎn)化為徑流的過程，簡單歸納為流域的蓄水與出流的關(guān)系進(jìn)行模擬，因此，該模型具有一定的靈活性，適應(yīng)性強(qiáng)，在各種大小流域以及各種氣候、地形都可以應(yīng)用，只要多設(shè)置水箱就可以，此外，水箱模型操作也較簡單。

五、案例分析——MIKESHE模型

1.MIKESHE概述

MIKESHE模型最早在1982年由丹麥液壓研究所開發(fā)，基于物理的確定性的分布式模型系統(tǒng)。幾乎可以模擬所有的水文過程。1998，美國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會議上提交了幾分評估材料，MIKESHE模型也憑借其廣泛的適用性和可編輯性也在此引起了整個(gè)學(xué)會的注意。

2.典型運(yùn)用

MIKESHE最初是為歐洲的水資源管理和環(huán)境保護(hù)的用戶設(shè)計(jì)的。直至目前，MIKESHE已經(jīng)比較廣泛的運(yùn)用于高校，研究機(jī)構(gòu)，咨詢公司。作為一個(gè)強(qiáng)大的，地下水、地表水、排水和蒸發(fā)的，可綜合運(yùn)用于模型和環(huán)境的模型，MIKESHE幾乎能模擬所有水文過程，主要運(yùn)用于：流域綜合水文；地表水和地下水的綜合利用；灌溉管理和和干旱治理；濕地治理和修復(fù)；河流徑流；泛濫平原管理；地下水引起的洪水；土地利用和氣候變化；養(yǎng)分過程和管理；地下水治理。用戶可對其中一個(gè)過程進(jìn)行獨(dú)立研究，還可根據(jù)各自具體的需求調(diào)整模型。

3.MIKESHE研究進(jìn)展

網(wǎng)格尺度：Vázquez研究發(fā)現(xiàn)，就河流的流量，既有的數(shù)據(jù)和模型的結(jié)構(gòu)來看，600m的格網(wǎng)間距對于一個(gè)586km2的流域來說是最佳尺度。

自動校準(zhǔn)：Henrik研究發(fā)現(xiàn)，與手動的專家校準(zhǔn)相比，平衡的Pareto最佳方案能更好的模擬徑流，甚至地下水位。Christin，Roverta等也研究表明模型的自動校準(zhǔn)具有相當(dāng)重要性。

六、結(jié)束語

通過對流域生態(tài)水文模型研究進(jìn)展的相關(guān)分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)今條件下，其模型的應(yīng)用和研究頗具水平，有關(guān)人員應(yīng)該從流域水文的客觀實(shí)際出發(fā)， 利用優(yōu)勢條件，對流域生態(tài)水文模型做出合理掌握與分析。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尚宗波，高瓊.流域生態(tài)學(xué)—生態(tài)學(xué)研究的一個(gè)新領(lǐng)域[J].生態(tài)學(xué)報(bào).2011（03）：468-471.

[2] 傅伯杰，陳利頂，馬克明.景觀生態(tài)學(xué)原理及應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù).2011（01）：88-89.

[3] 王紫雯，程偉平.城市水澇災(zāi)害的生態(tài)機(jī)理分析和思考[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào).2012（05）：84-87.