趙著燕 ，陸 穎 ，袁 旭 ，畢曉靜

（1.云南大學(xué)國際河流與生態(tài)安全研究院，云南 昆明 650091；2.云南省國際河流與跨境生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明650091）

水文模型是當(dāng)今水文研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。20世紀(jì)50—70年代，科學(xué)家首次提出“流域水文模型”的概念。至21世紀(jì)初，全世界已開發(fā)有上百個(gè)流域水文模型，其中有較大實(shí)用價(jià)值的至少有70個(gè)。水文模型分為集總式模型和分布式模型。集總式水文模型屬于黑箱模型，模型中的變量和參數(shù)通常采用平均值,即將整個(gè)流域視作一個(gè)單元來處理。分布式水文模型考慮不同單元之間和流域之間的水平聯(lián)系，通過水循環(huán)動(dòng)力學(xué)機(jī)制描述和模擬流域水文過程，因而能更加準(zhǔn)確描述流域水文過程。

分布式水文模型研究一般認(rèn)為始于由Freeze和Harlan于1969年提出的“一個(gè)具有物理基礎(chǔ)數(shù)值模擬的水文模型藍(lán)圖”。20世紀(jì)80年代初，由英國水文研究所（90年代末改名為“生態(tài)水文學(xué)研究中心”）、法國SOGREAH咨詢公司和丹麥水力學(xué)研究所（DHI）聯(lián)合研制了歐洲水文模型Systèm Hydrologique Européen（簡稱SHE模型[1-2]）。90年代初，丹麥水力學(xué)研究所基于SHE模型研制開發(fā)了第一代MIKE SHE模型。MIKE SHE基于質(zhì)量、動(dòng)量守恒的偏微分方程描述水文物理過程，是綜合性的、確定性的、基于物理過程的分布式水文模型。經(jīng)過不斷改進(jìn)，MIKE SHE模型很快地表水、地下水及兩者間相互作用的水資源和環(huán)境問題得到廣泛應(yīng)用和普及。其中丹麥水力學(xué)研究所直接參與丹麥、瑞典、英國、澳大利亞、印度、匈牙利等多個(gè)國家的應(yīng)用項(xiàng)目。隨著數(shù)字高程模型、地理信息系統(tǒng)、遙感等技術(shù)的發(fā)展，MIKE SHE模型在我國許多流域得到應(yīng)用。從適用性角度探討MIKE SHE模型在中國三大水文生態(tài)大區(qū)的應(yīng)用情況，旨在摸清MIKE SHE模型目前在應(yīng)用現(xiàn)狀，通過發(fā)現(xiàn)水文模型開發(fā)利用中存在的問題并尋求解決思路，為模型研究工作者提供參考。

1 MIKE SHE模型簡介

1.1 模型結(jié)構(gòu)及原理

MIKE SHE模型將流域離散劃分為網(wǎng)格，在垂直方向上將每個(gè)網(wǎng)格劃分為若干水平層，在水平方向上用矩形網(wǎng)格表示，應(yīng)用數(shù)值分析的方法建立相鄰網(wǎng)格單元之間的關(guān)系。MIKE SHE模型包含了一套完整的前、后處理工具，具有先進(jìn)、靈活的水文模擬框架。模型以模塊化結(jié)構(gòu)建立，其包括一個(gè)其核心模塊是水流運(yùn)動(dòng)模塊MIKE SHE WM（Warer Movemwnt），MIKE SHE WM模塊又包括6個(gè)子模塊，分別描述6個(gè)水文物理過程：1）植物截留/蒸散發(fā)（ET）；2）坡面流（OL）和河道徑流（OC）；3）不飽和帶（UZ）；4）飽和帶（SZ）；5）融雪（SM）；6）蓄水層與河道的水量交換（EX）。6個(gè)子模塊各自獨(dú)立且相互聯(lián)系，用戶根據(jù)實(shí)際需要選取單個(gè)模塊或整合多個(gè)模塊進(jìn)行模擬和應(yīng)用。模型采用Kristen-Jensen模型和Rutter方程/Penman-Monteith公式兩種方法計(jì)算截留和蒸散發(fā)量，采用一維Saint-Venant方程和基于曼寧公式的半分布式解法模擬坡面流河道匯流，描述一維垂向不飽和土壤水流運(yùn)動(dòng)則采用最為廣泛的Richards方程，采用線性水庫法和有限差分法模擬飽和帶水流運(yùn)動(dòng)，利用達(dá)西公式計(jì)算河道底部的水頭損失，采用能量平衡法或簡單度-日因子法計(jì)算雪蓋變化。此外，MIKE SHE可與MIKE 11模型耦合模擬明渠流，也可連接到MOUSE污水管網(wǎng)模型模擬城市雨水、生活污水管網(wǎng)和地下水及其相互作用。MIKE SHE模擬系統(tǒng)中融入GIS技術(shù)，采用可視化輸入、編輯、分析以及參數(shù)自動(dòng)識(shí)別，局部重點(diǎn)計(jì)算區(qū)域剖分網(wǎng)格加密計(jì)算技術(shù)，并采用動(dòng)態(tài)、三維計(jì)算結(jié)果表達(dá)、時(shí)間序列圖等多輸出方式，這些優(yōu)點(diǎn)使得MIKE SHE模型獲得長足發(fā)展。目前，已發(fā)行的2017版有許多新增功能。關(guān)于MIKE SHE模型全面詳細(xì)的模擬程序、數(shù)學(xué)公式及其應(yīng)用說明信息，可參照MIKE SHE模型用戶手冊(cè)[3]。

1.2 模型參數(shù)和輸入資料

MIKE SHE作為以物理機(jī)制為基礎(chǔ)的分布式水文模型，需要大量的輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)不是特別充分時(shí)，可在“初始化”模型時(shí)進(jìn)行簡化，仍可以使用MIKE SHE模型。除地面高程、雨量站站碼、氣象站站碼等基本數(shù)據(jù)外，MIKE SHE WM所需的輸入資料還包括降雨率（截留）、氣象數(shù)據(jù)（蒸散發(fā)）、邊界處已知的高程和流量、坡面流平面地形和河道斷面參數(shù)、河床厚度、滲透性（坡面流和河道流）、土壤剖面（土壤類型）的分布編碼（不飽和帶）、邊界處已知流量、梯度和水頭、抽水率/補(bǔ)給率（飽和帶），氣象和降雨資料（融雪）等。根據(jù)實(shí)際運(yùn)用情況選擇相應(yīng)模塊，并輸入相應(yīng)的參數(shù)和資料。

模型運(yùn)用過程一般為構(gòu)建模型，模型運(yùn)行和模型驗(yàn)證（參數(shù)率定）。MIKE SHE模型驗(yàn)證常用的三種方法有：手動(dòng)校準(zhǔn)，自動(dòng)校準(zhǔn)和GLUE法。模型驗(yàn)證結(jié)果中，與實(shí)測值最接近的模擬值所對(duì)應(yīng)的參數(shù)具有最高的可信度，離實(shí)測值越遠(yuǎn)，可信度越低。鄭震，張靜等[4]將MIKE SHE模型運(yùn)用于北京市媯水河地表水月徑流模擬，采用GLUE法探究MIKE SHE模型參數(shù)的不確定性與敏感性，結(jié)果顯示研究者所選的9個(gè)重要參數(shù)中IT，PER，SP，TD的不確定性較大，KSF，KSI，C1，C2，C3不確定性較小。不同分布式水文模型在產(chǎn)匯流機(jī)制描述、計(jì)算單元?jiǎng)澐?、求解方法、模型功能?cè)重點(diǎn)等方面存在較大差異，這些差異使模型各具特色。MIKE SHE模型作為典型的基于物理過程的分布式水文模型，具有較強(qiáng)的水文模擬能力。其他分布式水文模型如SWAT模型、VIC模型等，與MIKE SHE模型具有不同的功能，其應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)也不盡相同。表1列出了幾種分布式水文模型的功能和特點(diǎn)的比較。

表1 幾種分布式水文模型的比較

2 MIKE SHE模型在中國三大生態(tài)水文大區(qū)的適用性

根據(jù)流域地理位置、生態(tài)水文系統(tǒng)特征、溫濕狀況以及人類活動(dòng)對(duì)流域干擾程度，將全國生態(tài)水文分區(qū)分為3個(gè)一級(jí)區(qū)[5]（一級(jí)區(qū)也叫生態(tài)水文大區(qū)）：東部濕潤、半濕潤生態(tài)水文大區(qū)；西北干旱、半干旱水文大區(qū)；青藏高原高寒水文大區(qū)。3個(gè)一級(jí)區(qū)分別依次包括22個(gè)、9個(gè)和5個(gè)二級(jí)區(qū)（二級(jí)區(qū)也叫生態(tài)水文區(qū)）。不同生態(tài)水文分區(qū)之間氣候、水文、下墊面等環(huán)境條件時(shí)空分異顯著，其生態(tài)水文特征也千差萬別。國內(nèi)學(xué)者利用MIKE SHE模型對(duì)許多流域進(jìn)行降水徑流模擬研究，證實(shí)了該模型對(duì)于中國內(nèi)陸河流域水循環(huán)研究具有可行性，但在各區(qū)域的應(yīng)用效果和模擬精度存在相應(yīng)差異。

2.1 東部濕潤、半濕潤生態(tài)水文大區(qū)

東部濕潤、半濕潤生態(tài)水文大區(qū)降雨豐富，中國主要大江大河均由此區(qū)入海，水文觀測站點(diǎn)較多，水文資料容易獲取，給MIKE SHE模型創(chuàng)造了極好的應(yīng)用條件。田開迪等[6]將MIKE SHE模型用于灞河流域徑流模擬，結(jié)果顯示年徑流量率定期和驗(yàn)證期模型效率系數(shù)Ens均達(dá)0.8以上，表明MIKE SHE模型對(duì)于灞河流域年徑流模擬具有較好的適用性，但模型對(duì)月徑流和日徑流模擬效果有待進(jìn)一步研究。MIKE SHE模型側(cè)重于地下水模擬和地下水資源量評(píng)估及等多方面應(yīng)用，取得理想效果。趙鳳偉將MIKE SHE模型運(yùn)用于位于遼河平原的渾河沖洪積扇區(qū)域，進(jìn)行地下水位模擬和地下水資源量測算，精度較高。姚建等在遼寧營口鲅魚圈地區(qū)構(gòu)建MIKE SHE模型以評(píng)價(jià)該區(qū)地下水資源量，模型計(jì)算結(jié)果與遼寧省第二次水資源評(píng)價(jià)成果相差不到水資源量1%，評(píng)價(jià)結(jié)果比較精確可信。表明MIKE SHE模型在水資源評(píng)估具有良好的應(yīng)用前景。在東部濕潤、半濕潤生態(tài)水文大區(qū)中，喀斯特流域具有更為獨(dú)特的地理和水文特征，其巖石垂向和縱向裂隙發(fā)育，下墊面異質(zhì)性強(qiáng)，水流形態(tài)復(fù)雜，湯、曹雙和等[7]運(yùn)用MIKE SHE模型對(duì)貴州喀斯特地貌區(qū)六硐河甲茶水電站進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，達(dá)到《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》乙級(jí)預(yù)報(bào)精度。李靜、焦樹林等將MIKE SHE模型應(yīng)用于貴州黔南州境內(nèi)六硐河流域，模擬5場典型洪水的確定性系數(shù)也都達(dá)到乙級(jí)精度。這些研究表明MIKE SHE模型在該區(qū)域的應(yīng)用具有良好前景。

2.2 西北干旱、半干旱水文大區(qū)

特殊的自然地理?xiàng)l件、不斷增加的人類活動(dòng)干擾增加了西北干旱、半干旱水文大區(qū)水文過程的復(fù)雜性和不確定性，增加了水文循環(huán)機(jī)理和水文模型模擬研究難度，這也成為限制水文模擬精度提高的瓶頸。中科院新疆所黃粵等[8]將MIKE SHE模型運(yùn)用于塔里木河源開都河流域水文模擬，研究者通過分析識(shí)別出隱含于模型結(jié)構(gòu)、輸入及參數(shù)等3個(gè)方面的8種不確定性來源，但沒有對(duì)其不確定性進(jìn)行研究。結(jié)果顯示Nash系數(shù)達(dá)到0.7以上，相關(guān)系數(shù)大于0.9，模擬精度欠佳。姜凌峰等[9]嘗試將MIKE SHE模型運(yùn)用于新疆干旱區(qū)瑪納斯河流域莫索灣灌區(qū)區(qū)域水循環(huán)過程模擬，結(jié)果顯示率定期和驗(yàn)證期模型效率系數(shù)均達(dá)到0.72以上，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9以上，表明MIKE SHE模型基本可以模擬該區(qū)地下水位變化情況。肖金強(qiáng)[10]將MIKE SHE模型應(yīng)用于北京市密云縣土門試驗(yàn)流域和帽石溝小流域徑流模擬，研究結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果一致，表明MIKE SHE模型適用于該區(qū)水文模擬，能作為一種研究管理工具，為水資源管理提供依據(jù)。

MIKE SHE模型在該水文大區(qū)的諸多應(yīng)用，揭示了干旱區(qū)水文氣象、地理特征、人類活動(dòng)等不確定性因子對(duì)徑流過程的影響，對(duì)于干旱區(qū)節(jié)水灌溉發(fā)展及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有一定意義。雖然模擬精度有待提高，但這些研究證明了模型在該區(qū)的建立和運(yùn)用是可行的。

2.3 青藏高原高寒水文大區(qū)

青藏高原高寒水文大區(qū)地形條件特殊且復(fù)雜，水文觀測站點(diǎn)稀少，測量技術(shù)和試驗(yàn)?zāi)芰τ邢?。觀測困難導(dǎo)致水文資料稀缺是青藏高原高寒水文大區(qū)水文系統(tǒng)研究面臨的挑戰(zhàn)。王盛萍等[11]以甘肅省天水市呂二溝流域?yàn)檠芯繀^(qū)，將MIKE SHE模型與修正的土壤侵蝕模型MUSLE耦合對(duì)不同土地利用侵蝕產(chǎn)沙進(jìn)行空間分布模擬與評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示模型效率系數(shù)高達(dá)0.98，模型模擬效果非常理想，表明MIKE SHE模型在該區(qū)侵蝕產(chǎn)沙空間分布模擬評(píng)價(jià)應(yīng)用中具有較好可靠性。馬全[12]運(yùn)用MIKE SHE模型對(duì)青海省湟水河流域進(jìn)行干旱預(yù)報(bào)評(píng)估，評(píng)估結(jié)果與青海省干旱災(zāi)情一致。模型能夠較好模擬該流域徑流過程，且對(duì)年徑流量的模擬效果優(yōu)于月徑流量。目前，MIKE SHE模型在該區(qū)未得到廣泛應(yīng)用和研究，但代表了良好的發(fā)展方向。

3 結(jié)論與展望

文章總結(jié)了MIKE SHE模型在我國的最新研究進(jìn)展，探討了三大生態(tài)水文大區(qū)的適用性，并簡要分析MIKE SHE模型在各區(qū)域適用性良好或否的原因，概括如下：

1）目前，MIKE SHE模型在我國東部濕潤、半濕潤生態(tài)水文大區(qū)的應(yīng)用取得比較理想的效果，尤其是MIKESHE模型在喀斯特流域的成功運(yùn)用表明了其在水文模擬運(yùn)用的巨大潛力，對(duì)指導(dǎo)喀斯特地區(qū)水文觀測和水資源管理、開發(fā)及利用具有重要意義。

2）MIKE SHE模型在西北干旱、半干旱水文大區(qū)的應(yīng)用研究較為廣泛，雖然模擬精度有待提高，但有力凸顯出MIKE SHE模型在該區(qū)域應(yīng)用的巨大開發(fā)潛力。雷達(dá)測雨和紅外遙感等先進(jìn)技術(shù)與MIKE SHE模型的耦合是提高模型模擬精度的發(fā)展方向。

3）由于氣候和地理?xiàng)l件惡劣，資料稀缺，模型不確定性等原因，MIKE SHE模型在青藏高原高寒水文大區(qū)推廣應(yīng)用存在較大難度。針對(duì)模型不確定性問題，有學(xué)者已研究得到的模型不確定性來源和各參數(shù)的不確定性大小可作為重要參考依據(jù)，并應(yīng)據(jù)此進(jìn)一步尋求解決方案，完善MIKE SHE模型使其具有更加廣寬泛地應(yīng)用。

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