袁 旭，陸 穎，趙著燕，畢曉靜

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

1 概 述

分布式水文模型考慮了氣候和下墊面因子的空間異質(zhì)性，與集總式水文模型相比能更準(zhǔn)確、真實(shí)地模擬流域水文過程，從而能更好地區(qū)分自然和人為因素對(duì)流域水資源和水環(huán)境的影響[1]。MIKE SHE作為典型的分布式水文模型，具有精確水文分析、模擬與預(yù)測(cè)功能。該模型已被廣泛用于研究不同氣候及水文機(jī)制下水資源及水環(huán)境問題[2]。隨著我國(guó)水文測(cè)驗(yàn)水平提高，基礎(chǔ)觀測(cè)資料日益豐富，為MIKE SHE水文模型在我國(guó)的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者廣泛將MIKE SHE水文模型應(yīng)用于水文分析領(lǐng)域[3]。本文對(duì)MIKE SHE水文模型在我國(guó)的研究與應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)地分析，討論了研究與應(yīng)用中存在的問題與挑戰(zhàn)，并針對(duì)目前所存在的問題提出解決思路。

2 MIKE SHE水文模型

1986年丹麥、法國(guó)及英國(guó)的研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)SHE模型，開啟了分布式水文模型研制開發(fā)的先河[4]。20世紀(jì)90年代初，丹麥水力學(xué)研究所(DHI Danish Hydraulic Institute)基于SHE模型進(jìn)一步開發(fā)研制了MIKE SHE水文模型[5]，該模型是水資源綜合管理模型，具有良好的地表水-地下水聯(lián)合模擬功能。隨著水文模擬技術(shù)、水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)與地理信息技術(shù)的發(fā)展，MIKE SHE水文模型不斷地進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)與版本更新，目前已發(fā)展到了2017版。

MIKE SHE水文模型是一個(gè)集地下水、地表水模擬為一體的系統(tǒng)?；谒难h(huán)原理與水量平衡原理，該模型建立了一套完善的數(shù)據(jù)前后處理系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)有效處理提供了工作平臺(tái)。為達(dá)到高效、精確模擬目的，MIKE SHE水文模型軟件構(gòu)建了靈活的水文模擬框架，可根據(jù)研究者需要建立特定的模型結(jié)構(gòu)。模型通常將流域離散成若干矩形網(wǎng)格，應(yīng)用數(shù)值分析的方法建立相鄰網(wǎng)格單元之間的時(shí)空關(guān)系，可根據(jù)研究區(qū)范圍、模擬精度等確定網(wǎng)格數(shù)量及大小。并通過將各水文過程模塊化，構(gòu)建水流運(yùn)動(dòng)模塊(MIKE SHE SW)，該模塊包括6個(gè)獨(dú)立且相互聯(lián)系的子模塊：融雪(SM)、蒸散發(fā)(ET)、坡面流(OL)、河流與湖泊(OC)、不飽和帶(UZ)與飽和帶流(SZ)。各子模塊對(duì)應(yīng)描述水文循環(huán)中水體運(yùn)動(dòng)的物理過程，可根據(jù)研究區(qū)特征、研究目的、數(shù)據(jù)收集情況選擇不同子模塊進(jìn)行模擬，以保證模擬的真實(shí)性、準(zhǔn)確性[6]。有別于SWAT模型、VIC模型、TOPMOELDEL模型等分布式水文模型，研究者可根據(jù)研究區(qū)不同氣候、地質(zhì)特征及觀測(cè)資料獲取情況，結(jié)合各算法的優(yōu)缺點(diǎn)及區(qū)域適用性，選擇最合適算法開展建模。各子模塊算法見表1。

表1 子模塊對(duì)應(yīng)算法

續(xù)表1

3 國(guó)內(nèi)MIKE SHE水文模型研究與應(yīng)用類型

MIKE SHE水文模型中水流運(yùn)動(dòng)模塊是由多個(gè)獨(dú)立子模塊構(gòu)成并可根據(jù)實(shí)際氣候和下墊面條件靈活地組合，從而使模型的可應(yīng)用領(lǐng)域更為多元化。國(guó)外基于MIKE SHE水文模型的研究起步較早，模型應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，而國(guó)內(nèi)尚處于結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況的開發(fā)及應(yīng)用階段[3]。研究類型主要集中于區(qū)域水文模擬、地下水水文分析、降雨-徑流模擬、洪水預(yù)報(bào)等方面。

3.1 區(qū)域水文模擬

依照地貌、氣候等特征，我國(guó)可大致劃分為三大自然區(qū)：西北干旱半干旱區(qū)、青藏高原高寒區(qū)以及東部季風(fēng)區(qū)[7]。不同區(qū)域間水文、氣象、下墊面等因素都有明顯的時(shí)空差異，導(dǎo)致不同區(qū)域水文模擬難度不同。由于西北干旱半干旱區(qū)與青藏高原高寒區(qū)自然環(huán)境的惡劣與地形的復(fù)雜性，增加了水文氣象站點(diǎn)布設(shè)難度，影響了基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取，進(jìn)而影響了水資源評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性與水文模擬的真實(shí)性[8]。MIKE SHE水文模型對(duì)基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)量及精度都有較高要求，盡管模型具有優(yōu)良的模擬系統(tǒng)，但數(shù)據(jù)缺乏導(dǎo)致西北干旱半干旱區(qū)與青藏高原高寒區(qū)應(yīng)用較少。黃粵、陳曦等[9]基于MIKE SHE水文模型在新疆干旱區(qū)資料稀缺流域展開了徑流模擬，模型效率系數(shù)達(dá)到了0.7，雖然模型效率仍有待提高，但在資料相對(duì)缺少的條件下構(gòu)建MIKE SHE水文模型是完全可行的。姜凌峰、薛聯(lián)青等[10]利用MIKE SHE水文模型對(duì)新疆干旱區(qū)瑪納斯河流域莫索灣灌區(qū)進(jìn)行自然-人工復(fù)合模擬，評(píng)估節(jié)水灌溉對(duì)地下水位的影響，由于該地區(qū)垂向土壤資料匱乏，使模擬地下水補(bǔ)給過程產(chǎn)生了偏差，對(duì)整個(gè)水文模擬的精度產(chǎn)生了一定影響。相比之下，東部季風(fēng)區(qū)基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)較易獲取，MIKE SHE水文模型應(yīng)用區(qū)域較為多元化，目前已涉及平原、巖溶流域、丘陵等不同地貌區(qū)域，針對(duì)這些觀測(cè)資料豐富的區(qū)域有著相對(duì)較高的模擬精度[11-12]。

3.2 地下水水文分析

MIKE SHE水文模型采用了地表水-地下水聯(lián)合模擬，充分考慮了地下水蒸發(fā)、補(bǔ)給、排泄等各個(gè)環(huán)節(jié)，為合理開采與利用地下水提供了技術(shù)支持與科學(xué)依據(jù)。2015年，周浩[13]基于MIKE SHE水文模型對(duì)大小凌河地區(qū)進(jìn)行了地下水資源可利用量相關(guān)研究，并剖析了其影響因素。根據(jù)模擬結(jié)果計(jì)算分析，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了2014～2016年不同降雨保證率下人工可開采地下水資源可利用量，并指出大小凌河地區(qū)人工開采對(duì)地下水可利用量的影響較小，其主要影響為降雨和蒸發(fā)。姚建、張曉威[14]基于MIKE SHE水文模型對(duì)遼寧營(yíng)口鲅魚圈地區(qū)地下水資源量進(jìn)行了定量評(píng)估，與遼寧省第二次水資源評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比表明，通過模型模擬出的地下水資源量與遼寧二次水資源評(píng)價(jià)成果中的地下水資源量?jī)H相差16×104m3，評(píng)估誤差不到1%。2015年，武漢大學(xué)盧小慧、劉奇龍等[15]將MIKE SHE水文模型應(yīng)用于丹麥Skjern流域，對(duì)該流域進(jìn)行了地表水-地下水耦合模擬。此研究模型率定期納什效率系數(shù)為0.97，模型驗(yàn)證期納什效率系數(shù)為0.81，表明MIKE SHE水文模型在Skjern流域適用，基于該模擬，研究者成功分析了Skjern流域地下水水文響應(yīng)?？梢?，MIKE SHE水文模型能夠準(zhǔn)確地計(jì)算地下水變化與交換量，在地表水-地下水耦合模擬上有著較高的精度。

3.3 降雨-徑流模擬

MIKE SHE水文模型水流運(yùn)動(dòng)模塊(MIKE SHE WM)能真實(shí)模擬由降雨到徑流的完整過程，符合徑流形成原理?；贛IKE ZERO平臺(tái)將MIKE SHE與MIKE 11耦合使用能完整地描述整個(gè)流域河網(wǎng)構(gòu)成及流域中水流運(yùn)動(dòng)過程。利用Arc GIS、土壤水文特性軟件SPAW、MIKE ZERO平臺(tái)等對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理并輸入各個(gè)子模塊，進(jìn)行初步模擬后再進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)與驗(yàn)證，可獲得良好的降雨-徑流模擬效果[16]。馬全[17]利用1991～2006年的水文氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)等，基于MIKE SHE水文模型成功模擬了湟河流域降雨-徑流過程，并取得了良好的模擬效果。黃粵、陳曦[18]在開都河流域山區(qū)采用具有空間異質(zhì)性的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行降雨-徑流模擬，模擬徑流與實(shí)測(cè)徑流過程線的相關(guān)系數(shù)在0.7左右,研究者在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行了降雨輸入對(duì)徑流模擬產(chǎn)生不確定性分析，得出降雨的時(shí)空分布是徑流模擬產(chǎn)生不確定性的主要原因。

3.4 洪水預(yù)報(bào)

我國(guó)是世界上洪澇災(zāi)害頻發(fā)且嚴(yán)重的國(guó)家之一[19]，因此洪水演進(jìn)與洪水預(yù)報(bào)研究是當(dāng)前水文學(xué)重要課題之一。目前，我國(guó)洪水預(yù)報(bào)工作采用的主要方法包括實(shí)用洪水預(yù)報(bào)方案與洪水預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型[20]。雖然我國(guó)洪水預(yù)報(bào)技術(shù)開發(fā)進(jìn)展較快，由我國(guó)自主研制的流域水文模型有的已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，但針對(duì)我國(guó)中小型河流突發(fā)性強(qiáng)、預(yù)見期短、匯流時(shí)間快等特點(diǎn)，依靠傳統(tǒng)預(yù)報(bào)技術(shù)很難高效預(yù)報(bào)。此外，突發(fā)性洪水在整個(gè)流域上呈現(xiàn)點(diǎn)多面廣的特點(diǎn)?；趥鹘y(tǒng)集總式水文模型很難準(zhǔn)確地描述洪水在整個(gè)流域境內(nèi)分布及演進(jìn)情況，因此引進(jìn)分布式水文模擬系統(tǒng)進(jìn)行洪水分析與防治顯得尤為重要[21]。作為綜合性物理分布式水文模型，MIKE SHE在我國(guó)洪水災(zāi)害防治研究上有著可觀前景。2015年，湯旻、曹雙和等[22]采用MIKE SHE分布式水文模型軟件，對(duì)六硐河甲茶水電站影響流域的水文過程、洪峰流量進(jìn)行水文模擬，并與實(shí)測(cè)流量序列進(jìn)行了擬合比對(duì)。研究表明，模擬結(jié)果基本可靠，確定性在0.7以上，達(dá)到了《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》所規(guī)定的乙級(jí)預(yù)報(bào)精度，可見MIKE SHE水文模型能有效服務(wù)于洪水預(yù)報(bào)工作。

4 存在的問題

4.1 數(shù)據(jù)支撐問題

對(duì)于MIKE SHE水文模型本身而言，模型具有較好的物理基礎(chǔ)，但需要大量精確參數(shù)與數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐，建立和率定模型耗時(shí)耗力，從而阻礙了模型的應(yīng)用與推廣[23]。而對(duì)于我國(guó)MIKE SHE水文模型研究與應(yīng)用而言，我國(guó)水系眾多，MIKE SHE水文模型潛在研究區(qū)域眾多。但各水系水文地質(zhì)條件、氣象條件千差萬別，部分地區(qū)水文監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施落后、獲取數(shù)據(jù)的能力有限，導(dǎo)致了研究應(yīng)用難度加大，從而阻礙了MIKE SHE水文模型的科學(xué)研究進(jìn)程，使得基于MIKE SHE水文模型的研究區(qū)域較為局限。

4.2 數(shù)據(jù)處理問題

水文要素的空間分布數(shù)據(jù)是MIKE SHE水文模型的基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)。但在我國(guó)目前的觀測(cè)條件下，水文氣象數(shù)據(jù)、土壤觀測(cè)數(shù)據(jù)及地下水觀測(cè)數(shù)據(jù)都基于特定觀測(cè)站點(diǎn)所獲取，模型數(shù)據(jù)處理工作中的一個(gè)重要步驟為將觀測(cè)站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)插值成面域上的數(shù)據(jù)。研究者所選插值方法及插值工具會(huì)直接影響數(shù)據(jù)插值效果，進(jìn)而間接影響模型模擬精度。因此，如何提高插值精度，如何直接獲取面域上的水文氣象資料及土壤地質(zhì)資料，是MIKE SHE模型研究應(yīng)用中所面臨的問題。

4.3 子模塊算法選用問題

各子模塊可供選擇的算法能有效提高模型搭建的靈活性，但其應(yīng)用過程需要研究者了解對(duì)應(yīng)算法的基本原理，增加了研究者使用難度，提高了研究者使用門檻[24]。此外，不同子模塊算法并非完全能依照用戶需求自由組合。例如，不飽和帶模塊Richards公式不能與飽和帶模塊線性水庫法聯(lián)合使用。

5 結(jié)論與建議

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)學(xué)者已將MIKE SHE水文模型應(yīng)用于水文模擬與水資源管理，并取得了一定成績(jī)。但鑒于水文過程自身的復(fù)雜性，基于MIKE SHE的應(yīng)用與研究仍存在許多問題，這些問題主觀方面受到研究區(qū)基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)匱乏的限制，客觀方面需要研究者深入理解模型模塊與算法背后的水文機(jī)制。針對(duì)所存問題建議：

1) 從模型數(shù)據(jù)需求入手，積極推進(jìn)水文氣象、水文地質(zhì)等觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，觀測(cè)技術(shù)成熟將有力地推動(dòng)MIKE SHE模型發(fā)展與應(yīng)用。對(duì)于水文氣象資料缺乏地區(qū)，在條件允許下應(yīng)適當(dāng)增設(shè)觀測(cè)站點(diǎn)以便獲取豐富的基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)。此外,還應(yīng)大力推進(jìn)面域上水文觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，積極推進(jìn)雷達(dá)測(cè)雨技術(shù)、遙感技術(shù)與MIKE SHE水文模型集成。

2) DEM分辨率會(huì)影響河網(wǎng)提取，從而對(duì)河長(zhǎng)、河流流向及水域面積等產(chǎn)生一定影響，因此搭建模型時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況慎重選擇DEM精度。此外,應(yīng)深入研究網(wǎng)格大小對(duì)模型產(chǎn)生的影響，為不同空間尺度、不同下墊面特征的研究區(qū)提供網(wǎng)格劃分參考依據(jù)。

3) 針對(duì)不同的研究區(qū)與研究目的，應(yīng)充分考慮選用適合的時(shí)間尺度、適當(dāng)?shù)乃惴?，從而提高模擬的精度與效率。