王澤群

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

水文模型是研究水文循環(huán)和各種水文過(guò)程中無(wú)法替代的工具，水文模型運(yùn)用數(shù)學(xué)方法來(lái)描述水文現(xiàn)象，從而幫助科學(xué)家更好地理解和預(yù)測(cè)自然現(xiàn)象，同時(shí)協(xié)助決策者更加科學(xué)合理的管理與配置水資源。其中，分布式水文模型由于其參數(shù)具有物理意義，能為真實(shí)地描述和科學(xué)地揭示現(xiàn)實(shí)世界的降雨徑流形成機(jī)理提供有力工具，因此成為當(dāng)前水文科學(xué)的重要工具與研究熱點(diǎn)。

2 分布式水文模型的發(fā)展歷程

分布式水文模型的相關(guān)研究于20世紀(jì)70年代始，并在70年代末到80年代初達(dá)到一個(gè)研究高潮，而后在21世紀(jì)由于水資源的緊張又逐漸受到廣泛關(guān)注。本文從萬(wàn)方、知網(wǎng)、維普和web of science、engineering village、elsevier SD等中英文數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)專業(yè)的檢索方式統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外有關(guān)分布式水文模型文獻(xiàn)數(shù)量隨年份的變化，截至?xí)r間為2017年12月31日，最終搜索到相關(guān)論文2750余篇，并統(tǒng)計(jì)了近20年來(lái)中外文獻(xiàn)的數(shù)量變化，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，自2000年以來(lái)，我國(guó)有關(guān)分布式水文模型的研究迅速發(fā)展，年均文獻(xiàn)達(dá)115篇，其中2009～2017年間年均文獻(xiàn)數(shù)量更是接近169篇，可見(jiàn)其研究熱度之高。以下分別介紹國(guó)外與國(guó)內(nèi)分布式水文模型的發(fā)展歷程。

圖1 國(guó)內(nèi)外分布式水文模型相關(guān)研究文獻(xiàn)數(shù)量隨時(shí)間變化過(guò)程

2.1 國(guó)外分布式水文模型的發(fā)展

一般認(rèn)為，分布式水文模型的研究始于1969年，即Freeze和Harlan發(fā)表了一篇關(guān)于“一個(gè)具有物理基礎(chǔ)數(shù)值模擬的水文響應(yīng)模型的藍(lán)圖(FH69)”的文章[1]。但是在這之后的10多年里，由于受計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力以及流域空間數(shù)據(jù)采集的瓶頸限制，分布式水文模型并沒(méi)有得到快速的發(fā)展。直到1970年以后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的使用，分布式水文模型才得到了迅速的發(fā)展。尤其是歐共體資助開(kāi)發(fā)的分布式水文模型SHE的誕生[2]，開(kāi)始了國(guó)際上有關(guān)分布式水文模型研究與開(kāi)發(fā)的熱潮。

Beben和Kirbby率先在1979[3]年提出了以變?cè)串a(chǎn)流為基礎(chǔ)的TOPMODEL分布式水文模型，但由于在該模型中并沒(méi)有考慮降水以及蒸發(fā)在不同區(qū)域的不同分布，所以從嚴(yán)格意義上來(lái)講該模型屬于半分布式水文模型。此后不久，歐洲的一些水文學(xué)家一起研發(fā)了另一水文模型SHE(systeme hydrologique european)模型，在SHE模型中，流域在平面上被劃分成許多矩形網(wǎng)格，用來(lái)反映模型參數(shù)、降雨輸入以及水文響應(yīng)的空間分布，在垂直面上也劃分為若干層來(lái)模擬土壤水運(yùn)動(dòng)，并且考慮了相鄰網(wǎng)格單元之間的水量交換。隨后在20世紀(jì)80年代英國(guó)水文學(xué)家Morris研究開(kāi)發(fā)了另一水文模型命名為IHDM模型，該模型中的參數(shù)具有明確的物理意義，是分布式水文模型的一大進(jìn)步。

從全世界來(lái)看，目前使用最廣泛的是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部于1988年成功研發(fā)的SWAT分布式水文模型，并在此之后的數(shù)十年內(nèi)不斷將水文、氣候、土壤、土地利用和植被生長(zhǎng)等模塊添加到該模型當(dāng)中，使得SWAT分布式水文模型在全世界內(nèi)廣泛使用。

2.2 國(guó)內(nèi)分布式水文模型的發(fā)展

從國(guó)內(nèi)來(lái)看，自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，我國(guó)一方面積極引進(jìn)國(guó)外有關(guān)的流域水文模型，另一方面也致力于研制新的流域水文模型。將TOPMODEL、SWAT、VIC、HEC-1和HMS等在國(guó)外發(fā)展較為成熟的水文模型應(yīng)用在國(guó)內(nèi)的有關(guān)流域，取得了較好的模擬結(jié)果[4，5]。將概念水文模型—新安江模型發(fā)展為半分布式水文模型[6]，該模型也成功地應(yīng)用于不同流域的水文模擬中。黃平和趙吉國(guó)[7]建立了描述森林坡地飽和與非飽和帶水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的二維分布式水文模型，并用伽遼金有限元數(shù)值方法求解模型；李蘭[8]提出了基于山坡水文學(xué)原理的LL-Ⅱ模型；郭生練等[9]建立了一個(gè)基于DEM的分布式流域水文物理模型，用來(lái)模擬小流域的降雨徑流時(shí)空變化過(guò)程；吳險(xiǎn)峰等[10]提出了一種松散耦合型結(jié)構(gòu)的分布式水文模型，該模型適用于人類活動(dòng)較少的半濕潤(rùn)和半干旱地區(qū)；楊大文等[11]在黃河流域的大尺度水文模擬中運(yùn)用分布式水文模型，結(jié)果證明該模型同樣適用于大尺度的經(jīng)流域模擬；都金康等[12]人依據(jù)我國(guó)的水文特點(diǎn)建立了參數(shù)較少結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的分布式物理模型，該模型在皎口流域和黃土嶺流域都取得了很好的模擬效果；許繼軍[13]首先將GBHM模型使用到了長(zhǎng)江流域的水文評(píng)價(jià)和研究中，為長(zhǎng)江流域的水文分析評(píng)價(jià)提供了新的思路與方法；雷曉輝等[14]開(kāi)發(fā)了EasyDHM模型，該模型包含了DEM建模、模型的參數(shù)自動(dòng)率定及其他多項(xiàng)功能，為水文水資源的評(píng)價(jià)與管理提供了新的工具模型；羅鵬和宋星原[15]提出了分布式柵格SCS水文模型，該模型在歐陽(yáng)海流域?qū)崪y(cè)取得了良好的模擬效果。

3 分布式水文模型的應(yīng)用領(lǐng)域

近年來(lái)，隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)與遙感(RS)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得分布式水文模型成為水文學(xué)的熱點(diǎn)課題之一，并且在以下領(lǐng)域得到廣泛使用。

3.1 徑流模擬

流域降雨徑流過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，歷來(lái)備受水文學(xué)者的關(guān)注，分布式水文模型通過(guò)利用柵格化的土壤、降水、等具有空間變異性的數(shù)據(jù)來(lái)模擬地勢(shì)、降水和土壤等的空間變化對(duì)徑流產(chǎn)生的影響，從而更真實(shí)地描述徑流這一水文物理過(guò)程。

3.2 土地利用與覆被變化對(duì)流域水循環(huán)的影響

土地利用與覆被變化是引起地表各種物理過(guò)程變化的主要原因之一，由于分布式水文模型所具有的分布式特點(diǎn)，能夠方便地設(shè)定不同的土壤覆蓋背景，模擬改變土地利用對(duì)流域水文過(guò)程的影響，因此分布式水文模型成為土地利用與覆被變化研究的重要工具，更好地描述流域降雨-徑流過(guò)程以及土地覆被變化作用的流域徑流模型，定量評(píng)估流域水量平衡中各分量的變化特征和土地覆被變化所引起作用的程度。

3.3 氣候變化對(duì)流域水循環(huán)的影響

近年來(lái)，人類活動(dòng)所導(dǎo)致的全球氣候已成為當(dāng)前重大的環(huán)境問(wèn)題。由大氣環(huán)流、蒸發(fā)和冰雪覆蓋條件變化等因素所引起的氣候變化導(dǎo)致降雨、蒸發(fā)、入滲、土壤濕度、河川徑流和地下水流等一系列的變化，從而改變了全球水文循環(huán)的現(xiàn)狀，引起了水資源在時(shí)空上的重新分配。為了研究變化環(huán)境下的水文循環(huán)，需要應(yīng)用中、小尺度的分布式水文模型。

4 結(jié)語(yǔ)

分布式水文模型自1969年研究出來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)變得逐漸成熟，且出現(xiàn)了眾多的模型與專業(yè)的模擬軟件，但總的來(lái)看，還存在著一些問(wèn)題：

(1) 模型的尺度問(wèn)題。由于在水文循環(huán)中相關(guān)水文變量的時(shí)空分布不均勻性和水文過(guò)程的復(fù)雜性，以及遙感影像技術(shù)在實(shí)際的水文應(yīng)用中還存在著獲取不準(zhǔn)確和匹配度不高，一些遙感影像不能直接用于水文研究的過(guò)程中，導(dǎo)致了水文尺度問(wèn)題和不同尺度之間水文信息的轉(zhuǎn)換成為了當(dāng)下急需解決的問(wèn)題之一。

(2) 模型的準(zhǔn)確性與檢驗(yàn)問(wèn)題。由于水文模擬是一個(gè)復(fù)雜的水文過(guò)程，有些水文變量無(wú)法根據(jù)實(shí)測(cè)獲得，需要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值填充，在此過(guò)程中，一個(gè)小的數(shù)值偏差可能導(dǎo)致模擬的結(jié)果錯(cuò)誤或者出現(xiàn)很大的偏差，因此，如何降低模型的誤差和參數(shù)的不確定性都是之后分布式水文模型研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。

(3) 模型的開(kāi)發(fā)與編程水平。隨著越來(lái)越多的專業(yè)模型模擬軟件的出現(xiàn)，對(duì)于水文學(xué)者來(lái)說(shuō)，不僅需要高超的水文學(xué)知識(shí)，同時(shí)需要與模型的開(kāi)發(fā)與編程相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出易于使用，具有良好的圖形界面以及靈活、模塊化的程序設(shè)計(jì)。這對(duì)水文學(xué)者與計(jì)算機(jī)編程人員能否協(xié)調(diào)一致的開(kāi)發(fā)出分布式水文模型來(lái)說(shuō)又是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。