基于二元演化模式的流域水文模型

摘要 所謂流域水文模型的本質(zhì)就是：把流域看成為一個(gè)系統(tǒng)，已知其輸入，要求其輸入。在推算中把系統(tǒng)的狀態(tài)，即流域上發(fā)生的水文過程模擬計(jì)算出來。在我們的研究范圍內(nèi)，系統(tǒng)的輸入是降雨過程(沒有包括融雪、水質(zhì)、泥沙登)，系統(tǒng)的輸出是流域出口斷面的流量過程，因此所建的是將雨徑流流域模型。

關(guān)鍵字：流域；二元演化模式；水文模型

一、流域的產(chǎn)、匯流過程

由降雨到徑流是一個(gè)很復(fù)雜的過程，為了便于分析通常將其分解為產(chǎn)流和匯流兩個(gè)過程。

雨水降落到地面，一部分損失掉，剩下能形成地面、地下徑流的那部分稱為凈雨，把降雨扣除損失成為凈雨的過程稱作產(chǎn)流過程。

凈雨沿坡地從地面和地下匯入河網(wǎng)，然后沿著河網(wǎng)匯合到流域出口斷面，這一完整的過程稱為流域匯流過程。

二、自然過程和人類活動(dòng)對(duì)流域水文過程的影響

流域作為一個(gè)系統(tǒng)，其水文過程受到自然過程和人類活動(dòng)兩方面因素的影響。就流域的產(chǎn)、匯流過程來說，影響其發(fā)生和演變的流域水文特征有：

(1)降雨特性：降雨作為流域水文系統(tǒng)的輸入，影響其特性的有：降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等，這些因素都不同程度上影響著流域的水文過程。

(2)蒸散發(fā)特性：蒸散發(fā)在流域水量平衡中是很重要的一個(gè)項(xiàng)目，影響其特性的有：氣候、日照等。

(3)下墊面特性通常包括：土壤類型、植被類型、地形、地貌、土壤含水量等，其特性影響著流域產(chǎn)流、匯流、蒸散發(fā)等。

(4)匯流特性：匯流通常包括：坡地匯流、河網(wǎng)匯流、人類取用水過程等，其特性影響著流域的蓄水能力、出口斷面的流量等。

通過分析不難發(fā)現(xiàn)，每一種流域水文特性都同時(shí)受到自然過程和人類活動(dòng)的影響：

首先，流域的降雨特性和蒸發(fā)特性是一個(gè)自然過程，或者說它們?cè)诤艽蟪潭壬鲜茏匀贿^程影響。但隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，溫室氣體大量排放使氣溫升高和大氣環(huán)流發(fā)生變化，當(dāng)?shù)氐臍夂虬l(fā)生了緩慢的改變，氣候的改變導(dǎo)致了流域降水和蒸發(fā)特性也產(chǎn)生了相應(yīng)變化，還有人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面情況的改變也會(huì)間接地影響流域的降雨和蒸發(fā)特性。

其次，流域的下墊面特性最初形成過程只是一個(gè)自然的演變過程，這個(gè)過程是非常緩慢的。隨著人類出現(xiàn)和人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，人類對(duì)自然的改造越來越大，人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面的影響越來越大。比如，人們通過種植各種作物改變了流域下墊面的植被類型，通過平整土地改變了流域下墊面的坡度，等等。人類活動(dòng)可以在較短的時(shí)間內(nèi)改變流域的下墊面特性。

最后，流域天然循環(huán)由大氣水—地表水—土壤水—地下水“四水”之間相互轉(zhuǎn)化，并在轉(zhuǎn)化過程中滋養(yǎng)了天然生態(tài)系統(tǒng)。水資源開發(fā)利用改變了江河湖泊關(guān)系，改變了地下水的賦存環(huán)境，也改變了地表水和地下水的轉(zhuǎn)化路徑。

通過以上分析，可以得到如下結(jié)論：

(1)在沒有人類活動(dòng)影響的情況下，流域水文過程是一個(gè)具有趨勢(shì)性、周期性、隨機(jī)性特征的過程。

(2)對(duì)于不同的流域水文特性，自然過程和人類活動(dòng)對(duì)其的影響在不同的空間尺度和時(shí)間尺度上表現(xiàn)為不同的形式。

(3)自然過程和人類活動(dòng)對(duì)流域產(chǎn)、匯流過程的影響是復(fù)合的。

三、基于二元演化模式的流域水文模型

1、隨著人類社會(huì)的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)流域水文過程的影響越來越大。要想更清楚地研究流域的水文過程，必須分別研究自然過程和人類活動(dòng)對(duì)流域水文過程的影響，然后再把它們結(jié)合起來共同考慮。所謂二元演化模式的本質(zhì)就是分別考慮自然過程和人類活動(dòng)對(duì)流域水文過程的影響。流域水文過程研究的最終目的，就是建立基于二元演化模式的流域水文模型，它將全面考慮自然過程和人類活動(dòng)對(duì)流域水文過程的影響。

自然過程對(duì)流域水文的影響主要是對(duì)流域降雨蒸發(fā)特性的改變。一般情況下，流域水文模型把降雨蒸發(fā)資料作為模型的輸入，因此，自然過程對(duì)流域水文的影響只要考慮比較降雨蒸發(fā)資料，更重要的是考慮人類活動(dòng)對(duì)流域水文的影響。人類活動(dòng)對(duì)流域水文過程的影響主要表現(xiàn)為流域下墊面和匯流特性的影響。本文認(rèn)為考慮人類活動(dòng)對(duì)文過程的影響，應(yīng)該從這樣兩個(gè)方面人手：只有清楚地考慮了人類活動(dòng)對(duì)流域水文過程的影響，才能建立更能反映流域的真實(shí)水文過程的流域水文模型。

2、傳統(tǒng)流域水文模型及其對(duì)人類活動(dòng)影響考慮的不足。

對(duì)天然狀態(tài)下的流域水文，古代先哲早已有了相當(dāng)深刻的認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)的流域水文模型的主要研究對(duì)象就是：自然過程對(duì)流域水文過程的影響，或者說天然狀態(tài)下的流域水文過程。傳統(tǒng)的水文模型對(duì)人類活動(dòng)的考慮方法是：通過水量還原，把人類用水還原到天然過程中，從而扣除人類活動(dòng)對(duì)流域水文過程的影響，使整個(gè)流域水文過程單純?cè)谔烊粻顟B(tài)下進(jìn)行。其實(shí)，單純的水量還原沒有完全扣除人類活動(dòng)的影響。

降雨蒸發(fā)特性作為傳統(tǒng)流域水文模型的原始資料輸入，都包括自然過程和人類活動(dòng)對(duì)它們的影響。但是，做為影響流域水文過程的關(guān)鍵因素——流域下墊面，傳統(tǒng)的水文模型并沒有清楚地考慮。

傳統(tǒng)的水文模型都采用了這樣一個(gè)假說：流域的下墊面情況是相對(duì)穩(wěn)定不變的。由于下墊面的情況的相對(duì)穩(wěn)定(即流域的下墊面參數(shù)是相對(duì)穩(wěn)定的)也就是說流域水文響應(yīng)是相對(duì)穩(wěn)定的。因此就有了降雨徑流關(guān)系圖等經(jīng)驗(yàn)圖表的出現(xiàn)和應(yīng)用。傳統(tǒng)的水文模型都是根據(jù)這個(gè)假定利用實(shí)測(cè)的降雨徑流資料來反求流域的下墊面參數(shù)。然后，再利用這些下墊面參數(shù)來模擬流域的水文過程。當(dāng)然這種假設(shè)是有一定道理的，在人類活動(dòng)影響較小的流域，其下墊面情況在相當(dāng)一段時(shí)間跨度范圍內(nèi)變化較小，可以近似認(rèn)為流域的下墊面情況是相對(duì)穩(wěn)定不變的。然而，很多事實(shí)已經(jīng)證明流域的下墊面情況可以在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化。流域的降雨徑流關(guān)系也是變化的。因而流域的降雨徑流相關(guān)圖也就很難應(yīng)用了。同樣傳統(tǒng)的流域水文模型遇到了困難。

傳統(tǒng)的水文模型對(duì)下墊面的考慮只是利用一些集總性的參數(shù)加以概化處理。而不能反映分區(qū)內(nèi)各種下墊面類型的下墊面情況。

3、基于二元演化模式的流域水文人類活動(dòng)影響的考慮。

針對(duì)傳統(tǒng)流域水文模型在考慮人類活動(dòng)影響時(shí)的不足和問題，本文為力求通過前面提出的基于二元演化模式的流域水文模型解決這些問題。

a考慮人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面特性的影響時(shí)，認(rèn)為對(duì)于某種特定下墊面的水文響應(yīng)是永遠(yuǎn)固定的。而流域下墊面特性的變化只是各種下墊面組合的變化，因此，只要知道各種下墊面的水文響應(yīng)，就可以知道整個(gè)流域水文響應(yīng)。

b考慮人類活動(dòng)對(duì)流域特性的影響，牽扯到兩方面的問題：(1)流域下墊面特性的變化對(duì)流域匯流特性的影響，如土地利用類型的改變導(dǎo)致水流速度的變化，地形的改變導(dǎo)致水流坡降的變化等。(2)人類用水過程的變化對(duì)流域匯流特性的影響。這方面的計(jì)算可以用水量還原的方法來實(shí)現(xiàn)，或者根據(jù)二元演化模式的理論來計(jì)算。

四、結(jié)論

對(duì)于基于二元演化模式的流域水文模型而言，本文只是通過分析自然過程和人類活動(dòng)對(duì)流域水文過程的影響，提出一個(gè)流域水文模擬研究的方向和一些探索性的方法。對(duì)于基于二元演化模式的流域水文模型所涉及的眾多問題，就基于二元演化模式的流域水文流域下墊面的考慮進(jìn)行了詳細(xì)地論述。