現(xiàn)代水文模型中對(duì)流域空間異質(zhì)性的考慮

摘 要：水文模型是利用數(shù)學(xué)和物理符號(hào)來(lái)闡述復(fù)雜水文系統(tǒng)的工具。由于人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水分循環(huán)的影響，使流域的空間異質(zhì)性加劇，傳統(tǒng)水文模型的模擬結(jié)果已經(jīng)達(dá)不到需要的精度?，F(xiàn)代水文模型是建立在現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展和空間異質(zhì)性的基礎(chǔ)上，模擬水文系統(tǒng)和預(yù)測(cè)水文過(guò)程的模型。相對(duì)于傳統(tǒng)的水文模型，現(xiàn)代水文模型通過(guò)分水源、利用可變下滲能力、根據(jù)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)率定參數(shù)和針對(duì)變異區(qū)構(gòu)建模型等舉措提高模擬精度。文章對(duì)現(xiàn)代常用的幾個(gè)水文模型的應(yīng)用范圍及產(chǎn)匯流原理進(jìn)行分析和總結(jié)，指出現(xiàn)代水文模型對(duì)空間異質(zhì)性的處理方式，研究現(xiàn)代水文模型針對(duì)空間異質(zhì)性發(fā)展方向，為現(xiàn)代水文模型更好地使用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代水文模型；空間異質(zhì)性；模擬精度

1 概述

水文模型是以水文系統(tǒng)為研究對(duì)象，根據(jù)降雨和徑流在自然界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律建立的數(shù)學(xué)模型，可通過(guò)計(jì)算機(jī)快速分析、數(shù)值模擬、圖像顯示和實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)各種水體的存在、循環(huán)和分布及其化學(xué)特性[1]。傳統(tǒng)水文模型主要用來(lái)模擬暴雨洪水流量、洪峰、降雨-徑流關(guān)系等，現(xiàn)代水文模型通過(guò)與GIS和RS技術(shù)的結(jié)合，試圖準(zhǔn)確地描述出某個(gè)自然系統(tǒng)內(nèi)降雨、徑流、下滲、蒸發(fā)等水文過(guò)程，并充分考慮其下墊面條件的異質(zhì)性，將水量、水質(zhì)或某一水文過(guò)程的變化情況展現(xiàn)出來(lái)。

現(xiàn)代常用的水文模型包括新安江模型、VIC模型、SWAT模型和SWMM模型等，通過(guò)對(duì)上述四種模型進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)現(xiàn)代水文模型對(duì)空間變異的應(yīng)對(duì)，為提高現(xiàn)代水文模型的模擬精度提供依據(jù)。

2 空間異質(zhì)性

人類(lèi)對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)利用，直接改變了水的時(shí)空分布態(tài)勢(shì)及有水力聯(lián)系區(qū)域水文情勢(shì)的變化；人類(lèi)對(duì)土地資源的開(kāi)發(fā)，改變了影響產(chǎn)匯流過(guò)程的下墊面條件，使得流域水文情勢(shì)發(fā)生分異[2，3]。

現(xiàn)代水文模型最主要的特點(diǎn)是其對(duì)空間異質(zhì)性的考慮?？臻g異質(zhì)性表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是自然條件下地表覆被物的變化和降水等水文過(guò)程空間分布的不確定性；二是人類(lèi)對(duì)自然環(huán)境的影響，具體表現(xiàn)為對(duì)水分循環(huán)的影響。這不僅表現(xiàn)在人類(lèi)活動(dòng)改變了當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛埠透叱唐露?，包含城市的蒸散發(fā)系數(shù)，土壤的下滲系數(shù)和產(chǎn)流系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)性參數(shù)都發(fā)生巨大變化。因?yàn)樗哪Ｐ偷目臻g參數(shù)受到氣候、下墊面、人文等眾多因素影響，尤其分布式水文模型有時(shí)缺少用于尋找最優(yōu)解的初值和邊界的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法已經(jīng)難以得到全局最優(yōu)解，獲得具有物理意義的模型參數(shù)是現(xiàn)代水文模型發(fā)展得重中之重。

3 現(xiàn)代水文模型

目前比較重要的水文模型都源自于美國(guó)和歐洲，發(fā)展中國(guó)家相對(duì)較少，而我國(guó)除了使用新安江模型外，大多數(shù)也是引進(jìn)外國(guó)模型[4]。通過(guò)對(duì)現(xiàn)代常用的幾個(gè)水文模型的比較分析，找出其特點(diǎn)及存在問(wèn)題，為現(xiàn)代水文模型的進(jìn)一步發(fā)展提供依據(jù)。

3.1 新安江模型

新安江模型屬于降雨-徑流模型，其結(jié)構(gòu)可分為四個(gè)層次，即蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算、分水源計(jì)算和匯流計(jì)算[5-7]。最初的模型劃分二水源，包括地表徑流和地下徑流。20世紀(jì)80年代，相繼提出3水源和4水源的新安江模型，先增加了壤中流，后將地下徑流分為快速地下徑流和慢速地下徑流。

3.2 VIC模型

VIC模型采用可變下滲能力思想，用空間概率分布函數(shù)來(lái)描述計(jì)算柵格內(nèi)變化的入滲能力[8]。在最初的徑流模擬中采用流域蓄水容量曲線的思想模擬流域上的地面徑流形成過(guò)程。后來(lái)發(fā)展的VIC模型既考慮了超滲產(chǎn)流又考慮了蓄滿產(chǎn)流，并且不是單純應(yīng)用蓄滿或超滲產(chǎn)流機(jī)制，而是二者分時(shí)段結(jié)合[9]。

3.3 SWAT模型

SWAT模型能夠模擬流域的水文過(guò)程和化學(xué)過(guò)程變化的分布式流域水文模型，其分布式模擬結(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制方式使之具有高效連續(xù)模擬的優(yōu)點(diǎn)。SWAT模型可以自動(dòng)進(jìn)行數(shù)字地形分析，對(duì)輸入柵格型DEM進(jìn)行處理、定義流域范圍、劃分亞流域、確定河網(wǎng)結(jié)構(gòu)和計(jì)算子流域參數(shù)。

3.4 SWMM模型

暴雨管理模型（Storm Water Management Model，SWMM）是一種主要應(yīng)用于城市降雨徑流模擬的分布式模型，通過(guò)將研究區(qū)域劃分為具有相同集水性質(zhì)的子流域而體現(xiàn)空間變異性。它的主要功能是對(duì)地表徑流和管道徑流量進(jìn)行模擬計(jì)算，主要應(yīng)用于下水道和雨洪研究。

上述四個(gè)現(xiàn)代水文模型特色各不相同，新安江模型通過(guò)水源數(shù)的增加來(lái)提高對(duì)現(xiàn)代水文系統(tǒng)的模擬精度；VIC模型通過(guò)可變下滲能力來(lái)模擬能量過(guò)程，進(jìn)而評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)水資源的影響；SWAT模型考慮不同土地利用條件下的產(chǎn)匯流模擬，通過(guò)對(duì)CN值的改變來(lái)適應(yīng)空間異質(zhì)性的變化；SWMM模型則是針對(duì)城市專(zhuān)門(mén)提出的用于模擬城市雨洪的水文模型，其產(chǎn)匯流機(jī)制與模擬流域的產(chǎn)匯流機(jī)制明顯不同。

上述四種模型的功能、特點(diǎn)、適用條件、時(shí)間尺度及產(chǎn)匯流特征各不相同，對(duì)其進(jìn)行比較分析如表1所示。

4 現(xiàn)代水文模型發(fā)展方向

綜上所述，現(xiàn)代水文模型應(yīng)對(duì)空間異質(zhì)性的方法主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：（1）通過(guò)分水源或分單元，根據(jù)不同原理進(jìn)行模擬，提高模擬精度；（2）通過(guò)可變下滲能力模擬產(chǎn)匯流過(guò)程中下滲的變化；（3）通過(guò)對(duì)參數(shù)的重新率定來(lái)體現(xiàn)空間異質(zhì)性的變化；（4）針對(duì)空間變異的區(qū)域?qū)ｉT(mén)制定新的模型。

現(xiàn)代水文模型的發(fā)展方向主要在兩個(gè)方面：一是其本身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；二是獲得現(xiàn)狀的空間數(shù)據(jù)和參數(shù)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的水文模型，功能單一，單獨(dú)針對(duì)某一問(wèn)題的適用性良好；復(fù)雜水文模型的缺陷是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)較多，對(duì)數(shù)據(jù)和計(jì)算能力的要求很高。不斷優(yōu)化現(xiàn)代水文模型結(jié)構(gòu)，在對(duì)水文現(xiàn)象物理機(jī)理探求的過(guò)程中避免冗余和盲目，這對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化對(duì)現(xiàn)代水文模型的發(fā)展極其重要。

參考文獻(xiàn)

[1]熊立華，郭生練.分布式流域水文模型[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

[2]中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.“十五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“黑河流域水資源調(diào)配管理信息系統(tǒng)研究”專(zhuān)題“黑河流域水循環(huán)系統(tǒng)的分布式模擬”報(bào)告（2001BA610A-02-01）[R].北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2002.

[3]中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究（973）發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目“黃河流域水資源演化規(guī)律與可再生性維持機(jī)理”第二課題“黃河流域水資源演變規(guī)律與二元演化模型”（G1999043602）報(bào)告[R].北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2004.

[4]劉家福，李京，李秀霞.中美典型水文模型比較研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2014，（1）：17-23.

[5]趙人俊.流域水文模型[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1984.

[6]傅春，張強(qiáng).流域水文模型綜述[J].江西科學(xué)，2008（4）：588-638.

[7]胡彩虹，郭生練，彭定志.半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)流域水文模型分析比較研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（5）：38-42.

[8]雍斌，張萬(wàn)昌，劉傳勝.水文模型與陸面模式耦合研究進(jìn)展[J].冰川凍土，2006，28（6）：961-970.

[9]胡彩虹，郭生練，彭定志. VIC模型在流域徑流模擬中的應(yīng)用[J].人民黃河，2005（10）：22-24.