分布式水文模型研究進(jìn)展

鄭貴元+李建貴+孫偉+王雯清

摘 要：該文介紹了分布式水文模型的研究現(xiàn)狀，以及分布式水文模型的構(gòu)建，并對存在問題及發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：Wassi；研究進(jìn)展；分布式水文模型；水文模擬

中圖分類號 P208 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）10-0027-03

自20世紀(jì)以來全球水資源危機(jī)日益加深，為了研究在特定氣候和人類活動影響下的水文規(guī)律，水文研究從流域水循環(huán)的模擬即集總式水文模型擴(kuò)展到分布式或半分布式水文模型[1-4]再到使用專業(yè)水文模擬軟件進(jìn)行協(xié)同分布式模擬計(jì)算。水文模型是水文科學(xué)的重要的研究方法和手段[5-6]。本文首先介紹了分布式水文模型的研究現(xiàn)狀，然后介紹了分布式水文模型的構(gòu)建，最后對分布式水文模型的進(jìn)行了展望和總結(jié)。

1 分布式水文模型研究現(xiàn)狀

目前分布式水文模型在區(qū)域研究中，影響較大的模型有水碳耦合模型。水碳模型最早始于20世紀(jì)80年代的光合模型和光合與氣孔導(dǎo)度關(guān)系的模型。現(xiàn)在比較常用的區(qū)域水碳模型有SMPT-SB模型等。SMPT-SB是一個反映葉片和冠層尺度水碳耦合的模型，張寶忠[7]等使用SMPT-SB模型分析了華北地區(qū)夏玉米葉片和冠層尺度的光合與蒸騰的變化規(guī)律，計(jì)算后所得葉片光合、蒸騰和水分利用效率數(shù)值與真實(shí)數(shù)的回歸系數(shù)接近1，模型較好的反映了葉片光合與蒸騰的耦合關(guān)系。而使用次數(shù)較為頻繁的模型有CEVSA、BEPS、IBIS等模型，這幾種模型都是基于地球循環(huán)大環(huán)境下的水文模型。潘登[8]等使用應(yīng)用分布式水文模型優(yōu)化黑龍港及運(yùn)東平原農(nóng)田灌溉制度，通過模型優(yōu)化后當(dāng)?shù)氐墓喔戎贫鹊玫搅烁纳?，反映出水文模型對生產(chǎn)實(shí)踐具有實(shí)際參考意義。

Wassi模型是一個基于月供水壓力指數(shù)的水文模型[9]，sun[10-11]等使用Wassi模型對了美國和墨西哥等國家和地區(qū)進(jìn)行了水文模擬計(jì)算，模擬結(jié)果顯示W(wǎng)assi模型較好的反映了美國等的供水壓力狀況，并預(yù)測了未來的降雨量。P.V.caldwell[12]等和孫閣教授合作研究了水蒸發(fā)、不同土地使用類型、氣候變化等要素對供水變化的影響。

Biome-BGC模型是用于模擬陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮、水分循環(huán)。張庭龍[13]等將實(shí)測葉面積指數(shù)和實(shí)測遙感葉面指數(shù)同化進(jìn)Biome-BGC模型，通過改進(jìn)數(shù)據(jù)對比計(jì)算后發(fā)現(xiàn)模型的計(jì)算的精確度得到了提高。當(dāng)前各種水碳模型通過空間尺度、定量評價(jià)、蒸發(fā)散等詳細(xì)敘述了目前水碳模型的進(jìn)展，當(dāng)前水分利用效率以及模型率定和驗(yàn)證板塊是模型研究的短板[14]。

與Wassi模型類似的有RHESSys模型、DLEM模型以及Wassi-c模型。這3個模型從不同尺度以及不同的計(jì)算方式來進(jìn)行區(qū)域或者流域范圍的模擬計(jì)算，通過計(jì)算分析出水碳耦合關(guān)系為解決實(shí)際問題提供參考意見[15]。

在水文研究界基于DEM的分布式水文模型也是一個研究熱點(diǎn)[16-17]，由于我國在分布式水文模型研究晚所以更多的只是借鑒國外的模型和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合具體實(shí)際來應(yīng)用將成為以后的研究重點(diǎn)[18]?；贒EM的的水文模型在坡度、坡向等地圖繪制細(xì)節(jié)上相對以往的地圖具有更高的精度等眾多優(yōu)點(diǎn)，這將成為未來水文模擬的一個趨勢[19]。同時也應(yīng)該看到分布式水文模型也存在一些問題，如模型的真實(shí)性、尺度轉(zhuǎn)換問題、模型的檢驗(yàn)問題、計(jì)算時間和數(shù)據(jù)儲存的問題，盡管有以上4個缺陷分布式水文模型依然是未來水文模型發(fā)展的主要方向[20]。當(dāng)前分布式水文模型呈獻(xiàn)多過程綜合、計(jì)算量大等特點(diǎn)[21]，并且出現(xiàn)了分布式水文模型軟件系統(tǒng)[22-23]，如OMS系統(tǒng)、AVSWAT、WetSpa等軟件系統(tǒng)，這些軟件系統(tǒng)的出現(xiàn)有利于簡化模型應(yīng)用流程。

2 分布式水文模型構(gòu)架

本文以Wassi模型為例對分布式水文模型的構(gòu)架進(jìn)行一般性的簡介，Wassi模型是一個基于月為計(jì)算單位的分布式水文模型，可以用來預(yù)測降雨量等。Wassi模型的主要模塊有率定輸入和預(yù)測輸出模塊以及水文響應(yīng)單元的劃定。

2.1 Wassi模型水文響應(yīng)單元的劃定 在Wassi模型中水文空間響應(yīng)單元的劃定取決于蒸散量，雪的積累和融化，地表徑流，月降水，溫度，月平均葉面積指數(shù)，土地覆蓋類型。主要計(jì)算公式如下：

蒸散計(jì)算公式：

式中：PETHAMON為HAMON（1963）經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，LAII為葉面積指數(shù)，PPT為降水量HAMON（1963）經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

式中：n為月天數(shù)，k為白天長度，pw為月平均空氣溫度的飽和蒸氣壓密度。

2.2 Wassi模型的率定 詳見圖2。

2.3 Wassi模型降雨量的預(yù)測 圖3為Wassi模型在美國的降雨量預(yù)測圖，圖中運(yùn)用Wassi模型基于美國的歷史降雨數(shù)據(jù)等因素，對huc12110208區(qū)域進(jìn)行了降雨量預(yù)測。計(jì)算時所用的的率定數(shù)據(jù)（圖4）。

通過以上Wassi模型的簡介已經(jīng)描述出了一般分布式水文模型的常見構(gòu)架為水文響應(yīng)單元的劃定，模型的率定以及結(jié)果輸出3大主要模塊。不同的分布式水文模型與Wassi模型會存在著一些差異，但是大致框架和Wassi模型一樣，如孫占東[7]洞庭湖流域分布式水文模型研究中對洞庭湖流域進(jìn)行了流域劃分以及模型率定和驗(yàn)證模塊的優(yōu)化就和Wassi模型主要模塊一樣，但是率定參數(shù)等有區(qū)別。

3 討論

分布式水文模型經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)開始成熟起來。目前模型數(shù)量較多，并且開始出現(xiàn)專業(yè)軟件用于模型計(jì)算和模擬，但是從總體上看分布式水文模型也存在著一些問題：

（1）分布式水文模型的的準(zhǔn)確性。由于水文模擬模擬的是一個復(fù)雜的水文過程集合體，在具體計(jì)算和模擬中數(shù)值對模擬的結(jié)果影響巨大，因此模型對數(shù)值的依賴性極高，一旦出現(xiàn)某些數(shù)值缺失或者存在數(shù)值偏差，那么模型模擬的結(jié)果準(zhǔn)確性將大大下降。

（2）模型的檢驗(yàn)問題。有些水文狀態(tài)變量因缺乏實(shí)時監(jiān)控，無法得到準(zhǔn)確數(shù)值，往往依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)值代替計(jì)算，這樣導(dǎo)致模型運(yùn)行沒有問題，但是計(jì)算結(jié)果是錯誤的或者是結(jié)果與真實(shí)數(shù)值偏差很大的情況。

（3）專業(yè)軟件要求較高的計(jì)算機(jī)操作水平。隨著專業(yè)水文模擬軟件的出現(xiàn)，對運(yùn)用分布式水文模型的學(xué)者和專家來說需要具備較高的專業(yè)軟件操作水平，這樣導(dǎo)致的后果是水文模擬計(jì)算越來越依靠計(jì)算機(jī)，模型如果有些新的改進(jìn)和調(diào)整往往還需要一個專業(yè)編程人員的幫助，因?yàn)樗哪M本來屬于水文學(xué)范疇，但是隨著目前的發(fā)展?fàn)顩r看，一個水文學(xué)的學(xué)者或者專家已經(jīng)無法勝任獨(dú)自運(yùn)用水文模型來模擬計(jì)算了，同時還需要計(jì)算機(jī)編程人員的幫助。專業(yè)水文專家或?qū)W者與計(jì)算機(jī)編程人員是否能協(xié)調(diào)一致用好分布式水文模型軟件將成為關(guān)鍵。

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