水文模型應(yīng)用于大尺度多流域的研究歷史與展望

趙泓博

（同濟(jì)大學(xué)，上海200092）

1 引言

20世紀(jì)60年代以來(lái)，全球經(jīng)濟(jì)和科技的迅猛發(fā)展對(duì)全球氣候變化造成了很大的影響，全球出現(xiàn)極端天氣的情況越來(lái)越多，已經(jīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展造成了一定影響、對(duì)人們物質(zhì)需求和生命健康造成了威脅。極端天氣在全球范圍內(nèi)出現(xiàn)的頻率越來(lái)越高。沿海地區(qū)河網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，年降水量富足，人類活動(dòng)頻繁，在這些地區(qū)極易受到臺(tái)風(fēng)暴雨的影響，給人們的生產(chǎn)生活造成極大的不便和損失。臺(tái)風(fēng)造成的破壞面大，所經(jīng)流域多，對(duì)各類水文模型（如GSFLOW、SWAT、PRMS等）模擬結(jié)果的精度都會(huì)有一定的損失。出于精度的要求，目前國(guó)內(nèi)外水文模型的研究尺度大多還是限于單個(gè)流域和小范圍區(qū)域，因此，如果能在精度允許的范圍內(nèi)對(duì)水文模型的研究尺度擴(kuò)展到大尺度多流域，具有現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值。

2 國(guó)內(nèi)外水文模型的發(fā)展歷史

水文模型的研究對(duì)象是大氣中的水的循環(huán)過(guò)程。目前，流域水文模型主要應(yīng)用于水文模擬、水文預(yù)報(bào)、水資源規(guī)劃與管理、產(chǎn)沙輸沙、污染物運(yùn)移等領(lǐng)域[1]。水文模型的發(fā)展最早可以追溯到1851年Mulvaney提出的推理公式、1932年Sherman的單位線、1933年Horton的入滲方程、1948年P(guān)enman的蒸發(fā)公式等，是水文模擬技術(shù)取得重要進(jìn)展的標(biāo)志[2]。隨著科技的進(jìn)步、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)大自然水文過(guò)程的不懈探索，形成了早期的一些概念性的水文模型，其主要是考慮徑流形成過(guò)程的物理過(guò)程，在這類模型中，主要是依據(jù)一些物理參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置和校核，邊界條件比較理想化，主要是為了簡(jiǎn)化模型，導(dǎo)致很多實(shí)際問(wèn)題沒(méi)有充分考慮。

近年來(lái)，水文模型的預(yù)報(bào)精度要求越來(lái)越高，為了提高模型精度，要求模型對(duì)地域特征有更加精確的表達(dá)，因此，分布式水文模型得到了迅猛發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外比較主流的水文模型大概有數(shù)10種，基本原理都是通過(guò)模擬水文循環(huán)過(guò)程達(dá)到預(yù)測(cè)的目的。發(fā)展歷程由最初的經(jīng)驗(yàn)公式到理論公式的，得到了一些比較符合時(shí)代要求的水文模型，按發(fā)展順序，可簡(jiǎn)單分為早期摸索階段的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、中期理想化的概念性模型以及目前主流的分布式模型等。例如，比較著名的概念性模型主要有我國(guó)的新安江模型（1973年建立，1980年發(fā)表）、日本的水箱模型（Tank）（1951年）、美國(guó)的斯坦福模型（SWM）（1966年）、薩克拉門托模型（SAC）（1971年）、歐洲的 HBV 模型（1992年）等；比較主流的分布式模型主要有美國(guó)的SWAT模型、未考慮降水、蒸發(fā)空間分布對(duì)徑流影響的半分布式TOPMODEL模型、丹麥、英國(guó)及法國(guó)學(xué)者聯(lián)合研制及改進(jìn)的SHE模型、基于矢量高程數(shù)據(jù)的THALES模型、分布式新安江模型以及美國(guó)地質(zhì)勘探局的GSFLOW模型等。這些模型都是有大量的實(shí)際應(yīng)用和例證，在社會(huì)發(fā)展與進(jìn)步中發(fā)揮了重要作用，一直承擔(dān)著水文模擬、預(yù)報(bào)等相關(guān)任務(wù)，為有關(guān)部門預(yù)測(cè)預(yù)警提供了技術(shù)支撐和理論價(jià)值。

3 水文模型的尺度和多流域研究進(jìn)展

水文模型的尺度和多流域拓展問(wèn)題一直都是影響模型精確度的重要因素，對(duì)解決水文模型尺度和多流域拓展并保持精度相對(duì)符合要求的問(wèn)題是水文模型應(yīng)用于大尺度多流域地區(qū)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，而對(duì)于精度的保證，主要還是從模型原理上彌補(bǔ)大范圍跨流域可能對(duì)精度損失的影響。集總式水文模型對(duì)地理特征參數(shù)在空間上的分布未充分考慮，從宏觀尺度把流域作為一個(gè)單元；分布式水文模型是按照流域各處降水和地形、土壤、植被、土地利用等下墊面因素的不同，將流域劃分為若干個(gè)水文響應(yīng)單元，每一個(gè)單元用一組參數(shù)反應(yīng)對(duì)應(yīng)的流域特征，也即是模塊化結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)外對(duì)水文尺度的分類有相對(duì)比較定量的劃分，比較系統(tǒng)的分類大致分為超微觀、微觀、中微觀、中觀、宏觀、超宏觀尺度等，其中，不同尺度對(duì)應(yīng)不同的時(shí)間和空間要求[3]?，F(xiàn)在水文模型研究對(duì)象大多針對(duì)的是相對(duì)單一流域，對(duì)單一流域的水文地理特征相對(duì)一致，模型物理參數(shù)差別不大，能夠在一定程度上保證模型模擬的精度要求。但是模型的模擬計(jì)算能力也得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從而能夠處理大量的水文特征資料。

4 大尺度多流域水文模型的應(yīng)用價(jià)值及展望

全球氣候變化和南極冰川融化致使大范圍多流域的極端天氣頻率增加，因此，對(duì)大尺度多流域水文模型的需求非常迫切。如能夠建立一個(gè)大尺度多流域水文模型，可以迅速提前模擬極端降水，為相關(guān)部門提供參考，提前準(zhǔn)備和預(yù)防，做好應(yīng)對(duì)工作，把災(zāi)害造成的損失降到最低。

分布式水文模型是目前比較主流的水文模型，主要采用模塊化分析結(jié)構(gòu)，為后期發(fā)展應(yīng)用于大尺度多流域的水文模型提供了思路和接口。尤其是基于數(shù)字高程模型DEM的廣泛使用以及GIS、RS和GPS發(fā)展和應(yīng)用，可以處理各種復(fù)雜的地理特征參數(shù)。模型采用模塊結(jié)構(gòu)，通過(guò)把大區(qū)域劃分為若干個(gè)水文單元細(xì)化對(duì)每個(gè)區(qū)域的地理特征參數(shù)設(shè)置，對(duì)不同的區(qū)域采用不同的參數(shù)，在一定程度上對(duì)滿足模型精度的要求提供了保障。因此，模型在大尺度多流域中的應(yīng)用可以從模型模塊化的角度進(jìn)行進(jìn)一步的探討和研究，從而建立大尺度多流域的水文模型，甚至基于科技的發(fā)展建立全球水文模型。

5 結(jié)語(yǔ)

大尺度多流域水文模型的發(fā)展是一大趨勢(shì)，關(guān)鍵問(wèn)題還是尺度轉(zhuǎn)換和多流域復(fù)雜影響的擬合過(guò)程，不僅需要技術(shù)水平的發(fā)展，還需要研究者對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境的考慮以及思維方式的進(jìn)一步開(kāi)拓。對(duì)于大尺度多流域水文模型的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，將得益于雷達(dá)、遙感技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)，這些技術(shù)條件也將為大尺度多流域水文模型的耦合提供前期資料獲取的準(zhǔn)確便捷性和滿足模擬條件的復(fù)雜性。大尺度多流域水文模型在水文預(yù)報(bào)、水資源開(kāi)發(fā)與利用等方面必將有更大的需求和發(fā)展。