分布式物理水文模型MIKE SHE的研究進(jìn)展

摘要分布式水文模型的研究與應(yīng)用是水文建模領(lǐng)域中最活躍的方向，是解決流域的水文、生態(tài)和環(huán)境問題最有效的途徑，文章詳細(xì)闡述了能完整模擬水文循環(huán)過程的分布式物理水文模型MIKE SHE的特點(diǎn)及其國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展。認(rèn)識(shí)MIKE SHE模型的框架結(jié)構(gòu)和對(duì)參數(shù)率定提供取值范圍。

關(guān)鍵詞分布式水文模型MIKESHE模型

中圖分類號(hào)：O59文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research Progress of MIKE SHE of Distributed Hydrological Model

TANG Min， Xiang Zheng

(Guizhou Normal University， Guiyang， Guizhou 550000)

AbstractDistributed hydrological model of research and application of hydrological modeling is the most active direction in the field of hydrology， the characteristics and SHE MIKE domestic and foreign research progress. Know MIKE SHE model frame structure and parameters of rate scope shall provide.

Key wordsdistributed hydrological model; MIKE SHE model

1 國(guó)內(nèi)外分布式水文模型MIKE SHE的研究發(fā)展概況

20世紀(jì)90年代初由丹麥水利學(xué)研究院(DHI)在SHE模型上進(jìn)一步發(fā)展研制出MIKE SHE模型。MIKE SHE模型是一個(gè)綜合性、確定性且具有物理意義的完全分布式水文模型，以標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)格為輸入單元，多模塊進(jìn)行耦合的方式來模擬水循環(huán)中幾乎所有主要的水文過程，包括了大氣循環(huán)、水流運(yùn)動(dòng)、溶質(zhì)和泥沙輸移等。第四代的MIKE SHE模型包括了一個(gè)用戶界面友好的模型程序包，由一系列預(yù)處理程序組成，包括紙面信息的數(shù)字化、繪圖編輯、數(shù)字插補(bǔ)、等值線繪制、均化網(wǎng)格和動(dòng)畫功能的圖形顯示。MIKE SHE能夠?qū)⒅饕乃鬟^程進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合，一維上模擬水分入滲過程是用到理查德方程（Richard’s equation），二維上根據(jù)具體地面流情況選用水量平衡方程（water balance equation），三維上對(duì)飽和帶的飽和水流采用地下水流模型，以非線性的Boussinesq方程進(jìn)行模擬計(jì)算，將地表水與地下水在空間、時(shí)間上進(jìn)行耦合；在空間信息的分布式采集時(shí)對(duì)植被的生長(zhǎng)特性描述和融雪過程模擬等具有其他分布式模型較明顯的優(yōu)勢(shì)，并能完全與GIS數(shù)據(jù)庫(kù)耦合，有友好的用戶輸入—輸出界面。MIKE SHE模型被廣泛應(yīng)用于流域管理、土地利用變化影響評(píng)價(jià)、地下水模擬、水質(zhì)污染模擬、灌溉及農(nóng)業(yè)管理等眾多研究領(lǐng)域，但是由于模型自身結(jié)構(gòu)、對(duì)數(shù)據(jù)的要求高，輸入復(fù)雜等原因，雖然MIKE SHE模型被認(rèn)為是分布式物理模型的代表，但在中國(guó)的研究應(yīng)用上相對(duì)于其他分布式物理模型較少。

MIKE SHE模型中有不同的模塊所采用的控制方程與溶質(zhì)輸移模型中所采用的方程類似，都是以對(duì)流——擴(kuò)散方程（ADE）為基礎(chǔ)的。Mich Owor在他的《數(shù)字模型流域與溶質(zhì)漲潮》一文中用水文控制點(diǎn)收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)通過MIKE SHE模型中的對(duì)流擴(kuò)散這一擴(kuò)展模塊對(duì)模型進(jìn)行校對(duì)，得出數(shù)據(jù)方程之間的差別在于維數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)和采用的數(shù)值解法的不同。R.F.Vaquez于2002年提出了不同單元格：300m、600m、1200m對(duì)MIKE SHE模型的有效參數(shù)和模擬結(jié)果的影響，指出了600m單元格已經(jīng)能夠模擬產(chǎn)生較為精確的模擬結(jié)果，而300m單元格的應(yīng)用則會(huì)指數(shù)倍地增大模擬的運(yùn)算時(shí)間。得出單元格減小，模擬結(jié)果能顯著改善的結(jié)論。Christine E.Mcmichael在“分布式水文模型在加利福尼亞州的半干旱灌叢中模型校準(zhǔn)和估算的適用性研究”中應(yīng)用MIKE SHE模型估算加利福利亞的中央流域，半干旱灌木叢地區(qū)的月徑流，并用估算方法進(jìn)行模型的校對(duì)，研究表明分布式水文模型大體上適合于半干旱灌木林流域。

國(guó)內(nèi)學(xué)者也以MIKE SHE模型對(duì)不同地區(qū)展開了研究，研究的重點(diǎn)多數(shù)是在對(duì)分布式水文模型的應(yīng)用研究和地表水—地下水耦合的研究基礎(chǔ)上的。其中，盧小惠，應(yīng)用地表水—地下水耦合模型研究不用尺度的水文效應(yīng)；王盛萍、張志強(qiáng)等，基于物理過程分布式流域水文模型尺度依賴性，作者都在各種數(shù)據(jù)條件可利用的情況下，在不同尺度上運(yùn)用MIKE SHE模型，通過改變空間數(shù)據(jù)分辨率（單元格大小）和模擬時(shí)間步長(zhǎng)來分析流域水文過程中MIKE SHE模型對(duì)尺度的依賴性，得出單元格改變會(huì)使模型流域面積及“river link”總溝長(zhǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而使得徑流總量及峰值的模擬值呈正比變化。單位步長(zhǎng)增大，單位步長(zhǎng)內(nèi)的降雨強(qiáng)度會(huì)減小，從而模擬峰值減小，但步長(zhǎng)的變化對(duì)模擬的徑流總量并無影響。這些都為MIKE SHE模型在區(qū)域尺度上的研究提供了一個(gè)合理框架。王蕊、王中根等，地表水和地下水耦合模型研究進(jìn)展；胡立堂、王忠靜等，地表水和地下水相互作用及集成模型研究，作者都重點(diǎn)探討了通過MIKE SHE模型的各個(gè)模塊的功能將地表水和地下水耦合成一個(gè)水文系統(tǒng)的研究。

2 分布式水文模型MIKE SHE應(yīng)用

2.1 模型結(jié)構(gòu)

圖2 MIKE SHE模型三維示意圖

模型建立時(shí)，流域會(huì)在平面上被劃分成許多的矩形網(wǎng)格，便于處理模型的參數(shù)、降雨輸入及水文相應(yīng)的空間分布，在垂直面上，MIKE SHE通過連續(xù)計(jì)算四個(gè)不同且相互影響的儲(chǔ)水層的含水量來模擬產(chǎn)匯流過程，這幾個(gè)儲(chǔ)水層代表了流域內(nèi)不同的物理單元。這些儲(chǔ)水層是：

積雪儲(chǔ)水層、地表儲(chǔ)水層、土壤或植物根區(qū)儲(chǔ)水層、地下水儲(chǔ)水層。

2.2 MIKE SHE水流運(yùn)動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)框架

水流模塊中的子模塊有以下幾種：（1）截留/蒸發(fā)（ET）：采用Rutter方程/Penman-Monith方程和Kristenson-Jenson方程兩種方法計(jì)算截留量和蒸散發(fā)量。（2）坡面漫流和河道匯流（OC）：坡面漫流和河道匯流采用圣維南方程組求解。（3）不飽和帶（UZ）：采用Richards方程和重力流模擬兩種方法進(jìn)行不飽和帶水分的模擬。

水流運(yùn)動(dòng)模塊本身又是模塊化結(jié)構(gòu)，每個(gè)子模塊針對(duì)一個(gè)水文過程，幾個(gè)子模塊組合可以完成一個(gè)特定水文過程的模擬。用戶可以根據(jù)自身需要來建立一個(gè)適合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件和研究目的的模型結(jié)構(gòu)，通過選擇不同的時(shí)間尺度和對(duì)數(shù)據(jù)交換的組織，模型的框架結(jié)構(gòu)可以協(xié)調(diào)各個(gè)水文過程的并行運(yùn)作，主要功能如下：

（1）控制各子模塊執(zhí)行其計(jì)算任務(wù)，有些模塊的時(shí)間步長(zhǎng)不一致，時(shí)間步長(zhǎng)會(huì)隨著模擬過程中水文響應(yīng)情況的變化而變化。如果兩模塊的時(shí)間步長(zhǎng)不同，那么在它們交換數(shù)據(jù)前，必須將短步長(zhǎng)的計(jì)算值累加得到較長(zhǎng)步長(zhǎng)的計(jì)算值。（2）選擇水流過程所必須的模塊，對(duì)于與應(yīng)用不相關(guān)的模塊采取必要的邊界變量代替該模塊。（3）如果子模塊組合包括不止一種方案，選擇最適合的方案。

2.3 參數(shù)率定

在率定過程中，需要不斷調(diào)整各子流域的參數(shù)值，直到計(jì)算的徑流（坡面流、壤中流和基流之和）與流域出口實(shí)測(cè)的流量擬合較好為止。在模型率定過程中，通常需要考慮下列幾項(xiàng)：（1）平均模擬徑流量與實(shí)測(cè)徑流量擬合較好（總水量平衡）。（2）過程線的形狀大致吻合。（3）流量峰值吻合，主要是時(shí)間、流量大小以及水量的吻合。

MIKE SHE帶有一個(gè)自動(dòng)率定程序，它可以自動(dòng)率定此9個(gè)最重要的模型參數(shù)。自動(dòng)率定工具基于同時(shí)使四個(gè)不同率定目標(biāo)達(dá)到最佳，這四項(xiàng)是總水量平衡、過程線總體形狀、高流量和低流量。對(duì)于有9個(gè)率定參數(shù)的模型率定，最大模型迭代次數(shù)通常在1000-2000次就可以保證一個(gè)有效的率定，率定過程通常可以在30-60 CPU秒內(nèi)完成。

MIKE SHE物理模型，所有參數(shù)都有一定的物理概念，但由于參數(shù)值反映的是各子流域的平均條件，無法通過實(shí)測(cè)獲得，因此必須進(jìn)行率定。MIKE SHE的率定通常需要3－5年長(zhǎng)序列的水文、氣象觀測(cè)資料。

3 結(jié)論

雖然MIKE SHE模型在過量的參數(shù)化和尺度定義上還有諸多問題存在，但是對(duì)于某些特定的研究方向來說，沒有任何一個(gè)綜合性的以物理機(jī)制為基礎(chǔ)的分布式模型能夠代替MIKE SHE。MIKE SHE不僅在小尺度研究工作中有所應(yīng)用，同時(shí)在大尺度流域項(xiàng)目中進(jìn)行概念化引入集總也可應(yīng)用。它是不同類型的水資源規(guī)劃和管理、水文監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)以及污染物擴(kuò)散、土壤侵蝕模擬的重要工具。

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]徐宗學(xué)等.水文模型.北京:科學(xué)出版社，2009.

[3]郭生練，熊立華等.基于DEM的分布式流域水文物理模型[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2000.33(6):1-5.

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