現代水文模型中對流域空間異質性的考慮

摘 要：水文模型是利用數學和物理符號來闡述復雜水文系統的工具。由于人類活動對水分循環的影響，使流域的空間異質性加劇，傳統水文模型的模擬結果已經達不到需要的精度。現代水文模型是建立在現代信息技術發展和空間異質性的基礎上，模擬水文系統和預測水文過程的模型。相對于傳統的水文模型，現代水文模型通過分水源、利用可變下滲能力、根據現狀數據率定參數和針對變異區構建模型等舉措提高模擬精度。文章對現代常用的幾個水文模型的應用范圍及產匯流原理進行分析和總結，指出現代水文模型對空間異質性的處理方式，研究現代水文模型針對空間異質性發展方向，為現代水文模型更好地使用奠定基礎。

關鍵詞：現代水文模型；空間異質性；模擬精度

1 概述

水文模型是以水文系統為研究對象，根據降雨和徑流在自然界的運動規律建立的數學模型，可通過計算機快速分析、數值模擬、圖像顯示和實時預測各種水體的存在、循環和分布及其化學特性[1]。傳統水文模型主要用來模擬暴雨洪水流量、洪峰、降雨-徑流關系等，現代水文模型通過與GIS和RS技術的結合，試圖準確地描述出某個自然系統內降雨、徑流、下滲、蒸發等水文過程，并充分考慮其下墊面條件的異質性，將水量、水質或某一水文過程的變化情況展現出來。

現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，通過對上述四種模型進行對比分析，總結現代水文模型對空間變異的應對，為提高現代水文模型的模擬精度提供依據。

2 空間異質性

人類對水資源的開發利用，直接改變了水的時空分布態勢及有水力聯系區域水文情勢的變化；人類對土地資源的開發，改變了影響產匯流過程的下墊面條件，使得流域水文情勢發生分異[2，3]。

現代水文模型最主要的特點是其對空間異質性的考慮。空間異質性表現為兩個方面：一是自然條件下地表覆被物的變化和降水等水文過程空間分布的不確定性；二是人類對自然環境的影響，具體表現為對水分循環的影響。這不僅表現在人類活動改變了當地的地形地貌和高程坡度，包含城市的蒸散發系數，土壤的下滲系數和產流系數等經驗性參數都發生巨大變化。因為水文模型的空間參數受到氣候、下墊面、人文等眾多因素影響，尤其分布式水文模型有時缺少用于尋找最優解的初值和邊界的數據，傳統的優化方法已經難以得到全局最優解，獲得具有物理意義的模型參數是現代水文模型發展得重中之重。

3 現代水文模型

目前比較重要的水文模型都源自于美國和歐洲，發展中國家相對較少，而我國除了使用新安江模型外，大多數也是引進外國模型[4]。通過對現代常用的幾個水文模型的比較分析，找出其特點及存在問題，為現代水文模型的進一步發展提供依據。

3.1 新安江模型

新安江模型屬于降雨-徑流模型，其結構可分為四個層次，即蒸散發計算、產流計算、分水源計算和匯流計算[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來描述計算柵格內變化的入滲能力[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程。后來發展的VIC模型既考慮了超滲產流又考慮了蓄滿產流，并且不是單純應用蓄滿或超滲產流機制，而是二者分時段結合[9]。

3.3 SWAT模型

SWAT模型能夠模擬流域的水文過程和化學過程變化的分布式流域水文模型，其分布式模擬結構和運行控制方式使之具有高效連續模擬的優點。SWAT模型可以自動進行數字地形分析，對輸入柵格型DEM進行處理、定義流域范圍、劃分亞流域、確定河網結構和計算子流域參數。

3.4 SWMM模型

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

上述四個現代水文模型特色各不相同，新安江模型通過水源數的增加來提高對現代水文系統的模擬精度；VIC模型通過可變下滲能力來模擬能量過程，進而評價氣候變化對水資源的影響；SWAT模型考慮不同土地利用條件下的產匯流模擬，通過對CN值的改變來適應空間異質性的變化；SWMM模型則是針對城市專門提出的用于模擬城市雨洪的水文模型，其產匯流機制與模擬流域的產匯流機制明顯不同。

上述四種模型的功能、特點、適用條件、時間尺度及產匯流特征各不相同，對其進行比較分析如表1所示。

4 現代水文模型發展方向

綜上所述，現代水文模型應對空間異質性的方法主要體現以下幾個方面：（1）通過分水源或分單元，根據不同原理進行模擬，提高模擬精度；（2）通過可變下滲能力模擬產匯流過程中下滲的變化；（3）通過對參數的重新率定來體現空間異質性的變化；（4）針對空間變異的區域專門制定新的模型。

現代水文模型的發展方向主要在兩個方面：一是其本身結構的優化；二是獲得現狀的空間數據和參數。結構簡單的水文模型，功能單一，單獨針對某一問題的適用性良好；復雜水文模型的缺陷是結構復雜，參數較多，對數據和計算能力的要求很高。不斷優化現代水文模型結構，在對水文現象物理機理探求的過程中避免冗余和盲目，這對參數進行優化對現代水文模型的發展極其重要。

參考文獻

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

[2]中國水利水電科學研究院.“十五”國家重點科技攻關項目“黑河流域水資源調配管理信息系統研究”專題“黑河流域水循環系統的分布式模擬”報告（2001BA610A-02-01）[R].北京：中國水利水電科學研究院，2002.

[3]中國水利水電科學研究院.國家重點基礎研究（973）發展規劃項目“黃河流域水資源演化規律與可再生性維持機理”第二課題“黃河流域水資源演變規律與二元演化模型”（G1999043602）報告[R].北京：中國水利水電科學研究院，2004.

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

[5]趙人俊.流域水文模型[M].北京：中國水利水電出版社，1984.

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

[8]雍斌，張萬昌，劉傳勝.水文模型與陸面模式耦合研究進展[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用[J].人民黃河，2005（10）：22-24.