分布式水文模型在流域水資源開發利用中的應用探究

婁利華

【摘要】縱觀我國水資源開發利用和管理研究的基本狀況，目前的水資源管理是基于一定水文規律的現狀水資源的調控與開發利用的。在自然和人類活動的雙重作用下，水資源循環規律發生了改變，具有物理基礎的分布式水文模型將為研究宏觀尺度上變化環境下水文循環規律和開發利用流域水資源提供科學有力的工具，開發具有物理基礎的分布式水文模型將為我國水資源開發利用和管理提供技術支撐和保障。

【關鍵詞】分布式水文模型；水資源；水文循環

1、國內外分布式水文模型的研究現狀及意義

1. 1 國內外研究現狀

具有物理基礎的分布式模型的研究與開發經歷了幾十年的時間。早期的分布式模型沒有考慮全部的水文循環，而僅考慮流域內水的流動和運移的特定階段。隨著基礎研究的開展及計算機技術的快速發展，出現了兩個最著名的分布式流域模型，即SHE 模型和IHDM。由于其對資料要求較高，這兩個模型的建立和應用主要限于小尺度的流域。

近年來，分布式模型研發的重要性也為眾多國內學者所重視，由于國內分布式水文模型的研究起步相對較晚，更多的研究多集中于引進、改良國外的分布式水文模型。一方面，這些分布式水文模型的開發多基于不同的目標 ；另一方面，由于中國的實際條件與國外大不相同，如流域資料缺乏、氣候及環境要素的不同等均造成了應用的效率降低。

1. 2 研究意義

近些年中國在水文水資源高效管理研究方面取得了眾多的成果，為解決水資源配置中存在的諸多問題，然而我國水資源配置研究的重點主要集中在建立符合現代流域水循環過程的“天然 - 人工”二元認知模式，建立以水循環為基礎的水資源合理配置模式、建立具有統一基礎的水資源配置準則和建立水資源配置合理性評價標準和體系等。根據水資源供需平衡及一定的用水目標，一些科學家從水資源優化配置的角度建立了水資源優化配置管理模型。值得注意的是，這些模型的建立并沒有考慮流域水文循環的物理過程，而從水資源供需、水資源最優化配置出發建立模型并應用于區域水資源的管理中。

我國的流域水資源開發過程中存在諸多問題，人類活動對水文循環的影響越來越嚴重，這在北方半干旱半濕潤地區尤為突出。流域水文循環越來越受自然和人類的雙重作用，水循環存在的介質及形式、水循環的驅動力都發生了變化，這導致了水文循環規律的變化。作為水文基本理論的水文循環研究，其正在宏觀和微觀尺度上不斷擴展和深化。

水文循環是水資源開發利用的科學基礎，而分布式模型的建立正是基于降水、地表水、土壤水、地下水及其相互關系的物理規律的基礎之上的，分布式水文模型的理論基礎使其具有很好的應用擴展性。研究建立有物理基礎的、分布參數的流域尺度的、反映人類活動對水文循環過程影響的水文模型，將提高水資源開發利用和管理的水平，為水資源長期穩定的開發利用提供保障。

2、分布式水文模型在流域水資源開發利用中的應用總結與討論

我國目前的分布式模型研究與國外的研究水平相比，仍處于起步階段，將分布式模型應用于水資源開發利用亦停留在研究階段。分布式水文模型的研制仍需要解決以下問題：

針對不同水文特性的流域，采用包含該流域主要水文過程的模塊組成分布式水文模型。不同流域間其水文特性變化顯著，如山地與平原流域，前者接近天然水循環過程，后者則往往受人類活動影響強烈。

有物理基礎的分布式水文模型為反映不同狀態的水分在不同介質的運動的連續性和變異性，流域在水平和垂直方向上被剖分為眾多子單元。在水平方向上，按照地形和實際河網資料，流域被劃分為具有匯流次序編碼的網格系統，此系統中的網格又被分別定義為坡地和河道單元。在垂直方向上，根據土壤組成及巖性變化，流域地下水流系統被劃分為具備多層結構的柱狀單元系統。從模擬的精度講，單元剖分的越細致，模擬精度應該越高。但考慮到計算機運行速度，以及資料的時空分辨率，這種單元剖分是不恰當的。研究表明，模型應用的理想狀態是達到水文模型的尺度、資料的尺度應該與實際水文過程的尺度一致。顯然，這種理想狀態并不容易達到，因此在模型中，單元剖分的尺度需要根據資料狀況及實際的水文過程率定得出。

流域是自然水分循環相對閉合的區域，然而由于人類對水資源的不合理開發利用，流域自然水分循環人工化。因此建立有物理基礎的、分布參數的流域尺度的水文模型所模擬的水文過程不僅要包括地表水、土壤水、地下水以及界面的水分交換等自然水文過程，還應考慮水庫大壩等水利工程、開采地下水及其他流域水土開發措施等人類活動的水文效應。

分布式模型采用動力方程對水流過程進行確定性描述，原則上，模型參數值是由野外量測到的而不是經驗性的或通過率定求得的。顯然，這使得具有物理基礎的分布式模型非常適合進行無資料地區的水文計算。但是由于存在模型、資料及實際水文過程的尺度轉化問題，且所采用的動力方程是基于點尺度建立的，因此量測得到的稀疏離散點的參數值往往不足以反應流域面上的水流變化過程。從這個角度出發，基于比集總、概念型模型少的實測資料對參數進行標定是必要的。

將雷達估測降雨、遙感等高技術手段引入水資源開發中 ，將推動有物理基礎的分布式水文模型的廣泛應用。一方面，通過遙感可以獲取模型需要的高時空分辨率的參數信息，使得模型能夠正確反映流域水流狀況，這也促進了分布式模型在無資料地區的應用。另一方面，通過遙感可以獲取流域下墊面及其隨時間變化的信息，便于在模型中評價由于人類活動對流域改造的水文效應。

近幾十年來，國內外開發出了適用于不同地區特點的分布式水文模型，根據不同的特點，如開發技術的限制、獲取資料的難易程度以及研究問題的重點不同，這些模型都有欠缺的地方。在今后的模型研究中，應在模型結構的構建、模型尺度的確定以及模型參數的提取上進行深入探討。具體問題實際分析，開發符合我國實際情況的自主產權的物理基礎的分布式水文模型，為我國水資源開發利用和管理提供技術支撐和保障。

參考文獻：

[1] 劉昌明，夏軍，郭生練，等.黃河流域分布式水文模型初步研究與進展 [J ]. 水科學進展，2004，15（4）：495 - 500.