水文模型應用于大尺度多流域的研究歷史與展望

趙泓博

（同濟大學，上海200092）

1 引言

20世紀60年代以來，全球經濟和科技的迅猛發展對全球氣候變化造成了很大的影響，全球出現極端天氣的情況越來越多，已經對經濟的高速發展造成了一定影響、對人們物質需求和生命健康造成了威脅。極端天氣在全球范圍內出現的頻率越來越高。沿海地區河網錯綜復雜，年降水量富足，人類活動頻繁，在這些地區極易受到臺風暴雨的影響，給人們的生產生活造成極大的不便和損失。臺風造成的破壞面大，所經流域多，對各類水文模型（如GSFLOW、SWAT、PRMS等）模擬結果的精度都會有一定的損失。出于精度的要求，目前國內外水文模型的研究尺度大多還是限于單個流域和小范圍區域，因此，如果能在精度允許的范圍內對水文模型的研究尺度擴展到大尺度多流域，具有現實意義和使用價值。

2 國內外水文模型的發展歷史

水文模型的研究對象是大氣中的水的循環過程。目前，流域水文模型主要應用于水文模擬、水文預報、水資源規劃與管理、產沙輸沙、污染物運移等領域[1]。水文模型的發展最早可以追溯到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Penman的蒸發公式等，是水文模擬技術取得重要進展的標志[2]。隨著科技的進步、計算機技術的發展以及人們對大自然水文過程的不懈探索，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程的物理過程，在這類模型中，主要是依據一些物理參數和經驗參數對模型進行設置和校核，邊界條件比較理想化，主要是為了簡化模型，導致很多實際問題沒有充分考慮。

近年來，水文模型的預報精度要求越來越高，為了提高模型精度，要求模型對地域特征有更加精確的表達，因此，分布式水文模型得到了迅猛發展。目前，國內外比較主流的水文模型大概有數10種，基本原理都是通過模擬水文循環過程達到預測的目的。發展歷程由最初的經驗公式到理論公式的，得到了一些比較符合時代要求的水文模型，按發展順序，可簡單分為早期摸索階段的經驗模型、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的新安江模型（1973年建立，1980年發表）、日本的水箱模型（Tank）（1951年）、美國的斯坦福模型（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的SWAT模型、未考慮降水、蒸發空間分布對徑流影響的半分布式TOPMODEL模型、丹麥、英國及法國學者聯合研制及改進的SHE模型、基于矢量高程數據的THALES模型、分布式新安江模型以及美國地質勘探局的GSFLOW模型等。這些模型都是有大量的實際應用和例證，在社會發展與進步中發揮了重要作用，一直承擔著水文模擬、預報等相關任務，為有關部門預測預警提供了技術支撐和理論價值。

3 水文模型的尺度和多流域研究進展

水文模型的尺度和多流域拓展問題一直都是影響模型精確度的重要因素，對解決水文模型尺度和多流域拓展并保持精度相對符合要求的問題是水文模型應用于大尺度多流域地區的一個關鍵問題，而對于精度的保證，主要還是從模型原理上彌補大范圍跨流域可能對精度損失的影響。集總式水文模型對地理特征參數在空間上的分布未充分考慮，從宏觀尺度把流域作為一個單元；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水文響應單元，每一個單元用一組參數反應對應的流域特征，也即是模塊化結構。目前，國外對水文尺度的分類有相對比較定量的劃分，比較系統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，不同尺度對應不同的時間和空間要求[3]。現在水文模型研究對象大多針對的是相對單一流域，對單一流域的水文地理特征相對一致，模型物理參數差別不大，能夠在一定程度上保證模型模擬的精度要求。但是模型的模擬計算能力也得益于計算機技術的發展，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用價值及展望

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，對大尺度多流域水文模型的需求非常迫切。如能夠建立一個大尺度多流域水文模型，可以迅速提前模擬極端降水，為相關部門提供參考，提前準備和預防，做好應對工作，把災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構，為后期發展應用于大尺度多流域的水文模型提供了思路和接口。尤其是基于數字高程模型DEM的廣泛使用以及GIS、RS和GPS發展和應用，可以處理各種復雜的地理特征參數。模型采用模塊結構，通過把大區域劃分為若干個水文單元細化對每個區域的地理特征參數設置，對不同的區域采用不同的參數，在一定程度上對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用可以從模型模塊化的角度進行進一步的探討和研究，從而建立大尺度多流域的水文模型，甚至基于科技的發展建立全球水文模型。

5 結語

大尺度多流域水文模型的發展是一大趨勢，關鍵問題還是尺度轉換和多流域復雜影響的擬合過程，不僅需要技術水平的發展，還需要研究者對各種復雜環境的考慮以及思維方式的進一步開拓。對于大尺度多流域水文模型的進一步開發和應用，將得益于雷達、遙感技術以及地理信息系統等科學技術的發展，同時，這些技術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確便捷性和滿足模擬條件的復雜性。大尺度多流域水文模型在水文預報、水資源開發與利用等方面必將有更大的需求和發展。