流域生態水文模型研究進展

【摘要】隨著流域生態水文模型應用水平的不斷提高，研究其進展情況凸顯出重要意義。本文首先對相關內容做了概述，分析了流域生態水文特征。在探討常用的流域生態水文模型及其特點的基礎上，以MIKESHE模型為實例進行深入研究。

【關鍵詞】流域生態；水文模型；研究；進展

一、前言

作為與流域生態密切相關的一項重要工作，水文模型在近期得到了長足的發展和應用。研究流域生態水文模型的進展，能夠更好地把握其動向，從而為良好利用打下基礎。本文從介紹生態水文模型的相關內容著手本課題的研究。

二、生態水文模型概述

1.水文模型的概念

水文現象是一種非常復雜的現象，它不僅受降雨特性的影響，還受流域下墊面、人類活動等因素的影響。因此，多年來水文學者一直在不斷的探索和研究，以便揭示水文現象及其發展變化規律。但是，至今仍有許多問題尚未解決。在沒有完全搞明水文發展的規律之前，通過建立模型對水文過程進行模擬（試驗），不失為一種可取的途徑。仿照原型制造模型稱為“模擬”，模擬工作首先要制作一個“模型”。對于水文問題來講，模型可認為是描述一種現象轉化為另一現象的工具。

2.水文模型的分類

按模型的性質和建模技術來分，可分為以下幾種：

實體模型：包括比例尺模型和單項因素試驗模型；類比模型：依另一種現象的物理性質類比水文現象的物理性質，以便于觀測或形象化。例如根據滲流的達西定律和歐姆定律之間的相似性進行類比的電模擬模型等；模擬模型：模擬模型也稱數學模型，即運用數學方法模擬水文現象的模型。

（一）確定性模型：以水文現象的因果關系作為基礎，來建立水文模型。它又可分為：a水動力學模型。采用水動力學方程及能量守恒定律等水力學方法對水文現象進行概化模擬；b概念性模型。以水文現象的物理概念和機制為基礎對水文過程進行模擬；c黑箱模型（神經網絡模型ANNM）。采用網絡結構和算法對水文內在規律進行模擬。

（二）統計（隨機）模型：它是以水文現象的統計規律為基礎進行水文模擬的模型。包括隨機水文學、頻率分析計算等。

三、流域生態水文特征

流域濕地的景觀地貌系統的各類自然要素是形成水文生態功能的基礎，隨著自然要素連續性的日漸破損和丟失必然會導致生態功能的故障，導致周圍生態環境發生巨大的改變。景觀變化結果不僅改變了景觀的空間結構，而且影響景觀中能量分配和物質循環，最為明顯的是流域景觀結構破壞嚴重影響水的自然循環過程，使整個水文生態系統平衡被打破，從而加劇了城市澇災的發生[1]。

近年來，越來越嚴重的水環境問題與洪澇災害引起人們對流域生態問題的關注，促進了景觀生態學在流域水文生態學科的應用，開展了對流域景觀結構變化及其對流域水文過程影響的研究。事實上，隨著城市化的加速發展，我國各地出現的洪澇災害趨于頻繁化和重創化的形勢，均與流域景觀結構的變化有關，主要表現在上游林地、農田和灘地等滯洪、消能空間減少和中下游用于調蓄的湖泊面積減少等方面。

目前我國城市面臨的生態失調、生物多樣性與景觀美學特色喪失，地質災害與水澇災害等生態環境問題，反映了大規模的城市化建設缺乏科學的理念與技術方法，嚴重干擾了城市原有的景觀生態系統，特別是流域范圍內不合理開發和利用以及傳統的水利工程措施如加固堤岸、裁彎取直、修筑水壩等。

然而，城市流域的“城市化”是必然趨勢，因此，如何維持和提高城市流域的自然屬性與景觀質量價值來確保人類生存的安全與穩定，是人們期待解決和發展的長遠目標。城市河道既來源于自然，又必須回歸自然。

四、常用的流域生態水文模型及其特點

1.包頓模型

該模型在澳大利亞、新加坡等國有著廣泛的應用，它是由澳大利亞的包頓于1966年研制成功的一個以日為計算時段的流域水文模型，在干旱和半干旱地區較為適用。該流域水文模型是常用的水文模型中最簡單的一個。在模型中共設截留層、上土壤層、排水層和下土壤層4個蓄水層，用以模擬流域的蓄水、排水剖面，然后在各層分別設置一個最大可能蓄水量，用以控制模型的蒸發、下滲和徑流。該模型缺點是未設置地下水結構，徑流只有地面徑流。

2.第Ⅳ號斯坦福流域水文模型

該模型是世界上研究最早，影響力最大的流域水文模型，它是一種用數學方法模擬水文物理現象的模型。該模型的建立為以后許多模型的建立發展提供了基礎。此模型的特點是物理概念明確，模型結構嚴謹，層次鮮明。在小流域中采用集總模型方式，對大流域，采用分塊模型方式。

3.薩克拉門托模型

簡稱“SAC”模型，SAC模型類似于斯坦福模型，它是一個連續模擬模型，該模型始用于美國大利福尼亞州薩克拉門托河而得名。它是在第Ⅳ號斯坦福流域水文模型基礎上改進和發展的。1973年研制成功了日流量模擬程序，在此基礎上于1975年又進一步提出了6h時段模擬程序。

4.水箱模型

該模型由日本菅原正在20世紀60年代初提出，水箱模型又叫坦克模型，在后來的不斷發展中成為世界各國廣泛采用的流域水文模型。水箱模型是一種概念性徑流模型，把流域當作數個組合的蓄水容器，容器中的蓄水量看做流域蓄水量，并以容器中的蓄水深度為參數來計算流域的降雨、徑流關系及其匯流過程。在模型的應用中，它將復雜的降雨轉化為徑流的過程，簡單歸納為流域的蓄水與出流的關系進行模擬，因此，該模型具有一定的靈活性，適應性強，在各種大小流域以及各種氣候、地形都可以應用，只要多設置水箱就可以，此外，水箱模型操作也較簡單。

五、案例分析——MIKESHE模型

1.MIKESHE概述

MIKESHE模型最早在1982年由丹麥液壓研究所開發，基于物理的確定性的分布式模型系統。幾乎可以模擬所有的水文過程。1998，美國農業工程學會會議上提交了幾分評估材料，MIKESHE模型也憑借其廣泛的適用性和可編輯性也在此引起了整個學會的注意。

2.典型運用

MIKESHE最初是為歐洲的水資源管理和環境保護的用戶設計的。直至目前，MIKESHE已經比較廣泛的運用于高校，研究機構，咨詢公司。作為一個強大的，地下水、地表水、排水和蒸發的，可綜合運用于模型和環境的模型，MIKESHE幾乎能模擬所有水文過程，主要運用于：流域綜合水文；地表水和地下水的綜合利用；灌溉管理和和干旱治理；濕地治理和修復；河流徑流；泛濫平原管理；地下水引起的洪水；土地利用和氣候變化；養分過程和管理；地下水治理。用戶可對其中一個過程進行獨立研究，還可根據各自具體的需求調整模型。

3.MIKESHE研究進展

網格尺度：Vázquez研究發現，就河流的流量，既有的數據和模型的結構來看，600m的格網間距對于一個586km2的流域來說是最佳尺度。

自動校準：Henrik研究發現，與手動的專家校準相比，平衡的Pareto最佳方案能更好的模擬徑流，甚至地下水位。Christin，Roverta等也研究表明模型的自動校準具有相當重要性。

六、結束語

通過對流域生態水文模型研究進展的相關分析，我們可以發現，在當今條件下，其模型的應用和研究頗具水平，有關人員應該從流域水文的客觀實際出發， 利用優勢條件，對流域生態水文模型做出合理掌握與分析。

參考文獻：

[1] 尚宗波，高瓊.流域生態學—生態學研究的一個新領域[J].生態學報.2011（03）：468-471.

[2] 傅伯杰，陳利頂，馬克明.景觀生態學原理及應用[J].科學技術.2011（01）：88-89.

[3] 王紫雯，程偉平.城市水澇災害的生態機理分析和思考[J].浙江大學學報.2012（05）：84-87.