MIKE SHE在生态水文大区的适用性评价

赵著燕 ，陆 颖 ，袁 旭 ，毕晓静

（1.云南大学国际河流与生态安全研究院，云南 昆明 650091；2.云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室，云南昆明650091）

水文模型是当今水文研究的重点和热点。20世纪50—70年代，科学家首次提出“流域水文模型”的概念。至21世纪初，全世界已开发有上百个流域水文模型，其中有较大实用价值的至少有70个。水文模型分为集总式模型和分布式模型。集总式水文模型属于黑箱模型，模型中的变量和参数通常采用平均值,即将整个流域视作一个单元来处理。分布式水文模型考虑不同单元之间和流域之间的水平联系，通过水循环动力学机制描述和模拟流域水文过程，因而能更加准确描述流域水文过程。

分布式水文模型研究一般认为始于由Freeze和Harlan于1969年提出的“一个具有物理基础数值模拟的水文模型蓝图”。20世纪80年代初，由英国水文研究所（90年代末改名为“生态水文学研究中心”）、法国SOGREAH咨询公司和丹麦水力学研究所（DHI）联合研制了欧洲水文模型Systèm Hydrologique Européen（简称SHE模型[1-2]）。90年代初，丹麦水力学研究所基于SHE模型研制开发了第一代MIKE SHE模型。MIKE SHE基于质量、动量守恒的偏微分方程描述水文物理过程，是综合性的、确定性的、基于物理过程的分布式水文模型。经过不断改进，MIKE SHE模型很快地表水、地下水及两者间相互作用的水资源和环境问题得到广泛应用和普及。其中丹麦水力学研究所直接参与丹麦、瑞典、英国、澳大利亚、印度、匈牙利等多个国家的应用项目。随着数字高程模型、地理信息系统、遥感等技术的发展，MIKE SHE模型在我国许多流域得到应用。从适用性角度探讨MIKE SHE模型在中国三大水文生态大区的应用情况，旨在摸清MIKE SHE模型目前在应用现状，通过发现水文模型开发利用中存在的问题并寻求解决思路，为模型研究工作者提供参考。

1 MIKE SHE模型简介

1.1 模型结构及原理

MIKE SHE模型将流域离散划分为网格，在垂直方向上将每个网格划分为若干水平层，在水平方向上用矩形网格表示，应用数值分析的方法建立相邻网格单元之间的关系。MIKE SHE模型包含了一套完整的前、后处理工具，具有先进、灵活的水文模拟框架。模型以模块化结构建立，其包括一个其核心模块是水流运动模块MIKE SHE WM（Warer Movemwnt），MIKE SHE WM模块又包括6个子模块，分别描述6个水文物理过程：1）植物截留/蒸散发（ET）；2）坡面流（OL）和河道径流（OC）；3）不饱和带（UZ）；4）饱和带（SZ）；5）融雪（SM）；6）蓄水层与河道的水量交换（EX）。6个子模块各自独立且相互联系，用户根据实际需要选取单个模块或整合多个模块进行模拟和应用。模型采用Kristen-Jensen模型和Rutter方程/Penman-Monteith公式两种方法计算截留和蒸散发量，采用一维Saint-Venant方程和基于曼宁公式的半分布式解法模拟坡面流河道汇流，描述一维垂向不饱和土壤水流运动则采用最为广泛的Richards方程，采用线性水库法和有限差分法模拟饱和带水流运动，利用达西公式计算河道底部的水头损失，采用能量平衡法或简单度-日因子法计算雪盖变化。此外，MIKE SHE可与MIKE 11模型耦合模拟明渠流，也可连接到MOUSE污水管网模型模拟城市雨水、生活污水管网和地下水及其相互作用。MIKE SHE模拟系统中融入GIS技术，采用可视化输入、编辑、分析以及参数自动识别，局部重点计算区域剖分网格加密计算技术，并采用动态、三维计算结果表达、时间序列图等多输出方式，这些优点使得MIKE SHE模型获得长足发展。目前，已发行的2017版有许多新增功能。关于MIKE SHE模型全面详细的模拟程序、数学公式及其应用说明信息，可参照MIKE SHE模型用户手册[3]。

1.2 模型参数和输入资料

MIKE SHE作为以物理机制为基础的分布式水文模型，需要大量的输入数据。当数据不是特别充分时，可在“初始化”模型时进行简化，仍可以使用MIKE SHE模型。除地面高程、雨量站站码、气象站站码等基本数据外，MIKE SHE WM所需的输入资料还包括降雨率（截留）、气象数据（蒸散发）、边界处已知的高程和流量、坡面流平面地形和河道断面参数、河床厚度、渗透性（坡面流和河道流）、土壤剖面（土壤类型）的分布编码（不饱和带）、边界处已知流量、梯度和水头、抽水率/补给率（饱和带），气象和降雨资料（融雪）等。根据实际运用情况选择相应模块，并输入相应的参数和资料。

模型运用过程一般为构建模型，模型运行和模型验证（参数率定）。MIKE SHE模型验证常用的三种方法有：手动校准，自动校准和GLUE法。模型验证结果中，与实测值最接近的模拟值所对应的参数具有最高的可信度，离实测值越远，可信度越低。郑震，张静等[4]将MIKE SHE模型运用于北京市妫水河地表水月径流模拟，采用GLUE法探究MIKE SHE模型参数的不确定性与敏感性，结果显示研究者所选的9个重要参数中IT，PER，SP，TD的不确定性较大，KSF，KSI，C1，C2，C3不确定性较小。不同分布式水文模型在产汇流机制描述、计算单元划分、求解方法、模型功能侧重点等方面存在较大差异，这些差异使模型各具特色。MIKE SHE模型作为典型的基于物理过程的分布式水文模型，具有较强的水文模拟能力。其他分布式水文模型如SWAT模型、VIC模型等，与MIKE SHE模型具有不同的功能，其应用的侧重点也不尽相同。表1列出了几种分布式水文模型的功能和特点的比较。

表1 几种分布式水文模型的比较

2 MIKE SHE模型在中国三大生态水文大区的适用性

根据流域地理位置、生态水文系统特征、温湿状况以及人类活动对流域干扰程度，将全国生态水文分区分为3个一级区[5]（一级区也叫生态水文大区）：东部湿润、半湿润生态水文大区；西北干旱、半干旱水文大区；青藏高原高寒水文大区。3个一级区分别依次包括22个、9个和5个二级区（二级区也叫生态水文区）。不同生态水文分区之间气候、水文、下垫面等环境条件时空分异显著，其生态水文特征也千差万别。国内学者利用MIKE SHE模型对许多流域进行降水径流模拟研究，证实了该模型对于中国内陆河流域水循环研究具有可行性，但在各区域的应用效果和模拟精度存在相应差异。

2.1 东部湿润、半湿润生态水文大区

东部湿润、半湿润生态水文大区降雨丰富，中国主要大江大河均由此区入海，水文观测站点较多，水文资料容易获取，给MIKE SHE模型创造了极好的应用条件。田开迪等[6]将MIKE SHE模型用于灞河流域径流模拟，结果显示年径流量率定期和验证期模型效率系数Ens均达0.8以上，表明MIKE SHE模型对于灞河流域年径流模拟具有较好的适用性，但模型对月径流和日径流模拟效果有待进一步研究。MIKE SHE模型侧重于地下水模拟和地下水资源量评估及等多方面应用，取得理想效果。赵凤伟将MIKE SHE模型运用于位于辽河平原的浑河冲洪积扇区域，进行地下水位模拟和地下水资源量测算，精度较高。姚建等在辽宁营口鲅鱼圈地区构建MIKE SHE模型以评价该区地下水资源量，模型计算结果与辽宁省第二次水资源评价成果相差不到水资源量1%，评价结果比较精确可信。表明MIKE SHE模型在水资源评估具有良好的应用前景。在东部湿润、半湿润生态水文大区中，喀斯特流域具有更为独特的地理和水文特征，其岩石垂向和纵向裂隙发育，下垫面异质性强，水流形态复杂，汤、曹双和等[7]运用MIKE SHE模型对贵州喀斯特地貌区六硐河甲茶水电站进行洪水预报，达到《水文情报预报规范》乙级预报精度。李静、焦树林等将MIKE SHE模型应用于贵州黔南州境内六硐河流域，模拟5场典型洪水的确定性系数也都达到乙级精度。这些研究表明MIKE SHE模型在该区域的应用具有良好前景。

2.2 西北干旱、半干旱水文大区

特殊的自然地理条件、不断增加的人类活动干扰增加了西北干旱、半干旱水文大区水文过程的复杂性和不确定性，增加了水文循环机理和水文模型模拟研究难度，这也成为限制水文模拟精度提高的瓶颈。中科院新疆所黄粤等[8]将MIKE SHE模型运用于塔里木河源开都河流域水文模拟，研究者通过分析识别出隐含于模型结构、输入及参数等3个方面的8种不确定性来源，但没有对其不确定性进行研究。结果显示Nash系数达到0.7以上，相关系数大于0.9，模拟精度欠佳。姜凌峰等[9]尝试将MIKE SHE模型运用于新疆干旱区玛纳斯河流域莫索湾灌区区域水循环过程模拟，结果显示率定期和验证期模型效率系数均达到0.72以上，相关系数均达到0.9以上，表明MIKE SHE模型基本可以模拟该区地下水位变化情况。肖金强[10]将MIKE SHE模型应用于北京市密云县土门试验流域和帽石沟小流域径流模拟，研究结果与模型预测结果一致，表明MIKE SHE模型适用于该区水文模拟，能作为一种研究管理工具，为水资源管理提供依据。

MIKE SHE模型在该水文大区的诸多应用，揭示了干旱区水文气象、地理特征、人类活动等不确定性因子对径流过程的影响，对于干旱区节水灌溉发展及生态系统的稳定性具有一定意义。虽然模拟精度有待提高，但这些研究证明了模型在该区的建立和运用是可行的。

2.3 青藏高原高寒水文大区

青藏高原高寒水文大区地形条件特殊且复杂，水文观测站点稀少，测量技术和试验能力有限。观测困难导致水文资料稀缺是青藏高原高寒水文大区水文系统研究面临的挑战。王盛萍等[11]以甘肃省天水市吕二沟流域为研究区，将MIKE SHE模型与修正的土壤侵蚀模型MUSLE耦合对不同土地利用侵蚀产沙进行空间分布模拟与评价，结果显示模型效率系数高达0.98，模型模拟效果非常理想，表明MIKE SHE模型在该区侵蚀产沙空间分布模拟评价应用中具有较好可靠性。马全[12]运用MIKE SHE模型对青海省湟水河流域进行干旱预报评估，评估结果与青海省干旱灾情一致。模型能够较好模拟该流域径流过程，且对年径流量的模拟效果优于月径流量。目前，MIKE SHE模型在该区未得到广泛应用和研究，但代表了良好的发展方向。

3 结论与展望

文章总结了MIKE SHE模型在我国的最新研究进展，探讨了三大生态水文大区的适用性，并简要分析MIKE SHE模型在各区域适用性良好或否的原因，概括如下：

1）目前，MIKE SHE模型在我国东部湿润、半湿润生态水文大区的应用取得比较理想的效果，尤其是MIKESHE模型在喀斯特流域的成功运用表明了其在水文模拟运用的巨大潜力，对指导喀斯特地区水文观测和水资源管理、开发及利用具有重要意义。

2）MIKE SHE模型在西北干旱、半干旱水文大区的应用研究较为广泛，虽然模拟精度有待提高，但有力凸显出MIKE SHE模型在该区域应用的巨大开发潜力。雷达测雨和红外遥感等先进技术与MIKE SHE模型的耦合是提高模型模拟精度的发展方向。

3）由于气候和地理条件恶劣，资料稀缺，模型不确定性等原因，MIKE SHE模型在青藏高原高寒水文大区推广应用存在较大难度。针对模型不确定性问题，有学者已研究得到的模型不确定性来源和各参数的不确定性大小可作为重要参考依据，并应据此进一步寻求解决方案，完善MIKE SHE模型使其具有更加广宽泛地应用。

［1］Abbott,MB.AnintroductiontotheEuropeanHydrological System Hydrologique Europeen,"SHE",Structure of a physical-based,distruibuted modeling system.Journal of Hydrology,1986b,87：45～59.

［2］Abbott,MBBathurst,JC,Cunge,JA,et al.Introduction to the European Hydrological System-Systeme Hydrologique European,SHE,2.StructureofaPhysically-based,Distributed Modelling System［J］.Journal of Hydrology JHYDA 7,1986，87（1/2）：61-67.

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［4］郑震，张静，宫辉力.MIKE SHE水文模型参数的不确定性研究［J］.人民黄河，2015（01）L：23-26.

［5］杨爱民，唐克旺，王浩等.中国生态水文分区［J］.水利学报，2008（03）：332-338.

［6］田开迪，沈冰，贾宪.MIKE SHE模型在灞河径流模拟中的应用研究［J］.水资源与水工程学报，2016（01）：91-95.

［8］黄粤，陈曦，马勇刚.塔里木河源流山区径流模拟及不确定性研究［J］.中国沙漠，2010（05）：1234-1238.

［9］姜凌峰，薛联青，刘远洪，等.基于MIKE SHE模型的干旱区节水灌溉对地下水位的影响研究［J］.灌溉排水学报，2016（02）：59-65.

［10］肖金强.应用分布式流域水文模型MIKE SHE研究华北土石山区小流域水文响应［D］.北京林业大学，2006.

［11］王盛萍，张志强，唐寅等.MIKE SHE与MUSLE耦合模拟小流域侵蚀产沙空间分布特征［J］.农业工程学报，2010（03）：92-98+386.

［12］马全.基于MIKE SHE模型的湟水流域干旱评估预报模型研究［D］.西北农林科技大学，2014.