分布式水文模型的回顾与展望

王泽群

(兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

1 引言

水文模型是研究水文循环和各种水文过程中无法替代的工具，水文模型运用数学方法来描述水文现象，从而帮助科学家更好地理解和预测自然现象，同时协助决策者更加科学合理的管理与配置水资源。其中，分布式水文模型由于其参数具有物理意义，能为真实地描述和科学地揭示现实世界的降雨径流形成机理提供有力工具，因此成为当前水文科学的重要工具与研究热点。

2 分布式水文模型的发展历程

分布式水文模型的相关研究于20世纪70年代始，并在70年代末到80年代初达到一个研究高潮，而后在21世纪由于水资源的紧张又逐渐受到广泛关注。本文从万方、知网、维普和web of science、engineering village、elsevier SD等中英文数据库中，通过专业的检索方式统计了国内外有关分布式水文模型文献数量随年份的变化，截至时间为2017年12月31日，最终搜索到相关论文2750余篇，并统计了近20年来中外文献的数量变化，结果见图1。从图1可以看出，自2000年以来，我国有关分布式水文模型的研究迅速发展，年均文献达115篇，其中2009～2017年间年均文献数量更是接近169篇，可见其研究热度之高。以下分别介绍国外与国内分布式水文模型的发展历程。

图1 国内外分布式水文模型相关研究文献数量随时间变化过程

2.1 国外分布式水文模型的发展

一般认为，分布式水文模型的研究始于1969年，即Freeze和Harlan发表了一篇关于“一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图(FH69)”的文章[1]。但是在这之后的10多年里，由于受计算机运算能力以及流域空间数据采集的瓶颈限制，分布式水文模型并没有得到快速的发展。直到1970年以后随着计算机技术的使用，分布式水文模型才得到了迅速的发展。尤其是欧共体资助开发的分布式水文模型SHE的诞生[2]，开始了国际上有关分布式水文模型研究与开发的热潮。

Beben和Kirbby率先在1979[3]年提出了以变源产流为基础的TOPMODEL分布式水文模型，但由于在该模型中并没有考虑降水以及蒸发在不同区域的不同分布，所以从严格意义上来讲该模型属于半分布式水文模型。此后不久，欧洲的一些水文学家一起研发了另一水文模型SHE(systeme hydrologique european)模型，在SHE模型中，流域在平面上被划分成许多矩形网格，用来反映模型参数、降雨输入以及水文响应的空间分布，在垂直面上也划分为若干层来模拟土壤水运动，并且考虑了相邻网格单元之间的水量交换。随后在20世纪80年代英国水文学家Morris研究开发了另一水文模型命名为IHDM模型，该模型中的参数具有明确的物理意义，是分布式水文模型的一大进步。

从全世界来看，目前使用最广泛的是由美国农业部于1988年成功研发的SWAT分布式水文模型，并在此之后的数十年内不断将水文、气候、土壤、土地利用和植被生长等模块添加到该模型当中，使得SWAT分布式水文模型在全世界内广泛使用。

2.2 国内分布式水文模型的发展

从国内来看，自20世纪70年代开始，我国一方面积极引进国外有关的流域水文模型，另一方面也致力于研制新的流域水文模型。将TOPMODEL、SWAT、VIC、HEC-1和HMS等在国外发展较为成熟的水文模型应用在国内的有关流域，取得了较好的模拟结果[4，5]。将概念水文模型—新安江模型发展为半分布式水文模型[6]，该模型也成功地应用于不同流域的水文模拟中。黄平和赵吉国[7]建立了描述森林坡地饱和与非饱和带水流运动规律的二维分布式水文模型，并用伽辽金有限元数值方法求解模型；李兰[8]提出了基于山坡水文学原理的LL-Ⅱ模型；郭生练等[9]建立了一个基于DEM的分布式流域水文物理模型，用来模拟小流域的降雨径流时空变化过程；吴险峰等[10]提出了一种松散耦合型结构的分布式水文模型，该模型适用于人类活动较少的半湿润和半干旱地区；杨大文等[11]在黄河流域的大尺度水文模拟中运用分布式水文模型，结果证明该模型同样适用于大尺度的经流域模拟；都金康等[12]人依据我国的水文特点建立了参数较少结构简单的分布式物理模型，该模型在皎口流域和黄土岭流域都取得了很好的模拟效果；许继军[13]首先将GBHM模型使用到了长江流域的水文评价和研究中，为长江流域的水文分析评价提供了新的思路与方法；雷晓辉等[14]开发了EasyDHM模型，该模型包含了DEM建模、模型的参数自动率定及其他多项功能，为水文水资源的评价与管理提供了新的工具模型；罗鹏和宋星原[15]提出了分布式栅格SCS水文模型，该模型在欧阳海流域实测取得了良好的模拟效果。

3 分布式水文模型的应用领域

近年来，随着地理信息系统(GIS)与遥感(RS)技术的迅速发展，使得分布式水文模型成为水文学的热点课题之一，并且在以下领域得到广泛使用。

3.1 径流模拟

流域降雨径流过程是一个复杂的问题，历来备受水文学者的关注，分布式水文模型通过利用栅格化的土壤、降水、等具有空间变异性的数据来模拟地势、降水和土壤等的空间变化对径流产生的影响，从而更真实地描述径流这一水文物理过程。

3.2 土地利用与覆被变化对流域水循环的影响

土地利用与覆被变化是引起地表各种物理过程变化的主要原因之一，由于分布式水文模型所具有的分布式特点，能够方便地设定不同的土壤覆盖背景，模拟改变土地利用对流域水文过程的影响，因此分布式水文模型成为土地利用与覆被变化研究的重要工具，更好地描述流域降雨-径流过程以及土地覆被变化作用的流域径流模型，定量评估流域水量平衡中各分量的变化特征和土地覆被变化所引起作用的程度。

3.3 气候变化对流域水循环的影响

近年来，人类活动所导致的全球气候已成为当前重大的环境问题。由大气环流、蒸发和冰雪覆盖条件变化等因素所引起的气候变化导致降雨、蒸发、入渗、土壤湿度、河川径流和地下水流等一系列的变化，从而改变了全球水文循环的现状，引起了水资源在时空上的重新分配。为了研究变化环境下的水文循环，需要应用中、小尺度的分布式水文模型。

4 结语

分布式水文模型自1969年研究出来，经过几十年的发展，已经变得逐渐成熟，且出现了众多的模型与专业的模拟软件，但总的来看，还存在着一些问题：

(1) 模型的尺度问题。由于在水文循环中相关水文变量的时空分布不均匀性和水文过程的复杂性，以及遥感影像技术在实际的水文应用中还存在着获取不准确和匹配度不高，一些遥感影像不能直接用于水文研究的过程中，导致了水文尺度问题和不同尺度之间水文信息的转换成为了当下急需解决的问题之一。

(2) 模型的准确性与检验问题。由于水文模拟是一个复杂的水文过程，有些水文变量无法根据实测获得，需要通过经验数值填充，在此过程中，一个小的数值偏差可能导致模拟的结果错误或者出现很大的偏差，因此，如何降低模型的误差和参数的不确定性都是之后分布式水文模型研究的重点领域之一。

(3) 模型的开发与编程水平。随着越来越多的专业模型模拟软件的出现，对于水文学者来说，不仅需要高超的水文学知识，同时需要与模型的开发与编程相结合，开发出易于使用，具有良好的图形界面以及灵活、模块化的程序设计。这对水文学者与计算机编程人员能否协调一致的开发出分布式水文模型来说又是一个新的挑战。