水文模型应用于大尺度多流域的研究历史与展望

赵泓博

（同济大学，上海200092）

1 引言

20世纪60年代以来，全球经济和科技的迅猛发展对全球气候变化造成了很大的影响，全球出现极端天气的情况越来越多，已经对经济的高速发展造成了一定影响、对人们物质需求和生命健康造成了威胁。极端天气在全球范围内出现的频率越来越高。沿海地区河网错综复杂，年降水量富足，人类活动频繁，在这些地区极易受到台风暴雨的影响，给人们的生产生活造成极大的不便和损失。台风造成的破坏面大，所经流域多，对各类水文模型（如GSFLOW、SWAT、PRMS等）模拟结果的精度都会有一定的损失。出于精度的要求，目前国内外水文模型的研究尺度大多还是限于单个流域和小范围区域，因此，如果能在精度允许的范围内对水文模型的研究尺度扩展到大尺度多流域，具有现实意义和使用价值。

2 国内外水文模型的发展历史

水文模型的研究对象是大气中的水的循环过程。目前，流域水文模型主要应用于水文模拟、水文预报、水资源规划与管理、产沙输沙、污染物运移等领域[1]。水文模型的发展最早可以追溯到1851年Mulvaney提出的推理公式、1932年Sherman的单位线、1933年Horton的入渗方程、1948年Penman的蒸发公式等，是水文模拟技术取得重要进展的标志[2]。随着科技的进步、计算机技术的发展以及人们对大自然水文过程的不懈探索，形成了早期的一些概念性的水文模型，其主要是考虑径流形成过程的物理过程，在这类模型中，主要是依据一些物理参数和经验参数对模型进行设置和校核，边界条件比较理想化，主要是为了简化模型，导致很多实际问题没有充分考虑。

近年来，水文模型的预报精度要求越来越高，为了提高模型精度，要求模型对地域特征有更加精确的表达，因此，分布式水文模型得到了迅猛发展。目前，国内外比较主流的水文模型大概有数10种，基本原理都是通过模拟水文循环过程达到预测的目的。发展历程由最初的经验公式到理论公式的，得到了一些比较符合时代要求的水文模型，按发展顺序，可简单分为早期摸索阶段的经验模型、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，比较著名的概念性模型主要有我国的新安江模型（1973年建立，1980年发表）、日本的水箱模型（Tank）（1951年）、美国的斯坦福模型（SWM）（1966年）、萨克拉门托模型（SAC）（1971年）、欧洲的 HBV 模型（1992年）等；比较主流的分布式模型主要有美国的SWAT模型、未考虑降水、蒸发空间分布对径流影响的半分布式TOPMODEL模型、丹麦、英国及法国学者联合研制及改进的SHE模型、基于矢量高程数据的THALES模型、分布式新安江模型以及美国地质勘探局的GSFLOW模型等。这些模型都是有大量的实际应用和例证，在社会发展与进步中发挥了重要作用，一直承担着水文模拟、预报等相关任务，为有关部门预测预警提供了技术支撑和理论价值。

3 水文模型的尺度和多流域研究进展

水文模型的尺度和多流域拓展问题一直都是影响模型精确度的重要因素，对解决水文模型尺度和多流域拓展并保持精度相对符合要求的问题是水文模型应用于大尺度多流域地区的一个关键问题，而对于精度的保证，主要还是从模型原理上弥补大范围跨流域可能对精度损失的影响。集总式水文模型对地理特征参数在空间上的分布未充分考虑，从宏观尺度把流域作为一个单元；分布式水文模型是按照流域各处降水和地形、土壤、植被、土地利用等下垫面因素的不同，将流域划分为若干个水文响应单元，每一个单元用一组参数反应对应的流域特征，也即是模块化结构。目前，国外对水文尺度的分类有相对比较定量的划分，比较系统的分类大致分为超微观、微观、中微观、中观、宏观、超宏观尺度等，其中，不同尺度对应不同的时间和空间要求[3]。现在水文模型研究对象大多针对的是相对单一流域，对单一流域的水文地理特征相对一致，模型物理参数差别不大，能够在一定程度上保证模型模拟的精度要求。但是模型的模拟计算能力也得益于计算机技术的发展，从而能够处理大量的水文特征资料。

4 大尺度多流域水文模型的应用价值及展望

全球气候变化和南极冰川融化致使大范围多流域的极端天气频率增加，因此，对大尺度多流域水文模型的需求非常迫切。如能够建立一个大尺度多流域水文模型，可以迅速提前模拟极端降水，为相关部门提供参考，提前准备和预防，做好应对工作，把灾害造成的损失降到最低。

分布式水文模型是目前比较主流的水文模型，主要采用模块化分析结构，为后期发展应用于大尺度多流域的水文模型提供了思路和接口。尤其是基于数字高程模型DEM的广泛使用以及GIS、RS和GPS发展和应用，可以处理各种复杂的地理特征参数。模型采用模块结构，通过把大区域划分为若干个水文单元细化对每个区域的地理特征参数设置，对不同的区域采用不同的参数，在一定程度上对满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应用可以从模型模块化的角度进行进一步的探讨和研究，从而建立大尺度多流域的水文模型，甚至基于科技的发展建立全球水文模型。

5 结语

大尺度多流域水文模型的发展是一大趋势，关键问题还是尺度转换和多流域复杂影响的拟合过程，不仅需要技术水平的发展，还需要研究者对各种复杂环境的考虑以及思维方式的进一步开拓。对于大尺度多流域水文模型的进一步开发和应用，将得益于雷达、遥感技术以及地理信息系统等科学技术的发展，同时，这些技术条件也将为大尺度多流域水文模型的耦合提供前期资料获取的准确便捷性和满足模拟条件的复杂性。大尺度多流域水文模型在水文预报、水资源开发与利用等方面必将有更大的需求和发展。