分布式水文模型在流域水资源开发利用中的应用探究

娄利华

【摘要】纵观我国水资源开发利用和管理研究的基本状况，目前的水资源管理是基于一定水文规律的现状水资源的调控与开发利用的。在自然和人类活动的双重作用下，水资源循环规律发生了改变，具有物理基础的分布式水文模型将为研究宏观尺度上变化环境下水文循环规律和开发利用流域水资源提供科学有力的工具，开发具有物理基础的分布式水文模型将为我国水资源开发利用和管理提供技术支撑和保障。

【关键词】分布式水文模型；水资源；水文循环

1、国内外分布式水文模型的研究现状及意义

1. 1 国内外研究现状

具有物理基础的分布式模型的研究与开发经历了几十年的时间。早期的分布式模型没有考虑全部的水文循环，而仅考虑流域内水的流动和运移的特定阶段。随着基础研究的开展及计算机技术的快速发展，出现了两个最著名的分布式流域模型，即SHE 模型和IHDM。由于其对资料要求较高，这两个模型的建立和应用主要限于小尺度的流域。

近年来，分布式模型研发的重要性也为众多国内学者所重视，由于国内分布式水文模型的研究起步相对较晚，更多的研究多集中于引进、改良国外的分布式水文模型。一方面，这些分布式水文模型的开发多基于不同的目标 ；另一方面，由于中国的实际条件与国外大不相同，如流域资料缺乏、气候及环境要素的不同等均造成了应用的效率降低。

1. 2 研究意义

近些年中国在水文水资源高效管理研究方面取得了众多的成果，为解决水资源配置中存在的诸多问题，然而我国水资源配置研究的重点主要集中在建立符合现代流域水循环过程的“天然 - 人工”二元认知模式，建立以水循环为基础的水资源合理配置模式、建立具有统一基础的水资源配置准则和建立水资源配置合理性评价标准和体系等。根据水资源供需平衡及一定的用水目标，一些科学家从水资源优化配置的角度建立了水资源优化配置管理模型。值得注意的是，这些模型的建立并没有考虑流域水文循环的物理过程，而从水资源供需、水资源最优化配置出发建立模型并应用于区域水资源的管理中。

我国的流域水资源开发过程中存在诸多问题，人类活动对水文循环的影响越来越严重，这在北方半干旱半湿润地区尤为突出。流域水文循环越来越受自然和人类的双重作用，水循环存在的介质及形式、水循环的驱动力都发生了变化，这导致了水文循环规律的变化。作为水文基本理论的水文循环研究，其正在宏观和微观尺度上不断扩展和深化。

水文循环是水资源开发利用的科学基础，而分布式模型的建立正是基于降水、地表水、土壤水、地下水及其相互关系的物理规律的基础之上的，分布式水文模型的理论基础使其具有很好的应用扩展性。研究建立有物理基础的、分布参数的流域尺度的、反映人类活动对水文循环过程影响的水文模型，将提高水资源开发利用和管理的水平，为水资源长期稳定的开发利用提供保障。

2、分布式水文模型在流域水资源开发利用中的应用总结与讨论

我国目前的分布式模型研究与国外的研究水平相比，仍处于起步阶段，将分布式模型应用于水资源开发利用亦停留在研究阶段。分布式水文模型的研制仍需要解决以下问题：

针对不同水文特性的流域，采用包含该流域主要水文过程的模块组成分布式水文模型。不同流域间其水文特性变化显著，如山地与平原流域，前者接近天然水循环过程，后者则往往受人类活动影响强烈。

有物理基础的分布式水文模型为反映不同状态的水分在不同介质的运动的连续性和变异性，流域在水平和垂直方向上被剖分为众多子单元。在水平方向上，按照地形和实际河网资料，流域被划分为具有汇流次序编码的网格系统，此系统中的网格又被分别定义为坡地和河道单元。在垂直方向上，根据土壤组成及岩性变化，流域地下水流系统被划分为具备多层结构的柱状单元系统。从模拟的精度讲，单元剖分的越细致，模拟精度应该越高。但考虑到计算机运行速度，以及资料的时空分辨率，这种单元剖分是不恰当的。研究表明，模型应用的理想状态是达到水文模型的尺度、资料的尺度应该与实际水文过程的尺度一致。显然，这种理想状态并不容易达到，因此在模型中，单元剖分的尺度需要根据资料状况及实际的水文过程率定得出。

流域是自然水分循环相对闭合的区域，然而由于人类对水资源的不合理开发利用，流域自然水分循环人工化。因此建立有物理基础的、分布参数的流域尺度的水文模型所模拟的水文过程不仅要包括地表水、土壤水、地下水以及界面的水分交换等自然水文过程，还应考虑水库大坝等水利工程、开采地下水及其他流域水土开发措施等人类活动的水文效应。

分布式模型采用动力方程对水流过程进行确定性描述，原则上，模型参数值是由野外量测到的而不是经验性的或通过率定求得的。显然，这使得具有物理基础的分布式模型非常适合进行无资料地区的水文计算。但是由于存在模型、资料及实际水文过程的尺度转化问题，且所采用的动力方程是基于点尺度建立的，因此量测得到的稀疏离散点的参数值往往不足以反应流域面上的水流变化过程。从这个角度出发，基于比集总、概念型模型少的实测资料对参数进行标定是必要的。

将雷达估测降雨、遥感等高技术手段引入水资源开发中 ，将推动有物理基础的分布式水文模型的广泛应用。一方面，通过遥感可以获取模型需要的高时空分辨率的参数信息，使得模型能够正确反映流域水流状况，这也促进了分布式模型在无资料地区的应用。另一方面，通过遥感可以获取流域下垫面及其随时间变化的信息，便于在模型中评价由于人类活动对流域改造的水文效应。

近几十年來，国内外开发出了适用于不同地区特点的分布式水文模型，根据不同的特点，如开发技术的限制、获取资料的难易程度以及研究问题的重点不同，这些模型都有欠缺的地方。在今后的模型研究中，应在模型结构的构建、模型尺度的确定以及模型参数的提取上进行深入探讨。具体问题实际分析，开发符合我国实际情况的自主产权的物理基础的分布式水文模型，为我国水资源开发利用和管理提供技术支撑和保障。

参考文献：

[1] 刘昌明，夏军，郭生练，等.黄河流域分布式水文模型初步研究与进展 [J ]. 水科学进展，2004，15（4）：495 - 500.