分布式水文模型在流域水資源開(kāi)發(fā)利用中的應(yīng)用探究

婁利華

【摘要】縱觀我國(guó)水資源開(kāi)發(fā)利用和管理研究的基本狀況，目前的水資源管理是基于一定水文規(guī)律的現(xiàn)狀水資源的調(diào)控與開(kāi)發(fā)利用的。在自然和人類(lèi)活動(dòng)的雙重作用下，水資源循環(huán)規(guī)律發(fā)生了改變，具有物理基礎(chǔ)的分布式水文模型將為研究宏觀尺度上變化環(huán)境下水文循環(huán)規(guī)律和開(kāi)發(fā)利用流域水資源提供科學(xué)有力的工具，開(kāi)發(fā)具有物理基礎(chǔ)的分布式水文模型將為我國(guó)水資源開(kāi)發(fā)利用和管理提供技術(shù)支撐和保障。

【關(guān)鍵詞】分布式水文模型；水資源；水文循環(huán)

1、國(guó)內(nèi)外分布式水文模型的研究現(xiàn)狀及意義

1. 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

具有物理基礎(chǔ)的分布式模型的研究與開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了幾十年的時(shí)間。早期的分布式模型沒(méi)有考慮全部的水文循環(huán)，而僅考慮流域內(nèi)水的流動(dòng)和運(yùn)移的特定階段。隨著基礎(chǔ)研究的開(kāi)展及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了兩個(gè)最著名的分布式流域模型，即SHE 模型和IHDM。由于其對(duì)資料要求較高，這兩個(gè)模型的建立和應(yīng)用主要限于小尺度的流域。

近年來(lái)，分布式模型研發(fā)的重要性也為眾多國(guó)內(nèi)學(xué)者所重視，由于國(guó)內(nèi)分布式水文模型的研究起步相對(duì)較晚，更多的研究多集中于引進(jìn)、改良國(guó)外的分布式水文模型。一方面，這些分布式水文模型的開(kāi)發(fā)多基于不同的目標(biāo) ；另一方面，由于中國(guó)的實(shí)際條件與國(guó)外大不相同，如流域資料缺乏、氣候及環(huán)境要素的不同等均造成了應(yīng)用的效率降低。

1. 2 研究意義

近些年中國(guó)在水文水資源高效管理研究方面取得了眾多的成果，為解決水資源配置中存在的諸多問(wèn)題，然而我國(guó)水資源配置研究的重點(diǎn)主要集中在建立符合現(xiàn)代流域水循環(huán)過(guò)程的“天然 - 人工”二元認(rèn)知模式，建立以水循環(huán)為基礎(chǔ)的水資源合理配置模式、建立具有統(tǒng)一基礎(chǔ)的水資源配置準(zhǔn)則和建立水資源配置合理性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和體系等。根據(jù)水資源供需平衡及一定的用水目標(biāo)，一些科學(xué)家從水資源優(yōu)化配置的角度建立了水資源優(yōu)化配置管理模型。值得注意的是，這些模型的建立并沒(méi)有考慮流域水文循環(huán)的物理過(guò)程，而從水資源供需、水資源最優(yōu)化配置出發(fā)建立模型并應(yīng)用于區(qū)域水資源的管理中。

我國(guó)的流域水資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在諸多問(wèn)題，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水文循環(huán)的影響越來(lái)越嚴(yán)重，這在北方半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)尤為突出。流域水文循環(huán)越來(lái)越受自然和人類(lèi)的雙重作用，水循環(huán)存在的介質(zhì)及形式、水循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力都發(fā)生了變化，這導(dǎo)致了水文循環(huán)規(guī)律的變化。作為水文基本理論的水文循環(huán)研究，其正在宏觀和微觀尺度上不斷擴(kuò)展和深化。

水文循環(huán)是水資源開(kāi)發(fā)利用的科學(xué)基礎(chǔ)，而分布式模型的建立正是基于降水、地表水、土壤水、地下水及其相互關(guān)系的物理規(guī)律的基礎(chǔ)之上的，分布式水文模型的理論基礎(chǔ)使其具有很好的應(yīng)用擴(kuò)展性。研究建立有物理基礎(chǔ)的、分布參數(shù)的流域尺度的、反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水文循環(huán)過(guò)程影響的水文模型，將提高水資源開(kāi)發(fā)利用和管理的水平，為水資源長(zhǎng)期穩(wěn)定的開(kāi)發(fā)利用提供保障。

2、分布式水文模型在流域水資源開(kāi)發(fā)利用中的應(yīng)用總結(jié)與討論

我國(guó)目前的分布式模型研究與國(guó)外的研究水平相比，仍處于起步階段，將分布式模型應(yīng)用于水資源開(kāi)發(fā)利用亦停留在研究階段。分布式水文模型的研制仍需要解決以下問(wèn)題：

針對(duì)不同水文特性的流域，采用包含該流域主要水文過(guò)程的模塊組成分布式水文模型。不同流域間其水文特性變化顯著，如山地與平原流域，前者接近天然水循環(huán)過(guò)程，后者則往往受人類(lèi)活動(dòng)影響強(qiáng)烈。

有物理基礎(chǔ)的分布式水文模型為反映不同狀態(tài)的水分在不同介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性和變異性，流域在水平和垂直方向上被剖分為眾多子單元。在水平方向上，按照地形和實(shí)際河網(wǎng)資料，流域被劃分為具有匯流次序編碼的網(wǎng)格系統(tǒng)，此系統(tǒng)中的網(wǎng)格又被分別定義為坡地和河道單元。在垂直方向上，根據(jù)土壤組成及巖性變化，流域地下水流系統(tǒng)被劃分為具備多層結(jié)構(gòu)的柱狀單元系統(tǒng)。從模擬的精度講，單元剖分的越細(xì)致，模擬精度應(yīng)該越高。但考慮到計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度，以及資料的時(shí)空分辨率，這種單元剖分是不恰當(dāng)?shù)?。研究表明，模型?yīng)用的理想狀態(tài)是達(dá)到水文模型的尺度、資料的尺度應(yīng)該與實(shí)際水文過(guò)程的尺度一致。顯然，這種理想狀態(tài)并不容易達(dá)到，因此在模型中，單元剖分的尺度需要根據(jù)資料狀況及實(shí)際的水文過(guò)程率定得出。

流域是自然水分循環(huán)相對(duì)閉合的區(qū)域，然而由于人類(lèi)對(duì)水資源的不合理開(kāi)發(fā)利用，流域自然水分循環(huán)人工化。因此建立有物理基礎(chǔ)的、分布參數(shù)的流域尺度的水文模型所模擬的水文過(guò)程不僅要包括地表水、土壤水、地下水以及界面的水分交換等自然水文過(guò)程，還應(yīng)考慮水庫(kù)大壩等水利工程、開(kāi)采地下水及其他流域水土開(kāi)發(fā)措施等人類(lèi)活動(dòng)的水文效應(yīng)。

分布式模型采用動(dòng)力方程對(duì)水流過(guò)程進(jìn)行確定性描述，原則上，模型參數(shù)值是由野外量測(cè)到的而不是經(jīng)驗(yàn)性的或通過(guò)率定求得的。顯然，這使得具有物理基礎(chǔ)的分布式模型非常適合進(jìn)行無(wú)資料地區(qū)的水文計(jì)算。但是由于存在模型、資料及實(shí)際水文過(guò)程的尺度轉(zhuǎn)化問(wèn)題，且所采用的動(dòng)力方程是基于點(diǎn)尺度建立的，因此量測(cè)得到的稀疏離散點(diǎn)的參數(shù)值往往不足以反應(yīng)流域面上的水流變化過(guò)程。從這個(gè)角度出發(fā)，基于比集總、概念型模型少的實(shí)測(cè)資料對(duì)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定是必要的。

將雷達(dá)估測(cè)降雨、遙感等高技術(shù)手段引入水資源開(kāi)發(fā)中 ，將推動(dòng)有物理基礎(chǔ)的分布式水文模型的廣泛應(yīng)用。一方面，通過(guò)遙感可以獲取模型需要的高時(shí)空分辨率的參數(shù)信息，使得模型能夠正確反映流域水流狀況，這也促進(jìn)了分布式模型在無(wú)資料地區(qū)的應(yīng)用。另一方面，通過(guò)遙感可以獲取流域下墊面及其隨時(shí)間變化的信息，便于在模型中評(píng)價(jià)由于人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域改造的水文效應(yīng)。

近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)出了適用于不同地區(qū)特點(diǎn)的分布式水文模型，根據(jù)不同的特點(diǎn)，如開(kāi)發(fā)技術(shù)的限制、獲取資料的難易程度以及研究問(wèn)題的重點(diǎn)不同，這些模型都有欠缺的地方。在今后的模型研究中，應(yīng)在模型結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、模型尺度的確定以及模型參數(shù)的提取上進(jìn)行深入探討。具體問(wèn)題實(shí)際分析，開(kāi)發(fā)符合我國(guó)實(shí)際情況的自主產(chǎn)權(quán)的物理基礎(chǔ)的分布式水文模型，為我國(guó)水資源開(kāi)發(fā)利用和管理提供技術(shù)支撐和保障。

參考文獻(xiàn)：

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