摘要：旨在通過對國外比較流行的分布式流域水文模擬模型的介紹，對比分析各類模型的總體結(jié)構(gòu)、特點及適應(yīng)領(lǐng)域，結(jié)合在流域水資源管理中的應(yīng)用，為流域水資源管理部門及相關(guān)研究工作人員在進行流域水文模擬模型選用時提供參考。

關(guān)鍵詞：水文模擬 模型 水資源管理 流域

1 引言

20世紀(jì)以來流域水資源問題日益突出，為了提高流域整體管理水平和科技水平，“數(shù)字流域”建設(shè)正在日益興起。國際上發(fā)達的國家在“數(shù)字流域”方面的研究和應(yīng)用起步較早，并已實際工程和管理中發(fā)揮了重要的作用，收到了巨大的效益。國內(nèi)也相繼開展了“數(shù)字黃河”、“數(shù)字長江”、“數(shù)字海河”等工程的建設(shè)。模型建設(shè)尤其是流域水文模型的建設(shè)是“數(shù)字流域”建設(shè)的核心內(nèi)容和基礎(chǔ)工作。

隨著流域水文模擬建模的不斷發(fā)展，基于計算機的模擬模型已經(jīng)可以描述水循環(huán)的各個階段，如氣候和天氣、暴雨系統(tǒng)、降水、地面漫流、蒸散、暴雨地面漫流、地下水、河網(wǎng)匯流以及海灣與河口的潮汐等。早在20世紀(jì)50年代中期，伴隨系統(tǒng)理論的發(fā)展，科學(xué)家就開始把流域水文循環(huán)的各個環(huán)節(jié)作為一個整體來研究，并提出了“流域水文模型”的概念，隨即便涌現(xiàn)了SSARR模型（1958）和Stanford模型（1959）等模型，20世紀(jì)70年代至80年代中期又出現(xiàn)了新安江、Sacramento、Tank、HEC－1、SCS、API等模型。從對流域水文過程描述的離散程度看，流域水文模型可分為集總模型（Lumped model）和分布式模型（Distributed model）兩種。集總模型不考慮各部分流域特征參數(shù)在空間上的變化，把全流域作為一個整體；分布式模型則按流域各處地形、土壤、植被、土地利用和降水等的不同，將流域劃分為若干個水文模擬單元，在每一個單元上用一組參數(shù)反映該部分的流域特性。為了適應(yīng)氣候變化和人類活動影響下的流域水資源管理需求，分布式水文模型已成為流域水文模擬的重要發(fā)展趨勢，也已成為“數(shù)字流域”建設(shè)的基礎(chǔ)。

流域水文模擬從模擬的側(cè)重點上可以劃分為降雨徑流模擬、地下水模擬、流域水循環(huán)綜合模擬。目前具有代表性的可用于流域水資源管理的分布式水文模擬模型有TOPMODEL、SWAT、ModFlow、FeFlow、Mike-SHE等，本文從流域水資源管理的角度出發(fā)，分別介紹上述模型的總體結(jié)構(gòu)、特點及適用領(lǐng)域等。

2 分布式降雨徑流模擬模型

國外分布式水文模型的研究可以認(rèn)為起始于1969年Freeze和Harlan發(fā)表的“一個具有物理基礎(chǔ)數(shù)值模擬的水文響應(yīng)模型的藍圖”的文章。隨后，Hewlett和Troenale在1975年提出了森林流域的變源面積模擬模型（簡稱VSAS）。在該模型中，地下徑流被分層模擬，在坡面上的地表徑流被分塊模擬。1979年Beven和Kirbby提出了以變源產(chǎn)流為基礎(chǔ)的TopModel模型。1980年，英國的Morris進行了IHDM（Institute of Hydrology Dirstributed Model）的研究，根據(jù)流域坡面的地形特征，流域被劃分成若干部分，每一部分包含有坡面流單元，一維明渠段以及二維（在垂面上）表層流及壤中流區(qū)域。Beven等（1987年）和Calver等（1988年，1995年）對IHDM模型進行了改進。1994年，Jeff nold為美國農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究中心（ARS）開發(fā)了SWAT模型。1995年，Grayson等提出了THALES模型，它是一個基于矢量高程數(shù)據(jù)的分布式參數(shù)模型。HuaXia Yao等（1998年，1999年，2001年），提出了基于網(wǎng)格的集降雨空間輸入估計，降雨—蒸發(fā)—徑流過程模擬，河流演算和空間參數(shù)校準(zhǔn)為一體的分布式水文模型。Dawen Yang等（2000年，2002年）提出了基于山坡的和基于10 km網(wǎng)格的大尺度分布式水文模型。此外，USGS模型（Dawdy等，1970年，1978）、WATFLOOD模型（Kouwen等，1993年，2000年）、SLURP模型（Kite 1995年）和PRM模型（Leavesley ＆ Stannard 1990年）等等都屬于分布式水文模型的范疇。最具有代表性的地表分布式水文模擬模型包括TopModel模型以及SWAT模型。

2.1 TOPMODEL模型

1979年Beven和Kirbby提出了以變源產(chǎn)流為基礎(chǔ)的TopModel（TOPgraphy based hydrological MODEL）模型。TOPMODEL以地形空間變化為主要結(jié)構(gòu)，基于DEM推求地形指數(shù)（Lnα/tanβ），用地形指數(shù)ln(α/tanβ)或土壤－地形指數(shù)ln(α/T0tanβ)）來反映下墊面的空間變化對流域水文循環(huán)過程的影響，描述水流趨勢。模型基于重力排水作用徑流沿坡向運動原理，模擬徑流產(chǎn)生的變動產(chǎn)流面積概念，尤其是模擬地表或地下飽和水源面積的變動。模型基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

TOPMODEL模型結(jié)構(gòu)和概念比簡單，優(yōu)選參數(shù)少，充分利用了容易獲取的地形資料，而且與觀測的物理水文過程有密切聯(lián)系。模型已被應(yīng)用到各個研究方面，并不斷發(fā)展、改進，反映了降雨徑流模擬的最新思想。但TopModel并未考慮降水、蒸發(fā)等因素的空間分布對流域產(chǎn)匯流的影響。

此外，該模型在干旱半干旱地區(qū)水文模擬效率較低，需要用戶根據(jù)具體情況進行必要的修改。

2.2 SWAT模型

1994年，Jeff Arnold為美國農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究中心（ARS）開發(fā)了SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型。SWAT是一個具有很強物理機制的、長時段的流域水文模型，在加拿大和北美寒區(qū)具有廣泛的應(yīng)用。它能夠利用GIS和RS提供的空間信息，模擬復(fù)雜大流域中多種不同的水文物理過程，包括水、沙和化學(xué)物質(zhì)的輸移與轉(zhuǎn)化過程。模型可采用多種方法將流域離散化（一般基于柵格DEM），能夠響應(yīng)降水、蒸發(fā)等氣候因素和下墊面因素的空間變化以及人類活動對流域水文循環(huán)的影響。

SWAT可以模擬流域內(nèi)多種不同的物理過程。由于流域下墊面和氣候因素具有時空變異性，為了便于模擬，SWAT模型將流域細分為若干個子流域。目前有三種劃分的方法：自然子流域（Subbasin）、山坡（Hillslop）和網(wǎng)格（Grid）等。SWAT將每個子流域的輸入信息歸為5類：氣候、水文響應(yīng)單元HRU、池塘（或濕地）、地下水和主河道（或河段）等。在結(jié)構(gòu)上，每個子流域至少包括：1個水文響應(yīng)單元HRU、1個支流河道（用于計算子流域匯流時間）、1個主河道（或河段）。而池塘（或濕地）為可選項。水文響應(yīng)單元則是包括子流域內(nèi)具有相同植被覆蓋、土壤類型和管理條件的陸面面積的集總。HRU之間不考慮交互作用。SWAT模型的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

SWAT模擬的流域水文過程被分為兩大部分：

（1）陸面部分（即產(chǎn)流和坡面匯流部分）。它控制著每個流域內(nèi)主河道的水、沙、營養(yǎng)物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)等的輸入量；

（2）水循環(huán)的水面部分（即河道匯流部分）。它決定水、沙等物質(zhì)從河網(wǎng)向流域出口的輸移運動。

SWAT 采用現(xiàn)代Windows 界面，是一個模型和GIS 的綜合型系統(tǒng)，它模擬了水和化學(xué)物質(zhì)從地表到地下含水層再到河網(wǎng)的運動過程，可以用于幾千平方英里的流域盆地的水質(zhì)水量模擬。它適用于具有不同的土壤類型、不同的土地利用方式和管理條件下的復(fù)雜大流域。主要用來預(yù)測人類活動對水、沙、農(nóng)業(yè)、化學(xué)物質(zhì)的長期影響。不適用于模擬具體的單一洪水過程。由于SWAT模型具有較強的物理基礎(chǔ)，能夠在缺乏資料的地區(qū)建模；具有輸入數(shù)據(jù)容易獲取、計算效率高等特點。

3 分布式地下水模擬模型

常用的地下水文模擬模型包括解析模型、數(shù)值模型、水均衡模型及物理模型等。數(shù)值模擬模型以其精度高、物理意義明確，而逐漸成為地下水文模擬的重要發(fā)展趨勢。而數(shù)值模擬方法又分為有限差分法和有限單元法，其各有優(yōu)缺點。目前國際上較為流行的地下水?dāng)?shù)值模擬模型主要包括ModFlow和FeFlow，下面對其分別進行介紹和比較。

3.1 ModFlow模型

美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的McDonald和Harbaugh于80年代開發(fā)出來的ModFlow(Modular Three－dimensional Finite Difference Groundwater Flow Model)是一套專門用于孔隙介質(zhì)中三維地下水流數(shù)值模擬的模型。自ModFlow問世以來，它已經(jīng)在全美甚至在全世界范圍內(nèi)，在科研、生產(chǎn)、環(huán)境保護、城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃、水資源利用等許多行業(yè)和部門得到了廣泛的應(yīng)用，成為最為普及的地下水運動數(shù)值模擬的計算軟件。

ModFlow主要采用三維有限差分方法進行模擬。其基本原理是：在不考慮水的密度變化的條件下，孔隙介質(zhì)中地下水在三維空間的流動可以用下面的偏微分方程來表示：

其中：

Kxx，Kyy 和Kzz為滲透系數(shù)在x，y和z方向上的分量。在這里，我們假定滲透系數(shù)的主軸方向與坐標(biāo)軸的方向一致，量綱為(LT－1);

h:水頭(L)；

W：單位體積流量(T－1)，用以代表流進匯或來自源的水量；

Sx:孔隙介質(zhì)的貯水率(L－1);

t:時間(T)。

三維有限差分模擬地下水流示意圖如圖3所示。

ModFlow不僅可以用于模擬孔隙介質(zhì)地下水的運動，而且可以用來解決裂隙介質(zhì)中的地下水流動問題。經(jīng)過合理的概化，ModFlow還可以用來解決空氣在土壤中的流動(Guo，1995)。將ModFlow與溶質(zhì)運移模擬的軟件結(jié)合起來，還可以用來模擬諸如海水入侵等地下水密度為變量的問題(Guo和Benett，1997)。

ModFlow程序結(jié)構(gòu)合理，易于理解，便于操作，是一種較為權(quán)威的地下水流數(shù)值模擬軟件，具有廣泛的使用價值。ModFlow之所以得到如此廣泛的推廣應(yīng)用，是因為它代表了未來地下水流數(shù)值模型發(fā)展的大趨勢，有很強的實用性，具體包括程序設(shè)計結(jié)構(gòu)的模塊化，離散方法的簡單化和求解方法的多樣化等等。

但ModFlow由于采用矩形網(wǎng)格進行剖分，因而對于處理復(fù)雜地質(zhì)體中的地下水三維滲流場模擬方面存在著不足，沒有有限元三角剖分靈活多變。

3.2 Feflow模型

Feflow是由德國Wasy水資源規(guī)劃系統(tǒng)研究所研制開發(fā)的地下水模型軟件包。它采用有限元法進行復(fù)雜二維和三維穩(wěn)定/非穩(wěn)定水流和污染物運移模擬。Feflow的有限元方法允許用戶快速構(gòu)建模型來精確地進行復(fù)雜三維地質(zhì)體的地下水流及運移分析，在這方面其功能要強于ModFlow。

Feflow可以實現(xiàn)飽和或非飽和條件下（2D ＆ 3D）完全非穩(wěn)定、半穩(wěn)定和穩(wěn)定狀態(tài)下地下水流和溶質(zhì)運移；顆粒跟蹤和流線模擬；化學(xué)物質(zhì)運移（如線性/非線性吸附，擴散等）；流體和固體中的熱量運移；密度流動模擬（如海水入侵等）。

4 流域水循環(huán)綜合模擬模型

隨著計算機技術(shù)、系統(tǒng)科學(xué)和大量水文模型方法研究的進展，使得進行整個流域整體水循環(huán)模擬成為可能。流域內(nèi)水循環(huán)過程從大氣降水開始、到坡面流，隨后在不飽和土壤帶內(nèi)運動，繼續(xù)匯流進入下游河網(wǎng)，同時部分下滲進入地下飽和帶參與地下水滲流運動。其中土壤水非飽和帶運動和地表地下水轉(zhuǎn)化量的模擬預(yù)測一直是流域整體水循環(huán)模擬中的棘手問題，其處理方式的好壞直接影響整個水循環(huán)模型的合理性和精度。下面以歐洲的SHE模型為例介紹整體水循環(huán)模擬模型在流域水資源管理中的應(yīng)用。

丹麥、法國及英國的水文學(xué)者（Beven等，1980年；Abbott等，1986年；Bathurst等，1995年；Refsgarrd and Storm，1995年；Chapters等等）聯(lián)合研制及改進的SHE模型（System Hydrologic European）是一個典型的整體分布式水循環(huán)模擬模型。在SHE模型中，流域在平面上被劃分成許多矩形網(wǎng)格，這樣便于處理模型參數(shù)、降雨輸入以及水文響應(yīng)的空間分布性；在垂直面上，則劃分成幾個水平層，以便處理不同層次的土壤水運動問題。SHE模型為研究人類活動對于流域的產(chǎn)流、產(chǎn)沙及水質(zhì)等影響問題提供了理想化的工具。

MikeSHE (An integrated hydrological modelling system)系統(tǒng)則是由丹麥水工試驗所(Danish Hydraulic Institute)開發(fā)的流域整體水循環(huán)模擬軟件系統(tǒng)，其模型總體結(jié)構(gòu)如圖4所示：

MikeSHE模型主要由以下核心模塊構(gòu)成：

（1）蒸發(fā)散模擬(ET)模塊

目前采用Rutter模型 /PenmanMonteith 方程、KristensenJensen模型兩種方法求解截留量及蒸發(fā)散量。

（2）非飽和帶水分模擬(UZ)模塊

系統(tǒng)提供Richard方程和重力流模擬兩種方法進行非飽和帶水分的模擬。

（3）飽和地下水流動模擬(SZ)模塊

系統(tǒng)提供改進GuassSeidel法和Preconditioned conjugated gradients(PCG)法兩種思路進行地下水流動的模擬。

（4）坡面流與河道流模擬(OC)模塊

坡面流與河道流采用SaintVenant方程進行求解

MikeSHE模型的缺點是對資料完備性和詳細度要求較高，不適用于資料基礎(chǔ)較差的流域整體水循環(huán)模擬分析。

此外，輔助進行整體水循環(huán)模擬的軟件系統(tǒng)還有美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的模塊建模系統(tǒng)（MMS）。MMS通過子程序級別的集成實現(xiàn)了流域過程緊密耦合的需求。從根本上而言，MMS是一套相互匹配的子程序，它們可以被一起編譯，以表征一個特定流域。這些子程序被稱為模塊，分別描述降雨、蒸騰、地表漫流、地下水、日射、蒸發(fā)、融雪、河川徑流和森林生長。為了輕松地把模塊組裝起來描述感興趣的流域，MMS提供圖形用戶界面允許非程序員確認(rèn)重要過程以及它們相互之間的交互方式，例如，天氣模塊產(chǎn)生降雨，降雨又與地表漫流模塊有關(guān)，后者模擬出的水流進入河川，再流向水庫和其它河流等等。其各模塊間的集成是通過對數(shù)據(jù)定義和數(shù)據(jù)交換格式的嚴(yán)格控制來實現(xiàn)的。MMS建模系統(tǒng)在美國流域水文模擬中應(yīng)用較為廣泛。

5 結(jié)束語

綜上可見，供流域水資源管理使用的水文模型非常之多。如何選擇真正適合自己流域特點的流域水文模型，應(yīng)重點考慮以下一些關(guān)鍵問題：

（1）使用模型的目的是輔助決策。大多數(shù)水文模型都有研究問題的側(cè)重點，需要考慮模型輸出的信息是否滿足決策要求。

（2）模型的適用區(qū)。任何模型都有一定的假設(shè)和概化，因而有各自的適用范圍，應(yīng)充分了解模型的結(jié)構(gòu)特點，確定其適應(yīng)性。

（3）模型的當(dāng)前狀態(tài)。需要確認(rèn)模型是試驗性的、公共軟件、還是完全商業(yè)化的？哪些區(qū)域已經(jīng)成功地使用了它？模型最新的版本發(fā)布于什么時候？修改漏洞和擴展模型功能時需要作些什么？通常，更有用的模型都處于不斷的完善之中并且有一個用戶群，而且也能提供用戶支持。

（4）模型的數(shù)據(jù)需求。流域水文模型各種各樣，各模型都有其不同的原始數(shù)據(jù)需求。我們不可能奢求任何一種信息采集方案可以完全滿足流域水文模型的數(shù)據(jù)需求，而不顧現(xiàn)有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和落后的信息采集設(shè)施就盲目進行流域水文模型的開發(fā)同樣是不理智的。流域數(shù)據(jù)的收集與流域水文模擬模型的研究和開發(fā)應(yīng)該相互協(xié)作，同步進行。

（5）模型對不同數(shù)據(jù)源獲取信息的能力。大多數(shù)流域水文模型軟件具有數(shù)據(jù)輸入能力，以盡量減少數(shù)據(jù)輸入的工作量。對于空間數(shù)據(jù)輸入，確定該系統(tǒng)具有格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換、插值和預(yù)測功能。有無電子表格數(shù)據(jù)格式輸入功能等等？

（6）模型對用戶的要求。用戶必須有什么樣的專業(yè)知識和技能才能成功運用模型？用戶群有這些技能嗎？用戶需要運行一段系統(tǒng)才能掌握運轉(zhuǎn)它的必要技能嗎？通過檢視模型的用戶界面通常能夠得到這些問題的答案，用戶界面越完善，學(xué)習(xí)曲線越短；在線幫助越好，所需專門技能就越少。

（7）采用該模型軟件的開銷及可獲得的技術(shù)支持狀況。應(yīng)該確定最初的開銷，以及維護、培訓(xùn)、和支持的開銷。安裝系統(tǒng)、準(zhǔn)備輸入、學(xué)習(xí)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)將花多長時間？在線材料、文本、文章、和源代碼文檔可供使用嗎？是否有技術(shù)支持和培訓(xùn)？開支多大？

科學(xué)合理地選擇流域水文模型是“數(shù)字流域”建設(shè)的重要內(nèi)容，對于提高輔助決策能力和科技水平至關(guān)重要。只有流域管理者統(tǒng)籌兼顧、全面考慮、綜合比較，才能選擇出真正適合于自己流域的水文模型，才能使水文模型為提高流域管理現(xiàn)代化水平發(fā)揮作用。