分布式水文模型研究与应用进展

　　摘要：分布式水文模型是探索和认识复杂水文循环过程和机理的有效手段，也是解决许多水文实际问题的有效工具。本文从当前水文水资源科学研究的热点问题出发，系统总结了分布式水文模型在解决水文学面临的重要问题中研究与应用的现状、进展与不足，讨论了建模中存在的难点问题和关键技术，并探讨了分布式水文模型的发展趋势。

　　关键词：水循环；水资源；分布式水文模型；进展

　　中图分类号：P332 文献标识码：A 文章编号：0559-9350（2010）09-1009-09

　　1 研究背景

　　水文学的发展历史表明，社会需求是水文学发展的根本动力，并决定了其发展方向和进程［1-2］。近二、三十年来，在人口膨胀、水资源短缺、环境污染和气候变化等研究需求的推动下，水文研究领域不断拓展并趋于综合，全球水文学、生态水文学和环境水文学等研究领域的兴起和不断深入给分布式水文模型研究、开发和应用带来了巨大的机遇和挑战［1，3］。

　　水文模型种类繁多，通常所说的水文模型和分布式水文模型分别指的是水文数学模型和分布式流域水文模型［4-7］，分布式流域水文模型最显著的特点是与DEM结合，以偏微分方程控制基于物理过程的水文循环时空变化，分布式的过程描述和结果输出［4］。分布式水文模型能够考虑水文参数和过程的空间异质性，将流域离散成很多较小单元，水分在离散单元之间运动和交换，这种假设与自然界中下垫面的复杂性和降水时空分布不均匀性导致的流域产汇流高度非线性的特征是相符的，因而所揭示的水文循环物理过程更接近客观世界，更能真实地模拟水文循环过程，是水文模型发展的必然趋势［1，3，5-6］。

　　20世纪90年代前后，在水资源可持续利用、非点源污染、全球变化对水文循环影响等研究需求的推动下，作为探索与发现复杂水文现象机理与规律有效途径之一的分布式流域水文模型受到了极大的关注，在建模思想、理论和技术等方面有了长足的发展［8］，涌现了一批分布式水文模型，如TOPMODEL（TOPgraphy based hydrological MODEL）、SHE、DHSVM（Distributed Hydrology Soil Vegetation Model）、VIC（Variable Infiltration Capacity）、SWAT（Soil and Water Assessment Tool）、HMS（Hydrologic Model System）、SVAT（Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer model）等，并在实际问题中得到了广泛应用。而近10多年来，由于全球水文学和生态水文学的兴起，分布式水文模型模拟过程中学科交融、不同尺度上建模的要求越来越高，而且遥感数据和GIS技术在分布式水文模型建模的应用中更加广泛，多学科之间的交融和水文相关过程的联合模拟研究不断深入，分布式水文模型已经成为研究气候变化的水文响应、非点源污染模拟、水资源综合管理、土地利用/覆被变化的水文响应等重大科学问题不可或缺的工具［2-3］。此外，近年来国内外开展的一些重大研究课题，如国际水文计划（IHP），缺资料地区水文预报（PUB），生物圈层中的水文循环研究（BAHC），全球能量与水循环计划（GEWEX），以及我国的国家自然科学基金、“973”项目等，也都积极鼓励和支持与分布式水文模型有关的研究工作［5，9］。

　　本文从当前水文水资源研究的热点问题出发，系统总结了分布式水文模型在解决水文学面临的重大问题中存在的优势与不足，以及在建模中存在的难点问题和关键技术，并探讨了分布式水文模型的发展趋势。

　　2 分布式水文模型应用现状及其建模需求

　　2.1 气候变化研究与分布式水文模型

　　水文循环作为气候系统的重要组成部分，全球正经历的以变暖为主要特征的气候变化必然会导致水资源量的时空分布改变，为了给未来水资源规划设计、开发利用和运行管理提供科学依据，气候变化对流域水文与水资源的影响成为当前水文学研究的重大问题之一［10］。

　　气候变化对水文水资源影响的研究基本上遵从“未来气候情景设计-水文模型-影响评估”的模式［10-11］，未来气候情景设计和水文模型的建立是研究气候变化对水文水资源影响的关键问题。当前，广泛使用的是将大气环流模型（General Circulation Models，GCMs）与陆面流域水文模型进行耦合研究［11］，即陆气耦合。国内外用于气候影响评价的分布式水文模型不仅有传统的降雨径流模型，如SWAT、DHSVM等，而且还有专门开发的月水量平衡模型、陆面过程模型等，如VIC、TOPX、AVIM（Atmosphere Vegetation Interaction Model）等。GCM隐含着更多确定性气候变化信息，而分布式水文模型因有其能够反映下垫面的不均匀性的优点，因而陆气耦合的模式被认为是最有效和最有潜力的方法。

　　近年来，国内外用陆气耦合方式开展了大量的气候变化对水文循环影响的评估研究，并取得了许多重大的成果和进展，但是也还有很多问题值得研究，主要问题有：（1）陆面水文过程与气候模型之间双向耦合的问题。由于缺乏对大尺度水文物理过程和大气系统内部变化的深刻认识，长期以来陆地水文循环和气候系统被看作为彼此独立的、静态的过程，水文模型由未来情景的气温、降水、风速等气象因素单向驱动，大气模式中仅设置若干参数代替水文过程变化和空间分布，强调网格单元垂向水分输移，不考虑水流的侧向运动。然而，气候变化必将引起流域生态水文的改变，这种改变也将影响区域的水热平衡，如何模拟或表达流域对变化环境的响应是分布式水文模型亟待解决的问题。（2）尺度匹配问题。分布式水文模型不仅面临着自身时空尺度问题的挑战，而且还要处理与GCMs尺度的衔接问题。GCMs模拟的网格尺度一般不能很好反映区域尺度范围上水文气象要素的空间不均匀性，必须进行降尺度处理，而对于不同的分布式水文模型来说，在不同尺度下模拟能力也有区别，如何减小陆气耦合模式下两者尺度导致的模拟误差也是分布式模型需要考虑的问题。（3）不确定性问题。虽然GCMs情景包含了更多的未来气候变化信息，但是基于假定的大气环流模式建立的GCMs情景自身就有着很大的不确定性。在气候变化水文影响评价中，对于分布式水文模型来说不仅要克服数据、模型结构和参数率定的不确定性问题，而且还要减小模拟流域生态水文对变化环境响应的不确定性。（4）大尺度分布式水文模型研究。陆气耦合中的水文模型有结构简单、概念明确、移植性强和模拟效率高等特点，并能够适应于模拟大尺度水文过程以及陆面过程对气候系统的反馈等，而这类模型研究不足，需要加强大尺度水文过程规律、参数化、水文过程与气候系统的耦合、模型可移植性以及大尺度分布式水文模型运算效率相关的结构及控制问题。

　　2.2 土地利用/覆被变化水文响应与分布式水文模型

　　水文循环作为联结地球上各圈层的重要纽带，土地利用/覆被变化（Land-Use/Cover Change，LUCC）对不同时间和空间尺度的水文循环都会产生一定的影响［12］。土地覆被变化直接引起近地表的蒸散发、截留、填洼、下渗等因素的改变而导致产汇流的变化，如：产流过程中截留、下渗和土壤蓄水能力的变化；汇流过程中地表糙率、地表蓄水量、河道汇水路径等因素及其反馈作用等。此外，LUCC对产汇流的改变也将引起流域水量、产输沙、水质、洪水过程等发生改变。

　　目前，LUCC及其影响研究是IGBP研究的核心科学问题之一，研究LUCC对水文循环的影响，对于揭示区域及全球尺度水文循环规律、相互影响机理、生态安全格局等有十分重要的意义［10，12］，也是水文学研究的重要问题，建立能够灵活模拟变化条件下的LUCC水文影响评估模型是一项重要研究任务。LUCC对水文影响评价可以通过实验流域、流域水文模拟等不同方式，由于实验流域研究方法需要详细的长系列观测资料且成本很高，采取流域水文模型模拟的方式有着物理基础明确、易于控制等优点而被广泛采用，特别是与GIS 和遥感结合的分布式水文模型。最早尝试用水文模型来评估LUCC水文影响的是Onstad & Jamieson在1970年开展的，到目前为止，有许多水文模型都曾用于影响评估研究，包括集总式模型，如HSPF、HBV、SCS、L-THIA（Long-Term Hydrologic Impacts Assessment of land use changes）等；半分布式/分布式水文模型，如PRMS（Precipitation Runoff Modeling System）、TOPMODEL、LISFLOOD、SHETRAN和CLASSIC等。

　　分布式水文模型分布式的参数和输出结果更容易与遥感和GIS结合，能够灵活地设置土地利用变化情景，模拟不同土地利用变化情景下的水文响应，因此，分布式水文模型则成为研究LUCC水文响应的重要工具。如何更好地开展LUCC变化条件下的分布式水文模拟不是模型结构合理就能够解决的问题，需要从水文循环理论上提高模型模拟流域对土地利用/覆被变化响应的能力。LUCC研究中，首先要求分布式水文模型能够与GIS技术和遥感数据紧密结合，这样能够很好地从遥感数据获取和分析LUCC数据，并且能够表达土地利用的时空差异特征及其对水文过程的影响；其次是能够模拟土地覆被变化条件下的水文过程变化，模型参数能够反映土地覆被变化的时空变化特征。

　　2.3 缺资料地区水文预报与分布式水文模型

　　目前，许多国家和地区的流域水文站网分布密度及其观测数据不足，一些基础性的数据由于各种自然因素或人为因素的限制而无法获得；而在人类活动强度较大的地区，基于历史积累资料的模拟和预测不能够反映人类活动的影响，不能够为水资源管理和预测提供科学依据而形成了新的缺资料地区，给水资源的科学管理带来很大的困难。面对这样的困境，国际水文科学协会（IAHS）在21世纪启动的第一个研究计划（2003—2012年）就是缺资料地区的水文预报（PUB）。

　　PUB计划以减小水文与水资源预测预报中的不确定性为核心，旨在探索水文模拟的新方法，改进径流、泥沙和水质等预报精度，从传统的基于观测数据进行模型率定向机理探究的方向转变，实现水文理论的重大突破，以满足各国国民经济生产和社会发展的需要，特别是发展中国家［3，13］。PUB计划有两大目标，一是检验和完善现有模型或方法以提高其在缺资料地区的适应性并减小其预报的不确定性；二是开发新一代能够模拟不同时空尺度水文及其相关的生物、化学等过程的模型或方法，并减小其不确定性。

　　PUB问题的出路在于充分利用计算机技术和遥感手段获取流域特征参数，基于水文物理过程，运用系统论、信息论和控制论等现代科学方法，综合空间技术和计算机技术，揭示地表水文及其相关过程的动力学机制与时空分布特征，最终达到基于物理过程的流域水文情势数值模拟［14］。因此，发展新一代的分布式水文模型是解决PUB问题的可行途径之一。适用于缺资料地区的分布式水文模型需要能够充分利用水文气象遥测数据，如雷达测雨数据、DEM、土地覆被、遥感数据等，并能够将产汇流模型与植物生长模型、营养物质迁移模型等地表水文、生物、化学过程模型耦合起来模拟地表水文过程，而且模型概念明确、易于控制、便于设置情景，从而能够方便地利用缺资料地区的数据同化资料率定模型。

　　2.4 流域生态水文过程与分布式水文模型

　　有限的淡水资源已经成为社会经济可持续发展和生态系统健康的重要限制因子，现有的水利工程技术难以有效解决这一矛盾，需要探索新的方法和机制以解决水资源短缺、水质恶化和生物多样性减少等环境问题，寻求一种环境友好、经济可行、社会可接受的淡水资源可持续管理模式［15］，生态水文学（Ecohydrology）正是在这种背景下发展成为水文学研究的一个重要分支。生态水文学适应了现代科学研究过程中实现跨学科集成和综合这一发展趋势，主要研究水文过程与生态系统之间的动力学机制，生态水文格局和生态水文过程，其中生态水文模型是研究的重要内容之一［16］。

　　关于水文循环中生态系统影响的研究很早就开始了，在20世纪90年代以前，由于对生态水文学认识的局限性，研究范围限于河道、水库、根系层等水文过程，比较注重多年平均、季节变率、时间变化趋势、极端（洪水、干旱）事件的频率等水文情势，而且生态系统在水文建模研究主要集中在植被对水文过程的影响，如截留、蒸发、下渗等环节，这些水文过程中植被的特征和影响机制均以不同植被类型进行参数化，没有对生态水文学作为专门学科进行系统深入的研究［17］。当前的研究更集中于某些具体领域和范畴的研究，如湿地生态水文学、森林生态水文学、河流生态水文学、景观生态水文学及流域生态水文学等。由于生态水文研究的对象是包括人类和自然的复杂巨系统，而不同尺度的生态水文过程机理均呈现出不同的复杂性和层次性，生态水文学还没有形成系统、完整的理论体系［16］。

　　目前生态水文耦合模型主要用于研究森林生态水文过程、植被对水文影响的数据统计模型，如Rutter、Philip 模型；用于模拟土壤-植被-大气间物质能量传输过程的物理机理模型，如Penman-Monteith、SVAT、SPAC模型；还有用于水文与生态过程随机性模拟、要素与参数生成的统计理论模型，如Monte Carlo、马尔科夫模型等。近十几年来，随着计算机技术、GIS和RS技术的发展，生态水文开始以GIS为平台借助于分布式水文模型研究生态水文格局的演化，探讨生态水文格局与区域水环境的安全调控。生态水文耦合模型也有松散耦合（单向连接）和紧密耦合（双向耦合）之分，现在多数研究属于单向连接和部分耦合的松散耦合方式。生态水文学研究需要分布式水文模型能够将流域生态过程耦合到水文过程模拟之中，加强土壤水文、土壤性质等与植被生长之间的作用与反馈模拟，以及LUCC等生态环境变化的水文响应模拟，耦合植被生长和水文过程并实现信息数据的实时交换。同时，需要生态模型提高模拟的精度与尺度，能够很好地揭示与模拟水文过程与生物动力过程相互影响机理，建立物理机制上双向参数传递和尺度匹配耦合关系。随着生态模型研究的深入，对植物与水分相互作用机理认识的不断提高，通过尺度转换实现水文模型和生态模型双向无缝耦合是未来生态水文学发展的方向。

　　2.5 水资源管理与分布式水文模型

　　在水资源开发利用程度不断提高而水危机影响不断加剧的今天，水文模型为流域水资源管理和决策提供了重要依据，已经在流域水资源综合管理中的数字流域研究、非点源污染模拟、农业灌溉和城市取用水研究、地表水与地下水评价与计算、洪水预警预报、水土保持等领域发挥了重大作用［5-6，18-19］。水资源管理研究涉及内容广泛，需要水文模型做支撑的可以小到单株植物水分调节模拟模型，大到研究气候变化的全球水文循环模型，而中尺度分布式流域水文模型在水资源管理研究中应用最广泛。本文仅对水资源管理中非点源污染模拟和灌溉水文模拟中分布式水文模型的应用着重讨论。非点源污染模拟与水文模型是密不可分的，非点源模拟模型建立在水文模块的基础上，集成了气候、泥沙、营养物模块而具有非点源污染模拟能力。从20世纪50—60年代开始研究农业非点源污染以来，非点源污染模拟模型的发展有两大显著特征：一是从简单的经验统计分析向复杂的机理模型发展；二是从长期平均负荷输出或单场暴雨分析向连续的时间序列响应分析发展。近十几年来，分布式水文模型逐渐成为非点源污染模拟的重要工具和平台，其中有场次模拟的ANSWERS（ArealNonpoint Source Watershed Environment Response Simulation）、AGNPS（Agricultural NonPoint Source）等；连续模拟的HSPF、SWAT、WEPP（Water Erosion Prediction Project）、BASINS（Better Assessment Science Integrating point and Nonpoint Sources）等。然而，仍然有很多值得深入研究的问题［20］，用于模拟非点源污染过程的分布式水文模型首先要能够真实地模拟离散空间单元上的径流成分；其次要能够很好地将泥沙、营养物输移耦合到水文过程中，流域离散方式、地表径流、地下径流、汇流等环节水文过程的模拟方式与土壤侵蚀、非点源污染过程模拟密切相关；最后，能够有效地利用RS数据和GIS技术提取和识别流域特征参数，及与水文、泥沙和营养物质输移相关的过程参数。

　　灌区模拟问题是流域水资源管理中最常见的问题之一，不仅难以用传统的试验方法进行研究，而且田间尺度试验的数据也难以反映灌区内连续尺度间水分循环转换关系，而考虑时空变异的分布式水文模型能够处理这一问题。针对不同研究目的、尺度的分布式水文模型已经在灌区有较多应用，但是还存在较多问题［21-22］：（1）对灌区水文循环过程考虑不够细致。灌区有其特殊的地表水、土壤水和地下水转换关系，以及水库、塘堰、灌排系统等水体的水量交换问题，而当前绝大多数分布式水文模型对灌区的水分循环过程考虑较粗。（2）对灌区离散化处理不合理。分布式水文模型是基于DEM对流域进行离散得到河网、子流域、水文计算单元，这种流域离散方式不能够很好地反映灌溉渠系、排水沟网对水文过程的影响。（3）难以结合水资源管理进行分析评价。当前大多数模型中灌溉措施、灌溉方式设置较为简单，对水文过程模拟见长，较少考虑不同灌溉措施或水资源管理措施带来的经济或社会效应，如灌溉对作物产量的影响、水资源管理措施的经济分析等。考虑灌区的分布式水文模型要在降水和灌溉取水-产汇流模拟为核心的基础上，模拟不同灌溉方式和灌溉制度下灌区的水文过程，能够将灌区水文循环拓展到水文-农业-经济耦合研究范围以指导节水灌溉或管理。

　　此外，水电站或水库、农业灌溉引水、城市取用水等水资源管理措施对河道水量过程影响非常敏感，不仅增加了水资源管理的复杂性，而且给水文模拟带来了很大的不确定性。目前大多数分布式水文模型对这些影响的模拟无能为力，如何有效地模拟这些水资源管理措施对水文过程的影响是分布式水文模型亟待加强的环节。

　　3 分布式水文模型构建的难点问题和关键技术

　　3.1 构建分布式水文模型的难点问题

　　分布式流域水文模型自1969年提出至今已经有了很大的发展，特别是近10多年来，从基础研究到应用都有巨大进步。然而，建模的理论与技术仍然不能够满足当前水文科学发展面临重大问题的需求，难点问题主要有水文系统高度非线性导致的模型参数率定和验证、不同尺度上水文变量和参数的空间变异性问题、不同时间尺度上水循环的机理、流域水文循环全要素过程的动态耦合模拟、水文循环与水资源循环的耦合模拟问题以及资料的限制等［6，23-24］。

　　3.1.1尺度问题

　　水文现象在不同时空尺度上呈现出性质迥异的变化特征，如何从一种尺度水文变量及其变化特性去认识和推证另一种尺度的水文变量及其变化特性在理论上和实践上都有重要的意义，是当前水文科学研究的前沿［1，3，9，23，25］，至今还没有形成完整的理论和方法体系［26］。随着理论和技术的不断发展，水文尺度问题研究呈现出以下发展趋势：（1）借助GIS技术和遥感观测数据对不同时空尺度上流域水文过程对地貌、土壤、植被等流域特征参数的响应进行研究；（2）加强不同尺度上水文过程特征的研究，使水文模拟在不同尺度上得到与观测尺度相符的描述；（3）利用中小尺度上建立的分布式水文模型进行尺度转换研究，探讨较大尺度上的水文过程和规律；（4）应用新技术和新方法提高不同尺度上水文观测的精度和分辨率，从而揭示不同尺度上的水文规律和过程；（5）结合生态、气象等领域的方法、资料和原理拓展水文尺度研究的思路，不断完善尺度理论、方法和技术。

　　3.1.2数据与建模

　　水文循环过程的高度非线性和复杂性，及其与时空尺度的高度相关性，使得不论是一般的还是特殊的分布式水文模型都需要大量的观测数据或水文过程参数，不仅有降水、气温、DEM、地质、土壤、植被等大量的自然环境要素数据，而且还有复杂的地下水取用、水电站径流调节、农业灌溉、污染物排放等人类活动数据。虽然已经积累了大量的站点观测数据和遥感数据，但是与建模研究的水文过程尺度相匹配的观测数据还很难满足分布式水文模型的需求，而且随着人类活动对自然水文循环的影响不断加深而使得有观测地区又发展成为了新的缺资料或无资料地区。因此，如何解决建模过程中数据选择问题和多源数据的同化与利用问题成为建模研究的难点，主要体现在空间属性数据的尺度问题、与人类活动相关环节的数据获取与建模问题，进行模型开发时不仅要根据模型开发的目的选择数据，而且还要考虑选取数据的质量。

　　3.1.3参数估计与模型检验

　　当前，水文模拟和预测的参数估计都是点估计，结合拟合程度检验模型，而不是能够降低不确定性的区间预测，不能对模型的性能给出客观测度［27］。近年来，水文模拟和预测中的不确定性问题越来越受到重视，主要研究方法有GLUE（Generalized Likelihood UncertaintyEstimation）、BaRE（Bayesian Recursive Estimation）、MOSCEM（MultiObjective Shuffled Complex Evolution Metropolis algorithm）、MCMC、BFS（Bayesian Forecasting System）等方法。此外， ESP、HEPEX、LUCHEM、DMIP等计划或研究都尝试着用多模型联合预测的方法（Ensemble Modeling）降低模拟的不确定性，可以联合诊断模型结构、模型参数、初始条件和边界条件等不确定性问题。在参数优选方面，启发式算法和进化算法等，如：基因算法（GA）、SCE-UA、MOCOM-UA、ACO等，有效的全局参数率定方法已经替代了局部寻优的方法，今后的发展趋势是采用多目标全局优化技术［1，27］。

　　3.1.4水文及其相关过程的耦合模拟

　　水文过程受到气候条件、生态过程、人类活动等复杂过程的影响，但是模拟中没有进行动态的耦合模拟，这与水文过程的复杂性以及影响水文过程因素的复杂性是分不开的，然而厘清流域水文过程还必须从影响水文过程的其他过程入手，做到水文及其相关过程的动态耦合模拟，这是相当复杂和困难的问题。

　　3.2 建模的关键技术

　　3.2.1遥感与GIS技术

　　遥感作为信息采集的重要手段，已经为水文建模提供了丰富的空间属性数据资料，并且为模型验证提供了新的方法，而GIS技术为水文模型的数据管理和模型应用带来了较大的便利，遥感数据和GIS技术成为水文建模研究的重要方向［28］。

　　由于流域下垫面高度的空间异质性，大多数遥感数据获取的水文属性参数与物理观测值之间并没有很好的相关关系，给模型的验证带来很大的难度，遥感数据参数化和特征值提取还有很多问题亟待进一步研究。在建模中，数据的分辨率、误差和参数提取方法都直接影响参数化的结果，不同分辨率下的水文过程模拟结果不尽相同，如何选择空间基础数据和参数化、流域离散方式及水文模拟方法之间的不确定性等方面，还有许多需要深入研究和探讨的问题［29］。

　　GIS成熟的空间和非空间数据的获取、存储、分析和显示功能，能够为分布式水文模型提供强大的数据存储、显示、描述、分析能力，极大地促进了分布式水文模型的发展。近年来，GIS与分布式水文模型的集成越来越深入，几乎所有新开发的模型均使用或带有空间数据分析功能，在分布式水文建模的空间数据管理、水文特征提取、模型水文参数获取、计算过程与结果可视化等4个方面越来越发挥着不可替代的作用。

　　3.2.2流域坡面离散化处理

　　分布式水文模型的基础空间数据、尺度问题、分布输入的特点以及计算处理等多方面的因素决定了要对流域进行离散化处理，流域坡面离散方式主要有3种方式，即网格单元、地貌单元和自然子流域［30-31］。网格划分方法有较强的物理基础，能够严格地考虑网格内及其之间的水文要素的相互作用及水分运动过程；地貌单元离散方式能够较好地反应流域地貌特征；基于自然子流域的划分是按照天然汇水网络对流域进行离散，最大的优点是便于结合成熟的集总式水文模型，能够从DEM快速、自动提取河网和子流域等参数，离散单元之间水文联系清晰明了，基于代表性单元流域（REW，Representative Elementary Watershed）的离散方法也可以归类为这种方法。此外，有些分布式水文模型采用分布函数、概率统计理论等描述产流的空间变异性，如TOPMODEL中地形指数分布函数、WEHY中MCU单元内基于概率统计的参数化、REW理论中应用的热力学理论等，这些方法的优点是参数少和模型率定相对简单。实际中，很多模型不是单纯的用一种方式进行坡面单元离散，如SWAT可以综合多种离散方法的优点。

　　3.2.3水文过程模拟

　　在计算机和信息技术不断发展的今天，分布式水文模拟过程描述更细致、更复杂是一种趋势，但模型理论的完善与实用效果并不对应，对于降雨-径流关系模拟来说，复杂的分布式物理模型并不必要，且效果改善并不明显，主要问题是模型的不确定性和信息的欠缺或不完整。对分布式建模来说是获取更多的数据和参数来提高模拟精度，还是加强水文现象和机理的研究简化模型结构，仍存在较大争议。而在环境水文学、生态水文学和水资源水文学等应用领域物理概念明确的分布式水文模型就非常必要，是气候变化和土地利用变化的水文响应、地表地下水耦合、非点源污染迁移过程和土壤侵蚀过程等模拟问题的复杂性决定的。尽管很难说建立的模型是基于正确的物理方程和描述了实际的水文过程，但不论是采用数学物理方程、概念性模型、随机性与确定性结合的方式对水文过程进行描述都是可行的，都应称作有物理基础的模型［24］，模型的效率分析也是建模研究的重要内容之一，基于现有的认知去建模并在应用中改进模型才是最重要的［3］。

　　3.2.4模型系统开发

　　对于面向生产应用的分布式水文模型系统，开发工作主要表现在空间数据分析处理、模拟过程的结构设计和界面可视化等方面。模型结构方面，近年来出现的“组件式模型库系统”或“模块化模拟系统”（Modular Modeling System，MMS）［6，32］的思想极大地方便了模型的应用和推广，这种模型系统在应用时针对具体的问题耦合相应的模块，对水文循环过程或其某一个环节需要采取不同的处理手段，如USGS-MWS（Modeling of Watershed Systems）、HIMS［5］等。对于中小尺度的分布式水文模型，开发可视化的管理系统不仅可以提高模型的交互性，而且可以应用于水资源管理并更好地提供决策支持，组件技术已经成为开发高效、交互式桌面程序和B/S程序的最好选择，并且有许多集成开发工具供选择。根据水文模型与GIS的集成程度可以分为松散耦合、紧密耦合和完全集成3种［33］。大多数模型都是松散耦合的，如VIC、MIKE-SHE、SWAT、PDTank 等，而集成开发环境（如：VisualStutio.NET等）上采用组件式GIS（COMGIS）开发GIS功能及水文模块才能实现完全集成，这种方式有利于系统结构优化、数据传递和提高执行效率，是分布式水文模型和GIS集成发展的方向。

　　4 分布式水文模型发展趋势

　　面对当前的水文水资源问题，人类对水文水资源知识和研究的需求从未像今天这样迫切，社会的需求决定了分布式水文建模研究发展的方向［34］。在当前形势下，其主要发展趋势将表现在以下几个方面。

　　（1）中尺度分布式流域水文模型是研究当前水文水资源管理中热点和难点问题的有效工具。从国内外分布式水文模型发展可以看出，在小尺度或点尺度上建立的规律或水文过程关系如何推导和扩展到大中尺度流域是建模研究的主要问题之一，探讨和研究大中尺度的水文过程规律和模型也是分布式水文模型研究的重点内容。对于当前水文学研究的热点问题和社会重大需求而言，分布式水文模型是揭示气候变化、LUCC及变化环境下的流域水文、生态响应和演变规律的有效工具，将是未来水文建模研究的重点之一，而中尺度或大尺度模拟对于研究和决策来说是最合适的尺度选择，对管理与决策更有意义。此外，能够很好模拟中尺度流域的分布式水文模型比较容易扩展到大尺度，或者小尺度流域。

　　（2）流域尺度生态水文过程模拟是分布式水文模型亟待加强的环节。植被在土壤水分的时空变化中扮演着重要角色，它既是土壤水分动态变化的原因之一，也受土壤水分动态变化的影响。流域水文过程的生态过程方面不仅是生态水文学关注的热点问题，也是不同尺度流域水文模型建模过程中必须考虑且富于挑战的环节，当前能够很好模拟流域尺度上生态与水文过程耦合的模型还很少。在生态水文学日益成为水文学家关注焦点的今天，流域尺度分布式水文模型中对生态过程的模拟能力是亟待加强的方面。对于中尺度分布式流域水文模型，生态过程也是流域尺度上与水文过程紧密相关的过程，比如不同植被类型对截留、土壤水和蒸发等水文环节的影响；植被在不同生长阶段对水文过程的影响，特别是在农业灌溉地区；植被的空间分布对产汇流过程的影响；植被对气候变化和波动的响应等方面。

　　（3）提高对灌溉、水库运行和取用水等人类活动对流域水文循环影响的耦合模拟能力是模型开发的必然选择。随着人类活动对自然系统干扰深度和广度的不断加深，流域生态水文过程越来越复杂，尤其是人口集中地区，形成了一种新的缺资料地区，大面积引水灌溉、取用地表水和地下水、水库、闸坝调度等对水文过程都产生了巨大的影响，仅仅包含坡面产汇流过程和河道演算的分布式水文模型已不能真实地描述这些地区的水文循环过程。从当前分布式水文模型发展和应用研究来看，只有包含了能够有效模拟灌区、水库、取用水和闸坝等水文过程的模型才能够满足变化环境下或剧烈人类活动影响下水资源管理的需求，深入研究和考虑人类活动在分布式水文模型中的表达和模拟是分布式水文模型研究的必然选择。

　　（4）提高对遥感数据的利用能力及与GIS功能耦合程度是发展的必然趋势。基于物理机制的分布式水文模型和大尺度水文模型等都需要大量时空分布数据的支持，而人工观测费时费力，使得遥感观测的数据逐渐成为分布式水文模型中必不可少的数据之一。而且随着遥感技术的发展，多元、更为可靠和更高时空分辨率的遥感数据已经成功地应用到了地学研究领域。如今，遥感不仅能够为分布式水文模型提供DEM、土地利用/覆被、雪盖等空间信息，而且还能够利用遥感手段获取降雨时空分布、解译降水信息、遥测水位和水面变化、反演蒸散发和土壤水等水文信息，极大地丰富了模型基础数据获取的手段和数据量。因此，对于分布式水文模型，提高对遥感数据的利用能力不仅有利于获得更为丰富的时空分布水文参数，而且更能够使建立的模型在气候变化、生态水文学、水资源管理等领域以及缺资料地区都有较强的适用性；同时，面对如此浩繁的数据信息，需要专门的数据管理平台。借助于GIS功能处理并利用多源时空分布数据不仅省时省力，而且能够极大地提高模型的交互能力，为研究和决策提供更为直接的信息和过程。从当前分布式水文模型发展及应用研究来看，也都表明提高分布式水文模型对遥感数据的利用能力及与GIS平台的耦合程度是发展的必然趋势。

　　分布式水文模型是探索和认识复杂水文循环过程与机理的有效手段，也是解决当前水文领域面临的重要问题的有效工具，已经在气候变化、LUCC、缺资料地区、生态水文学、水资源管理等领域的研究中发挥了重要作用。随着研究工作的不断深入和认识的逐步提高，也将推动分布式水文模拟理论和技术的发展。

　　在我国，水文科学的发展为国民经济的健康发展提供了坚实的基础和保障，与发达国家相比，已经在应用中积累了丰富的经验和技术，但是水文模拟的理论研究相对落后。面对当前重大水文科学问题，亟待研究新的水文理论、模拟技术和方法，对我国的水文科学与技术发展来说是巨大的挑战，更是良好的机遇，不仅要注重应用研究，更要加强理论创新。

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　　作者简介：徐宗学（1962-），男，山东淄博人，教授，主要从事水文水资源研究。