佳木斯市水利勘测设计研究院黑龙江佳木斯154002
摘要：自20世纪以来全球水资源危机日益加深，为了研究在特定气候和人类活动影响下的水文规律，水文研究从流域水循环的模拟即集总式水文模型扩展到分布式或半分布式水文模型再到使用专业水文模拟软件进行协同分布式模拟计算。水文模型是水文科学的重要的研究方法和手段。
关键词：分布式；水文模型；应用
1构建分布式水文模型的难点问题
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，至今还没有形成完整的理论和方法体系。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。
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。
1.3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人手，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。
2建模的关键技术
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。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。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。
2.2流域坡面离散化处理
分布式水文模型的基础空问数据、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。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，离散单元之问水文联系清晰明了，基于代表性单元流域（REW，RepresentativeElementaryWatershed）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。
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，对于降雨一径流关系模拟来说，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，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。
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”（ModularModelingSystem，MMS）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（ModelingofWatershedSystems）、HIMS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。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（C0MGIS）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。
结语
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。
参考文献：
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