國內MIKE SHE水文模型研究與應用綜述

袁 旭，陸 穎，趙著燕，畢曉靜

(1.云南大學 國際河流與生態(tài)安全研究院，昆明 650091； 2.云南省國際河流與跨境生態(tài)安全重點實驗室，昆明 650091)

1 概 述

分布式水文模型考慮了氣候和下墊面因子的空間異質性，與集總式水文模型相比能更準確、真實地模擬流域水文過程，從而能更好地區(qū)分自然和人為因素對流域水資源和水環(huán)境的影響[1]。MIKE SHE作為典型的分布式水文模型，具有精確水文分析、模擬與預測功能。該模型已被廣泛用于研究不同氣候及水文機制下水資源及水環(huán)境問題[2]。隨著我國水文測驗水平提高，基礎觀測資料日益豐富，為MIKE SHE水文模型在我國的應用提供了數(shù)據(jù)基礎。近年來，國內學者廣泛將MIKE SHE水文模型應用于水文分析領域[3]。本文對MIKE SHE水文模型在我國的研究與應用進行系統(tǒng)地分析，討論了研究與應用中存在的問題與挑戰(zhàn)，并針對目前所存在的問題提出解決思路。

2 MIKE SHE水文模型

1986年丹麥、法國及英國的研究機構聯(lián)合開發(fā)SHE模型，開啟了分布式水文模型研制開發(fā)的先河[4]。20世紀90年代初，丹麥水力學研究所(DHI Danish Hydraulic Institute)基于SHE模型進一步開發(fā)研制了MIKE SHE水文模型[5]，該模型是水資源綜合管理模型，具有良好的地表水-地下水聯(lián)合模擬功能。隨著水文模擬技術、水文測驗技術與地理信息技術的發(fā)展，MIKE SHE水文模型不斷地進行技術改進與版本更新，目前已發(fā)展到了2017版。

MIKE SHE水文模型是一個集地下水、地表水模擬為一體的系統(tǒng)?；谒难h(huán)原理與水量平衡原理，該模型建立了一套完善的數(shù)據(jù)前后處理系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)有效處理提供了工作平臺。為達到高效、精確模擬目的，MIKE SHE水文模型軟件構建了靈活的水文模擬框架，可根據(jù)研究者需要建立特定的模型結構。模型通常將流域離散成若干矩形網格，應用數(shù)值分析的方法建立相鄰網格單元之間的時空關系，可根據(jù)研究區(qū)范圍、模擬精度等確定網格數(shù)量及大小。并通過將各水文過程模塊化，構建水流運動模塊(MIKE SHE SW)，該模塊包括6個獨立且相互聯(lián)系的子模塊：融雪(SM)、蒸散發(fā)(ET)、坡面流(OL)、河流與湖泊(OC)、不飽和帶(UZ)與飽和帶流(SZ)。各子模塊對應描述水文循環(huán)中水體運動的物理過程，可根據(jù)研究區(qū)特征、研究目的、數(shù)據(jù)收集情況選擇不同子模塊進行模擬，以保證模擬的真實性、準確性[6]。有別于SWAT模型、VIC模型、TOPMOELDEL模型等分布式水文模型，研究者可根據(jù)研究區(qū)不同氣候、地質特征及觀測資料獲取情況，結合各算法的優(yōu)缺點及區(qū)域適用性，選擇最合適算法開展建模。各子模塊算法見表1。

表1 子模塊對應算法

續(xù)表1

3 國內MIKE SHE水文模型研究與應用類型

MIKE SHE水文模型中水流運動模塊是由多個獨立子模塊構成并可根據(jù)實際氣候和下墊面條件靈活地組合，從而使模型的可應用領域更為多元化。國外基于MIKE SHE水文模型的研究起步較早，模型應用領域廣泛，而國內尚處于結合我國實際情況的開發(fā)及應用階段[3]。研究類型主要集中于區(qū)域水文模擬、地下水水文分析、降雨-徑流模擬、洪水預報等方面。

3.1 區(qū)域水文模擬

依照地貌、氣候等特征，我國可大致劃分為三大自然區(qū)：西北干旱半干旱區(qū)、青藏高原高寒區(qū)以及東部季風區(qū)[7]。不同區(qū)域間水文、氣象、下墊面等因素都有明顯的時空差異，導致不同區(qū)域水文模擬難度不同。由于西北干旱半干旱區(qū)與青藏高原高寒區(qū)自然環(huán)境的惡劣與地形的復雜性，增加了水文氣象站點布設難度，影響了基礎觀測數(shù)據(jù)的獲取，進而影響了水資源評價的準確性與水文模擬的真實性[8]。MIKE SHE水文模型對基礎觀測數(shù)據(jù)的數(shù)量及精度都有較高要求，盡管模型具有優(yōu)良的模擬系統(tǒng)，但數(shù)據(jù)缺乏導致西北干旱半干旱區(qū)與青藏高原高寒區(qū)應用較少。黃粵、陳曦等[9]基于MIKE SHE水文模型在新疆干旱區(qū)資料稀缺流域展開了徑流模擬，模型效率系數(shù)達到了0.7，雖然模型效率仍有待提高，但在資料相對缺少的條件下構建MIKE SHE水文模型是完全可行的。姜凌峰、薛聯(lián)青等[10]利用MIKE SHE水文模型對新疆干旱區(qū)瑪納斯河流域莫索灣灌區(qū)進行自然-人工復合模擬，評估節(jié)水灌溉對地下水位的影響，由于該地區(qū)垂向土壤資料匱乏，使模擬地下水補給過程產生了偏差，對整個水文模擬的精度產生了一定影響。相比之下，東部季風區(qū)基礎觀測數(shù)據(jù)較易獲取，MIKE SHE水文模型應用區(qū)域較為多元化，目前已涉及平原、巖溶流域、丘陵等不同地貌區(qū)域，針對這些觀測資料豐富的區(qū)域有著相對較高的模擬精度[11-12]。

3.2 地下水水文分析

MIKE SHE水文模型采用了地表水-地下水聯(lián)合模擬，充分考慮了地下水蒸發(fā)、補給、排泄等各個環(huán)節(jié)，為合理開采與利用地下水提供了技術支持與科學依據(jù)。2015年，周浩[13]基于MIKE SHE水文模型對大小凌河地區(qū)進行了地下水資源可利用量相關研究，并剖析了其影響因素。根據(jù)模擬結果計算分析，準確預測了2014～2016年不同降雨保證率下人工可開采地下水資源可利用量，并指出大小凌河地區(qū)人工開采對地下水可利用量的影響較小，其主要影響為降雨和蒸發(fā)。姚建、張曉威[14]基于MIKE SHE水文模型對遼寧營口鲅魚圈地區(qū)地下水資源量進行了定量評估，與遼寧省第二次水資源評價結果對比表明，通過模型模擬出的地下水資源量與遼寧二次水資源評價成果中的地下水資源量僅相差16×104m3，評估誤差不到1%。2015年，武漢大學盧小慧、劉奇龍等[15]將MIKE SHE水文模型應用于丹麥Skjern流域，對該流域進行了地表水-地下水耦合模擬。此研究模型率定期納什效率系數(shù)為0.97，模型驗證期納什效率系數(shù)為0.81，表明MIKE SHE水文模型在Skjern流域適用，基于該模擬，研究者成功分析了Skjern流域地下水水文響應?？梢姡琈IKE SHE水文模型能夠準確地計算地下水變化與交換量，在地表水-地下水耦合模擬上有著較高的精度。

3.3 降雨-徑流模擬

MIKE SHE水文模型水流運動模塊(MIKE SHE WM)能真實模擬由降雨到徑流的完整過程，符合徑流形成原理。基于MIKE ZERO平臺將MIKE SHE與MIKE 11耦合使用能完整地描述整個流域河網構成及流域中水流運動過程。利用Arc GIS、土壤水文特性軟件SPAW、MIKE ZERO平臺等對數(shù)據(jù)預處理并輸入各個子模塊，進行初步模擬后再進行參數(shù)校準與驗證，可獲得良好的降雨-徑流模擬效果[16]。馬全[17]利用1991～2006年的水文氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、水文地質數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)等，基于MIKE SHE水文模型成功模擬了湟河流域降雨-徑流過程，并取得了良好的模擬效果。黃粵、陳曦[18]在開都河流域山區(qū)采用具有空間異質性的降雨數(shù)據(jù)進行降雨-徑流模擬，模擬徑流與實測徑流過程線的相關系數(shù)在0.7左右,研究者在此基礎上進一步進行了降雨輸入對徑流模擬產生不確定性分析，得出降雨的時空分布是徑流模擬產生不確定性的主要原因。

3.4 洪水預報

我國是世界上洪澇災害頻發(fā)且嚴重的國家之一[19]，因此洪水演進與洪水預報研究是當前水文學重要課題之一。目前，我國洪水預報工作采用的主要方法包括實用洪水預報方案與洪水預報數(shù)學模型[20]。雖然我國洪水預報技術開發(fā)進展較快，由我國自主研制的流域水文模型有的已達到國際領先水平，但針對我國中小型河流突發(fā)性強、預見期短、匯流時間快等特點，依靠傳統(tǒng)預報技術很難高效預報。此外，突發(fā)性洪水在整個流域上呈現(xiàn)點多面廣的特點?；趥鹘y(tǒng)集總式水文模型很難準確地描述洪水在整個流域境內分布及演進情況，因此引進分布式水文模擬系統(tǒng)進行洪水分析與防治顯得尤為重要[21]。作為綜合性物理分布式水文模型，MIKE SHE在我國洪水災害防治研究上有著可觀前景。2015年，湯旻、曹雙和等[22]采用MIKE SHE分布式水文模型軟件，對六硐河甲茶水電站影響流域的水文過程、洪峰流量進行水文模擬，并與實測流量序列進行了擬合比對。研究表明，模擬結果基本可靠，確定性在0.7以上，達到了《水文情報預報規(guī)范》所規(guī)定的乙級預報精度，可見MIKE SHE水文模型能有效服務于洪水預報工作。

4 存在的問題

4.1 數(shù)據(jù)支撐問題

對于MIKE SHE水文模型本身而言，模型具有較好的物理基礎，但需要大量精確參數(shù)與數(shù)據(jù)進行支撐，建立和率定模型耗時耗力，從而阻礙了模型的應用與推廣[23]。而對于我國MIKE SHE水文模型研究與應用而言，我國水系眾多，MIKE SHE水文模型潛在研究區(qū)域眾多。但各水系水文地質條件、氣象條件千差萬別，部分地區(qū)水文監(jiān)測基礎設施落后、獲取數(shù)據(jù)的能力有限，導致了研究應用難度加大，從而阻礙了MIKE SHE水文模型的科學研究進程，使得基于MIKE SHE水文模型的研究區(qū)域較為局限。

4.2 數(shù)據(jù)處理問題

水文要素的空間分布數(shù)據(jù)是MIKE SHE水文模型的基礎支撐數(shù)據(jù)。但在我國目前的觀測條件下，水文氣象數(shù)據(jù)、土壤觀測數(shù)據(jù)及地下水觀測數(shù)據(jù)都基于特定觀測站點所獲取，模型數(shù)據(jù)處理工作中的一個重要步驟為將觀測站點實測數(shù)據(jù)插值成面域上的數(shù)據(jù)。研究者所選插值方法及插值工具會直接影響數(shù)據(jù)插值效果，進而間接影響模型模擬精度。因此，如何提高插值精度，如何直接獲取面域上的水文氣象資料及土壤地質資料，是MIKE SHE模型研究應用中所面臨的問題。

4.3 子模塊算法選用問題

各子模塊可供選擇的算法能有效提高模型搭建的靈活性，但其應用過程需要研究者了解對應算法的基本原理，增加了研究者使用難度，提高了研究者使用門檻[24]。此外，不同子模塊算法并非完全能依照用戶需求自由組合。例如，不飽和帶模塊Richards公式不能與飽和帶模塊線性水庫法聯(lián)合使用。

5 結論與建議

當前，國內學者已將MIKE SHE水文模型應用于水文模擬與水資源管理，并取得了一定成績。但鑒于水文過程自身的復雜性，基于MIKE SHE的應用與研究仍存在許多問題，這些問題主觀方面受到研究區(qū)基礎觀測數(shù)據(jù)匱乏的限制，客觀方面需要研究者深入理解模型模塊與算法背后的水文機制。針對所存問題建議：

1) 從模型數(shù)據(jù)需求入手，積極推進水文氣象、水文地質等觀測技術的發(fā)展，觀測技術成熟將有力地推動MIKE SHE模型發(fā)展與應用。對于水文氣象資料缺乏地區(qū)，在條件允許下應適當增設觀測站點以便獲取豐富的基礎觀測數(shù)據(jù)。此外,還應大力推進面域上水文觀測技術的發(fā)展，積極推進雷達測雨技術、遙感技術與MIKE SHE水文模型集成。

2) DEM分辨率會影響河網提取，從而對河長、河流流向及水域面積等產生一定影響，因此搭建模型時應根據(jù)具體情況慎重選擇DEM精度。此外,應深入研究網格大小對模型產生的影響，為不同空間尺度、不同下墊面特征的研究區(qū)提供網格劃分參考依據(jù)。

3) 針對不同的研究區(qū)與研究目的，應充分考慮選用適合的時間尺度、適當?shù)乃惴?，從而提高模擬的精度與效率。