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1、1Hydrological modeling in a changing environment: issues and challengesXU Chongyu1，2 ，CHEN Hua 1，GUO Shenglian 11 State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072,China;2 Department of Geosciences, University of Oslo, NorwayAbstract：This pape
2、r discusses the impact of environment change on hydrological cycle, hydrological processes and hydrological modeling. The paper starts with a review of the history of the development of hydrological models, the current state and the main challenges. Emphases are then paid to the following issues: th
3、e non-stationarity of hydrological processes and the rainfall-runoff relationship, the transferability of hydrological models (structure and parameters) across time periods, across spatial regions, across spatial and time scales, and coupling of hydrological models with climate models. Key words: en
4、vironment change, hydrological modeling, ungauged basins, non-stationarity, spatial and time scales, coupling 变化环境下水文模拟的几个关键问题 1许崇育 1,2，陈华 1，郭生练 11 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室2 Department of Geosciences, University of Oslo, Norway摘要：本文讨论了环境变化对水文循环和水文过程的影响，回顾了水文模型发展的历史，取得的成就和存在的问题。重点讨论了环境变化下水文模拟的几个主要问题：（1）
5、水文过程和降雨-径流关系的非稳定性问题；（2）水文模型在无资料流（区）域的应用问题；（3）水文模型在变尺度（时间和空间）情况下存在的问题；（4）和水文模型与气候模型耦合的可能性问题。在讨论问题的同时提出作者独到的观点和想法。关键词：环境变化，非稳定性，水文模型，无资料流域，水文与气候模型耦合1引言当前，随着全球气候的变化、世界人口的不断增长、城市建设和工农业生产的迅速发展以及人民生活水平的日益提高，人类对资源的攫取改变了地球系统的原有状态。同时，地球系统在其长期的演变过程中，具有其固有的周期性和运动规律。这两者的共同变化造成了今天的环境变化。本文中变化环境主要指气候变化和流域下垫面变化基金项目
6、： 国家自然科学基金项目（51190094、51279138） 作者简介：许崇育(1961-)，男，江苏徐州人，教授，国家“”B 类入选者，主要从事水文水资源研究，E-mail: c.y.xugeo.uio.no2以及二者的综合变化等，同时气候变化和流域下垫面变化均包括了气候系统和下垫面的自然变化和异常变化。环境变化不但是水文序列的非稳定性主要原因（Milly 等，2008），而且也是降雨径流关系改变的主要原因（Zhang 等2011）。近年来，各国的水文学家针对如何甄别水文序列的变化和探讨其变化原因做了大量的研究工作，也得出了不同的结论（e.g., Groisman et al.，1999;
7、 Suppiah and Hennessy, 1998; Zhai et al., 1999; Wang and Zhou, 2005; Gao et al., 2013; Zhang et al., 2012a,b; Zhang et al., 2013)。 相对于甄别水文序列变化的研究来说，研究降雨径流关系非稳定性的论文较少。Zhang 等(Zhang et al., 2011) 研究和比较了中国九大流域的降雨和流量近50年(1956-2005)的变化趋势以及降雨径流关系的变化规律。结果表明，在中国北方干旱和半干旱地区（e.g., 黄河，海河，塔里木河，松辽河），降雨和径流出现明显不一致的
8、变化趋势，导致了降雨径流关系的非平稳性。而在中国南方湿润地区（长江，珠江，岷江，及西南诸河），虽然降雨和径流都有不同程度的变化，但降雨和径流的变化趋势基本一致，说明南方诸河的降雨径流关系趋于稳定。水文模型通过建立降雨径流的数学关系定量模拟径流，因此研究和探讨降雨径流关系是否稳定是水文模拟非常关键的一步。而水文模型被广泛用于洪水预报（e.g.Beven et al., 1984; Refsgaard et al., 1988; Yao et al., 2009）、流(区)域水资源估算（e.g. Xu et al., 1996; Xu, 1997; Kizza et al., 2011, 2013
9、）、大尺度和全球尺度的水文模拟（e.g. Arnell, 1999; Abdulla and Lettenmaier，1997a,b; Widn-Nilsson et al., 2007, 2009; Vrsmarty et al., 2000; Mulligan, 2013; Li et al., 2013; Dll et al., 2003）、气候和土地利用变化下的水文响应模拟(e.g. Parkin et al., 1996; Bathurst et al., 2004; Xu, 1999a,b,c; Xu et al., 2005; Guo et al., 2008; Jiang et
10、 al., 2012; Yang et al., 2012; Zhang et al., 2012c)和无资料地区的径流模拟（e.g., McIntyre et al., 2005; Servat and Dezetter, 1993; Seibert, 1999; Xu, 1999d; Xu and Singh, 2004; Merz and Bloschl, 2004; Murray & Bloschl, 2011）等研究中。不管水文模型使用目的如何，它都是建立在稳定的降雨径流关系这一基础上。针对非平稳的水文序列和非平稳的降雨径流关系，如何建立和应用水文模型来模拟降雨径流关系是目前水文学领
11、域研究的最前沿问题之一。这个问题的研究包括以下几个内容：（1）水文模型的参数和结构随时间转移的可能性（情景包括气候和土地利用变化下的水文响应模拟）；（2）水文模型的参数和结构随空间转移的可能性（情景包括无（缺）资料地区的水文模拟，区域和全球尺度的水文模拟等）；（3）水文模型的参数和结构同时随时间和空间转移的可能性（情景包括无资料地区环境变化下的水文响应模拟）；（4）水文模型的参数和结构随不同时间和空间尺度转移的可能性（情景包括水文模型和气候模型耦合的可能性）和（5）水文模型的不确定性问题。本文将针对以上问题，从水文模型的发展历史、现状和局限、变化环境下水文模拟的几个问题、以及水文模型和气候模型
12、耦合的问题等方面展开论述。2水文模型的发展历史、现状和局限不同时间和空间尺度水文模型研究、开发和应用的历史可以追溯到19世纪。1850年，一名爱尔兰工程师Mulvaney (Mulvaney, 1850)建立了第一代计算洪峰流量的水文模型-推理模型 (Rational Model)，为解决当时所面临的市区排水系统、填海土地排水系统3和水库溢洪道等的设计问题提供了数学工具。在20世纪，水文模型的发展经历了几个里程碑阶段。20世纪30年代，美国工程师Sherman (Sherman, 1932) 提出了单位线(Unit Hydrograph)的概念，使水文工作者不仅能计算洪峰流量(推理模型) ，而
13、且能对完整径流过程的进行模拟。20世纪50年代，爱尔兰水文学家Nash深入分析了瞬时单位线的物理机制，并用数学语言来定量描述流域汇流过程，即Nash的线性水库理论(Nash, 1958, 1960)。目前该理论已被广泛应用于各种水文模型中。20世纪60至70年代，随着对产汇流机制理解的不断深入和计算机的使用，水文学家开发了大量的集总式概念性模型，并应用于水资源估算和洪水预报等业务中。具有代表性的水文模型有斯坦福模型(Crawford and Linsley, 1966)、萨克拉门托模型(Burnash et al., 1973)、HBV模型(Bergstrm, 1976)、坦克模型( WMO,
14、 1975) )和新安江模型(Zhao, 1977)等。同一时期，Box和Jenkins应用自回归模型、马尔科夫模型和其他形式的时间系列随机模型来实现对径流预测和模拟(Box and Jenkins, 1970) ，为径流预测提供了另一种预测模式。 20世纪80年代以后，由于土地利用变化的影响以及点面源水污染加剧，同时无资料地区水文模拟的重要性被日益重视，水文学家借助地理信息系统（GIS）技术和数字高程模型（DEM），建立了有物理基础的分布式水文模型，并在流域水资源管理和水文预报中广泛应用。具有代表性的模型有SHE模型(Abbott et al., 1986)、SWAT模型(Arnold an
15、d Fohrer, 2005)和TOP模型等（Beven and Kirkby, 1979）。而在20世纪的 80年代末和90年代初，为了更精确估算全球和大区域水资源量、预测气候变化的水文响应和改进全球气候模型陆面过程的模拟精度等，水文模型研究迎来了新的突破。大尺度乃至全球尺度水文模型的研究逐渐成为国际水文领域的研究热点和难点 (Dll et al.,2003;Nijssen et al.,200 1;Vrsmarty et al.,2000;Widen-Nilsson et al.,2007, 2009; Xu, 1999a; Xu et al.,2005)。流域水文模型经过一个多世纪的发展
16、，目前全世界已有很多种不同时空尺度的水文模型被应用于水文研究和水文计算的各个领域中，包括水文预报、水资源估算、流域管理、水库调度、无资料区域的径流模拟、以及土地利用变化和气候变化影响研究等。流域水文模型包括产流和汇流两个模块。产流模块是建立在径流形成原理的基础上，包括超渗产流（Horton (1933) and review recently by Beven (2004)）、蓄满产流、变源面积理论（Hewlett and Hibbert, 1963; 1967；Dunne and Black, 1970）和其混合形式。由于气候和流域下垫面等因素的差异，流域呈现出不同的产流特性。如有的流域以霍顿超渗产流为主，有的流域以蓄满产流为主，而有的区域却以壤中流、回流、饱和区直接产流等为主。水文模型的开发最初只是为了解决某一区域或流域特定的问题，因此大多数水文模型只适用于某一种产流情况。汇流模块包括三个部分，即格网（子流域）内的汇流计算，格网（子流域）之间的汇流计算和河道演算。有时把后面两种情况划分为上下网格和河道连续计算(cel
