流域生態(tài)水文研究

1、流域生態(tài)水文模型研究進(jìn)展摘要：流域生態(tài)水文模型是全球變化下流域生態(tài)水文響應(yīng)研究的重要工具，通過(guò)定量刻畫(huà)植被與水文過(guò)程的相互作用及全球變化對(duì)流域生態(tài)水文過(guò)程演變的影響機(jī)制，為流域水資源管理和生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)支撐，是生態(tài)水文研究的前沿和熱點(diǎn)?；谥脖慌c水文過(guò)程相互作用規(guī)律，流域生態(tài)水文模型一方面要充分描述植被與水文過(guò)程相互作用和互為反饋機(jī)制，另一方面要精確刻畫(huà)流域的空間異質(zhì)性。本文在分析流域尺度陸地植被與水文過(guò)程相互作用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)有流域生態(tài)水文模型進(jìn)行歸納和分類(lèi)，剖析不同類(lèi)型模型的優(yōu)缺點(diǎn)，并總結(jié)現(xiàn)有模型應(yīng)用的代表性研究成果，最后，對(duì)流域生態(tài)水文模型存在的關(guān)鍵問(wèn)題(如植被與水文相互作用機(jī)制的

2、描述、模型參數(shù)的估計(jì)、模擬結(jié)果的不確定性分析等)進(jìn)行討論。在全球變化加劇水資源危機(jī)的背景下，傳統(tǒng)的水文學(xué)研究難以解決流域出現(xiàn)的新問(wèn)題，生態(tài)水文過(guò)程的耦合研究日益引起學(xué)者們的關(guān)注1-6。國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃及聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)國(guó)際水文計(jì)劃(IHP)等都將陸地植被生態(tài)過(guò)程與水文過(guò)程的耦合研究作為核心內(nèi)容1992年召開(kāi)的國(guó)際水和環(huán)境會(huì)議首次將生態(tài)水文學(xué)作為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科提出，其核心是在不同的時(shí)空尺度上揭示不同環(huán)境條件下植物與水的相互作用關(guān)系，為解決流域水資源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題提供理論支持。指出生態(tài)水文耦合研究將是21世紀(jì)水文學(xué)研究最前沿和最激動(dòng)人心的創(chuàng)新領(lǐng)域。流域生態(tài)水文模型是定量評(píng)估環(huán)

3、境變化流域生態(tài)水文響應(yīng)的重要工具，通過(guò)定量刻畫(huà)植被與水文過(guò)程的相互作用及全球變化對(duì)流域生態(tài)水文過(guò)程演變的影響機(jī)制，為流域水資源管理和生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)支撐。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)流域生態(tài)水文模型已開(kāi)展了一定深度的研究，并取得了一些階段性成果。本文主要針對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的流域生態(tài)水文模型，在分析陸生植被與水文過(guò)程相互作用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)有的生態(tài)水文模型進(jìn)行了歸納和分類(lèi)，剖析不同類(lèi)型模型的優(yōu)缺點(diǎn)，并總結(jié)現(xiàn)有模型應(yīng)用的代表性成果，最后，對(duì)流域生態(tài)水文模型存在的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行討論。2 流域植被與水文過(guò)程的相互作用2.1 流域植被與水文過(guò)程相互作用機(jī)制陸地植被生態(tài)過(guò)程(碳循環(huán)、植被動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)等)與水文過(guò)程通過(guò)各種物理

4、和生物學(xué)過(guò)程發(fā)生交互作用，其密切聯(lián)系和交互作用滲透到水、熱、碳等物質(zhì)和能量傳輸?shù)母鱾€(gè)環(huán)節(jié),兩者之間的相互作用主要體現(xiàn)在，一方面，水是植被生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力和制約因素，植物主要的生理過(guò)程，如光合作用、呼吸作用、養(yǎng)分循環(huán)，對(duì)水分限制具有高度敏感性水循環(huán)過(guò)程尤其是土壤水的時(shí)空變化決定了植被的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)、形態(tài)功能和空間分布格局另一方面，植被通過(guò)生物物理過(guò)程與生物化學(xué)循環(huán)作用于水循環(huán)過(guò)程，表現(xiàn)為：植被通過(guò)根系吸水和蒸騰作用直接參與水循環(huán)過(guò)程；植物冠層通過(guò)攔截降水，增大了蒸發(fā)量，減少到達(dá)地表的降水量，對(duì)降水進(jìn)行了重新分配，如森林植被枯枝落葉層提高了地表粗糙度，增加地表水下滲，減小洪峰流量，延長(zhǎng)地表徑流形成時(shí)間。近

5、年來(lái)的研究表明，植被冠層氣孔行為和土壤水運(yùn)動(dòng)是植被與水文相互作用中最為關(guān)鍵兩大過(guò)程。由于植物光合作用與蒸騰作用同時(shí)受氣孔行為的影響，形成光合作用-氣孔行為-蒸騰作用耦合機(jī)制。植被冠層的氣孔阻抗控制著植被與大氣能量傳輸和湍流交換，決定了植被蒸騰作用。而植被冠層的氣孔行為取決于葉內(nèi)保衛(wèi)細(xì)胞和葉表皮細(xì)胞的膨壓變化，而膨壓變化取決于從土壤到葉片的水分供應(yīng)和葉片蒸騰失水之間的水分收支。土壤水運(yùn)動(dòng)又取決于地表的水循環(huán)過(guò)程，由此將大氣過(guò)程、植被生態(tài)過(guò)程和水循環(huán)過(guò)程耦合在一起形成一個(gè)整體。氣候變化通過(guò)改變降水、溫度等影響植被動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)及植被結(jié)構(gòu)與功能，進(jìn)而影響水循環(huán)過(guò)程。同時(shí)，植被通過(guò)改變下墊面的基本特征(地表

6、反照率、土壤濕度、地表粗糙度等)調(diào)節(jié)地氣界面的能量交換影響水熱過(guò)程，從而對(duì)氣候系統(tǒng)產(chǎn)生作用。例如，森林的砍伐會(huì)增加地面反射率，降低粗糙度，減弱植被對(duì)水文循環(huán)的調(diào)節(jié)作用，增加顯熱交換和地面溫度。盡管人們?cè)缇鸵庾R(shí)到生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候有重要作用，但直到20世紀(jì)70年代后期才開(kāi)始深入研究植被變化的氣候響應(yīng)。最早注意到植被對(duì)氣候的反饋機(jī)制，提出了生物-地球物理反饋機(jī)制。鑒于氣候、植被-水文過(guò)程之間互為反饋的復(fù)雜交互作用，若模擬過(guò)程中將任意一個(gè)過(guò)程進(jìn)行靜態(tài)化考慮，都可能因缺乏動(dòng)態(tài)反饋造成模擬結(jié)果的嚴(yán)重偏差，因此，在流域生態(tài)水文過(guò)程模擬中，需要?jiǎng)討B(tài)刻畫(huà)植被與水文過(guò)程相互作用的各個(gè)環(huán)節(jié)，力求接近真實(shí)情況，以準(zhǔn)確預(yù)

7、測(cè)環(huán)境變化對(duì)流域生態(tài)水文過(guò)程的影響。2.2 流域植被與水文過(guò)程相互作用的空間異質(zhì)性受氣候、地質(zhì)條件、土壤和地形等自然條件的影響，植被與水文過(guò)程交互作用具有顯著的空間異質(zhì)性。在較大的地理尺度上，氣候是影響植被-水文相互作用最為重要的因子；在景觀尺度上，地形、地貌影響小氣候同時(shí)影響土壤的發(fā)育，控制了物質(zhì)的再分配(水分、有機(jī)質(zhì)等)，尤其是土壤水的空間差異，直接決定了植被生長(zhǎng)狀況的差異。在山區(qū)或丘陵區(qū)，森林生態(tài)和水文過(guò)程依賴(lài)于地形條件，地形的差異造成輻射、降水、溫度條件和土壤水出現(xiàn)很大的空間變異性，植被冠層與局地土壤屬性的緊密耦合與動(dòng)態(tài)演變形成景觀尺度上地貌、土壤、和植被的復(fù)雜空間格局。因此，要合理描

8、述流域尺度的植被-水文過(guò)程及其相互作用，需在空間上精確表達(dá)各環(huán)境要素的一定的精度，只有空間上分布式的模型才能充分體現(xiàn)流域空間單元的環(huán)境條件差異。3 流域生態(tài)水文模型研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)的水文和生態(tài)模擬研究一直集中于建立單一模型，孤立地看待生態(tài)過(guò)程與水文過(guò)程。水文模型關(guān)注流域的產(chǎn)匯流等物理過(guò)程，很少或沒(méi)有考慮植被的生物物理和生物化學(xué)過(guò)程。 生態(tài)模型則重點(diǎn)關(guān)注土壤-植被-大氣連續(xù)體垂向機(jī)制，基本不考慮或者采用“水桶模型”簡(jiǎn)化處理土壤水運(yùn)動(dòng)，并且忽略水平方向上的側(cè)向徑流過(guò)程。流域生態(tài)水文模型的興起一方面得益于地理信息技術(shù)、遙感等空間信息獲取技術(shù)為流域過(guò)程模擬提供詳細(xì)的流域下墊面條件的空間分布信息；另一方面流

9、域分布式水文模型的出現(xiàn)，使得在各個(gè)空間單元上耦合田間尺度的生態(tài)模型成為可能。流域生態(tài)水文模型的起源有兩大分支慮植被的物理和生物化學(xué)作用，主要包括植被蒸騰、根系吸水、冠層能量傳輸及CO交換等過(guò)程的描述；從植被生態(tài)過(guò)程模擬的角度出發(fā)，增加了垂向的土壤水運(yùn)動(dòng)和二維水文循環(huán)過(guò)程的模擬。3.1 流域生態(tài)水文模型的分類(lèi)目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)生態(tài)水文模型已開(kāi)展了一定深度的研究，并取得了一些階段性成果。根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，流域生態(tài)水文模型有著不同的分類(lèi)。以下按照模型中對(duì)流域植被與水文過(guò)程相互作用的描述，將現(xiàn)有模型歸為兩大類(lèi)：在水文模型中考慮植被的影響，但不模擬植被的動(dòng)態(tài)變化，為單向耦合模型；將植被生態(tài)模型嵌入到水文模型中

10、，實(shí)現(xiàn)植被生態(tài)-水文交互作用模擬，為雙向耦合模型。3.1.1 單向耦合模型單向耦合模型，主要是從水文模擬的角度出發(fā)，顯式地引入了植被層，在降雨-徑流過(guò)程模擬中詳細(xì)描述植被的冠層截留、降水?dāng)r截、入滲、蒸散發(fā)等生物物理過(guò)程，使得模型對(duì)水文過(guò)程的模擬更符。但這一類(lèi)模型僅考慮植被對(duì)水文過(guò)程的單向影響，不考慮水文過(guò)程對(duì)植被生理、生化過(guò)程及植被動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)的影響，因此，也就不能描述植被的動(dòng)態(tài)變化(如LAI的季節(jié)性增長(zhǎng))對(duì)水文過(guò)程的影響。DHSVM模型是單向耦合模型的典型代表，該模型是Wigmosta等開(kāi)發(fā)的具有物理意義的流域生態(tài)水文模型。該模型充分考慮了植被對(duì)于蒸散發(fā)作用的影響，采用雙源模型區(qū)分計(jì)算植被蒸騰與

11、土壤蒸發(fā)，在垂直方向上劃分植被林冠層和地面植被層，詳細(xì)描述冠層內(nèi)的短波、長(zhǎng)波輻射傳輸，分別計(jì)算各層的蒸騰作用。采用Penman-Monteith公式結(jié)合冠層導(dǎo)度計(jì)算蒸散發(fā)，冠層導(dǎo)度采用Jarvis提出的多環(huán)境因子的階乘公式計(jì)算。該模型在空間上為全分布式，通過(guò)將流域劃分為柵格單元充分體現(xiàn)下墊面的空間異質(zhì)性，柵格之間通過(guò)坡面流和土壤中流的逐網(wǎng)格匯流發(fā)生進(jìn)行物質(zhì)交換。3.1.2 雙向耦合模型隨著生態(tài)水文研究的不斷深入，學(xué)者們逐漸認(rèn)識(shí)到植被的生長(zhǎng)發(fā)育及其季節(jié)性變化會(huì)對(duì)水文過(guò)程的重要影響，流域生態(tài)水文雙向耦合模型開(kāi)始出現(xiàn)。雙向耦合模型的植被與水文過(guò)程的耦合體現(xiàn)在植被為水文模型提供動(dòng)態(tài)變化的葉面積指數(shù)、根

12、系深度、枯枝落葉層厚度等，水文模擬為生態(tài)過(guò)程模擬提供土壤含水量的動(dòng)態(tài)變化等。根據(jù)模型中對(duì)于植被-水文過(guò)程相互作用機(jī)制描述的復(fù)雜程度，本文將雙向耦合模型分為概念性模型、半物理模型、物理模型3大類(lèi)。3.1.2.1 概念性模型概念性生態(tài)水文模型是主要是在水文模型的基礎(chǔ)上，耦合了參數(shù)模型(或光能利用率模型)或者經(jīng)驗(yàn)性的作物生長(zhǎng)模型建立起來(lái)，主要模型有SWAT 模型、SWIM 模型、EcoHAT 模型等。其特點(diǎn)是：采用簡(jiǎn)單的、經(jīng)驗(yàn)性的關(guān)系計(jì)算植被動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)，大多通過(guò)先計(jì)算潛在生長(zhǎng)，再引入水分脅迫、養(yǎng)分元素脅迫等來(lái)計(jì)算實(shí)際生產(chǎn)，如光能利用率模型；對(duì)于蒸散發(fā)的計(jì)算，通過(guò)先計(jì)算潛在蒸發(fā)再折算實(shí)際蒸發(fā)；這一類(lèi)模型

13、對(duì)流域空間異質(zhì)性的表達(dá)，大多呈空間半分布式，各個(gè)子單元之間相互獨(dú)立。這一類(lèi)模型的缺陷主要在于對(duì)植物生長(zhǎng)和植被-水文相互作用關(guān)系的描述缺乏機(jī)理性，植被與水文過(guò)程之間只是松散的耦合關(guān)系，限制了模型對(duì)環(huán)境變化引起的流域生理生態(tài)響應(yīng)的模擬能：從水文模擬忽略植被的問(wèn)題出發(fā)，在降雨-徑流過(guò)程模擬中考慮植被的物理和生物化學(xué)作用，主要包括植被蒸騰、根系吸水、冠層能量傳輸及CO交換等過(guò)程的描述；從植被生態(tài)過(guò)程模擬的角度出發(fā)，增加了垂向的土壤水運(yùn)動(dòng)和二維水文循環(huán)過(guò)程的模擬。3.1 流域生態(tài)水文模型的分類(lèi)目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)生態(tài)水文模型已開(kāi)展了一定深 度的研究，并取得了一些階段性成果。根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，流域生態(tài)水文模型有著

14、不同的分類(lèi)。以下按照模型中對(duì)流域植被與水文過(guò)程相互作用的描述，將現(xiàn)有模型歸為兩大類(lèi)：在水文模型中考慮植被的影響，但不模擬植被的動(dòng)態(tài)變化，為單向耦合模型；將植被生態(tài)模型嵌入到水文模型中，實(shí)現(xiàn)植被生態(tài)-水文交互作用模擬，為雙向耦合模型。3.1.1 單向耦合模型單向耦合模型，主要是從水文模擬的角度出發(fā)，顯式地引入了植被層，在降雨-徑流過(guò)程模擬中詳細(xì)描述植被的冠層截留、降水?dāng)r截、入滲、蒸散發(fā)等生物物理過(guò)程，使得模型對(duì)水文過(guò)程的模擬更符合實(shí)際，主要模型有DHSVM模型。但這一類(lèi)模型僅考慮植被對(duì)水文過(guò)程的單向影響，不考慮水文過(guò)程對(duì)植被生理、生化過(guò)程及植被動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)的影響，因此，也就不能描述植被的動(dòng)態(tài)變化(如

15、LAI的季節(jié)性增長(zhǎng))對(duì)水文過(guò)程的影響。DHSVM模型是單向耦合模型的典型代表，該模型是Wigmosta等開(kāi)發(fā)的具有物理意義的流域生態(tài)水文模型。該模型充分考慮了植被對(duì)于蒸散發(fā)作用的影響，采用雙源模型區(qū)分計(jì)算植被蒸騰與土壤蒸發(fā)，在垂直方向上劃分植被林冠層和地面植被層，詳細(xì)描述冠層內(nèi)的短波、長(zhǎng)波輻射傳輸，分別計(jì)算各層的蒸騰作用。采用Penman-Monteith公式結(jié)合冠層導(dǎo)度計(jì)算蒸散發(fā)，冠層導(dǎo)度采用Jarvis提出的多環(huán)境因子的階乘公式計(jì)算。該模型在空間上為全分布式，通過(guò)將流域劃分為柵格單元充分體現(xiàn)下墊面的空間異質(zhì)性，格之間通過(guò)坡面流和壤中流的逐網(wǎng)格匯流發(fā)生進(jìn)行物質(zhì)交換。3.1.2 雙向耦合模型隨

16、著生態(tài)水文研究的不斷深入，學(xué)者們逐漸認(rèn)識(shí)到植被的生長(zhǎng)發(fā)育及其季節(jié)性變化會(huì)對(duì)水文過(guò)程的重要影響，流域生態(tài)水文雙向耦合模型開(kāi)始出現(xiàn)。雙向耦合模型的植被與水文過(guò)程的耦合體現(xiàn)在植被為水文模型提供動(dòng)態(tài)變化的葉面積指數(shù)、根系深度、枯枝落葉層厚度等，水文模擬為生態(tài)過(guò)程模擬提供土壤含水量的動(dòng)態(tài)變化等。根據(jù)模型中對(duì)于植被-水文過(guò)程相互作用機(jī)制描述的復(fù)雜程度，本文將雙向耦合模型分為概念性模型、半物理模型、物理模型3大類(lèi)3.1.2.1 概念性模型概念性生態(tài)水文模型是主要是在水文模型的基礎(chǔ)上，耦合了參數(shù)模型(或光能利用率模型)或者經(jīng)驗(yàn)性的作物生長(zhǎng)模型建立起來(lái)，主要模型有SWAT 模型、SWIM 模型、EcoHAT 模

17、型等。其特點(diǎn)是：采用簡(jiǎn)單的、經(jīng)驗(yàn)性的關(guān)系計(jì)算植被動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)，大多通過(guò)先計(jì)算潛在生長(zhǎng)，再引入水分脅迫、養(yǎng)分元素脅迫等來(lái)計(jì)算實(shí)際生產(chǎn)，如光能利用率模型；對(duì)于蒸散發(fā)的計(jì)算，通過(guò)先計(jì)算潛在蒸發(fā)再折算實(shí)際蒸發(fā)；這一類(lèi)模型對(duì)流域空間異質(zhì)性的表達(dá)，大多呈空間半分布式，各個(gè)子單元之間相互獨(dú)立。這一類(lèi)模型的缺陷主要在于對(duì)植物生長(zhǎng)和植被-水文相互作用關(guān)系的描述缺乏機(jī)理性，植被與水文過(guò)程之間只是松散的耦合關(guān)系，限制了模型對(duì)環(huán)境變化引起的流域生理生態(tài)響應(yīng)的擬能地 理 科 學(xué) 進(jìn) 展 30卷 5期出發(fā)較為合理地刻畫(huà)植被-水文動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系。由于植被-土壤-大氣之間的復(fù)雜作用，不存在統(tǒng)一的生態(tài)水文的優(yōu)化機(jī)制，因此，還需要深入

18、開(kāi)展不同氣候條件和不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型植被-水文相互作用的最優(yōu)化機(jī)制及其定量化的研究。目前，基于最優(yōu)化機(jī)制建立的生態(tài)水文模型僅在點(diǎn)上進(jìn)行應(yīng)用，在流域尺度尚缺乏研究，將其推廣應(yīng)用到流域尺度建立流域尺度的生態(tài)水文最優(yōu)性模型將是未來(lái)流域生態(tài)水文模型發(fā)展的重要趨勢(shì)。4.2 流域的空間離散化流域下墊面的空間離散化或異質(zhì)性的表達(dá)是生態(tài)水文模型的核心內(nèi)容之一70-72。由于生態(tài)過(guò)程與水文過(guò)程的發(fā)生都具有明顯的尺度依賴(lài)性，特定的過(guò)程具有特定的尺度，即特征尺度73。例如水文過(guò)程中，霍頓產(chǎn)流過(guò)程是點(diǎn)過(guò)程，而蓄滿(mǎn)產(chǎn)流的發(fā)生則需要一定的空間作用范圍。生態(tài)過(guò)程的發(fā)生往往具有一定的空間作用范圍，小于這個(gè)最小空間范圍的粒度對(duì)刻

19、畫(huà)生態(tài)過(guò)程不僅沒(méi)有意義，而且還可能引入人為誤差。生態(tài)要素的作用只有在空間范圍大于最小作用范圍時(shí)才能體現(xiàn)，即生態(tài)要素的空間作用范圍必須大于或等于最小空間作用范圍。因此，流域離散化的不合理將導(dǎo)致過(guò)程發(fā)生的特征尺度與模擬尺度的不匹配，可能引入人為的誤差?，F(xiàn)有的生態(tài)水文模型對(duì)流域的空間離散化，主要有兩種：基于網(wǎng)格劃分，大多數(shù)基于正方形柵格單元，少數(shù)采用等高線(xiàn)和分水嶺來(lái)劃分不規(guī)則的山坡單元，如TOPOG模型；基于子流域方法的劃分，如SWAT模型中，通過(guò)劃分為土地利用和土壤類(lèi)型同質(zhì)的水文響應(yīng)單元(HRU)來(lái)表達(dá)空間異質(zhì)性。這兩種方法都存在一定的主觀性，如何在流域空間離散化過(guò)程中，從流域空間異質(zhì)性的內(nèi)在規(guī)律

20、出發(fā)，充分體現(xiàn)流域過(guò)程的特征尺度，將是未來(lái)生態(tài)水文模型研究的一個(gè)非常值得重視的研究問(wèn)題。4.3 不確定性問(wèn)題生態(tài)水文過(guò)程包括多種生物物理和生物地球化學(xué)過(guò)程，具有高度復(fù)雜性，對(duì)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行模擬，往往會(huì)出現(xiàn)“失真”現(xiàn)象，導(dǎo)致模型的不確定性74。不確定性的存在影響了模擬結(jié)果可靠程度，從而限制了模型的應(yīng)用與發(fā)展。針對(duì)輸入數(shù)據(jù)、參數(shù)、模型結(jié)構(gòu)的不確定性，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展大量的研究，其中，普適似然不確定提出，該方法認(rèn)為決定模型最優(yōu)結(jié)果并不是唯一的最優(yōu)參數(shù)組合，而是存在多組功能類(lèi)似的參數(shù)值組合，通過(guò)探索模型誤差空間，確定敏感性參數(shù)，其缺陷在于對(duì)模擬結(jié)果不加選擇、采用主觀判斷確定可行參數(shù)組的閾值、推導(dǎo)得出

21、的后驗(yàn)概率分布過(guò)于平坦等，適合于多參數(shù)，參數(shù)先驗(yàn)知識(shí)缺乏的情況。貝葉斯方法將參數(shù)的先驗(yàn)分布與似然函數(shù)結(jié)合獲得參數(shù)后驗(yàn)分布，對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)抽樣得到模擬值的經(jīng)驗(yàn)分布，根據(jù)參數(shù)的后驗(yàn)分布及模擬值的經(jīng)驗(yàn)分布確定參數(shù)的不確定性。目前各種不確定性問(wèn)題的研究方法仍處于探索階段，有必要深入開(kāi)展不確定性分析的方法體系研究，以提高模型應(yīng)用的置信度。4.4 模型參數(shù)估計(jì)與數(shù)據(jù)同化流域生態(tài)水文模擬包括光合作用、呼吸作用等多個(gè)過(guò)程，每個(gè)過(guò)程都含有大量數(shù)，在分布式模擬的框架下，如何獲取區(qū)域異質(zhì)的模型參數(shù)成為生態(tài)水文模型區(qū)域應(yīng)用所面臨的瓶頸問(wèn)題。傳統(tǒng)的模型參數(shù)獲取方式主要為站點(diǎn)觀測(cè)，但觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)量有限且分布稀疏，雖然通過(guò)插值

22、等空間推測(cè)方法可獲得參數(shù)的空間分布信息，由于植被參數(shù)在空間上的變異強(qiáng)烈，參數(shù)誤差很大。遙感數(shù)據(jù)以大面積、快速、動(dòng)態(tài)的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于模型參數(shù)估計(jì)中，相對(duì)于傳統(tǒng)的稀疏離散點(diǎn)獲取參數(shù)是一種革命性的變革78。遙感技術(shù)能反和提取區(qū)域的地面物理參數(shù)和植被生物物理參數(shù)，如地表反照率、土壤水分、葉面積指數(shù)、光合有輻射、森林郁閉度、冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)等。但僅僅依靠遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)勢(shì)必在模型參數(shù)估算中引入了很大程度的不確定性。為最大限度地利用易獲取的遙感數(shù)據(jù)，減小參數(shù)估算的誤差，數(shù)據(jù)同化開(kāi)始活躍于模型參數(shù)估算中。遙感數(shù)據(jù)同化研究興起于20世紀(jì)90年代后期，主要采用模型模擬與遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的途徑來(lái)估算地表參數(shù)79-80

23、，其中卡爾曼濾波方法是數(shù)據(jù)同化中應(yīng)用最為廣泛的方法81-82。應(yīng)用數(shù)據(jù)同化能最大限度地利用不同來(lái)源和不同時(shí)空分辨率的遙感數(shù)據(jù)，將是未來(lái)流域生態(tài)水文模型參數(shù)獲取的重要手段。5 結(jié)語(yǔ)流域生態(tài)水文模擬是定量評(píng)估環(huán)境變化下流5405 期 陳臘嬌 等: 流域生態(tài)水文模型研究進(jìn)展按所模擬的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的不同，模型應(yīng)用代表性成果可以總結(jié)為以下兩個(gè)方面：3.2.1 在濕潤(rùn)森林流域中的應(yīng)用濕潤(rùn)區(qū)森林流域植被與水的相互作用關(guān)系是生態(tài)水文學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，利用流域生態(tài)水文模型模擬森林管理和氣候變化對(duì)水循環(huán)、碳循環(huán)和蒸散發(fā)過(guò)程的影響等。Band等構(gòu)建的RHESSys在加拿大、美國(guó)森林流域氣候變化與土地利用變化的生態(tài)水

24、文響應(yīng)過(guò)程模擬中得到非常廣泛的應(yīng)用53。Vertessy 等54基于TOPOG模型模擬澳大利亞熱帶森林小流域生態(tài)水文過(guò)程，結(jié)果表明模型能較好地模擬植被生長(zhǎng)及其對(duì)水文過(guò)程的影響。Chen等42利用BEP-TerrainLab模型模擬了加拿大北部森林小流域的蒸散發(fā)的季節(jié)變化，能夠得到合理的流域蒸散發(fā)值。這些模型應(yīng)用成果都顯示了流域生態(tài)水文模型在濕潤(rùn)森林生態(tài)系統(tǒng)中應(yīng)用的巨大潛力。3.2.2 在干旱半干旱流域中的應(yīng)用干旱半干旱區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱，缺水嚴(yán)重制約著植被的生長(zhǎng)與生存，植被生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)極其敏感，因此，流域水文模型被廣泛應(yīng)用于干旱半干旱流域中氣候變化對(duì)蒸散發(fā)過(guò)程及對(duì)農(nóng)田作物產(chǎn)量的影

25、響及作物耗水的影響等。Ro-driguez-Iturbe 等55-56在深入研究水分限制條件下大氣-植被-水文獨(dú)特的相互作用的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于生理生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)的生態(tài)水文模型，研究了地中海地區(qū)稀疏草原氣候變化下土壤水的變化及其對(duì)植物的生理生態(tài)過(guò)程響應(yīng)；Krysanova等31SWIM模型模擬德國(guó)的干旱區(qū)Elbe流域的生態(tài)水文過(guò)程；Mo 等57、王永芬等58構(gòu)建的VIP模型，能模擬流域不同水平年的(豐水年、平水年、干旱年)的蒸散發(fā)及的變化，在我國(guó)華北平原和黃土高原等地的區(qū)域蒸散發(fā)和農(nóng)田產(chǎn)量研究中得到較好的應(yīng)用。存在的關(guān)鍵問(wèn)題現(xiàn)有模型在對(duì)植被-水文相互作用機(jī)制的刻畫(huà)、流域空間的離散化、模型參數(shù)估計(jì)、不

26、確定性研究等方面尚存在問(wèn)題，這些問(wèn)題也是未來(lái)生態(tài)水文模型研究的重點(diǎn)，需要開(kāi)展深入的研究。4.1 植被-水文相互作用機(jī)制的描述對(duì)植被-水文的相互作用機(jī)制的描述，是生態(tài)水文模擬的關(guān)鍵。由于對(duì)植被-水文之間交互作用的復(fù)雜機(jī)理認(rèn)識(shí)尚不完整，在模型中如何合理刻畫(huà)生態(tài)水文交互作用和動(dòng)態(tài)耦合是生態(tài)水文模型構(gòu)建的難點(diǎn)問(wèn)題?，F(xiàn)有大多數(shù)模型所描述的植被與水文過(guò)程之間只是松散的耦合關(guān)系，并沒(méi)有充分考類(lèi)型的碳循環(huán)過(guò)程和Century模擬生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)過(guò)程。此后，涌現(xiàn)了許，多物理過(guò)程模型，這一類(lèi)模型的主要特點(diǎn)是采用植被生理生態(tài)機(jī)理過(guò)程模型來(lái)描述植被的光合作用等生理過(guò)程，將植被的生化過(guò)程與水文過(guò)程耦合在一起，一方面刻畫(huà)

27、水文過(guò)程尤其是土壤水對(duì)于植被生化過(guò)程的影響，另一方面能夠模擬植被的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)如LAI 的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化對(duì)于水文過(guò)程的影響。模型的缺陷在于計(jì)算復(fù)雜，涉及植物生理特性參數(shù)(如電子傳輸率、酶活性等)、植被形態(tài)參數(shù)(如冠層高度)等眾多參數(shù)，且大部分參數(shù)都難以獲得51-52，限制了模型的推廣與應(yīng)用。BEPS-TerrainLab模型是物理過(guò)程模型的代表模型之一。該模型是DSHVM模型基礎(chǔ)上耦合生物地球化學(xué)循環(huán)模型BEPs建立的流域生態(tài)水文模型，用于加拿大北部森林區(qū)碳循環(huán)與水循環(huán)耦合的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。模型中對(duì)于光合作用的模擬采用區(qū)分受光葉和隱蔽葉的二葉模型，葉片光合作用基于Farquhar生化模型；植被蒸騰作

28、用的計(jì)算，采用引入冠層氣孔導(dǎo)度的Pen-，冠層氣孔導(dǎo)度采用 Jarvis 提出的環(huán)境因子階乘公式。模型為全分布式模型，在空間上將流域劃分為柵格單元，模型采用逐網(wǎng)格進(jìn)行匯流演算，柵格之間通過(guò)坡面流和壤中流的逐網(wǎng)格匯流發(fā)生水文聯(lián)系，這一算法充分考慮了柵格單元的交互作用，但該匯流方法計(jì)算繁瑣，在較大的流域應(yīng)用困難。3.2 流域生態(tài)水文模型應(yīng)用的代表性成果流域生態(tài)水文模型自提出以來(lái)，廣泛應(yīng)用于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響下流域生態(tài)水文響應(yīng)研究，30 卷 5 期 陳臘嬌 等: 流域生態(tài)水文模型研究進(jìn)展域生態(tài)水文響應(yīng)的重要手段。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)流域生態(tài)水文模型已開(kāi)展了一定深度的研究，并取得了一些階段性成果。按模型

29、中對(duì)植被與水文過(guò)程相互作用的描述，將現(xiàn)有模型歸為兩大類(lèi)：?jiǎn)蜗蝰詈虾碗p向耦合模型，其中雙向耦合模型可歸納為模型、半物理模型和物理模型。目前，流域生態(tài)水文模型在濕潤(rùn)森林流域和干旱半干旱區(qū)氣候變化的流域生態(tài)水文過(guò)程響應(yīng)(如蒸散發(fā)過(guò)程)及氣候變化對(duì)作物產(chǎn)量影響研究中得到廣泛應(yīng)用。但現(xiàn)有模型在對(duì)植被-水文相互作用機(jī)制的刻畫(huà)、流域空間的離散化、模型參數(shù)估計(jì)等方面存在一些問(wèn)題，這些問(wèn)題也是未來(lái)生態(tài)水文模型研究的重點(diǎn)。生態(tài)水文耦合模型的研究依賴(lài)于生態(tài)水文學(xué)的學(xué)科發(fā)展和理論研究，生態(tài)水文模型的發(fā)展要結(jié)合生態(tài)水文學(xué)的最新研究進(jìn)展，才能夠?qū)崿F(xiàn)模型在理論上的突破構(gòu)成某一地區(qū)、某一時(shí)段水文狀況的必要因素。如降水、蒸發(fā)和徑流。是水文循環(huán)中的3個(gè)基本要素。此外，水位、流量、含沙量、水溫、冰凌和水質(zhì)等也可稱(chēng)為水文要素。各種水文要素可以通過(guò)水文站網(wǎng)的水文測(cè)驗(yàn)和觀測(cè)來(lái)測(cè)定，是預(yù)報(bào)、研究水體水文情勢(shì)的不同物理量。成某一地點(diǎn)在某一時(shí)間的水文狀況的必要因素。包括各種水文變量和水文現(xiàn)象。降水、蒸發(fā)和徑流是水文循環(huán)的三要素。有時(shí)，也把水位、流量、含沙量、水溫、冰凌和水質(zhì)等稱(chēng)為水文要素。水文要素由水文站網(wǎng)通過(guò)水文測(cè)驗(yàn)和觀測(cè)加以測(cè)定，取得數(shù)據(jù)。 水文要素 (hydrological elements) 構(gòu)成某一地點(diǎn)或區(qū)域在某一時(shí)間的水文情勢(shì)的主要因素。水文要素是描述水文情勢(shì)的主要物理量，包括各種水文變量和水文現(xiàn)