国内MIKE SHE水文模型研究与应用综述

袁 旭，陆 颖，赵著燕，毕晓静

(1.云南大学 国际河流与生态安全研究院，昆明 650091； 2.云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室，昆明 650091)

1 概 述

分布式水文模型考虑了气候和下垫面因子的空间异质性，与集总式水文模型相比能更准确、真实地模拟流域水文过程，从而能更好地区分自然和人为因素对流域水资源和水环境的影响[1]。MIKE SHE作为典型的分布式水文模型，具有精确水文分析、模拟与预测功能。该模型已被广泛用于研究不同气候及水文机制下水资源及水环境问题[2]。随着我国水文测验水平提高，基础观测资料日益丰富，为MIKE SHE水文模型在我国的应用提供了数据基础。近年来，国内学者广泛将MIKE SHE水文模型应用于水文分析领域[3]。本文对MIKE SHE水文模型在我国的研究与应用进行系统地分析，讨论了研究与应用中存在的问题与挑战，并针对目前所存在的问题提出解决思路。

2 MIKE SHE水文模型

1986年丹麦、法国及英国的研究机构联合开发SHE模型，开启了分布式水文模型研制开发的先河[4]。20世纪90年代初，丹麦水力学研究所(DHI Danish Hydraulic Institute)基于SHE模型进一步开发研制了MIKE SHE水文模型[5]，该模型是水资源综合管理模型，具有良好的地表水-地下水联合模拟功能。随着水文模拟技术、水文测验技术与地理信息技术的发展，MIKE SHE水文模型不断地进行技术改进与版本更新，目前已发展到了2017版。

MIKE SHE水文模型是一个集地下水、地表水模拟为一体的系统。基于水文循环原理与水量平衡原理，该模型建立了一套完善的数据前后处理系统，为数据有效处理提供了工作平台。为达到高效、精确模拟目的，MIKE SHE水文模型软件构建了灵活的水文模拟框架，可根据研究者需要建立特定的模型结构。模型通常将流域离散成若干矩形网格，应用数值分析的方法建立相邻网格单元之间的时空关系，可根据研究区范围、模拟精度等确定网格数量及大小。并通过将各水文过程模块化，构建水流运动模块(MIKE SHE SW)，该模块包括6个独立且相互联系的子模块：融雪(SM)、蒸散发(ET)、坡面流(OL)、河流与湖泊(OC)、不饱和带(UZ)与饱和带流(SZ)。各子模块对应描述水文循环中水体运动的物理过程，可根据研究区特征、研究目的、数据收集情况选择不同子模块进行模拟，以保证模拟的真实性、准确性[6]。有别于SWAT模型、VIC模型、TOPMOELDEL模型等分布式水文模型，研究者可根据研究区不同气候、地质特征及观测资料获取情况，结合各算法的优缺点及区域适用性，选择最合适算法开展建模。各子模块算法见表1。

表1 子模块对应算法

续表1

3 国内MIKE SHE水文模型研究与应用类型

MIKE SHE水文模型中水流运动模块是由多个独立子模块构成并可根据实际气候和下垫面条件灵活地组合，从而使模型的可应用领域更为多元化。国外基于MIKE SHE水文模型的研究起步较早，模型应用领域广泛，而国内尚处于结合我国实际情况的开发及应用阶段[3]。研究类型主要集中于区域水文模拟、地下水水文分析、降雨-径流模拟、洪水预报等方面。

3.1 区域水文模拟

依照地貌、气候等特征，我国可大致划分为三大自然区：西北干旱半干旱区、青藏高原高寒区以及东部季风区[7]。不同区域间水文、气象、下垫面等因素都有明显的时空差异，导致不同区域水文模拟难度不同。由于西北干旱半干旱区与青藏高原高寒区自然环境的恶劣与地形的复杂性，增加了水文气象站点布设难度，影响了基础观测数据的获取，进而影响了水资源评价的准确性与水文模拟的真实性[8]。MIKE SHE水文模型对基础观测数据的数量及精度都有较高要求，尽管模型具有优良的模拟系统，但数据缺乏导致西北干旱半干旱区与青藏高原高寒区应用较少。黄粤、陈曦等[9]基于MIKE SHE水文模型在新疆干旱区资料稀缺流域展开了径流模拟，模型效率系数达到了0.7，虽然模型效率仍有待提高，但在资料相对缺少的条件下构建MIKE SHE水文模型是完全可行的。姜凌峰、薛联青等[10]利用MIKE SHE水文模型对新疆干旱区玛纳斯河流域莫索湾灌区进行自然-人工复合模拟，评估节水灌溉对地下水位的影响，由于该地区垂向土壤资料匮乏，使模拟地下水补给过程产生了偏差，对整个水文模拟的精度产生了一定影响。相比之下，东部季风区基础观测数据较易获取，MIKE SHE水文模型应用区域较为多元化，目前已涉及平原、岩溶流域、丘陵等不同地貌区域，针对这些观测资料丰富的区域有着相对较高的模拟精度[11-12]。

3.2 地下水水文分析

MIKE SHE水文模型采用了地表水-地下水联合模拟，充分考虑了地下水蒸发、补给、排泄等各个环节，为合理开采与利用地下水提供了技术支持与科学依据。2015年，周浩[13]基于MIKE SHE水文模型对大小凌河地区进行了地下水资源可利用量相关研究，并剖析了其影响因素。根据模拟结果计算分析，准确预测了2014～2016年不同降雨保证率下人工可开采地下水资源可利用量，并指出大小凌河地区人工开采对地下水可利用量的影响较小，其主要影响为降雨和蒸发。姚建、张晓威[14]基于MIKE SHE水文模型对辽宁营口鲅鱼圈地区地下水资源量进行了定量评估，与辽宁省第二次水资源评价结果对比表明，通过模型模拟出的地下水资源量与辽宁二次水资源评价成果中的地下水资源量仅相差16×104m3，评估误差不到1%。2015年，武汉大学卢小慧、刘奇龙等[15]将MIKE SHE水文模型应用于丹麦Skjern流域，对该流域进行了地表水-地下水耦合模拟。此研究模型率定期纳什效率系数为0.97，模型验证期纳什效率系数为0.81，表明MIKE SHE水文模型在Skjern流域适用，基于该模拟，研究者成功分析了Skjern流域地下水水文响应。可见，MIKE SHE水文模型能够准确地计算地下水变化与交换量，在地表水-地下水耦合模拟上有着较高的精度。

3.3 降雨-径流模拟

MIKE SHE水文模型水流运动模块(MIKE SHE WM)能真实模拟由降雨到径流的完整过程，符合径流形成原理。基于MIKE ZERO平台将MIKE SHE与MIKE 11耦合使用能完整地描述整个流域河网构成及流域中水流运动过程。利用Arc GIS、土壤水文特性软件SPAW、MIKE ZERO平台等对数据预处理并输入各个子模块，进行初步模拟后再进行参数校准与验证，可获得良好的降雨-径流模拟效果[16]。马全[17]利用1991～2006年的水文气象数据、土壤数据、水文地质数据、地理信息数据等，基于MIKE SHE水文模型成功模拟了湟河流域降雨-径流过程，并取得了良好的模拟效果。黄粤、陈曦[18]在开都河流域山区采用具有空间异质性的降雨数据进行降雨-径流模拟，模拟径流与实测径流过程线的相关系数在0.7左右,研究者在此基础上进一步进行了降雨输入对径流模拟产生不确定性分析，得出降雨的时空分布是径流模拟产生不确定性的主要原因。

3.4 洪水预报

我国是世界上洪涝灾害频发且严重的国家之一[19]，因此洪水演进与洪水预报研究是当前水文学重要课题之一。目前，我国洪水预报工作采用的主要方法包括实用洪水预报方案与洪水预报数学模型[20]。虽然我国洪水预报技术开发进展较快，由我国自主研制的流域水文模型有的已达到国际领先水平，但针对我国中小型河流突发性强、预见期短、汇流时间快等特点，依靠传统预报技术很难高效预报。此外，突发性洪水在整个流域上呈现点多面广的特点。基于传统集总式水文模型很难准确地描述洪水在整个流域境内分布及演进情况，因此引进分布式水文模拟系统进行洪水分析与防治显得尤为重要[21]。作为综合性物理分布式水文模型，MIKE SHE在我国洪水灾害防治研究上有着可观前景。2015年，汤旻、曹双和等[22]采用MIKE SHE分布式水文模型软件，对六硐河甲茶水电站影响流域的水文过程、洪峰流量进行水文模拟，并与实测流量序列进行了拟合比对。研究表明，模拟结果基本可靠，确定性在0.7以上，达到了《水文情报预报规范》所规定的乙级预报精度，可见MIKE SHE水文模型能有效服务于洪水预报工作。

4 存在的问题

4.1 数据支撑问题

对于MIKE SHE水文模型本身而言，模型具有较好的物理基础，但需要大量精确参数与数据进行支撑，建立和率定模型耗时耗力，从而阻碍了模型的应用与推广[23]。而对于我国MIKE SHE水文模型研究与应用而言，我国水系众多，MIKE SHE水文模型潜在研究区域众多。但各水系水文地质条件、气象条件千差万别，部分地区水文监测基础设施落后、获取数据的能力有限，导致了研究应用难度加大，从而阻碍了MIKE SHE水文模型的科学研究进程，使得基于MIKE SHE水文模型的研究区域较为局限。

4.2 数据处理问题

水文要素的空间分布数据是MIKE SHE水文模型的基础支撑数据。但在我国目前的观测条件下，水文气象数据、土壤观测数据及地下水观测数据都基于特定观测站点所获取，模型数据处理工作中的一个重要步骤为将观测站点实测数据插值成面域上的数据。研究者所选插值方法及插值工具会直接影响数据插值效果，进而间接影响模型模拟精度。因此，如何提高插值精度，如何直接获取面域上的水文气象资料及土壤地质资料，是MIKE SHE模型研究应用中所面临的问题。

4.3 子模块算法选用问题

各子模块可供选择的算法能有效提高模型搭建的灵活性，但其应用过程需要研究者了解对应算法的基本原理，增加了研究者使用难度，提高了研究者使用门槛[24]。此外，不同子模块算法并非完全能依照用户需求自由组合。例如，不饱和带模块Richards公式不能与饱和带模块线性水库法联合使用。

5 结论与建议

当前，国内学者已将MIKE SHE水文模型应用于水文模拟与水资源管理，并取得了一定成绩。但鉴于水文过程自身的复杂性，基于MIKE SHE的应用与研究仍存在许多问题，这些问题主观方面受到研究区基础观测数据匮乏的限制，客观方面需要研究者深入理解模型模块与算法背后的水文机制。针对所存问题建议：

1) 从模型数据需求入手，积极推进水文气象、水文地质等观测技术的发展，观测技术成熟将有力地推动MIKE SHE模型发展与应用。对于水文气象资料缺乏地区，在条件允许下应适当增设观测站点以便获取丰富的基础观测数据。此外,还应大力推进面域上水文观测技术的发展，积极推进雷达测雨技术、遥感技术与MIKE SHE水文模型集成。

2) DEM分辨率会影响河网提取，从而对河长、河流流向及水域面积等产生一定影响，因此搭建模型时应根据具体情况慎重选择DEM精度。此外,应深入研究网格大小对模型产生的影响，为不同空间尺度、不同下垫面特征的研究区提供网格划分参考依据。

3) 针对不同的研究区与研究目的，应充分考虑选用适合的时间尺度、适当的算法，从而提高模拟的精度与效率。