寒区水文循环模型研究进展

李保琦，肖伟华，王义成，孙青言，刘卓娅

(1.中国水利水电科学研究院，流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵阳 550002)

寒区，顾名思义是指寒冷地区，以气温因素为指标的气象学、以温度带为依据的气候学、以植被线为依据的植被学、以栖息物种为依据的生态学等都有各自对寒区的认识和寒区范围的界定，故对于寒区的地理范围，迄今为止尚无明确统一的说法，不同的出发角度给出的寒区定义也不同，所给定的寒区范围差异也较大.我国目前采用较多的是陈仁升[1]对我国寒区划分的结论.水文过程考虑的是寒区水分和热量两方面的因素，寒区水文过程应该囊括固态水分显著参与水文过程的主要地区，而固态水分地区较小、存在时间较短的地区固态水分对水文过程和水循环的影响较为微弱，所以在认定寒区范围时需要以不同气候和地理条件下水循环和水文过程的特点为依据.

寒区水文主要研究水分要素的时空分布及其运动规律，它的主要特点是水以固态形式储存，以液态形式释放，研究对象包括冰川水文、积雪水文、冻土水文、海冰水文和河湖冰水文[2].寒区水文作为冰冻圈科学和水文科学的交叉学科，其过程复杂多变.固态水分融化过程不仅与温度等能量条件密切相关，而且与水体动力学有关，同时还受到下垫面条件等因素的影响.寒区水文过程诸要素的时空差异性也增加了寒区水文的复杂性，以积雪为例，积雪的分布范围、积雪厚度、积雪面积、风速，日照、地形等都会对融雪产生影响.寒区自然环境恶劣，多为人迹罕至地区，这就增加了寒区色过程观测的不确定性，导致观测资料的不足和缺失.与非寒区水文要素相比，寒区水文要素有很大的差异性.冰—水相变是其最大的特点，固—液转化是寒区水文的基本过程，所以寒区水文过程受温度的影响更大.

针对寒区水文循环模型，国内外学者做了很多探索，包括非寒区水文模型经调试后在寒区的直接应用、非寒区水文模型经改进后在寒区的应用、基于模块化建模方法的寒区水文过程模拟和寒区陆面过程模型的开发等.本文回顾了近年来应用于寒区水文循环的模式模型，将其分类为非寒区水文模型的直接应用及其改进、基于模块化建模方法的寒区水文过程模拟、寒区陆面过程模型发展等三类，并以SWAT模型、新安江模型及其改进、CRHM模型和CoupModel模型为例展开论述，指出了以上三类现存模式的优缺点及其适用性；最后给出了寒区水文过程研究的趋势和发展方向的展望.

1 寒区水文循环模型发展

寒区水文循环与非寒区相比具有很大的特殊性，根据径流特性指标寒区年内径流过程分为五个环节，它们分别是春汛期、春汛退水期(夏初)、夏汛期、夏汛退水期(秋季)以及冬季冻结期，而每一个环节中冻土融水、积雪融水、降水、等在径流中所占的比重也有所不同.同时，高海拔寒区与高纬度寒区、多年冻土区与季节性冻土区以及多年冻土区小流域和大流域尺度降水径流特征都存在着明显的差异.因此，任何一种以单一降水产流机制为基础的水文模型都不适用于寒区水文循环，在回顾近年来应用于寒区水文过程的模式模型的基础上，根据模型模式的使用方式和模拟用途将其分类为非寒区水文模型的直接应用及其改进、基于模块化建模方法的寒区水文过程模拟、寒区陆面过程模型发展等三类，并分别选取了典型模型展开论述，指出了以上三类现存模式的优缺点及其适用性.

1.1 非寒区水文模型的直接应用及其改进

目前存在各种各样的水文模型，但基本都是针对非寒区开发研制的，没有专门的典型寒区水文模型，所以在对寒区水文过程进行研究时，最简单方便的做法就是根据所研究寒区的特点和所选水文模型的特色将非寒区水文模型经调试后直接在寒区进行水文计算模拟，或根据所研究寒区特点，针对非寒区水文模型的某一部分进行改进，而后应用于寒区.其中应用最多的就是SWAT模型和新安江模型.

由美国农业部(United States Department of Agriculture，USDA)农业研究中心(Agriculture Research Service，ARS)Jeff Amold等[3]开发 SWAT 模型(Soil and water Assessment Tools)的最初目的是预测在不同土地利用方式、多种管理措施、和复杂土壤类型以及动态植被覆盖等条件下土地管理对水分、化学物质和泥沙的长期影响[4].因此，SWAT模型的应用流域大多为人类活动频繁、下垫面变化明显、植被生长活跃的湿润及热带地区[5]，在寒区的研究则相对较少.寒区特殊的气候条件和水文特性对径流(尤其是冬春季径流)的准确模拟造成了很大的困难，比如日流量过程模拟，多数水文模型模拟的纳什效率系数均较差.SWAT模型在寒区水文循环模拟过程中可以适用，但仍存在不足，如春汛洪峰流量偏小，融雪期径流总量模拟结果明显小于实测值等[6].所以，SWAT模型在寒区的适用性和通用性有待研究，或将SWAT模型中的某个部分改进后再应用到寒区水文过程模拟中.

Fontaine等[7]以SWAT模型为基础对融雪径流模块进行了改进，改进后的SWAT模型可进行高寒山区径流模拟，且模拟精度大幅提高；黄清华等[8-9]应用改进的SWAT模型SWAT-GIS对黑河干流山区流域进行了模拟，证实了浅层蓄水层和海拔高度对地下径流和融雪径流过程的关键影响；车骞等[10]通过着重调试冰雪和冻土的水文过程的参数直接应用SWAT模型对黄河源区水资源进行了预测，模拟结果较好；孟现勇等[11-12]耦合了CMADS数据集和SWAT模型对黑河流域进行了模拟，并基于SWAT模型对天山北部中段军塘湖流域进行模拟，分析了该流域降水和气温对融雪径流的影响；余文君等[13]将SWAT模型和FASST模型积雪集成，改善了SWAT模型中的融雪径流部分，使得融雪径流精度得到显著提高；郝振纯等[14]应用SWAT模型分析了地形和融雪对黄河源区水文过程的影响进；李慧等[15]通过SWAT模型分析了山区冰雪融水河流的日径流，精度较好；库路巴依等[16]基于SWAT模型模拟了新疆叶尔羌河山区融雪径流，结果可满足研究区的融雪径流模拟精度要求.

应用SWAT模型模拟寒区水文过程不外乎两种途径，一是根据研究区域特点，对SAWAT模型某一部分进行着重调参，使之尽可能的符合所研究寒区的水文过程，繁琐的率定和校验过程不但增加了工作者的工作量，而且运算结果只能在局部满足研究需求，而不能全方位符合研究区域的水文特性，比如王树才[5]在未改进SWAT模型的前提下，应用SWAT模型模拟北方高寒地区的径流，虽然结论是模拟结果较好，但是对流量峰值的模拟效果很差，对2003年的洪水模拟结果比实测值小了将近1000m3/s.表明未经改进的SWAT模型虽然可以应用于寒区，但适用性非常有限.二是根据寒区特点对SWAT模型的某一或某些特定部分进行改进，使之符合于寒区的单个或多方面的特性，但是局限性非常明显.比如孙万光[6]对SWAT模型封冻和解冻期的截留量和土壤覆被指数，尤其对积雪的雪水当量较大和较小时的土壤覆被指数进行了改进，模拟结果显示冰冻期和非冰冻期之间的水文过程连续性精度有了明显提高，但是对退水过程的模拟效果较差.这说明改进的SWAT模型虽然对寒区水文过程的某个环节针对性有所增强，但还是不能从根本上彻底解决SWAT模型在寒区水循环中的适用性问题.

概念性集总式新安江模型[17]是典型的蓄满产流模式的模型，在我国南方地区应用比较广泛，由于其提出较早、使用历史悠久，在科研和实践中得到了充分的验证，所以为广大水利工作者所熟知.而寒区水文过程的特点[18]是：在积雪和冻土阶段，固态降水不断贮存，产流基本停止，主要是退水；在冻融阶段，虽然这一时期的水文特性不稳定而且是最复杂的，但是限于融冻速度，此时的汇流并非坡面上的，而是类似壤中流汇流，可以认为该阶段主要的产流模式也是蓄满产流；主汛期阶段，在没有大的植被覆盖变化和显著的下垫面变化的前提下，这一时期寒区的水文特性和非寒区可以认为是一致的.基于此，改进新安江模型的思路是从寒区水文物理特性入手，抓住产流机制中的关键环节并进行概化抽象，在新安江模型的基础上建立具有物理机制的适用于寒区的水文模型.

改进的新安江模型通过假定地面气温与高空气温为线性关系[19]，解决了雨夹雪的分配问题；根据热力学原理，以气温和降水为自变量，计算融雪出水量；以冻土冻融过程物理机制为基础模拟冻土中土壤水分的运移；在假定融冻期产流损失分布与流域蓄水容量分布成正比和土壤蓄水能力是时间的线性函数的前提下，通过线性公式计算冻土融化时冻土中水分释放的产流损失；根据温度累计负气温的值来确定冻土开始和结束的实际日期；通过给定各个月的蒸散发折减系数计算流域蒸散发；在水量平衡的原则下分别计算各种径流成分以及自由水等并重新设置参数来计算融冻其壤中流和地下汇流；按蒸散发能力计算有积雪存在时的蒸散发.至此，适用于寒区新安江模型的模型结构[20-21]基本确定.

改进的新安江模型结构是合理的，模型特征与寒区物理特性一致，所以模拟结果与寒区径流规律基本吻合.但是，这种改进是很粗糙的，不能细致的体现寒区水文过程的每一个环节，所以不能给出水文变量在流域内的分布，即水文变量空间变异性问题没有得到解决.还有忽略了一些具有寒区特征的问题，比如降雪的分散性对融雪径流的影响，阳坡、背阳坡等地形因素对融雪的影响以及冻土渗漏等问题都没有考虑在内.此外，状态变量的过渡转换和模型参数的确定等问题也亟待解决.

应用调试后或改进的非寒区水文模型模拟寒区水文过程，存在先天的劣势，即存在参数和物理过程的等效性问题，因为不能充分考虑寒区的水文过程物理机制，仅仅从模拟效果的角度说明非寒区水文模型在寒区是适用的[22].比如不考虑寒区实际的冻融过程，通过对模型参数进行调整，同样可以获得精准的模拟效果，甚至比考虑寒区实际物理过程的模型模拟效果更好.然而，这种静态输入参数的方式，只能适用于稳态条件(steady state)，而对瞬态(transient state)条件则考虑不足，静态参数不能适用于动态条件，模拟结果最终会受到影响.所以，开发基于物理过程、结合土壤冻融等各种影响因素对水文过程影响的动态寒区水文模型就十分必要.

1.2 基于模块化建模方法的寒区水文过程模拟

物理分布式模型或是集总式模型，物理模型或是概念性模型，它们都是针对特定问题或目标、单一的数学理论基础、唯一的参数化方案过程(包括固有假定)和固定的驱动数据要求而设定的模型结构，使得模型的适用范围受到很大限制，不能根据切实的建模条件进行模拟和预测.近年来，随着人们对寒区认识的深入和科技的发展，基于建模环境的模块化建模思路的模型结构设计成为寒区水文过程研究的新思路.根据实际物理过程特征和数据限制设计和选择模型结构、建模策略并考虑模块内参数化方案和固有的假设，用户可以相应的搭建适合自己研究区的模型.同时，该方法数据库可观、建模环境开放，不仅可以帮助用户实现已存模块功能，还可以在原有模块的基础上进行模块的二次开发和新模型新模块的研发.

CRHM(Cold Regions Hydrological Model)模型[23]是由加拿大气候与气象委员会于2006年在IP3(Improved Processes and Parameterization for Prediction in Cold Regions)计划中开发的综合性寒区水文建模平台，该模型以面向对象的模块化框架MMS(The Modular Modeling System)[24]为基础，是第一个具备松散形式的模块化集成思想[25]的模块化寒区水文模型.

松散形式的模块化集成[26]思想的精髓是描述寒区水文过程的模块库中刻画寒区每个子水文过程的模块之间形式上是松散的，使用者根据研究区特点和限制条件以及各子模块特性所选择的子模块搭建的水文模型属于集成研究.

国际上存在各种各样的寒区水文过程模拟方法，比如与积雪消融过程有关的 EBSM模型[27]、SNTHERM 模型[28]、Snobal模型[29]、SNOWPACK 模型[30]等，CRHM将其进行整合，组建了完整的寒区水文过程模块库.选择的模块主要包括：Garnier和Ohmura辐射模块[31]、Prairie风吹雪模块[32]、Gray和Landine反射率模块[33]、能量平衡法融雪模块[27]、积雪升华模块[32]、Gray’s春季冻土区下渗模块[34]、Green-Ampt土壤未冻结下渗模块[35]、Granger和Gray’s[36]或 Priestley 和 Taylor’s[37]蒸散发模块以及Leavesley[38]土壤水分平衡模块.CRHM模块化建模方法在寒区水文过程模拟中相关模块流程见图1.该模块库集成系统既包含概念性集总模型，又包括基于物理机制的分布式模型，涉及寒区水文过程的各个子环节：辐射交换过程、风吹雪过程、积雪升华、积雪融化、蒸散发、降水截留、土壤冻融过程、冻土和未冻土中的水分迁移、冻土坡面汇流以及产汇流过程等.最新版本的CRHM已经将冰川物质平衡和消融过程考虑在内[26].

由于CRHM寒区水文过程模块库集成系统的全面性和可选择性，使用者可以根据研究区特性、各子模块特点、计算目标、现有驱动数据、子模块参数化方案及其计算原理等条件有针对性的灵活选择最合适的子模块搭建与研究区和研究目的最吻合的寒区水文过程模型.正是由于模块化寒区水文模型CRHM具有全面性(模块库)和可选择性的特点，该模型在应用时具有针对性和灵活性的特点，即CRHM模型在使用时可以本地化[39]，在现有研究成果的基础上便利的选择子模块，保证了计算过程的便捷性和计算结果的准确性.

2013年周剑等[25]应用基于模块化建模方法CRHM在中国西北寒区对水文过程进行了模拟，验证了该模型在典型寒区小流域是适用性，结果表明模块化的建模方法可减少模型的不确定性，并且适用于无资料或资料缺少的寒区；2013年张伟等[40]应用CRHM对高寒土壤热状况和水文过程进行了模拟，解决了土壤、生态、水文、气象和管理等多因素之间交错关系、相互作用等问题；2017年韩丽等[39]采用CRHM解析了长江源头流域水文要素对气候因子的响应，在地形复杂、气候因子空间差异性明显、水文变量空间 变异性显著的流域取得了显著成果.

图1 CRHM模块化建模方法在寒区水文过程模拟中相关模块流程图Fig.1 The flow chart of CRHM in cold regions hydrology

总之，基于模块化建模方法CRHM寒区水文过程模拟具有以下三方面的优点：①可对现存关于寒区水文过程的模型和算法进行评估；②可对这些模型和方法根据自己的理解继续修改；③不断吸纳先进的寒区水文模拟进入CRHM模块库，进而动态发展新的模型和算法.模块化建模方法真正践行了“U盘化模型”的发展新思路，即“自带信息，不装系统，随时插拔，自由协作”.各子模块作为模块库的个体可以自由发挥本模型的长处，也就是说，各子模块都具备一种相对于其他模型的优点，该优点可以在应用中衡量出来，衡量的标准是计算结果的精准度，这样就可以在各子模块之间实现“随时插拔，自由协作”，规避了传统模型对数据或参数的刻板要求和嵌入模式等问题.

模块化集成模型开发理念是解决恶劣自然环境寒区水文循环的有效途径.该理念虽然可以集成各寒区水文模型的优点，但是在与陆面模式和气候模式的耦合方面还很欠缺，不能站在水圈、大气圈、生物圈、人类圈和岩石圈等圈层的高度考虑寒区水循环问题，所以加强寒区陆面过程模式的开发是很必要的.

1.3 寒区陆面过程模型发展

陆面水文过程研究的重要目标之一就是模拟发生在地—气交界面上的各种物理、化学和生物过程，并通过概化和假设将这些过程用于数值模拟，进而准确的反映发生在陆地和大气之间的物质和能量变化过程[41]，陆面水文过程研究的最终目的就是实现陆—气耦合模式[42].目前陆面水文过程在寒区的发展正处于开始阶段，以水量平衡和能量平衡为两大理论基础的陆面水文过程可以很好的满足对能量依赖度更强的寒区，只是与常用的水文模式相比，陆面水文过程参数化方案对水文过程的处理都比较简单[41].

CoupModel(Coupled heat and mass transfer model for soil-plant-atmosphere system)[43]陆面过程模式是在SOIL[44]和SOILN[45]模型的基础上发展起来的研究土壤—植物—大气系统中水热交换(Soil-vegetation-atmosphere transfer)系统中能量、动量和质量变化过程及其作用的重要模型.经过数次修正后[46]，该模型已经发展为不但能够模拟土壤—植物—大气系统中水热交换过程，而且对碳氮运移也可以进行较好的模拟.Jansson[47]等对CoupModel陆面过程模式进行了详细描述.

图2 CoupModel模型中水量平衡(左)和热量平衡(右)Fig.2 Water balance(left)and heat balance in CoupModel

CoupModel模型涉及的主要过程包括土壤水过程、地表径流过程、冠层截流过程、排水与深层渗透、植被蒸腾过程、土壤蒸发过程、土壤热量过程和辐射过程等[48]，故该模型涵盖了陆面过程的各个环节，可以模拟整个陆面过程.其中模型的核心是描述土壤水热运移2个控制性方程[49]：土壤热通量方程和土壤水通量方程.新版本的模型加入了考虑辐射过程和表层地热通量、基于质量守恒和能量平衡的积雪过程部分，涉及寒区的水文过程中该模型可以计算长短波辐射、土壤热通量、土壤温度、土壤水分、土壤冻融起止时间和冻融深度等.此外，该模型含有多种参数化优化方案，使之可以很好的适用于无资料和缺资料地区.

CoupModel模型是一维动态模型[50]，不能描述横向的水热流动，故模型结构有待进一步完善；在尺度方面，CoupModel模型属于“点”尺度模型[51]，不能很好的刻画下垫面不均匀性的影响，所以在流域尺度上很难得到应用；CoupModel模型几乎涵盖了陆面过程的各个环节，所以涉及的参数较多，故在参数估计过程中就难免存在异参同效现象，需要对象进行简化，确定影响水热通量的关键性参数；CoupModel模型在欧洲地区得到了广泛应用，但是在国内尤其是寒区应用较少，故其适用性尤其在寒区的适用性需要进一步验证.

2 展望

寒区水文循环由于其处于冰冻圈科学和水文科学交叉学科上的特殊性，使其本身具有与生俱来的复杂性，加之寒区所处区域多为环境恶劣地区，又增大了第一手观测资料的获得难度.很多大型研究计划，比如世界气候研究计划(WCRP)、国际地圈生物圈计划(IGBP)、气候与冰冻圈计划(Climate and Cryosphere，Clic)、PUB 计划(Predictions in Ungauged Basins)以及IP3计划等都将寒区水文过程的研究作为重要研究内容或核心计划，体现了寒区水文循环研究的重要性和必要性.

在研究寒区水文循环的众多模型中，本文通过归纳分类，将其分为非寒区水文模型的直接应用及其改进、基于模块化建模方法的寒区水文过程模拟和寒区陆面过程模型等三类.

非寒区水文模型的直接应用及其改进方法虽然可以针对研究目的、寒区特点和模型特征三方面的综合评估，按照“最近邻”的原则将非寒区的水文模型“移植”到寒区进行应用，但是需要尽量大工作量的参数调试，应用调试后或改进的非寒区水文模型模拟寒区水文过程，存在先天的劣势，即存在参数和物理过程的等效性问题，因为不能充分考虑寒区的水文过程物理机制，仅仅从模拟效果的角度说明非寒区水文模型在寒区是适用性.

基于模块化建模方法的寒区水文过程模拟真正践行了“U盘化模型”的发展新思路，具有以下三方面的优点：①可对现存关于寒区水文过程的模型和算法进行评估；②可对这些模型和方法根据自己的理解积雪修改；③不断吸纳先进的寒区水文模拟进入CRHM模块库，进而动态发展新的模型和算法.但是该方法还是以水文模型为基础，多为中小尺度上的计算，缺少大格局、大尺度的陆—气间水分能量通量的宏观模拟.

寒区陆面过程模型弥补了以上不足，它不但可以模拟陆—气间水分能量通量，还可以与上端口的气候模式和全球模式、下端口的水文模型进行耦合，但耦合技术尚不完善.陆面水文过程模式与水文模型在时空尺度上存在“十”字的不匹配性，即在空间上陆面水文过程多为大尺度，而水文模型多为中小尺度，在时间上，陆面过程多以秒、分、时为基本单位，而水文模型的基本时间步长则多为分、时、日、月、年等.开发具有高精度、小口径的陆面水文过程模型，实现大气陆面的双向耦合是寒区水文循环研究中亟待解决的问题.

虽然目前对于寒区水文循环的研究从机理认识到模型模拟都还处于探索阶段，各环节都还有待完善，但是随着对寒区地表过程的研究，数学和计算机技术的不断发展，包含冰川水文、积雪水文、冻土水文、海冰水文和河湖冰水文等各个模块、适应不同区域不同特点典型寒区水文模型也得到了长足发展.由于寒区水文过程的特殊性、复杂性、不确定性和重要性，开发基于寒区物理机制、符合实际的高精度、多尺度、可耦合的典型寒区水循环模型是寒区水文循环研究的重要方向之一.

3 结束语

寒区水文循环在全球水分和能量循环中占据特殊的地位，非寒区水文模型的直接应用及其改进、基于模块化建模方法的寒区水文过程模拟和寒区陆面过程模型等都可以作为研究寒区水文循环的有效工具，并对认识寒区水文循环过程和能量水分循环机理做出一定的贡献.但是寒区水文过程因其特殊性、复杂性和不确定性，模型中涉及寒区水循环的各环节都还有待完善，开发基于寒区物理机制、符合实际的高精度、多尺度、可耦合的典型寒区水循环模型是寒区水文循环模型发展的必然趋势.

在模型完整性，应该尽可能的开发涵盖春汛期、春汛退水期(夏初)、夏汛期、夏汛退水期(秋季)以及冬季冻结期五个环节的寒区水文模型，使得冻结期和非冻结期以及它们之间的过渡时段在径流模拟上完成很好的衔接，尤其是过渡时段的模拟应特别注重冻土融水、积雪融水、降水、等多水源寒区径流组分的的构成及其分割.同时，模型还应考虑植被、气温、降水和土壤冻融对寒区水循环过程的影响.

在模型全面性方面，应充分考虑冰川、积雪、冻土、海冰以及河湖冰等多方面的寒区水文过程，单独考虑某一方面水文过程的寒区水文模型都是片面的.寒区水循环过程是一个复杂的水文过程，它既有非寒区水循环物理生化机理的共性，又有寒区所特有的特性，而随着寒区区域不同、环境不同、成因不同，寒区水文过程彼此之间又存在差异，所以，典型的寒区水文模型应该将影响寒区水文过程的全要素考虑在内.

在模型空间性方面，应该开发多尺度寒区水文模型.寒区水文过程是水文学的一个特殊分支，但同时它也是冰冻圈科学的重要组成部分，与水圈、大气圈、生物圈、人类圈和岩石圈之间存在着相互影响、双向互馈关系.寒区水文模型与陆面模式以及区域气候模式和全球模式的双向耦合已成为研究寒区对全球变化的响应和影响的必然需求，发展精细的寒区陆—气—水耦合模式是寒区水文过程面临的最大挑战，也是寒区水循环研究的前沿热点和核心问题之一.