2020年11月第42卷第6期
Ground water
Nov . ,2020Vol . 42 NO . 6
D 01：10. 19807/j . cnki . DXS . 2020 -06 -013
孙冉“2，韩丽2，王成都\王俊文4，王天泽1
(丨.北京市京密引水管理处，北京101400 ; 2.北京市水科学技术研究院，北京100048 ;3.生态环境部环境规划 院，北京100012 ; 4.北京市水资源调度中心，北京100038) [摘要]地表水和地下水的相互作用越来越频繁和复杂，两者间的转换搞合研究也越来越深入。结合当前 已有地表水和地下水资源的相互作用研究，评述国内外主要的耦合模型并归纳分类，构建水文模型，尤其是分布式 水文模型可以科学合理的反应流域内，各要素变化对环境和水资源的影响，并进行预测和评价。得出，耦合水循环 各组成部分的综合系统是模型的发展趋势。 [关键词]地表水；地下水；耦合模型；分布式水文模型[中图分类号]P 641.2教育手拉手论坛
[文献标识码]
A
[文章编号]丨0〇4_ 1184(2020)06 -0040 -03
自然界中地表水体和地下水无时不刻都在发生着作 用~，两者的转化关系随着地理因素和季节变化而呈现规律 各异的变化，影响着人们对河湖、水环境及生态环境演变的 认识12]。地表水和地下水相互作用的生态转变，是当前水文 学和地下水水文学的研究热点和重点，两者间的定量研究也 是区域水资源联合调度的核心内容[〃4]。
水文模型通常指的是水文数学模型，是在对水资源进行 多目标管理和规划调度的基础上得以发展和不断完善[5'6'71。 同时考虑地表水和地下水，进行融合研究的模型称为耦合模 型，两者依据的原理和空间尺度不同，进行耦合时，需要对数 据进行时空尺度上的整合[8]。1
地表水和地下水相互作用规律探讨及其影响因素
1.1相互作用形式
地表水和地下水之间的循环和相互作用主要是通过包气 带土壤，具体表现为：根据降雨强度和下垫面类型的不同，大 气降雨将全部或部分人渗到地下，形成地下径流并最终汇人 河流湖泊；人渗到地下的那部分水分则会根据土壤含水量的 不同，储存在包气带或继续下渗补给饱和带19]，饱和带中的 地下水又会根据包气带中的水分变化将水分上输补给到包 气带或通过侧向径流排向地表明渠。具体可见示意图1。
图1 地下水与河流相互作用示意图
1.2
影响因素
地表水和地下水的相互作用建立两者的转化过程上，地 表水和地下水水量循环研究的重点是两者间时空上的交换。 在交换系统内部，主要影响因素为自然影响因子：包气带、河 床等的特性，水文情势，流域地质地貌等，共同影响着两 者水循环的方向和空间分布h 2]。在系统外部，人类的开发 利用和气候因素间接影响着系统的演变[13 ]，在水资源紧缺 的地区，人类活动明显改变着水文循环过程，如地下水的开 采及灌溉、渠系渗漏、建设跨流域调水工程等均对地表水地 下水的时空分布影响强烈。2
水文耦合模型研究
水文模型随着产生、发展和运用，不断深人，由起初的黑
箱模型（Black - Box Model )[^51，发展为集总式水文模型 (如SCS 、HSPF 、新安江模型等），物理模型（Physically-Based Model ) _ 161等。物理模型通过对流域进行离散化处理来模拟 流域的水文异质性，因此，考虑空间异质性的物理模型即为 空间分布式模型[7]。
2.1耦合模型研究现状
国内外对耦合模型的研究和利用逐渐深人，并取得显著 进展。短信息服务中心
在国外，Freeze 和Harlan ( 1969 )探索出水文响应耦合模 型的概念和框架，并提出就当前方法实现耦
合模型的难度以 及未来必须进一步研究的领域|17]。Robert 和John ( 1972)利 用计算机模拟了在美国科罗拉多东北部的南普拉特河区域 内不合理的开采地下水对河流流量、流向的影响并构建了经 济有效的水资源开发决策的模型框架[~。Cunningham 和 Sind a ir ( 1979 )在北部河流域，构建了一维明渠非恒定流和饱 和二维地下水流的耦合模型，并验证了模型参数的敏感性和 不确定性1191。
在国内，郝振纯（1991)尝试将流域水文模型与地下水动 力学模型相结合，对区域水资源进行评价并取得了满意的效
[收稿日期]2020 -06 -02
[基金项目]国家水专项：“典型回补区地下水污染风险防控关键技术研究与工程示范”（2018ZX 07109)；北京市水务局
重点项目：“北京市典型流域生态补水监测与效益分析研究”（Z X -2019 -96)
[作者简介]孙冉（1990 -)，女，河南信阳人，工程师，主要从事水资源开发利用与保护方面工作。4
果[2°]。蒋业放和张兴有（1999)构建出河流与含水层水力耦
合模型，并分别用欧拉法和三角网格差分法来求解河水模型
和地下水模型，分析河水与地下水相互作用规律[21]。实例
表明耦合模型能较准确地模拟两者间的水量平衡与动态演
变过程，能有效避免重复计算地表水和地下水间的水量交
换。刘路广和崔远来（2012)构建了研究区地表水-地下水
分布式耦合模型，成功的将SW AT和MODFLOW进行耦合，
准确模拟和预测了地表水和地下水间的转化[22’231。
2.2耦合模型分类和特点
现有的耦合地表水和地下水的集成模型，大都需要收集
地表水和地下水相关属性动态数据，且开发周期长、成本较
高。根据不同的侧重点和研发目的，分类标准也不同。
1) 根据河流与地下水之间的水动力过程耦合的不同，分 为3类[7]，分别为：（1)地表水模型里包含地下水模块，如在
降雨径流模型PR M S的基础上扩展地下水模型MODFLOW。
从而形成GSFLOW耦合模型；（2)在地下水模型里包含地表
水模块，如在MODFLOW的基础上加载U ZF程序包，用来模
拟包气带水分运移；（3)地表水和地下水模型双向兼容型，如 HydroGeoSphere模型。
2)根据耦合模型中模拟层的地下水结构上，分为3类：单层平面模型，双层模型和多层三维模型U4’n]，具体见图2。
单层模型中，地下水流采用潜水含水层Boussinesq方程来描
述，不足之处是单层模型无法反映中游盆地的地下水在山前
地区以下降流为主和低洼平原区以上升珣为主的三维特点。
双层模型中，地下水划分文浅层地下水和深层地下水，两者
通过越流层发生水力联系，在一定程度上反映了地下水流运
动方式的转变。多层结构模型中，不同透视层可交替出现，
有利于显著改善对地下水三维流的刻画。
U)单层模型
A A
(b)双层模型（c)多层模型I-----1强透水沉积物弱透水沉积物
A莺落峡；B张掖：C正义陕：樹
图2中游地区地下水模型的3种类型示意图
3)根基耦合模型的紧密型不同，分为3类，具体见表1。
2.3分布式水文模型
分布式流域水文模型考虑了气候因素和流域下垫面因素 的空间异质性，最显著的使用是与D EM相结合，用偏微分方 程来描述水文循环的物理分布式时空变化，进行动态的过程控制和结果输出[7]，能够高效的区分地理因素和人为因素对流域水资源和水环境的影响127]。通过将研究区域分离成许多子单元，进行水分间的转换，能够更精确真实的模拟流域水文循环过程，更具客观性。随着广泛应用，分
布式水文模型在模拟过程中多学科交汇、建模的尺度要求和对遥感、GIS 技术的应用要求越来越高，各相关演化过程的联合模拟研究也不断深人[28]。
创造性思维的例子分布式水文模型中发展比较成熟的是MIKE S H E模型，它是在SH E模型的基础上发展形成的基于物理机制的分布式水文模型，被广泛用于水文、环境、生态、气象等各领域U8]，在世界各地不同气候条件下，模型都得到了测试和验证。MIKE-S H E可以模拟多个水文循环过程，主要包括了坡面流（OL)、河流和湖泊（OC)、不饱和带/包气带（UZ)、蒸 散发（ET)、饱和带（S Z)、融雪（S M)六个模块，具体见图3, 不同的模块代表的水文过程不同，不同模块可独立作用也可相互作用[29’3°]；也可以模拟流域水文变量的时空动态变化过 程，同时也提供一套完整前后处理系统方便可视化操作。
表1根据耦合紧密型不同的模型分类
分类 基本原理 代表性模型
松散
耦合
也是集总式水文模型，以流域
水量平衡原理为基础
“四水”转换模型U5]
SWATM0D ( SWAT 与半MODFLOW 耦合），松将分布式水文模型的地下水模HSPF -MODFLOW
散块用较为成熟的地下水模型代(HSPF 与MODFLOW
耦替耦合），GSFLOW
合(PRMS 与MODFLOW
耦合）
紧
密
耦
合
以瞬变包括地表水文、非饱
THIHMS
偏微分和带浅层水、饱和带
L L-分布式模型[26]方程描地下水的运动
HMS
述水流
运动，
用数值地面以下没有区分饱WASH123D
分析建和带与非饱和带MODHMS
立网格IHSim
间的时
空联无地表产汇流计算，MODFLOW -DAFLOW
系[22]仅计算河流对地下水IFMMike
的补给IWFM
K ffl水I t地表散K根畢敗发
4 .丨
图3 MIKE S H E模型结构示意图绝缘子串
目前基于MIKE SH E模型的研究大都是结合实际情况的 应用及初步开发，主要应用多是区域水文模拟、降雨-径流模拟、地下水动力分析、洪水预报等方面311。王盛萍等[32]等 通过对建立的黄土高原上小流域的MIKE S H E模型结果与修 正的土壤侵蚀模型进行对比，分析土地利用变化的水文响应。柏慕琛133]通过采用KVA变化范围法对MIKE S H E模型 的输出数据进行分析，评估了汉江流域河道内外的生态需水。刘志雨（2015)[34]、孙佳竹（2016)[35]科学构建了基于洪
41
水预报的分布式水文模型，分别对屯溪流域、辽宁省中小河
流洪水预报技术进行研究。
黄亚虎综合可知，耦合模型根据能量和物质守恒定律，基于所
用地理要素的属性差异，把流域离散化为一系列子单元进行
水分流动和交换，在水文循环过程中，各地理要素因水文响
应不同进行模型参数化，从而构建各外部要素与水文过程的
定量关系，模拟分析其对水文过程产生的影响。因此，通过
构建水文模型，尤其是分布式水文模型，反映流域内各要素
变化对水资源和环境的影响，以数学方式来阐述，能够科学
合理地进行预测和评价，并进行相应的外延。
3结语
(1)地表水和地下水的相互作用研究具有众多学科的渗透交叉性，从各个角度展现了水循环中各组成部分的作用规
律。耦合模型普遍化适用的核心问题是模型结构的严谨和
实际应用的困难；分布式水文模型成为构建“数字流域”的重
要方法，是流域水文模拟的前沿发展趋势。
(2)随着研究细化，应用要求的提高，耦合模型所面临各种时空、尺度h的问题都需要进一步深人的探索研究。在模
型参数上，调整模型参数和进行参数率定仍需要不断完善。
在时空尺度上，实际应用研究中河床和含水层参数大小及分
布的空间变化，使得确定性数值模型模拟的水文响应参数仍
有较大不确定性，非均质性对耦合模型影响的不确定性研究
仍显不足。在计算单元的划分上，更贴近实际的进行计算域
的离散也有重要意义。
(3 )集成全球水循环各组成部分的综合系统，研究更为
多元化的实际应用问题，适应更加广泛深人的需求，提供更
科学高效的地表水和地下水耦合的水资源管理体系是耦合
模型发展的必然发展趋势。
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