1.3 研究内容

妫水河是官厅水库重要入库水源，该流域的水文研究对水库重新启用具有重要意义。妫水河流域开展了较丰富的基础性研究，然而，基于人类活动和气候变化的区域尺度的水文过程研究及模型参数不确定性研究目前还鲜有开展。

本书以妫水河流域为研究对象，利用研究区土地利用类型、土壤类型、数字高程模型（DEM）等空间数据和长时间序列水文、气象数据建立研究区时空数据库，并根据研究区特征及相似区域土壤特征对模型参数进行率定，构建妫水河流域水文过程模型，对模型进行验证以探讨模型在研究区的适用性。

本书建立了妫水河流域的水文响应模型，是延庆地区妫水河流域水文模拟水资源管理的重要辅助手段，对妫水河径流进行模拟是水文响应建模的重要方向。成功地建立该地区的流域水文响应模型，离不开符合要求的径流模拟，也需要对诸多的参数进行不确定性分析，最终构建具有地区适用性的水文响应模型。本模型采用2005—2008年气象数据和水文观测数据，能够获得一个比较接近现状的模型。因此，本书可以为妫水河流域现阶段的水土保持、经济发展、生态环境开发和利用等提供重要的参考意见。

本书第4章介绍了妫水河流域HSPF水文过程模拟。HSPF流域水文水质模型属于半分布式水文模型，模型既具有分布式模型的特点，根据降雨、土地利用等空间异质性，把流域划分为若干小单元；同时，模型也具有概念性水文模型的特点，对每个小单元内的水文过程概化，提高了模拟精度的同时也降低了模型计算的复杂度。目前，该模型内嵌于基于GIS技术的BASINS系统下，BASINS系统为数据处理及流域可视化提供了方便。半分布式水文模型HSPF集合了概念性水文模型结构简单和分布式水文模型考虑流域空间异质性的特点，功能强大且具有较高模拟精度，被大量应用于模拟人为因素对水文过程以及水质的影响。

本书第5章介绍了妫水河流域SWAT水文过程模拟。SWAT模型是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型。SWAT模型有3个特点：①具有物理机制；②分布式；③长时间序列。利用SWAT-CUP对妫水河流域SWAT模型进行率定和不确定性分析，采用SUFI-2迭代式率定算法，高效地对SWAT模型进行不确定性分析，从而对妫水河流域构建具备适用性的水文模型。

本书第6章介绍了妫水河流域MIKE SHE水文过程模拟。MIKE SHE是一个功能强大、以物理过程为基础、充分集成的模型，用于水文系统的三维模拟。MIKE SHE模型利用空间分布的、连续的气象数据模拟湿润和较干旱地区的综合水文学、水力学和运移的问题。模型将研究流域分成若干方格或矩形格。这些网格是模型最基本的计算单元，网格之间在进行模拟时通过不同的水分物理方程建立联系，采用有限元的方法解决地表水、地下水运动的数学模拟问题。该模型不仅符合现代的软件结构化设计的思想，而且应用灵活：子模块可单独使用，也可根据需要进行耦合或者叠加。

本书还对妫水河流域水文模拟的不确定性进行了分析。虽然随着地理信息系统、遥感技术及卫星定位系统的发展，水文气象数据及下垫面情况的获取变得相对容易且精度较高，这在一定程度上减少了模型的不确定性，但没有从根本上解决不确定性的问题，水文模型的模型输入、模型结构和模型参数等3个方面仍然存在着诸多的不确定性。本书分析了流域水文模型不确定性分析的来源，以及各不确定性对模型模拟的影响。首先，分析了模型参数不确定性来源，参数不确定性来源主要是指参数的“异参同效性”，不同参数组得出相似的模拟结果，给模型参数的选择和模拟带来不确定性。其次，分析了模型输入不确定性来源，模型输入不确定性主要来自降雨数据，包括其测量误差及点雨量观测与降雨的时空变异性之间的矛盾，直接影响着模型模拟效果。分析了降雨数据对径流输出值敏感性和降雨输入对模型参数分布的影响。结果表明，在假设存在“最优参数组”的情况下，降雨的输入对径流模拟值有很大的影响，而降雨的输入对参数分布也有一定影响，参数的高概率密度取值空间随降雨输入数据变化而改变，给模型参数的选择带来不确定性。再次，分析了流域响应的不确定性，预报量实测值不仅直接影响模型的模拟程度，还影响参数取值和分布。分析表明，在实测值发生变化的情况下，参数分布及高概率密度区间发生了改变，给选择代表流域特征的参数组带来不确定性。最后，分析了模型结构带来的不确定性，并介绍了常用的降低模型结构不确定性的多模型综合方法。

人类活动和气候变化是影响流域水文循环过程和水资源演变规律的两大驱动因素，所引起的水文效应已成为当前全球变化研究领域的焦点问题（宋晓猛等，2013）^［16］。人类活动方面本书以妫水河流域SWAT模型为基础，对人类活动对水文状况的直接影响与间接影响进行分析。结合地类的具体变化情况进行分析，截取特定的研究时段，将模拟值与实测值相结合，分析人类活动对径流量的直接影响和间接影响。妫水河流域同时受人类活动的直接与间接影响共同作用，致使其产流、汇流机制发生变化，径流量出现明显差异。人类活动的间接影响通过改变土地利用状况，使流域的产流机制发生改变，间接增加了径流量，在汛期增加尤为明显，枯水期变化较小。同时，人类活动的直接影响作用于水体，通过截蓄、漫灌等措施，使径流量直接发生改变，全年径流量明显减少，峰值基本消失（刘玉明，2013）^［17］。气候变化方面本书主要应用HadCM3全球气候模式和优选统计降尺度模型，对妫水河流域6个气象站点21世纪降水、气温及蒸散发的变化进行预估，对比分析气象水文要素在3个时期（2011—2040年、2041—2070年、2071—2099年）相对于基准期（1961—1990年）的变化，并将对降水、气温及蒸散发的预测作为HSPF流域水文模型的输入，探讨妫水河流域未来气候变化情景下的水文水资源响应。

开展气候变化和人类活动对水文水资源的影响研究，对于理解与解决可能造成的与农业、工业、城市发展等经济领域密切相关的水文水资源系统的规划与管理、环境保护、生态平衡等问题具有重要的理论与现实意义。