張 翼，計(jì) 勇，王 凱，劉星辰，楊軍飛

（南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌 330099）

0 引言

生態(tài)水文學(xué)是描述生態(tài)格局和生態(tài)過程水文學(xué)機(jī)制的科學(xué)[1]，根據(jù)研究目的和研究環(huán)節(jié)的需求，綜合使用生態(tài)學(xué)和水文學(xué)方法，同時(shí)依靠統(tǒng)計(jì)學(xué)及確定性模型分析方法實(shí)現(xiàn)水文學(xué)與生態(tài)學(xué)的耦合[2，3]。無論在水文學(xué)領(lǐng)域還是生態(tài)學(xué)領(lǐng)域都擁有龐大數(shù)目的模型，這無疑能夠?yàn)樯鷳B(tài)水文模型的發(fā)展奠定牢固的基礎(chǔ)[4]。在地理信息技術(shù)（GIS）的支撐下，生態(tài)水文模型已成為定量研究生態(tài)系統(tǒng)水文過程影響機(jī)理和過程的主要手段，但是，二者在過程尺度、觀測尺度和模型工作尺度上的不吻合，以及由此引發(fā)的在轉(zhuǎn)化過程中的問題仍是制約生態(tài)水文模型發(fā)展的最大阻力[2]。GIS是集采集、儲存、轉(zhuǎn)化、可視化于一體的空間數(shù)據(jù)工具集合[5，6]。借助GIS為分析平臺探究生態(tài)過程的水文響應(yīng)和水文過程，從典型的生態(tài)水文過程出發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)揭示其對生態(tài)水環(huán)境安全影響，進(jìn)而建立能夠模擬并預(yù)測水文、土壤、植被等主要構(gòu)成要素之間相互制衡關(guān)系的生態(tài)水文模型[7～9]，并能夠以數(shù)學(xué)和邏輯表達(dá)定量反映生態(tài)過程和水文過程的影響機(jī)制、狀況、過程[10]。

1 基于GIS生態(tài)水文模型研究進(jìn)展

水文模型是用數(shù)學(xué)的方式描述自然界中水文循環(huán)特征的重要工具。近年來國內(nèi)外涌現(xiàn)了諸如SWAT[11]、MIKE-SHE[12]、DHSVM[13]和 GISMOD[14]等水文模型，在水資源管理及保護(hù)、洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估等問題的解決提供了顯著的參考價(jià)值。但是，水文模型往往缺乏對水文過程中生態(tài)機(jī)制描述的內(nèi)容，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境這一在水文循環(huán)中扮演重要角色的條件被排除在模型外，這無疑成為水文模型的發(fā)展的瓶頸。生態(tài)模型在其領(lǐng)域也有類似的際遇[15，16]。隨著生態(tài)水文學(xué)的日趨成熟，生態(tài)水文模型也在眾多迫切需求下發(fā)展出來。

最早的生態(tài)水文模型耦合一般通過數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)建立生態(tài)過程和水文過程之間的相互關(guān)系。但是生態(tài)水文模型往往是從較大的尺度研究，所獲取的數(shù)據(jù)也相對大而稀疏，所以地理信息方法是當(dāng)下生態(tài)水文耦合的主要方式。在GIS為平臺上，實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)水文模型與生態(tài)模型的因子維持在在同一個(gè)尺度框架里，以此達(dá)到模型數(shù)據(jù)共享的目的，如圖1所示?，F(xiàn)階段的生態(tài)水文模型大多都是建立在水文模型的基礎(chǔ)上，綜合生態(tài)學(xué)方法，明確生態(tài)指標(biāo)與水文生態(tài)指標(biāo)的定量關(guān)系，以闡明生態(tài)指標(biāo)對水文過程的影響或者生態(tài)響應(yīng)。生態(tài)水文模型可按照空間離散化程度分為總集式和分布式模型[17～20]?？偟膩碚f生態(tài)水文模型經(jīng)歷從集總式過渡到分布式模型的客觀發(fā)展規(guī)律[21]。

圖1 GIS在生態(tài)水文模型中耦合

1.1 基于GIS生態(tài)水文模型下墊面模擬優(yōu)化

下墊面條件通過調(diào)節(jié)產(chǎn)匯流過程對水文過程產(chǎn)生重要影響，土壤和植被作為改變下墊面條件的決定性條件，在水文過程的不同階段，包括蒸散、截留、填洼和下滲等產(chǎn)流過程產(chǎn)生影響。但是，下墊面的時(shí)間異質(zhì)性如何在生態(tài)水文模型中表現(xiàn)出來，一直是生態(tài)水文模型研究中的重要課題。下面分別介紹在建立下墊面方面國內(nèi)外的研究進(jìn)展，如表1所示。

1.2 基于GIS生態(tài)水文模型氣象模擬優(yōu)化

氣候變化對水文過程的影響主要集中于氣候條件的改變對徑流、蒸散等水文過程產(chǎn)生的影響。一般來說，主要數(shù)據(jù)有日降水量、最大最小氣溫、太陽輻射、風(fēng)速和相對濕度。這些數(shù)據(jù)可通過模型輸出，也可直接輸入實(shí)測數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)的空間插值是構(gòu)建分布式水文模型的必然要求，可以結(jié)合氣象模擬軟件填補(bǔ)普通的GIS軟件不具備的功能，它只需具備較少的氣候知識便能進(jìn)行復(fù)雜的氣象模擬，但是，要提高它的精度，必須具備足夠數(shù)量的站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)。對于氣象數(shù)據(jù)模型模擬，國外多采取ANUSPLIN、PRISM和MTCLIM-3D。3個(gè)模型各有優(yōu)劣，但是對比研究表明，這些模型模擬的結(jié)果具有相似的統(tǒng)計(jì)規(guī)律（見表2）。

表1 下墊面條件國內(nèi)外研究進(jìn)展

1.3 基于GIS生態(tài)水文模型遙感信息優(yōu)化

遙感技術(shù)與地理信息技術(shù)的結(jié)合使大范圍提取生態(tài)環(huán)境的空間異質(zhì)性成為可能。在生態(tài)水文領(lǐng)域，最明顯的收益就是對于土地利用數(shù)據(jù)和地形信息的獲取。土地利用方式的不同直接改變了陸地生態(tài)環(huán)境，間接導(dǎo)致土壤等下墊面條件變化影響水文過程。通常操作為，利用GIS建立土地利用圖層，與遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，同時(shí)借助ENVI軟件加以提取與計(jì)算。值得注意的是，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)也在向高精度發(fā)展，這無疑會使模型精確度獲得極大的提升。Jordi Etchanchu[26]在探求分布式水文模型建立中特定輪作方式和物候?qū)λ臍庀筮^程的影響過程的研究中，使用了來自于哨兵2號衛(wèi)星的高分辨率圖片，發(fā)現(xiàn)模擬蒸散量的相關(guān)系數(shù)相比較低分辨率數(shù)據(jù)提高了約0.3。

地形信息可表達(dá)為高程、坡度、坡位、坡長、坡降、坡向等。在地形信息數(shù)字化后，為了適應(yīng)分布式模型的計(jì)算要求，通常需要將矢量的等高線轉(zhuǎn)為基于柵格的數(shù)字高程模型（DEM），除高程以外的其他的地形信息也可以通過DEM推求。因此，DEM成為水文模型的基本數(shù)據(jù)源。DEM及其數(shù)字流域的分析方法主要用于解決水文模型中的水分傳輸過程。即WTM水量傳輸模型。德克薩斯州立大學(xué)奧斯汀分校水資源研究中心是研究數(shù)字流域與水文模型的權(quán)威機(jī)構(gòu)，每年在網(wǎng)上推出大量的研究報(bào)告（http：//cwe.engr.utexas.edu/），并設(shè)有建立數(shù)字流域與水文模型的網(wǎng)上課堂。他們的模型大多是基于水文物理過程的模擬，并且和地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS結(jié)合。近來推出的ArcGIS水文數(shù)據(jù)模型就是利用水文分析組件ArcHydroTools，該組件耦合到ArcGIS環(huán)境中，提供了一種可視化的水文模型開發(fā)界面。因此，從水系生成、流域劃分、河道編碼與拓?fù)潢P(guān)系建立完全在 ArcMap（Esri，Inc.）下即可完成。

表2 主要?dú)庀竽Ｐ驮砑疤攸c(diǎn)

2 基于GIS生態(tài)水文模型存在的主要問題

2.1 生態(tài)水文模型的耦合點(diǎn)

生態(tài)水文模型的耦合點(diǎn)實(shí)質(zhì)是連接水文過程與生態(tài)過程之間的功能關(guān)系的媒介。隨著對生態(tài)水文過程機(jī)理的認(rèn)知加深，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)生態(tài)模型和水文模型中存有許多耦合點(diǎn)。其中有一部分擁有明確的物理機(jī)制，如葉面積指數(shù)、植被類型、土壤濕度等。這其中，植被的葉面積指數(shù)與植被覆蓋度對水文模型中植被蒸發(fā)蒸騰和截留行為的影響[27，28]；植被的根系長度變化響應(yīng)地下水埋深的變化[29]，而水文模式土壤的分層又受根系變化影響[30]，從而地下水的分配也響應(yīng)根系變化；又如土壤濕度既干擾植被的入滲作用，同時(shí)也干擾著植被的蒸騰作用。盡管有大量研究表明水分和植物生長相互影響，但是仍未能建立關(guān)于水位、水分狀況與植物生長的明確定量關(guān)系，對群落演變的水文生態(tài)機(jī)理研究也十分有限[31]。生態(tài)過程和水文過程的關(guān)系交互復(fù)雜，這是一項(xiàng)復(fù)雜且難以回避的問題?，F(xiàn)階段難以實(shí)現(xiàn)多耦合點(diǎn)生態(tài)水文模型大尺度緊密耦合，多采用共通的物理參數(shù)，通過這些參數(shù)的數(shù)據(jù)嵌套形式的初級耦合，致使模型具有極大的不確定性，且模型之間難以進(jìn)行有效比較。

2.2 生態(tài)水文模型耦合方法

生態(tài)水文模型的耦合方法有單向耦合和雙向耦合。以兩類模型中的共有環(huán)境因子為出發(fā)點(diǎn)，將一個(gè)模型的輸出數(shù)據(jù)輸入另一個(gè)模型，實(shí)現(xiàn)模型間的數(shù)據(jù)共享，這種方法屬于單向耦合。單向耦合顯式地引入了植被層，在水文過程模擬中詳細(xì)描述植被的生態(tài)過程，使得模型對水文過程的模擬更符合實(shí)際。雙向耦合通過多層次的嵌套實(shí)現(xiàn)生態(tài)模型和水文模型之間相互反饋，在植被與水文過程的耦合體現(xiàn)在植被為水文模型提供動態(tài)變化的葉面積指數(shù)、根系深度、枯枝落葉層厚度等[32]，同時(shí)水文模擬為生態(tài)過程模擬提供土壤含水量的動態(tài)變化等。目前，多數(shù)相關(guān)研究應(yīng)用單向耦合或部分耦合方法，借助水文模型的輸出屬性達(dá)到與生態(tài)模型耦合的目的。這些研究大多聚焦于將水文模型的輸出數(shù)據(jù)應(yīng)用于生態(tài)模型，通過遙感植被產(chǎn)品（如LAI、NDVI等）作為模型輸入[33，34]，反映植被的變化過程。但是這種耦合方式缺乏對機(jī)理深層的認(rèn)知，難以反映客觀的自然現(xiàn)象。特別是一些生態(tài)過程對水文過程影響，具有時(shí)空特異性和非連續(xù)性的特點(diǎn)，如植被的時(shí)間異質(zhì)性對水文過程的影響這些問題都是松散的靜態(tài)耦合方式無法解決的。

2.3 生態(tài)水文模型的尺度

尺度問題是多尺度生態(tài)水文模型建立的重點(diǎn)與難點(diǎn)，其實(shí)質(zhì)是在生態(tài)水文過程或研究觀測中在時(shí)空域上的特征度量。Schulze[35]把尺度分為觀測尺度（observational scale）、過程尺度（process scale） 以及操作尺度（optional scale）。觀測尺度在時(shí)間和空間上可以被定義包含3項(xiàng)要素：范圍、分辨率、粒度。范圍是指觀測對象的發(fā)展或持續(xù)整個(gè)空間，分辨率是數(shù)據(jù)集中最基本的可區(qū)分部分，粒度指最小可辨識單元的特征如長度、面積或體積。過程尺度在時(shí)間上定義為發(fā)展或持續(xù)的時(shí)間?？臻g上，過程尺度一般依據(jù)過程的性質(zhì)選取適當(dāng)?shù)某叨?，因?yàn)槠洳]有很明顯的自然界限，例如降水。模型的操作尺度選取依據(jù)所要解決的問題調(diào)整，因而其取決于觀測尺度和過程尺度。當(dāng)前生態(tài)水文模型一般有特定的尺度，由于生態(tài)水文過程通常非線性，因而模型應(yīng)用存在尺度再參數(shù)化和精度等問題。各個(gè)學(xué)科采用的時(shí)空尺度不完全相同，在成果的表述上存在歧義[36]，特別是交叉學(xué)科研究日益加重的情形下，更加劇了耦合集成的困難。雖然GIS技術(shù)已取得長足的進(jìn)步，對尺度轉(zhuǎn)化和尺度外推具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，但目前尚未出現(xiàn)行之有效的理論方法。

3 基于GIS生態(tài)水文模型研究展望

生態(tài)水文模型的研究目標(biāo)是建立一套適用于多尺度、多因素、多環(huán)境的耦合模型。當(dāng)前從影響機(jī)制和生態(tài)機(jī)理入手，尋求更具有代表性的耦合點(diǎn)是相對直接模型優(yōu)化方式；對耦合點(diǎn)的認(rèn)識，優(yōu)化耦合方法，建立模塊化耦合模型，根據(jù)需求選擇模塊使模型以適宜更多環(huán)境；通過尺度轉(zhuǎn)化真正意義上消弭水文模型和生態(tài)模型的隔閡是當(dāng)前生態(tài)水文模型發(fā)展的最終目標(biāo)。在此3個(gè)方向上的任何一點(diǎn)取得階段性突破，勢必會其他兩點(diǎn)的發(fā)展造成積極影響，如圖2。

圖2 生態(tài)水文模型研究展望圖

3.1 耦合點(diǎn)的選擇

相比簡單的數(shù)據(jù)共享，以生態(tài)水文機(jī)理為切入點(diǎn)以共通環(huán)境因素為媒介實(shí)現(xiàn)多個(gè)模型的結(jié)合是當(dāng)前研究的焦點(diǎn)。選擇較優(yōu)耦合點(diǎn)是獲取生態(tài)水文模型優(yōu)化最主要的方法，但是過度追求耦合點(diǎn)優(yōu)化也會導(dǎo)致模型的過度優(yōu)化，使得模擬結(jié)果擬合程度很好，但參數(shù)超出正常閾值，失去實(shí)際意義。在水文生態(tài)過程的耦合模擬中，必然引入更多的環(huán)境參數(shù)，如土壤水、蒸散發(fā)、植被指數(shù)、作物產(chǎn)量。此外，隨著GIS技術(shù)的成熟，克服傳統(tǒng)難以獲取數(shù)據(jù)問題，為耦合點(diǎn)優(yōu)化提供新的研究思路。植被通過截留、蒸騰蒸發(fā)直接影響水文循環(huán)，因此植被與水循環(huán)是研究的重點(diǎn)。植被條件具有顯著的時(shí)空特異性，使得生態(tài)水文過程具有時(shí)間性和地域性。通過應(yīng)用葉面積指數(shù)、植被覆蓋度、植被枯落物的物候節(jié)律體現(xiàn)植被影響，探尋生態(tài)水文過程形成演化的時(shí)空規(guī)律及其驅(qū)動機(jī)制，將是對耦合點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)選擇的關(guān)鍵，同時(shí)是實(shí)現(xiàn)生態(tài)水文緊密耦合的基礎(chǔ)。

3.2 耦合方法的調(diào)節(jié)

就目前的研究，生態(tài)水文模型軟件的商業(yè)化開發(fā)是一種趨勢。在此趨勢下，生態(tài)水文模塊化將是耦合軟件研究的重點(diǎn)，模型模塊化是解決均質(zhì)和異質(zhì)空間的特征描述、變化規(guī)律及形成機(jī)制的關(guān)鍵。對異質(zhì)空間而言，更多強(qiáng)調(diào)其自然環(huán)境的差異性、環(huán)境因子變化規(guī)律的差異性、以及差異性的水動力學(xué)基礎(chǔ)。以長江為例，上游區(qū)域?yàn)樗縼碓匆源髿饨邓?、冰川融水補(bǔ)給為主，可在上游采用大氣降雨模塊及冰川溶雪模塊結(jié)合生態(tài)植被模塊，有針對性建立耦合模型；中下游區(qū)域水速漸緩，地下水系豐富，故在下游需結(jié)合地表徑流和地下徑流，統(tǒng)籌考慮地表水蒸散發(fā)、地層和植被特征等因素對水文過程的影響?；诖碎_發(fā)的功能與特征不同的模型模塊具相當(dāng)?shù)钠者m性，以滿足商業(yè)需求及研究便捷性需求。

3.3 尺度轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)化

尺度轉(zhuǎn)換是將不同時(shí)間和空間層次上尺度聯(lián)結(jié)的過程，不同尺度的系統(tǒng)構(gòu)成中要素包含著交互聯(lián)系，基于這種聯(lián)系尺度轉(zhuǎn)換也成為可能。盡管環(huán)境科學(xué)和及其他相關(guān)科學(xué)都涉及尺度及尺度轉(zhuǎn)換的問題，但并未有任何學(xué)科做出全面的解釋。當(dāng)前尺度轉(zhuǎn)換未形成統(tǒng)一有效的理論和方法體系，因而需要對尺度轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)化。細(xì)化來說，其一是對于尺度轉(zhuǎn)換的限制性條件的規(guī)定，如尺度轉(zhuǎn)換需滿足何種條件，尺度轉(zhuǎn)換可跨越幾層尺度；其二，建立統(tǒng)一的尺度轉(zhuǎn)換范式，或是將當(dāng)前不同學(xué)者的尺度轉(zhuǎn)換方式統(tǒng)一在一套模式體系內(nèi)；其三，完善尺度大小和尺度轉(zhuǎn)換效果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。相當(dāng)一部分水文生態(tài)過程的數(shù)學(xué)物理模型都對尺度具有特定的要求，微觀尺度、建立的生態(tài)水文模型如何普及到宏觀尺度是模型模擬中亟待解決的難點(diǎn)，因而建立起一套統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的尺度將會是未來水文生態(tài)模型耦合的關(guān)鍵所在。

4 結(jié)論

生態(tài)水文模型是實(shí)現(xiàn)生態(tài)水文學(xué)縱深發(fā)展的重要工具，根據(jù)研究的對象、目的和所掌握的條件對不同的生態(tài)水文過程、模型模式和數(shù)學(xué)方法進(jìn)行耦合。目前，探索應(yīng)用GIS技術(shù)自動提取生態(tài)與水文的有效參數(shù)，量化系統(tǒng)表征形式及校驗(yàn)?zāi)Ｐ偷龋股鷳B(tài)水文模型在準(zhǔn)確性和可行性上取得長足的進(jìn)步。但是GIS與生態(tài)水文模型的耦合停留在數(shù)據(jù)共享的簡單耦合，尚未形成適用于多尺度、多因素、多環(huán)境的耦合模型；相關(guān)模型的建立也通常是基于實(shí)際問題出發(fā)，耦合點(diǎn)、耦合方法不具有通用性，生態(tài)水文模型的尺度轉(zhuǎn)換也有待進(jìn)一步研究。