2.5 流域水文模型的局限性

2.5.1 尺度问题

尺度包括空间尺度和时间尺度。由于自然流域和降水过程在空间上和时间上存在极大的异质性和变异性，目前测量技术和试验能力有限，人们只能得到某些尺度的水文特性数据资料，依据这些数据资料建立的水文模型，在实际应用中客观地存在尺度问题。这些问题主要包括以下几个层次。

水文响应单元尺度。现有的分布式水文模型是将一个流域系统划分为若干子流域，子流域又分为若干单元流域（网格单元）作为水文响应单元，这样构成了一种多重嵌套的尺度结构，然后对单元流域（网格单元）进行离散化模拟。然而，取多大的水文响应单元才既不会使水文过程的信息丧失，又不会因水文单元取得过小而过大地增加时空信息，影响模拟的效率。

尺度间的转换。每一个流域在不同尺度上，水文特性的表现是不一致的，流域的水文效应是不同尺度效应的综合结果。大尺度流域的特征值并非若干小尺度值的简单叠加，小尺度值也不能通过简单的插值或分解得到。

对于上述问题，国内外也做了一些研究和探索。一些研究者做了20～100m之间不同尺度的对比研究，研究表明TOPMODEL模型对水文响应单元的尺度有极高的敏感性，同时栅格单元在100～200m之间的DEM的信息有较大的变化。理想的水文响应单元一般取在50m以内，运用TOPMODEL模型模拟效果较好。栅格单元尺度的变化对TOPMODEL模型产生的影响可以用模型的再参数化来补偿。尺度转换问题，需要利用自相似规律或标度不变的分形理论等，在不同尺度之间建立某种尺度转换关系（何长高等，2008）^［16］。

2.5.2 非线性问题

水文过程的复杂性和不确定性决定了水文系统的非线性。水文复杂性涉及降水、蒸发、下渗和径流形成的水文循环机理与水文尺度问题，突出表现于流域地貌与水循环间时空变化的非线性机理。水文不确定性既与水文输入变量和水文状态变量观测精度有关，又与复杂性认识不足等诸问题有联系，它是输入不确定性和系统不确定性的综合体现。20世纪80年代后，随着现代新技术的应用和水循环及其水文过程测量手段的提高，虽然为认识和量化水文-生态-大气系统相互作用的非线性机制提供了新的突破可能，出现了一批非线性机理方面的研究成果，但是还没有形成和建立解决水文非线性问题的完整理论。目前，对解决水文非线性问题，较多引进了泛函级数、混沌、分形几何、人工神经网络等理论；把过去传统的集总非线性分析方法与分布式水文模型相结合，建立分布式时变增益水文模型；复杂非线性关系中找简单关系，采用水文系统识别方法，建立水文模型。

2.5.3 分布式水文模型的真实性问题

由于水文现象的复杂性，受测量技术的限制，一些水文过程和边界条件并不确知，因此分布式水文模型都存在很多人为的假定，导致模型并不能再现真实的水文过程。而且人们对水文循环的自然规律并没有完全掌握和理解，在模型中用来解释和计算水文过程的数学公式和所建立的模型结构越来越复杂，参数越来越多，参数间的相关性增高，不仅给参数的确定增加了困难，同时也影响了模型推广应用的精度。

2.5.4 模型动态耦合问题

流域水循环的各要素过程相互关联和影响，降水、地表水、土壤水、地下水和植物水之间的“五水转化”对流域的水文模拟以及水资源配置管理具有重要影响。虽然大多数分布式水文模型考虑了降水、地表水、土壤水和地下水“四水转换”问题，但是对植物水和植被生态过程对水文循环的调控机制并未进行耦合模拟，对地下水与河水之间的水量交换以及非饱和带土壤水与地下水之间的频繁交换也没有进行动态耦合模拟。此外，目前的水文模型多数是把自然变化和人类活动作为模型的输入因子进行考虑，没有把社会经济变化、人类活动影响以及生态系统变化耦合起来建立水文模型。今后，在水文模型方面，不仅需要把降水、地表水、土壤水、地下水、植物水和植被生态过程等进行耦合，建立系统耦合模型，而且需要把社会-经济-水资源-生态耦合在一起，建立一个能反映社会经济系统变化、水资源系统变化、生态系统变化的耦合模型（夏军等，2006）^［17］。

2.5.5 其他问题

（1）具有物理基础的分布式水文模型需要大量的空间水文、气象及下垫面信息。空间水文、气象及下垫面信息的获得很大程度上依赖于地理信息系统，而加强水文学与地理信息系统技术的结合，开发地理信息系统技术在水文学中的应用领域还是一项有待完成的任务。另外，该类模型的数值求解困难，描述降雨径流形成机理的微分方程和定解条件一般为非线性的，十分复杂，数学上只能求得带有截断误差的数值解，而无法求得其解析解。

（2）概念性流域水文模型缺乏对水文现象物理意义的描述。概念性流域水文模型在许多结构环节上主要借助于概念性元素模拟或经验函数关系描述，这使得模型中包含的许多参数都缺乏明确的物理意义，只能主要依据实测降雨和径流资料来反求。这样求得的模型参数必然带有经验统计性，从而导致模型拟合一组资料中的大部分虽可达到令人满意的程度但在个别特殊情况的处理及外推拟合方面不理想。

（3）实测资料的数量及质量对模型的发展有很大影响。概念性模型的参数确定过于依赖实测降雨径流资料，然而大部分流域降雨径流资料由于测量技术的限制，其精度是受质疑的。尤其是在气候等相关测量条件恶劣的地区，测量数据可能根本无法反映真实的水文现象。而且有些地区由于人类活动的影响导致某些水文因素发生了不可逆转的变化，破坏了水文系列的一致性，这使许多“长系列水文资料”不能直接用于流域水文模型参数的率定和模型的应用。