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user: 2. 国内外研究现状与进展 变化环境下水文水资源与社会耦合系统的研究是一个新的多学科交叉的研究领域。它包括水文系统变化规律研究、水文过程与自然、社会系统相互作用和反馈，水文和社会耦合系统的建立，水资源优化配置与管理等等。与其相关的研究包括变化环境下水文水资源分析、计算与模拟的理论和方法，水文模型与气候模型的耦合可能性与挑战，水文水资源和社会耦合系统的概念与模型，等。下面首先综述国内外研究现状与进展。 2.1. 变化环境下水文分析与模拟 除地球系统自然条件的变化外，流域或区域内经济快速发展、人类活动影响加剧、水利工程的兴建、地下水的开发、林业植被、矿山开采、坡地治理、河道采砂等人类活动导致下垫面条件不断改变，使流域降雨径流等关系发生了巨大变化。张建云等[ 5 ] 研究发现：近50年我国六大江河(长江、黄河、珠江、松花江、海河、淮河)的实测径流量都呈下降趋势，水文特征值发生了显著改变，径流下降幅度最大的是海河流域，径流组成及年内分配均发生了一定程度的变化。流域水文预测预报通过建立降雨径流的数学关系定量模拟径流过程，研究和探讨降雨径流关系是否稳定是水文预测预报非常关键的一步，目前主要的分析手段有统计学方法和建立流域水文模型两种。统计学方法所包含的分析方法较广泛，其原理通常是假设研究变量为随机变量，通过计算样本的均值、标准差、方差、径流系数、变异系数和显著性检验以及年际变化绝对比率、不均匀系数、年径流和年降水距平百分率的变化等指标来描述降雨径流关系[ 6 ] [ 7 ] 。任立良等[ 8 ] 对中国北方的黄河、海河、辽河、松花江流域的长时间系列观测资料进行分析，认为这些流域的径流都存在不同程度减少，其中上游水库拦蓄和人类取用水增加是造成径流减少的主要原因，计算发现1980s~1990s相同量级的降水量产生的径流量比1950s~1960s减少了20%~50%。冯平等[ 9 ] 对潘家口水库1956~2003年的入库径流变化趋势及影响因素进行了分析，通过数据分析，认为下垫面变化是导致径流减少的主要原因。李慧赟等[ 10 ] 采用模糊聚类的方法对1942~2005年年降雨序列聚类分析，研究不同时间分布类型的降雨下人类活动对流域水文效应的影响。结果表明，人类活动的影响是造成流域径流减少的主要原因，并且降雨量越小，年内分布越分散，流域径流受人类活动影响越剧烈。李致家等[ 11 ] 以湿润、半湿润、半干旱以及干旱地区的15个典型流域为研究对象，分别建立其P + P a ~R s 相关关系，然后对其中3个嵌套流域的P + P a ~R s 相关关系进行分析与验证，比较各流域嵌套前后的P + P a ~R s 相关关系变化，对不同自然地理条件下降雨径流相关关系的区域性规律进行探讨，李二辉等[ 12 ] 应用Mann-Kendall秩次相关检验、流量历时曲线法、双累积曲线法等方法对黄河干流陕县站和河口镇站1919~2010年径流量演变过程进行了分析。结果表明：区域面平均降水量趋势性变化不显著，而上游及中游年径流量自1985年以来呈显著减少趋势，中游径流量的降幅高于上游，并定量分析了降水和人类活动对径流量的影响，上游和中游人类活动对径流量减少的影响程度分别占88.1%和84.9%，水利水保工程、生产生活用水等人类活动是引起黄河径流量减少的主要因素。 流域水文模型在水文预报和解决生产实际问题中起着重要的作用，如防洪减灾、水资源可持续利用、水环境和生态系统保护等。流域水文模型还是分析研究气候变化和人类活动对洪水，水资源和水环境影响的有效工具，该方法用人类活动影响之前的资料率定流域水文模型参数，用率定后的模型来推求人类活动影响之后的流域水文过程，并与实测资料进行对比。陈利群和刘昌明[ 13 ] 利用2个分布式水文模型(SWAT和VIC)模拟了黄河源区土地覆被变化与气候波动对径流的影响，并区分两者的影响贡献率。王忠静等[ 14 ] 分析了1957~2000年期间永定河官厅水库以上流域的还原水量与入库水量，并采用GBHM模型模拟了1990和2000年两期土地利用下的流域径流，分析了下垫面变化对径流的影响。权全等[ 15 ] 运用DRAINMOD水文模型模拟了1988~2007年西安市城市土地利用变化对降雨径流产生的影响，探讨了降低城市地表径流、增加雨水入渗的调控措施，结果表明土地利用类型、土壤入渗能力以及降雨强度是影响城区降雨–径流关系的重要因素。史晓亮等[ 16 ] 以滦河流域为研究区，利用1985和2000年土地利用数据，结合SWAT分布式水文模型定量评价了流域土地利用/覆被变化的水文效应，并分析了流域地表径流变化与主要景观类型的响应关系。贺瑞敏等[ 17 ] 利用VIC模型，在海河流域选取了6个典型流域资料来率定VIC模型的参数，通过模型参数移植技术，建立了全流域的径流模拟平台，根据假定的气候变化情景，分析了海河流域河川径流对气候变化的响应机理。许崇育等[ 18 ] 全面回顾总结了水文模型发展的历史，取得的成就和存在的问题，重点讨论了环境变化下水文模拟的几个主要问题：①水文过程和降雨–径流关系的非稳定性问题；②水文模型在无资料流(区)域的应用问题；③水文模型在变尺度(时间和空间)情况下存在的问题；④水文模型与气候模型耦合的可能性问题。在讨论问题的同时提出了作者独到的观点和想法。 许多水文学家对如何甄别水文序列的变化和探讨其变化原因做了大量的研究工作，也得出了不同的结论[ 19 ] -[ 21 ] 。Zhang等[ 22 ] 初步研究和比较了中国九大流域的降雨和流量近50年(1956~2005)的变化趋势以及降雨径流关系的变化规律。结果表明，在中国北方干旱和半干旱地区(黄河，海河，塔里木河，松辽河)，降雨和径流明显呈现出不一致的变化趋势，导致了降雨径流关系的非平稳性。而在中国南方湿润地区(长江，珠江，岷江，及西南诸河)，虽然降雨和径流都有不同程度的变化，但降雨和径流的变化趋势基本一致，说明南方诸河的降雨径流关系趋于稳定。 2.2. 变化环境下水文模型结构和参数随时间和空间转移的可能性 在水文序列和降雨径流关系稳定的前提下建立的水文模型，被广泛用来模拟气候变化和土地利用变化情景下的水文响应。一般的计算方法和步骤是：①通过历史资料对模型参数进行率定；②利用不同的方法和模型建立未来气候和土地利用变化情景；③将第二步产生的情景，作为第一步率定好模型的输入信息和资料，模拟生成变化环境下的径流和其它水量平衡项。现有研究中存在的核心问题是水文模型的结构和参数是否具备在变化环境下的转移应用能力，而大量的研究表明：大多数的水文模型并不具备这个功能[ 23 ] -[ 26 ] 。主要表现在即使是非常相似的模型，而且其在率定期模拟结果相差无几，一旦把变化环境下非稳定性水文序列作为模型的输入，其结果相差巨大[ 27 ] 。 如何才能得到变化环境情景下较为客观的水文响应结果？最简单的也是最常用的方法就是采用多个水文模型的结果加以平均，也就是简单的集合预测方法。该方法虽然能在一定程度上降低单一模型的不确定性，但由于它不能确定不同模型的优劣，导致了它们的平均值仍可能有很大的不确定性，而且这个不确定性的程度是未知的。Young [ 28 ] 发现模型参数随率定时段的不同而发生显著变化。也就是说，如果用不同时期资料率定的模型参数，模拟环境变化情景下的水文响应将得出不同的结果。Merz等[ 29 ] 在奥地利选择273个流域，用41年的资料对HBV模型每5年率定一次，结果发现不管是模型的效率系数还是模型参数值都随时间发生明显变化。由于未来的情景是不可测的，环境变化下水文预测预报的结果也无法检验。国际水文科学协会(IAHS)前主席Klemes [ 30 ] 提出了利用历史资料检验水文模型模拟变化环境下水文响应的方法，即differential-split sample检验，不能通过这个检验的模型不适合用来做这方面的应用。Xu [ 31 ] [ 32 ] 采用WASMOD模型开展了类似检验的研究，但由于流域个数和序列长度有限，还有待对其它模型在不同区域的应用效果作进一步的验证。Li等[ 33 ] 利用differential-split sample检验法研究了DWBM和SIMHD模型参数在非稳定气候条件下移植可能性，结论是不同气候条件下率定的参数在交叉应用时将产生显著误差。Refsgaard等[ 34 ] 比较了几种在气候变化情景下水文模型参数转移的方法，得出通过differential-split sample检验的模型要优于其它模型的结论。 无(缺)资料流(区)域模型参数是需要通过移用有资料流域的参数来实现的。因为每个流域的气候和下垫面条件不完全相同，所以无(缺)资料流(区)域水文模拟也属于变化环境下的水文模拟问题。预测同一个流域土地利用变化下的水文响应可以认为是其中一种特殊的情景。无(缺)资料流(区)域的水文模拟经历自有水文模型以来的多年探索，特别是国际水文科学协会(IAHS)2002年启动的无(缺)资料流域的水文预测(Prediction in Ungauged Basin，简称PUB) (2003~2012)研究计划。该计划实施10余年来，取得了一些重要的理论和应用成果[ 35 ] [ 36 ] 。无(缺)资料流(区)域的模型参数估算目前常见的方法是多元回归法[ 37 ] -[ 39 ] 、流域空间邻近法和流域物理特性相似法[ 40 ] -[ 42 ] 、全局平均法[ 43 ] [ 44 ] 和多目标区域率定法[ 45 ] [ 46 ] 。 2.3. 水文模型和气候模型耦合的问题 为延长水文预报的预见期，20世纪90年代以来，越来越多的水文气象学者将数值天气预报模式与水文模型进行耦合研究，根据水文模型的输出结果是否对数值天气预报模式形成反馈，可将耦合方法分成两类：单向耦合和双向耦合。Lin等[ 47 ] 采用双向耦合(MC2/CLASS*/GUH)系统成功地重现了一场暴雨洪水过程线，显示了大气水文耦合模式预报暴雨洪水的能力，并能提供较长的预见期；Seuffert等[ 48 ] 将中尺度数值天气预报系统LM和陆面水文模型TOPLATS双向耦合，用TOPLATS取代了LM中土壤模块，克服了未考虑土壤侧向水流及汇流过程的不足，在同一个交互界面上实现了两个模式的在线耦合，提高了大气模式对陆气之间的能量通量和降水的预报能力。Anderson等[ 49 ] 采用单向的方法耦合了中尺度预报模式MM5与HEC-HMS水文模型，并对Calaveras流域3日的1小时连续流量过程进行了预报，同时用图示法比较了MM5降水预报与实测值的差别，指出其降雨预报精度还有待提高；Karsten等[ 50 ] 将5个数值天气预报模式和一个陆面分布式水文模型WaSiM-ETH分别作了单向耦合，研究耦合模式在洪水预报中的应用，他们指出耦合预报的结果因数值预报模式和挑选场次洪水不同而不同，预报降水的位置和雨量即使只有相对较小的误差，也将导致流量预报的巨大误差，耦合模式的改进将主要依靠大气模式的改进；Walter Collischonn等[ 51 ] 用中尺度数值预报模式ARPS模拟预报了连续167天的3种不同空间分辨率下的降水资料，以此驱动分布式水文模型模拟预报径流过程，并与零降雨输入、完美预报输入(即实测降雨)、实测径流过程三种情况进行了比较，但未对ARPS的降水预报进行评定；陆桂华等[ 52 ] 利用加拿大中尺度数值模式MC2模拟的降水驱动半分布式新安江模型，建立了降雨预报评价标准，进行了产汇流计算，结果显示耦合模型能成功的预报研究场次的暴雨和洪水过程，且能有效的延长洪水预见期。郭生练等[ 53 ] 建立了中尺度数值预报模式MM5和水文模型VIC的单向耦合预报系统，并采用汉江流域汛期水文资料对模型预报效果进行了验证。高冰等[ 54 ] 采用新一代中尺度数值天气模式WRF和分布式水文模型GBHM，开展了基于气象水文耦合的三峡入库洪水预报研究，结果表明，基于数值天气预报的三峡入库洪水预报具有一定精度，并且能够显著延长洪水预报的预见期。 2.4. 水资源优化配置模型与水文模型的耦合 20世纪90年代以来，为推动水资源系统规划的发展与应用，国外开发了一系列水资源系统模拟软件，如：丹麦水利与环境研究所(DHI)的Mikebasin、美国Brigham Young大学与陆军工程兵团共同开发的WMS、奥地利环境软件与服务公司开发的流域综合管理软件Waterware、以美国农业部(USDA)为主开发的流域水资源模拟模型Aquarius、澳大利亚研制的ICMS (Interactive Component Modeling System)水资源系统管理模型等，水资源配置对象从单纯的水量配置逐步发展为考虑水质因素的水资源配置。与此同时，国内水资源配置研究始于20世纪60年代以水库优化调度为手段的水资源分配研究，经过一系列的国家科技攻关、自然科学基金等项目的研究以及生产实践的推动，水资源配置理论体系逐步丰富与完善。黄强等[ 55 ] 以西安市水资源系统为对象，建立多水源、多目标水资源配置模型，提出了相应的求解方法，获得了系统有限水量在不同用水部门的优化分配方案。陈晓宏等[ 56 ] 以大系统分解协调理论作为技术支持，运用逐步宽容约束法及递阶分析法，建立东江流域水资源优化调配的实用模型，并对该流域特枯年的水资源量进行了优化配置和供需平衡分析。王浩等[ 57 ] 在“黄淮海水资源合理配置研究”中，首次提出水资源“三次平衡”的配置思想，系统地阐述了基于流域水资源可持续利用的系统配置方法，其核心内容是在国民经济用水过程和流域水循环转化过程两个层面上分析水量亏缺态势，并在统一的用水竞争模式下研究流域之间的水资源配置问题。刘建林等[ 58 ] 以系统分析理论为基础，对跨流域多水源多目标多工程调水所涉及的水资源问题进行研究，建立了南水北调东线工程联合调水仿真模型，为实际应用提供了决策平台。刘丙军等[ 59 ] 针对南方地区水资源利用特点，以东江流域为例，建立了以水资源合理利用为目标，综合考虑防洪、供水、河道生态等约束的水资源合理配置多目标分析模型，并运用大系统“分解协调”原理提出了相应算法。王德智等[ 60 ] 针对动态规划在供水库群优化调度中存在“维数灾”，且难以获得真正最优解的问题，将改进的加速遗传算法应用到水库群的水资源优化配置之中。金菊良等[ 61 ] 为确定区域水资源合理配置各评价指标的权重、有效处理区域水资源分配过程中的模糊性和随机性，提出了基于信息熵原理的模糊模式识别模型与基于加速遗传算法的模糊层次分析法相耦合，进行各子区域水资源量合理配置的新模型(EFPR-FAHP)。辛芳芳和梁川[ 62 ] 在多目标线性规划求解中引入模糊数学中的隶属度概念，建立以目标隶属度最大为目标的数学模型，应用于都江堰灌区水资源合理配置中。陈卫宾等[ 63 ] 提出基于记忆梯度混合遗传算法用于灌区水资源优化配置。耿福明等[ 64 ] 根据水资源价值、边际机会成本、最优化数学等理论，基于水资源净效益最大化的水资源优化配置思想，以水资源承载力、用水部门生存条件、用水公平性及可持续发展约束等水资源开发利用约束为准则，建立了基于水资源净效益最大化的水资源优化配置模型，并将该模型应用于南水北调受益区。王福林和吴丹[ 65 ] 基于区域产业结构发展趋势及其演变规律，以保障区域生活用水需求与生态环境用水需求为前提，在区域水资源可供给总量与产业发展用水需求量的约束条件下，建立基于水资源优化配置的区域产业结构动态演化模型。陈春林、郑垂勇等(2010)针对传统权重确定方法的不足，提出了一种新的确定权重的方法(ANP方法)，将该方法应用于南水北调工程受水区水资源优化配置。陈强等[ 67 ] 利用改进的SWAT模型多水源灌溉模块，将水资源配置模型的农业灌溉用水分布到改进后的SWAT模型中，实现二模型的松散式耦合，这种分布式水文模型与配置模型的耦合为流域水资源管理提供了一种新的途径。张礼兵等[ 68 ] 采用对数平均迪氏指数法(LMDI)建立了工业用水恒等式，将工业用水影响效应划分为工业节水效应、经济规模效应、产业结构效应和用水强度效应，对安徽省2003~2011年总体及逐年的工业行业用水变化分别进行因素分解计算和分析。左其亭等[ 69 ] 从和谐论的观点出发，把和谐平衡定义为“利益相关者考虑各自利益和总体和谐目标而呈现的一种相对静止且相关者各方暂时都能接受的平衡状态”，提出了基于和谐论的和谐平衡计算方法，确定了实现河南省水资源与经济社会和谐平衡的条件。张守平等[ 70 ] [ 71 ] 构建了供需平衡、耗水平衡和基于水资源优化配置的水质模拟系统，提出基于水功能区纳污能力的污染物总量分配优化模型，分析分质供水的实现方式以及不同模块之间的耦合关系。李昱等[ 72 ] 根据水库群的拓扑结构和共同供水目标的分布情况，分层构建了两个虚拟聚合水库及其联合调度图；并根据水库自身属性以及供水任务，联合使用分水比例法和补偿调节法两种方法分配共同供水任务；同时设置补给限制线以避免过度补偿，以此构建水库群联合调度模型，并采用改进遗传算法对模型进行优化求解，得到相应联合调度规则。 综上所述，水资源配置研究主要表现在[ 73 ] -[ 75 ] ：① 配置研究的水源范围上，从最初的地表水量分配为主，发展到地表水、地下水联合调度配置，再到对常规水源和非常规水源的统一调配，从一次性水资源到再生性水资源的配置；②配置目标上，从单一的供水效益最大化发展到对流域水资源管理目标的多属性识别；③ 配置对象上，从供水量的配置发展到对取水量与耗水量的统一分配，从水量分配到考虑水量水质的联合分配；④ 配置指导思想上，从“以需定供”和“以供定需”到基于宏观经济的水资源配置，再到面向可持续发展配置；⑤ 配置方式上，从单一的工程措施扩展到采用经济、协商等多种手段并用的配置方式；⑥ 配置模型构建上，从“还原论”为基础的组合模型方法到整”体模型方法，系统动力学、大系统分解协调、多目标规划与决策技术等都引入到模型的构建和分析中；⑦ 配置模型求解技术上，根据所构建模型特点，已从线性规划、动态规划发展到多目标求解技术以及各种启发式智能算法，如模拟退火算法(SA)、蚁群算法(ACO)、遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)、人工免疫算法、人工鱼群算法、和声算法、多目标广义演化免疫算法(MEMOIA)、第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)等。 2.5. 流域水循环“自然–社会”二元变化的驱动机理与模拟 随着社会经济的快速发展，人类活动对流域水文循环过程和水资源演变规律的影响逐渐加剧，引发了一系列严重的水问题和水危机，其主要原因是流域水循环的驱动力、循环结构、循环参数在人类活动的影响下发生了二元演变效应，呈现出明显的“自然–社会”二元特性，并导致了径流性水资源衰减、水体污染和环境污染、天然生态退化等各种不良后果[ 76 ] [ 77 ] 。因此，流域水文循环过程的模拟不仅仅要研究变化环境下的流域降雨径流关系，更需要研究人类活动影响下的流域水文效应和人类活动对水循环要素变异的驱动机理。王浩等[ 78 ] 归纳了流域水循环“自然–社会”二元特性主要表现在：一是循环驱动力的二元化，即流域水循环的内在动力已由过去一元自然驱动演变为现在的“自然–社会”二元驱动；二是循环结构的二元化，即人类聚集区的水循环过程往往由自然循环和人工侧支循环耦合而成，两大循环之间保持动力关系，通量之间此消彼涨；三是水资源服务功能的二元化，即水分在其循环转化过程中，同时支撑了同等重要的经济社会系统和生态环境系统。贾仰文等[ 79 ] [ 80 ] 针对高强度人类活动作用下海河流域水循环的“自然–社会”二元特性，开发了流域二元水循环模型，该模型由分布式流域水循环模型(WEP)、水资源合理配置模型(ROWAS)和多目标决策分析模型(DAMOS)3个模型耦合而成，针对各模型的优势与不足，提出了两层耦合的技术路线，以实现统筹考虑水资源、宏观经济与生态环境的流域水资源综合管理分析的功能。刘家宏等[ 81 ] 以海河流域为原型对象，分析了二元水循环的关键要素、平衡方程以及演变历程，应用建立的二元水循环模式理论，研究了海河流域二元水循环十项关键要素的演化规律。王浩等[ 82 ] 在全面剖析流域水循环演变“自然–社会”二元特性的基础上，构建海河流域二元水循环及其伴生过程综合模拟平台，并以此为工具通过基于气候模式预测结果与水量控制条件的情景设置，对水资源、水生态和水环境的未来演变情势进行了预估。刘佳嘉等[ 83 ] 提出一种基于分布式水文模型的分解气候变化和人类活动对流域水循环过程影响的方法，用于对多个因素进行影响量分解。该方法能综合考虑不同因素之间的相互作用，使得单因素影响量之和恰好等于所有因素综合影响量，并从理论和应用两个方面对此进行论证。总体来看，通过一个时期的探索，“自然–社会”二元水循环的耦合研究已形成了诸多的知识点[ 84 ] 。