美国西北太平洋地区非持续性河流水流的过程水文模型表征研究

《Water Resources Research》：Process-Based Hydrologic Model Representations of Non-Perennial Streamflow in the Pacific Northwest, USA

本文系统评估了四种主流过程水文模型（PBM）在美国西北太平洋地区非持续性河流中的模拟性能，发现现有模型普遍低估了干旱程度与低流量/无流天数的高估现象。研究通过克林-古普塔效率（KGE）指标和低流量特征参数（如7Q10、7Q2）分析，揭示模型在干旱区域表现显著下降，并指出地下水-地表水耦合机制缺失是核心局限。该研究为改进水文模型在生态管理、水质评估和气候适应性决策中的应用提供了关键理论依据。

　　

非持续性河流水文模拟的挑战与突破

在全球气候变化和人类活动加剧的背景下，非持续性河流（即间歇性断流的河网）的水文模拟已成为水资源管理的核心挑战。尽管这类河流占全球河网总长度的半数以上，传统水文模型多基于永久性河流设计，导致对干旱-半干旱区域的水文过程模拟存在系统性偏差。美国西北太平洋地区作为典型的地中海气候与雪融水补给区域，其非持续性河流的水文行为对部落社区、农业灌溉和水生生态系统具有至关重要的影响。

研究方法与模型比较体系

本研究选取四种公开可用的过程水文模型（PBM）：可变下渗容量模型（VIC）、降水径流模型系统（PRMS）及国家水模型（NWM）2.1与3.0版本，针对哥伦比亚流域156个具有低流量特征的水文站点进行模拟性能对比。通过设定筛选条件（如日均流量≤1立方英尺/秒持续7天以上），确保研究站点涵盖从湿润到干旱的不同水文景观类型。模型评估采用克林-古普塔效率（KGE）及其分解组分（相关系数KGE_r、变异性比KGE_α和偏差比KGE_β），并结合低流量指标（如无流日数、7日最低流量重现期7Q2/7Q10）进行多维度验证。

模型性能的空间分异规律

分析表明，所有模型在非持续性河流模拟中均表现不佳，仅33%的模拟结果优于观测值均值预测（KGE=-0.41）。模型性能与干旱指数呈显著负相关：在湿润区（如海洋性气候带），KGE值可达-0.2至0.1，而干旱区（如半干旱带）普遍低于-1.0。KGE分解显示，NWM系列误差主要源于时序相关性不足（KGE_r<0.3），而VIC和PRMS则在流量幅值（KGE_β≈0.1）和变异性（KGE_α<0.2）上存在系统性偏差。值得注意的是，尽管干旱区站点多位于高斯特拉勒级河流（如4-5级），但模型在低阶河流（1-3级）的表现反而更优，说明空间尺度并非主要误差来源。

低流量水文特征的模拟偏差

在无流日模拟方面，观测数据显示干旱区站点年均无流日达200天，但所有模型均未能重现这一梯度规律。NWM 3.0在湿润区可匹配无流日数量，但在干旱区低估达50%；VIC和PRMS则全程高估无流日频率。对于低流量持续时间，模型普遍低估夏季低流日数（观测值40天，模拟值仅10-30天），且最小流量发生时间较观测推迟2-4周。低流量频率分析（7Q10）进一步暴露问题：模型在干旱区将本应低于10^-3m³/s的极低流量高估至10^-1量级，这种数量级误差严重制约模型在生态流量管理中的应用。

过程表征缺陷的机制解析

模型失效根源在于其底层结构对非持续性河流关键过程的简化。地下水模块方面，VIC采用线性基流水库，无法刻画非饱和带动态；PRMS虽设双地下水储层（浅层快速流/深层基流），但缺乏实际渗漏参数；NWM的"指数桶"模型则完全忽略侧向地下水交换。地表-地下水相互作用方面，所有模型均假设河道水不可反向渗漏，导致无法模拟干旱区常见的"流失型河段"。例如，实际观测中地下水贡献可占旱季流量的60-80%，但模型基流公式在低土壤湿度时敏感性不足，造成流量虚高。

生态管理启示与模型优化路径

本研究警示当前模型可能低估未来气候变暖下的河流断流风险。例如，基于错误7Q10模拟的水质标准制定，会高估水体稀释能力，威胁鲑鱼等濒危物种栖息地。改进方向应包括：开发耦合地表-地下水的模型架构（如PRMS-MODFLOW联用）、引入非线性基流响应函数、整合高分辨率土壤湿度数据。同时，建议模型率定兼顾湿润区与干旱区站点，并建立与水资源管理者的协同设计机制，最终提升模型在生态流量评估、水质预警等跨学科应用中的实用性。

结论与展望

过程水文模型对非持续性河流的模拟能力仍处于初级阶段，其系统误差随干旱程度加剧而扩大。通过解构模型在低流量时序、幅度和频率等方面的偏差，本研究为下一代水文模型的过程表征改进提供了明确靶点。唯有将间歇性河流特有的非线性水文响应（如滞后效应、临界连通阈值）嵌入模型框架，才能支撑气候变化下水资源适应性管理的精准决策。