草原壶穴湿地水文过程的模型无关表示方法：增强通用性并实现跨水文模型的耦合应用

《Water Resources Research》：A Model-Agnostic Representation of Prairie Pothole Hydrology: Enhancing Generality and Implementation Across Hydrological Models

　　

摘要：在低洼平坦、广布壶穴（prairie pothole / depressional storage）的草原及北极地区，模拟河川径流具有挑战性，原因是非贡献区（non-contributing area）的时空变化影响地表径流转化为河道出流的过程。已有多种建模方法试图表征此类动态，但多数存在以下不足：(a)将洼地集总处理且只允许达到固定容量后溢流出流；(b)高度依赖率定；(c)不适用于大流域；(d)未考虑非壶穴区产流贡献；(e)与特定模型绑定而非模型无关（model-agnostic）。本研究提出HDSv2——第二代滞蓄湿地存储（Hysteretic Depressional Storage, HDS）模块，其为开源、模型无关、数值稳健且基于长期建立的草原壶穴物理认知。HDSv2表征动态贡献面积（dynamic contributing area）与存储–出流滞回关系（storage–discharge hysteresis），可真实模拟充水–溢连–断连（fill-and-spill）行为及寒区过程。研究人员将HDSv2耦合至三种架构不同的水文及陆面模型：HYPE（Hydrological Predictions for the Environment）、MESH（Modélisation Environnementale communautaire—Surface and Hydrology）和SUMMA（Structure for Unifying Multiple Modeling Alternatives），并应用于加拿大Smith Creek流域。结果表明，相较易产生数值不稳定并影响HYPE中贡献面积模拟的原版HDSv1，HDSv2提升了数值稳定性与过程保真度；在所有宿主模型中，集成HDSv2均较原配置获得更稳健的流量过程线（hydrograph），且更好再现观测到的洼地滞蓄量与贡献面积的关系；尽管不同宿主模型流量过程改善程度各异，附加指标显示高低流量条件下均有持续增益。研究证明HDSv2为将洼地滞蓄动态引入多样化水文模型及区域提供可迁移、可扩展的途径。

论文解读：草原壶穴湿地滞蓄动态的第二代模型无关表示模块HDSv2的开发与跨模型验证

一、研究背景与意义

北美草原壶穴区（Prairie Pothole Region, PPR）及北极地区地势平坦，广泛发育冰川成因洼地（depressions / potholes），这些洼地在雨季蓄水、旱季排空，通过"充水–溢连–断连"（fill–spill–disconnect）机制控制流域产汇流过程，形成动态变化的贡献面积（variable contributing area）与洼地滞蓄量之间的滞回关系（hysteresis）。传统水文模型多采用集总阈值溢流（lumped threshold spill）、静态水库假设或线性贡献面积关系来近似洼地作用，存在以下局限：①忽略贡献面积的动态滞回演变；②假定所有坡面径流必经洼地（忽视直接入河的非壶穴区）；③采用显式欧拉法导致数值振荡；④高度依赖经验参数且难以跨模型移植；⑤大多绑定特定模型架构，缺乏通用性。原有HDSv1（Hysteretic Depressional Storage v1）虽引入滞回概念，但仅嵌入HYPE模型，计算基于深度通量、池塘面积视为常数、采用显式求解且未考虑非壶穴直排区，数值稳定性和物理真实性有限。

为此，研究人员开发了第二代滞蓄湿地存储算法HDSv2，以开源、模型无关（model-agnostic）、数值稳健的方式表征草原壶穴滞蓄–连通动力学，并在三种异构宿主模型（HYPE、MESH、SUMMA）中耦合验证，旨在为洼地主导景观提供可迁移、可扩展的水文过程改进方案。该研究成果发表于《Water Resources Research》。

二、主要技术方法概述

研究人员以加拿大萨斯喀彻温省Smith Creek Research Basin（SCRB，面积435 km2，>17000个洼地占流域面积>35%）为研究区，利用Copernicus DEM 30 m提取洼地参数（NCAmapper工具）。HDSv2采用体积基通量控制方程描述meta-depression（代表流域内所有洼地集合）池塘体积变化，引入时间变化池塘面积（Hayashi & Van Der Kamp关系）、幂律型贡献面积–体积分数关系、滞回状态变量及非壶穴直排区（river upland area, f_np），使用隐式欧拉法（Implicit Euler）结合Newton-Raphson迭代求解，并对贡献面积函数进行二次平滑消除间断。HDSv2分别以分布式（接收坡面及洼区径流、塘面降雨/融雪、蒸发、渗漏通量）和集总式（由总径流按f_dep、f_upl、f_np内部分解）两种模式接入宿主模型。在HYPE中替换原有ilake/HDSv1模块（因HYPE限制池塘面积固定）；在MESH和SUMMA中作为陆面与河道演算间的中间层插入。三套模型均用MAF（Model Agnostic Framework）自动化构建，RDRS再分析数据驱动，2000–2018年模拟（2000年自旋，2000–2011率定，2011–2018验证），DDS算法率定，KGE（Kling-Gupta Efficiency）、MARE_POT（峰值平均相对误差）、MARE_FBT（枯水平均相对误差）、流量历时曲线（FDC）及退水（recession）分析评估。

三、研究结果

3.1 Comparison of the HDS Versions Within HYPE（HYPE内HDSv1与HDSv2对比）

在未率定条件下比较，HDSv1因显式欧拉法产生非物理振荡（数值不稳定），且贡献面积在洼地排水期归零，违背河岸带始终贡献的物理事实；HDSv2引入最小恒定贡献分数f_np（约0.06），干季维持基流贡献，隐式求解使贡献面积时序平滑稳定。两者径流过程线总体相似，但HDSv2更符合文献报道的动态贡献面积行为，数值鲁棒性显著优于HDSv1。

3.2 Streamflow Simulations（径流模拟）

三个宿主模型加入HDSv2（HYPE-HDS、MESH-HDS、SUMMA-HDS）较各自基准配置（HYPE-ilake、MESH-PDMROF、SUMMA-noPothole）验证期KGE改善（如HYPE-ilake 0.37→HYPE-HDS 0.45；MESH-PDMROF 0.41→MESH-HDS 0.51；SUMMA-noPothole 0.41→SUMMA-HDS 0.50），率定期相当或更优。MARE_POT与MARE_FBT显示HDS版模型高低流量误差普遍降低。流量历时曲线表明HDS增强了对全流量级尤其是枯水与洪峰的捕捉能力。退水分析显示HDS使幂律退水参数（dlnQ/dtlnt = ?α）及存储–出流关系S(Q)趋近观测值，修正了基准模型过快或过慢排泄的偏差，改善基流消耗动力学表征。

3.3 Contributing Area Simulations（贡献面积模拟）

HYPE-ilake假定贡献面积恒为100%且不随洼地状态变化；MESH-PDMROF给出线性非滞回关系且洼地常空（体积分数从0到0），无法保留洼地存水。HDS耦合版本均呈现非线性顺时针滞回环（贡献面积分数 vs. 池塘体积分数），春季融雪期上升支扩大连通性，夏秋下降支收缩至最小直排区，暴雨事件可短暂恢复连通——符合野外观测的充–溢–断连行为。不同宿主模型间池塘体积绝对值差异源于各自蒸散发与产流方案不同，但滞回形态一致。

3.4 Flux Simulations（通量模拟）

对于有原生水体模块的HYPE和MESH，加入HDS对年蒸散发（ET）和土壤储水量影响微小（MESH-PDMROF略高估ET以排干洼地）。对于无洼地模块的SUMMA，未含HDS版本通过率定增大土壤饱和含水量（θ_sat）和土壤储水来补偿缺失洼地滞蓄，致使年ET和土壤水偏高；加入HDS后土壤水+池塘储水≈无HDS版土壤水，蒸散发=土壤+冠层ET+池塘蒸发，表明率定会错误调整其他组分以弥补缺失过程表征。

四、讨论与结论总结

研究表明，缺乏洼地动力学会使模型靠参数率定"碰对"径流（right answer for the wrong reason），扭曲土壤水、ET等通量–储存的真实性，影响长序列气候情景模拟可信度。仅用KGE等综合指标评价洼地区模型具局限性——极少数极端点可主导指标，应辅以流量历时曲线、退水特征、贡献面积–滞蓄关系等过程签名验证。HDSv2通过动态贡献面积、滞回存储–出流耦合及非壶穴直排区划分，克服阈值溢流模型的缺陷，数值上隐式求解消除不稳定。

结论翻译（研究总结与结论部分）：

本研究提出第二代滞蓄湿地存储（HDSv2）算法，经重新设计的数值格式与基于草原壶穴长期研究的物理概念化，形成可无缝集成于任意水文或陆面模型之模型无关框架，以模拟草原洼地对河川径流及水文循环的宏观影响。增强后的公式与数值方案较早期HDSv1给出更准确、稳定的结果。HDS算法成功实施于架构迥异的HYPE、MESH及SUMMA模型中，加拿大Smith Creek流域检验表明改进版模型对全过程线、极端流量及其他水文特征值具良好表现。主要结论如下：①缺乏草原壶穴动态表征之模型虽可能经率定获可接受径流，但属"错误原因得正确结果"，会损害其他过程（如土壤储水、蒸散发通量）之表征；②过程表征调整可使模型修改存储与通量以匹配径流模拟；③草原区实测径流常具间歇性（秋冬无流），少于1%的数据点可显著影响绩效指标，引入较大不确定性；④模型评价应超越综合指标，融入对系统动力学的更全面认知（尤其数据稀疏区）。HDS算法为可变非贡献区（如草原壶穴区及更广区域）之径流模拟提供整合方案，其在HYPE、MESH、SUMMA中之成功实施彰显其通用性，可拓展至泥沙、营养盐输运及水温动力学研究，是提升草原及北极区水文模拟框架、支撑水资源管理、水电与粮食安全之有价值工具。未来将在更多壶穴流域测试并纳入大洼地"门控"（gatekeeping）效应、基于能量平衡的蒸发估算，并使HDS兼容基本模型接口（Basic Model Interface, BMI）以便接入美国National Water Model等系统。