第34卷 第10期 2012年10月 2012，34（10）：1929-1934
Resources Science
， Oct.，2012
收稿日期：2012-02-05；修订日期：2012-08-07
基金项目：陕西省教育厅专项基金（编号：11JK0120）。
作者简介：贺晓英，女，陕西西安人，博士，讲师，从事资源经济学研究。
E-mail：he99@
文章编号：1007-7588（2012）10-1929-06
“水资源域”概念及其在水资源管理中的应用
贺晓英 1，贺缠生 2
（1.西安工业大学经济管理学院，西安 710032;
2.西密歇根大学地理系，卡拉马祖市 MI 49008，USA.）
摘 要：“流域”概念广泛被用于水文和水资源管理研究中。而这一概念只是强调给定空间范围内水和物质的
时间分布，且流域边界相对稳定。“水资源域”为在某一时段向河口或某一地点，传送水、水中营养物、泥沙或其它
物质的空间范围。水资源域概念的提出，能够对水和物质随时间和空间二者相互变化的动态分布加以解释，综合
考虑了不同尺度的时空即时变化对水资源及物质传播的影响。这一新概念应用遥感、空间分析、追踪及模拟技术
分析流域空间模式与过程，为水资源探索、分析、模拟及预测提供了一种全新的方法与途径。本文提出并定义了
“水资源域”的概念，然后应用分布式大流域模型计算了美国茅密河的水资源分布。
关键词：流域；水资源域；径流；分布式大流域模型
1 引言
“流域”是指由源头到河口的天然集水单元，是
河流或湖泊由分水岭所包围的集水区域。流域在
水文和水资源管理中被广泛作为一个基本的自然
地理单元 [1]。流域边界通常是以地形图来勾画，以
水的不连续流程和向下游输送的物质为特征 [2]。作
为一个水文系统，流域往往跨越地域和环境、时间
和空间范围跨度较大，既有只有数公顷面积支流，
也有流域面积在数百万平方公里的江河流域，时间
间隔数分钟、数小时、数天、数年甚至数百年[3]。流
域边界的变化和相关支流的流径控制影响着流域
内物理、化学和生物过程变化的时空模式。但是随
着时间范围的扩展变化，这个过程也会改变流域的
空间格局。例如，从水流（数分钟或数小时内）到泥
沙（数百年以上）尺度，泥沙量，包括储存和传输量
的变化，洪积平原的形状和大小的变化等。尽管流
域的形态与时空变化过程之间存在着相互作用，但
在大多数的水资源应用研究中，河道网络和流域边
界通常被认为是静态的。流域的边界、渠道几何形
态及水流的时间空间范围及水流沉积物和结构的
改变并没有被充分考虑进去。正是这种不足，导致
学术界无法准确理解和预测跨不同时空范围，流域
受自然和人为因素改变所发生的变化和反应。例
如，流域对于天气和土地利用状况变化所可能发生
响应，人们目前还无法准确预测 [4]。降雨量空间和
时间分布的不同会对泥沙输送率、营养物的产生和
输送产生怎样的影响；泥沙或营养物从哪里来，并
且这些物质是否顺流而下被传送到了流域的出口
及其洪积平原；大范围的流域格局是如何受小范围
局域水资源交互的影响等等，为了解答这些问题，
过去数十年内，学者们利用地理信息系统、遥感技
术、建模技术等各种先进技术和方法，尝试对地球
表面系统的动态改变进行预测，以期更准确地理
解、估计和预测构成地表变化的物理、生物、化学与
人类活动等因素之间的紧密联系。为了解决这些
问题，学者们提出“水资源域”这样一个全新的概
念，模拟和预测流域内水和物质的产生和输送的时
空变化状况。本文定义了“水资源域”的概念，然后
对水资源域概念的应用给出了一个具体的应用实
例，并探讨了水资源域概念在水资源管理领域的应
第34卷第10期资 源 科 学
用前景[5]。
2 水资源域的概念与特征
流域是一个具有明显物理边界且综合性强的
独特地理单元 [6]。过去多年来，流域概念被延伸应
用到其它领域，如水资源研究、大气层研究等领
域。Michel[7]使用了水共同体这一概念，他将水共同
体定义为通过输水工程（如水库和输水管道）把送
水区和受水区联系起来的混合水域，以此来估计水
体自然边界的移动对流域内送水区和受水区域水
文、地理、水质、生态系统、社会经济及土地利用变
化产生的影响。有的学者用“空气域”的概念来描
述、模拟和控制大都市区域空气质量的管理，如大
气污染物的排放、输送及储存的量 [8]。还有的学者
用水域的概念来理解区域水文对于鱼类物种丰富
性影响中的作用[3]。应用流域的概念进行生态学中
消费者和资源的空间动力学分析，Power等[9]提出了
资源域的概念，即个体在其生命周期所消耗资源的
区域，把食物链和生态系统的功能同景观特征联系
起来。Croley等[3]对水资源域的概念作了详尽的概
括，个体、种群、水及其它物质产生于一个时间间
隔，到达的间隔可分为3种情况：①在不同时间间隔
内；②在几个时间间隔内；③或者在同一时间间隔
内。对于水资源域来说，物质源包含了所有被水流
输送的营养物、有机物、泥沙、生物有机体、被掠食
物或污染物。资源域的概念如图 1所示，物质源从
不同的源区域出发，于第4天、第5天和第6天出发，
而在第 6天到达研究区域（如流域的出口）。接着，
Croley等首次用严格的数学公式推导描述了跨时间
和空间的水资源域的变化过程。假如某一区段会
比其它区段能提供更多的水流或物质，区域内物质
源流出和到达时间的区域密度变化率可以用来表
示资源域内的物质源分布，如图2所示，靠近研究点
的区段物质密度比远离研究点区段物质密度高。
与流域的概念类似，水资源域有以下的一些特
征：①流域的边界是以地形图来确定，相对比较稳
定，而水资源域边界由水文事件中进入江河的水及
其携带的物质源来进行描绘，与其变化的空间和时
间都有关（例如，泥沙的资源域随暴雨事件而变
化）；②流域的概念强调在给定空间内水资源的时
间分布，而水资源域的概念更注重时间和空间上的
水资源及物质的分布状态；③水资源域的概念研
究受物理、生物、化学和人类活动变化等作用而
引起的水资源的时空变化及对流域格局和过程
的影响 [10]。总之，水资源域这一新概念应用了遥
感、空间分析、追踪及模拟等技术的优点，为水资源
及其输送物质的探索、分析、模拟及预测提供了一
个全新的方法与途径，以更好的规划、管理、跟踪和
执行水资源政策。
3“水资源域”概念应用实例
水资源域分布可以用分布式大流域模型计
算。随着时间的推移，从各处进入流域的物质将会
出现在河口 [3]。例如，伊利湖茅密河是一个位于伊
利湖流域西部，集水面积为1 7541km2，如图2所示，
Paola等 [5]利用分布式大流域径流模型（Distributed
Large Basin Runoff Model，DLBRM）建立伊利湖茅密
河水资源域的模型。将茅密河流域划分为 1 7541
个网格，分布式大流域水资源模型被运用到每一个
单元上，对不同时间间隔离开该单元的水资源进行
注：黑点代表流域出口，物质源从第4天、第5天和第6天
出发，在第6天到达流域出口
图1 资源域
Example resource sheds
图2 资源域的资源分布密度
Example resource shed distribution for
1930
2012年10月 贺晓英等：“水资源域”概念及其在水资源管理中的应用
跟踪，并且对在同一时间间隔或不同时间间隔到达
和进入该单元的水量进行计算。
分布式大流域径流模型由美国国家海洋气象
管理局（NOAA）五大湖环境研究实验室和西密歇根
大学共同开发完成，它将流域用1km2（或其它面积）
为单位分成网格单元，每个单元由表层土壤、深层
土壤、地下水和地表水四个部分构成，它们被分成
连续，平行的一些层叠的水箱，与所研究的流域空
间结构保持一致（见图3）。
降雨和积雪融化进入上层土壤，向下渗透的水
量与降水量和表层土壤水分相关，超过土壤饱和的
供水量便是地表径流。从各个水箱流出的水流量
与储水量相关。每一水箱水量平衡遵循质量守恒
定律；能量守恒定律应用于蒸发蒸腾。模型以日气
温来计算热平衡，据此计算潜在蒸发量，并且根据
潜在蒸发量和储存量计算实际蒸发量。该模型允
许地表层和地下水流彼此之间以及与邻近网格单
元水箱储水量相互交换。分布式大流域径流模型
根据水流网络来计算水文线，每个网格流入水文线
必须已知，才可以计算出水量水文线。在计算时，
模型会安排出水量水文线的计算使储存的水文线
数量最小化。在所有的地表水、表层土壤、深层土
壤和地下水水箱之间，该模型用了同一水流网络。
该模型已广泛应用在北美圣劳伦斯五大湖流域同
步模拟和预测上 [11]。分布式大流域模水资源模型
的特点在于：①利用了容易获取的气候、地形、水
文、土壤和土地利用数据来进行分析；②适用于大
流域；③对质量守恒方程式用微分方法求解。
分布式大流域径流模型对于每一个单元来说
要求有 15个参数，模型中每个网格的输入变量包
括：降雨量和气温，太阳辐射，海拔，坡度，水流流
向，土地利用，表层及深层土壤的深度，表层及深层
土壤含水量，土壤质地，表层及深层土壤的渗透度，
曼琳（Manning）系数值，日水流量等，这些数据可以
从气候、地形、土地利用、土壤、水文和水文地理数
据库中获得。模型利用梯度搜索技术寻找 15个参
数的空间，来对模型进行校准，使模型估算的水流
量和实际的水流流量之间的平均方差最小化。每
个参数的空间变异量相同，根据流域特征确定。图
4表明了水资源域概念应用在茅密河中的状况，在
1950年的 1月的第 1天，第 7天和第 31天的水资源
状况。颜色最浅的区域对应的是网格单元中在
1950年 1月 1日大约占总水量的 %的水量，最
深的区域（密度或浓度）接近于0。南部和西部向北
延伸的较突出的脊线，代表了俄亥俄州和密歇根州
的边界（图4中的A、B点）。这个边界是两州之间对
土壤图人为界定的数据标准的差异。图4中的点C
为流域的出口。图 4a表示在流域出口处前一天小
雨对于流域的影响，图 4b和图 4c表示与流域出口
较远的区域所受的影响。历史的降雨量记录表明4
天以前降水不多，但是在西南部在第 5天以前降雨
量较大。同时，整个流域在之前的第7天、第11-13
天、第15天、第21-22天和第29天，空间上都有同样
的降水。亮点表示5天前最大峰值，图4b和图4c中图3 分布式大流域径流模型结构 Tank cascade schematic of Distributed Large Basin Runoff Model
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越靠近流域出口的区域相对颜色较深，因为那里的
供给量（此前 7天或更多天）已经流掉了，在这一天
已不是该流域水流中的一部分了。比较图 4b和图
4c可以看出，7天前的降水状况改变很小，这是因为
流域对这一降水事件反应非常快，影响的大小以第
1、6或 7天降水为顺序。大多数 6或 7天以前的降
雨供给已经流掉，不再是这一天水流量一部分了。
4 结语
本文综述了水资源域的概念及其在水文研究
和水资源管理中的作用。水资源域是指在某一时
段向河口或某一地点传送水、水营养物或其它物质
的地理区域。水资源域概念和流域的概念有相似
之处又有不同：
（1）流域概念强调的是给定空间范围内水和物
质的空间分布，而水资源域概念强调水和物质随时
间和空间的变化二者相互变化的动态分布。
（2）流域边界以地貌特征来确定，相对稳定；而
水资源域的边界以水文事件中水和物质的传播范
围而定，随时间和空间的变化而变化。
（3）在研究水资源的过程和模式上，水资源域
概念综合考虑了时间和空间即时变化对水资源及
物质传播的影响。
水资源域是一个相对较新的概念，它利用了追
踪、遥感和模拟技术分析流域空间模式与过程，为
水资源探索、分析、模拟及预测提供了一种全新的
途径。在水质管理上，水资源域概念可用于预测泥
沙、营养物、微生物和有害藻类的构成和输送动
向。例如，将大型分布式模型与水动力和颗粒物跟
踪模型相结合，Raikow[12]描述了在不同时间间隔，伊
利湖几个观测点的资源域空间变化情况，揭示了该
区域支流在其变化中的相对重要贡献作用。目前
正在研究在分布式大流域径流模型中加入物质传
输，可以用来构造资源域并反映水中营养物、泥沙、
农药、微生物等的分布，这样就能直接预测有害藻
类及海滩关闭情况。美国五大湖 30个流域的日实
时资源域状况及其分布已经完成。
在气侯变化科学中，水资源域的概念可以帮助
研究者将气候和土地利用变化状况，与不同时间范
围及水路网络中的地表径流、泥沙产量和营养物产
量变化联系起来。在生态学研究中，资源域可用于
描述跨栖息地、区域、网络、流域和相关生态系统的
营养物的移动，及其与之相关的生态系统的变化和
反映[13]。
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注：在1950年1月1日前的1-31天水流量分布状况：第1天前，第7天前，第31天前
图4 资源域在茅密河的应用
Maumee Resource Sheds
1932
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1933
第34卷第10期资 源 科 学
The Application of Hydrologic Resource Sheds to
Water Resource Management
HE Xiaoying1，HE Chansheng2
(1. Economics and Management School , Xi’an Technological University, Xi’an 710086, China;
2. Department of Geography, Western Michigan University, Kalamazoo, MI 49008, USA)
Abstract: The watershed has been widely used in hydrologic research and water resources
management. This concept emphasizes temporal distribution of water and materials within given
space, and the boundary of a watershed is delineated by topography and relatively more stable. The
lack of the watershed boundary across spatial and temporal scales has limited the capacity of
understanding and predicting watershed responses to natural and anthropogenic changes. Here, the
relatively new concept of a hydrological resource shed is proposed and defined. Hydrological
resource shed is a geographic area that contributes material (. water, nutrients and sediments)
over one time interval, passing through a location of interest over another time interval. Compared
to the watershed concept, the hydrologic resource shed focuses on both the temporal and spatial
distribution of water and materials within a changing space, and its boundary changes over both
space and time. This relatively new concept has some unique features. First, the boundary of the
hydrologic resource shed is delineated by the contributing sources of water and materials to a river
or lake during hydrologic events, and changes over both space and time, whereas the watershed
boundary is delineated by topography and is more stable. Second, the hydrologic resource shed
focuses on both the temporal and spatial distribution of water and materials within a changing
space whereas the watershed focuses on temporal distribution of water and materials within a given
space. Third, the concept of hydrologic resource shed incorporates space-time variability in
studying watershed patterns and processes. Taking advantage of current tracing, remote sensing,
mapping, and modeling technologies, the hydrologic resource shed concept provides a new way of
discovering, understanding and simulating the transport and distribution of water and materials
across multiple scales of space and time. In water quality management, hydrologic resource sheds
can be used to predict the movement of sediments, nutrients, microbial, and harmful algal bloom
formation and transport. We provide an application for computing the hydrologic resource shed
distributions using the Distributed Large Basin Runoff Model (DLBRM) in the Maumee River
watershed in the western Lake Erie Basin, USA over varying time intervals, and reveal the relative
contributory importance of subwatersheds to those locations in the lake. Finally, we discuss the
potential application of hydrologic resource sheds to watershed research and management, climate
science and ecology.
Key words: Watershed; Hydrologic resource shed; Runoff; DLBRM; Lake Erie
1934
