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冻土（包括多年冻土和季节冻土）是寒区环境普遍存在的自然景观，北半球陆地系统的55-60％存在冻土。土壤冻融过程伴随水分相变，改变了土壤的水力学和热力学性质，影响寒区环境植被、积雪、土壤、大气之间能量和水分的传输过程，对流域内蒸发、土壤水分入渗、产流等水文过程具有重要的调节作用，是寒区流域水文研究的核心之一。在分布式水文模型中对冻土过程进行显式的表达，描述冻土与其他水文要素之间的相互作用，对提高寒区流域径流的模拟和预测精度十分必要。
文章将基于物理过程的冻土水热模型SHAW与以坡面为基本水文响应单元的分布式水文模型GBHM进行了完全耦合，结合二者的优点，开发了一个新的基于物理过程的分布式水文模型，新模型在理论上适合于寒区的山区流域。
文章选择黑河上游以高山草甸和高寒荒漠为主要类型的冰沟小流域作为研究区对新模型进行验证。单点验证结果表明，模型模拟的土壤温度、水分和雪深与对应的站点观测有较好的吻合度，模型能够准确的模拟土壤的水热状态及积雪深度随时间的变化规律。同时模型也合理地估算了流域内土壤水分、温度和积雪深度空间分布的动态规律。根据杨针娘等的调查，冰沟流域的多年冻土主要分布在海拔4000m以上的区域，模型模拟的多年冻土分区与该调查结果一致性较好，间接证明了模型的正确性和合理性。径流量观测值和模拟值的对比结果表明，模型较成功的模拟了冰沟流域的径流量，模拟值与观测值有较高的一致性，它们之间存在较好的对应关系，相关系数达0.851。模拟期间模型日径流量的纳什效率系数为0.744，7-11月间日径流量的纳什效率系数为0.711，模型逐时径流量的纳什效率系数也能达到0.711。径流分割结果显示，地表径流占流域总径流的14.1％，主要发生于存在下伏冻土时的融雪季节，其余季节很难形成地表径流。壤中流是流域内最主要的径流形式，约占总径流的69.9％，基流占流域总径流的16.00％。
山区复杂地形使流域内短波辐射的空间分布存在非常强的异质性，从而影响流
中国科学院博士研究生学位论文——《流域冻土水热过程与分布式水文模型耦合研究》域内的水热过程和径流形成。新模型以可选模块的方式模拟山区地形对流域内太阳短波辐射空间分布的影响。先后使用选择和不选择该模块的模型在冰沟流域进行模拟试验，对比分析流域内水热过程和径流的敏感性。结果表明，考虑山区地形对太阳短波辐射的影响时，由于周围高大山体的遮蔽作用，长期处于阴影内的局部地区接收的太阳直射辐射减少，蒸发作用减弱，同时流域内土壤的温度、水分条件和冻融过程也发生了改变，导致流域的径流形成过程也有一定的改变。在考虑山区地形对太阳辐射影响的情况下，新模型对冰沟流域径流的模拟精度略有提高。因此，山区复杂地形条件对流域水热过程的影响不容忽视。
然而，模型在以森林为主的排露沟流域模拟效果欠佳，模拟径流量的纳什效率系数为-0.17，径流模拟值与观测值之间的相关性也较差，相关系数只有0.312。众多研究表明，森林的调蓄作用使林区流域径流对降水的响应在时间上存在明显滞后，径流洪峰迟于降水峰值。但是模型在排露沟流域模拟的径流峰几乎与降水峰值同步，而比观测径流洪峰明显提前，模型未能准确反映森林的调蓄作用。
研究工作目前存在一些明显的不足，主要有一下几个方面:模型采用线性坡面单元，不足以描述真实地理环境中非线性坡面上的水文过程;模型忽略了网格之间的水分交换过程;模型对基流的处理方式过于简单;冻土区域关于基流和壤中流的形成依然缺乏较完善的理论指导，同时模型在描述森林水文过程方面也比较薄弱;另外，目前缺乏一套较为全面的长期连续的高质量观测数据对模型进行验证，而且验证过程中缺乏空间数据等。
因此，希望能在今后的研究工作中同时开展深入的理论分析和系统全面的观测试验，在大量数据积累的基础上，不断改进完善模型的理论框架，并通过无线传感器观测网络和遥感手段获取多源观测信息，基于中尺度天气预报模式WRF并结合数据同化技术获得更加真实的空间降水等数据驱动模型，提高模型的模拟精度和预测能力。