（水文学及水资源专业论文）分布式水文模型与水资源配置模型耦合研究.pdf

摘要 在人类活动的干扰下，流域水循环系统在结构和驱动力方面日益呈现出“天 然一人工”二元特性。面对这种二元性带来的水文水资源问题，仅用分布式水文 模型或仅用水资源配置模型都难以解决。因此将分布式水文模型和配置模型耦合 起来实现“天然一人工”二元水循环系统的完整模拟和评价具有重要的应用价值 和现实意义。 基于上述背景与需求分析，论文初步探索了分布式水文模型和水资源配置模 型耦合起来的思路和方法，并将其应用于伊洛河流域。论文主要包括以下三部分 内容： 第一部分：系统总结了分布式水文模型和水资源配置模型的研究进展；介绍 了分布式水文模型w e p 模型的发展，对模型的结构、参数、特点以及功能进行了 详细论述；介绍了基于规则的水资源配置模拟模型r o w a s ，论述了模型的基本概 念、概化原则、规则制定和模块的功能；这些为模型耦合奠定了理论基础； 第二部分：详细论述分布式水文模型和水资源配置模型耦合的思路、方法、 技术路线和技术难题；由于分布式水文模型和水资源配置模型两者的计算单元时 空尺度不同，进行水文水资源数据的时空尺度转换是模型耦合的纽带，论文重点 研究了工业生活和农业灌溉用水的时空展布的理论、方法以及实现的途径； 第三部分：选取黄河流域小花区间最大的支流伊洛河为试验流域，通过改变 流域下垫面、人工取用水过程，设置了包括现状水平年( 2 0 0 0 年) 和规划水平 年( 2 0 1 0 年) 的六种方案进行耦合模拟，针对模拟结果定量分析了农业节水、 控制开采地下水、农作物覆膜等管理措施对流域蒸散发量e t 、河道下泄量、地 下水蓄变量等水循环过程的影响并提出了政策建议。 本文研究的技术难点在于实现水文水资源数据的时空尺度转换。主要创新点 有三点：( 1 ) 提出了分布式水文模型w e p 和水资源配置模型r o w a s 耦合的方法和 具体步骤；( 2 ) 以伊洛河为实例研究，构建“天然一人工”二元水循环模型，实 现了二元水循环系统的完整模拟和评价；( 3 ) 开展了基于配置方案的多情景水循 环模拟分析，初步展示了模型耦合在流域水资源合理配置中的情景分析功能。 通过伊洛河流域应用表明，该耦合模型能进行不同管理措施下的“天然一人 工”二元水循环过程模拟和水循环要素定量分析，可以用于指导流域水资源规划 与管理。本文的耦合是松散式耦合，应进一步研究实现模型的紧密的动态耦合， 并在水资源问题更加突出的地区( 如海河流域) 研究推广。 关键词：人类活动分布式水文模型水资源配置模型时空展布耦合伊洛河 a b s t r a c t u n d e rt h ei m p a c to fs t r o n gh u m a na c t i v i t i e s ，h y d r o l o g i c a lp r o c e s s e sa n dw a t e r r e s o u r c e ss y s t e mh a v et y p i c a ln a t u r e - h a m a nd u a l i s t i cc h a r a c t e r i s t i ci na l la s p e c t so f f o r c i n g ，p a r a m e t e ra n ds t r u c t u r e h o w e v e r ，t h es e p a r a t es t u d ya n da p p l i c a t i o ns t a t u so f d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e l sa n dw a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o nm o d e l sc a l ln o t d e s c r i b et h ed u a l i s t i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h u sb e c o m e sad e v e l o p m e n to b s t a c l eo f m o d e mw a t e rr e s o u r c e sp l a n n i n gm a dm a n a g e m e n t t h e r e f o r e ，o n l yb yc o u p l i n gt h e t w ok i n d so fm o d e l s ，d y n a m i cw a t e rr e s o u r c e sa s s e s s m e n ta n dr e a l i s t i cs c e n a r i o a n a l ) 7 s i sc a nb ed o n ei nt h ew a t e rr e s o u r c e sp l a n n i n g b a s e do nt h eb a c k g r o u n da n dd e m a n dm e n t i o n e da b o v e - m e n t i o n e d ，t h i sp a p e r d e v e l o p e da na p p r o a c ho fc o u p l i n g d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e la n dw a t e r r e s o u r c e sa l l o c a t i o nm o d e la n da p p l yi tt ot h ey i l u or i v e rb a s i n t h i sp a p e rm a i n l y i n c l u d e st h r e es e c t i o n s ： t h ef i r s ts e c t i o n ：t h es t u d yd e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e la n d w a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o nm o d e lw a sr e v i e w e d ，t h e nt h et h e o r i e s ，m e t h o d sa n d a p p l i c a t i o n so fd i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e l w a t e ra n de n e r g yt r a n s f e rp r o c e s s m o d e l ( w z p ) a n dar u l e - b a s e do b j e c t o r i e n t e d s i m u l a t i o nm o d e lo fw a t e r r e s o u r c e ss y s t e m ( r o w a s ) w a sd e s c r i b e di nd e t a i l t h es e c o n ds e c t i o n ：t h ei d e a , m e t h o d ，t e c h n i q u ec o u r s ea n dd i f f i c u l t yo f c o u p l i n gd i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e la n dw a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o nm o d e la r e d i s c u s s e d d u et ot h ec o m p u t i n gu n i t sd i f f e r e n tb e t w e e nt h ew e pm o d e la n dr o w a s m o d e l ，c h a n g i n gs c a l e so fs p a t i a la n dt e m p o r a ld i s t r i b u t i o no fw a t e rr e s o u r c e sa r e d i f f i c u l t ya n dk e yo nc o u p l i n g i nt h ep a p e r ，i n d u s t r y t h et h i r ds e c t i o n ：a tl a s t ，t h ec o u p l e dm o d e lu s e di nab r a n c ho fy e l l o wr i v e r y i l u o h e s i xs c e n a r i o sa r es e t t i n g f o re a c hs c e n a r i o ，l a n du s ea n dc o v e rc h a n g e ， w a t e ru s ei sc o n s i d e r e d w a t e rs a v i n g ，g r o u n dw a t e re x p l o i t e da n dp l a n tc o v e rb y p l a s t i ci sd i f f e r e n ti ns c e n a r i o s r e f l e c tt or i v e rb a s i ne v a p o r a t i o na n df i v e rf l o wa n d g r o u n dw a t e rl e v e lb ym a n a g e m e n tm e a s u r ea r es t u d i e d a tt h es a m et i m ep o l i c y a d v i c ew a sb r o u g h tf o r w a r d t h ed i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e lp r o v i d e st h ew a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o n m o d e lw i t ht h ei n f l o wp r o c e s sa n de v a l u a t e sw h e t h e rt h ew a t e ra l l o c a t i o ns c e n a r i o s c a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fw a t e rb a l a n c ed e m a n da tm a i nc o n t r o ls e c t i o n sb y f i g u r i n gs p a t i a la n dt e m p o r a ld i s t r i b u t i o no fw a t e rr e s o u r c e s t h ew a t e rr e s o u r c e s a l l o c a t i o nm o d e lp r o v i d e st h ef o r m e rw i t ht h ew a t e ra n o c a t i o ns c e n a l i o sb y c o n d u c t i n gj o i n to p e r a t i o no fh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gn e t w o r k t h er e s u l to fd i s t r i b u t e d h y d r o l o g i c a lm o d e li si n p u to ft h ew a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o nm o d e la f t e rr e a s o n a b l y a g g r e g a t e di ns p a c ea n dt i m ea n dt h er e s u l to fw a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o nm o d e li s i n p u to ft h ed i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e la f t e rr e a s o n a b l yd i s t r i b u t e di ns p a c ea n d t i m e t h ci t e r a t i v ep r o c e s si s r e p e a t e dt or e a l i z et h ec o u p l i n go ft h et w om o d e l s b a s e do nt h ec o u p l i n go ft h et w om o d e l s ，t h es t a t u so fr i v e rb a s i nw a t e rr e s o u r c e s w i ma r t i f i c i a ld i s t u r b a n c ec a nb ea n a l y z e d t h r o u g hc h a n g i n gc o n d i t i o no f w a t e r s h e d a n dh u m a nw a t e ru t i l i z a t i o n ，t h eh i s t o r i c a ls e r i e so fr i v e rr u n o f f , t h en a t u r a lw a t e r r e s o u l t 圮su n d e rh i s t o r i c a lw a t e r s h e dc o n d i t i o n ，u n d e rp r e s e n tw a t e r s h e dc o n d i t i o na n d u n d e rf u t u r ew a t e r s h e dc o n d i t i o nc a nb es i m u l a t e d ，t h e nt h ee v o l u t i o n a r yl a wo f r u n o f f - t y p e dw a t e rr e s o u r c e sc a nb ea n a l y z e d ，g e n e r a lw a t e rr e s o u r c e si n c l u d i n ge t f r o mv e g e t a t i o na n dd e t a i l e dc o m p o n e n t so fw a t e rr e s o u r c e sc a nb ea s s e s s e d ，a n dt h e e f f e c to f h u m a na c t i v i t i e so nt h ee v o l u t i o no f w a t e rr e s o u r c e sc a nb eq u a n t i f i e d ni sc o n c l u d e dt h a tt h ec o u p l i n go f t w ok i n d so f m o d e l si sq u i t es u c c e s s f u la n di s v e r yu s e f u li nw a t e rr e s o u r c e sp l a n n i n g ，t h o u g hs o m ef u r t h e rs t u d i e sa l ee x p e c t e d k e y w o r d s ：h u m a na c t i v i t i e s ，d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e l ，w a t e rr e s o u r c e s a l l o c a t i o n m o d e l ，s p a t i a li n t e r p o l a t i o n , m o d e li n t e g r a t i o n , y i l u o h e r i v e r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师指导下独立进行研 究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我 所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发 表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国水利水电科 学研究院或其它教育机构的学位或证书等而使用过的材料。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 年月日 中国水利水电科学研究院学位论文 1 1 论文选题依据与研究目的 第一章绪论 1 1 1 论文选题依据 随着生产力发展和人口增长，农业生产、城市化、水土保持和人工取、用、耗、排 水等人类活动日趋强烈，对流域水循环的大气、地表、土壤和地下等各个过程造成深度 影响。以取用水为基本特征的水资源开发利用，在天然水循环的大框架内形成了。取水 输水一用水一排水一回归”人工侧支水循环圈，改变了流域以。四水”转化为基本特 征的天然水循环过程，从而使得流域水循环在结构、驱动力及参数上都具有明显的“天 然一人工”二元特征。 然而，目前分布式流域水文模型与水资源配置模型基本上处于分离研究和应用的状 态，难于刻画流域水循环的二元特征，制约了现代水资源评价、规划和管理方法的创新 与发展。传统的水资源配置模型通常是集总式的，难于提供地下水位的空间分布信息、 关键河道断面的流量；同时，水资源配置模型仅考虑径流性水资源，缺乏包括e t ( 蒸 发蒸腾) 在内的流域水循环全要素的平衡分析功能，不利于通过e t 管理实现流域真实 节水。而分布式水文模型尽管能够进行流域水循环全要素的模拟分析，但其功能仅限于 单纯模拟，缺乏在各用水行业与各行政区之间进行水资源配置以及水利工程调度功能。 因此，将分布式水文模型与水资源配置模型耦合起来可以取长补短，充分发挥各自的优 势，即：分布式水文模型重点分析天然水文过程，水资源配置模型负责水资源分配和水 库调度，并对两个模型进行数据交换等耦合处理，从而建立二元水循环模拟系统，实现 水资源的全口径动态评价，为流域水资源规划与管理提供节水防污、地下水压采、经济 结构调整等方面的情景分析工具。所以分布式水文模型和水资源配置模型的耦合是个双 赢的过程。 在国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 项目“黄河流域水资源演化规律与可再生性 维持机理”第二课题“黄河流域水资源演变规律与二元演化模型”( g 1 9 9 9 0 4 3 6 0 2 ) 中， 中国水科院水资源所初步探讨了水资源调配模型与分布式水文模型的耦合问题。但是， 该研究的重点是通过对历史情景的模拟，进行水资源评价、分析流域水资源演变规律。 由于水资源配置模型与分布式水文模型耦合问题的复杂性，加上9 7 3 课题以整个黄河流 域为研究对象，范围过大，限制了对耦合模拟步骤、规划情景下耦合模拟方案和结果的 深入探讨。本论文试图在已有的研究基础上，以流域面积相对小一些的伊洛河流域 ( 1 8 8 8 1k m 2 ，黄河流域的一级子流域) 为研究对象，构建伊洛河流域水资源配置模型 中国水利水电科学研究院学位论文 和分布式水文模型，探索模型耦合方法和步骤，并开展应用研究，对未来水资源配置方 案及其相应的e t 、地表水、地下水和河道流量等水循环要素的变化进行情景分析。 1 1 2 研究目的和意义 本论文的研究目的是，在文献综述和伊洛河基本情况分析的基础上，构建伊洛河流 域水资源配置模型和分布式水文模型，研究分布式水文信息和集总式取用水信息的匹配 和融合问题，开发用水信息时空展布模块，并进行现状和未来规划情景下耦合模拟的实 例分析，较为系统地提出分布式水文模型与水资源配置模型耦合的方法和步骤。 本论文研究对建立和完善现代水资源规划方法具有参考价值，有较大的理论意义； 提出的耦合模型可为制定经济一环境一生态和谐发展的水资源管理战略提供情景分析 工具，具有重要的实践应用价值。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 分布式水文模型研究综述 传统的水文模型大多都是集总式的，大多采用概念性的元素模拟或者经验函数关系 的描述，对模型输入数据的空间性和不均匀性没有充分的考虑，到9 0 年代几乎处于停滞 阶段。然而2 0 世纪8 0 年代中期以来，随着计算机技术、遥感技术和地理信息技术的发展， 获取和描述流域下垫面空间分布信息的技术日渐完善，考虑水文变量空问变异性的分布 式流域水文模型的研究有了长足的进展。 1 2 ，1 1 国外研究概况 1 9 6 9 年f r e e z e t g 】h a r l a n 1 1 发表了一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝 图的文章，提出了分布式水文物理模型的概念和框架，之后，世界各地的水文学家开 发了许多分布式或半分布式的流域水文模型。 早期的s h e 模型 2 1 是第一个具有代表性的分布式水文物理模型，由英国、法国和 丹麦的科学家联合研制的，该模型考虑了蒸散发、植物截留、坡面和河网汇流、土壤非 饱和流及饱和流、融雪径流、地表和地下水交换等水文过程，该模型参数具有一定的物 理意义，可以通过观测或资料分析得出。2 0 世纪9 0 年代初期，法国s o g r e a h 咨询公 司和丹麦水力学研究所在该模型基础上进一步发展研制了m i k es h e 模型，该模型是 综合性的、确定性的、具有物理意义的分布式水文模型。模型主要包括水流运动、溶质 的对流和扩散、地球化学和生物反应、作物生长和根系氮的运移、土壤侵蚀、双相介质 中的孔隙率和灌溉等模块，该模型广泛应用于水文、环境、生态、气象等各个领域，在 世界各地不同气候和水文条件下，模型得到了验证。模型的典型应用范围可以归为流域 规划、土壤和水资源管理、灌溉和排水、污水排放点的水污染、土地利用变化的影响、 2 中国水利水电科学研究院学位论文 气候变化的影响、生态评价等。 i h d m 模型p j 是具有物理机制的分布式降雨径流模型，最早由英国水文研究所的 m o r r i s 于1 9 8 0 年开发。i h d m 模型利用数学物理方程来描述水分在地表和土壤中的运 动，计算得到暴雨的降雨径流关系。b e v c n 和c a l v e r 等人对模型进行了改进。模型以机 理研究为主，在一些流域得到应用，如在英国的w a l e s 中部的t a n l l w y t h 只有o 9 2 k m 2 的小流域得到应用。 t o p m o d e l 模型【4 j 是1 9 8 6 年b e v e n 在b e v e n 和k i r k b y 早期工作的基础上提出来 的，是一个以地形和土壤为基础的半分布式流域水文模型，其在分布式流域水文模型之 间起到了一个承上启下的作用。其主要特征是利用地形指数或地形一土壤指数来反映流 域水文现象，特别是径流运动的分布规律。该模型结构简单、优选参数少、物理概念明 确，在水文领域获得了广泛的应用。 s w a t 模型1 5 】是由美国农业部的农业研究中心j e f fa r n o l d 博士1 9 9 4 年开发的。 s w a t 模型主要特点是基于物理机制、使用常规数据、计算频率高、可模拟长期影响。 模型开发的最初目的是预测在大流域复杂多变的土壤类型、土地利用方式和管理措施条 件下，土地管理对水分、泥沙和化学物质的长期影响。 1 2 1 2 国内研究概况 我国分布式水文模型的研究起步较晚，于2 0 世纪9 0 年代逐渐发展起来。 贾仰文等 6 q 5 从1 9 9 6 年开始开发和完善网格分布式流域水文模型w e p 模型，该模 型对非饱和土壤水运动的模拟采取了比s h e 模型简化的算法，但强化了对植物耗水与 热输送过程的模拟，对水循环与热输送各过程的描述大都基于物理概念。w e p 模型还 具有以下4 个特点：网格单元内采用了“马赛克”法考虑土地利用的空间变异性，对 大流域粗格子计算特别有利；由于对降水入渗的模拟采取了简化算法，坡面汇流按预 先设定的汇流方向进行一维计算，和s h e 模型相比，大大缩短了计算时间；洪水预 报与长期连续计算两用；除产汇流计算外，还具有流量成分分离、热收支计算和水质 模拟等功能。该模型以长方形或正方形网格为计算单元，便于使用g i s 和卫星遥感数据， 具有物理概念强、计算精度高和速度快等特点，已在日本谷田川等多个流域得到验证。 杨大文等1 1 6 】于1 9 9 8 年开发了基于流域地貌特征建立的流域分布式水文模型g b h m 模型。该模型将一个大流域划分为若干个较小的子流域，利用流域的地貌特征参数，即 流域的宽度方程和面积方程将一个子流域划分为汇流区间和山坡，这样将二维流域简化 为一维，减轻了计算量，同时模型使用了流域的地貌特征参数以及考虑了汇流区间内不 同植被和土壤类型对山坡产流的影响，该模型能够较好的描述流域水文的空间特性。 李兰等【i 。1 提出了一种分布式水文物理模型，该模型由四大部分组成，分别是各个小 中国水利水电科学研究院学位论文 流域产流模型、汇流模型、流域单宽入流和上游入流反演模型、河道洪水演进。该模型 应用于王瑶、陆浑、怀柔等水库的洪水预报，效果均不错。 郭生练和熊立华【协吲于2 0 0 0 年提出了一个基于d e m 的分布式流域水文物理模型， 该模型详细描述了网格单元的截留、蒸散发、下渗、地表径流、地下径流、融雪等水文 物理过程，在每一个网格上用地形高程来建立地表径流之间的关系。该模型应用于美国 缅因州b b m w 流域检验模型的结构和精度，模型的效率系数平均值为8 5 2 ，水量平 衡指数平均值为o 9 8 ，与新安江模型的计算结果相比精度略有提高。 郭生练和杨井等( 2 0 0 1 ) 建立了基于g i s 的分布式月水量平衡模型。其中月水量平 衡模型采用郭生练等提出的两参数月水量平衡模型。该模型结构简单、物理概念明确； 优选参数少、易于率定检验、便于在无资料地区推广应用；模型参数间的相关性较弱， 对初值不敏感。该分布式水量平衡应用于赣江和汉江流域，取得了较高的模拟精度。 夏军掣2 0 】将时变增益非线性水文系统( t v g m ) 与数字高程模型( d e m ) 结合， 开发了分布式时变增益水文模型( d t v g m ) 。该模型既具有分布式水文概念性模拟的 特征，又具有水文系统分析适应能力强的优点，能够在水文资料信息不完全或者有不确 定性干扰条件下完成分布式水文模拟与分析。d t v g m 是水文非线性系统方法与分布式 水文模拟的一种结合，在潮白河流域的应用中该模型的效率系数高达8 5 ，峰现误差 亦在允许误差范围内，基本上能够满足水资源管理的要求。 刘志雨2 0 0 2 年【2 l l 提出了以水文学理论为基础，以数字高程模型为平台，应用数值 分析来建立相邻网格单元时空关系的分布式水文模型y o p k a p i 模型。流域的特性参数、 降水和水文响应的空间分布在水平方向上用栅格网系统，在垂直方向上用各相应的水平 土柱模拟。模型将流域划分为d e m 的方格网，由数字高程模型自动生成每个网格中水 流抵达流域出口断面的汇流路径，沿着流水网，模型通过三个结构上相似的非线性水库 方程来描述流域降雨一径流过程中的不同水文、水力学过程。该模型在洪水预报方面已 有了广泛的应用。 1 2 1 3 研究展望 虽然分布式流域水文模型取得了很大进展，有着广泛的应用前景，但在其研究与推 广应用中还存在着如下问题： ( 1 ) 空间尺度与水文变量和参数的空间变异性。水文变量和参数的空间变异性是 由水文研究对象的空间尺度较大引起的，由从实验室研究得出的水运动的“点”方程应 用到流域空间引起的。它包括三个层次内容：一是水文变量和参数在不同计算单元间的 空间变异性，二是水文变量和参数在同一计算单元内不同下垫面上的空间变异性，三是 水文变量和参数在同一计算单元内同一下垫面上的空间变异性。目前大多数分布式水文 4 中国水利水电科学研究院学位论文 模型都只考虑了第一种空间变异性，用“取最大面积法”忽略了第二种空间变异性，用 。有效参数法”忽略了第三种空间变异性。“有效参数法”增加了计算结果的不确定性， 即采用不同的空间步长而不修正参数会有不同的结果。许多水文学家从理论上研究了空 间尺度问题，进行了由“点”方程积分到。面积平均方程”的尝试( 如k a v a a s 掣捌) ， 但由于“面积平均方程”得出的高阶项需要大量的野外观测数据和求解多维积分，除在 简单的情况( 如垂向一维降雨入渗模拟) 还无法应用于流域水文模拟。 ( 2 ) 时间尺度与水循环的动力学机制的描述。流域水循环的各要素过程相互关联 和影响，特别是入渗和地表径流之间，非饱和带土壤水分运动和蒸散发之间，需要耦合 计算。水循环的许多过程如降雨时的入渗和地表径流过程变化很快，描述这些过程的动 力学机制常需要日以下的时间步长。如果所有过程所有时期均采用很短的时间步长，计 算量将很大。而有些过程如地下水运动变化比较缓慢，可以使用较长的时间步长。因此， 采用变时间步长，针对不同过程和同一过程的不同时期采用不同的时间步长，来缓解水 循环的动力学机制的描述和计算量大之间的矛盾将是有效对策之一。 ( 3 ) 参数估计与模型校验。由于尺度问题等原因，分布式模型的参数在每个计算 单元内仍具有空间变异性且与空间尺寸联合对水循环过程起作用，如何合理推定其单元 内“有效参数”仍然是个难题。 ( 4 ) 不确定性问题。由于尺度及参数估计问题的存在，所有分布式模型均有假设 与近似处理，不同模型或同一模型的不同空间分辨率可能会得出有较大差别的计算结 果，带来“不确定性问题”。可通过模型诊断和相互比较的方法来减小模型计算结果的 一， 不确定性。 ( 5 ) 数据不足。由于分布式流域水文模拟需要大量的基础数据，数据不足问题尤 其显得突出。我国的水文气象观测、地质调查和资料整编等基础工作开展较早、质量较 高，在国际上位于先进国家之列。但和欧美发达国家相比，目前存在数据资料入手难的 问题。另外，我国在土壤植被参数测试与建库、遥感、航测及雷达等遥测技术方面和国 际先进国家相比仍有不少差距。因此，除加强地面观测工作及数据管理外，数据不足问 题将更多地依赖遥感与雷达等遥测技术进行解决。 ( 6 ) 天然水循环和人工侧支循环的耦合模拟。在人类活动作用下，流域水循环系 统不仅包括天然水循环过程，还包括“取水一输水一用水一排水一回归”五个环节构成 的人工侧支循环过程，形成流域二元水循环系统。在人类活动干扰地区，人工侧支循环 过程影响越来越大，在某些方面甚至超过了水循环过程，“忽略”或是“剔除”人工作 用力影响的处理方法都会造成流域水循环规律认识上的失真，而需要将天然水循环与人 工侧支循环进行耦合模拟，研究“自然一人工”二元驱动力作用下流域水循环及其伴生 的水资源演化规律。而目前多数分布式水文模型仅研究天然水循环过程，即使是部分模 中国水利水电科学研究院学位论文 型适当考虑了人工侧支循环过程，也仅仅是在产汇流计算中被动体现给定取用水条件， 尚没有考虑流域水循环与水资源调配管理之间的交互影响 1 2 2 水资源配置模型研究综述 近1 0 0 年来，随着科学技术水平的提高和社会经济的发展，水资源管理逐步走向合 理化、多样化和集约化，特别反应在农田灌溉管理中，同时在水资源系统的优化调度与 分配、水资源宏观区域规划、水环境战略保护以及采取全面节水措施、营造节水型社会 等方面都有了很大的进步。可以说，水资源合理配置的发展，是和水资源的持续利用和 人类的协调发展分不开的。随着水利工程的不断实施，水资源合理配置的基础设施建设 和管理手段的进一步完善，真正意义上的水资源合理配置已经成为可能。 关于水资源合理配置的定义也是伴随水资源配置各个阶段的发展而发展的。直到我 国2 0 0 2 年颁布的全国水资源综合规划大纲里对水资源合理配给出了一个定义，才使 水资源合理配置有了一个比较权威的定义，即“在流域或特定的区域范围内，遵循有效 性、公平性和可持续性的原则，利用各种工程与非工程措施，按照市场经济的规律和资 源配置准则，通过合理抑制需求、保障有效供给、维护和改善生态环境质量等手段和措 施，对多种可利用水源在区域问和各用水部门问进行的配置”。流域水资源配置具有不 确定性、复杂性，水资源配置模型为实现流域水资源合理配置提供了很好的工具。 1 2 2 1 国外研究概况 水资源配置的研究源于2 0 世纪4 0 年代，m 韬提出的水库优化调度问题。最早的 水资源模拟模型是美国陆军工程师兵团( u s a c e ) 于1 9 5 3 年在美国密苏里河流域建立 了六个水库调度的模拟模型。其后，在尼罗河流域为解决水库的规模及其运行调度问题 构造了专门的模型。自1 9 7 1 年d h m a r k s 提出水资源系统线性决策规则后，采用数学 模型的方法描述水资源系统问题更见普遍。随着系统分析与优化技术的引入以及计算机 技术的发展，水资源系统模拟模型和优化模型的技术得到了迅速的发展。1 9 7 2 年， b u r 站】出版的水资源科学分配一书系统的进行了线性规划和动态规划在水资源配 置应用中的研究，并提出了水资源系统模拟的一些思路。1 9 7 4 年，j i c o h o n 和d h m a r l 对水资源的多目标问题进行了研究。1 9 7 5 年，y y h a i m e s 2 4 对地表水库、地下含水层 联合调度的多层次管理技术使模拟模型技术向前迈进了一步。1 9 7 5 年，j a d r a c u p 和 a d f u d m a r 用系统方法对南斯拉夫m o m u a 流域的水资源规划管理进行了研究1 9 7 8 年，j m s h a r e r 和j w l a b a d i e 提出了流域管理模型。1 9 8 2 年，加拿大内陆水中心 f c a n a d ac e n t e ro fi n l a n dw a t e r ) 对渥太华流域及五大潮利用线性规划网络流算法进行 系统的水资源规划与调度研究。1 9 8 3 年，d p s h e e r 经过长时问的努力，利用优化与模 拟相结合的技术在华盛顿特区建立了城市配水系统。美国麻省理工学院( m i t ) 于1 9 7 9 年 完成的对阿根廷河r i oc o l o r a d o 流域的水资源开发规划是最具成功和有影响的例子。其 6 中国水利水电科学研究院学位论文 中应用模拟模型技术对流域水量的利用进行了研究，提出了多目标规划理论、水资源规 划的数学模型方法，并加以应用。 2 0 世纪8 0 年代以后，随着地理信息系统g i s 的发展，基于g i s 的水资源系统规划 管理软件得到了长足的发展。如丹麦水利与环境研究所开发的集成式的流域水资源综合 管理决策支持软件m i k eb a s i n ，该软件最大的特点是基于g i s 平台进行开发与应用， 该软件可对未来流域复杂的水资源计算和多目标开发利用、水环境保护、制定工程规划 等专项研究提供有效工具。w a t e r w a r e 是奥地利开发的流域综合管理软件，它综合了 g i s 、数据库管理系统、模拟技术、最优化方法以及专家系统等各项功能。它采用了完 全开放式的、模块化的体系，根据集合程度的不同，具有不同的层次和结构。r i v e r w a r e 是美国科罗拉多大学水资源与水环境先进决策支持系统研究中心开发的，是基于规则的 以模拟水库运行调度为主的流域水资源模拟模型。其最大的特点是采用可以自行选择或 编制模拟计算的原则。h e c - r e s s i m 是由美国陆军工程师团研制的流域水资源运行模 拟软件，其主要在于模拟地表工程系统的联合运行调度，可以针对不同类别的工程给定 具体物理属性和运行规贝i j 等约束来进行优化模拟。 2 0 世纪9 0 年代中期以后，流域水资源配置模型有了新的发展趋势，一方面，遗传 算法、神经网络等新兴优化技术引入模型中；另一方面，表现为采用一体化的方式对水 资源进行综合管理，将水资源管理模型与地理信息系统、水文模型和经济模型进行耦合。 1 2 2 2 国内研究概况 国内在2 0 世纪6 0 年代开始了以水库优化调度为手段的水资源分配研究。自8 0 年 代起，由于水资源规划管理的需要，采用系统优化和模拟进行水资源配置的研究逐渐受 到重视。南京水文水资源研究所采用系统工程方法对北京地区水资源系统进行了研究， 建立了地下水和地表水联合优化调度的系统仿真模型，并在国家“七五”攻关项目中进 一步完善并应用。之后，随着国家重点科技攻关项目的进行，我国的水资源配置在理论 和方法上都有了很大的提高，主要分为五个重大发展阶段m j 。 第一阶段，就水论水，也即“以需定供”和“以供定需”的水资源配置方式。 第二阶段，基于宏观经济的区域水资源优化配置阶段，即结合区域经济发展水平并 同时考虑供需动态平衡的配置。基于宏观经济的区域水资源优化配置认为水资源系统是 区域自然一社会一经济协同系统中的一个有机组成部分。区域宏观经济的增长，不仅受 其内部因素的制约，同时也受外部自然资源和环境生态条件的制约。一方面经济规模的 增长会促进水需求的增长，另一方面，水供给的紧缺也会限制经济的增长并促进经济结 构作适应性的必要调整。国家“八五”攻关华北地区宏观经济水资源规划理论与方法 在国内外首次提出了区域水资源优化配置的交互式多层次多目标决策者的决策方法 ( i h g m o a ) 。这一决策方法是在基于宏观经济的区域水资源优化配置理论指导下、不同 7 中国水利承电科学研究院学位论文 层次的多个决策者参加的、定性与定量互补的、优化与模拟技术联合应用的一种人机交 互多目标分析过程。 第三阶段是基于二元水循环模式的水资源合理配置。国家“九五”攻关专题西 北地区水资源合理配置和承载能力研究在“八五”攻关的基础上，针对内陆干旱绿洲 生态的特点，进一步将水资源系统与社会经济系统、生态系统三者联系起来统一考虑水 资源的合理配置问题，提出了基于二元水循环模式的水资源合理配置理论与方法，对。八 五”攻关提出的基于宏观经济的水资源合理配置理论进行了一系列的拓展。在决策服务 对象上，拓展为同时考虑社会经济和生态环境系统；在决策目标上，拓展到经济效益与 生态效益之和最大。在合理配置问题涉及的生态系统方面，不仅包括了人工生态系统， 而且包括了天然生态系统。本次研究的另一进展，是同时考虑了人工侧支水循环和天然 水循环，且考虑了两者的相互作用。这些不仅使水资源开发利用保护的资源基础更为合 理，也为生态需水研究和水资源演交研究奠定了科学基础。 第四个阶段，以宏观配置方案为总控的水资源实时调控。受流域水资源管理体制 的约束，我国流域水资源统一调配实践未能实质性地全面铺开，一些问题严重的流域更 多地依靠行政手段进行管理。随着流域水资源问题的普遍化和严重化，流域水资源统一 调配与管理具有重大的现实意义和紧迫性。在此形势下，国家“十五”攻关计划启动 吼一( 2 i s ) ( 2 1 9 ) f j 包2 。 p + h u 2 毛2 一 2 一p + 吼z p + 见： e ：一( 2 2 0 ) d j 0 风2s 凰2 。 吼22 i 风：一风：。 z ：；z ： 佗引， 式中：p 为降雨；h 。为洼地储留；b 为蒸发；凡为表面径流；h 一为最大洼地储 留深；e 。为潜在蒸发( 由p e n m a n 公式计算) ；c 为城市建筑物在不透水域的面积率。 下标1 表示城市建筑物，2 表示城市地表面。 2 2 3 2 入渗 降雨时的地表入渗过程受雨强和非饱和土壤层水分运动所控制。非饱和土壤层水分 运动的数值计算既费时又不稳定，许多研究也表明，除坡度很大的山坡以外，降雨过程 中土壤水分运动以垂直入渗占主导作用，降雨之后沿坡向的土壤水分运动才逐渐变得重 要，因此，w e p l 模型采用g r e e n - - a m p t 铅直一维入渗模型模拟降雨入渗及超渗坡 面径流。g r e e n - - a m p t 入渗模型物理概念明确，所用参数可由土壤物理特性导出，已经 得到大量应用验证。m e i n l a r n 闻和c h u s s 将g r e e n - - a m p t 入渗模型应用于均质土 壤降雨时的入渗计算，m o o r e - - e i g e l 5 川将g r e e n - - a m p t 入渗模型扩展到稳定降雨条件下 的二层土壤的入渗计算。考虑到由自然作用和人类活动( 如农业耕作) 等引起的土壤分 层问题，j i a 和t a m a i 于1 9 9 7 年提出了实际降雨条件下的多层g r e e n - - a m p t 模型，以 下称通用g r e e n - - a m p t 模型。 日 r 山 一 o h o坩 吼 p = 生 塾a 中国水利水电科学研究院学位论文 如图2 5 所示，当入渗湿润锋到达第m 土壤层时入渗能力由下式计算： 哳( 1 + 南) 式中：f 为入渗能力；f 为累积入渗量；k l i i 为m 土壤层的导水系数：a 。l 、b 。l 见 后述。累积入渗量f 的算出方法，根据地表面有无积水而不同。 如果自入渗湿润锋进入第m l 土壤层时起地表面就持续积水，那么累积入渗量由 ( 2 2 3 ) 计算；如果前一时段k i 地表面无积水，而现时段t n 地表面开始积水，那么由 ( 2 2 4 ) 计算。 f e 一2 k 。一。) + 4 - - i i l ( 二己：糕)