浅谈水文水资源的模型设计

1、    浅谈水文水资源的模型设计    张洋榕摘 要：由于水利工程的普遍化和集约化，工程本身造成的环境问题及水土保持问题越来越突出，国家对水利工程的生态和环境提出了越来越高的要求，这就需要对水资源的开发进行科学规划，文章将对水利工程中水文水资源规划的模拟模型设计进行探讨。关键词：模型设计；水文水资源；水资源系统1 模拟模型设计概述由于水文水资源系统比较复杂，考虑的方面很多，诸如水量和水质；地表水和地下水的联合调度；地表水库的联合调度；本地区和外区水资源的合理调度；各个部门的合理配水；污水处理及其再利用等等。因此在这样庞大而又复杂的系统中有许多非线性关系和

2、约束条件在最优化模型中无法解决，而模拟模型具有很好的仿真性能，这些问题在模型中就能得到较好的模拟运行，但模拟并不能直接回答规划中最优解问题，而是给出必要的信息或非劣解集，可能的水供需平衡方案很多，需要决策者来选定。为了使模拟给出的结果接近最优解，往往在模拟中规划好运行方案，或整体采用模拟模型，而结局采用优化模型。也常常采用这两种方法的结合，如区域水资源供需分析中的地面水库调度采用最优化模型，是地表水得到充分的利用。水文水资源系统的模拟与分析，一般需要经过模型建立，调参与检验、运行方案的设计等几个步骤。2 水资源规划模型的建立建立模型是水文水资源系统模拟的前提。建立模型就是要把实际问题概化成一个

3、物理模型，要按照一定的规则建立数学方程来描述有关变量间的定量关系。这一步骤包括有关变量的选择，以及确定有关变量间的数学关系。模型只是真实事件的一个近似表达，并不是完全真实，因此，模型应尽可能简单，所选择的变量应最能反映其特征。以一个简单的水库调度为例，其有关变量包括水库蓄水量，工业用水量、农业用水量、水库的损失量（蒸发量和水库渗漏量）以及入库水量等，用水量平衡原理来建立各变量间的数学关系，并按一定的规则来实现水库的水调度运行，具体的数学方程如下所示：wt=wt-1+wqt-wit-wat-weqt式中：wt，wt-1时段末、初的水库蓄水量，m3；wit，wat时段内水库供给工业、农业的水量，m

4、3；weqt时段内水库的蒸发、渗漏损失，m3；wqt时段内水库水量，m3。当然要运行这个水库调度模型，还要有水库库容水位关系曲线，水库的工程参数和运用规则等，且要把它放到整个水资源系统中去运行。3 模型的调参模拟就是利用计算机技术来实现或预演某一系统的运行情况。水文水资源供需平衡分析的动态模拟就是在制定各种运行方案下重现现阶段水资源供需状况和预演今后一段时间水资源供需状况。但是，按设计方案正式运行模型之前，必须对模型中有关参数进行确定以及对模型进行检验来判定该模型的可行性和正确性。一个数学模型通常含有称为参数的数学常数，如水文和水文地质参数等，其中有的是通过实测的或实验求得的，有的则是参考外地

5、凭经验选取的，有的则是什么资料都没有。往往采用反求参数的方法取得，而这些参数必须用有关的历史数据来确定，这就是所谓的调参计算或称为参数估值。就是对模型实行正运算，先假定参数，算出的结果和实测结果比较，与实测资料吻合就说明所用（或假设的）参数正确。如果一次参数估计值不理想，则可以对有关的参数进行调整，直至达到满意为止。若参数估计值一直不理想，则必须考虑多模型进行修改。所以参数估值是模型建立的重要一环。4 模型的检验所建的模型是否正确和符合实际，要经过检验。检验的一般方法是输入与求参不同的另外一套的历史数据，运行模型并输出结果，看其与系统实际记录是否吻合，若能够吻合或吻合较好，反映检验的结果具有良

6、好的一致性，说明所建模型具有可行性和正确性，模型的运行结果是可靠的。若和实际资料吻合不好，则要对模型进行修正。模型与实际吻合好坏的标准，要作具体分析。计算值和实测值在数量上不需要也不可能要求吻合得十分精确。所选择的比较项目映既能反映系统特性又有完整的记录，列如有地下水开采地区，可选择实测的地下水位进行比较，比较时不要拘泥于个别观测井个别时段的值，根据实际情况，可选择各分区的平均值进行比较；对高离散型的有关值（如地下水有限元计算结果）可绘制出地下水位等值线图进行比较。又如，对整个区域而言，可利用地面径流水文站的实测水量和流量的数据，进行水量平衡校核。该法在水资源系统分析中用得最多的一种校核方法，

7、可作各个方面的水量平衡校核，这里不再一一叙述。在模型检验中，当计算结果和实际不符时，就要对模型进行修正。若发现模型对输入没有响应，比如地下水模型在不同开采的输入条件下，所计算的地下水位没有什么变化，则说明模型不能反映系统的特性，应从模型的结构是否正确，边界条件处理是否得当等方面去分析并加以相应的修正，有时则要重新建模。如果模型对输入有所响应，但是计算值偏离实测值太大，这时也可以从输入量和实际值两方面进行检查和分析，总之，检验模型和修正模型是很重要也是和细致的工作。5 模型运行方案的设计在模拟分析方法中，决策者希望模拟结果能尽量接近最优解，同时，还希望能得到不同方案的有关信息，如高、低指标方案，

8、不同开源节流方案的计算结果，等等。所以，就要进行不同的方案设计时，应考虑以下几个方面：（1）模型中所采用的水文系列，即可用一次历史系列，也可用历史资料循环系列；（2）开源工程的不同方案和开发次序。例如，是扩大地下水源还是地面水源；是开发本区水资源还是区外水资源；不同阶段水源工程的规模等，都要根据专题研究报告进行方案设计；（3）不同用水部门的配水或不同的小区的配水方案的选择；（4）不同节流方案、不同经济发展速度和用水指标的选择。在方案设计中要根据需要和可能，主观和客观等条件，排除一些明显不合理的方案，选择一些合理的可行性方案进行运行计算。 摘 要：由于水利工程的普遍化和集约化，工程本身造成的环境

9、问题及水土保持问题越来越突出，国家对水利工程的生态和环境提出了越来越高的要求，这就需要对水资源的开发进行科学规划，文章将对水利工程中水文水资源规划的模拟模型设计进行探讨。关键词：模型设计；水文水资源；水资源系统1 模拟模型设计概述由于水文水资源系统比较复杂，考虑的方面很多，诸如水量和水质；地表水和地下水的联合调度；地表水库的联合调度；本地区和外区水资源的合理调度；各个部门的合理配水；污水处理及其再利用等等。因此在这样庞大而又复杂的系统中有许多非线性关系和约束条件在最优化模型中无法解决，而模拟模型具有很好的仿真性能，这些问题在模型中就能得到较好的模拟运行，但模拟并不能直接回答规划中最优解问题，而

10、是给出必要的信息或非劣解集，可能的水供需平衡方案很多，需要决策者来选定。为了使模拟给出的结果接近最优解，往往在模拟中规划好运行方案，或整体采用模拟模型，而结局采用优化模型。也常常采用这两种方法的结合，如区域水资源供需分析中的地面水库调度采用最优化模型，是地表水得到充分的利用。水文水资源系统的模拟与分析，一般需要经过模型建立，调参与检验、运行方案的设计等几个步骤。2 水资源规划模型的建立建立模型是水文水资源系统模拟的前提。建立模型就是要把实际问题概化成一个物理模型，要按照一定的规则建立数学方程来描述有关变量间的定量关系。这一步骤包括有关变量的选择，以及确定有关变量间的数学关系。模型只是真实事件的

11、一个近似表达，并不是完全真实，因此，模型应尽可能简单，所选择的变量应最能反映其特征。以一个简单的水库调度为例，其有关变量包括水库蓄水量，工业用水量、农业用水量、水库的损失量（蒸发量和水库渗漏量）以及入库水量等，用水量平衡原理来建立各变量间的数学关系，并按一定的规则来实现水库的水调度运行，具体的数学方程如下所示：wt=wt-1+wqt-wit-wat-weqt式中：wt，wt-1时段末、初的水库蓄水量，m3；wit，wat时段内水库供给工业、农业的水量，m3；weqt时段内水库的蒸发、渗漏损失，m3；wqt时段内水库水量，m3。当然要运行这个水库调度模型，还要有水库库容水位关系曲线，水库的工程参

12、数和运用规则等，且要把它放到整个水资源系统中去运行。3 模型的调参模拟就是利用计算机技术来实现或预演某一系统的运行情况。水文水资源供需平衡分析的动态模拟就是在制定各种运行方案下重现现阶段水资源供需状况和预演今后一段时间水资源供需状况。但是，按设计方案正式运行模型之前，必须对模型中有关参数进行确定以及对模型进行检验来判定该模型的可行性和正确性。一个数学模型通常含有称为参数的数学常数，如水文和水文地质参数等，其中有的是通过实测的或实验求得的，有的则是参考外地凭经验选取的，有的则是什么资料都没有。往往采用反求参数的方法取得，而这些参数必须用有关的历史数据来确定，这就是所谓的调参计算或称为参数估值。就

13、是对模型实行正运算，先假定参数，算出的结果和实测结果比较，与实测资料吻合就说明所用（或假设的）参数正确。如果一次参数估计值不理想，则可以对有关的参数进行调整，直至达到满意为止。若参数估计值一直不理想，则必须考虑多模型进行修改。所以参数估值是模型建立的重要一环。4 模型的检验所建的模型是否正确和符合实际，要经过检验。检验的一般方法是输入与求参不同的另外一套的历史数据，运行模型并输出结果，看其与系统实际记录是否吻合，若能够吻合或吻合较好，反映检验的结果具有良好的一致性，说明所建模型具有可行性和正确性，模型的运行结果是可靠的。若和实际资料吻合不好，则要对模型进行修正。模型与实际吻合好坏的标准，要作具

14、体分析。计算值和实测值在数量上不需要也不可能要求吻合得十分精确。所选择的比较项目映既能反映系统特性又有完整的记录，列如有地下水开采地区，可选择实测的地下水位进行比较，比较时不要拘泥于个别观测井个别时段的值，根据实际情况，可选择各分区的平均值进行比较；对高离散型的有关值（如地下水有限元计算结果）可绘制出地下水位等值线图进行比较。又如，对整个区域而言，可利用地面径流水文站的实测水量和流量的数据，进行水量平衡校核。该法在水资源系统分析中用得最多的一种校核方法，可作各个方面的水量平衡校核，这里不再一一叙述。在模型检验中，当计算结果和实际不符时，就要对模型进行修正。若发现模型对输入没有响应，比如地下水模

15、型在不同开采的输入条件下，所计算的地下水位没有什么变化，则说明模型不能反映系统的特性，应从模型的结构是否正确，边界条件处理是否得当等方面去分析并加以相应的修正，有时则要重新建模。如果模型对输入有所响应，但是计算值偏离实测值太大，这时也可以从输入量和实际值两方面进行检查和分析，总之，检验模型和修正模型是很重要也是和细致的工作。5 模型运行方案的设计在模拟分析方法中，决策者希望模拟结果能尽量接近最优解，同时，还希望能得到不同方案的有关信息，如高、低指标方案，不同开源节流方案的计算结果，等等。所以，就要进行不同的方案设计时，应考虑以下几个方面：（1）模型中所采用的水文系列，即可用一次历史系列，也可用

16、历史资料循环系列；（2）开源工程的不同方案和开发次序。例如，是扩大地下水源还是地面水源；是开发本区水资源还是区外水资源；不同阶段水源工程的规模等，都要根据专题研究报告进行方案设计；（3）不同用水部门的配水或不同的小区的配水方案的选择；（4）不同节流方案、不同经济发展速度和用水指标的选择。在方案设计中要根据需要和可能，主观和客观等条件，排除一些明显不合理的方案，选择一些合理的可行性方案进行运行计算。 摘 要：由于水利工程的普遍化和集约化，工程本身造成的环境问题及水土保持问题越来越突出，国家对水利工程的生态和环境提出了越来越高的要求，这就需要对水资源的开发进行科学规划，文章将对水利工程中水文水资源

17、规划的模拟模型设计进行探讨。关键词：模型设计；水文水资源；水资源系统1 模拟模型设计概述由于水文水资源系统比较复杂，考虑的方面很多，诸如水量和水质；地表水和地下水的联合调度；地表水库的联合调度；本地区和外区水资源的合理调度；各个部门的合理配水；污水处理及其再利用等等。因此在这样庞大而又复杂的系统中有许多非线性关系和约束条件在最优化模型中无法解决，而模拟模型具有很好的仿真性能，这些问题在模型中就能得到较好的模拟运行，但模拟并不能直接回答规划中最优解问题，而是给出必要的信息或非劣解集，可能的水供需平衡方案很多，需要决策者来选定。为了使模拟给出的结果接近最优解，往往在模拟中规划好运行方案，或整体采用

18、模拟模型，而结局采用优化模型。也常常采用这两种方法的结合，如区域水资源供需分析中的地面水库调度采用最优化模型，是地表水得到充分的利用。水文水资源系统的模拟与分析，一般需要经过模型建立，调参与检验、运行方案的设计等几个步骤。2 水资源规划模型的建立建立模型是水文水资源系统模拟的前提。建立模型就是要把实际问题概化成一个物理模型，要按照一定的规则建立数学方程来描述有关变量间的定量关系。这一步骤包括有关变量的选择，以及确定有关变量间的数学关系。模型只是真实事件的一个近似表达，并不是完全真实，因此，模型应尽可能简单，所选择的变量应最能反映其特征。以一个简单的水库调度为例，其有关变量包括水库蓄水量，工业用

19、水量、农业用水量、水库的损失量（蒸发量和水库渗漏量）以及入库水量等，用水量平衡原理来建立各变量间的数学关系，并按一定的规则来实现水库的水调度运行，具体的数学方程如下所示：wt=wt-1+wqt-wit-wat-weqt式中：wt，wt-1时段末、初的水库蓄水量，m3；wit，wat时段内水库供给工业、农业的水量，m3；weqt时段内水库的蒸发、渗漏损失，m3；wqt时段内水库水量，m3。当然要运行这个水库调度模型，还要有水库库容水位关系曲线，水库的工程参数和运用规则等，且要把它放到整个水资源系统中去运行。3 模型的调参模拟就是利用计算机技术来实现或预演某一系统的运行情况。水文水资源供需平衡分析

20、的动态模拟就是在制定各种运行方案下重现现阶段水资源供需状况和预演今后一段时间水资源供需状况。但是，按设计方案正式运行模型之前，必须对模型中有关参数进行确定以及对模型进行检验来判定该模型的可行性和正确性。一个数学模型通常含有称为参数的数学常数，如水文和水文地质参数等，其中有的是通过实测的或实验求得的，有的则是参考外地凭经验选取的，有的则是什么资料都没有。往往采用反求参数的方法取得，而这些参数必须用有关的历史数据来确定，这就是所谓的调参计算或称为参数估值。就是对模型实行正运算，先假定参数，算出的结果和实测结果比较，与实测资料吻合就说明所用（或假设的）参数正确。如果一次参数估计值不理想，则可以对有关

21、的参数进行调整，直至达到满意为止。若参数估计值一直不理想，则必须考虑多模型进行修改。所以参数估值是模型建立的重要一环。4 模型的检验所建的模型是否正确和符合实际，要经过检验。检验的一般方法是输入与求参不同的另外一套的历史数据，运行模型并输出结果，看其与系统实际记录是否吻合，若能够吻合或吻合较好，反映检验的结果具有良好的一致性，说明所建模型具有可行性和正确性，模型的运行结果是可靠的。若和实际资料吻合不好，则要对模型进行修正。模型与实际吻合好坏的标准，要作具体分析。计算值和实测值在数量上不需要也不可能要求吻合得十分精确。所选择的比较项目映既能反映系统特性又有完整的记录，列如有地下水开采地区，可选择实测的地下水位进行比较，比较时不要拘泥于个别观测井个别时段的值，根据实际情况