水資源平衡模型綜述

1、水資源系統(tǒng)模擬研究綜述水資源系統(tǒng)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因素眾多，而系統(tǒng)中的不同方面構(gòu)成了各種水資 源相關(guān)的研究分支。而目前水資源開發(fā)利用和人類活動結(jié)合日趨緊密，從而在水資源時空分 布、生產(chǎn)和生態(tài)用水需求產(chǎn)生了眾多矛盾，而對這些問題的有效解決方案必須建立在流域或 區(qū)域基礎(chǔ)之上，甚至必須考慮和相關(guān)流域或區(qū)域的關(guān)系，這使得將水文水資源系統(tǒng)作為一個 整體進行模擬具有實際意義。以集成方式進行系統(tǒng)模擬是達到這一要求的必然途徑。未來發(fā) 展需要縮短目前宏觀和微觀層次研究的差距，以包括地表水、地下水在內(nèi)的整個水資源系統(tǒng) 為對象進行模擬，最終為決策者提供清晰、全面的分析成果，包括完成水量水質(zhì)同步模擬并 動態(tài)分析

2、水與生態(tài)關(guān)系，以適用于水資源的綜合管理規(guī)劃。目前國內(nèi)應(yīng)用的微觀水資源模擬均是以某方面需求為導(dǎo)向的專業(yè)化模型，難以綜合描述 整個區(qū)域或流域的各項水量轉(zhuǎn)化，而宏觀性模型又缺乏水動力機理，不能準(zhǔn)確反應(yīng)水資源時 空分布過程。單一的專業(yè)模型以預(yù)定邊界條件考慮其他相關(guān)模塊，相互獨立，割裂了水資源 系統(tǒng)中存在的內(nèi)在聯(lián)系，不能準(zhǔn)確模擬實際。所以能反映宏觀物理過程并滿足實際需求的模 擬技術(shù)是研究水資源系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢。而日新月異的計算機技術(shù)為這樣的研究提供了有 效工具。本文在討論現(xiàn)有的水資源系統(tǒng)模擬技術(shù)基礎(chǔ)上，概括了這些方法所具有的一些共性， 并對未來的發(fā)展方向作了展望。（水資源系統(tǒng)模擬模型研究進展）1國外研

3、究現(xiàn)狀宏觀尺度水文模型（Macro-scale hydrological model）一個宏觀尺度的水文模型是一個可以多次應(yīng)用于很大的地理區(qū)域的簡單模型，而不需要 在流域內(nèi)校準(zhǔn)。很多宏觀尺度模型是概念性的水平衡核算模型。第一個概念性基礎(chǔ)宏觀尺度模型是由等人（1989,1996）提出的。這個模型第一次被應(yīng)用于亞馬遜河流域，隨后在贊比西河流域?qū)嵤??？勺兿聺B能力模型（variable infiltration capacity， VIC）已經(jīng)產(chǎn)生了一系列文章（Wood et al.,1992; Xu et al., 1994; Stamm et al., 1994; Nijssen etal., 1

4、997; Abdulla and Lettenmaier, 1997a,b; Liang etal., 1996）.。一些土壤水資源平衡模型已經(jīng)被生態(tài)學(xué)家開發(fā)和應(yīng)用于大的地 理區(qū)域，對模擬植被在時空分布以及氣候變化的敏感性有興趣?！癕acro-PDM ”宏觀尺度水文模型Macro-PDM，和所有水平衡核算模型一樣，有下面的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：S = P - AE - Q + S（1）式中Pt, AE, Dt,和Qt分別是在時間間隔t中的降水量，實際蒸發(fā)量，延遲徑流量和直接 徑流量，所以，和St分別是在t時間間隔的開始和結(jié)束是在土壤、湖泊和濕地中的儲藏 量。Macro-PDM有降水和融雪、徑流生成、攔截和

5、蒸發(fā)、湖泊和濕地蒸發(fā)量和單元格內(nèi)的 徑流路徑五個部分。（詳細閱讀文獻A simple water balance model for the simulation of streamflow over a large geographic domainP315-3171.2 綜合水文模型系統(tǒng)（integrated hydrologic model system， HMS）HMS是特別為氣象和氣候模擬設(shè)計的，由四部分模型或模塊組成：土壤水文模型 （SHM）、地面水文模型（THM）、地下水水文模型（GHM）和渠道地下水相互作用（CGI）。 如圖1.圖1. HMS的框架結(jié)構(gòu)HMS參數(shù)：觀測降水量、D

6、EM、地表水文參數(shù)、次表層水文和模型平衡。（詳細閱讀Assessing the response of subgrid hydrologic processes to atmospheric forcing with a hydrologic model systemP4-81.3澳大利亞水平衡模型澳大利亞的一些顯著使用和已經(jīng)部分開發(fā)的水平衡模型：Boughton、代表流域模型、 Monash、SFB、Sacramento（NWS-RFS）、SIMHYD （modhydrology）、TOPOG、IHACRES、 AWBM、MOSAZ、PERFECT、LASCAM、Aquacycle。（詳細閱

7、讀文獻Catchment water balance modeling in Australia 1960 2004P95-1031.4月水量平衡模型月水量平衡模型是一個水分配和平衡模型（如圖2）。Model variables:ET- evapo transp irati onG- groundwater storageP- rainfallQb= base flowQ,- surface runoffR - recharge to ground waterS-soil water storageX - catchment water consumptionY - catchment wat

8、er yieldModel parameterscti - catchment consumption curve parameterct2 - evapotranspiration curve parameterp - proportion of catchment yield as ground waterK - groundwater store time constantSg- maximum waler holdingcapacity of 血stone圖2 Wapaba模型中的水分配（模型計算詳見文獻Monthly versus daily water balance models

9、 in simulating monthly runoffP167-168）1.5 WASMOD-M （Water And Snow balance MODeling system , M for macro-scale）WASMOD-M計算積雪和融化、實際蒸發(fā)量和每個月將徑流分為一個快速和一個緩慢的 部分，這個模型允許雪、雨并且同時融化發(fā)生在一個月里。該模型有4-6個參數(shù)，取決于目 前是否存在雪。參數(shù)包括：潛在蒸發(fā)量、積雪和融化、蒸發(fā)量、雪和快速徑流和水平衡。（詳 見文獻Global water-balance modeling with WASMOD-M: Parameter estima

10、tion and regionalizationP108-109）1.6可變時間尺度下的水平衡模型1.6.1平均水平衡模型（P119）1.6.2水平衡年際變化（P119-122）1.6.3動態(tài)水平衡模型（P122-124）（詳見Water balance modeling over variable time scales based on the Budyko framework - Model development and testing國外在水資源模擬的軟件產(chǎn)品上具有較大優(yōu)勢，所開發(fā)的模型具有較強的實用性，并充 分利用計算機技術(shù)完成了系統(tǒng)化集成。F.Reitsma等提出基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)

11、模擬水資源實際過程的多準(zhǔn)則模擬評價模型。Khaled Kheireldin提出了水資源系統(tǒng)符合面向?qū)ο蠹夹g(shù)思想的天然特點，分析了面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù) （OOP）在水資源管理模型中應(yīng)用的優(yōu)勢。國外一些專業(yè)研究機構(gòu)也推出了各種商業(yè)化的水資 源規(guī)劃管理軟件，如 MODSIM、MIKEBASIN、EMS 系統(tǒng)、IQQM、Waterware、Riverware 等，也都以水資源系統(tǒng)模擬為基礎(chǔ)。（基于規(guī)則的水資源系統(tǒng)模擬）MIKE BASINMIKE BASIN是丹麥水利研究所（DHI）研發(fā)的流域水資源規(guī)劃管理工具，作為對流域 的數(shù)學(xué)描述，目的是找到每個時間步長內(nèi)的靜止解，反映主要河流水系、水文時空特征、現(xiàn)

12、有及規(guī)劃的主要水源工程方案、各種用水戶及地下水過程，并以河網(wǎng)模型的形式表現(xiàn)。其 優(yōu)點是適合于不同時間尺度（年、月、日）、空間尺度（工程點、河流到流域）上對大量的 方案進行研究”，計算速度快”，具有強大的數(shù)據(jù)交互、結(jié)果分析展示等功能，可移植性和可 擴展性較強。MIKE BASIN系統(tǒng)的一個重要前提就是“靜止假設(shè)”即所計算的水資源系統(tǒng) 中水量和水質(zhì)是緩慢變化的。該系統(tǒng)的河網(wǎng)模型建立可通過DEM生成詳細的水系河網(wǎng)，也 可在桌面上手工數(shù)字化生成概化網(wǎng)絡(luò)!地下水的蓄水層水力模型用線性水庫模型進行概化， 降雨-徑流模塊可通過降水、蒸發(fā)等觀測資料生成流域內(nèi)任一斷面的徑流時間序列，主要采 用NAM和SMAP模

13、型。MIKE INFO是系統(tǒng)提供用于陸地和水系統(tǒng)綜合分析的空間和時間 數(shù)據(jù)工具，水質(zhì)模塊可模擬河流及水庫的主要污染物運移和降解，圖形用戶界面GUI及時 間序列編輯器為用戶提供了直觀、友好的人機交互界面，提高軟件的操作效率。MIKEBASIN 系統(tǒng)中水分配模擬和河網(wǎng)概念如圖 1.圖3. MIKE BASIN水分配模擬及河網(wǎng)模型建立MIKE BASIN在國外的流域或區(qū)域水資源規(guī)劃管理和科學(xué)研究中應(yīng)用較多，國內(nèi)主 要是近年來開展水資源綜合規(guī)劃項目的水資源配置研究，得到一定的推廣。主要特點是利 用其強大的系統(tǒng)模擬計算功能，進行多方案比較，為優(yōu)化決策服務(wù)。Ershadi等在阿富汗 境內(nèi)Indus河水系的

14、Kabul河流域水資源統(tǒng)一管理研究中，集成使用衛(wèi)星遙感。地理信 息系統(tǒng)和MIKE BASIN技術(shù)，模擬分析了 19621978年的水資源供需平衡，模型中有29 個分區(qū)、63個用水節(jié)點、5個供水（水庫）節(jié)點。Jcprgensen針對馬來西亞Sungai Skudai河 流的過度開發(fā)及帶來的嚴(yán)重污染，采用MIKE11和NAM進行水資源平衡，利用MIKE BASIN的水質(zhì)模塊模擬不同情景下的污染負荷削減。Larsen等在泰國北部湄公河支流Mun 的19651997年系列水資源模擬中建立了 MIKE BASIN網(wǎng)絡(luò)模型。Macdonald采用降雨-徑 流模塊中的NAM模型生成了泰緬跨界河流Kok河的2

15、2年徑流系列，進行系列年水資 源供需平衡，以水質(zhì)模塊分析流域內(nèi)BOD、TP、TN等污染物的產(chǎn)生、累計和運移。Storm 在美國北Carolina州境內(nèi)的Cape fear流域建立基于GIS的流域水文模型，徑流系列為 19301998年，利用DEM生成水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，并對生成和實測徑流、水庫蓄泄過程 等進行對比校正，模型系統(tǒng)為用戶提供多種情景比較的友好、開放式分析工具。（以MIKE BASIN實現(xiàn)流域水資源三次供需平衡）EMSEMS是由美國楊百翰大學(xué)與陸軍工程兵團共同開發(fā)的軟件系統(tǒng)，由WMS、GMS、SMS 三個子系統(tǒng)軟件組成，可分別用于流域、地下水及地表水系統(tǒng)的綜合模擬與分析。EMS以 GIS

16、平臺為基礎(chǔ)，用戶可以針對不同流域定制模型，并提供各種直觀結(jié)果。整個軟件重視 水文學(xué)和水動力學(xué)機理，可以在宏觀和微觀兩個層次同時反映流域水資源演變狀況。WMS 是對流域模擬分析的綜合性模型系統(tǒng)，以通用的數(shù)據(jù)接口支撐多達十余種的水文模型和水力 學(xué)模型，并提供多種相關(guān)的擴展功能模塊供用戶選用，也可以進行水質(zhì)變化和泥沙傳輸沉積 的模擬，并提供隨機模擬計算以及對各類參數(shù)的不確定性分析WMS內(nèi)嵌了完整的GIS工 具，可以實現(xiàn)流域描繪和各種結(jié)果分析，同時也可以結(jié)合其它GIS工具進行各種分析計算。 GMS為地下水模擬模型，可以建立以GIS為支撐框架的概念化地下水模型，模擬地下水流 及傳輸、溶解物傳輸?shù)榷喾N地下

17、水過程，并提供風(fēng)險分析模型對地下水污染程進行量化評價。 SMS是地表水模擬模型，能夠完成包括一維、二維、三維等不同條件下的地表水運動過程 的模擬，并可以直接調(diào)用其他水文模型完成為模型的徑流輸入，另外可以模擬污染物的遷移、 水鹽運動、泥沙運移等過程。（水資源系統(tǒng)模擬模型研究進展）IQQM水量水質(zhì)綜合模擬模型（Integrated Quantity and Quality Model, IQQM）是由澳大利亞 開發(fā)的用于水資源評價以及規(guī)劃管理的模擬軟件。IQQM對系統(tǒng)水量和水質(zhì)進行同步模擬， 可調(diào)用外部水文模型進行計算，將河道水量演進、水庫調(diào)度計算、灌溉用水模擬、經(jīng)濟用水 及耗排水計算、濕地及環(huán)境

18、需水計算等模型集成組合到一起，從而實現(xiàn)水資源循環(huán)過程的完 整水量模擬。IQQM提供了以導(dǎo)水率為依據(jù)的簡單計算和直接應(yīng)用地下水模擬模型 MODFLOW兩種使用方式進行地下水模擬。IQQM是以組件方式開發(fā)的集成軟件包，具有 較強靈活性和可擴展性。但由于其考慮的因素較多，模擬尺度較為精細，因而對資料要求也 比較高，對于資料缺乏地區(qū)的應(yīng)用有一定難度。IQQM最終將包括四個主要組成部分：河道 水量模塊、河道水質(zhì)模塊、降雨徑流/污染物產(chǎn)生模塊和地下水的數(shù)量和質(zhì)量模塊，盡管目 前污染物產(chǎn)生和地下水部分還正在開發(fā)中。(IQQM-A hydrologic modelling tool for water res

19、ource and salinity management)WaterwareWaterware是奧地利開發(fā)的流域綜合管理軟件，具有流域規(guī)劃、水量分配模擬、污染 控制以及環(huán)境影響評價等功能。軟件中集成了 GIS分析工具、模擬模型和專家系統(tǒng)，以面 向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫為支持，結(jié)合GIS直觀顯示分析結(jié)果。Waterware可以從社會經(jīng)濟、環(huán)境和技 術(shù)三個方面分析流域水資源問題，社會經(jīng)濟包括經(jīng)濟效益分析、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)以及管理手段，環(huán) 境方面包括水質(zhì)模擬和污染物排放分配，技術(shù)方面包括用水效率和各類約束條件等的分析。 模型以流域內(nèi)的水利工程、用水節(jié)點(城市、工業(yè)區(qū)、農(nóng)業(yè)灌區(qū)等)、控制性站點、河道 網(wǎng)絡(luò)為系統(tǒng)的主要分

20、析對象，以水質(zhì)控制約束下的經(jīng)濟及環(huán)境用水分配的效益最大化為目 標(biāo)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的水量計算。作為流域規(guī)劃管理的整體性分析工具，Waterware在包括長 江在內(nèi)的多個流域得到了應(yīng)用。(水資源系統(tǒng)模擬模型研究進展)RiverwareRiverware是由美國科羅拉多大學(xué)水與環(huán)境決策支持研究中心 (Colorado Center for Advanced Decision Support for Water and Environmental Systems，CADSWES) 研制的通用型 流域系統(tǒng)模擬軟件。軟件采用了面向?qū)ο?OOT)和“數(shù)據(jù)中心” (Data-Centered)風(fēng) 格的軟件設(shè)計方

21、法，提供包括供水、航運、發(fā)電、防洪等水庫群多目標(biāo)分析計算方法，同 時也包含隨機水文分析、河道水力學(xué)計算、水質(zhì)分析、地表水地下水轉(zhuǎn)化分析等功能。對于 水庫群聯(lián)合調(diào)度該軟件提供了完全模擬(pure simulation，由用戶輸入推動)、基于規(guī)則的 模擬 (rulebased simulation，由用戶輸入如果-然后-或者運行政策) 和優(yōu)化調(diào)度 (optimization，由一系列優(yōu)先目標(biāo)推動)三種計算方式，可以用于短期調(diào)度運行管理和中 長期的調(diào)度方案制定。由于采用了先進和系統(tǒng)的軟件設(shè)計思路和技術(shù)，Riverware具有良好 的可控性和適應(yīng)性，用戶可以根據(jù)需求和經(jīng)驗定制模型，實現(xiàn)從模型構(gòu)建到計算

22、方法選擇的 完整控制。該軟件在美國墾務(wù)局(the U.S. Bureau of Reclamation，USBR)和田納西流域 管理局(The Tennessee Valley Authority ， TVA)得到了應(yīng)用。(水資源系統(tǒng)模擬模型研究 進展，RIVERWARE:AGENERALIZED TOOL FOR COMPLEX RIVER BASIN MODELING)1.12其他軟件Aquarius是由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)為主開發(fā)的水資源模擬模型。該模型以概化水 資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用各類用水邊際效益大致均衡為經(jīng)濟準(zhǔn)則進行水源的優(yōu)化配置，并 以非線性規(guī)劃技術(shù)尋求最優(yōu)解。該模型以面向?qū)?/p>

23、象技術(shù)構(gòu)架系統(tǒng)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖中的各類概化 后的元素均以面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)中的類表達，并將其設(shè)計為符合軟件標(biāo)準(zhǔn)的COM組件。 模型以流域系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)的客觀實體為建模對象，可對水庫、水電站、灌區(qū)、市政以及工業(yè)用 水戶、各類分匯水節(jié)點以及生態(tài)景觀及娛樂用水要求進行概化反映，并將其有機耦合在一個 整體框架之中。ICMS(Interactive Component Modeling System)是澳大利亞研制的水資源系 統(tǒng)管理模型。ICMS由一系列功能組件構(gòu)成，包括模型創(chuàng)建組件(ICMSBuilder)、模型 庫 (Model Libraries，MDL)、方案生成 (Project)、結(jié)果顯示(ICMS

24、Views) 四部 分。其主要特點是強大的交互性和方案生成的靈活性，通過組件式開發(fā)實現(xiàn)由用戶選擇系統(tǒng) 模擬方法。其中ICMSBuilder是系統(tǒng)支撐平臺并提供系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖創(chuàng)建功能；MDL是各專業(yè) 模塊的組合，可以由用戶選擇嵌入系統(tǒng)中使用；Project模塊在已建立的系統(tǒng)圖和選定的計 算模型方法基礎(chǔ)上，自動生成計算方案并進行模擬計算；ICMS Views以圖表形式直觀展示 計算結(jié)果。（水資源系統(tǒng)模擬模型研究進展）可見，以上比較成熟的水資源系統(tǒng)模擬軟件均是在有良好科研基礎(chǔ)上結(jié)合大量實際經(jīng) 驗逐漸積累發(fā)展而成，具有專業(yè)覆蓋面寬、綜合性強、可操作性好等特點，同時也潛移默化 的影響其用戶對水資源問題的認識

25、和分析方法。目前國外水資源方面專業(yè)軟件已逐漸進入并 占領(lǐng)國內(nèi)外市場，專業(yè)化模型的集成和技術(shù)轉(zhuǎn)化的工作應(yīng)當(dāng)引起我們的足夠重視。（水資源 系統(tǒng)模擬模型研究進展）2國內(nèi)研究現(xiàn)狀相比而言，國內(nèi)研究在部分領(lǐng)域具有一定深度并取得了研究成果，但對不同專業(yè)模塊 的綜合和集成還存在困難，仍處于分散獨立分析解決問題的階段，在向?qū)嵱眯怨ぞ叩霓D(zhuǎn)化上 還存在不足。水資源系統(tǒng)模擬研究源自水資源規(guī)劃工作的需求，國內(nèi)學(xué)者在20世紀(jì)60年代就開始 了以水庫優(yōu)化調(diào)度為手段的水資源分配研究，水庫運行的模擬計算是早期實現(xiàn)水資源系統(tǒng)模 擬的主要手段。80年代初，逐漸利用系統(tǒng)工程方法研究區(qū)域水資源分配、利用效率、水 利工程建設(shè)次序等。以

26、水利部南京水文水資源研究所為首的研究小組對北京地區(qū)的水資源利 用以系統(tǒng)工程方法進行了研究，建立了地下水和地表水聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的系統(tǒng)模擬模型。馮尚 友以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)結(jié)合水資源系統(tǒng)所具有的自然和社會兩重屬性，提出了水資源系統(tǒng)工程 理論，并給出了防洪、發(fā)電、灌溉、供水以及流域規(guī)劃等水資源系統(tǒng)所涉及的不同方面數(shù)學(xué) 優(yōu)化模型的建立和分析求解方法。劉健民等采用大系統(tǒng)遞階分析方法建立了模擬和優(yōu)化相結(jié) 合的三層遞階水資源系統(tǒng)模擬模型，并對京津唐地區(qū)的供水規(guī)劃和優(yōu)化調(diào)度進行了應(yīng)用研 究。中國水利水電科學(xué)研究院等單位開發(fā)出華北宏觀經(jīng)濟水資源優(yōu)化配置模型，包括由宏觀 經(jīng)濟、水資源模擬等7個模型組成的模型庫，由數(shù)據(jù)庫

27、驅(qū)動，實現(xiàn)了各模型間的連接與信息 交換。這一階段各種水資源系統(tǒng)模擬方法在水庫優(yōu)化調(diào)度、供水以及灌溉系統(tǒng)運行和防洪除 澇系統(tǒng)設(shè)計方面得到了廣泛應(yīng)用，為解決區(qū)域性水資源規(guī)劃問題奠定了基礎(chǔ)。近年來，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合當(dāng)前需求進一步發(fā)展了水資源系統(tǒng)模擬技術(shù)方法的研究，同時 在理論上也有所突破。甘泓等考慮了水系統(tǒng)范圍大、要素多的特點，研制了可適用于巨型水 資源系統(tǒng)動態(tài)模擬模型，王忠靜等根據(jù)可持續(xù)發(fā)展理論，提出一種交互式宏觀多目標(biāo)優(yōu)化與 方案動態(tài)模擬相結(jié)合的決策支持型規(guī)劃思想和方法，用分段靜態(tài)長系列模擬水資源系統(tǒng)的動 態(tài)特性，開發(fā)出相應(yīng)的規(guī)劃決策支持系統(tǒng)。趙建世等應(yīng)用復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論和方法開發(fā)了水 資源系統(tǒng)整體

28、分析模型，將水量過程和經(jīng)濟機制的模擬結(jié)合為整體進行分析，并采用了嵌套 遺傳算法實現(xiàn)了模型的求解。在理論方面，王浩等提出了水資源“三次平衡分析”思想，闡 述了基于流域的水資源系統(tǒng)分析方法，指出了協(xié)調(diào)國民經(jīng)濟用水和生態(tài)用水矛盾是水資源模 擬模型需要解決的重要目標(biāo)。（基于規(guī)則的水資源系統(tǒng)模擬）還有一些學(xué)者王忠靜、游進軍 等人以面向?qū)ο蠹夹g(shù)為基礎(chǔ)，提出概念化水資源系統(tǒng)模擬的面向?qū)ο笤O(shè)計方法，對概化元素 屬性及其在水循環(huán)過程中的功能進行描述，從而將系統(tǒng)劃分為相互關(guān)聯(lián)的功能模塊，并將該 設(shè)計方法構(gòu)建的模型對海南島水資源配置進行模擬計算，得出了不同方案的水資源供需態(tài)勢 和水量平衡變化趨勢，檢驗了其有效性和可

29、行性。（概念化水資源系統(tǒng)及其面向?qū)ο髽?gòu)架設(shè) 計）下面介紹幾個主要的模擬系統(tǒng)：2.1通用的水量平衡方程（二十一世紀(jì)中國水資源若干問題的討論）水資源確切的計算應(yīng)由水量平衡的六要素方程來表示，即年降水（P）、年徑流（R）、 年蒸發(fā)（E）、年流域濕度（Wh），年地表徑流（Rs）與年地下徑流（Rg）。采用六要素的水量平衡方程P = R + R + E + T +A S （2）P = R + R + E + T（3）式（1）適用于年、季降水量的計算；式（2）適用于多年平均降水量的計算。為區(qū)域水量支出，P - R = W為區(qū)域滲蓄水或土壤水通量；R + ET = L，Rg/Wh評價流域地下補給與ET = E

30、 + T ，T為蒸騰。年平均情況P - R = R + ET河道基流，ET/Wh評價抑制蒸發(fā)的潛力六要素年水量平衡方程的應(yīng)用可以作為地區(qū)水資源開發(fā)利用評價的基礎(chǔ)。在這個方程 中，確定比值Rg/Wh的意義在于保持地下水的補給和河流的生態(tài)基流。控制和保持Rg/Wh 的合理關(guān)系，可以避免對地區(qū)地下水的盲目超采，以維持河流穩(wěn)定的基本流量，即生態(tài) 基流；確定ET/Wh的比值的意義在于調(diào)節(jié)土壤的濕潤程度與節(jié)制無益的蒸發(fā)，尤其是在 年蒸發(fā)能力（E0）大于年降水（E0P）的地區(qū)，為有效地奪取潛水蒸發(fā)提供了科學(xué)的 依據(jù)。在區(qū)域水資源的開發(fā)利用中，合理地控制Rg/Wh與ET/Wh兩個比值實際上是保持 自然的水量平

31、衡結(jié)構(gòu)，以期維持水資源可再生性達到水資源永續(xù)利用的目的 此外，這種思 路也能較好地評價人類活動（水資源開發(fā)利用）所帶來的影響。2.2流域水量平衡（海河流域水量平衡與水資源安全問題研究）流域的水量平衡問題研究有3個方面的含義：第一是降雨徑流平衡，即降水量與蒸發(fā) 量、徑流量的平衡，它是一個區(qū)域總的水量平衡關(guān)系，也是水文循環(huán)意義上的水量平衡；第 二是水資源的供用耗排平衡，它是從機理上認識和描述一個區(qū)域或者流域內(nèi)已經(jīng)形成的水資 源量收支平衡關(guān)系，即來水量（水資源量）與耗水量、排水量的平衡；第三是水資源的供需 平衡關(guān)系，即自然條件可以供給的水資源量與社會經(jīng)濟環(huán)境對水資源的需求關(guān)系之間的平 衡。前兩個平衡

32、是水文科學(xué)意義上的水量平衡，而最后一個水資源供需平衡是社會經(jīng)濟系統(tǒng) 的水量平衡，也就是水資源供需安全問題。它們之間意義各不相同但又相互關(guān)聯(lián)。區(qū)域水量平衡分析包括降雨徑流平衡和供用耗排兩個層次的水量平衡問題。流域的降 雨徑流平衡分析是水資源供需平衡分析的基礎(chǔ)。一個流域的降水是所有水量來源的根本，圖 2是一個區(qū)域的水量平衡圖。大氣降水尸植物截留損失&總徑流地下潛流仇J圖4區(qū)域水循環(huán)概念模型流域的水量平衡方程是:P = R + E + A W（4）(5)式中P是降水量，R是徑流量，E是蒸發(fā)量，AW是區(qū)域內(nèi)的蓄水變量。其中徑流量R包 括地表徑流Rs、河川基流Rg和地下潛流Ug；蒸發(fā)量E包括水面蒸發(fā)Ew

33、、土壤植被蒸散發(fā) ET （其中包含作物截留蒸發(fā)Ez和包氣帶蒸發(fā)Es）和潛水蒸發(fā)Eg；AW包括水庫調(diào)蓄變量 Wk，、地下水儲存變量Wg和土壤水儲存變iAWs。因此，流域的整個水量平衡方程可 轉(zhuǎn)化為：8SP = R + R + U + E + ET + E + A W. + A W + A W上式是對區(qū)域水量平衡的基本描述。但是，很多變量難以完全在實際工作中測出，例如地下 潛流Ug、土壤水分變化量Ws、地下水儲存變量Wg和各項蒸發(fā)等。因此，在實際應(yīng)用時， 可以根據(jù)已經(jīng)產(chǎn)生的水資源量的分配和消耗、排泄建立新的水量平衡方程。在不考慮出入境地下水潛流變化和土壤水分變化的前提下，一個流域水資源量的供給 和

34、消耗之間的水量平衡方程是：w + W，= Y + Y +A W + A W + Q（6）式中，W為流域年水資源總量，W，為外流域來水量或引水量，對于海河流域就是引黃水量， Y1為用水消耗，包括生產(chǎn)和生活用水消耗量，Y2為非用水消耗，指維持河流、湖泊、濕地 等水體存在和潛水蒸發(fā)消耗的水量，Wg為當(dāng)年地下水變化，AW*為年水庫儲量變化，Q 為入海水量。82.3分布式水文模型王中根等人提出了一個基于GIS/ RS的流域分布式水文模型，模型主要包括單元水 文模型與河網(wǎng)匯流模型兩大部分。在分布式水文模型中匯流過程可以采用單位線、等流時線、 動力波、馬斯京根等多種方法。本文模型計算時段為日，模型首先將流域

35、離散為若干子流 域，每一個子流域中包含唯一的一段河道，所有的河道連接成河網(wǎng)，基于河網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu) 在每段河道上利用分段馬斯京根方法進行匯流演算。2.3.1模型主結(jié)構(gòu)考慮到模型的具體用途（面向資源管理）和時間尺度（日過程）等問題，采用松散耦合的 分布式水文模型構(gòu)建方式，即在每一個水文單元（或子流域）上建立物理概念模型來推求凈 雨，再進行河網(wǎng)匯流演算，最后求得出口斷面流量。模型的主結(jié)構(gòu)分為：分布式輸入模 塊。是同GIS和RS的接口部分。為流域水文過程的模擬提供空間輸入數(shù)據(jù)和確定模型參 數(shù)的信息；單元水文模型。是分布式水文模型的核心部分，主要進行流域產(chǎn)流計算，其 中包含若干水文過程模擬模塊；河網(wǎng)匯流模型

36、。在每段河道上建立一維河流水模型，進行 河網(wǎng)匯流演算；圖形用戶界面。為分布式水文模型的調(diào)試、運行和模擬結(jié)果的圖形顯示提 供友好的操作平臺。2.3.2單元水文模型單元水文模型涉及的水文過程有冠層截留、融雪、蒸散發(fā)、坡面流、非飽和土壤水運 動和地下水出流（基流）等（各參數(shù)的計算閱讀文獻基于GIS/ RS的流域水文過程分布式 模擬 I模型的原理與結(jié)構(gòu)P502-503）2.3.3 河網(wǎng)匯流演算河道匯流采用1維河流模型，匯流演算方法采用分段馬斯京根方法（演算方程閱讀文 獻基于GIS/ RS的流域水文過程分布式模擬 I模型的原理與結(jié)構(gòu)P504）2.4區(qū)域水資源平衡模型巴特爾巴克等人通過收集互聯(lián)網(wǎng)免費資源（

37、如數(shù)字高程模型、土地利用圖）和實地考 察資料（如灌溉排水田、作物數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)以及用水部門歷年水資源利用數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)）進行 數(shù)字化處理.采用1km*1km的小網(wǎng)格為單元，建立了以日為時間步長的基于GIS的流域水 費源平衡模型。模型可以動態(tài)模擬地面水，土壤水和地下水的流動及平衡并可用AreView 實現(xiàn)可視化。區(qū)域水資源平衡模型HydroSplash!是荷蘭Alterra研究所開發(fā)的，是以小網(wǎng)格地塊（tile） 為單元、以l=l為時問步長的模擬流域水資源動態(tài)及水資源平衡的實時水文地理（“real 一 time”hydrology）模擬模型。每個網(wǎng)格地塊有特定的土地利用屬性，與相鄰地塊有水平方向的

38、水通世關(guān)系，垂直方向水通量用地表系統(tǒng)、非飽和系統(tǒng)和地下水系統(tǒng)水通量來描述。地表水、 土壤水水量交換用分段線性方程來表示（方程及示意圖閱讀文獻基于GIS的小流域水資 源動態(tài)平衡模型初探P2）2.5遞階模型（京津唐地區(qū)水資源大系統(tǒng)供水規(guī)劃和調(diào)度優(yōu)化的遞階模型）對于復(fù)雜的系統(tǒng)，試圖用單一的數(shù)學(xué)模型來描述并用某一最優(yōu)化技術(shù)求解，是相當(dāng)困 難的。目前，常用大系統(tǒng)遞階分析的理論和方法來解決這類問題。美國YHaimes對供水 為主的水資源系統(tǒng)曾提出一個遞階模型，國內(nèi)一些學(xué)者曾加以改進和引用。劉健民等人針對 京津唐地區(qū)水資源大系統(tǒng)供水規(guī)劃和調(diào)度問題，建立了京津唐地區(qū)水資源大系統(tǒng)供水規(guī)劃和 調(diào)度優(yōu)化三級遞階模型

39、和三層遞階模擬模型.提出模擬技術(shù)和優(yōu)化方法相結(jié)合的求解方法。 該模型再對供、需水模型進行協(xié)調(diào)時，采用使凈效益現(xiàn)值極大化為目標(biāo)函數(shù)。鑒于我國經(jīng)濟 體制及資料積累的具體情況，要計算不同用水戶的供水效益是有困難的。更主要的是，經(jīng)濟 效益只是要考慮的目標(biāo)之一，對于多目標(biāo)問題，Haitnes模型的應(yīng)用就受到限制。根據(jù)京津 唐水資源系統(tǒng)的具體問題，提出圖2所示的遞階模型。圖5.京津唐水資源系統(tǒng)供水規(guī)劃和調(diào)度優(yōu)化遞階模型首先，將整個水資源系統(tǒng)分解為需水子系統(tǒng)和供水子系統(tǒng)作為遞階模型的第一級。供 水子系統(tǒng)的輸出之一一供水量即為需水子系統(tǒng)的輸入，而需水子系統(tǒng)向供水子系統(tǒng)提出需水 要求，后者據(jù)此考慮向需水子系統(tǒng)供

40、水。第二級平衡協(xié)調(diào)級依關(guān)聯(lián)預(yù)估法原理先預(yù)估供水變 量qt，它是庫群調(diào)度函數(shù)（圖）、配水規(guī)則及需水過程的函數(shù)。供、需水子系統(tǒng)分別運行得到 的有關(guān)信息反饋給協(xié)調(diào)級，后者再按要求的目標(biāo)修改配水系數(shù)和用戶供水權(quán)重等以調(diào)整qt， 如此反復(fù)迭代，直至協(xié)調(diào)級的目標(biāo)被優(yōu)化為止。因此，預(yù)估關(guān)聯(lián)變量仇是本模型的協(xié)調(diào)變量。 第三級是規(guī)劃決策級。（需水模型、供水模型、平衡協(xié)調(diào)級的目標(biāo)函數(shù)和約束條件仔細閱讀文獻京津唐地 區(qū)水資源大系統(tǒng)供水規(guī)劃和調(diào)度優(yōu)化的遞階模型P100-103）2.6基于廣義ET的區(qū)域水資源與水環(huán)境綜合模擬模型基于廣義ET的區(qū)域水資源與水環(huán)境綜合模擬模型（WQQCM）由分布式水文模型SWAT 子模型、地下水模型Modfl