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(kāi)發(fā)利用和人類(lèi)活動(dòng)結(jié)合日趨緊密，從而在水資源時(shí)空分 布、生產(chǎn)和生態(tài)用水需求產(chǎn)生了眾多矛盾，而對(duì)這些問(wèn)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(gè) 整體進(jìn)行模擬具有實(shí)際意義。以集成方式進(jìn)行系統(tǒng)模擬是達(dá)到這一要求的必然途徑。未來(lái)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(gè)水資源系統(tǒng) 為對(duì)象進(jìn)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(dòng)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(guó)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(zhuān)業(yè)化模型，難以綜合描述 整個(gè)區(qū)域或流域的各項(xiàng)水量轉(zhuǎn)化，而宏觀性模型又缺乏水動(dòng)力機(jī)理，不能準(zhǔn)確反應(yīng)水資源時(shí) 空分布過(guò)程。單一的專(zhuān)業(yè)模型以預(yù)定邊界條件考慮其他相關(guān)模塊，相互獨(dú)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(shí)際。所以能反映宏觀物理過(guò)程并滿足實(shí)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(shì)。而日新月異的計(jì)算機(jī)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(duì)未來(lái)的發(fā)展方向作了展望。（水資源系統(tǒng)模擬模型研究進(jìn)展）1國(guó)外研

3、究現(xiàn)狀宏觀尺度水文模型（Macro-scale hydrological model）一個(gè)宏觀尺度的水文模型是一個(gè)可以多次應(yīng)用于很大的地理區(qū)域的簡(jiǎn)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(gè)概念性基礎(chǔ)宏觀尺度模型是由等人（1989,1996）提出的。這個(gè)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?。可變下滲能力模型（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(kāi)發(fā)和應(yīng)用于大的地 理區(qū)域，對(duì)模擬植被在時(shí)空分布以及氣候變化的敏感性有興趣。“Macro-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(shí)間間隔t中的降水量，實(shí)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(shí)間間隔的開(kāi)始和結(jié)束是在土壤、湖泊和濕地中的儲(chǔ)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(gè)部分。（詳細(xì)閱讀文獻(xiàn)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(jì)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(cè)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(xì)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(kāi)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(xì)閱

7、讀文獻(xiàn)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(gè)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(jì)算詳見(jiàn)文獻(xiàn)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(jì)算積雪和融化、實(shí)際蒸發(fā)量和每個(gè)月將徑流分為一個(gè)快速和一個(gè)緩慢的 部分，這個(gè)模型允許雪、雨并且同時(shí)融化發(fā)生在一個(gè)月里。該模型有4-6個(gè)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?gòu)搅骱退胶?。（?見(jiàn)文獻(xiàn)Global water-balance modeling with WASMOD-M: Parameter estima

10、tion and regionalizationP108-109）1.6可變時(shí)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(dòng)態(tài)水平衡模型（P122-124）（詳見(jiàn)Water balance modeling over variable time scales based on the Budyko framework - Model development and testing國(guó)外在水資源模擬的軟件產(chǎn)品上具有較大優(yōu)勢(shì)，所開(kāi)發(fā)的模型具有較強(qiáng)的實(shí)用性，并充 分利用計(jì)算機(jī)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(shí)際過(guò)程的多準(zhǔn)則模擬評(píng)價(jià)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(diǎn)，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(shì)。國(guó)外一些專(zhuān)業(yè)研究機(jī)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(duì)流域 的數(shù)學(xué)描述，目的是找到每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的靜止解，反映主要河流水系、水文時(shí)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(guò)程，并以河網(wǎng)模型的形式表現(xiàn)。其 優(yōu)點(diǎn)是適合于不同時(shí)間尺度（年、月、日）、空間尺度（工程點(diǎn)、河流到流域）上對(duì)大量的 方案進(jìn)行研究”，計(jì)算速度快”，具有強(qiáng)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(kuò)展性較強(qiáng)。MIKE BASIN系統(tǒng)的一個(gè)重要前提就是“靜止假設(shè)”即所計(jì)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(guò)DEM生成詳細(xì)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(kù)模型進(jìn)行概化， 降雨-徑流模塊可通過(guò)降水、蒸發(fā)等觀測(cè)資料生成流域內(nèi)任一斷面的徑流時(shí)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(shí)間 數(shù)據(jù)工具，水質(zhì)模塊可模擬河流及水庫(kù)的主要污染物運(yùn)移和降解，圖形用戶界面GUI及時(shí) 間序列編輯器為用戶提供了直觀、友好的人機(jī)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(guó)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(guó)內(nèi)主 要是近年來(lái)開(kāi)展水資源綜合規(guī)劃項(xiàng)目的水資源配置研究，得到一定的推廣。主要特點(diǎn)是利 用其強(qiáng)大的系統(tǒng)模擬計(jì)算功能，進(jìn)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(gè)分區(qū)、63個(gè)用水節(jié)點(diǎn)、5個(gè)供水（水庫(kù)）節(jié)點(diǎn)。Jcprgensen針對(duì)馬來(lái)西亞Sungai Skudai河 流的過(guò)度開(kāi)發(fā)及帶來(lái)的嚴(yán)重污染，采用MIKE11和NAM進(jìn)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(fù)荷削減。Larsen等在泰國(guó)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(jìn)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(jì)和運(yùn)移。Storm 在美國(guó)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(duì)生成和實(shí)測(cè)徑流、水庫(kù)蓄泄過(guò)程 等進(jìn)行對(duì)比校正，模型系統(tǒng)為用戶提供多種情景比較的友好、開(kāi)放式分析工具。（以MIKE BASIN實(shí)現(xiàn)流域水資源三次供需平衡）EMSEMS是由美國(guó)楊百翰大學(xué)與陸軍工程兵團(tuán)共同開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)，由WMS、GMS、SMS 三個(gè)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(tái)為基礎(chǔ)，用戶可以針對(duì)不同流域定制模型，并提供各種直觀結(jié)果。整個(gè)軟件重視 水文學(xué)和水動(dòng)力學(xué)機(jī)理，可以在宏觀和微觀兩個(gè)層次同時(shí)反映流域水資源演變狀況。WMS 是對(duì)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(dá)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(kuò)展功能模塊供用戶選用，也可以進(jìn)行水質(zhì)變化和泥沙傳輸沉積 的模擬，并提供隨機(jī)模擬計(jì)算以及對(duì)各類(lèi)參數(shù)的不確定性分析WMS內(nèi)嵌了完整的GIS工 具，可以實(shí)現(xiàn)流域描繪和各種結(jié)果分析，同時(shí)也可以結(jié)合其它GIS工具進(jìn)行各種分析計(jì)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(guò)程，并提供風(fēng)險(xiǎn)分析模型對(duì)地下水污染程進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。 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(yùn)動(dòng)過(guò)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(yùn)動(dòng)、泥沙運(yùn)移等過(guò)程。（水資源系統(tǒng)模擬模型研究進(jìn)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(kāi)發(fā)的用于水資源評(píng)價(jià)以及規(guī)劃管理的模擬軟件。IQQM對(duì)系統(tǒng)水量和水質(zhì)進(jìn)行同步模擬， 可調(diào)用外部水文模型進(jìn)行計(jì)算，將河道水量演進(jìn)、水庫(kù)調(diào)度計(jì)算、灌溉用水模擬、經(jīng)濟(jì)用水 及耗排水計(jì)算、濕地及環(huán)境

18、需水計(jì)算等模型集成組合到一起，從而實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)過(guò)程的完 整水量模擬。IQQM提供了以導(dǎo)水率為依據(jù)的簡(jiǎn)單計(jì)算和直接應(yīng)用地下水模擬模型 MODFLOW兩種使用方式進(jìn)行地下水模擬。IQQM是以組件方式開(kāi)發(fā)的集成軟件包，具有 較強(qiáng)靈活性和可擴(kuò)展性。但由于其考慮的因素較多，模擬尺度較為精細(xì)，因而對(duì)資料要求也 比較高，對(duì)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(gè)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(kāi)發(fā)中。(IQQM-A hydrologic modelling tool for water res

19、ource and salinity management)WaterwareWaterware是奧地利開(kāi)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(píng)價(jià)等功能。軟件中集成了 GIS分析工具、模擬模型和專(zhuān)家系統(tǒng)，以面 向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)為支持，結(jié)合GIS直觀顯示分析結(jié)果。Waterware可以從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和技 術(shù)三個(gè)方面分析流域水資源問(wèn)題，社會(huì)經(jīng)濟(jì)包括經(jīng)濟(jì)效益分析、經(jīng)濟(jì)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(lèi)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(diǎn)(城市、工業(yè)區(qū)、農(nóng)業(yè)灌區(qū)等)、控制性站點(diǎn)、河道 網(wǎng)絡(luò)為系統(tǒng)的主要分

20、析對(duì)象，以水質(zhì)控制約束下的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境用水分配的效益最大化為目 標(biāo)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的水量計(jì)算。作為流域規(guī)劃管理的整體性分析工具，Waterware在包括長(zhǎng) 江在內(nèi)的多個(gè)流域得到了應(yīng)用。(水資源系統(tǒng)模擬模型研究進(jìn)展)RiverwareRiverware是由美國(guó)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(jì)方

21、法，提供包括供水、航運(yùn)、發(fā)電、防洪等水庫(kù)群多目標(biāo)分析計(jì)算方法，同 時(shí)也包含隨機(jī)水文分析、河道水力學(xué)計(jì)算、水質(zhì)分析、地表水地下水轉(zhuǎn)化分析等功能。對(duì)于 水庫(kù)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(dòng))、基于規(guī)則的 模擬 (rulebased simulation，由用戶輸入如果-然后-或者運(yùn)行政策) 和優(yōu)化調(diào)度 (optimization，由一系列優(yōu)先目標(biāo)推動(dòng))三種計(jì)算方式，可以用于短期調(diào)度運(yùn)行管理和中 長(zhǎng)期的調(diào)度方案制定。由于采用了先進(jìn)和系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(yàn)定制模型，實(shí)現(xiàn)從模型構(gòu)建到計(jì)算

22、方法選擇的 完整控制。該軟件在美國(guó)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(jìn)展，RIVERWARE:AGENERALIZED TOOL FOR COMPLEX RIVER BASIN MODELING)1.12其他軟件Aquarius是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)為主開(kāi)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(lèi)用水邊際效益大致均衡為經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)則進(jìn)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(lèi)概化 后的元素均以面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)中的類(lèi)表達(dá)，并將其設(shè)計(jì)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(shí)體為建模對(duì)象，可對(duì)水庫(kù)、水電站、灌區(qū)、市政以及工業(yè)用 水戶、各類(lèi)分匯水節(jié)點(diǎn)以及生態(tài)景觀及娛樂(lè)用水要求進(jìn)行概化反映，并將其有機(jī)耦合在一個(gè) 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(kù) (Model Libraries，MDL)、方案生成 (Project)、結(jié)果顯示(ICMS

24、Views) 四部 分。其主要特點(diǎn)是強(qiáng)大的交互性和方案生成的靈活性，通過(guò)組件式開(kāi)發(fā)實(shí)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(tái)并提供系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖創(chuàng)建功能；MDL是各專(zhuān)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(jì) 算模型方法基礎(chǔ)上，自動(dòng)生成計(jì)算方案并進(jìn)行模擬計(jì)算；ICMS Views以圖表形式直觀展示 計(jì)算結(jié)果。（水資源系統(tǒng)模擬模型研究進(jìn)展）可見(jiàn)，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(shí)際經(jīng) 驗(yàn)逐漸積累發(fā)展而成，具有專(zhuān)業(yè)覆蓋面寬、綜合性強(qiáng)、可操作性好等特點(diǎn)，同時(shí)也潛移默化 的影響其用戶對(duì)水資源問(wèn)題的認(rèn)識(shí)

25、和分析方法。目前國(guó)外水資源方面專(zhuān)業(yè)軟件已逐漸進(jìn)入并 占領(lǐng)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)，專(zhuān)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(jìn)展）2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀相比而言，國(guó)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(duì)不同專(zhuān)業(yè)模塊 的綜合和集成還存在困難，仍處于分散獨(dú)立分析解決問(wèn)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(guó)內(nèi)學(xué)者在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始 了以水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度為手段的水資源分配研究，水庫(kù)運(yùn)行的模擬計(jì)算是早期實(shí)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(duì)北京地區(qū)的水資源利 用以系統(tǒng)工程方法進(jìn)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(huì)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(duì)京津唐地區(qū)的供水規(guī)劃和優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行了應(yīng)用研 究。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院等單位開(kāi)發(fā)出華北宏觀經(jīng)濟(jì)水資源優(yōu)化配置模型，包括由宏觀 經(jīng)濟(jì)、水資源模擬等7個(gè)模型組成的模型庫(kù)，由數(shù)據(jù)庫(kù)

27、驅(qū)動(dòng)，實(shí)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(kù)優(yōu)化調(diào)度、供水以及灌溉系統(tǒng)運(yùn)行和防洪除 澇系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面得到了廣泛應(yīng)用，為解決區(qū)域性水資源規(guī)劃問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合當(dāng)前需求進(jìn)一步發(fā)展了水資源系統(tǒng)模擬技術(shù)方法的研究，同時(shí) 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(diǎn)，研制了可適用于巨型水 資源系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)系列模擬水資源系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)特性，開(kāi)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(kāi)發(fā)了水 資源系統(tǒng)整體

28、分析模型，將水量過(guò)程和經(jīng)濟(jì)機(jī)制的模擬結(jié)合為整體進(jìn)行分析，并采用了嵌套 遺傳算法實(shí)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(guó)民經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jì)方法，對(duì)概化元素 屬性及其在水循環(huán)過(guò)程中的功能進(jìn)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(jì)方法構(gòu)建的模型對(duì)海南島水資源配置進(jìn)行模擬計(jì)算，得出了不同方案的水資源供需態(tài)勢(shì) 和水量平衡變化趨勢(shì)，檢驗(yàn)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(jì)）下面介紹幾個(gè)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(guó)水資源若干問(wèn)題的討論）水資源確切的計(jì)算應(yīng)由水量平衡的六要素方程來(lái)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(jì)算；式（2）適用于多年平均降水量的計(jì)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(píng)價(jià)流域地下補(bǔ)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(píng)價(jià)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(kāi)發(fā)利用評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。在這個(gè)方程 中，確定比值Rg/Wh的意義在于保持地下水的補(bǔ)給和河流的生態(tài)基流?？刂坪捅３諶g/Wh 的合理關(guān)系，可以避免對(duì)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(rùn)程度與節(jié)制無(wú)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(kāi)發(fā)利用中，合理地控制Rg/Wh與ET/Wh兩個(gè)比值實(shí)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(dá)到水資源永續(xù)利用的目的 此外，這種思 路也能較好地評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)（水資源開(kāi)發(fā)利用）所帶來(lái)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(wèn)題研究）流域的水量平衡問(wèn)題研究有3個(gè)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(gè)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(jī)理上認(rèn)識(shí)和描述一個(gè)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(lái)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(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境對(duì)水資源的需求關(guān)系之間的平 衡。前兩個(gè)平衡

32、是水文科學(xué)意義上的水量平衡，而最后一個(gè)水資源供需平衡是社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng) 的水量平衡，也就是水資源供需安全問(wèn)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(gè)層次的水量平衡問(wèn)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(gè)流域的降水是所有水量來(lái)源的根本，圖 2是一個(gè)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(kù)調(diào)蓄變量 Wk，、地下水儲(chǔ)存變量Wg和土壤水儲(chǔ)存變iAWs。因此，流域的整個(gè)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(duì)區(qū)域水量平衡的基本描述。但是，很多變量難以完全在實(shí)際工作中測(cè)出，例如地下 潛流Ug、土壤水分變化量Ws、地下水儲(chǔ)存變量Wg和各項(xiàng)蒸發(fā)等。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 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(gè)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(lái)水量或引水量，對(duì)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(kù)儲(chǔ)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(gè)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(guò)程可以采用單位線、等流時(shí)線、 動(dòng)力波、馬斯京根等多種方法。本文模型計(jì)算時(shí)段為日，模型首先將流域

35、離散為若干子流 域，每一個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu) 在每段河道上利用分段馬斯京根方法進(jìn)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(shí)間尺度（日過(guò)程）等問(wèn)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(gè)水文單元（或子流域）上建立物理概念模型來(lái)推求凈 雨，再進(jìn)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(guò)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(jìn)行流域產(chǎn)流計(jì)算，其 中包含若干水文過(guò)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(jìn)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(yùn)行和模擬結(jié)果的圖形顯示提 供友好的操作平臺(tái)。2.3.2單元水文模型單元水文模型涉及的水文過(guò)程有冠層截留、融雪、蒸散發(fā)、坡面流、非飽和土壤水運(yùn) 動(dòng)和地下水出流（基流）等（各參數(shù)的計(jì)算閱讀文獻(xiàn)基于GIS/ RS的流域水文過(guò)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(xiàn)基于GIS/ RS的流域水文過(guò)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(guò)收集互聯(lián)網(wǎng)免費(fèi)資源（

37、如數(shù)字高程模型、土地利用圖）和實(shí)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(mén)歷年水資源利用數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)）進(jìn)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(shí)間步長(zhǎng)的基于GIS的流域水 費(fèi)源平衡模型。模型可以動(dòng)態(tài)模擬地面水，土壤水和地下水的流動(dòng)及平衡并可用AreView 實(shí)現(xiàn)可視化。區(qū)域水資源平衡模型HydroSplash!是荷蘭Alterra研究所開(kāi)發(fā)的，是以小網(wǎng)格地塊（tile） 為單元、以l=l為時(shí)問(wèn)步長(zhǎng)的模擬流域水資源動(dòng)態(tài)及水資源平衡的實(shí)時(shí)水文地理（“real 一 time”hydrology）模擬模型。每個(gè)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(lái)描述。地表水、 土壤水水量交換用分段線性方程來(lái)表示（方程及示意圖閱讀文獻(xiàn)基于GIS的小流域水資 源動(dòng)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(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，試圖用單一的數(shù)學(xué)模型來(lái)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(lái)解決這類(lèi)問(wèn)題。美國(guó)YHaimes對(duì)供水 為主的水資源系統(tǒng)曾提出一個(gè)遞階模型，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者曾加以改進(jìn)和引用。劉健民等人針對(duì) 京津唐地區(qū)水資源大系統(tǒng)供水規(guī)劃和調(diào)度問(wèn)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(jí)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(duì)供、需水模型進(jìn)行協(xié)調(diào)時(shí)，采用使凈效益現(xiàn)值極大化為目標(biāo)函數(shù)。鑒于我國(guó)經(jīng)濟(jì) 體制及資料積累的具體情況，要計(jì)算不同用水戶的供水效益是有困難的。更主要的是，經(jīng)濟(jì) 效益只是要考慮的目標(biāo)之一，對(duì)于多目標(biāo)問(wèn)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(wèn)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(gè)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(jí)。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(jí)平衡協(xié)調(diào)級(jí)依關(guān)聯(lián)預(yù)估法原理先預(yù)估供水變 量qt，它是庫(kù)群調(diào)度函數(shù)（圖）、配水規(guī)則及需水過(guò)程的函數(shù)。供、需水子系統(tǒng)分別運(yùn)行得到 的有關(guān)信息反饋給協(xié)調(diào)級(jí)，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(jí)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(jí)是規(guī)劃決策級(jí)。（需水模型、供水模型、平衡協(xié)調(diào)級(jí)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件仔細(xì)閱讀文獻(xiàn)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