水资源平衡模型综述

水资源系统模拟研究综述

水资源系统规模庞大、结构复杂、影响因素众多，而系统中的不同方面构成了各种水资源相关的研究分支。而目前水资源开发利用和人类活动结合日趋紧密，从而在水资源时空分布、生产和生态用水需求产生了众多矛盾，而对这些问题的有效解决方案必须建立在流域或区域基础之上，甚至必须考虑和相关流域或区域的关系，这使得将水文水资源系统作为一个整体进行模拟具有实际意义。以集成方式进行系统模拟是达到这一要求的必然途径。未来发展需要缩短目前宏观和微观层次研究的差距，以包括地表水、地下水在内的整个水资源系统为对象进行模拟，最终为决策者提供清晰、全面的分析成果，包括完成水量水质同步模拟并动态分析水与生态关系，以适用于水资源的综合管理规划。

目前国内应用的微观水资源模拟均是以某方面需求为导向的专业化模型，难以综合描述整个区域或流域的各项水量转化，而宏观性模型又缺乏水动力机理，不能准确反应水资源时空分布过程。单一的专业模型以预定边界条件考虑其他相关模块，相互独立，割裂了水资源系统中存在的内在联系，不能准确模拟实际。所以能反映宏观物理过程并满足实际需求的模拟技术是研究水资源系统的必然发展趋势。而日新月异的计算机技术为这样的研究提供了有效工具。本文在讨论现有的水资源系统模拟技术基础上，概括了这些方法所具有的一些共性，并对未来的发展方向作了展望。（水资源系统模拟模型研究进展）

1 国外研究现状

1.1 宏观尺度水文模型（Macro-scale hydrological model ）

一个宏观尺度的水文模型是一个可以多次应用于很大的地理区域的简单模型，而不需要在流域内校准。很多宏观尺度模型是概念性的水平衡核算模型。第一个概念性基础宏观尺度模型是由等人（1989,1996）提出的。这个模型第一次被应用于亚马逊河流域，随后在赞比西河流域实施。

可变下渗能力模型(variable infiltration capacity ，VIC)已经产生了一系列文章(Wood et al.,1992; Xu et al., 1994; Stamm et al., 1994; Nijssen etal., 1997; Abdulla and Lettenmaier, 1997a,b; Liang etal., 1996).。一些土壤水资源平衡模型已经被生态学家开发和应用于大的地理区域，对模拟植被在时空分布以及气候变化的敏感性有兴趣。

1.1.1 “Macro-PDM ”宏观尺度水文模型

Macro-PDM ，和所有水平衡核算模型一样，有下面的基础结构：

1-+--=t t t t t S Q AE P S （1）

式中P t , AE t , D t ,和Q t 分别是在时间间隔t 中的降水量，实际蒸发量，延迟径流量和直接径流量，所以，S t-1和S t 分别是在t 时间间隔的开始和结束是在土壤、湖泊和湿地中的储藏量。Macro-PDM 有降水和融雪、径流生成、拦截和蒸发、湖泊和湿地蒸发量和单元格内的径流路径五个部分。（详细阅读文献《A simple water balance model for the simulation of streamflow over a large geographic domain 》P315-317）

1.2 综合水文模型系统（integrated hydrologic model system ， HMS ） HMS 是特别为气象和气候模拟设计的，由四部分模型或模块组成：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 ）。如图1.

图1. HMS的框架结构

HMS参数：观测降水量、DEM、地表水文参数、次表层水文和模型平衡。（详细阅读《Assessing the response of subgrid hydrologic processes to atmospheric forcing with a hydrologic model system》P4-8）

1.3 澳大利亚水平衡模型

澳大利亚的一些显著使用和已经部分开发的水平衡模型：Boughton、代表流域模型、Monash 、SFB、Sacramento（NWS-RFS）、SIMHYD（modhydrology）、TOPOG、IHACRES、A WBM、MOSAZ、PERFECT、LASCAM、Aquacycle。（详细阅读文献《Catchment water balance modeling in Australia 1960–2004》P95-103）

1.4 月水量平衡模型

月水量平衡模型是一个水分配和平衡模型（如图2）。

图2 Wapaba模型中的水分配

（模型计算详见文献《Monthly versus daily water balance models in simulating monthly runoff》P167-168）

1.5 W ASMOD-M (Water And Snow balance MODeling system，M for macro-scale)

WASMOD-M计算积雪和融化、实际蒸发量和每个月将径流分为一个快速和一个缓慢的部分，这个模型允许雪、雨并且同时融化发生在一个月里。该模型有4-6个参数，取决于目前是否存在雪。参数包括：潜在蒸发量、积雪和融化、蒸发量、雪和快速径流和水平衡。（详见文献《Global water-balance modeling with W ASMOD-M: Parameter estimation and regionalization》P108-109）

1.6 可变时间尺度下的水平衡模型

1.6.1 平均水平衡模型（P119）

1.6.2 水平衡年际变化（P119-122）

1.6.3 动态水平衡模型（P122-124）

（详见《Water balance modeling over variable time scales based on the Budyko framework –Model development and testing》）

国外在水资源模拟的软件产品上具有较大优势，所开发的模型具有较强的实用性，并充分利用计算机技术完成了系统化集成。

F.Reitsma等提出基于面向对象技术模拟水资源实际过程的多准则模拟评价模型。Khaled Kheireldin提出了水资源系统符合面向对象技术思想的天然特点，分析了面向对象编程技术(OOP)在水资源管理模型中应用的优势。国外一些专业研究机构也推出了各种商业化的水资源规划管理软件，如MODSIM、MIKEBASIN、EMS系统、IQQM、Waterware、Riverware 等，也都以水资源系统模拟为基础。（基于规则的水资源系统模拟）

1.7 MIKE BASIN

MIKE BASIN是丹麦水利研究所(DHI) 研发的流域水资源规划管理工具, 作为对流域的数学描述, 目的是找到每个时间步长内的静止解, 反映主要河流水系、水文时空特征、现有及规划的主要水源工程方案、各种用水户及地下水过程，并以河网模型的形式表现。其优点是适合于不同时间尺度( 年、月、日)、空间尺度( 工程点、河流到流域) 上对大量的方案进行研究"，计算速度快"，具有强大的数据交互、结果分析展示等功能，可移植性和可扩展性较强。MIKE BASIN系统的一个重要前提就是“静止假设”即所计算的水资源系统中水量和水质是缓慢变化的。该系统的河网模型建立可通过DEM 生成详细的水系河网，也可在桌面上手工数字化生成概化网络!地下水的蓄水层水力模型用线性水库模型进行概化，降雨-径流模块可通过降水、蒸发等观测资料生成流域内任一断面的径流时间序列，主要采用NAM和SMAP模型。MIKE INFO是系统提供用于陆地和水系统综合分析的空间和时间数据工具，水质模块可模拟河流及水库的主要污染物运移和降解，图形用户界面GUI 及时间序列编辑器为用户提供了直观、友好的人机交互界面，提高软件的操作效率。MIKE BASIN系统中水分配模拟和河网概念如图1.