《“黄河流域水资源演变规律与元演化模型” 研究成果简介[J]》由会员分享，可在线阅读，更多相关《“黄河流域水资源演变规律与元演化模型” 研究成果简介[J]（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、把学问过于用作装饰是虚假；完全依学问上的规则而断事是书生的怪癖。当你还不能对自己说今天学到了什么东西时，你就不要去睡觉。 “黄河流域水资源演变规律与二元演化模型”研究成果简介贾仰文 王 浩摘要摘要: 本文简要介绍了在国家重点基础研究发展规划(“973”)项目“黄河流域水资源演变规律与可再生性维持机理”第二课题(G1999043602)中取得的三项主要成果：1) 流域水资源二元演化模型, 2) 黄河流域水资源全口径层次化动态评价, 3) 人类活动影响下的黄河流域水资源演化规律。首先，将分布式流域水文模型 (WEP-L) 和集总式水资源调配模型(WARM)相耦合，建立了流域水资源二元演化模型。然后
2、，在界定“广义水资源”与“狭义水资源”概念的基础上，提出了水资源全口径层次化动态评价方法，并给出了黄河流域评价成果。最后，通过比较 2000 年现状下垫面条件下与历史系列条件下的评价结果，以及考虑与不考虑人工取用水条件下的模拟结果，初步发现：1）黄河流域在强烈的人类活动影响下，水资源量及其构成均发生了显著变化，地表水资源量衰减,而不重复地下水量增加；2）在狭义水资源衰减的同时，伴随着有效蒸散即降水有效利用的增加，流域广义水资源量有一定幅度增加。研究成果对客观评价水土保持生态建设、农田基本建设等土地利用变化的水文水资源效应，对黄河的治理规划和水安全战略具有重要参考应用价值。1 前言“黄河流域水资
3、源演变规律与二元演化模型”研究是国家重点基础研究发展规划（“973”）项目“黄河流域水资源演变规律与可再生性维持机理”中的第二课题(G1999043602)，研究历时 5 年（1999 年 10 月2004 年 9 月） 。该课题主要完成单位是：中国水利水电科学研究院水资源研究所、中国科学院地理科学与资源研究所、水利部黄河委员会水文局、中国科学院地质与地球物理研究所，主要完成人员有：王 浩、贾仰文、王建华、秦大庸、李丽娟、罗翔宇、周祖昊、严登华、王 玲、张学成、刘广全、秦大军、张新海、江 东、杨贵羽。受篇幅限制，本文将简要介绍在该课题中取得的三项主要成果，即：1)流域水资源二元演化模型, 2)
4、 黄河流域水资源全口径层次化动态评价, 3) 人类活动影响下的把学问过于用作装饰是虚假；完全依学问上的规则而断事是书生的怪癖。当你还不能对自己说今天学到了什么东西时，你就不要去睡觉。 黄河流域水资源演化规律。详细内容请参见有关参考文献1,2。随着人类活动的日益加剧，天然状态下的流域水循环模式发生了根本性改变，出现了由“取水输水用水排水回归”五个基本环节构成的人工侧枝循环圈，形成“天然人工”双驱动力作用下的流域“二元”水循环模式。这种“二元”模式导致流域水资源形势加速演变，洪涝与旱灾发生的几率与不确定性增加，同样规模的洪水造成的损失急剧增大，同时还引起生态与环境变化。迄今为止，国内外水资源评价方
5、法与实践均是基于“实测还原”的一元静态模式36，即通过实测水文要素后，再把实测水文系列中隐含的人类活动影响扣除， “还原”到流域水资源的天然“本底”状态。但是，随着人类活动日益加剧, 还原比例越来越大，受资料条件等客观因素的限制和选取还原参数时人为主观随意性的影响，应用还原法难以获取“天然”和“人工”二元驱动力作用下的水资源量“真值”。同时，现行水资源评价方法还存在以下问题：1）以地表水和地下水构成的径流性水资源为评价口径，评价口径不全面，难以反映水资源的多元有效性（如生态植被对土壤水的有效利用等） ；2）以分离评价为基本模式，如地表水评价与地下水评价相分离、水资源量评价与开发利用评价相分离，
6、难以适应水资源综合规划需求；3）难于反映下垫面变化对现状可利用水资源的影响；4）采取分区集总式的评价方法，在描述水资源的空间变异特征和指导开发利用方面存在一定的局限。因此传统水资源评价方法和评价手段亟待改进。黄河流域(面积 795 000 km2) 在中国社会经济发展中一直发挥着重要作用。黄河流域概况见图 1。九十年代以来，黄河流域出现了水资源严重短缺，生态环境恶化, 下游断流持续时间越来越长。这种状况既与近年降水偏少有关，又与强烈的人类活动影响密不可分。据统计，目前黄河流域干流共建成 12 座大型水库 (总库容 563 亿 m3)、 支流大中型水库 (总库容 100 亿 m3) 以及大量水土
7、保持设施；灌溉面积由二十世纪五十年代的 80 万 ha 增加到 2000 年 730万 ha。人类活动不仅改变了水循环过程，同时对水资源的数量及其构成产生重大影响。因此，开展黄河水资源动态评价，即分析黄河流域水资源在过去、现在及未来下垫面条件下的变化并找出其演化规律，对黄河流域水资源可持续开发利用具有重要意义。把学问过于用作装饰是虚假；完全依学问上的规则而断事是书生的怪癖。当你还不能对自己说今天学到了什么东西时，你就不要去睡觉。 图图 1 黄河流域概况黄河流域概况2 模型开发20 世纪 80 年代中期以来，随着计算机技术、地理信息系统和遥感技术的进步，分布式流域水文模型7,8得到很大发展。基于
8、物理机制的分布式流域水文模型，可结合遥感、航测、数字流域9及地理信息系统等新技术进行较为细致的水文分析与预测，能够分析不同下垫面条件下的流域水资源演变情景，为开展水资源动态评价创造了条件。本研究将大流域分布式水文模型 (WEP-L) 和集总式水资源调配模型(WARM)相耦合，建立起流域水资源二元演化模型。WEP-L (Water and Energy transfer Processes in Large river basins) 模型是在综合了分布式水文模型和陆面过程模型各自优点的基础上开发的，模拟对象为“天然人工”二元水循环系统。该模型建立在 WEP 模型基础之上，但为适应黄河这样的超大
9、流域，采用“子流域内等高带”为计算单元，并用“马赛克”法考虑计算单元内土地覆被的多样性，避免了采用过粗网格单元产生的模拟失真问题。针对各水循环要素过程时间尺度不同的特点，计算时采用了 1h 至 1d 的“变时间步长”，既合理表述了水循环动力学机制又提高了计算效率。研究中根据 1km 分辨率 DEM(数字高程模型)以及数字化河网等空间信息数据,将全黄河流域划分为具有空间拓扑关系的 8485把学问过于用作装饰是虚假；完全依学问上的规则而断事是书生的怪癖。当你还不能对自己说今天学到了什么东西时，你就不要去睡觉。 个子流域和 38720 个等高带，采用 45 年（19562000）水文气象系列数据及相
10、应下垫面条件进行了模拟计算，并根据黄河流域主要水文站逐月和逐日径流系列进行了模型校验。2.1 大流域分布式水文模型 WEP-LWEP-L 模型各基本计算单元内的垂直方向结构如图 2(a)所示。从上到下包括植被或建筑物截留层、地表洼地储留层、土壤表层、过渡带层、浅层地下水层和深层地下水层等。状态变量包括植被截留量、洼地储留量、土壤含水率、地表温度、过渡带层储水量、地下水位及河道水位等。主要参数包括植被最大截留深、土壤渗透系数、土壤水分吸力特征曲线参数、地下水透水系数和产水系数、河床的透水系数和坡面、河道的糙率等。为考虑基本计算单元内土地利用的不均匀性，采用了“马赛克”法即把基本计算单元内的土地归
11、成数类，分别计算各类土地类型的地表面水热通量，取其面积平均值为计算单元的地表面水热通量。土地利用首先分为裸地植被域、灌溉农田、非灌溉农田、水域和不透水域 5 大类。裸地植被域又分为裸地、草地和林地类，不透水域分为城市地面与都市建筑物 2 类。另外，为反映表层土壤的含水率随深度的变化和便于描述土壤蒸发、草或作物根系吸水和树木根系吸水，将透水区域的表层土壤分割成 3 层。在水循环各要素模拟中，截留、土壤、水面和植被蒸腾等蒸发项，按照土壤-植被-大气通量交换方法(SVATS)、采用 NoilhanPlanton 模型、Penman 公式和 Penman-Monteith 公式等进行了详细计算。地表径
12、流分为超渗和蓄满两种产流模式分别采用 GreenAmpt 模型和 Richards 方程计算，对山坡斜面土壤层进行了壤中流计算，浅层地下水运动进行了二维数值计算并与非饱和土壤水及河水进行了动态耦合，积雪融化过程采用温度指标法。详细内容请参见 WEP 模型的有关参考文献1,10,11。把学问过于用作装饰是虚假；完全依学问上的规则而断事是书生的怪癖。当你还不能对自己说今天学到了什么东西时，你就不要去睡觉。 (a) (b) 河道汇流坡地汇流基本计算单元 （等高带）123945q2q3q4q668q57Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q9q1图图 2 大流域分布式水文模型大流域分布式水文模型 WEP-
13、L 的结构：的结构：(a) 垂向结构（基本计算单元内）垂向结构（基本计算单元内） ，(b)平面结构平面结构WEP-L 模型的平面结构如图 2(b)所示。坡面汇流计算根据各等高带的高程、坡度与 Manning 糙率系数，采用维运动波法将坡面径流由流域的最上游端追迹计算至最下游端。各条河道的汇流计算，根据有无下游边界条件采用维运动波法或动力波法计算。地下水流动分山丘区和平原区分别进行数值解析，并考虑其与地表水、土壤水及河道水的水量交换。2.2 集总式水资源调配模型 WARM取用水等人工侧支水循环过程与自然水循环过程需要耦合模拟，以反映流域水资源实际演化机理。为此，本研究开发了集总式水资源调配模型
14、WARM (Water Allocation and Regulation Model), WARM 模型包括两部分: 一是水资源合理配置模型（结构示意见图 3） ，二是水资源调度模型。把学问过于用作装饰是虚假；完全依学问上的规则而断事是书生的怪癖。当你还不能对自己说今天学到了什么东西时，你就不要去睡觉。 WEP-L 模型与 WARM 模型的耦合见图 4: 1) 具体通过 WEP-L 分布式模拟结果的时空尺度聚合与 WARM 集总式调控结果的时空展布来实现; 2) 耦合模拟包括两种类型，一是历史系列或是某个时间断面的模拟；二是对于未来过程或某一时间断面的模拟; 3) 耦合是双向和交互式的：WE
15、P-L 模型为 WARM 模型提供来水信息、WARM 模型为 WEP-L 模型提供各类用水要求和水利工程的调度规则，并通过信息反馈不断修正。图图 3 水资源合理配置模型结构示意图水资源合理配置模型结构示意图反馈 输入 WEP 模型 月调度模型 实时调度模型 控制 反馈 合理配置模型 年调度模型 控制 反馈 控制 反馈 水资源调配模型 图图 4 大流域分布式水文模型大流域分布式水文模型 WEP-L 与水资源调配模型与水资源调配模型 WARM 的耦合的耦合2.3 输入数据处理与模型参数输入数据的处理包括：（1）河网水系生成、子流域划分及其编码，基本计算单元（等高带）的划定与计算顺序的确定；（2）降
16、水等气象要素的时空展布；（3）下垫面要素信息（如土地利用、土壤、水文地质、植被、水库、湖泊、河道、灌区、水土保持等）的综合处理；（4）社经济要素（人口、GDP、灌溉面积、粮食产量等）和各类取用水信息的时空展布；（5）准备 8485 个子流域、河道（包括空间拓扑关系）的基本属性表，38720 个计算单元的基本属性表，以及上述各类数据的输入文件，为 WEP-L 模型的应用创造条件。WARM把学问过于用作装饰是虚假；完全依学问上的规则而断事是书生的怪癖。当你还不能对自己说今天学到了什么东西时，你就不要去睡觉。 WEP-L 模型的参数可分为三类。一类是地表面及河道系统参数，包括坡面和河道的曼宁糙率、河床材料的覆盖厚度及透水系数、城市土地利用的不透水率及地表洼地最大储留深；再一类是植被参数，包括植被覆盖率、最大截留深、叶面指数（LAI） 、空气动力学阻抗、叶孔阻抗及根系分布参数；最后一类是土壤与含水层参数，包括土壤层厚度、土壤空隙度、土壤入渗湿润峰吸力、饱和土壤导水系数、土壤水分吸力特征曲线参数、土壤水分导水系数关系参
