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1、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
2、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
3、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VQEsmarty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 in?ltration 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 eta
4、l., 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：St =Pt -AEt Qt +S(1)式中Pt, AEt , Dt,和Qt分别是在时间间隔t中的降水量，实际蒸发量，延退径流量和直接 径流量，所以，St-1和St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-P
5、DM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 ofstream?ow 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.Evapo
6、lranspirationGround-Water-HydroEDgic-Modd-iSoil Hydrologic Modal (SHM|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澳大利业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、S
7、acramento ( NWS-RFS )、SIMHYD ( modhydrology )、TOPOG、IHACRES、 AWBM、MOSAZ、PERFECT、LASCAM、Aquacycle。(详细阅读文献Catchment water balance modeling in Australia 1960 t2004 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)。Model variables: ET-evapoiranspiral!on G-ground waler storage P-rainfall Qh-base flow Qi-surface
8、 runoff R-recharge to ground waler S-soil wateJ siunige X - eaiehment waler consumption Y-eaichment waler yieldModel parameters W - calchment consumption curve par tier, a2 - apoiranspiralit)n curve pnnmeier, B - proportion of catchment yield 把 roundattjr K - groundwater store lime consiant Sma!l- m
9、aximum waler holdingcapaciiv of soil stone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)verfandTerrestrial Hydrologic Model (THM)1.5 WASMOD-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
10、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 WASMOD-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
11、 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。KhaledKheireldin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、I
12、QQM、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 BASINMIKE 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“
13、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。MIKEBASIN 系 统 中 水 分 配 模 拟 和 河 网 概 念 如 图 1.（
14、a）水分配模抵概念（10河网模拟图3. MIKE BASIN 水分配模拟及河网模型建立MIKE BASIN在国外的流域或区域水资源规划管理和科学研究中应用较多，国内主要是近年来开展水资源综合规划项目的水资源配置研究，得到一定的推广。主要特点是利用其强大的系统模拟计算功能，进行多方案比较，为优化决策服务。Ershadi等在阿富汗境内Indus河水系的Kabul河流域水资源统一管理研究中，集成使用卫星遥感。地理信息系统和MIKE BASIN 技术， 模拟分析了 19621978年的水资源供需平衡，模型中有29个分区、63个用水节点、5个供水（水库）节点。J rgensen针对马来西亚 Sungai
15、 Skudai河 流的过度开发及带来的严重污染，采用 MIKE11和NAM 进行水资源平衡，利用 MIKEBASIN的水质模块模拟不同情景下的污染负荷削减。Larsen等在泰国北部湄公河支流Mun的19651997年系列水资源模拟中建立了MIKE BASIN 网络模型。Macdonald采用降雨-径流模块中的 NAM模型生成了泰缅跨界河流Kok河的22年径流系列，进行系列年水资源供需平衡，以水质模块分析流域内BOD、TP、TN等污染物的产生、累计和运移。Storm在美国北 Carolina州境内的 Cape fear流域建立基于 GIS的流域水文模型，径流系列为19301998年，利用DEM生成水资源系统网络，并对生成和实测径流、水库蓄泄过程等进行对比校正，模型系统为用户提供多种情景比较的友好、开放式分析工具。（以MIKEBASIN实现流域水资源三次供需平衡）1.8 EMSEMS是由美国杨百翰大学与陆军工程兵团共同开发的软件系统，由WMS、GMS、SMS三个子系统软件组成，可分别用于流域、地下水及地表水系统的综合
