發布時間：2020-04-06所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：針對自然-社會水資源系統的復雜互饋機制科學問題，以及水資源管理應用需求，將水文學數值模擬和水資源適應性調配相結合，研究構建了概念性半分布式水資源綜合模擬與調配模型WAS;提出了模型架構、單元劃分、動態互饋模擬、計算公式和運行策略等WAS模型
摘要：針對自然-社會水資源系統的復雜互饋機制科學問題，以及水資源管理應用需求，將水文學數值模擬和水資源適應性調配相結合，研究構建了概念性半分布式水資源綜合模擬與調配模型WAS;提出了模型架構、單元劃分、動態互饋模擬、計算公式和運行策略等WAS模型原理及方法，為自然-社會水資源復雜系統的模擬與科學調配提供支撐。
關鍵詞：水資源;模擬與調配;概念性;半分布式;模型
1 研究背景
隨著人類取用水規模的不斷擴大，經濟社會與區域水資源形成了相互影響、相互制約、互動關聯的關系[1-3]。以黃河流域為例(根據《黃河流域水資源綜合規劃》2009年)，正常年天然河川徑流量 534.8億m3 ，可利用量327.9億m3 ，生態及入海水量206.9億m3 ，現狀流域地表水用水量約370億m3 ，但入海水量沒有減少。從水量平衡上，表明了水資源開發利用過程中從河流取用水的同時，也有相當部分退排水進入到河道，存在大量水重復利用現象;從內在機理上，顯示出水資源系統一次性水資源和回歸水等二次性水資源存在一個聯動、互饋的關系，河道流量受天然來水和用水戶取排水的聯合作用，同時下游取用水與上游用排水之間存在動態響應。如何開展水資源動態變化下綜合模擬與調控，研究自然-社會水資源系統的互饋關系，是水資源精細化管理的新挑為。
學應對這一挑戰，從水資源系統的供需雙側及二者互饋聯動出發，迫切需要回答以下2個重要問題：(1)如何開展水循環的綜合模擬，包括自然產匯流過程和經濟社會用耗排過程模擬，實現水資源綜合分析，更精準定量人類活動影響下的河道流量變化。(2)如何實現自然水循環與社會水循環過程的動態鏈接和互饋影響分析，實現水資源動態變化下的水資源適應性開發利用，實現水資源、經濟社會和生態環境的協調發展。
目前，國內外學者在水資源系統模擬與調控方面開展了大量研究，并針對某些水文特點開發出許多模型，如新安江模型、SIMHYD、MIKE、TOPMODEL、ROWAS、VIC 、WACM和WROOM等[4-12]，在水資源系統模擬和配置模型方法方面，多采用水循環模型中加入取用水過程、水循環模型與配置模型耦合(把配置模型的結果輸入水循環模型，即單向傳輸)等方式，這種方法在很多區域取得較好的效果，但在人類社會強烈活動的區域效果則不太好，由于水資源配置過程中不能實時響應水資源量動態變化影響，難以反映很多地區高強度人類活動用水下的自然-社會水資源互饋及精細調控研究，因此，在自然-社會水循環過程的實時聯動互饋模擬或者一體化模擬方面需要進一步研究。針對復雜水資源系統特點，本文在二元水循環理論和水資源配置理論基礎上，建立水資源綜合模擬與調配一體化模型(Water Allocation and Simulation Model，WAS)，為定量有效解決上述 2 個問題提供新的方法。
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2 WAS模型架構
WAS模型主要由產流模擬模塊、河道匯流模塊、再生水模擬模塊和水資源調配模塊等4大部分組成，其中產流模擬模塊、河道匯流模塊和再生水模擬模塊共同組成自然-社會水循環的基礎，用于區域水資源數量計算和組成分析;水資源調配模塊主要進行水資源供需平衡和分質供水計算，用來實現水資源開發利用過程的均衡，并反饋到對應的水循環模擬過程。
WAS模型工作機制：(1)產流模擬模塊。主要計算每個時段的降水產流量，并同時根據匯流面積計算水庫等供水工程的來水量;(2)河道匯流模塊。主要計算每個時段單元本身的產流量、單元上游河道的流入量、外調水工程流入量、單元本身的污水退水量;(3)再生水模擬模塊。主要計算再生水的產生量及利用量、污水的河道退水量;(4)水資源調配模塊。則根據水庫特征和來水過程、再生水量、河道水量和引排水工程特征及單元行業用水特征，進行水資源配置，而行業用水過程和用排水過程，又實時反饋給再生水模擬模塊，進而反饋給河道匯流模塊，從而影響整個水資源系統的循環過程以及下游用水單元的配置過程。
由于自然-社會水資源系統傳輸或者聯系通道的關鍵是取水過程和退水過程，因此，WAS模型的運算特點主要為：(1)在單元內部，每一個時段的單元產匯流及河道來水過程下，伴隨著社會的取水和退水過程，而退水過程則又影響下一個時段的單元來水過程(單元內部來水過程=產流過程+人工退排水過程)(2)在單元之間，每個單元的水資源循環過程包括單元內部來水過程和上游單元退水過程;(3)在前面兩步基礎上，考慮社會取用水工程和單元行業需水特點，進行水資源配置，單元行業的配置用水過程后，則又轉化為社會退排水量，進入河道匯流循環過程。通過上述方法，就實現了水資源系統單元的水資源動態的、聯動的、互饋的模擬和配置。模型結構見圖1。
WAS模型是以自然-社會二元水循環理論為基礎，模型架構描述了自然-社會水資源系統的一體化過程，通過本架構可以實現自然-社會水資源系統的輸入輸出以及二者之間的動態互饋關系，也可以描述區域整個水資源系統的降水、地表水、土壤水、地下水、蒸騰發以及供水、用水、耗水、排水的過程及通量。另外，如果從整個區域水系統耗水平衡的角度，還可以進行基于耗水控制的水資源調控與管理研究。
3 WAS單元劃分原理
單元作為水資源系統的重要基本組成，其劃分方法對于水資源系統模擬和調控具有直接影響，單元劃分方法是水資源系統調控模型的架構、模擬以及搜索、統計、分析等功能優劣的關鍵。目前水文模型單元多以DEM數字高程模型提取響應的子流域或者格網單元，并疊加土壤類型和土地利用類型進一步劃分水文響應單元等進行水文計算[8-10]，這對于流域或河道徑流模擬是適合的;但自然- 社會二元水資源系統特點和現實水資源管理中多以行政分區為主體的方式，上述方法難以界定各行政區水資源情況與各行政邊界水文變化情況，另外，傳統水文模型單元有可能會出現一個單元橫跨若干個行政區現象，傳統水資源調控模型單元較大，也有可能會出現一個單元包含若干個水文流域的現象，單純的水文模型純子流域單元劃分方法在應對水資源精細化模擬和調控方面，體現出明顯的不足或者不方便應用。
本文針對水資源流域管理和行政管理需求和特點，在綜合水文單元和水資源管理行政單元基礎上，提出一種水資源系統“基本單元-計算單元-水文單元”三級單元劃分方法，見圖2。具體來說，通過水資源分區疊加行政分區形成基本單元，通過DEM數字高程在基本單元基礎上進行加密細化形成計算單元，通過土壤類型和融合作物分布的土地利用形成水文單元，根據這種三級單元劃分方法既能體現傳統水文模擬模型單元劃分特點，也能滿足水資源流域管理和行政管理相結合的需求。
4WAS模型動態反饋模擬方法
水資源系統是一個變化的復合體，水資源的利用涉及供水、用水、排水和生活、工業、農業、環境及生態等多個方面，在空間上涉及上下游和左右岸，它們之間相互影響、互相反饋，除天然來水的復雜性外，人類供水、排水(退水)的當前變化極大擾動下一階段徑流利用的數量和質量，整個區域水循環體現出明顯的“自然-社會”二元特征，在社會經濟用、排水作用下，河道徑流表現為由原來的一次徑流資源轉化為一次徑流與退排水二次利用的復合徑流。目前，大多采用“實測—分離—耦合—建模—調控”的建模方法開展水循環研究[11]。
本文在以往研究基礎上，在動態反饋實現方式上提出一種“實測—分離—聚合—建模—調控”的水循環時序動態反饋模擬方法(圖3)，即在典型水循環四水轉化模擬模型基礎上，考慮經濟社會用水、排水及再生水回用過程模擬，實現社會側支水循環實時映射到時段自然水系統過程，實時模擬來水變化對用水變化、用水變化對下一階段徑流及供水變化的實時響應，從而實現水資源綜合動態互饋變化。本方法實現社會取用水和自然水循環的實時互動，與常規水資源系統模型構建相比，區別在于“耦合”與“聚合”，耦合是松散的、外部關聯的，聚合是緊密的、內部關聯的，耦合關注的是某一模型和其他模型之間的關聯性，聚合關注的是一個模塊內部各成分之間相關聯程度，本文采用水循環模擬與水資源配置聚合變成一個時序模擬模塊的兩個成分，進而實現二元水循環過程時段內高內聚模擬和時序過程的動態模擬。
“實測—分離—聚合—建模—調控”水資源系統模擬方法中“聚合”體現在兩個方面，即：(1)單個時段單元內部水資源模擬和配置過程的聚合，由WAS模型框架圖1中體現，(2)在水資源系統中的各時段之間的“聚合”，主要體現在水資源循環和配置過程上一時段與下一時段的關聯影響和實時互動上，由圖3體現。
時序模擬動態反饋模擬算法如下： (1)構建水循環模擬時段數據集T={T1，T2，…，Tn};(2)對時段數據集T1進行水循環模擬，得到各供水節點的徑流來水量;(3)根據供水節點來水信息及工程信息，結合基于Huffman樹水資源供水-用戶系統的水網架構，進行水資源配置;(4)根據步驟3得到各供水節點的剩余水量以及各單元的退水量，加入第2時段T2作為其運算啟動條件;(5)重復(2)—(4)步驟，進行循環互動計算，得到整個時段T的水循環動態變化模擬和水資源實時配置。
5 模型主要計算原理
5.1 地表產流過程 降水產流一般包括蓄滿產流和超滲產流兩種方式，蓄滿產流一般在地下水較高、包氣帶較薄的濕潤地區，超滲產流一般在地下水位較高、包氣帶較厚的干旱半干旱地區[13]。考慮區域不同的降雨時段以及不同的下墊面存在不同的徑流形成方式，本文采用具有蓄滿產流和超滲產流的綜合產流方式，即降水強度大于入滲強度時產生地表超滲徑流，下滲水量填充土壤層蓄水容量，土壤蓄滿后按照蓄滿產流方式產生地表蓄滿徑流，土壤水產生壤中流和地下徑流。同時，考慮人工灌溉等補水措施也會產生徑流，本文在計算有效降水中加入灌溉水量進行產流計算。
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