水资源预测的概念与应用

1水资源预测的概念与应用1、前言水资源预测，是以水资源学为基础，利用数据分析等手段，对某一地区或流域未来特定时期内水资源所做的估算推测。水资源预测内容可分为地表水资源量预测、地下水资源预测和地表水水质预测等三个方面。国内外已经广泛开展了关于水资源预测方面的应用研究，在水资源的调控中发挥了应有的作用，为水资源的合理配置和水量调度提供了科学依据。2、基本概念（1）水资源水资源可以理解为人类长期生存、生活和生产活动中所需要的各种自然水，既包括数量和质量的含义，又包括其使用价值和经济价值。从狭义讲，水资源是指人类在一定的经济技术条件下能够直接使用的淡水，以江河、湖泊、水库为代表的地表水和地下水为主。（2）水资源预测水资源预测是以水资源学为基础，利用数据分析等手段，对某一地区或流域未来特定时期内水资源所做的估算推测。作为传统水文预报业务的一种拓展，水资源预测要以现有水文预报手段或方法为基础，充分应用水文气象测站观测数据、卫星遥感及雷达资料、数值模式输出数据、基础地理信息数据等不同性质、不同数据源、不同数据类型的实时数据和历史数据，借助于数值高程模型、信息融合、数据同化、大尺度水文模型等现代信息和预报技术，分析预测某一地区或流域未来一定时期内降雨量及其可能形成的地表水、地下水资源量和水质变化等。23、预测内容具体讲，水资源预测业务可分为三个方面：①地表水资源量预测，具体预报内容包括在旬、月、季、年或不同时间尺度的江河、湖（库）的来水量或变化趋势。②地下水资源预测，是根据某一地区的地下水实际开采量，对该地区未来月、季、年或不同时间尺度的地下水资源分布情况进行预测，生成地下水等水位线、地下水埋深图、地下水降深图等。③地表水水质预测，具体内容主要是江河重点河段、城镇供水重要水源地（大中型水库、湖泊等）在月、季、年或不同时间尺度的水质级别变化情况预测等。4、应用研究（1）地表水资源量预测的应用研究中长期径流预报较为广泛，通常泛指预见期超过流域最大汇流时间，且在3天以上，一年以内的水文预报。国内外中期水文预报常采用两种方法：一是结合中期雨量（1～7天）过程预报，采用短期水文预报模型制作中期水文预报；二是用预见期降雨（典型暴雨）对应的典型洪水过程，叠加到不考虑预见期降雨的洪水过程线上，制作预报。对于水文长期预报，通常的方法包括数理统计法、相似年法、扩展径流法（ExtendedStream-flowPrediction，简称ESP）和水文集合预报法（EnsembleStream-flowPredierion，仍简称为ESP）。ESP的思路归结起来有三点，第一是采用历史上的降雨作为未来的降雨；第二是采用当前预报日的流域初始条件，并使用历史上的降雨和水文模型进行条件模拟；第三是有了条件模拟的结果之后进行统计分析，以给出概率性预报。自本世纪初开始，水文学者学3习数值天气预报（NWP）中的集合预报概念，尝试把气象集合预报的成果应用到水文预报上来，主要进行短期（1～5天）的水文集合预报，结合传统的扩展径流预报方法，实现中长期河流径流预测。近年，全球或区域气候预测模型与水文模型的耦合及其在水资源预测中的应用已逐渐成为气候和水领域的研究热点，主要技术途径是以气候模型的降雨量、气温等气候要素预测输出值为边界，结合利用遥感资料和3S技术探讨流域下垫面植被、土壤含水量等地表特性分析，建立流域大尺度水文预报模型，实现气候、水文数值模型耦合应用。（2）地下水资源预测的应用研究目前，国内外主要进行地下水水位动态的短期预测（2～3年以内的变化趋势），至于长期预测和其他动态要素的预测，方法尚不成熟！地下水水位的预测因为监测数据有限，地下水水位受降雨、蒸发、温度等条件的影响，不确定性较大，很适合用数值模拟、灰色预测模型、人工神经网络模型、小波分析等方法来进行预测分析。近年，国内在地表水与地下水的相互转化、人工取用水对地下水资源的影响方面也进行了一些探索。（3）地表水水质预测的应用研究水质预报是在已知水质初始量（或污染来量），根据水流的运动规律，以及水中污染物的物理运动、化学反应和生化作用等演化规律（通过数学模型表达），预估水体或水体中某一地点水质未来的变化。目前国内外水体水质预测预报方法可分两大类：①点源污染的预测预报，大致可归纳为两种：一是建立相关统计模式进行水质预测预报，如建立水质和河流水文要素（如流量等）关系，作河流污染物变化的预报。二是求解确定性水质模型进行水质预测预报。模型求解（解4析解或数值解）后，主要是用实测资料确定模型参数，进行验证和误差分析，以便用于水质预报。此法得到较普遍的采用。②面源污染的水质预测预报。首先要研究降雨、径流冲刷所产生的污水及其成分，既有产流、产污问题，又有流域面上汇流、集污问题。然后污水进入水体，才是水体中水质运动演化规律。近年虽有些研究成果，但尚处于探讨发展中。5、发展趋势我国是一个干旱缺水的国家，近年水资源短缺问题更加突出，如何立足我国现有技术条件，从系统的角度融合地面观测、卫星遥感监测等多源水文气象信息，更好地利用现有的气候信息和气候预测产品，对其进行释用研究，并将其用于水文水资源领域，进而在水资源的调控中发挥其应有的作用，正是气象学与水文学的学科交叉点，建议水文、气象部门抓住机遇，积极开展此项生产性研究工作。在现有中长期水文气象预报业务的基础上，进一步加强对中长期水文水资源预测方法的研究和应用，研究建立我国水文水资源预测业务系统，并逐步开展流域或地区水资源预测服务业务，也是现实可行的。根据遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、数字高程模型等高新技术在水文、水资源和环境中应用的研究成果，提出建立全国大尺度中长期水文水资源顶测系统的基本思路，即构建全国范围的、网格化的水文气象实时和历史信息平台及数字流域GIS平台，建立基于子流域离散和栅格离散的大尺度水文模型（如VIC模型、TOPKAPI模型等），在此基础上应用短期天气数值预报（NWP）和中长期气候数值预测产品和信息，模拟生成全国各大流域主要产流区地表水径流量、地下水径流量时间序列；根据中长期径流顶报的各流域主要江河（湖库）来水、地下水入渗补给等情况，并结合流域内水库蓄水、地下水理深和5用水需求情况，分析水资源供需关系，为水资源的合理配置和水量调度提供科学依据。（1）构建网格化的水文气象信息平台水资源预报是基于对现有气候、气象、水文、水资源信息进行综合收集、预测、分析等过程，开发和建立水资源信息平台是开展水资源预报的基础。基于地面观测的降水、气温等水文气象要素信息，结合天气雷达监测的降水等信息，采用信息融合技术，生成网格化、不同时段（1时～1日）的水文气象信息产品，存储在雨水情数据库中，为洪水预报预警、水资源预测提供输入信息源。（2）建立基于网格GIS的数字流域平台结合利用遥感资料和3S技术，在数字高程模型（DEM）基础之上，通过DEM提取流域下垫面表面形态信息（包括流域格网单元的坡度、坡向以及单元间的关系等），同时结合实际的河流水系确定地表水路径、河流网络和流域的边界。对流域网格或子流域（计算单元）进行编码，并以编码为关键字，将网格或子流域的流域数字信息（高程、坡度、面积、河长、河流级别、土壤类型、土地利用等）和水文模型参数、变量存储在关系数据库中，供水文模型运行时调用。（3）开展气候数值预测技术的应用研究近几年，短期气候数值预测模式已经从研究领域拓展到预报业务中，并取得较为满意的应用效果。基于目前短期气候预测的现状与水平，应进一步开展基于陆气、海气物理过程的中长期气候预测技术应用研究。气候预测产品不但包括降水，而且还包括温度，同时还可以给出大尺度背景场、大气中水汽含量、风场、水汽输送等。根据气候模型的预报产品，结合下垫面的植被覆盖情况，还可计算全国范围的日蒸散发能力时空分布。6（4）构建全国各大流域大尺度水文模型在DEM所划分的流域网格单元上建立水文模型（如VIC模型、TOPKAPI模型），模拟流域单元内土填—植被—大气系统中水的运动，并考虑单元网格之间水平方向的联系，进行地表水和地下水的演算。实时作业预报中，通过同化表层土壤含水量的实测值，可以改进大尺度水文模型的土壤含水量预测精度。