“黄河流域水资源演变规律与二元演化模型” 研究成果简介[J]

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: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，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)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。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法与实践均是基于“实测－还原”的一元静态模式[3～6]，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，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795000km2)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1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(WaterandEnergytransferProcessesinLargeriverbasins)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个子流域和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。38720个等高带，采用45年（1956～2000）水文气象系列数据及相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３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Noilhan－Planton模型、Penman公式和Penman-Monteith公式等进行了详细计算。地表径流分为超渗和蓄满两种产流模式分别采用Green－Ampt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2大流域分布式水文模型WEP-L的结构：(a)垂向结构（基本计算单元内），(b)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１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１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WARM(WaterAllocationandRegulationModel),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。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。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：WEP-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3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4大流域分布式水文模型WEP-L与水资源调配模型WARM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。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。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～导水系数关系参数、含水层厚度、含水层导水系数和含水层产水系数等。所有参数均有物理意义，理论上讲可根据观测实验数据和遥感数据进行推算而无需率定。但由于这些参数在每个计算单元内仍具有空间变异性，模拟计算时往往使用其单元内平均参数或称有效参数，因此通常仍根据流量过程线及地下水位的观测结果对一些关键参数进行适当调整。WEP-L模型的关键参数包括饱和土壤导水系数、城市土地利用的不透水率、地表洼地最大储留深、曼宁糙率、含水层导水系数、含水层产水系数和河床材料透水系数7个。2.4模型验证本研究进行了1956至2000年共45年的变时间步长(1h-1d)连续模拟计算。其中1980年至200