流域二元水循环过程模拟成果

2023-10-26 理论教育版权反馈

【摘要】：分布式水文模型作为最有前景的流域水循环模拟方式，既能够考虑各项水文气象因素信息的时空变异特征，也可以考虑流域下垫面时空变异特性。而对于自然水循环过程以及人工水循环系统中水分的消耗过程、水库泄水以后的河道演进过程仍然采用分布式水文模型模拟。这种流域分布式水文模型和流域集总式水资源配置模型组成的耦合模型称为“流域二元水循环模拟模型”。

根据二元水循环系统的认知模式，流域二元水循环过程的模拟包括“分离”与“耦合”两大基本步骤，即首先对天然水循环过程和人工水循环过程分别进行模拟，然后根据两大过程之间的动态依存关系将两个模拟过程耦合起来，以实现对二元水循环过程的分项和整体认知。

1.分离

根据式（3-13），二元水循环过程分离为天然水循环过程和人工水循环过程，其中人工水循环过程分离为受人类直接控制的水循环过程和受人类间接控制的水循环过程，各个水循环子过程还可以进一步分离为更小的子过程直至单个的微观水循环环节。整个二元水循环系统可以采用微分的形式描述如下

对于单个的微观水循环环节，该方程组具有不同的表现形式。比如对于蒸发过程，可以用Penman 公式或者Penman Monteith 公式描述；对于下渗过程，可以用Green Ampt方程描述；对于浅层地下水运动过程，可以用Bousinessq方程进行二维数值计算；对于坡面汇流、河道汇流和渠道输水过程，可以采用运动波或者动力波方程计算；对于蓄滞洪区的运用，可以采用二维或者三维非恒定流方程。

按照数值解的步骤，对式（3-13）的求解，首先需要把方程组在时间上和空间上进行四维离散化处理。根据模拟精度的需要，可以在时间上离散为月、天或者小时等，在水平方向上离散成不同尺度的计算单元，在垂直方向上把土壤和透水岩层离散成若干层。如果采用的时空尺度比较小，不至于使各变量之间的动力学关系失效，并且模拟的结果不至于失真很多，就是有物理机制的分布式模型，否则就是半分布式或者集总式模型。

分布式水文模型作为最有前景的流域水循环模拟方式，既能够考虑各项水文气象因素信息的时空变异特征，也可以考虑流域下垫面时空变异特性。因此既可以用来模拟天然水循环过程，又可以用来模拟受人类间接控制的水循环过程。从理论上来说，分布式水文模型还可以模拟受人类直接控制的人工水循环过程。比如水从渠首进入渠道以后在渠道里面的输送过程，农田里的水分蒸发、渗透过程，蓄滞洪区洪水扩散演进过程等，但前提条件是相应模型时空尺度的参数、边界条件和初始条件已知。比如模拟时段内水库的泄洪量、引水渠首过流量、泵站的抽水流量，渠系的布置、城市管网布置、渠道蒸发渗漏系数、工业生活耗水率等。但这类资料受人为干扰太大，不确定性和随意性强，目前还没有统一的数据采集和管理系统。(www.chuimin.cn)

相对来说，天然水循环系统和受人类间接控制的人工水循环系统的参数、边界条件和初始条件比较容易确定，比如水文气象要素由遍布全流域的站网观测，有国家流域或者地区、省（自治区、直辖区）有关水行政主管部门统一数据库系统管理；下垫面参数有先进的卫星遥感技术，通过GIS技术处理和管理；土壤、水文地质参数有相关部门实地的勘探结果，且不容易随时间推移而改变。

因此，在目前的条件下，对于受人工直接控制的水循环过程，要期望做到完全的分布式模拟，还有待研究的进展。比较可行的方式是，采用分块集总式的水资源配置模型和分布式水文模型耦合，实现对“自然—人工”二元水循环系统的耦合模拟。由于水资源配置模型能较好地描述人工水循环系统中水源、用水户、排水区之间水力联系，采用该模型实现对流域水资源调配过程的模拟，主要包括流域水资源的供需平衡模拟和基于配置方案的水资源调度模拟。而对于自然水循环过程以及人工水循环系统中水分的消耗过程、水库泄水以后的河道演进过程仍然采用分布式水文模型模拟。

2.耦合

流域分布式水文模型和集总式水资源调配模型的耦合是实现二元水循环过程的整体模拟的关键。从数学上来讲，保持式（3-13）中各方程之间变量的交换，联立求解方程组，就是耦合。实现分布式水文模型和集总式水资源配置模型耦合最主要的问题在于分布式（小尺度）信息和集总式（大尺度）信息的匹配和融合。

分布式水文模型产出的信息时空尺度相对较小，时间尺度一般是日、小时甚至分钟，空间单元是子流域、等高带、网格等，面积大小一般是几十、几、零点几平方公里。而集总式的水资源配置模型的时空尺度相对较大，时间尺度一般是月或者旬，空间尺度是流域分区套行政分区，面积几百甚至几千平方公里。因此，从分布式水文模型产出的小尺度信息积分到集总式水资源配置模型的时空尺度上比较容易，而将集总式水资源配置模型产出的大尺度信息输入到分布式水文模型中，则需要将集总式（大尺度）信息在时间域和空间域进行二维离散化，使其转化成为能够与分布式的水文过程信息兼容的有效信息，然后在统一的GIS平台上，实现流域水文模拟模型和水资源配置模型的耦合模拟。这种流域分布式水文模型和流域集总式水资源配置模型组成的耦合模型称为“流域二元水循环模拟模型”。

流域二元水循环过程模拟成果

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