中国水利水电科学研究院水资源所分布式水文模型分布式水文模型与集总式水资源配置模型的耦合与集总式水资源配置模型的耦合韩春苗韩春苗中国水利水电科学研究院水资源所2006.9.24中国水利水电科学研究院水资源所汇报大纲汇报大纲引言引言一、分布式水文模型一、分布式水文模型WEP模型模型二、集总式水资源配置模型二、集总式水资源配置模型ROWAS模型模型三、三、WEP模型与模型与ROWAS模型的耦合过程模型的耦合过程四、耦合在伊洛河流域的应用四、耦合在伊洛河流域的应用五、展望五、展望中国水利水电科学研究院水资源所引言引言分布式水文模型与集总式水资源配置模型的耦合可以取长补分布式水文模型与集总式水资源配置模型的耦合可以取长补短，充分发挥各自的优势，有效提高水文模型的模拟精度，短，充分发挥各自的优势，有效提高水文模型的模拟精度，补充配置模型无法给出的水循环过程。在分布式水文模型重补充配置模型无法给出的水循环过程。在分布式水文模型重点分析天然水文过程的基础上，采用配置模拟模型处理水资点分析天然水文过程的基础上，采用配置模拟模型处理水资源配置和水库调度过程，并对两个模型进行数据交换等耦合源配置和水库调度过程，并对两个模型进行数据交换等耦合处理，从而构建完整合理的二元水循环模型框架。处理，从而构建完整合理的二元水循环模型框架。中国水利水电科学研究院水资源所一一. .分布式水文模型分布式水文模型WEP模型模型WEP (Water and Energy transfer Processes)模型是一种分布式模型是一种分布式水文模型。该模型由贾仰文等人在水文模型。该模型由贾仰文等人在1995年至年至2002年间开发研制，年间开发研制，并于并于2002年年10月月获日本国著作权登录。获日本国著作权登录。WEPWEP模型已在日本和韩国模型已在日本和韩国的多个流域得到验证和应用，在国内，它也在黑河十五攻关和的多个流域得到验证和应用，在国内，它也在黑河十五攻关和黄河黄河973项目项目中得以验证和应用。中得以验证和应用。WEP模型运行程序可模型运行程序可从互联网上下载从互联网上下载： http:/www.pwri.go.jp/team/suiri/yata-r/index_e.html中国水利水电科学研究院水资源所一一. .分布式水文模型分布式水文模型WEP模型模型WEPWEP模型是基于模型是基于物理机制的分布式物理机制的分布式水文水文模型，模拟对模型，模拟对象包括天然的象包括天然的“坡面河道坡面河道”主循环过程和以主循环过程和以“取水取水输水用水排水回归输水用水排水回归”为人工侧支循环过程，为人工侧支循环过程，二者的耦合主要通过水量平衡和循环要素项之间的水二者的耦合主要通过水量平衡和循环要素项之间的水力联系来实现。力联系来实现。中国水利水电科学研究院水资源所流入流入单单元元内内的的铅铅直直方方向向结结构构图图一一. .分布式水文模型分布式水文模型WEP模型模型中国水利水电科学研究院水资源所一一. .分布式水文模型分布式水文模型WEP模型模型模模型型平平面面结结构构图图中国水利水电科学研究院水资源所基基本本计计算算单单元元划划分分示示例例(黄黄河河一一级级支支流流伊伊洛洛河河流流域域)WEPWEP模型是模型是根据根据1km1km的的DEMDEM图生成模拟河网，用改进的图生成模拟河网，用改进的PfafstetterPfafstetter规则进行子流规则进行子流域划分与编码；再将子流域用域划分与编码；再将子流域用1010级等高带来划分，最后得到子流域等高带计算级等高带来划分，最后得到子流域等高带计算单元。单元。时间时间计算计算步长为小时或日。步长为小时或日。一一. .分布式水文模型分布式水文模型WEP模型模型中国水利水电科学研究院水资源所天然循环系统人工侧支系统流域二元水循环蒸发蒸腾积雪融雪 产 流 地 下 水坡地汇流田间灌溉水库池塘下 水 道渠道输水河网汇流 入 渗 能量平衡土 壤 水引水工程人工排水地下抽水城市供水污水处理模型的主要模块模型的主要模块一一. .分布式水文模型分布式水文模型WEP模型模型中国水利水电科学研究院水资源所模型主要功能模型主要功能模型主要功能模型主要功能: : 河川径流预报河川径流预报 动态水资源评价动态水资源评价 地下水位预测地下水位预测 山区积雪分布预测山区积雪分布预测 土壤水分预测土壤水分预测 河网水系洪水演算河网水系洪水演算 洪水泛滥数值计算洪水泛滥数值计算 河道水质模拟计算河道水质模拟计算 城市路面负荷流出过程计算城市路面负荷流出过程计算 未来情景分析与治理措施效果评价未来情景分析与治理措施效果评价一一. .分布式水文模型分布式水文模型WEP模型模型中国水利水电科学研究院水资源所二二. .集总式水资源配置模型集总式水资源配置模型ROWAS模型模型ROWAS (Rules-based Objected-oriented Water Resources System Simulation Model) 是基于规则的水资源配置模型是基于规则的水资源配置模型, ,能够描述水资源系能够描述水资源系统基本元素和他们之间相互关系。统基本元素和他们之间相互关系。ROWASROWAS模型具有以下特点：模型具有以下特点：模型框架基于水循环中的主要水流传输。模型框架基于水循环中的主要水流传输。提供整个水量平衡和水资源配置过程的具体结果。提供整个水量平衡和水资源配置过程的具体结果。灵活适应不同情况和用户的需求。灵活适应不同情况和用户的需求。为决策者提供合理可行但非最优化的结果，供其决策。为决策者提供合理可行但非最优化的结果，供其决策。提供先进的程序和友好的界面，能够快速计算和便利操作。提供先进的程序和友好的界面，能够快速计算和便利操作。中国水利水电科学研究院水资源所二二. .集总式水资源配置模型集总式水资源配置模型ROWAS模型模型水资源系统概化过程：水资源系统概化过程：1 1选取并提炼模拟过程需要考虑的实体类别。选取并提炼模拟过程需要考虑的实体类别。2 2对选出的实体做抽象，分类和整合。对选出的实体做抽象，分类和整合。3 3描述概化元素间的水力联系。描述概化元素间的水力联系。概化系统中一般有两类基本元素，点与线。概化系统中一般有两类基本元素，点与线。点点-包括水利工程、用户、分水节点、汇水节点和其他河道包括水利工程、用户、分水节点、汇水节点和其他河道 控制断面。控制断面。线线-描述天然河流、供水路线、污水渠道和水库弃水等。描述天然河流、供水路线、污水渠道和水库弃水等。模拟规则分为基本规则，概化规则和运行规则。模拟规则分为基本规则，概化规则和运行规则。基于这些概念实体和相应的规则建立模拟模型。基于这些概念实体和相应的规则建立模拟模型。中国水利水电科学研究院水资源所二二. .集总式水资源配置模型集总式水资源配置模型ROWAS模型模型模块功能模块功能 ：非常规水源利用非常规水源利用本地地表水和河网水利用本地地表水和河网水利用浅层地下水利用浅层地下水利用深层地下水利用深层地下水利用地表供水计算地表供水计算耗水、污水退水计算及处理回用计算耗水、污水退水计算及处理回用计算外调水利用外调水利用水汇水量统计水汇水量统计中国水利水电科学研究院水资源所中国水利水电科学研究院水资源所三三. .分布式水文模型与集总式水资源配置模型的耦合分布式水文模型与集总式水资源配置模型的耦合耦合耦合核心核心: :水文模型为配置模型提供径流性资源量（节点入流和面上径流）和水文模型为配置模型提供径流性资源量（节点入流和面上径流）和地下水储水及蓄变状况（补给量和排泄量），经过处理给出适合配地下水储水及蓄变状况（补给量和排泄量），经过处理给出适合配置模型时空尺度的输入过程，在配置模拟完成后反馈给水文模型的置模型时空尺度的输入过程，在配置模拟完成后反馈给水文模型的调蓄工程。调蓄工程。配置模型以配置模型以WEPWEP模型的长时段水文过程为输入，在时间和空间尺度上模型的长时段水文过程为输入，在时间和空间尺度上合理展布结果，再作为指导合理展布结果，再作为指导WEPWEP模型中的水库调度过程和水量供给分模型中的水库调度过程和水量供给分配的依据配的依据. . 中国水利水电科学研究院水资源所三三. .分布式水文模型与集总式水资源配置模型的耦合分布式水文模型与集总式水资源配置模型的耦合技术路线：技术路线：1.1.将天然水循环的观测数据（水文、气象、土壤和地下水监测数据）作将天然水循环的观测数据（水文、气象、土壤和地下水监测数据）作为水循环模拟的输入用为水循环模拟的输入用WEPWEP模型进行模拟计算，采用水文站等观测数据模型进行模拟计算，采用水文站等观测数据进行模型验证（下游站与还原数据对比），最后输出计算单元上的地进行模型验证（下游站与还原数据对比），最后输出计算单元上的地表水资源量、地下水可利用量。表水资源量、地下水可利用量。2.2.将将WEPWEP模型的水资源量作为模型的水资源量作为ROWASROWAS模型的输入，这时需要时间和空间上模型的输入，这时需要时间和空间上的尺度转化。即将的尺度转化。即将WEPWEP里子流域等高带的计算单元的结果积分到里子流域等高带的计算单元的结果积分到ROWASROWAS的三级区套地市的单元上，从而得到的三级区套地市的单元上，从而得到ROWASROWAS模型资源量的输入。模型资源量的输入。3.3.建立建立ROWASROWAS模型来模拟水资源配置，得到人工取用水过程，如水库蓄放模型来模拟水资源配置，得到人工取用水过程，如水库蓄放过程，河道取水过程等等。过程，河道取水过程等等。4.4.将人工取用水过程进行空间和时间尺度的转换，这个转换过程为分离将人工取用水过程进行空间和时间尺度的转换，这个转换过程为分离5.5. 过程，为过程，为WEPWEP模型的输入做准备。模型的输入做准备。6.6.5. 5. 采用采用WEPWEP模型进行有人工取用水过程的二元水循环模拟。模型进行有人工取用水过程的二元水循环模拟。中国水利水电科学研究院水资源所三三. .分布式水文模型与集总式水资源配置模型的耦合分布式水文模型与集总式水资源配置模型的耦合耦耦合合流流程程图图中国水利水电科学研究院水资源所四四. .耦合在伊洛河流域的应用耦合在伊洛河流域的应用流域状况流域状况伊洛河流域位于东经伊洛河流域位于东经1091711310,北纬北纬33393454之间，流域自之间，流域自西向东流经陕西、河南两省五地（市）西向东流经陕西、河南两省五地（市）24个县，流域面积个县，流域面积18,881 km2，它是黄河三门峡以下最大的支流。伊洛河流域共有水文站它是黄河三门峡以下最大的支流。伊洛河流域共有水文站14个，雨量站个，雨量站129个，其中气象站个，其中气象站1个。个。中国水利水电科学研究院水资源所四四. .耦合在伊洛河流域的应用耦合在伊洛河流域的应用流域状况流域状况中国水利水电科学研究院水资源所四四. .耦合在伊洛河流域的应用耦合在伊洛河流域的应用应用应用WEPWEP模型模型计算单元：计算单元：流域划分具有空间拓扑关系的流域划分具有空间拓扑关系的226226个子流域，个子流域，11491149个子流域等个子流域等高带单元。高带单元。模型的模拟与验证：模型的模拟与验证：采用采用1956-20001956-2000年年4545年的长系列水文气象资料进行模年的长系列水文气象资料进行模拟计算，并用伊洛河流域把口站黑石关水文站的流量观测数据进行模型拟计算，并用伊洛河流域把口站黑石关水文站的流量观测数据进行模型验证。验证。中国水利水电科学研究院水资源所黑石关站黑石关站中国水利水电科学研究院水资源所四四. .耦合在伊洛河流域的应用耦合在伊洛河流域的应用WEP模型验证模型验证黑石关站逐年天然年径流过程校验图 中国水利水电科学研究院水资源所四四. .耦合在伊洛河流域的应用耦合在伊洛河流域的应用WEP模型验证模型验证从以上校验结果来看，从以上校验结果来看，19562000年黑石关站多年平均天然径流量的相对年黑石关站多年平均天然径流量的相对偏差为偏差为-1.9-1.9，模型，模型NashNash效率系数为效率系数为0.860.86，模拟结果合理可行，且逐月过，模拟结果合理可行，且逐月过程拟合的也较好。程拟合的也较好。1956-2000年年水文站水文站还原径流量原径流量年均年均值亿m m3 3计算径流量算径流量年均年均值亿m m3 3相相对偏差偏差月径流月径流过程程NashNash效率系数效率系数黑石关（伊洛河）黑石关（伊洛河）31.329.4-1.9%0.86天然径流量模拟结果校验表中国水利水电科学研究院水资源所四四. .耦合在伊洛河流域的应用耦合在伊洛河流域的应用应用应用ROWASROWAS模型模型在伊洛河流域，根据流域边界和地市边界将其划分为在伊洛河流域，根据流域边界和地市边界将其划分为6 6个计算单元。个计算单元。伊洛伊洛渭南渭南伊洛伊洛西安西安 伊洛伊洛商洛商洛伊洛伊洛三门三门伊洛伊洛洛阳洛阳伊洛伊洛郑州郑州中国水利水电科学研究院水资源所四四. .耦合在伊洛河流域的应用耦合在伊洛河流域的应用ROWASROWAS模型结果模型结果 单元单元需水需水总和总和供水供水缺水缺水总和总和城镇城镇生活生活农村农村生活生活工业及工业及三产三产农业农业总和总和伊洛郑州伊洛郑州172.18.887.5694.1943.08153.7118.37伊洛洛阳伊洛洛阳1004.2591.859.64386.88465.931004.250伊洛三门伊洛三门94.536.488.2829.2850.4994.530伊洛西安伊洛西安0000000伊洛渭南伊洛渭南7.980.360.127.20.37.980伊洛商洛伊洛商洛41.751.326.127.1927.1141.740总计总计1320.61108.8481.72524.74586.911302.2118.372000水平年下伊洛河流域的供需平衡分析表从表中可以看出，基本实现供需平衡，最大缺水率为从表中可以看出，基本实现供需平衡，最大缺水率为10.7中国水利水电科学研究院水资源所四四. .耦合在伊洛河流域的应用耦合在伊洛河流域的应用ROWASROWAS模型结果模型结果中国水利水电科学研究院水资源所四四. .耦合在伊洛河流域的应用耦合在伊洛河流域的应用空间展布空间展布如何把ROWAS模型模拟的人工取用水过程展展布到WEP模型里的子流域等高带单元上？农业用农业用水空间水空间展布展布工业用工业用水空间水空间展布展布生活用生活用水空间水空间展布展布利用利用WEP模型进行天然人工二元水循环模拟模型进行天然人工二元水循环模拟中国水利水电科学研究院水资源所四四. .耦合在伊洛河流域的应用耦合在伊洛河流域的应用空间展布空间展布农业用水空间展布：农业用水空间展布：根据各类实灌面积，结合土地利用图，并利用灌溉需水量和旬分配根据各类实灌面积，结合土地利用图，并利用灌溉需水量和旬分配系数进行展布。系数进行展布。工业用水空间展布：工业用水空间展布：基于公里网格的工业产值进行展布，年内分配则按照年内均一化处基于公里网格的工业产值进行展布，年内分配则按照年内均一化处理。理。 生活用水空间展布：生活用水空间展布：生活用水分为城镇生活用水和农村生活用水。其展布基于空间化的生活用水分为城镇生活用水和农村生活用水。其展布基于空间化的人口数据，年内分配上，采用年内分配系数作为依据。人口数据，年内分配上，采用年内分配系数作为依据。中国水利水电科学研究院水资源所四四. .耦合在伊洛河流域的应用耦合在伊洛河流域的应用耦合取用水条件下的模型验证耦合取用水条件下的模型验证黑石关站逐年实际年径流过程校验图 中国水利水电科学研究院水资源所四四. .耦合在伊洛河流域的应用耦合在伊洛河流域的应用耦合取用水条件下的模型验证耦合取用水条件下的模型验证 从以上校验结果来看，模型从以上校验结果来看，模型NashNash效率系数为效率系数为0.800.80，虽然人类取用水活动使，虽然人类取用水活动使河川径流过程变得更加复杂，增加了模拟难度，但各项指标及逐月过程比河川径流过程变得更加复杂，增加了模拟难度，但各项指标及逐月过程比较表明，模型的拟合精度仍可接受。较表明，模型的拟合精度仍可接受。实际径流量模拟结果校验表水文站水文站实测径流量年均值亿实测径流量年均值亿m3计算流量年均值亿计算流量年均值亿m3Nash效率效率黑石关黑石关26.6 19.8 0.80 中国水利水电科学研究院水资源所五五. .展望展望1.1.采用采用WEPWEP模型进行模型进行包含包含人工取用水过程的二元水循环模人工取用水过程的二元水循环模拟，能进行流域尺度和不同土地利用类型的水平衡和供用拟，能进行流域尺度和不同土地利用类型的水平衡和供用耗排平衡分析，实现耗排平衡分析，实现区域区域二元水循环系统的完整评价二元水循环系统的完整评价和管和管理层面的决策支撑理层面的决策支撑。2.2.设置不同水平年和不同需水水平的配置方案，进行基于设置不同水平年和不同需水水平的配置方案，进行基于不同配置情景的水循环模拟，针对各级水资源分区进行水不同配置情景的水循环模拟，针对各级水资源分区进行水平衡分析，其结果可表明水循环基础上的区域水资源的演平衡分析，其结果可表明水循环基础上的区域水资源的演变趋势，进而预测整个流域的发展情况。变趋势，进而预测整个流域的发展情况。 中国水利水电科学研究院水资源所韩春苗 E-mail: hancmiwhr.com TEL:010-68785606