韩春苗-分布式水文模型与集总式水资源调配模型的耦合

1、中国水利水电科学研究院水资源所分布式水文模型与集总式水资源配置模型的耦合韩春苗中国水利水电科学研究院水资源所2006.9.24汇报大纲引言一、分布式水文模型WEP模型二、集总式水资源配置模型ROWAS模型三、WEP模型与ROWAS模型的耦合过程四、耦合在伊洛河流域的应用五、展望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处理，从而构建完整合理的二元水循环模型框架。一.分布式水文

2、模型WEP模型WEP (Water and Energy transfer Processes)模型是一种分布式水文模型。该模型由贾仰文等人在1995年至2002年间开发研制，并于2002年10月获日本国著作权登录。WEP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黄河973项目中得以验证和应用。WEP模型运行程序可从互联网上下载： :/pwri.go.jp/team/suiri/yata-r/index_e.html一.分布式水文模型WEP模型WEP模型是基于物理机制的分布式水文模型，模拟对象包括天然的“坡面河道”主循环过程和以“取水输水用水排水回归”为人工侧支循

3、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力联系来实现。流入单元内的铅直方向结构图一.分布式水文模型WEP模型一.分布式水文模型WEP模型模型平面结构图基本计算单元划分示例(黄河一级支流伊洛河流域)WEP模型是根据1km的DEM图生成模拟河网，用改进的Pfafstetter规则进行子流域划分与编码；再将子流域用10级等高带来划分，最后得到子流域等高带计算单元。时间计算步长为小时或日。一.分布式水文模型WEP模型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

4、水城市供水污水处理模型的主要模块一.分布式水文模型WEP模型模型主要功能: 河川径流预报 动态水资源评价 地下水位预测 山区积雪分布预测 土壤水分预测 河网水系洪水演算 洪水泛滥数值计算 河道水质模拟计算 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一.分布式水文模型WEP模型二.集总式水资源配置模型ROWAS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,能够描述水资源系统基本元素和他们之间相互关系。ROWAS模型具有以下特点：模型框架基于水

5、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。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。提供先进的程序和友好的界面，能够快速计算和便利操作。二.集总式水资源配置模型ROWAS模型水资源系统概化过程：选取并提炼模拟过程需要考虑的实体类别。对选出的实体做抽象，分类和整合。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。点-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。线-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。基于这些概念实体和相应的规则建立模拟模型。二.集总式水资

6、源配置模型ROWAS模型模块功能 ：非常规水源利用本地地表水和河网水利用浅层地下水利用深层地下水利用地表供水计算耗水、污水退水计算及处理回用计算外调水利用水汇水量统计三.分布式水文模型与集总式水资源配置模型的耦合耦合核心: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调蓄工程。配置模型以WEP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WEP模型中的水库调度过程和水量供给分配的依据. 三.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：将

7、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WEP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表水资源量、地下水可利用量。将WEP模型的水资源量作为ROWAS模型的输入，这时需要时间和空间上的尺度转化。即将WEP里子流域等高带的计算单元的结果积分到ROWAS的三级区套地市的单元上，从而得到ROWAS模型资源量的输入。建立ROWAS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。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 过程，为WEP模型的输入做准备。5. 采用

8、WEP模型进行有人工取用水过程的二元水循环模拟。三.分布式水文模型与集总式水资源配置模型的耦合耦合流程图四.耦合在伊洛河流域的应用流域状况伊洛河流域位于东经1091711310,北纬33393454之间，流域自西向东流经陕西、河南两省五地（市）24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14个，雨量站129个，其中气象站1个。四.耦合在伊洛河流域的应用流域状况四.耦合在伊洛河流域的应用应用WEP模型计算单元：流域划分具有空间拓扑关系的226个子流域，1149个子流域等高带单元。模型的模拟与验证：采用1956-2000年45年的长系列水文气象资料进行

9、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验证。黑石关站四.耦合在伊洛河流域的应用WEP模型验证黑石关站逐年天然年径流过程校验图 四.耦合在伊洛河流域的应用WEP模型验证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偏差为-1.9，模型Nash效率系数为0.86，模拟结果合理可行，且逐月过程拟合的也较好。1956-2000年水文站还原径流量年均值亿m3计算径流量年均值亿m3相对偏差月径流过程Nash效率系数黑石关（伊洛河）31.329.4-1.9%0.86天然径流量模拟结果校验表四.耦合在伊洛河流域的应用应用ROWAS模型在伊洛河流域，根据流域边界

10、和地市边界将其划分为6个计算单元。伊洛渭南伊洛西安 伊洛商洛伊洛三门伊洛洛阳伊洛郑州四.耦合在伊洛河流域的应用ROWAS模型结果 单元需水总和供水缺水总和城镇生活农村生活工业及三产农业总和伊洛郑州172.18.887.5694.1943.08153.7118.37伊洛洛阳1004.2591.859.64386.88465.931004.250伊洛三门94.536.488.2829.2850.4994.530伊洛西安0000000伊洛渭南7.980.360.127.20.37.980伊洛商洛41.751.326.127.1927.1141.740总计1320.61108.8481.72524.7

11、4586.911302.2118.372000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10.7四.耦合在伊洛河流域的应用ROWAS模型结果四.耦合在伊洛河流域的应用空间展布如何把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？农业用水空间展布工业用水空间展布生活用水空间展布利用WEP模型进行天然人工二元水循环模拟四.耦合在伊洛河流域的应用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系数进行展布。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理。 生活用水空间

12、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人口数据，年内分配上，采用年内分配系数作为依据。四.耦合在伊洛河流域的应用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 四.耦合在伊洛河流域的应用耦合取用水条件下的模型验证 从以上校验结果来看，模型Nash效率系数为0.80，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实测径流量年均值亿m3计算流量年均值亿m3Nash效率黑石关26.6 19.8 0.80 五.展望1.采用WEP模型进行包含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