六、現代水資源規劃與管理的技術支撐（流域水循環模擬）

　　現代水資源管理的核心是：“遵循水循環的自然規律”。要求我們首先進行水循環的模擬，即建立水文模型。

　　1、水文模型

　　依反映水流運動空間變化能力而言，水文模型可分為兩類：集總式模型（Lumped model）和分布式模型（distributed model）。

　　集總式水文模型是忽略了流域特征參數在空間上的變化，把全流域作為一個整體而建立模型。傳統流域水文模型大多數是集總式概念模型，這種往往忽略流域下墊面（如地形、土壤、植被覆蓋）的空間變異性（或稱空間異質性），幾乎不考慮氣象因素（如降水、氣溫、太陽輻射）的空間分布對流域水循環的影響，把流域作為一個整體而建立模型。

　　相對于集總式模型而言，分布式模型最突出的特點是考慮了地球表層系統空間要素組成上的異質性。即分布式模型按流域各處土壤、植被、土地利用和降水不同，將流域劃分若干個水文模擬單元，在每個單元上以一組參數表示該部分流域的自然地理特征，然后通過徑流演算得到全流域的總輸出。

　　20世紀70、80年代由于受計算條件、數據觀測以及數據收集手段的限制，分布式模型發展比較緩慢，遠遠落后于集總式模型。進入90年代后，隨著計算機技術、GIS技術、RS技術、GPS技術（統稱3S技術）的普及和發展。獲取和描述流域下墊面空間分布信息技術日臻完善，流域水文模擬發生了巨大的變革，分布式水文模型顯現出強大的生命力，取得長足進展，出現了分布式水文模型百花齊放的局面。而集總式水文模型由于自身的局限性，幾乎處于停滯狀態。

　　此時分布式水文模型一個顯著的特點是和DEM（數字地形模型）相結合。這些模型大多是基于DEM的﹡﹡﹡分布式水文模型。

　　2、分布式水文模擬的技術支撐

　　分布式水文模型的發展是和計算機以及信息技術的發展分不開的。分布式模型涉及大量的空間信息，對這些空間信息的加工處理已經成為分布式模型不可分割的一部分。空間信息的可靠性、信息的獲取以及加工好處理水平直接關系到分布式水文模型的效率好精度。

　　（1）GIS與分布式水文模型。

　　地理信息技術（GIS）是管理和分析地理空間數據的有效工具，其技術經過半個世紀的發展已日趨成熟。GIS在分布式水文模型的技術支撐包括三個方面：一是地理空間數據管理（包括氣象、水文測站、流域邊界及水系、水庫、湖泊、流域地貌、公路鐵路及等高線、行政區界、土地利用、植被覆蓋、土壤類型等）；二是空間分析與流域水文參數化（分布式水文模擬要求在每一個計算單元上都對應一套輸入好參數集，也就是必須對點、線、面柵格等數據按流域空間離散方式進行參數化。GIS的空間分析功能為這項繁雜的工作帶來了可能與方便。三是可視化功能，GIS的空間可視化能力很強，為分布式水文模型模擬水循環的計算結果用圖形、圖像顯示提供了方便。

　　（2）RS與分布式水文模型。

　　遙感（Remote Sensing ，RS）是20世紀60年代隨著空間科學、近代物理學和計算機科學的發展而誕生的一門綜合性探索技術。作為一種新的信息源在水資源研究中顯示出得天獨厚的優勢。例如：水文氣象方面的遙感目前有降水遙感、蒸發遙感、土壤水遙感、積雪遙感、地下水遙感等；地表特征遙感有地貌形態、植被類型、土壤類型等。

　　綜上所述，現代水資源的技術支撐主要包括：分布式水文模型、計算機技術、GIS、RS等近代科學技術。

　　七、SWAT模型

　　簡要介紹SWAT模型

　　SWAT（Soil and Water Assessment Tool） 模型是一個開放式的典型分布式水文模型。

　　一般用于模擬地表水、地下水水質和水量，預測土地管理措施對不同土壤類型、土地利用方式、和管理條件大尺度復雜流域水文、泥沙及農業化學物質的影響。

　　主要用來預測人類活動對水、沙、農業、化學物質的長期影響，可以模擬流域內多種不同水循環物理過程。考慮到流域下墊面好氣候因素具有時空變異性，SWAT通常將研究流域細分成若干個自流域，并將每個自流域劃分成若干個水文響應單元（Hydrologcial Response Unit HRU）。

　　流域水文過程模擬分為兩大類：水循環陸面部分（產流和坡面匯流部分），它控制流域內主河道水、沙、營養物質和化學物質等輸入量）；水循環水面部分（河網匯流），它決定水、沙等物質從河網向流域出口的輸移過程。

　　1、水循環陸面部分：每個HRU內單獨計算徑流量，然后演算到流域的總徑流量。在此它考慮到氣候、水文和植被覆蓋等。

　　（1）氣候因素：日降水量、最高最低氣溫、平均風速、相對濕度、太陽輻射。

　　（2）水文因素：冠層截留（葉面指數LAI）、下滲（下滲量等于降水量與地表徑流之差）、土壤水的重新分配、蒸騰蒸發（ET）、壤中流、地表徑流、池塘、支流河道、輸移損失、地下徑流（地下水分為兩層淺層、深層）。

　　（3）植被覆蓋因素：利用一個單一植物生長模型模擬所有類型的植被覆蓋。能區分一年生和多年生植物，被用來判定根系區水和營養物質的移動、蒸騰、生物量或產量。

　　（4）水土流失：修正的USLE模型模擬每個HRU水土流失和泥沙的產生。

　　（5）營養物質：模擬幾種不同形式的氮、磷的運動與轉換。可以通過地表徑流好壤中流進入主河道、地下水，并傳輸到下游河段。

　　（6）殺蟲劑

　　（7）管理：可以定義每個HRU農業管理措施，生長季節起止時間、肥料、殺蟲劑、灌溉的時間及定額。可以每年變換不同的管理措施。

　　2、水循環的水面部分：

　　（1）主河道匯流：演算分四部分：水、泥沙、營養物質、有機化學物質。向下游演進，其中一部分被蒸發和通過河床流失，另一部分被人類取用。補充來源為降水和電源輸入。

　　（2）水庫匯流演算：入流、出流、降水、蒸發和滲漏。出流有三種方法：a. 需要輸入實測出流數據；b. 小水庫無數據可以規定一個流量；c. 大水庫需要一個月控制目標。

　　3、SWAT主要子模型：水文過程模型、土壤侵蝕模型、污染負荷模型。

　　開發建立流域（區域）SWAT模型必要的技術條件：

　　要有一個專業齊全的技術開發小組：該小組人員應具備：了解SWAT模型的原理及計算程序、熟悉使用手冊、GIS知識（能解譯分析DEM）、遙感知識（能解譯分析土壤、土地利用及ET遙感圖）、水文氣象、土壤、土地利用、環境、農學及農作物管理（尤其灌溉知識）、建模的綜合能力等。

　　模型所需要的基本資料，并對資料有分析判斷能力。

　　建模過程：

　　1、首先對研究的流域（區域）的水文過程有一個概況的了解和判斷，并在頭腦中勾畫出模型的藍圖。

　　2、確定模型有哪些主要水文過程，這些過程選用什么方程進行計算或描述。

　　3、根據資料及要求對研究區域進行概化，即進行子流域和HRU的劃分。

　　4、參數率定

　　5、進行現狀模擬及情景分析

　　介紹SWAT模型中的幾個模塊

　　（1）天氣發生器：

　　模型設置了天氣發生器，以便于模擬隨機生成氣象數據（包括日降水、太陽輻射、溫度、相對濕度、風速），在氣象系列資料短缺的情況下，可以起到延伸資料的作用。）

　　（2）：水資源管理模塊：

　　主要包括灌溉、排水、洼地蓄水、調水、消耗性用水、點源等。

　　（2）城市模塊：

　　SWAT模型有一個專門模擬城市區域降雨、產流、入滲、ET及城市街道清掃與不清掃不同情況排入河道的面源污染的模塊。

　　城市ET問題：降雨時期，可根據城市樓房密度及透水地面分布選擇不同參數可以計算徑流及雨天的ET.非降雨時期如果我們知道城市每天自來水的供應量，又能監測出城市排水量，那損失部分的水可認為主要為ET（這個ET包含了生物ET及化學能的ET）的量）。

　　（3）點源：

　　SWAT模型在模擬面源污染是相當強的。但是它還設置了點源（SWAT模型將會在點源文件中讀取水、沉淀物、有機物氮、有機物磷、硝酸鹽、可溶解磷、銨、亞硝酸鹽和細菌等），并允許在河網任何一點進行加入，這為模擬點源污染帶來極大的方便。點源另一個主要的用途是可以用于調水。

　　（4）水質：除了泥沙，營養物和殺蟲劑，SWAT還可以計算隨著地表徑流進入主河道的藻類總量，溶解氧量和碳生化需氧量（CBOD）。計算這三個參數需要監測河流水質。

　　（5）調水：

　　模型允許不同水體之間的相互調水。這一操作是靠文件中的調度命令來實現的。

　　調度命令可以將流域中任何一個水庫（或河段）的水調往其他的水庫（或河段）。用戶需要輸入水源的類型、水源的地點、接收調入水水體的類型、接收調入水水體的地點和調水量。

　　（5）農業管理：

　　可以模擬近100種作物的種植與收獲、灌溉（自動灌溉、定額灌溉）、施肥（自動施肥、定量施肥）、管理措施（如：鋤地控制農作物的棵間蒸發，參數esco 土壤蒸發補償系數）、ET及產量。

　　SWAT模型模擬尺度及精度問題

　　這是一個相當專業的問題，在這里暫且不想涉及過多的理論。關鍵是我們利用SWAT模型需要解決什么問題？達到什么目的？從而確定選擇什么精度的DEM及遙感土壤、遙感的土地利用等。在DEM、遙感土壤和土地利用精度一樣的情況下，選取恰當的閾值劃分子流域，進而劃分HRU即可。在GIS、RS一定精度的情況下，并不是劃分計算單元越多就越精確。

　　值得指出的是：在SWAT模型中農作物的灌溉對ET影響非常大，在模擬現狀時一定重視現狀土地種植（華北地區尤其是小麥、玉米、棉花）情況及灌溉（灌溉面積、定額，取水來源，即地表水還是地下水）情況。

　　SWAT模型是流域（區域）進行現代水資源規劃與管理的有力工具

　　SWAT模型不僅是進行現代水資源規劃的一個強有力的工具，同時也是一個進行水資源管理的有效工具。當一個特定的流域或區域SWAT模型建立之后，SWAT模型可以根據輸入的氣象數據跟蹤模擬水循環的過程，以指導我們進行水量的分配與使用，指導我們關注的水環境變化情況。

　　簡單歸納一下SWAT模型的優點：

　　1、開放性：允許使用者關注并改進自己感興趣的領域。

　　2、模型概念清楚，河流提取劃分子流域符合流域特征，HRU的劃分又進一步體現流域空間的異質性。

　　3、水循環的完整性，并充分關注人類采取各種措施對水循環的影響。所采用的計算公式均是公認的。

　　4、水量水質一起模擬，尤其是可以模擬難以監測的面源污染，是該模型一大特色。

　　八、后記

　　由于參加世行GEF項目，世行在水資源管理上許多新的理念（ET、水權等）促使我思考了有關水資源方面的一些問題，文中提出的“現代水資源定義”、“現代水資源管理的核心”均是作者在參與課題過程中，閱讀GEF項目歷次檢查團國際專家技援報告的體會得出的。在此公布出來，以其得到拋磚引玉效果。

　　本文編寫過程中，主要參考了左其亭 王中根所著《現代水文學（第二版）》；劉昌明、鄭紅星、王中根等著《流域水循環分布式模擬》。從這兩本經典的著作中得到了許多有益的啟發。（考試大一級建造師編輯整理）