淺談水文水資源的模型設計

張洋榕

摘 要：由于水利工程的普遍化和集約化，工程本身造成的環境問題及水土保持問題越來越突出，國家對水利工程的生態和環境提出了越來越高的要求，這就需要對水資源的開發進行科學規劃，文章將對水利工程中水文水資源規劃的模擬模型設計進行探討。

關鍵詞：模型設計；水文水資源；水資源系統

1 模擬模型設計概述

由于水文水資源系統比較復雜，考慮的方面很多，諸如水量和水質；地表水和地下水的聯合調度；地表水庫的聯合調度；本地區和外區水資源的合理調度；各個部門的合理配水；污水處理及其再利用等等。因此在這樣龐大而又復雜的系統中有許多非線性關系和約束條件在最優化模型中無法解決，而模擬模型具有很好的仿真性能，這些問題在模型中就能得到較好的模擬運行，但模擬并不能直接回答規劃中最優解問題，而是給出必要的信息或非劣解集，可能的水供需平衡方案很多，需要決策者來選定。為了使模擬給出的結果接近最優解，往往在模擬中規劃好運行方案，或整體采用模擬模型，而結局采用優化模型。也常常采用這兩種方法的結合，如區域水資源供需分析中的地面水庫調度采用最優化模型，是地表水得到充分的利用。水文水資源系統的模擬與分析，一般需要經過模型建立，調參與檢驗、運行方案的設計等幾個步驟。

2 水資源規劃模型的建立

建立模型是水文水資源系統模擬的前提。建立模型就是要把實際問題概化成一個物理模型，要按照一定的規則建立數學方程來描述有關變量間的定量關系。這一步驟包括有關變量的選擇，以及確定有關變量間的數學關系。模型只是真實事件的一個近似表達，并不是完全真實，因此，模型應盡可能簡單，所選擇的變量應最能反映其特征。以一個簡單的水庫調度為例，其有關變量包括水庫蓄水量，工業用水量、農業用水量、水庫的損失量（蒸發量和水庫滲漏量）以及入庫水量等，用水量平衡原理來建立各變量間的數學關系，并按一定的規則來實現水庫的水調度運行，具體的數學方程如下所示：

Wt=Wt-1+WQt-WIt-WAt-WEQt

式中：Wt，Wt-1—時段末、初的水庫蓄水量，m3；WIt，WAt—時段內水庫供給工業、農業的水量，m3；WEQt—時段內水庫的蒸發、滲漏損失，m3；WQt—時段內水庫水量，m3。

當然要運行這個水庫調度模型，還要有水庫庫容——水位關系曲線，水庫的工程參數和運用規則等，且要把它放到整個水資源系統中去運行。

3 模型的調參

模擬就是利用計算機技術來實現或預演某一系統的運行情況。水文水資源供需平衡分析的動態模擬就是在制定各種運行方案下重現現階段水資源供需狀況和預演今后一段時間水資源供需狀況。但是，按設計方案正式運行模型之前，必須對模型中有關參數進行確定以及對模型進行檢驗來判定該模型的可行性和正確性。

一個數學模型通常含有稱為參數的數學常數，如水文和水文地質參數等，其中有的是通過實測的或實驗求得的，有的則是參考外地憑經驗選取的，有的則是什么資料都沒有。往往采用反求參數的方法取得，而這些參數必須用有關的歷史數據來確定，這就是所謂的調參計算或稱為參數估值。就是對模型實行正運算，先假定參數，算出的結果和實測結果比較，與實測資料吻合就說明所用（或假設的）參數正確。如果一次參數估計值不理想，則可以對有關的參數進行調整，直至達到滿意為止。若參數估計值一直不理想，則必須考慮多模型進行修改。所以參數估值是模型建立的重要一環。

4 模型的檢驗

所建的模型是否正確和符合實際，要經過檢驗。檢驗的一般方法是輸入與求參不同的另外一套的歷史數據，運行模型并輸出結果，看其與系統實際記錄是否吻合，若能夠吻合或吻合較好，反映檢驗的結果具有良好的一致性，說明所建模型具有可行性和正確性，模型的運行結果是可靠的。若和實際資料吻合不好，則要對模型進行修正。

模型與實際吻合好壞的標準，要作具體分析。計算值和實測值在數量上不需要也不可能要求吻合得十分精確。所選擇的比較項目映既能反映系統特性又有完整的記錄，列如有地下水開采地區，可選擇實測的地下水位進行比較，比較時不要拘泥于個別觀測井個別時段的值，根據實際情況，可選擇各分區的平均值進行比較；對高離散型的有關值（如地下水有限元計算結果）可繪制出地下水位等值線圖進行比較。又如，對整個區域而言，可利用地面徑流水文站的實測水量和流量的數據，進行水量平衡校核。該法在水資源系統分析中用得最多的一種校核方法，可作各個方面的水量平衡校核，這里不再一一敘述。

在模型檢驗中，當計算結果和實際不符時，就要對模型進行修正。若發現模型對輸入沒有響應，比如地下水模型在不同開采的輸入條件下，所計算的地下水位沒有什么變化，則說明模型不能反映系統的特性，應從模型的結構是否正確，邊界條件處理是否得當等方面去分析并加以相應的修正，有時則要重新建模。如果模型對輸入有所響應，但是計算值偏離實測值太大，這時也可以從輸入量和實際值兩方面進行檢查和分析，總之，檢驗模型和修正模型是很重要也是和細致的工作。

5 模型運行方案的設計

在模擬分析方法中，決策者希望模擬結果能盡量接近最優解，同時，還希望能得到不同方案的有關信息，如高、低指標方案，不同開源節流方案的計算結果，等等。所以，就要進行不同的方案設計時，應考慮以下幾個方面：（1）模型中所采用的水文系列，即可用一次歷史系列，也可用歷史資料循環系列；（2）開源工程的不同方案和開發次序。例如，是擴大地下水源還是地面水源；是開發本區水資源還是區外水資源；不同階段水源工程的規模等，都要根據專題研究報告進行方案設計；（3）不同用水部門的配水或不同的小區的配水方案的選擇；（4）不同節流方案、不同經濟發展速度和用水指標的選擇。

在方案設計中要根據需要和可能，主觀和客觀等條件，排除一些明顯不合理的方案，選擇一些合理的可行性方案進行運行計算。

摘 要：由于水利工程的普遍化和集約化，工程本身造成的環境問題及水土保持問題越來越突出，國家對水利工程的生態和環境提出了越來越高的要求，這就需要對水資源的開發進行科學規劃，文章將對水利工程中水文水資源規劃的模擬模型設計進行探討。

關鍵詞：模型設計；水文水資源；水資源系統

1 模擬模型設計概述

由于水文水資源系統比較復雜，考慮的方面很多，諸如水量和水質；地表水和地下水的聯合調度；地表水庫的聯合調度；本地區和外區水資源的合理調度；各個部門的合理配水；污水處理及其再利用等等。因此在這樣龐大而又復雜的系統中有許多非線性關系和約束條件在最優化模型中無法解決，而模擬模型具有很好的仿真性能，這些問題在模型中就能得到較好的模擬運行，但模擬并不能直接回答規劃中最優解問題，而是給出必要的信息或非劣解集，可能的水供需平衡方案很多，需要決策者來選定。為了使模擬給出的結果接近最優解，往往在模擬中規劃好運行方案，或整體采用模擬模型，而結局采用優化模型。也常常采用這兩種方法的結合，如區域水資源供需分析中的地面水庫調度采用最優化模型，是地表水得到充分的利用。水文水資源系統的模擬與分析，一般需要經過模型建立，調參與檢驗、運行方案的設計等幾個步驟。

2 水資源規劃模型的建立

建立模型是水文水資源系統模擬的前提。建立模型就是要把實際問題概化成一個物理模型，要按照一定的規則建立數學方程來描述有關變量間的定量關系。這一步驟包括有關變量的選擇，以及確定有關變量間的數學關系。模型只是真實事件的一個近似表達，并不是完全真實，因此，模型應盡可能簡單，所選擇的變量應最能反映其特征。以一個簡單的水庫調度為例，其有關變量包括水庫蓄水量，工業用水量、農業用水量、水庫的損失量（蒸發量和水庫滲漏量）以及入庫水量等，用水量平衡原理來建立各變量間的數學關系，并按一定的規則來實現水庫的水調度運行，具體的數學方程如下所示：

Wt=Wt-1+WQt-WIt-WAt-WEQt

式中：Wt，Wt-1—時段末、初的水庫蓄水量，m3；WIt，WAt—時段內水庫供給工業、農業的水量，m3；WEQt—時段內水庫的蒸發、滲漏損失，m3；WQt—時段內水庫水量，m3。

當然要運行這個水庫調度模型，還要有水庫庫容——水位關系曲線，水庫的工程參數和運用規則等，且要把它放到整個水資源系統中去運行。

3 模型的調參

模擬就是利用計算機技術來實現或預演某一系統的運行情況。水文水資源供需平衡分析的動態模擬就是在制定各種運行方案下重現現階段水資源供需狀況和預演今后一段時間水資源供需狀況。但是，按設計方案正式運行模型之前，必須對模型中有關參數進行確定以及對模型進行檢驗來判定該模型的可行性和正確性。

一個數學模型通常含有稱為參數的數學常數，如水文和水文地質參數等，其中有的是通過實測的或實驗求得的，有的則是參考外地憑經驗選取的，有的則是什么資料都沒有。往往采用反求參數的方法取得，而這些參數必須用有關的歷史數據來確定，這就是所謂的調參計算或稱為參數估值。就是對模型實行正運算，先假定參數，算出的結果和實測結果比較，與實測資料吻合就說明所用（或假設的）參數正確。如果一次參數估計值不理想，則可以對有關的參數進行調整，直至達到滿意為止。若參數估計值一直不理想，則必須考慮多模型進行修改。所以參數估值是模型建立的重要一環。

4 模型的檢驗

所建的模型是否正確和符合實際，要經過檢驗。檢驗的一般方法是輸入與求參不同的另外一套的歷史數據，運行模型并輸出結果，看其與系統實際記錄是否吻合，若能夠吻合或吻合較好，反映檢驗的結果具有良好的一致性，說明所建模型具有可行性和正確性，模型的運行結果是可靠的。若和實際資料吻合不好，則要對模型進行修正。

模型與實際吻合好壞的標準，要作具體分析。計算值和實測值在數量上不需要也不可能要求吻合得十分精確。所選擇的比較項目映既能反映系統特性又有完整的記錄，列如有地下水開采地區，可選擇實測的地下水位進行比較，比較時不要拘泥于個別觀測井個別時段的值，根據實際情況，可選擇各分區的平均值進行比較；對高離散型的有關值（如地下水有限元計算結果）可繪制出地下水位等值線圖進行比較。又如，對整個區域而言，可利用地面徑流水文站的實測水量和流量的數據，進行水量平衡校核。該法在水資源系統分析中用得最多的一種校核方法，可作各個方面的水量平衡校核，這里不再一一敘述。

在模型檢驗中，當計算結果和實際不符時，就要對模型進行修正。若發現模型對輸入沒有響應，比如地下水模型在不同開采的輸入條件下，所計算的地下水位沒有什么變化，則說明模型不能反映系統的特性，應從模型的結構是否正確，邊界條件處理是否得當等方面去分析并加以相應的修正，有時則要重新建模。如果模型對輸入有所響應，但是計算值偏離實測值太大，這時也可以從輸入量和實際值兩方面進行檢查和分析，總之，檢驗模型和修正模型是很重要也是和細致的工作。

5 模型運行方案的設計

在模擬分析方法中，決策者希望模擬結果能盡量接近最優解，同時，還希望能得到不同方案的有關信息，如高、低指標方案，不同開源節流方案的計算結果，等等。所以，就要進行不同的方案設計時，應考慮以下幾個方面：（1）模型中所采用的水文系列，即可用一次歷史系列，也可用歷史資料循環系列；（2）開源工程的不同方案和開發次序。例如，是擴大地下水源還是地面水源；是開發本區水資源還是區外水資源；不同階段水源工程的規模等，都要根據專題研究報告進行方案設計；（3）不同用水部門的配水或不同的小區的配水方案的選擇；（4）不同節流方案、不同經濟發展速度和用水指標的選擇。

在方案設計中要根據需要和可能，主觀和客觀等條件，排除一些明顯不合理的方案，選擇一些合理的可行性方案進行運行計算。

摘 要：由于水利工程的普遍化和集約化，工程本身造成的環境問題及水土保持問題越來越突出，國家對水利工程的生態和環境提出了越來越高的要求，這就需要對水資源的開發進行科學規劃，文章將對水利工程中水文水資源規劃的模擬模型設計進行探討。

關鍵詞：模型設計；水文水資源；水資源系統

1 模擬模型設計概述

由于水文水資源系統比較復雜，考慮的方面很多，諸如水量和水質；地表水和地下水的聯合調度；地表水庫的聯合調度；本地區和外區水資源的合理調度；各個部門的合理配水；污水處理及其再利用等等。因此在這樣龐大而又復雜的系統中有許多非線性關系和約束條件在最優化模型中無法解決，而模擬模型具有很好的仿真性能，這些問題在模型中就能得到較好的模擬運行，但模擬并不能直接回答規劃中最優解問題，而是給出必要的信息或非劣解集，可能的水供需平衡方案很多，需要決策者來選定。為了使模擬給出的結果接近最優解，往往在模擬中規劃好運行方案，或整體采用模擬模型，而結局采用優化模型。也常常采用這兩種方法的結合，如區域水資源供需分析中的地面水庫調度采用最優化模型，是地表水得到充分的利用。水文水資源系統的模擬與分析，一般需要經過模型建立，調參與檢驗、運行方案的設計等幾個步驟。

2 水資源規劃模型的建立

建立模型是水文水資源系統模擬的前提。建立模型就是要把實際問題概化成一個物理模型，要按照一定的規則建立數學方程來描述有關變量間的定量關系。這一步驟包括有關變量的選擇，以及確定有關變量間的數學關系。模型只是真實事件的一個近似表達，并不是完全真實，因此，模型應盡可能簡單，所選擇的變量應最能反映其特征。以一個簡單的水庫調度為例，其有關變量包括水庫蓄水量，工業用水量、農業用水量、水庫的損失量（蒸發量和水庫滲漏量）以及入庫水量等，用水量平衡原理來建立各變量間的數學關系，并按一定的規則來實現水庫的水調度運行，具體的數學方程如下所示：

Wt=Wt-1+WQt-WIt-WAt-WEQt

式中：Wt，Wt-1—時段末、初的水庫蓄水量，m3；WIt，WAt—時段內水庫供給工業、農業的水量，m3；WEQt—時段內水庫的蒸發、滲漏損失，m3；WQt—時段內水庫水量，m3。

當然要運行這個水庫調度模型，還要有水庫庫容——水位關系曲線，水庫的工程參數和運用規則等，且要把它放到整個水資源系統中去運行。

3 模型的調參

模擬就是利用計算機技術來實現或預演某一系統的運行情況。水文水資源供需平衡分析的動態模擬就是在制定各種運行方案下重現現階段水資源供需狀況和預演今后一段時間水資源供需狀況。但是，按設計方案正式運行模型之前，必須對模型中有關參數進行確定以及對模型進行檢驗來判定該模型的可行性和正確性。

一個數學模型通常含有稱為參數的數學常數，如水文和水文地質參數等，其中有的是通過實測的或實驗求得的，有的則是參考外地憑經驗選取的，有的則是什么資料都沒有。往往采用反求參數的方法取得，而這些參數必須用有關的歷史數據來確定，這就是所謂的調參計算或稱為參數估值。就是對模型實行正運算，先假定參數，算出的結果和實測結果比較，與實測資料吻合就說明所用（或假設的）參數正確。如果一次參數估計值不理想，則可以對有關的參數進行調整，直至達到滿意為止。若參數估計值一直不理想，則必須考慮多模型進行修改。所以參數估值是模型建立的重要一環。

4 模型的檢驗

所建的模型是否正確和符合實際，要經過檢驗。檢驗的一般方法是輸入與求參不同的另外一套的歷史數據，運行模型并輸出結果，看其與系統實際記錄是否吻合，若能夠吻合或吻合較好，反映檢驗的結果具有良好的一致性，說明所建模型具有可行性和正確性，模型的運行結果是可靠的。若和實際資料吻合不好，則要對模型進行修正。

模型與實際吻合好壞的標準，要作具體分析。計算值和實測值在數量上不需要也不可能要求吻合得十分精確。所選擇的比較項目映既能反映系統特性又有完整的記錄，列如有地下水開采地區，可選擇實測的地下水位進行比較，比較時不要拘泥于個別觀測井個別時段的值，根據實際情況，可選擇各分區的平均值進行比較；對高離散型的有關值（如地下水有限元計算結果）可繪制出地下水位等值線圖進行比較。又如，對整個區域而言，可利用地面徑流水文站的實測水量和流量的數據，進行水量平衡校核。該法在水資源系統分析中用得最多的一種校核方法，可作各個方面的水量平衡校核，這里不再一一敘述。

在模型檢驗中，當計算結果和實際不符時，就要對模型進行修正。若發現模型對輸入沒有響應，比如地下水模型在不同開采的輸入條件下，所計算的地下水位沒有什么變化，則說明模型不能反映系統的特性，應從模型的結構是否正確，邊界條件處理是否得當等方面去分析并加以相應的修正，有時則要重新建模。如果模型對輸入有所響應，但是計算值偏離實測值太大，這時也可以從輸入量和實際值兩方面進行檢查和分析，總之，檢驗模型和修正模型是很重要也是和細致的工作。

5 模型運行方案的設計

在模擬分析方法中，決策者希望模擬結果能盡量接近最優解，同時，還希望能得到不同方案的有關信息，如高、低指標方案，不同開源節流方案的計算結果，等等。所以，就要進行不同的方案設計時，應考慮以下幾個方面：（1）模型中所采用的水文系列，即可用一次歷史系列，也可用歷史資料循環系列；（2）開源工程的不同方案和開發次序。例如，是擴大地下水源還是地面水源；是開發本區水資源還是區外水資源；不同階段水源工程的規模等，都要根據專題研究報告進行方案設計；（3）不同用水部門的配水或不同的小區的配水方案的選擇；（4）不同節流方案、不同經濟發展速度和用水指標的選擇。

在方案設計中要根據需要和可能，主觀和客觀等條件，排除一些明顯不合理的方案，選擇一些合理的可行性方案進行運行計算。