基于水文模型的水資源評(píng)價(jià)研究

耿延博

(遼寧省河庫(kù)管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)， 沈陽(yáng) 110003)

0 引 言

水資源評(píng)價(jià)是水利綜合規(guī)劃、水資源合理配置和科學(xué)管理的前提和依據(jù)，對(duì)流域或區(qū)域水資源安全和水生態(tài)安全具有重要的意義。受全球氣候變暖和人類活動(dòng)對(duì)流域或區(qū)域水資源的影響，水資源面臨的問(wèn)題復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)的水資源評(píng)價(jià)方法存在還原的水資源量失真、水質(zhì)水量評(píng)價(jià)分離、地表水和地下水資源量評(píng)價(jià)分離等一系列問(wèn)題，迫切需要更加科學(xué)的水資源評(píng)價(jià)方法來(lái)滿足當(dāng)前嚴(yán)格水資源管理制度下的需求。基于水文模型的水資源評(píng)價(jià)能夠滿足新形勢(shì)下水資源管理的需求，為無(wú)資料地區(qū)和變化環(huán)境下的水資源評(píng)價(jià)提供了新思路。

傳統(tǒng)的水資源評(píng)價(jià)方法側(cè)重利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，評(píng)價(jià)過(guò)程中主觀經(jīng)驗(yàn)成分大，工作任務(wù)繁重，造成評(píng)價(jià)范圍有限、模式分離化、周期較長(zhǎng)以及某些問(wèn)題的處理方式不精細(xì)。基于水文模型的水資源評(píng)價(jià)在理論方法系統(tǒng)性、評(píng)價(jià)過(guò)程實(shí)用效率性及評(píng)價(jià)成果客觀性等方面體現(xiàn)了極大的優(yōu)勢(shì)，受到國(guó)內(nèi)外水文工作者的青睞。

1 水資源評(píng)價(jià)對(duì)象

傳統(tǒng)水資源評(píng)價(jià)對(duì)象是徑流性水資源，包括地表徑流和地下徑流，屬于狹義的水資源范疇，也就是1995年瑞典科學(xué)家Falekenmark等提出的藍(lán)水，其等于地表水資源量與不重復(fù)的地下水資源量之和。狹義的水資源具有可控性，其水資源量及其時(shí)空變化特征對(duì)人類經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活的影響最為直接，是水資源評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容。但狹義的水資源忽視了占水文循環(huán)60%以上的綠水，局限了水資源的有效性特征[1]。

基于水文模型的水資源評(píng)價(jià)將綠水即蒸散發(fā)也納入到廣義水資源，拓寬了水資源的范疇，更新了水資源的思維[2]。廣義的水資源范疇符合大氣水、地表水、土壤水和地下水轉(zhuǎn)化(即四水轉(zhuǎn)化)機(jī)理和水資源統(tǒng)一調(diào)配的要求，開(kāi)創(chuàng)了水資源評(píng)價(jià)研究工作的新紀(jì)元。基于水文模型的水資源評(píng)價(jià)需要在以流域?yàn)檎w統(tǒng)一單元的基礎(chǔ)上，分析流域內(nèi)藍(lán)水和綠水形成過(guò)程與相互轉(zhuǎn)換機(jī)制，進(jìn)而對(duì)流域廣義水資源量進(jìn)行估算。

2 水資源評(píng)價(jià)模式

水資源評(píng)價(jià)的傳統(tǒng)模式是：在水資源量評(píng)價(jià)中，將地表水資源量和地下水資源量分開(kāi)評(píng)估，此種評(píng)價(jià)模式割裂了水資源各成分間的相互轉(zhuǎn)換，不符合四水轉(zhuǎn)化機(jī)理。此外分別對(duì)水資源數(shù)量和水資源質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，水量和水質(zhì)的分離評(píng)價(jià)無(wú)法反映水質(zhì)對(duì)于水資源有效性的影響。分離評(píng)價(jià)的模式影響評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性，無(wú)法滿足變化環(huán)境下水資源綜合規(guī)劃的需求。

基于水文模型的水資源評(píng)價(jià)可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)水綠水、水質(zhì)水量的同步、同時(shí)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的時(shí)間尺度可靈活選擇，解決了傳統(tǒng)水資源評(píng)價(jià)模式的不足。以分布式水文模型——SWAT模型為例，水量評(píng)價(jià)方面：SWAT模型能夠?qū)V義的水資源范疇進(jìn)行評(píng)價(jià)，廣義的水資源量包括藍(lán)水與綠水資源量的總和，藍(lán)水資源量是深層地下水補(bǔ)給量(DA_RCHG)加上流域產(chǎn)水量(WYLD)，綠水即實(shí)際蒸散發(fā)量(ET)。水質(zhì)評(píng)價(jià)方面：SWAT模型可以得到泥沙產(chǎn)量(SYLD)、有機(jī)態(tài)氮產(chǎn)量(ORGN)、有機(jī)態(tài)磷產(chǎn)量(ORGP)、地表徑流中的NO3(NSURQ)、溶解態(tài)磷產(chǎn)量(SOLP)、礦物態(tài)磷產(chǎn)量(SEDP)等各項(xiàng)評(píng)價(jià)結(jié)果。SWAT模型評(píng)價(jià)時(shí)間尺度可以自由設(shè)定為時(shí)、日、月和年，滿足不同分項(xiàng)的需求，同時(shí)分布式水文模型可以描述水資源空間分布和時(shí)間分布特征。

3 水資源評(píng)價(jià)手段

早期的水資源評(píng)價(jià)采用的是以數(shù)理統(tǒng)計(jì)為主的傳統(tǒng)方法。地表水資源量評(píng)價(jià)通常采用等值線法、代表站法、鄰站模比系列法和降水徑流相關(guān)法等，地下水資源量評(píng)價(jià)是通過(guò)地下水補(bǔ)給項(xiàng)、排泄項(xiàng)建立水量平衡公式，計(jì)算區(qū)域地下水資源量。地表水和地下水水質(zhì)狀況利用單指標(biāo)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，科學(xué)性欠缺。

基于水文模型的水資源評(píng)價(jià)以水量平衡原理為基礎(chǔ)，借助GIS技術(shù)以具有物理機(jī)制的四水轉(zhuǎn)化的水文模型為工具，以全口徑水循環(huán)模擬為基礎(chǔ)對(duì)流域或區(qū)域水資源進(jìn)行評(píng)價(jià)。水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法是利用水流動(dòng)力方程來(lái)模擬營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移。

4 水資源評(píng)價(jià)科學(xué)性

傳統(tǒng)的水資源評(píng)價(jià)是在早期的流域環(huán)境和水資源管理需求背景下進(jìn)行的，針對(duì)新時(shí)期流域內(nèi)外部環(huán)境的變化以及水資源管理需求的變化，迫切需要提高水資源評(píng)價(jià)方法的科學(xué)性，進(jìn)而保證水資源的可持續(xù)健康發(fā)展。

基于水文模型的水資源評(píng)價(jià)在分析氣候變化、土地利用變化以及人類活動(dòng)對(duì)水量和水質(zhì)的影響具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以綜合分析流域水量和水質(zhì)的時(shí)空分布和變化特征，同時(shí)可以充分發(fā)揮水文模型和3S技術(shù)的作用，更加科學(xué)直觀的對(duì)未來(lái)變化環(huán)境下的水資源量和水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。特別是對(duì)于缺資料地區(qū)或小流域，利用等值線法等傳統(tǒng)水資源評(píng)價(jià)方法已無(wú)法滿足水資源管理的需求，基于水文模型的水資源評(píng)價(jià)方法，能在較少數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)上利用模型模擬補(bǔ)充缺失資料，實(shí)現(xiàn)水資源的統(tǒng)一調(diào)度和管理。

5 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

國(guó)外基于水文模型的水資源評(píng)價(jià)研究起步較早，1975年，西歐和日本等國(guó)家最先提出了通過(guò)模型模擬來(lái)評(píng)價(jià)水資源量的思想。1988年，聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)和世界氣象組織(WMO)制定的《水資源評(píng)價(jià)活動(dòng)-國(guó)家評(píng)價(jià)手冊(cè)》，在實(shí)測(cè)匯總分析為主要手段的情況下，提出模型開(kāi)發(fā)來(lái)進(jìn)行水資源評(píng)價(jià)[3]。Jewitt等在小尺度上使用ACRU模型，大尺度上使用HYLUC模型，研究了非洲Luvuvhu流域不同下墊面條件下的水資源量變化情況；Jurgen等利用SWAT模型對(duì)西非次大陸可利用水資源量進(jìn)行估算；Monirech等利用SWAT模型對(duì)伊朗水資源量進(jìn)行評(píng)估，并分析了水利工程及灌溉方式等人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域水資源量的影響[4-7]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)應(yīng)用水文模型進(jìn)行水資源評(píng)價(jià)方面的進(jìn)展較快。夏岑嶺等應(yīng)用適應(yīng)于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)的新安江模型，對(duì)天然徑流量、地下水資源量、陸面蒸散發(fā)量等進(jìn)行評(píng)估[8]。謝新民等在華北平原區(qū)基于地表-地下水資源聯(lián)合評(píng)價(jià)模型實(shí)現(xiàn)了地表水資源量和地下水資源量同步評(píng)價(jià)[9]。賈仰文等構(gòu)建了基于分布式流域水循環(huán)WEP-L模型，并將該模型成功應(yīng)用于黃河流域水資源評(píng)價(jià)工作[10-11]。王忠靜等構(gòu)建了基于物理參數(shù)的分布式水文模型，以永定河流域?yàn)槔瑧?yīng)用該模型評(píng)價(jià)不同土地利用情況下流域水資源量的變化[12]。Jia等利用基于WebGIS系統(tǒng)的分布式水文模型對(duì)北京市的降雨徑流進(jìn)行預(yù)測(cè)并對(duì)實(shí)時(shí)水資源量進(jìn)行評(píng)價(jià)[13]。甄婷婷等將SWAT模型成功地應(yīng)用于伊洛河上游盧氏流域的水資源量評(píng)價(jià)工作中[14]。

6 結(jié)論與展望

水資源評(píng)價(jià)工作具有明確的目標(biāo)，面臨當(dāng)前環(huán)境下日益復(fù)雜的水資源問(wèn)題，對(duì)水資源評(píng)價(jià)工作提出了新的需求。文章通過(guò)對(duì)比分析傳統(tǒng)水資源評(píng)價(jià)方法與基于水文模型的水資源評(píng)價(jià)方法在評(píng)價(jià)對(duì)象、評(píng)價(jià)模式、評(píng)價(jià)手段等各方面的不同，更加凸顯了基于水文模型的水資源評(píng)價(jià)方法的優(yōu)勢(shì)。

基于水文模型的水資源評(píng)價(jià)方法的推廣應(yīng)用受模型資料精度和完整性、地表水與地下水聯(lián)合模擬、模型不確定性等問(wèn)題的制約。隨著科技的發(fā)展，具有物理機(jī)制的分布式水文模型有望實(shí)現(xiàn)水資源的動(dòng)態(tài)、高效和科學(xué)評(píng)價(jià)，將成為未來(lái)水資源評(píng)價(jià)發(fā)展的方向。