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WEP模型的開(kāi)發(fā)與分布式流域水循環(huán)模擬
WEP模型的開(kāi)發(fā)與分布式流域水循環(huán)模擬 摘要:本文介紹了WEP模型的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證情況,論述了分布式流域水循環(huán)模擬的意義和作用。在分析分布式流域水循環(huán)模擬的研究狀況及面臨問(wèn)題的基礎(chǔ)上,考慮到我國(guó)流域尺度大、人類活動(dòng)影響深、環(huán)境復(fù)雜多變的實(shí)際情況,作者認(rèn)為,基于物理概念和變時(shí)空步長(zhǎng)的、模擬對(duì)象包括水循環(huán)的各要素過(guò)程而不僅是產(chǎn)匯流過(guò)程的分布式流域水循環(huán)模型將是未來(lái)的發(fā)展方向。作者主張,應(yīng)加快開(kāi)發(fā)適應(yīng)我國(guó)自然地理特征與氣候特點(diǎn)的各類基于GIS的耦合式應(yīng)用系統(tǒng),為流域水資源管理、洪水預(yù)報(bào)調(diào)度、水環(huán)境評(píng)價(jià)、水土流失監(jiān)督治理及水生態(tài)環(huán)境分析等提供強(qiáng)力支持
關(guān)鍵詞:流域 水循環(huán) 水文 分布式 模型 WEP
一、分布式流域水循環(huán)模擬的意義與作用
地球環(huán)境變化和人類活動(dòng)的影響改變了水的自然循環(huán)規(guī)律, 加劇了我國(guó)水資源的供需矛盾,許多地區(qū)出現(xiàn)了水環(huán)境與水生態(tài)惡化的嚴(yán)重局勢(shì)。地表水、地下水及人工側(cè)支循環(huán)水等各類水資源轉(zhuǎn)化頻繁,狹義的水資源概念與傳統(tǒng)的水資源評(píng)價(jià)方法已顯不適。
20世紀(jì)80年代中期以來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)的發(fā)展,從水循環(huán)過(guò)程的物理機(jī)制入手并考慮水文變量的空間變異性問(wèn)題,即分布式流域水文(水循環(huán))模型或稱“白箱”模型的研究在國(guó)內(nèi)外受到廣泛重視,涌現(xiàn)出許多分布式或半分布式模型,如SHE模型、IHDM模型及TOPMODEL模型等(參見(jiàn)文獻(xiàn)1)。另外,全球大循環(huán)(GCM)研究對(duì)陸地地表過(guò)程模擬提出了越來(lái)越高的要求,土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)研究受到重視,出現(xiàn)了各類SVATS(土壤-植物-大氣通量交換方案)模型,從另一方面加強(qiáng)了水循環(huán)的研究。本文使用“流域水循環(huán)模擬”而不是“流域水文模擬”,意在強(qiáng)調(diào)需要將流域水循環(huán)系統(tǒng)的所有要素過(guò)程聯(lián)系起來(lái)研究而不僅僅是產(chǎn)匯流模擬。
分布式流域水循環(huán)模擬能夠回答水在時(shí)空間上如何移動(dòng)和轉(zhuǎn)化、什么樣的工程與管理措施才能減少無(wú)效耗水以及人與生態(tài)如何分水等問(wèn)題,而且其模型參數(shù)具有物理意義、可根據(jù)測(cè)量和下墊面條件進(jìn)行推算。因此,基于物理機(jī)制的分布式流域水循環(huán)模型的研究與開(kāi)發(fā)具有重要意義,在以下幾個(gè)方面具有不可替代的作用:(1)預(yù)測(cè)未來(lái)環(huán)境變化下的流域水資源演變趨勢(shì),(2)分析人類活動(dòng)的影響與各類對(duì)策的效果,(3)借助各類遙測(cè)技術(shù)在缺乏地面觀測(cè)資料流域進(jìn)行水文分析與預(yù)測(cè),(4)為流域水資源評(píng)價(jià)與配置、洪水預(yù)報(bào)調(diào)度、水環(huán)境評(píng)價(jià)、水土流失監(jiān)督治理及水生態(tài)環(huán)境分析等各專業(yè)應(yīng)用提供強(qiáng)力支持。
二、WEP模型的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證
本文作者從1995年起從事分布式流域水循環(huán)模擬研究,開(kāi)發(fā)了網(wǎng)格分布式流域水循環(huán)模型WEP (Water and Energy transfer Process) 模型(參見(jiàn)文獻(xiàn)2至4)。該模型以長(zhǎng)方形或正方形網(wǎng)格為計(jì)算單元,便于使用GIS和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),并具有物理概念強(qiáng)、計(jì)算精度高和速度快等特點(diǎn),已在日本谷田川等多個(gè)流域得到驗(yàn)證,正在日本戰(zhàn)略性創(chuàng)造研究推進(jìn)事業(yè)項(xiàng)目(CREST)“都市生態(tài)圈、大氣圈和水圈中的水量能量交換”課題中使用,并正在我國(guó)的幾個(gè)流域進(jìn)行驗(yàn)證中。WEP模型2002年10月獲日本國(guó)著作權(quán)登錄,并可從互聯(lián)網(wǎng)上下載,詳見(jiàn)http://www.pwri.go.jp/team/suiri/yata-r/index_e.html。雖然WEP模型還包括水質(zhì)模擬模塊,受篇幅所限,這里僅就WEP模型的水循環(huán)模擬部分的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證情況做簡(jiǎn)要介紹。
1.1 WEP模型的開(kāi)發(fā)
為提高計(jì)算效率,WEP模型對(duì)非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)的模擬采取了比SHE模型簡(jiǎn)化的算法,但強(qiáng)化了對(duì)植物生態(tài)耗水與熱輸送過(guò)程的模擬,對(duì)水熱輸送各過(guò)程的描述大都是基于物理概念。
(1)模型結(jié)構(gòu)。各網(wǎng)格單元的鉛直方向結(jié)構(gòu)如圖-1(a)所示。從上到下包括植被或建筑物截留層、地表洼地儲(chǔ)留層、土壤表層、過(guò)渡帶層、淺層地下水層和深層地下水層等。狀態(tài)變量包括植被截留量、洼地儲(chǔ)留量、土壤含水率、地表溫度、過(guò)渡帶層儲(chǔ)水量、地下水位及河道水位等。主要參數(shù)包括植被最大截留深、土壤滲透系數(shù)、土壤水分吸力特征曲線參數(shù)、地下水透水系數(shù)和產(chǎn)水系數(shù)、河床的透水系數(shù)及坡面和河道的糙率等。為考慮網(wǎng)格內(nèi)土地利用的不均勻性,采用了“馬賽克”法即把網(wǎng)格內(nèi)的土地歸成數(shù)類,分別計(jì)算各類土地類型的地表面水熱通量,取其面積平均值為網(wǎng)格單元的地表面水熱通量。土地利用首先分為水域、裸地-植被域、不透水域三大類。裸地-植被域又分為裸地、草地與耕地、樹(shù)木3類、不透水域分為都市地表面與都市建筑物。另外,為反映表層土壤的含水率隨深度的變化和便于描述土壤蒸發(fā)、草或作物根系吸水和樹(shù)木根系吸水,將裸地-植被域的表層土壤分割成3層。
(a)
(b)
圖-1 WEP模型的結(jié)構(gòu):(a)網(wǎng)格單元內(nèi)的鉛直方向結(jié)構(gòu),(b)平面結(jié)構(gòu)
WEP模型的平面結(jié)構(gòu)如圖-1(b)所示。首先,為追跡計(jì)算坡面徑流,根據(jù)流域數(shù)字高程(DEM)及數(shù)字化實(shí)際河道等,設(shè)定網(wǎng)格單元的匯流方向(落水線)。然后,將坡面徑流沿著落水線用1維運(yùn)動(dòng)波法由流域的最上游端追跡計(jì)算至最下游端。關(guān)于各支流及干流的河道匯流計(jì)算,視有無(wú)下游邊界條件采用1維運(yùn)動(dòng)波法或動(dòng)力波法由上游端至下游端追跡計(jì)算。地下水流動(dòng)采用多層模型進(jìn)行數(shù)值解析,并考慮其與地表水、土壤水及河道水的水量交換。
(2) 水循環(huán)過(guò)程的模擬。蒸發(fā)蒸騰包括植被截留蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、水面蒸發(fā)和植被蒸騰等。WEP模型按照土壤-植被-大氣通量交換方法(SVATS)、采用Penman-Monteith公式詳細(xì)計(jì)算了蒸發(fā)蒸騰。由于蒸發(fā)蒸騰過(guò)程和能量交換過(guò)程客觀上融為一體,地表附近的輻射、潛熱、顯熱、熱傳導(dǎo)及地表溫度的計(jì)算不可缺少。為減輕計(jì)算負(fù)擔(dān),熱傳導(dǎo)及地表溫度的計(jì)算采用了強(qiáng)制復(fù)原法(FRM)。GREEN-AMPT入滲模型物理概念明確,所用參數(shù)可由土壤物理特性推出,并已得到大量應(yīng)用驗(yàn)證,因此,WEP模型采用GREEN-AMPT鉛直一維入滲模型模擬降雨入滲及超滲坡面徑流。GREEN-AMPT模型僅適用于降雨入滲過(guò)程。而非降雨期的表層土壤(通常是非飽和狀態(tài))水分量的再分配將影響到降雨入滲時(shí)的初期水分量、土壤和植被的蒸發(fā)蒸騰和對(duì)淺層地下水的補(bǔ)給等,為減輕計(jì)算負(fù)擔(dān),WEP模型將表層土壤分成數(shù)層,按照非飽和狀態(tài)的達(dá)西定律和連續(xù)方程進(jìn)行計(jì)算。 在山地丘陵等地形起伏地區(qū),同時(shí)考慮坡向壤中徑流及土壤滲透系數(shù)的各向變異性。地下水流動(dòng)采用多層模型進(jìn)行數(shù)值解析。淺層地下水運(yùn)動(dòng)按照BOUSINESSQ方程進(jìn)行二維數(shù)值計(jì)算,源項(xiàng)包括表層土壤的降雨補(bǔ)給、地下水取水、深層滲漏及地下水溢出(或來(lái)自河流的補(bǔ)給)等。在河流下部及周圍,河流水和地下水的相互補(bǔ)給量根據(jù)其水位差與河床材料的特性等按達(dá)西定律計(jì)算。為考慮包氣帶層過(guò)厚可能造成的地下水補(bǔ)給滯后問(wèn)題,在表層土壤與淺層地下水之間設(shè)一過(guò)渡層,用儲(chǔ)流函數(shù)法處理。另外,WEP還考慮了雨水人工儲(chǔ)留滲透設(shè)施的模擬、防災(zāi)調(diào)節(jié)池的計(jì)算及水田的模型化等。
2.2 WEP模型的驗(yàn)證
WEP模型先后在日本東京的多摩川中部流域(578 km2)、千葉縣海老川流域(27 km2)及茨城縣谷田川流域(166 km2)得到驗(yàn)證和應(yīng)用。其中,海老川流域是高度都市化的流域,谷田川流域是農(nóng)地與人工林地為主的自然流域,多摩川中部流域是半都市化半自然的流域。WEP模型的模擬結(jié)果示例見(jiàn)圖-2至4�？梢钥闯�,WEP模型不僅對(duì)流量,而且對(duì)地下水位及土壤水分等均有良好的模擬結(jié)果。驗(yàn)證后的WEP模型曾用來(lái)分析都市化對(duì)東京都水熱收支及水熱通量的空間分布的影響,評(píng)價(jià)雨水人工儲(chǔ)留滲透設(shè)施和防災(zāi)調(diào)節(jié)池對(duì)流域水循環(huán)的改善作用,研究水田的維持河川枯水流量及滯洪效果等(參見(jiàn)文獻(xiàn)2至4)。
WEP模型具有較高的計(jì)算效率。以谷田川流域的計(jì)算為例,共有16661個(gè)計(jì)算網(wǎng)格單元,計(jì)算時(shí)段步長(zhǎng)采用1小時(shí),在CPU為1.4GHZ的微機(jī)上,一年的計(jì)算時(shí)間約為3小時(shí)。
圖-2 WEP模型的流量模擬結(jié)果示例(谷田川流域)
圖-3 WEP模型的地下水位模擬結(jié)果示例(海老川流域)
圖-4 WEP模型的土壤水分模擬結(jié)果示例(海老川流域)
三、分布式流域水循環(huán)模擬面臨的難題與對(duì)策
分布式流域水循環(huán)模擬在我國(guó)推廣應(yīng)用所面臨的主要難題有:(1)水文變量及參數(shù)的空間變異性與尺度問(wèn)題。我國(guó)流域尺度大、人類活動(dòng)影響深�？筛鶕�(jù)流域不同地區(qū)的地形地貌特點(diǎn),分區(qū)選取不同的計(jì)算網(wǎng)格步長(zhǎng),然后根據(jù)網(wǎng)格內(nèi)土壤等參數(shù)的概率分布規(guī)律考慮其空間變異性對(duì)產(chǎn)匯流的影響。(2)水循環(huán)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制的描述和計(jì)算量大之間的矛盾。水循環(huán)的許多過(guò)程如降雨時(shí)的入滲和地表徑流過(guò)程變化快,描述這些過(guò)程常需要日以下的時(shí)間步長(zhǎng)。如果所有過(guò)程所有 WEP模型的開(kāi)發(fā)與分布式流域水循環(huán)模擬時(shí)期均采用很短的時(shí)間步長(zhǎng),計(jì)算量將很大。因此,采用變時(shí)間步長(zhǎng),即針對(duì)不同過(guò)程及同一過(guò)程的不同時(shí)期采用不同的時(shí)間步長(zhǎng),將是緩解矛盾的對(duì)策之一。(3)下包氣帶過(guò)厚滯后了降雨對(duì)淺層地下水的補(bǔ)給問(wèn)題。我國(guó)許多地區(qū)特別是干旱半干旱地區(qū)的淺層地下水位往往很深,和地表之間存在很厚的包氣帶,滯后了降雨對(duì)淺層地下水的補(bǔ)給。可通過(guò)典型調(diào)查和觀測(cè),采取滯后曲線法、儲(chǔ)留函數(shù)法等方法來(lái)解決。(4)資料收集難與數(shù)據(jù)不足問(wèn)題。分布式水循環(huán)模擬需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。雖然我國(guó)的水文氣象觀測(cè)、地質(zhì)調(diào)查與資料整編等基礎(chǔ)工作開(kāi)展較早、質(zhì)量較高,但目前仍存在資料收集難與數(shù)據(jù)不足問(wèn)題。
四、結(jié)束語(yǔ)
分布式流域水循環(huán)模擬和GIS、DEM和各類遙測(cè)技術(shù)相結(jié)合,解決水資源評(píng)價(jià)、洪水預(yù)報(bào)調(diào)度、水土流失、水污染以及水生態(tài)等各種生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題,近年來(lái)已成為跨學(xué)科的國(guó)際研究前沿。國(guó)際水文學(xué)會(huì)(IAHS)2002年將“觀測(cè)資料缺乏流域的預(yù)測(cè)(PUBs)”提議為下一個(gè)國(guó)際水文十年研究計(jì)劃。歐美國(guó)家已開(kāi)發(fā)出分布式流域水循環(huán)模擬與流域水資源管理、污染物運(yùn)移或土壤侵蝕流失計(jì)算等耦合的應(yīng)用系統(tǒng),如美國(guó)USGS 的MMS 系統(tǒng)、歐洲的SHETRAN模型等。因此,加快開(kāi)發(fā)適應(yīng)我國(guó)自然地理特征與氣候特點(diǎn)的各類基于GIS的耦合式應(yīng)用系統(tǒng)顯得十分重要。此外,考慮到我國(guó)流域尺度大、人類活動(dòng)影響深、環(huán)境復(fù)雜多變的實(shí)際情況,雖然傳統(tǒng)的以率定參數(shù)為本的集總式水文模型無(wú)法客觀地描述產(chǎn)匯流機(jī)制和預(yù)測(cè)人類活動(dòng)帶來(lái)的影響,但完全按數(shù)學(xué)物理方程模擬又受計(jì)算量的限制和尺度問(wèn)題的困擾,因此基于物理概念和變時(shí)空步長(zhǎng)的分布式流域水循環(huán)模型將是未來(lái)的發(fā)展方向。
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