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WEP模型的開發(fā)與分布式流域水循環(huán)模擬
WEP模型的開發(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題的基礎(chǔ)上,考慮到我國流域尺度大、人類活動影響深、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空步長的、模擬對象包括水循環(huán)的各要素過程而不僅是產(chǎn)匯流過程的分布式流域水循環(huán)模型將是未來的發(fā)展方向。作者主張,應(yīng)加快開發(fā)適應(yīng)我國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)境評價、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)境變化和人類活動的影響改變了水的自然循環(huán)規(guī)律, 加劇了我國水資源的供需矛盾,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。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)的水資源評價方法已顯不適。
20世紀(jì)80年代中期以來,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)過程的物理機(jī)制入手并考慮水文變量的空間變異性問題,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(參見文獻(xiàn)1)。另外,全球大循環(huán)(GCM)研究對陸地地表過程模擬提出了越來越高的要求,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)的所有要素過程聯(lián)系起來研究而不僅僅是產(chǎn)匯流模擬。
分布式流域水循環(huán)模擬能夠回答水在時空間上如何移動和轉(zhuǎn)化、什么樣的工程與管理措施才能減少無效耗水以及人與生態(tài)如何分水等問題,而且其模型參數(shù)具有物理意義、可根據(jù)測量和下墊面條件進(jìn)行推算。因此,基于物理機(jī)制的分布式流域水循環(huán)模型的研究與開發(fā)具有重要意義,在以下幾個方面具有不可替代的作用:(1)預(yù)測未來環(huán)境變化下的流域水資源演變趨勢,(2)分析人類活動的影響與各類對策的效果,(3)借助各類遙測技術(shù)在缺乏地面觀測資料流域進(jìn)行水文分析與預(yù)測,(4)為流域水資源評價與配置、洪水預(yù)報(bào)調(diào)度、水環(huán)境評價、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(參見文獻(xiàn)2至4)。該模型以長方形或正方形網(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,并正在我國的幾個流域進(jìn)行驗(yàn)證中。WEP模型2002年10月獲日本國著作權(quán)登錄,并可從互聯(lián)網(wǎng)上下載,詳見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)模擬部分的開發(fā)與驗(yàn)證情況做簡要介紹。
1.1 WEP模型的開發(fā)
為提高計(jì)算效率,WEP模型對非飽和土壤水運(yùn)動的模擬采取了比SHE模型簡化的算法,但強(qiáng)化了對植物生態(tài)耗水與熱輸送過程的模擬,對水熱輸送各過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、地表洼地儲留層、土壤表層、過渡帶層、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、洼地儲留量、土壤含水率、地表溫度、過渡帶層儲水量、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,視有無下游邊界條件采用1維運(yùn)動波法或動力波法由上游端至下游端追跡計(jì)算。地下水流動采用多層模型進(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)蒸騰過程和能量交換過程客觀上融為一體,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的初期水分量、土壤和植被的蒸發(fā)蒸騰和對淺層地下水的補(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。地下水流動采用多層模型進(jìn)行數(shù)值解析。淺層地下水運(yùn)動按照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。為考慮包氣帶層過厚可能造成的地下水補(bǔ)給滯后問題,在表層土壤與淺層地下水之間設(shè)一過渡層,用儲流函數(shù)法處理。另外,WEP還考慮了雨水人工儲留滲透設(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)果示例見圖-2至4�？梢钥闯�,WEP模型不僅對流量,而且對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模型曾用來分析都市化對東京都水熱收支及水熱通量的空間分布的影響,評價雨水人工儲留滲透設(shè)施和防災(zāi)調(diào)節(jié)池對流域水循環(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個計(jì)算網(wǎng)格單元,計(jì)算時段步長采用1小時,在CPU為1.4GHZ的微機(jī)上,一年的計(jì)算時間約為3小時。
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策
分布式流域水循環(huán)模擬在我國推廣應(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題。我國流域尺度大、人類活動影響深�？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,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產(chǎn)匯流的影響。(2)水循環(huán)的動力學(xué)機(jī)制的描述和計(jì)算量大之間的矛盾。水循環(huán)的許多過程如降雨時的入滲和地表徑流過程變化快,描述這些過程常需要日以下的時間步長。如果所有過程所有 WEP模型的開發(fā)與分布式流域水循環(huán)模擬時期均采用很短的時間步長,計(jì)算量將很大。因此,采用變時間步長,即針對不同過程及同一過程的不同時期采用不同的時間步長,將是緩解矛盾的對策之一。(3)下包氣帶過厚滯后了降雨對淺層地下水的補(bǔ)給問題。我國許多地區(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,滯后了降雨對淺層地下水的補(bǔ)給�？赏ㄟ^典型調(diào)查和觀測,采取滯后曲線法、儲留函數(shù)法等方法來解決。(4)資料收集難與數(shù)據(jù)不足問題。分布式水循環(huán)模擬需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。雖然我國的水文氣象觀測、地質(zhì)調(diào)查與資料整編等基礎(chǔ)工作開展較早、質(zhì)量較高,但目前仍存在資料收集難與數(shù)據(jù)不足問題。
四、結(jié)束語
分布式流域水循環(huán)模擬和GIS、DEM和各類遙測技術(shù)相結(jié)合,解決水資源評價、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)際問題,近年來已成為跨學(xué)科的國際研究前沿。國際水文學(xué)會(IAHS)2002年將“觀測資料缺乏流域的預(yù)測(PUBs)”提議為下一個國際水文十年研究計(jì)劃。歐美國家已開發(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USGS 的MMS 系統(tǒng)、歐洲的SHETRAN模型等。因此,加快開發(fā)適應(yīng)我國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,考慮到我國流域尺度大、人類活動影響深、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法客觀地描述產(chǎn)匯流機(jī)制和預(yù)測人類活動帶來的影響,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題的困擾,因此基于物理概念和變時空步長的分布式流域水循環(huán)模型將是未來的發(fā)展方向。
參考文獻(xiàn)
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