水资源综合模拟与调配模型WAS(I):模型原理与构建

针对自然-社会水资源系统的复杂互馈机制科学问题,以及水资源管理应用需求,将水文学数值模拟和水资源适应性调配相结合,研究构建了概念性半分布式水资源综合模拟与调配模型WAS;提出了模型架构、单元划分、动态互馈模拟、计算公式和运行策略等WAS模型原理及方法,为自然-社会水资源复杂系统的模拟与科学调配提供支撑。     

基于动态互馈模拟的半分布式水资源综合调度模型

由于区域水资源循环过程呈现显著二元特性,自然水资源与社会经济发展间存在互相影响与制约的关系,因此需深入研究自然水循环与社会水循环间的动态互馈关系。为此,设计了基于动态互馈模拟的半分布式水资源综合调度模型,采用"实测、分离、聚合、建模、调控"的水资源循环时序动态反馈模拟方法设计调度模型架构,调度模型包括产汇流模块、再生水模块及水资源调度模块,基于单元内部的运算特征、单元间的运算特征和与河道汇流循环特征完成水资源系统单元的动态、联动、互馈的水资源模拟与调度。试验结果表明,所设计模型径流模拟平均误差率为4.25%,水资源调度总量误差为1.46%,达到水资源调度的要求;且与对比模型相比独具动态互馈功能,模拟与调度性能更优。     

基于水循环的分布式水资源调配模型开发与应用

自以水循环为基础的水资源动态配置模式提出以来,一批基于耦合分布式水文模型的水资源配置模型被先后提出,但其采用的耦合方法往往忽视了经济社会用水过程与天然水文过程之间的动态反馈作用。本文通过改进SWAT模型,并嵌合水资源配置模块,开发了基于水循环的分布式水资源调配模型（Water resources allocation and regulation model based on the SWAT,SWAT-WARM）,从模型结构、耦合方法、配置规则等方面系统描述了模型的双向耦合原理。以唐河流域为例开展模型的构建与应用研究,采用包含河道流量过程、特征频率径流总量、国民经济用水量和水资源开发利用量的多指标校验方法验证模型的性能,在此基础上,分析了不同时空尺度的水资源配置结果以及全流域年度水循环转化情况。分析结果表明,该模型通过分布式水文模拟和水资源配置模拟的动态结合,能够描述“自然-社会”水资源复杂系统的实时互馈过程,可为流域水资源精细化管理提供技术支撑。     

水资源综合模拟与调配模型WAS（Ⅱ）：应用

针对自然-社会水循环系统特点以及水资源管理实践需求,建立一种断面流量过程、断面特征频率径流总量、区域水资源配置总量多指标模型校验方法,并以甘肃省庆阳市为例开展WAS模型(Water Allocation and Simu?lation Model)构建与应用。模型在雨落坪站水文断面调参期(1967—1985年)年径流模拟的相关系数R2为0.89,Nash系数为0.79,校验期(1986—2000年)年径流模拟的相关系数R2为0.88,Nash系数为0.76;区域多年平均水资源总量模拟与实测误差为4.1%,25%、50%、75%和90%频率年误差分别为5.0%、1.1%、5.9%和4.2%;全市水资源配置总量误差为0.35%。在此基础上,提出庆阳市各水资源分区和行政分区的水资源配置方案以及全市自然-人工水资源循环转化图;分析表明,WAS模型在描述自然-社会水循环系统动态反馈方面具有一定优势,模型可以支撑水资源精细化评价和管理需求。     

基于水资源综合模拟与调配一体化模型的北京市水资源模拟分析

在探讨2007—2018年北京市水资源供需平衡情况的基础上,利用WAS模型对1980—2018年北京市水资源进行动态模拟研究,分析区域自然-社会水循环转化模式,探讨社会水循环与自然水循环的转化机理。结果表明：2007—2018年北京市年均需水量（实部、虚部）呈上升趋势,年均蓝水供水量36.85亿m3,绿水供水量16.90亿m3;需水缺口呈显著增大趋势,年均水资源缺口为165.20亿m3;1982—2010年北京市多年平均及25%、50%和75%径流总量特征频率年模拟与实测误差率分别为7.0%、4.8%、1.2%和0,模型精度较高;各计算单元自然水循环下出流量由东北部向西南部递增,自然-社会水循环下实际出流量有所下降。     

京津冀水资源-粮食-能源-生态协同调控研究Ⅰ：方法与模型

京津冀是我国重要的粮食、能源消费地,但水资源已经成为制约区域粮食、能源和生态可持续发展的关键要素。为优化水-粮-能-生系统间关系,实现水-粮-能-生关联视角下多水源协同调控,本文以GWAS模型为基础,通过改进水资源调配模块,添加粮食生产、能源消耗和层次化需水预测模块,构建了实现各系统关键要素传递和互馈的水-粮-能-生协同调控模型。根据京津冀水-粮-能-生系统紧密耦合的特征,建立保障水安全、粮食安全、低碳发展路径和生态健康的协同发展目标,提出了基于NSGA-Ⅱ和耦合协调度的协同优化算法与综合协同指数,以实现水-粮-能-生耦合系统协同调控方案优化求解。     

第11届水科学发展论坛将在大连举办

<正>随着自然条件的变化和人类活动的加剧,水科学问题越来越复杂。为促进学术交流,共同推动水科学发展,由郑州大学水科学研究中心主办的第11届水科学发展论坛将于2017年4月22日在大连举办。本次论坛以"水资源-生态环境-经济社会互馈关系"为主题,重点研讨以下6个议题:(1)虚拟水、水足迹与水资源承载力;(2)水资源安全与水资源     

水资源调配模型基本原理探讨

通过建立水资源调配模型,实行科学的水量调度方案,优化配置水资源,使有限的水资源发挥最大的综合效益。科学的流域水资源调配模型是复杂的,影响因素众多,但其调配原理基本相同。在计算机系统的辅助下,当模型输入条件变化时,可自动生成流域水资源调配方案。     

基于遥感的新疆水资源适应性利用配置-调控模型研究框架

水资源适应性利用是一种适应环境变化且保障水系统良性循环的水资源利用方式,研究面向环境变化的水资源适应性利用对保障地区水安全,实现人水和谐具有重要意义。将遥感技术与和谐论理论方法相结合,建立了新疆水资源适应性利用配置-调控模型的研究框架,该模型是以人水和谐度最大为目标,以水资源-经济社会-生态环境多维临界阈值及互馈关系方程、水循环方程等边界条件为约束的面向水资源适应性利用的多维临界和谐配置-调控模型。为了实现该模型的应用,需开展基于遥感的新疆水资源-经济社会-生态环境互馈关系及演变规律、水资源适应性变化机理与适应性利用原理、水资源适应性利用理论应用规则及量化方法、基于遥感的新疆水资源适应性利用配置-调控模型、塔里木河流域水资源适应性利用配置-调控模型应用研究的相关工作。围绕上述内容,阐述了实现该模型的3个关键问题及具体的研究方法,包括遥感技术在配置调控模型中的应用;水资源适应性利用规则定量化及如何嵌入模型中;水资源适应性利用配置-调控模型如何构建。研究成果为水资源适应性利用理论方法及应用研究提供参考。     

基于GIS网络模型的水资源优化配置系统设计与实现

基于GIS网络模型的水资源优化配置系统是一个基于数据库、Arc Engine技术、C~#语言等联合开发的决策支持系统,该系统利用GIS的可视化技术以及几何网络模型将水资源优化配置模型概化,绘制相应的水资源配置系统网络图,通过对复杂的水资源、社会经济、生态环境系统进行简化和抽象,以节点和线要素构成网络图反映三大系统内在的逻辑关系,利用灵活的模块化数学模型对多目标的水资源管理进行调配,最终得到优化配置结果,为水资源管理提供技术支持。通过示范区域赣江流域水资源优化配置模型的应用,表明该系统是一个简捷实用、易操作的决策支持系统平台。     

泛流域水资源系统优化研究

南水北调西线工程将雅砻江、大渡河和黄河连为一体,形成泛流域水资源系统,涉及确定合理的调水总量、调水规模与布局以及调水量合理分配等关键技术问题。针对该复杂大系统,研究跨流域水资源多维尺度模拟和优化方法,建立了3层结构的泛流域水资源时空优化调配模型系统,将调水区7条河流与黄河受水区67地市统一优化调配。采用大系统协调技术和嵌套遗传算法动态调节机制求解泛流域水资源优化分配问题,提出了一套适宜的调水规模、工程布局及调水量空间合理分配方案,为南水北调西线工程的宏观决策提供科学支撑。     

区域水资源承载能力多目标分析评价模型及应用

明确水资源承载能力具有时空、可持续、社会经济和生态4个方面的内涵,指出水资源承载能力具有自然和社会双重属性,涉及水资源系统、社会经济系统和生态环境系统之间的复杂相互作用关系,建立了考虑社会经济发展、生态环境保护和水资源合理利用的水资源承载能力的多目标分析评价模型;利用所建立的模型,分析评价了江苏省张家港市的水资源承载能力,包括现状水资源承载能力评价和未来2010年水资源承载能力预测,给出了合理的评价结果。     

分布式水资源配置模型DTVGM-WEAR的开发及应用

构建了一个系统描述自然及人类活动作用下水循环路径的分布式水资源系统配置模型。通过将水文及其伴随过程与水资源配置过程进行"在线"或"离线"形式的耦合,基于抽象概化规则框架的规则集合进行水资源配置模拟,形成较为通用的水文-水质-水生态-水资源系统配置模型。该模型能够较好地反映不同配置规则下的水资源分配过程,实现水量、水质、水生态要求的水资源综合配置。实例证明,模型能够根据区域供用水结构特征及用水需求灵活地调整配置规则,为水资源系统合理配置提供较为可靠的模拟结果。     

基于水资源-经济社会-生态系统互馈关系的水资源承载能力评价指标优选

结合水资源-经济社会-生态环境三大系统的特点,构建了互馈关系分析指标体系。以河南省巩义市为例,结合该地区2001—2010年的相关数据,用相关分析和回归分析的方法,对水资源-经济社会-生态环境复合系统的互馈响应关系进行了分析。结果表明:水资源系统中农业用水量和工业用水量与土地利用、土地覆被变化各指标相关系数都比较高,而生态环境系统中受水资源系统影响较大的指标为水源涵养能力和叶面积指数,受经济社会活动影响较大的指标为湿地比重、生物丰度、香农多样性指数和景观破碎度。分析结果可为水资源承载能力评价指标的优化选取提供理论支持。     

城市水系统关联模型研究

为了理清城市水系统中多因素间的复杂关系,对系统解决城市水问题提供帮助,基于水系统理论与城市水系统模拟相关研究,提出了城市水系统中水-经济社会-生态环境各因素之间相互作用和反馈的关联模型理论框架,建立了城市水系统演变过程中由针对经济发展的正反馈回路和针对可持续性的负反馈回路共同控制的新模式,构建了模拟城市水-经济社会-生态环境内在联系的城市水系统关联模型。以武汉市为例,应用建立的城市水系统关联模型,采用2001—2017年的历史统计数据,建立了武汉市城市水-经济社会-生态环境各要素之间互馈作用的模拟模型,预测了武汉市的城市发展轨迹,并与武汉市2030年的远期规划进行比较,验证了模型的有效性,表明城市水系统模型能够揭示城市水-经济社会-生态环境多要素的耦合驱动机制,体现了节水技术与绿色发展相关政策两大因子导向下的生态环境、经济社会协同发展的良好预期。     

黄河中游地区水土灾害机理与灾害链效应研究进展

黄河中游地区水土灾害分布广、类型多、突发性强,且往往灾害链生、后果严重,威胁人居安全与社会稳定,制约区域高质量发展、生态文明建设,亟待从根本上厘清水土灾害与生态环境互馈机制,深化对黄河中游地区水土灾害群发机理及链生效应研究。为此,立足于分析黄河中游地区水土灾害问题,详细梳理了与之有关的山洪成灾规律、崩滑流灾害群发机理、水土灾害链效应、水土灾害与生态环境互馈作用等方面的国内外研究现状与发展动态,探讨了黄河中游地区水土灾害研究趋势和面临的挑战,分析了未来水土灾害研究亟须突破的关键科学问题,并基于地球系统科学思想提出了相关研究建议。在复杂地质条件、极端气候变化和强烈人类工程活动影响下,黄河中游地区水土灾害群发机理与灾害链效应研究的主要方向有:极端降雨作用下山洪成灾规律,地貌-气候耦合作用下崩滑流灾害群发机理,考虑生态影响的水土灾害链放大与消减效应,水土灾害与生态环境互馈作用机制。亟待突破的关键科学问题有:从耦合联动孕灾角度揭示地质、地表、气候过程与土水灾害群发响应机制,从致灾效应角度揭示水土灾害链动力学过程与致灾效应评价,从地质安全与生态安全角度建立水土灾害与生态环境互馈理论,进而提出基于水土灾害与生态环境互馈效应评价的生态减灾技术。研究建议:以地球系统科学理论为指导,突出学科交叉融合,从"地、域、河"空间尺度阐明黄河中游地区水土灾害的区域模式、动力学机制、灾害链生与生态环境互馈效应,从人地协调观角度建立黄河中游地区水土灾害综合风险评估模型与防控理论。     

WROOM模型及其在渭河流域水量调度中的应用

通用水资源优化调配模型WROOM作为将优化与模拟技术相结合的水资源系统模型,能很好地进行水资源调度问题求解。现根据渭河流域水量调度实际需求,对WROOM模型进行了改进,建立了渭河流域水量调度年调度模型及月调度模型,实现了渭河流域水量调度方案自动化编制,提高了水量调度管理工作的科学化水平。     

黑河流域水资源调配研究

黑河流域目前面临水资源、经济和生态三方面问题,进行水资源调配研究是实现流域可持续发展的根本出路.流域水资源调配层次化结构体系以"模拟-配置-评价-调度"为基本环节,实现流域水资源的基础模拟、宏观规划与日常调度,以及各环节之间的耦合和嵌套,进而通过流域水资源调配管理信息系统的构建,为黑河流域水资源的规划配置和管理调度提供了较为全面的技术支持.目前多项研究成果已经应用于黑河流域水量调度和张掖市节水型社会建设等实践.     

太原市水资源调配策略模型分析

随着城市化进程的加快,太原市面临水资源短缺的问题,加强水资源管理是实现水资源有效调配的重要途径.介绍了太原市水资源现状,提出科学调配水资源所需的政策环境,并在此基础上提出水资源调配策略模型,旨在为适应当前形势要求,建设节水型城市提供理论参考.     

跨流域调水的大尺度分布式水文模型研究与应用

变化环境下区域分布式水循环模拟研究,是地球系统科学中的重大科学问题,也是区域水安全和水资源风险管理需求的重要应用基础。本文开展了以南水北调中线工程联系的跨汉江、黄河和海河多个流域的区域水循环模拟、环境变化影响与水安全研究。重点论述了跨流域调水的大尺度分布式水文模型(LDTVGM)的研究与展望。目的是探讨变化环境下跨流域调水的分布式水循环模型的建立,发展区域水循环动力学-非线性系统-多源不确定性分析与综合的理论与影响评估方法,为分析应对气候变化和高强度人类活动影响的区域水资源安全及应对措施的风险管理,提供科学依据。