基于水文模型的水资源评价研究

耿延博

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)， 沈阳 110003)

0 引 言

水资源评价是水利综合规划、水资源合理配置和科学管理的前提和依据，对流域或区域水资源安全和水生态安全具有重要的意义。受全球气候变暖和人类活动对流域或区域水资源的影响，水资源面临的问题复杂多样，传统的水资源评价方法存在还原的水资源量失真、水质水量评价分离、地表水和地下水资源量评价分离等一系列问题，迫切需要更加科学的水资源评价方法来满足当前严格水资源管理制度下的需求。基于水文模型的水资源评价能够满足新形势下水资源管理的需求，为无资料地区和变化环境下的水资源评价提供了新思路。

传统的水资源评价方法侧重利用数理统计分析方法，评价过程中主观经验成分大，工作任务繁重，造成评价范围有限、模式分离化、周期较长以及某些问题的处理方式不精细。基于水文模型的水资源评价在理论方法系统性、评价过程实用效率性及评价成果客观性等方面体现了极大的优势，受到国内外水文工作者的青睐。

1 水资源评价对象

传统水资源评价对象是径流性水资源，包括地表径流和地下径流，属于狭义的水资源范畴，也就是1995年瑞典科学家Falekenmark等提出的蓝水，其等于地表水资源量与不重复的地下水资源量之和。狭义的水资源具有可控性，其水资源量及其时空变化特征对人类经济和社会生活的影响最为直接，是水资源评价的核心内容。但狭义的水资源忽视了占水文循环60%以上的绿水，局限了水资源的有效性特征[1]。

基于水文模型的水资源评价将绿水即蒸散发也纳入到广义水资源，拓宽了水资源的范畴，更新了水资源的思维[2]。广义的水资源范畴符合大气水、地表水、土壤水和地下水转化(即四水转化)机理和水资源统一调配的要求，开创了水资源评价研究工作的新纪元。基于水文模型的水资源评价需要在以流域为整体统一单元的基础上，分析流域内蓝水和绿水形成过程与相互转换机制，进而对流域广义水资源量进行估算。

2 水资源评价模式

水资源评价的传统模式是：在水资源量评价中，将地表水资源量和地下水资源量分开评估，此种评价模式割裂了水资源各成分间的相互转换，不符合四水转化机理。此外分别对水资源数量和水资源质量进行评价，水量和水质的分离评价无法反映水质对于水资源有效性的影响。分离评价的模式影响评价结果的科学性，无法满足变化环境下水资源综合规划的需求。

基于水文模型的水资源评价可以实现蓝水绿水、水质水量的同步、同时评价，评价的时间尺度可灵活选择，解决了传统水资源评价模式的不足。以分布式水文模型——SWAT模型为例，水量评价方面：SWAT模型能够对广义的水资源范畴进行评价，广义的水资源量包括蓝水与绿水资源量的总和，蓝水资源量是深层地下水补给量(DA_RCHG)加上流域产水量(WYLD)，绿水即实际蒸散发量(ET)。水质评价方面：SWAT模型可以得到泥沙产量(SYLD)、有机态氮产量(ORGN)、有机态磷产量(ORGP)、地表径流中的NO3(NSURQ)、溶解态磷产量(SOLP)、矿物态磷产量(SEDP)等各项评价结果。SWAT模型评价时间尺度可以自由设定为时、日、月和年，满足不同分项的需求，同时分布式水文模型可以描述水资源空间分布和时间分布特征。

3 水资源评价手段

早期的水资源评价采用的是以数理统计为主的传统方法。地表水资源量评价通常采用等值线法、代表站法、邻站模比系列法和降水径流相关法等，地下水资源量评价是通过地下水补给项、排泄项建立水量平衡公式，计算区域地下水资源量。地表水和地下水水质状况利用单指标法进行评价，科学性欠缺。

基于水文模型的水资源评价以水量平衡原理为基础，借助GIS技术以具有物理机制的四水转化的水文模型为工具，以全口径水循环模拟为基础对流域或区域水资源进行评价。水质评价的方法是利用水流动力方程来模拟营养物质的迁移。

4 水资源评价科学性

传统的水资源评价是在早期的流域环境和水资源管理需求背景下进行的，针对新时期流域内外部环境的变化以及水资源管理需求的变化，迫切需要提高水资源评价方法的科学性，进而保证水资源的可持续健康发展。

基于水文模型的水资源评价在分析气候变化、土地利用变化以及人类活动对水量和水质的影响具有明显的优势，可以综合分析流域水量和水质的时空分布和变化特征，同时可以充分发挥水文模型和3S技术的作用，更加科学直观的对未来变化环境下的水资源量和水质进行评价。特别是对于缺资料地区或小流域，利用等值线法等传统水资源评价方法已无法满足水资源管理的需求，基于水文模型的水资源评价方法，能在较少数据资料基础上利用模型模拟补充缺失资料，实现水资源的统一调度和管理。

5 国内外研究进展

国外基于水文模型的水资源评价研究起步较早，1975年，西欧和日本等国家最先提出了通过模型模拟来评价水资源量的思想。1988年，联合国教科文组织(UNESCO)和世界气象组织(WMO)制定的《水资源评价活动-国家评价手册》，在实测汇总分析为主要手段的情况下，提出模型开发来进行水资源评价[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流域不同下垫面条件下的水资源量变化情况；Jurgen等利用SWAT模型对西非次大陆可利用水资源量进行估算；Monirech等利用SWAT模型对伊朗水资源量进行评估，并分析了水利工程及灌溉方式等人类活动对区域水资源量的影响[4-7]。

近年来，国内应用水文模型进行水资源评价方面的进展较快。夏岑岭等应用适应于湿润半湿润地区的新安江模型，对天然径流量、地下水资源量、陆面蒸散发量等进行评估[8]。谢新民等在华北平原区基于地表-地下水资源联合评价模型实现了地表水资源量和地下水资源量同步评价[9]。贾仰文等构建了基于分布式流域水循环WEP-L模型，并将该模型成功应用于黄河流域水资源评价工作[10-11]。王忠静等构建了基于物理参数的分布式水文模型，以永定河流域为例，应用该模型评价不同土地利用情况下流域水资源量的变化[12]。Jia等利用基于WebGIS系统的分布式水文模型对北京市的降雨径流进行预测并对实时水资源量进行评价[13]。甄婷婷等将SWAT模型成功地应用于伊洛河上游卢氏流域的水资源量评价工作中[14]。

6 结论与展望

水资源评价工作具有明确的目标，面临当前环境下日益复杂的水资源问题，对水资源评价工作提出了新的需求。文章通过对比分析传统水资源评价方法与基于水文模型的水资源评价方法在评价对象、评价模式、评价手段等各方面的不同，更加凸显了基于水文模型的水资源评价方法的优势。

基于水文模型的水资源评价方法的推广应用受模型资料精度和完整性、地表水与地下水联合模拟、模型不确定性等问题的制约。随着科技的发展，具有物理机制的分布式水文模型有望实现水资源的动态、高效和科学评价，将成为未来水资源评价发展的方向。