基于水循環(huán)的分布式水資源調(diào)配模型開發(fā)與應(yīng)用

楊明智，許繼軍，桑連海，劉 強(qiáng)

（1．流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010；2．長江水利委員會(huì) 長江經(jīng)濟(jì)帶保護(hù)與發(fā)展戰(zhàn)略研究中心，湖北 武漢 430010）

1 研究背景

長期以來，國內(nèi)外對水資源配置的實(shí)踐和研究一般是通過還原實(shí)測徑流、評估天然水資源量的方式進(jìn)行水量分配，而隨著社會(huì)取用水量的加大，需要還原的水資源量占比逐漸加大，還原法所產(chǎn)生的誤差已經(jīng)難以被忽略［1-2］。并且，傳統(tǒng)的水資源配置一般采用集總式配置方法。在空間上，忽略計(jì)算分區(qū)內(nèi)自然地理?xiàng)l件和經(jīng)濟(jì)社會(huì)參數(shù)的空間差異性，均化了分區(qū)的下墊面和人類活動(dòng)強(qiáng)度空間特性，不利于基層單元的水資源管理［3］；在時(shí)間上，一般采用逐月配置的模式，不能實(shí)時(shí)響應(yīng)水資源的動(dòng)態(tài)變化對水資源配置的影響［4］。

隨著分布式水文模型的發(fā)展日漸成熟，一些學(xué)者提出了以水循環(huán)為基礎(chǔ)的水資源動(dòng)態(tài)配置模式。趙勇等［5］將平原區(qū)分布式水循環(huán)模型（PDWCM）與廣義水資源合理配置模型（GWRAM）耦合，采用分解和聚合的方式進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)了“自然-社會(huì)”水循環(huán)的全過程模擬。張洪剛等［6］利用NAM模型模擬流域水文過程，并將徑流轉(zhuǎn)化到MIKEBASIN 模型所劃分的各分區(qū)單元，實(shí)現(xiàn)了集總式水文模型與水資源配置模型的耦合，并對漢江流域進(jìn)行水資源配置研究。陳強(qiáng)等［7］通過改進(jìn)SWAT 模型，建立水文響應(yīng)單元與配置分區(qū)的空間拓?fù)潢P(guān)系，對水資源配置結(jié)果進(jìn)行時(shí)空展布，實(shí)現(xiàn)了SWAT 模型與水資源配置模型的松散耦合，計(jì)算了天津13 個(gè)區(qū)（縣）的農(nóng)業(yè)灌溉水量。張守平［8］通過時(shí)空展布方式，將以水資源三級區(qū)套地市為單位的配置分區(qū)數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭宰恿饔蚋叱處澐值挠?jì)算單元上，實(shí)現(xiàn)了集總式水資源配置模型與分布式水循環(huán)模型WEP-L 的耦合，并進(jìn)行了渭河流域水量水質(zhì)聯(lián)合配置研究。呂偉［9］將水資源配置信息進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與MIKE SHE 灌溉模塊的信息交互，構(gòu)建了灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化調(diào)配耦合模型，并在人民勝利渠灌區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用。曾思棟等［10］針對傳統(tǒng)水資源配置模型在水循環(huán)聯(lián)系方面的不足，通過插件式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)分布式水文模型DTVGM 與水資源配置的信息交互，開發(fā)了分布式水資源配置模型DTVGM-WEAR，并在宜昌市主城區(qū)及東風(fēng)灌區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用。桑學(xué)鋒等［11-12］通過水文模塊與水資源調(diào)配模塊緊密耦合，構(gòu)建了概念性分布式水資源綜合模擬與調(diào)配模型WAS，實(shí)現(xiàn)了自然-社會(huì)水循環(huán)過程的實(shí)時(shí)互饋模擬。

水資源配置模型與分布式水文模型的耦合研究至今已有十幾年時(shí)間，模型的發(fā)展也比較迅速。但是，其耦合方式多以松散耦合為主，即將水資源配置信息和水文模擬信息進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換，采用公用參數(shù)或者輸出文件單向傳遞的方式實(shí)現(xiàn)集總式水資源配置模型與分布式水文模型的耦合［3］。這種耦合方式雖然充分考慮了區(qū)域的空間異質(zhì)性和水循環(huán)過程，但主要是進(jìn)行信息的單向傳遞，忽略了自然水循環(huán)與社會(huì)水循環(huán)之間的動(dòng)態(tài)互饋?zhàn)饔?。以降?產(chǎn)流-入滲-蒸發(fā)為代表的自然水循環(huán)與以取水-用水-耗水-排水為代表的社會(huì)側(cè)枝水循環(huán)兩大過程相互聯(lián)系、密不可分，前一時(shí)段的水資源開發(fā)利用活動(dòng)直接影響著下一個(gè)時(shí)段的水資源數(shù)量及其空間分布［11］?；谒缮Ⅰ詈系乃Y源配置方法割裂了兩大水循環(huán)過程的聯(lián)系，不能很好地反映人類活動(dòng)用水過程與天然水文過程之間的相互影響，容易導(dǎo)致水資源配置結(jié)果出現(xiàn)偏差。在水文模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中嵌入水資源配置模塊，也即是二者的雙向耦合，是實(shí)現(xiàn)自然-人工水資源復(fù)雜系統(tǒng)精準(zhǔn)模擬的有效手段。盡管如此，當(dāng)前與分布式水文模型耦合的研究仍然較少，而且大多屬于半松散耦合的方式，只有少部分實(shí)現(xiàn)了雙向耦合，如WAS 模型。

因此，本文在分布式水文模型SWAT 的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)其內(nèi)置模塊，并將之與嵌入的水資源配置模塊相銜接，實(shí)現(xiàn)二者的雙向耦合，構(gòu)建基于SWAT 的分布式水資源調(diào)配模型（Water resources allocation and regulation model based on the SWAT, SWAT-WARM）。模型采用具有多元屬性的嵌套式單元?jiǎng)澐址椒?，便于水文模擬單元與水資源配置模擬單元之間的實(shí)時(shí)信息交互，實(shí)現(xiàn)了水文模型與水資源配置模型的雙向耦合，使SWAT-WARM 模型具有“自然-社會(huì)”二元水循環(huán)與水資源調(diào)配一體化模擬功能，可以在模擬過程中時(shí)刻保持自然水循環(huán)與社會(huì)側(cè)枝水循環(huán)之間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，詳細(xì)描述自然-社會(huì)水資源復(fù)雜互饋系統(tǒng)，既可以從宏觀上描述流域整體水循環(huán)狀況和水資源配置結(jié)果，也可從微觀上探究日尺度模擬單元的取用水結(jié)構(gòu)。

2 模型開發(fā)

2.1 模型結(jié)構(gòu)SWAT-WARM 模型是采用FORTRAN 語言在Microsoft Visual Studio2012 平臺(tái)下開發(fā)完成的。模型由分布式水文模型SWAT［13］和水資源配置模型兩大子模型聚合而成，其中水資源配置模型是為了便于與SWAT 模型結(jié)合而開發(fā)。通過改進(jìn)SWAT 模型中的相關(guān)模塊，將水資源配置子模型嵌入SWAT 模型，實(shí)現(xiàn)雙方模擬數(shù)據(jù)之間的實(shí)時(shí)交互。

水資源配置子模型主要由數(shù)據(jù)空間展布模塊、多源供水模塊、配置模塊、耗水模塊和排水模塊構(gòu)成，以SWAT 模型劃分的水文模擬單元作為基本配置單元，依托SWAT 模型驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。在模擬開始時(shí)，數(shù)據(jù)空間展布模塊將輸入的需水?dāng)?shù)據(jù)（或歷史用水?dāng)?shù)據(jù)）展布到計(jì)算單元上；多源供水模塊根據(jù)水源類型、取水規(guī)則等信息和由水文模型提供的水資源信息進(jìn)行逐日的取水計(jì)算；配置模塊根據(jù)每個(gè)計(jì)算單元取水量、行業(yè)用水需求和用水規(guī)則信息進(jìn)行逐日的水量分配，通過耗水和排水模塊輸出逐日取水、排水等信息，傳遞給水文模型；

水文子模型（SWAT）刻畫水文循環(huán)過程，實(shí)時(shí)模擬水循環(huán)變化對社會(huì)用水的影響，以及模擬社會(huì)用水對下一階段的水資源、供用水變化的影響，為水資源配置模型提供河道徑流量、湖庫蓄水量、地下含水層儲(chǔ)水量等實(shí)時(shí)水資源邊界條件信息。

兩大子模型互為一體、緊密聯(lián)系，又分擔(dān)各自的功能，通過輸入、輸出數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)互饋，構(gòu)成了一個(gè)完整的“自然-社會(huì)”水資源模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二元水循環(huán)和水資源配置一體化模擬。模型結(jié)構(gòu)框架見圖1 所示。

圖1 SWAT-WARM 模型結(jié)構(gòu)框架

2.2 耦合方法水資源配置子模型與水文子模型的信息雙向交互方式如下：在運(yùn)行開始時(shí)，（1）水資源配置模型的多源供水模塊將每個(gè)計(jì)算單元的需水信息和取水優(yōu)先序信息傳遞給水文模型，調(diào)用各水源模塊進(jìn)行取水量計(jì)算；（2）取水?dāng)?shù)據(jù)反向傳遞給水資源配置模型中的配置模塊，對每一個(gè)計(jì)算單元內(nèi)的各類用水部門進(jìn)行水量分配，之后將數(shù)據(jù)依次傳遞給耗水模塊和排水模塊，計(jì)算耗水量和排水量；（3）將排水?dāng)?shù)據(jù)返回水文模型的點(diǎn)面源模塊，進(jìn)行點(diǎn)源和面源排水計(jì)算；（4）重復(fù)（1）—（3）步驟，進(jìn)行逐日計(jì)算，得到整個(gè)模擬時(shí)段的區(qū)域水循環(huán)動(dòng)態(tài)變化和水資源實(shí)時(shí)配置模擬結(jié)果。通過模塊銜接，SWAT-WARM 模型可以在模擬過程中實(shí)現(xiàn)水文模型與水資源配置模型之間逐日信息的雙向傳遞。模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系見圖2 所示。

圖2 模塊的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系

為實(shí)現(xiàn)以上所描述的信息雙向交互，SWAT 模型與水資源配置模型的耦合設(shè)計(jì)包括計(jì)算單元?jiǎng)澐帧⒛K修改與銜接兩大部分內(nèi)容。

2.2.1 計(jì)算單元?jiǎng)澐?水文模型以自然分水嶺線的延伸方向劃分天然子流域，但是灌區(qū)邊界和行政區(qū)邊界一般不與自然地貌重合，導(dǎo)致所劃分的計(jì)算單元在空間位置上與行政區(qū)、灌區(qū)難以很好地對應(yīng)，影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性［14］。本研究采用基于“子流域-行政區(qū)-灌區(qū)-土地利用-土壤”多元屬性的嵌套式坡面離散方法進(jìn)行計(jì)算單元?jiǎng)澐郑▓D3（a））。首先，提取河網(wǎng)水系，劃分天然子流域；然后，疊加土地利用信息、土壤類型信息和坡度信息，劃分水文響應(yīng)單元（HRU）；最后，將HRU 依次疊加行政區(qū)邊界和灌區(qū)邊界，將其進(jìn)一步切割成多個(gè)水文模擬單元，最終完成計(jì)算單元?jiǎng)澐?。每一個(gè)計(jì)算單元都具有子流域?qū)傩浴⑿姓^(qū)屬性、灌區(qū)屬性、土地利用類型屬性和土壤類型屬性。

通過計(jì)算單元?jiǎng)澐郑顾哪M單元與基本配置單元一一對應(yīng)，從而建立水資源配置模型計(jì)算單元與水文模型計(jì)算單元之間的空間拓?fù)潢P(guān)系。每一個(gè)計(jì)算單元既是水文模型的水文模擬單元，又是水資源配置模型的基本配置單元。計(jì)算單元內(nèi)的用水部門類型劃分視水文模擬單元的土地利用類型而定：如果一個(gè)水文模擬單元的土地利用類型是城鎮(zhèn)用地，則對應(yīng)的用水部門包括城鎮(zhèn)居民、工業(yè)和服務(wù)業(yè)等；如果是農(nóng)村用地，則對應(yīng)的用水部門包括農(nóng)村居民和畜禽等；如果是農(nóng)業(yè)用地，則對應(yīng)的用水部門包括農(nóng)田、林地和草地等（圖3（b））。

圖3 計(jì)算單元?jiǎng)澐?/p>

這樣的劃分方式，既能體現(xiàn)分布式水文模型的單元?jiǎng)澐痔攸c(diǎn)，也滿足了區(qū)域水資源管理的需求，為兩個(gè)子模型模擬信息的雙向傳遞奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同尺度的水資源配置模擬。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，水資源配置模型可以根據(jù)計(jì)算單元的類型識別其各用水部門的取水源及其取水優(yōu)先序，進(jìn)而傳遞和調(diào)用水文模型中的各類水源模塊，計(jì)算各個(gè)單元的行業(yè)用水量和水源取水量，從而進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)各行政分區(qū)和整個(gè)研究區(qū)的水資源配置結(jié)果。

2.2.2 模塊修改與銜接 為實(shí)現(xiàn)水資源配置模型與SWAT 模型的耦合，需要對SWAT 模型的部分模塊進(jìn)行代碼修改，并與水資源配置模型中的相關(guān)模塊進(jìn)行銜接。

（1）耗用水模塊修改。SWAT 模型中的耗用水模塊包括rchuse 模塊（河道取水）、res 模塊（水庫取水）和watuse 模塊（淺水層取水、深水層取水和坑塘取水），但耗用水的設(shè)計(jì)僅能反映其逐月變化特征。因此，對三個(gè)耗用水模塊進(jìn)行代碼修改，將月取水參數(shù)修改為日取水參數(shù)，實(shí)現(xiàn)逐日用水模擬。此外，在watuse 模塊中添加外調(diào)水取水和再生水處理與使用程序，實(shí)現(xiàn)外調(diào)水和再生水在生活、工業(yè)和服務(wù)業(yè)等用水部門中的使用。

（2）灌溉水源模塊修改。SWAT 模型中的灌溉水源模塊包括irr_rch 模塊（河道灌溉）、irr_res 模塊（水庫灌溉）和irrsub 模塊（淺層地下水灌溉、深層地下水灌溉和外調(diào)水灌溉）。在irrsub 模塊中添加坑塘取水程序，實(shí)現(xiàn)坑塘水在農(nóng)業(yè)灌溉供水方面的使用。SWAT 模型采用將水源取水量直接添加到HRU 上的方式進(jìn)行灌溉模擬，渠系蒸發(fā)、渠系滲漏和渠系退水都作為系統(tǒng)損失，這會(huì)影響水文模擬的準(zhǔn)確性。因此，對三個(gè)灌溉水源模塊進(jìn)行修改，相應(yīng)的計(jì)算公式如下：

式中：ETcan為渠系蒸發(fā)損失量，mm；Irrcan為進(jìn)入渠道的灌溉水量，mm；Lscan為渠系滲漏損失量，mm；Surpcan為渠系退水量，mm；φ為渠系水有效利用系數(shù)；α為渠系蒸發(fā)系數(shù)；β為渠系滲漏系數(shù)。

（3）水源模塊的銜接。多源供水模塊首先識別計(jì)算單元的土地利用類型。若是居工地，則程序進(jìn)入城鄉(xiāng)供水計(jì)算流程；若是農(nóng)田用地，則程序進(jìn)入灌溉供水計(jì)算流程；若是其他土地利用類型，則該計(jì)算單元不進(jìn)行供用水模擬。然后，根據(jù)設(shè)定的取水優(yōu)先序規(guī)則識別計(jì)算單元的水源識別碼和取水優(yōu)先序代碼，依次調(diào)用各水源模塊（圖4）。河道、水庫、淺層地下水、深層地下水、外調(diào)水、坑塘水和再生水的水源識別碼分別是1、2、3、4、5、6、7。

圖4 多源供水模塊中的水源模塊調(diào)用流程

（4）地下水模塊修改。對gwmod 模塊相關(guān)代碼進(jìn)行修改，描述渠系滲漏水量、城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏失水量補(bǔ)給潛水這一過程。修改公式如下：

式中：rht為第t天的潛水補(bǔ)給量，mm；rht-1為第t-1 天的潛水補(bǔ)給量，mm；prc為補(bǔ)給地下水的土壤滲漏水量，mm；Lscan為渠系漏損量，mm；Lspip為城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏失量，mm；delay為地下水補(bǔ)給延遲系數(shù)，mm；WSP為水源取水量，m3；pip為城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏損率；Area為計(jì)算單元的面積，m2。

（5）地表產(chǎn)流模塊修改。對surface 模塊進(jìn)行修改，在地表產(chǎn)流計(jì)算公式中添加渠道退水參數(shù)。這樣，渠道退水隨地表徑流進(jìn)入河道，參與后續(xù)的河道匯流過程模擬。

（6）點(diǎn)源、面源模塊銜接。為實(shí)現(xiàn)水資源配置模型的排水模塊與SWAT 模型的點(diǎn)源模塊（recday 模塊和recmon 模塊）的銜接，將點(diǎn)源模塊中的排水參數(shù)置換為排水模塊計(jì)算出的排水參數(shù)，采用錯(cuò)日傳遞法［14］將排水?dāng)?shù)據(jù)傳遞給點(diǎn)源模塊，將產(chǎn)生的污水安排在下一日模擬時(shí)排放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)源的逐日銜接模擬。

式中：PWy,i和WPy,i分別為第y年第i日的點(diǎn)源排放量和生活工業(yè)污水排放量，m3；dlt為一年的天數(shù)，dlt= 365 或366。

城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)廢水產(chǎn)生量由排水模塊模擬計(jì)算獲得，計(jì)算公式如下：

式中：Wrd為城鎮(zhèn)生活污水/工業(yè)廢水產(chǎn)生量，m3，是在耗水模塊中采用行業(yè)實(shí)際用水量乘以耗水系數(shù)計(jì)算獲得；vd為廢污水處理率；re為再生水利用率。

農(nóng)村居民生活污水和畜禽養(yǎng)殖污水排放量計(jì)入其所在計(jì)算單元的地表產(chǎn)流計(jì)算中，相關(guān)參數(shù)在subbasin 模塊中修改。

2.3 配置規(guī)則考慮到水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性，采用目標(biāo)函數(shù)和約束條件構(gòu)建的優(yōu)化配置模型容易出現(xiàn)求解困難或優(yōu)化結(jié)果偏離實(shí)際的情況［15］。SWAT-WARM 模型采用基于規(guī)則的水資源配置方法，通過對水資源系統(tǒng)各過程的模擬與控制，在設(shè)定的規(guī)則下進(jìn)行水量分配，比優(yōu)化模型具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和仿真性，可以針對水資源復(fù)雜系統(tǒng)有效地進(jìn)行多水源向多用戶的水量分配［16］。所設(shè)定的配置規(guī)則主要包括水量分配規(guī)則、供水優(yōu)先序規(guī)則、用水優(yōu)先序規(guī)則、水量平衡規(guī)則、水源利用規(guī)則、生態(tài)保護(hù)規(guī)則等。在配置求解方法上，模型以水源可利用水量、工程供水能力、取水總量限制等為約束條件，按照設(shè)定的水源優(yōu)先順序依次計(jì)算各水源供水量，以計(jì)算單元的編號順序，按照設(shè)定的用水優(yōu)先級進(jìn)行逐日循環(huán)計(jì)算，盡可能地滿足受水單元。

2.3.1 水量分配規(guī)則 水量分配計(jì)算以最大程度地滿足計(jì)算單元的用水需求為原則，計(jì)算公式如下

式中：TWf為計(jì)算單元的缺水量；I為計(jì)算單元內(nèi)的用水部門個(gè)數(shù)；WDi為第i個(gè)用水部門的需水量，m3，由輸入的總需水量數(shù)據(jù)展布得來；WUi為第i個(gè)用水部門的實(shí)際用水量，m3。

2.3.2 用水優(yōu)先序規(guī)則 計(jì)算單元內(nèi)的城鄉(xiāng)生活、工業(yè)、服務(wù)業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉等用水部門對水量的分配存在優(yōu)先順序要求。SWAT-WARM 模型允許每一個(gè)計(jì)算單元根據(jù)自身的管理需求，對單元內(nèi)的用水部門設(shè)置或調(diào)整用水次序方案。程序根據(jù)計(jì)算單元當(dāng)日的取水量依次分配給各用水部門，直至分配完畢為止。用水優(yōu)先計(jì)算流程見圖5(a)所示。行業(yè)用水計(jì)算表達(dá)式如下：

式中：WDi和WUi分別為計(jì)算單元內(nèi)用水優(yōu)先序?yàn)閕的用水部門當(dāng)日的需水量和用水量，m3；I為用水部門個(gè)數(shù)；WSP為計(jì)算單元當(dāng)日的取水量，m3；pip為供水管網(wǎng)漏損率（城鎮(zhèn)生活、工業(yè)等）或灌溉水利用率（農(nóng)業(yè)灌溉）。

2.3.3 供水優(yōu)先序規(guī)則 計(jì)算單元對設(shè)定的外調(diào)水、水庫水、河道水、坑塘水、地下水、再生水等多種水源存在供水優(yōu)先順序要求。SWAT-WARM 模型允許每一個(gè)計(jì)算單元根據(jù)自身的水源偏好，設(shè)定或調(diào)整水源供水次序方案。程序從指定的水源進(jìn)行順序取水計(jì)算，直至滿足該計(jì)算單元的當(dāng)日需水量或者到最后一個(gè)供水源供水完畢為止。供水優(yōu)先計(jì)算的流程如圖5（b）所示。水源取水計(jì)算表達(dá)式如下：

圖5 用水、供水優(yōu)先計(jì)算流程圖

式中：WSPi為計(jì)算單元中供水優(yōu)先序?yàn)閕的水源當(dāng)日的取水量，m3；I為供水源個(gè)數(shù)；WD為計(jì)算單元當(dāng)日的需水量，m3；WF為取水工程的供水能力，m3；Wsc為水源當(dāng)日的可利用水量，m3；WMX為區(qū)域取水限制總量，m3。

2.3.4 水量平衡規(guī)則 包括河流水量平衡、湖庫水量平衡、土壤水量平衡、地下水量平衡等內(nèi)容。這些在SWAT 模型內(nèi)置的相關(guān)模塊中都有體現(xiàn)。

2.3.5 取水總量控制規(guī)則 模型中以設(shè)置的區(qū)域地表水利用總量和地下水開采總量為取水總量限制條件，通過分階段配置的方式實(shí)現(xiàn)地表、地下水資源的聯(lián)合調(diào)配。取水總量可以在年內(nèi)滾動(dòng)提取，不能跨年度累積。

式中：I、J分別為年總天數(shù)和計(jì)算單元總個(gè)數(shù)；Wsij為第i天、計(jì)算單元j的地表水利用量，m3；WSM為區(qū)域年度地表水允許利用量，m3；Wgij為第i天、計(jì)算單元j的地下水開采量，m3；WGM為區(qū)域年度地下水允許開采量，m3。

2.3.6 生態(tài)保護(hù)規(guī)則 為了維持水體自凈能力、保護(hù)水生生態(tài)系統(tǒng)等要求，需要滿足河道內(nèi)的生態(tài)流量需求。對此，模型允許設(shè)置生態(tài)流量控制閾值，當(dāng)河道流量低于該閾值時(shí)，將不能在河道取水，以保護(hù)河道生態(tài)流量。

式中：Qeco為河道生態(tài)流量控制閾值，m3/s；I為從河道取水的用水戶個(gè)數(shù)；WSPi為用水戶i的河道取水量，m3；Qrch為河道流量，m3/s。

通過以上的設(shè)計(jì)，SWAT-WARM 模型具有了“自然-社會(huì)”二元水循環(huán)與水資源實(shí)時(shí)配置一體化模擬功能。

3 案例應(yīng)用

3.1 研究區(qū)概況唐河流域地處漢江流域中部，是唐白河流域的一條支流流域，北起伏牛山地區(qū)，西與白河為鄰，東靠桐柏山脈，與淮河隔山相望，南抵翟灣兩河口，流域總面積約為8473 km2（圖6）。地勢由東北向西南傾斜，唐河水系主要由干流唐河及其分支毗河、泌陽河、桐河、澗河等，涉及社旗縣、沁陽縣、桐柏縣、方城縣、宛城區(qū)、臥龍區(qū)、新野縣、襄州區(qū)和棗陽市等地。唐河流域境內(nèi)河道縱橫，渠系密布，南水北調(diào)中線渠在流域北部的方城縣境內(nèi)穿過，供水范圍涉及方城縣、社旗縣和唐河縣三縣。唐河流域氣候溫和、雨量充沛、地形平坦、土壤肥沃，盛產(chǎn)小麥、水稻、花生等糧油作物。但是，流域降水變率大，具有基流小、洪峰高的特點(diǎn)，是漢江徑流的低值區(qū)［17］，年內(nèi)分配極為不均，地表水資源年際變化大、豐枯非常懸殊，常發(fā)生洪、旱災(zāi)害。為防洪抗旱、保障農(nóng)業(yè)灌溉用水，流域內(nèi)建有宋家場水庫、虎山水庫等水庫。

圖6 研究區(qū)地理位置

3.2 模型構(gòu)建

3.2.1 計(jì)算單元?jiǎng)澐?從SRTM 數(shù)據(jù)下載平臺(tái)（http://srtm.csi.cgiar.org/）下載研究區(qū)DEM 數(shù)據(jù)；從資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心下載土地利用數(shù)據(jù)和土壤類型數(shù)據(jù)，并通過查詢中國土壤數(shù)據(jù)庫獲取土壤相關(guān)參數(shù)?；谝陨线b感數(shù)據(jù)劃分天然子流域和HRU，再依次疊加行政區(qū)劃信息及灌區(qū)分布信息，將HRU 進(jìn)一步細(xì)分，共獲得19 個(gè)子流域和760 個(gè)計(jì)算單元（圖7）。這樣，每個(gè)計(jì)算單元都具有子流域、行政區(qū)、灌區(qū)、土壤類型和土地利用類型屬性，從而構(gòu)建水文模擬單元與基本配置單元之間的一一對應(yīng)關(guān)系。

圖7 計(jì)算單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果

3.2.2 數(shù)據(jù)輸入 本研究的模型構(gòu)建需要輸入的數(shù)據(jù)主要有：

（1）氣象觀測數(shù)據(jù)：包括唐河流域內(nèi)及鄰近的4 個(gè)氣象站的1981—2016年氣象數(shù)據(jù)，包括日降水量、日最高及最低氣溫、相對濕度、日照時(shí)數(shù)風(fēng)速等氣象要素；

（2）經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)?shù)據(jù)：通過查詢2006—2016年南陽市水資源公報(bào)、襄陽市水資源公報(bào)等資料，獲得歷年各行政區(qū)行業(yè)用水?dāng)?shù)據(jù)和地表水、地下水資源利用量數(shù)據(jù)；

（3）水利工程信息：主要包括水庫庫容、灌溉渠道過水能力、電機(jī)井日提水能力等數(shù)據(jù)；

（4）耗用水效率信息：主要包括渠系水有效利用系數(shù)、行業(yè)耗水率、污水處理率等內(nèi)容。考慮到唐河流域的再生水利用量很少，不到用水總量的0.1%，故本次不考慮流域再生水利用情況，不設(shè)置再生水利用率參數(shù)。

3.2.3 配置規(guī)則設(shè)置 根據(jù)唐河流域供用水實(shí)際情況及水庫、渠道等水利工程空間分布情況，明晰輸配水去向，采用導(dǎo)入信息表的方式設(shè)置取用水優(yōu)先序規(guī)則，主要包括供水源類型、水源供水優(yōu)先次序方案、用水部門類型和行業(yè)用水優(yōu)先次序方案等規(guī)則信息。由此構(gòu)建用水部門與取水源之間的空間拓?fù)潢P(guān)系。

3.3 模型校驗(yàn)本文參照文獻(xiàn)［12］的多指標(biāo)校驗(yàn)方法，按照先水文校驗(yàn)、后水量校驗(yàn)的次序，分別對河道徑流、特征頻率年的徑流總量、國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)用水量和水源取水量進(jìn)行校驗(yàn)。首先調(diào)整徑流過程，然后對校驗(yàn)?zāi)陱搅骺偭?，確定水文參數(shù)；最后，對行業(yè)用水量和水源取水量進(jìn)行校驗(yàn)，確定社會(huì)水循環(huán)參數(shù)。在評價(jià)指標(biāo)選擇方面，采用相關(guān)系數(shù)R2和納什效率系數(shù)Ens兩個(gè)性能指標(biāo)評價(jià)河道斷面徑流模擬效果，采用偏差百分比指標(biāo)PBIAS 評價(jià)年徑流總量、行業(yè)用水量、地表和地下水資源利用量的模擬效果。一般認(rèn)為，當(dāng)PBIAS 值在±25%范圍內(nèi)、R2＞0.60、Ens＞0.50 時(shí)，模擬精度是令人滿意的［20-21］。

3.3.1 徑流校驗(yàn) 通過對徑流曲線數(shù)、蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)、河床水力傳導(dǎo)度等主要水文參數(shù)的調(diào)整，郭灘水文站的模擬徑流過程與實(shí)測徑流過程對比結(jié)果見表1和圖8 所示。在率定期（1983—2002年），郭灘站月徑流模擬值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)為0.741，納什效率系數(shù)為0.734。在驗(yàn)證期（2003—2016年），郭灘站月徑流模擬值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)為0.724，納什系數(shù)為0.685。可以看出，模型對水文過程的模擬精度達(dá)到了要求值。

圖8 郭灘站的實(shí)測與模擬月徑流過程對比

表1 郭灘水文站的月徑流模擬結(jié)果

3.3.2 徑流總量校驗(yàn) 通過1983—2016年長系列模擬，獲得郭灘水文站多年平均、25%、50%、75%和90%水平年的年徑流量結(jié)果，與實(shí)測年徑流量的偏差百分比結(jié)果見表2。由表可知，郭灘站多年平均、25%、50%、75% 和90%頻率年的偏差百分比分別為7.82%、23.96%、2.17%、-19.34 和-7.58%。可以看出，模型對徑流總量的模擬精度達(dá)到了要求值。

表2 不同水平年郭灘水文站年徑流總量的偏差百分比

3.3.3 供用水校驗(yàn) 由于水資源公報(bào)中的供用水?dāng)?shù)據(jù)是以行政區(qū)為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的，本次基于《南陽市水資源公報(bào)》（2010—2016），選擇行政范圍基本全部位于唐河流域境內(nèi)的唐河縣和社旗縣兩個(gè)縣的歷年實(shí)際用水?dāng)?shù)據(jù)和水資源開發(fā)利用量數(shù)據(jù)進(jìn)行取用水量校驗(yàn)。通過對渠系水有效利用系數(shù)、渠系輸水蒸發(fā)率、生活工業(yè)耗水率等主要社會(huì)水循環(huán)參數(shù)的調(diào)整，供用水量模擬結(jié)果的偏差百分比見表3所示，模擬結(jié)果對比見圖9 所示。

表3 2010—2016年社旗縣和唐河縣供用水模擬結(jié)果的偏差百分比

圖9 唐河縣和社旗縣2010—2016年供用水實(shí)際值與模擬值對比

社旗縣的供用水量偏差百分比幾乎全部為0%，模擬效果很好。唐河縣用水總量偏差百分比為5.6%，地表水、地下水供水量偏差百分比分別為3.1%、6.6%，均在10%以內(nèi)。這是因?yàn)樘坪涌h經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水以地下水為主，長系列模擬造成了模型中設(shè)置為供水源的子流域內(nèi)的地下水量采補(bǔ)失衡，使唐河縣地下水利用量模擬誤差相對偏高，也致使行業(yè)用水量的模擬值在整體上略小于實(shí)際值?？傮w上，模型對取用水的模擬結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)，可以較好地反映實(shí)際情況。

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 流域年度水資源配置結(jié)果分析 SWAT-WARM 模型可以統(tǒng)計(jì)、分析并輸出流域年度水資源配置結(jié)果。以75%特征頻率年為例，唐河流域的行業(yè)用水和水源供水結(jié)果見表4所示。唐河流域用水總量為9.19 億m3，其中生活用水（含生態(tài)用水）、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水分別為1.18 億m3、1.18 億m3和6.83 億m3。其中，南陽市用水量最大（5.48 億m3），其次為駐馬店市（1.96 億m3），襄陽市用水量最?。?.76 億m3）。在各供水水源中，地下水供水量最高（4.91 億m3），占總供水量的53.37%，其次為水庫水（3.64 億m3），占總供水量的39.65%，外流域供水量最?。s0.02 億m3），僅占總供水量的0.2%。唐河流域內(nèi)南陽市的地下水利用量最高，達(dá)3.73 億m3，占地下水用水總量的76.04%；其次是駐馬店市（1.03 億m3），占地下水用水總量的20.91%；襄陽市地下水利用量最小（0.15億m3），僅占用水總量的3.05%。

表4 唐河流域75%頻率年的水資源配置結(jié)果

3.4.2 流域年度水循環(huán)轉(zhuǎn)化分析 以75%頻率年為例，通過匯總唐河流域的水循環(huán)模擬結(jié)果，獲得流域水循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系見圖10 所示。全流域降水總量65.04 億m3，地表產(chǎn)流量9.86 億m3，總徑流量11.13 億m3，年末土壤水蓄變量-10.31 億m3、地表水蓄變量1.78 億m3、地下水蓄變量為-4.34 億m3。全流域耗水總量為66.62 億m3，其中土壤蒸發(fā)18.56 億m3，植被散發(fā)44.20 億m3，截留蒸發(fā)2.10 億m3，積雪升華0.37 億m3，水面蒸發(fā)0.47 億m3，生活工業(yè)用水消耗0.92 億m3。全流域的經(jīng)濟(jì)社會(huì)總用水量為9.19 億m3，地表水利用量4.29 億m3（含外調(diào)水0.02 億m3），地下水利用量4.91 億m3，經(jīng)濟(jì)社會(huì)耗水量和排水量分別為5.74 億m3和3.45 億m3，流域出境總水量8.17 億m3。

圖10 唐河流域75%頻率年的自然-社會(huì)水循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系圖（單位：億m3）

3.4.3 行政區(qū)月供需平衡分析 SWAT-WARM 模型可以統(tǒng)計(jì)、分析并輸出每個(gè)行政單元的逐月水量平衡分析結(jié)果。以社旗縣為例， 75%頻率年的水量供需平衡分析結(jié)果見表5所示。由表可知，75%頻率年社旗縣經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水量為12 305 萬m3，供水量為11 178 萬m3，全年缺水1127 萬m3。缺水月份分別為3月、10—12月，其中，11月份缺水量最大（754 萬m3），其次是10月份（326 萬m3），3月份和12月份為輕微缺水（分別是36 萬m3和11 萬m3）。

表5 2016年社旗縣在75%頻率年的水量供需平衡結(jié)果

3.4.4 計(jì)算單元逐日取用水分析 SWAT-WARM 模型可以模擬并輸出每一個(gè)計(jì)算單元的逐日水量分配結(jié)果。本次選取了第365 號計(jì)算單元（農(nóng)田）和第757 號計(jì)算單元（城市）作為分析對象。兩個(gè)計(jì)算單元在75%頻率年都利用了河道、水庫和地下含水層三種水源。其中，第365 號計(jì)算單元的水源供水次序?yàn)椋核畮欤竞拥溃镜叵潞畬樱坏?57 號計(jì)算單元的水源供水次序?yàn)椋汉拥溃舅畮欤镜叵潞畬?。兩個(gè)計(jì)算單元在75%頻率年的行業(yè)用水和水源供水逐日模擬結(jié)果見圖11 所示。

圖11 75%頻率年唐河流域第365 號和757 號計(jì)算單元的逐日水量分配結(jié)果圖

由圖可知，SWAT-WARM 模型根據(jù)指定的配置規(guī)則對兩個(gè)計(jì)算單元進(jìn)行了多源互濟(jì)供水，滿足了計(jì)算單元內(nèi)各用水部門每日的用水需求。第365 號計(jì)算單元的水庫水利用量最大（324.33 萬m3），占總用水量的67.35%，河道水利用水量最?。?6.47 萬m3），占比僅為3.42%。在6—8月份，地下水成為了最重要的補(bǔ)充灌溉水源。這是因?yàn)樗畮煸谇皫讉€(gè)月的供水，蓄水量不足，而這段時(shí)間正是唐河流域的降雨集中期，較多的降雨有利于潛水補(bǔ)給。因此，水庫供水量減小，地下水利用量增加。第757號計(jì)算單元以河道取水為主，全年取水量占總量的74.53%（2241.43 萬m3）。在1月12—23日和6月25日—7月9日兩段時(shí)間因河道水量不足，進(jìn)行了水庫補(bǔ)充供水，全年供水量為139.62 萬m3，僅占總量的4.64%。在進(jìn)入10月份后，河道徑流量降低，難以繼續(xù)支撐該計(jì)算單元的用水需求。因此，在10月16日開始使用地下水進(jìn)行補(bǔ)充。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

（1）本文通過修改SWAT 模型源代碼，設(shè)計(jì)并嵌合水資源配置模塊，構(gòu)建了基于水循環(huán)的分布式水資源調(diào)配模型SWAT-WARM，提出了包含計(jì)算單元?jiǎng)澐?、模塊修改與銜接以及配置規(guī)則的雙向耦合方法，實(shí)現(xiàn)了“自然-社會(huì)”水循環(huán)動(dòng)態(tài)互饋與水資源實(shí)時(shí)配置一體化模擬，具有了刻畫水資源系統(tǒng)多水源、多工程、多用戶的功能，能夠?qū)⑺磁c用水戶之間的拓?fù)潢P(guān)系、水量在水資源系統(tǒng)中的傳遞關(guān)系得到客觀、清晰的描述，不僅能夠反映自然水循環(huán)過程對社會(huì)取用水的影響，還能夠反映經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)對自然水循環(huán)過程的實(shí)時(shí)干預(yù)，充分體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水過程與天然水文過程之間的動(dòng)態(tài)反饋?zhàn)饔谩?/p>

（2）模型采用嵌套式單元?jiǎng)澐址椒?，既能體現(xiàn)分布式水文模型的單元?jiǎng)澐痔攸c(diǎn)，也滿足了區(qū)域水資源管理的需求，拓展了水資源配置的時(shí)空尺度：宏觀上，能夠提供區(qū)域的年尺度水循環(huán)轉(zhuǎn)化及水資源配置結(jié)果；中觀上，能夠提供行政分區(qū)的月尺度供需平衡分析；微觀上，能提供計(jì)算單元的日尺度行業(yè)用水過程和水源取水過程。模型采用基于規(guī)則的模擬方法，仿真性強(qiáng)，可以通過設(shè)計(jì)或調(diào)整區(qū)域用水需求、水源取水限制條件及供、用水優(yōu)先順序等多種規(guī)則，制定出代表不同利益的配置方案，為區(qū)域水資源規(guī)劃與精細(xì)化管理提供良好的決策。

（3）以唐河流域?yàn)檠芯繉ο螅捎冒ê拥罃嗝鎻搅鬟^程、特征頻率徑流總量、國民經(jīng)濟(jì)用水量和水資源開發(fā)利用量等多指標(biāo)校驗(yàn)方法對模型的模擬效果進(jìn)行校驗(yàn)。模型在郭灘站率定期（1983—2002年）的月徑流模擬的相關(guān)系數(shù)為0.741，納什效率系數(shù)為0.734，在驗(yàn)證期（2003—2016年）月徑流模擬的相關(guān)系數(shù)為0.724，納什效率系數(shù)為0.685；流域多年平均、25%、50%、75%和95%水平年的年徑流量模擬值與實(shí)際值的偏差百分比分別為7.82%、23.96%、2.17%、-19.34 和-7.58%；社旗縣的供用水量模擬值與實(shí)際值的偏差百分比均接近0%，唐河縣供用水量的偏差百分比均小于10%。以上結(jié)果均達(dá)到了模擬精度要求。在此基礎(chǔ)上，分別分析了年尺度全流域水資源配置結(jié)果、月尺度行政分區(qū)供需平衡結(jié)果和日尺度計(jì)算單元取用水過程模擬結(jié)果，并給出了全流域自然-社會(huì)水循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系圖。綜上可見，模型能夠反映流域水循環(huán)過程和水資源開發(fā)利用情況，可以支撐水資源精細(xì)化管理需求。

4.2 展望

（1）本研究所構(gòu)建的SWAT-WARM 模型是一種基于規(guī)則的水資源配置模擬模型，由于難以有效控制數(shù)量眾多的約束條件及參數(shù)，一般采用經(jīng)驗(yàn)法組建多種情景，容易忽略系統(tǒng)最優(yōu)解，致使模擬方案的目標(biāo)針對性不強(qiáng)。如何將優(yōu)化算法與SWAT-WARM 模型進(jìn)行結(jié)合，綜合優(yōu)化模型和模擬模型的優(yōu)點(diǎn)，還需要做進(jìn)一步的探討研究。

（2）在模型中，計(jì)算單元需水量是按照計(jì)算單元所在行政區(qū)的面積占比進(jìn)行時(shí)空展布獲得的，忽略了不同城鎮(zhèn)之間人口分布、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的空間差異，也未考慮各用水部門對水資源的需求強(qiáng)度的時(shí)間差異，當(dāng)模擬面積較大區(qū)域時(shí)，可能會(huì)影響模擬精度。此外，模型沒有設(shè)計(jì)水源對不同供水對象的分水比例，當(dāng)在有明確分水比例的地區(qū)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，可能會(huì)造成一定的誤差。這些設(shè)計(jì)方法都有待進(jìn)一步的改善。

（3）SWAT-WARM 模型內(nèi)嵌合了分布式水文模型（SWAT）的水質(zhì)相關(guān)模塊，為精細(xì)描述水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化過程提供了良好的基礎(chǔ)。但本次研究僅限于對水量的分配，沒有考慮水質(zhì)對水資源配置的影響，后續(xù)工作可以考慮在模擬規(guī)則中增加分質(zhì)供水條件，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水量水質(zhì)聯(lián)合模擬與配置，進(jìn)一步完善模型的綜合性能與實(shí)用性能。