水资源管理典型模型技术研究综述

石春力，金陶陶，任海静，孔祥娟

(1.住房和城乡建设部科技发展促进中心，北京 100835;2.中国环境规划院，北京 100012)

水是人民生活和经济社会发展的基础性战略资源，同时又是生态环境的制约要素，也是实现社会经济可持续发展的重要物质基础。随着城市化进程加快，城市规模与分布密度不断增大，水资源需求由局部问题演变为区域性突出问题，水资源进入了综合管理时期，其核心任务是保证供水，满足城市的稳定用水，确保各城市水资源管理部门能够合理、均衡科学地分配水资源［1］。因此，加强水资源管理依然是解决当前世界上很多地方水问题的主要途径和有效手段。当前不少国家和地区，尤其是西方发达国家的水资源管理已达到相当高的水平。

水资源管理模型为改善水资源系统调度和分配、水资源区域规划、水环境战略保护提供决策支持和帮助，可以预测不同水文情景下的水资源缺乏问题［2］。特别是在城市雨洪频发、气候变化等综合因素影响下，模型系统为预测水源－需求时空关系，设置最佳缓解措施提供一种有效的方法［3］。适当地干预可减少水源缺乏对社会、经济以及环境的影响。

1 水资源模型比较分析

水资源模型的共同特点是计算研究流域内每一时间步长的水量平衡，这些模型模拟了水资源的来源、去处以及在此过程中的变化情景，如时空范围内水质情况。公共以及私人机构已经开发了多接口的图形化交互界面模型，用于研究解决水系统中与水资源相关的规划和管理问题，从而满足不同层次规划和决策需求［4］。该研究涉及的主要模型既有自身突出功能特征，相互之间又有差别，其主要功能差异比较如下:AQUATOOL、MODSIM和WEAP模型均是使用单一时间步长进行优化的模型，而RIBASIM和WARGI－SIM模型仅是基于if－then条件语句的模型。从技术上而言，MODSIM模型是解决河网流量问题的最优工具，该模型根据物理、水文以及制度方面分配水资源［5］。WEAP模型使用标准的线性规划的方法解决每一时间步长水资源分配问题，其目的是最大限度地满足基于供需顺序的水资源需求。在AQUATOOL模型中，地表水系统的模拟和管理1次完成，解决月时间步长的稳态河网流量优化问题。另一方面，仅用于模拟水资源系统的模型如RIBASIM和WARGI－SIM可以让系统性能的指标值更低(如用户定义水资源供给水平的脆弱性或者依赖性)。但是，RIBASIM和WARGI－SIM模型更适于不能满足系统理想条件时，模拟制定实际管理措施。不同于传统政策，这些措施能够根据水库的水文条件和存储能力非常精确地确定水库供水量，从而制定供给和需求次序。AQUTOOL、RIBASIM和 WARGI－SIM模型的管理措施是固定的，而在MODSIM和WEAP模型中是由系统状态和水文条件综合集成后的最佳管理实践。尤其是最新版本的MODSIM模型是基于MS.NET框架开发的，该版本允许用户在不修改源码的情况下根据需求制定运行条件。虽然通用的模型在制定情景措施的详细程度和类型上存在差别，但是它们都包含了优先次序的理念。

虽然上述模型均具有水质模拟功能，但是大多数水质模型模块和算法较水质模型相对简单。除此之外，MODSIM和WEAP模型嵌套了精确的二维水质模型(如美国环保署的QUAL2E模型)，以提供非常详细而全面的系统水质状况，包括氨氮、硝酸盐、有机和无机磷、藻类、沉积物、pH和病原体。这种综合方法允许共同考虑水质和水量作为水资源管理的先决条件。因此，用户可以清楚地确定权衡水质和水量之间的目标。此外，MODSIM和WEAP模型可以与MODFLOW模型联动，该模型是一个三维有限差分地下水模型，是研究地下水位变化对整个系统的影响，反之亦然。然而，与MODFLOW模型联动耦合不是一项简单的工作，这需要大量的校准工作。在AQUATOOL模型中，用户可以选择其中一个模块模拟地下水情况，模拟范围从一个水库模块到一个不规则含水层的分布式模块。

2 水资源模型主要功能介绍

2.1 AQUATOOL模型 AQUATOOL是西班牙瓦伦西亚大学(UPV)开发的一个DSS系统，该模型用于包含多个水库、含水层以及需求中心的复杂流域水资源管理和决策［6－7］。在WINDOWS系统下运行，AQUATOOL已经可以由不同的程序语言编译，如C++、Virual Basic和FORTRAN等。目前，该决策支持系统已经升级拓展了一些模块，包括模拟模块(SimWin)、在SimWin模块基础上运行水资源系统管理模块(SimRisk)、以月为步长的优化模块(OptiWin)以及模拟地下水分布的特征值法(AquiVal)模块。SimRisk是以月为步长进行模拟，可以用于非线性过程，如蒸发和渗透。SimWin分为5类面向对象的连接，允许用户再生成水资源损失，节点之间的水动力链接，水库以及基于水位的流量和含水层限制［8］。

2.2 MODSIM模型 MODSIM决策支持系统是由美国科罗拉多州立大学在20世纪70年代末研发的［9］。MODSIM模拟系统通过优化非线性水网流量，对每一时间步长内水资源分配进行模拟(如蒸发地下水回流、水道损失等)，并进行连续评估，使用拉格朗日算法RELAX－IV解决问题。MODSIM使用.NET框架开发的，具有很强的环境实用性，不需要重新编译程序语言［10］。水库平衡程序运行把水库分成若干个控制区用来控制水库储水的空间分布［11］。此外，水库的调度运行规则以及需求分配可以由用户根据水文状态变量最终确定。MODSIM可以与MODFLOW联动分析地下水和地表水交汇区［12］，也可以像QUAL2E模型一样评估污染控制措施效果［13］。MODSIM含有一个现有综合措施的随机优化框架，可以通过动态软件包CSUDP获得。主要模块的应用需要专门培训、外部模块，如果没有建模经验很难掌握。

2.3 RIBSIM模型 RIBASIM是由荷兰DELATRARES(前DELFT研究中心)基于流域不同水文条件开发的模型软件包［14］。RIBASIM主要是解决流域内不同地点的水资源输入与供水系统中特定用户关系的模型，它允许用户设定规划情景、每一情景预设操作规则/水资源供给预测。通过强大的图形界面，根据用户定义的目标进行不同情景对比分析。水需求分析涉及面广泛(人口、经济、作物需水量)，可以在不同层次上对现在和未来水资源需求进行比较分析，进而评价农作物产量和作物缺水造成的损失［15］。RIBASIM根据目标存储体积以及复合区域设定分配规则。虽然RIBASIM简单易用，但是进行详细分析时需要大量的数据支持［16］。

2.4 WARGI-SIM模型 WARGI是一个用于帮助用户理解水资源匮乏地区水库系统的水资源供给和需求相互关系的有用工具。自20世纪90年代中期以来，意大利卡利亚里大学陆地工程系的水资源研究小组(WRG)开发的WRARG模型已经得到扩展，并集成了新的模块［17］。WARGI模型包括若干相互关联模块，主要包括模拟模块(WARGI－SIM)、优化决策模块(WARGI－OPT)、水库水质优化模块(WARGIQUAL)以及情景优化模块(WARGI－SCEN)［18］。为了评价抗旱减灾措施以及改善这些措施的干旱指标，WRG最近开发了完全 整合了 WARGI－SIM 和 AWRGI－OPT 的 新 版 本。WARGI已经在GRID环境下运行，以满足在干旱条件下大规模模拟分析复杂水资源系统［19］。在WARGI－SIM模型中，水资源分配是根据用户定义的优先次序进行模拟的。此外，用户可以定义年保留体积函数以及保留区退水降到满足用户选择的高级别需求点。WARGI－SIM是一个相对简单模型，它可以帮助非专业人士解决复杂水资源系统的主要问题和争端［20］。

2.5 WEAP模型 WEAP(Water Evaluation and Planning System)模型是在美国军工部水力工程中心资助下，由英国斯德哥尔摩环境研究机构(Stockholm Environment Institute，SEI)开发的用于水资源综合规划分析的工具。它具有灵活而友好的用户接口，主要实现供水、需水、水质和生态保护的水资源系统模拟。将水资源的供给与需求、水量与水质、经济发展与环境等要素综合在一个整体框架之下，全面评估资源管理策略。目前已在全球数十个国家开展了应用研究。Rachid等研究了阿尔及利亚奥兰市水资源的分配及2011～2030年替代方案，揭示了该地区水资源的脆弱性，为该地区水资源的可持续性提供了支持［21］。根据不同需要选择不同的数据水平及形式，可以同时满足当地及流域水资源管理要求，结果表达灵活多样，具有多个接口，可以与其他模型或软件联用，如 GIS、QUAL2K、MODFLOW、PEST 等模型［22－25］，表现出良好的兼容性及可扩展性。

3 发展趋势

随着信息技术的发展，集成信息分析处理能力的模型系统更容易为非专家所接受。未来水资源工具的发展需求如下:

(1)GIS技术已经用于用户界面、数据处理、分析以及可视化的设计。文中所涉及的决策支持系统(DSSs)都集成了不同水平的地图或者视图显示功能。越来越多的决策支持系统采用GIS技术，尤其是主流商业软件和工程领域，产品体现了地理信息系统强大的适用性，如Google Earth、Arc－View、ArcGIS、MapWindow、MAPGIS 等。

(2)水资源规划模型面临的主要挑战是模拟结果的表达以及模型不确定性，尤其是关于制定措施和解决研究区域的水资源分配问题。水资源规划模拟的核心是模拟情景的设置，一般是在统计假定发生风险情况下对未来的不确定做出规避降低风险的决策。绝大多数决策支持系统情景方案的设定以及模拟预测都是基于经验和技术。目前，研究的重点是研发更切合实际的水资源规划和管理的概化框架和管理程序以及情景分析工具。

(3)一些创新已经应用到水资源模型中，通过可视化的模拟环境和交互工具进一步强化了非专业用户的模拟分析水平，类似的软件有Visual Basic、Excel、SAS软件等。

(4)免费开放源软件包括Linux系统共享软件以及云计算技术为今后模型技术发展提供了可能性。

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