面向对象模块化的分布式水文模型MODCYCLE Ⅰ：模型原理与开发篇

MODCYCLE是一个定位于流域/区域长时间尺度水量平衡分析的分布式水文模型,具有较强的物理基础。该模型采用基于DEM的子流域划分对流域进行离散,并可针对土地利用和土壤的不均匀性进行下垫面细化,同时对人类活动影响下水循环过程的描述较为全面,可详细模拟大气水、土壤水、地表水和地下水之间复杂的"四水转化"过程。该模型具有以下特点:(1)基于C++语言以完全面向对象的方式(OOP)模块化开发,具有清晰的模型结构和灵活的功能扩展性;(2)基于数据库平台并采用ADO通用数据接口引擎,模型输入输出数据管理比较便利;(3)具有层次化水量平衡校验机制,既可为用户提供不同水循环子系统的水量平衡状况,又可辅助开发人员在模拟异常时定位错误发生的模块;(4)实现了并行计算,在多核计算机系统上运行可大幅提高计算速度。     

黄河源区水资源的分布式计算和分析

水资源短缺是黄河面临的最突出的问题。采用武汉大学李兰教授开发的LL-Ⅱ分布式流域水文模型与GIS和RS技术结合，根据数字高程DEM、遥感卫星植被覆盖、土地利用和土壤种类等资料，对黄河源区龙羊峡以上流域进行了水资源的分布式计算和分析。采用2003年水资源综合规划统计数据进行灌溉用水、工业用水和人畜生活用水的分布计算，以唐乃亥站16年日径流进行连续模拟和检验，结果较为满意。研究表明，该模型能对水资源管理和规划提供良好的指导依据。     

基于ET的水资源与水环境综合规划研究（Ⅱ）- 模型

本文根据基于ET的区域水资源综合规划的理念、研究框架、目标及调控体系，构建了基于ET的区域水资源与水环境综合模拟模型（WQQCM），该模型由分布式水文SWAT模型、人工水平衡AWB模型及分布式地下水MODFLOW模型耦合而成，实现地表水和地下水、天然水循环和人工水循环、水量和水质联合模拟，作为区域水资源与水环境综合规划的工具。本文以天津市为例对模型从地表水径流、地表水水质、地下水以及模型模拟ET结果等方面进行了校验，校验结果表明模型可支撑不同节水、水资源配置、点源和非点源水污染控制、水生态修复规划方案的情景模拟，为区域水资源与水环境规划提供数据支撑。     

内蒙古河套灌区解放闸灌域水循环要素特征分析——基于干旱区平原绿洲耗散型水文模型

以内蒙古河套灌区解放闸灌域为例,用干旱区平原绿洲耗散型水文模型对水循环要素进行定量模拟,分析水循环特征,进行定量的耗水分析,旨在为该地区节水改造工作提供基础数据参考。通过模拟结果分析,得出结论如下:研究区补给水量主要是黄河引水,消耗水量主要是作物腾发;地下水补给主要是渠道渗漏,应继续加大渠道衬砌力度,提高渠系水利用系数;随着补给水量的减少,消耗水量也跟着减少;消耗水量中作物腾发受补给水量的影响较大,其它水量消耗要素受补给水量影响不明显,在进行节水改造时要充分考虑作物生理和生态的基本需水要求。     

基于平原水库的水资源开发利用技术

本文根据平原区地表水系统与地下水系统水力联系密切的特点,构建了平原水库地表水与地下水系统联合模拟的数学模型,以分布式空间单元水力耦合为基础,采用SOR和Gauss-Seidel法迭代求解数学模型,构筑了平原区水资源开发利用的新模式。     

五道沟水文模型

五道沟水模型是我国第一个以试验站命名的平原区“四水”转化水模型，它根据五道沟试验站（1953－2000年）47年的径流实验资料研制而成，该模型由降水入渗补给地下水模型、地表水径流模型、田间蒸散发模型、地下水开采模型、土壤水模型、潜水蒸发模型6个子模型构成，模型输入为降水量、水面蒸发量，输出为土壤含水率、地下水位和地表径流过程，模型可广泛应用于农田除涝水计算、产汇流分析、水资源评价等领域。     

基于土地利用类型的水均衡方法及应用

水均衡法是一种集总参数方法,地下水均衡要素难于准确预测,导致水均衡法计算结果误差很大,无法满足城市下垫面快速变化下的地下水资源评价与管理的需要。本文提出的基于土地利用类型的水均衡方法以下垫面为研究对象,通过为每种土地利用类型建立相应的水量平衡方程式,间接地计算出地下水补给量。基于2000年北京平原区的土地利用资料,预测多年平均降雨量条件下平原区地下水垂向总补给量为17.4亿m3。     

SC S模型在无资料地区产流计算中的应用

基于ArcG IS软件,依据土地利用、土壤类型等遥感数据确定SCS模型参数,根据流域降水资料对东西汊湖集水域不同时段的径流量进行了模拟,并采用径流系数法对SCS产流模型的模拟精度进行了验证。结果表明:SCS模型计算结果是可靠的。     

基于广义ET的水资源与水环境综合规划研究Ⅱ:模型

在所提出的广义ET区域水资源综合规划的理念和研究框架基础上,本文构建了基于广义ET的区域水资源与水环境综合模拟模型,该模型由分布式水文SWAT模型、人工水平衡AWB模型及分布式地下水MODFLOW模型耦合而成,实现了地表水和地下水、天然水循环和人工水循环、水量和水质联合模拟。该模型可作为区域水资源与水环境综合规划的工具。以天津市为例,从地表水径流、地表水水质、地下水以及模型模拟ET结果等方面对模型进行了校验,校验结果表明模型可进行不同节水、水资源配置、点源和非点源水污染控制、水生态修复规划方案的情景模拟,为区域水资源与水环境规划提供支撑。     

汉江流域半分布式两参数月水量平衡模型

为了评价气候变化对丹江口水库水资源的影响,在两参数月水量平衡模型的基础上,建立了汉江流域半分布式两参数月水量平衡模型.模型应用GIS技术分析流域土壤类型、土地利用、植被类型、流域划分、河流水系和测站位置共六大类地理特征,并建立模型参数与地理信息的相关和经验关系,进而对流域模型参数进行网格化.实例研究结果表明,两参数月水量平衡模型具有较高的模拟精度,其中半分布式模型模拟结果又优于集总式模型.     

基于四水转化的灌区耗水量计算模型

针对以往灌区耗水量计算方法的不足和灌区水循环机制的特点,本文建立了基于四水(即大气水、地表水、地下水和土壤水)转化的灌区耗水量计算模型。该模型把灌区划分为农田、林草地、荒地、湖泊湿地和城镇用地五类水均衡模块,重点考虑了人类活动对灌区农业、工业、生活和生态耗水量的影响。以宁夏青铜峡引黄灌区为例,详细计算了各种耗水类型的耗水总量和耗用的黄河水总量,并定量分析了各水均衡要素间的相互转化关系。模拟计算结果与试验观测结果对比分析表明,该模型在平原灌区具有较好的模拟精度,能够应用于生产实践。     

华北平原区地表水与地下水统一评价的二元耦合模型研究

在系统分析华北平原区“四水”转化机理和地下水补、径、排规律的基础上，研究和提出一种基于“四水”转化水文模型和地下水数学模拟模型的二元耦合模型，并结合安阳市水资源评价实例，较好地解决了大埋深条件下平原区水资源统一评价问题，为华北地区乃至全国开展第二次水资源评价工作进行了有益的尝试，并积累了一些宝贵的经验。     

新疆玛纳斯河流域平原区水资源组成和水循环

本文在分析新疆玛纳斯河流域平原区地表水、地下水同位素组分D、18O、T和14C特征的基础上，运用同位素混合模型进行了水资源组成和水循环研究。研究表明，在δD～δ18O图、T～δ18O图和14C～T图上，从上游至下游，地表水、浅层水和深层水的同位素分布具有明显的规律性，并在14C～T图上，可明显识别出古水，其14C介于0～40pMC之间，T值介于0～25TU之间。水资源主要来源于南部山区大气降水补给，上游是地下水的主要补给区。上游地表水有80.3％来自于山区大气降水，上游浅层水有83.5％来源于上游地表水。之后，浅层地下水在冲洪积扇前缘受阻溢出地表转化成地表水。再往下游，地表水、浅层水和深层水之间发生多次复杂的相互转化，最终耗于人工开采和蒸发。     

叶尔羌绿洲水资源利用与耗水分析

应用干旱区平原绿洲四水转化模型,对新疆叶尔羌河平原绿洲的水土资源不同利用情景的水资源转化和消耗进行模拟,研究地下水的适宜开采量和灌溉规模问题。结果表明:现状条件下,社会经济耗水量占总耗水量的53%~60%;如果维持灌溉地年耗水650 mm左右、非灌溉地300 mm左右,那么最大灌溉面积约为850万亩,适宜的地下水利用量约为10亿m3,对应的渠系水利用系数为0.49。     

石子和秸秆覆盖条件下降雨水量转化特征试验研究

通过人工模拟降雨，利用蒸渗仪、TDR(时域反射仪)和翻斗式自计流量测定仪，对石子和秸秆覆盖条件下的土壤水分动态变化、地下渗流过程进行了连续监测，并对不同下垫面条件下水量转化的变异特征进行了分析。结果表明：(1)不同下垫面条件下土壤表层的水分变异不大，而土壤深层的水分变异较大，这主要是由于覆盖降低了雨滴对土壤表层结构的破坏程度，以及石子在地表构建了许多个微型拦水坝，从而促进了土壤水分的快速下渗；(2)覆盖具有增加地下渗流的效果，特别是坡地上覆盖小石子在防止土壤侵蚀，增加地下渗流方面效果最为显著，地下渗流系数达到了37.44％；(3)小石子覆盖有利于山地降水资源的高效转化利用，其中在水平地上进行覆盖处理有助于降水资源的就地利用，而在“上覆土壤、下伏岩石”为结构特征的坡地上进行覆盖处理有助于坡地岩土界面渗流的产生，而从提高降水资源的异地利用率。     

近30年来白洋淀流域平原区地下水位动态变化及原因分析

白洋淀流域平原区是华北平原的农业高产区域,灌溉用水主要靠开采地下水。近几十年来,白洋淀地下水位下降严重,在1974年-2007年。该区域地下水埋深以平均每年0．51m的速率下降,1980年以后下降速率明显加速,在2000年-2007年年均下降速率达到了0．99m。引起地下水位持续下降的主要原因是地下水超采严重,且用水高峰期遭遇枯水期,尤其体现在1980年以后年降水偏枯．同时社会经济用水量维持在高峰阶段。低效的农业用水模式及地下水超采已经严重制约了白洋淀地区水资源的可持续利用。     

宁夏灌区节水潜力的研究

通过广义水资源配置模型和平原区水循环模型的有机耦合，分析了宁夏的真实节水潜力——耗水节约量，并建立了宁夏平原区取用水节水与耗水节水二者之间的定量化关系。结果表明，宁夏耗水节水潜力远远小于取用水节水潜力。在宁夏平原区，随着水利用系数的提高，农业取用水量和耗水量不断减少，且减少幅度越来越小。随着水的利用系数的提高，农业取用水节水量和耗水量不断提高，且取用水节水量和耗水节水量的增加幅度越来越小。随着取用水量的减少，耗水量也逐渐减少，但减少幅度越来越小。当取用水达到极值点时，取用水量等于耗水量。随着取用水节水量的提高，耗水节水量也逐渐增加，但增加幅度越来越小，最后趋近于零。     

浅析西北地区地表水与地下水之间的相互转化关系

基于我国西北地区气候特征和水资源开发利用中存在的问题 ,定量分析了我国西北地区水循环规律和地表水与地下水之间的相互转化关系 .分析结果表明 :西北地区地下水资源绝大多数是由地表水转化形成的 ,水资源开发利用格局或方式的改变将深刻地影响着地下水的补、排关系和补排量的大小 ;在西北地区单纯地就地下水而论地下水是不科学的 ,应将地表水与地下水资源进行统一评价和规划 ,以科学地指导水资源的合理开发和高效利用 .     

新疆麦盖提绿洲水资源利用与耗水分析——绿洲耗散型水文模型的应用

应用绿洲耗散型水文模型，对新疆叶尔羌河流域麦盖提县绿洲的水土资源利用现状和不同利用情景的水资源转化和消耗进行模拟，研究地表水可利用量已限定的情况下，地下水的适宜开采量和灌溉规模问题。结果表明：现状条件下，社会经济系统耗水约占总耗水的60％，灌溉面积及地下水开采量是合适的；适宜的地下水开采量为1．0～1．5亿m^3,地下水开采系数为0．25～0．35；灌溉水利用系数不宜过高，约为0．5左右。     

衡水市水资源形势及开发利用分析

衡水市地处河北省东部平原,地表水资源利用能力低下,浅层水水质差,长期依赖于开采深层地下水,造成地下水环境破坏。可通过准确把握衡水市水资源特点,合理利用地表水,最大限度地利用外来水,控制利用当地地下水,保证经济社会的可持续发展。