淺談水文水資源的模型設(shè)計

張洋榕

摘 要：由于水利工程的普遍化和集約化，工程本身造成的環(huán)境問題及水土保持問題越來越突出，國家對水利工程的生態(tài)和環(huán)境提出了越來越高的要求，這就需要對水資源的開發(fā)進行科學(xué)規(guī)劃，文章將對水利工程中水文水資源規(guī)劃的模擬模型設(shè)計進行探討。

關(guān)鍵詞：模型設(shè)計；水文水資源；水資源系統(tǒng)

1 模擬模型設(shè)計概述

由于水文水資源系統(tǒng)比較復(fù)雜，考慮的方面很多，諸如水量和水質(zhì)；地表水和地下水的聯(lián)合調(diào)度；地表水庫的聯(lián)合調(diào)度；本地區(qū)和外區(qū)水資源的合理調(diào)度；各個部門的合理配水；污水處理及其再利用等等。因此在這樣龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)中有許多非線性關(guān)系和約束條件在最優(yōu)化模型中無法解決，而模擬模型具有很好的仿真性能，這些問題在模型中就能得到較好的模擬運行，但模擬并不能直接回答規(guī)劃中最優(yōu)解問題，而是給出必要的信息或非劣解集，可能的水供需平衡方案很多，需要決策者來選定。為了使模擬給出的結(jié)果接近最優(yōu)解，往往在模擬中規(guī)劃好運行方案，或整體采用模擬模型，而結(jié)局采用優(yōu)化模型。也常常采用這兩種方法的結(jié)合，如區(qū)域水資源供需分析中的地面水庫調(diào)度采用最優(yōu)化模型，是地表水得到充分的利用。水文水資源系統(tǒng)的模擬與分析，一般需要經(jīng)過模型建立，調(diào)參與檢驗、運行方案的設(shè)計等幾個步驟。

2 水資源規(guī)劃模型的建立

建立模型是水文水資源系統(tǒng)模擬的前提。建立模型就是要把實際問題概化成一個物理模型，要按照一定的規(guī)則建立數(shù)學(xué)方程來描述有關(guān)變量間的定量關(guān)系。這一步驟包括有關(guān)變量的選擇，以及確定有關(guān)變量間的數(shù)學(xué)關(guān)系。模型只是真實事件的一個近似表達，并不是完全真實，因此，模型應(yīng)盡可能簡單，所選擇的變量應(yīng)最能反映其特征。以一個簡單的水庫調(diào)度為例，其有關(guān)變量包括水庫蓄水量，工業(yè)用水量、農(nóng)業(yè)用水量、水庫的損失量（蒸發(fā)量和水庫滲漏量）以及入庫水量等，用水量平衡原理來建立各變量間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并按一定的規(guī)則來實現(xiàn)水庫的水調(diào)度運行，具體的數(shù)學(xué)方程如下所示：

Wt=Wt-1+WQt-WIt-WAt-WEQt

式中：Wt，Wt-1—時段末、初的水庫蓄水量，m3；WIt，WAt—時段內(nèi)水庫供給工業(yè)、農(nóng)業(yè)的水量，m3；WEQt—時段內(nèi)水庫的蒸發(fā)、滲漏損失，m3；WQt—時段內(nèi)水庫水量，m3。

當(dāng)然要運行這個水庫調(diào)度模型，還要有水庫庫容——水位關(guān)系曲線，水庫的工程參數(shù)和運用規(guī)則等，且要把它放到整個水資源系統(tǒng)中去運行。

3 模型的調(diào)參

模擬就是利用計算機技術(shù)來實現(xiàn)或預(yù)演某一系統(tǒng)的運行情況。水文水資源供需平衡分析的動態(tài)模擬就是在制定各種運行方案下重現(xiàn)現(xiàn)階段水資源供需狀況和預(yù)演今后一段時間水資源供需狀況。但是，按設(shè)計方案正式運行模型之前，必須對模型中有關(guān)參數(shù)進行確定以及對模型進行檢驗來判定該模型的可行性和正確性。

一個數(shù)學(xué)模型通常含有稱為參數(shù)的數(shù)學(xué)常數(shù)，如水文和水文地質(zhì)參數(shù)等，其中有的是通過實測的或?qū)嶒炃蟮玫模械膭t是參考外地憑經(jīng)驗選取的，有的則是什么資料都沒有。往往采用反求參數(shù)的方法取得，而這些參數(shù)必須用有關(guān)的歷史數(shù)據(jù)來確定，這就是所謂的調(diào)參計算或稱為參數(shù)估值。就是對模型實行正運算，先假定參數(shù)，算出的結(jié)果和實測結(jié)果比較，與實測資料吻合就說明所用（或假設(shè)的）參數(shù)正確。如果一次參數(shù)估計值不理想，則可以對有關(guān)的參數(shù)進行調(diào)整，直至達到滿意為止。若參數(shù)估計值一直不理想，則必須考慮多模型進行修改。所以參數(shù)估值是模型建立的重要一環(huán)。

4 模型的檢驗

所建的模型是否正確和符合實際，要經(jīng)過檢驗。檢驗的一般方法是輸入與求參不同的另外一套的歷史數(shù)據(jù)，運行模型并輸出結(jié)果，看其與系統(tǒng)實際記錄是否吻合，若能夠吻合或吻合較好，反映檢驗的結(jié)果具有良好的一致性，說明所建模型具有可行性和正確性，模型的運行結(jié)果是可靠的。若和實際資料吻合不好，則要對模型進行修正。

模型與實際吻合好壞的標準，要作具體分析。計算值和實測值在數(shù)量上不需要也不可能要求吻合得十分精確。所選擇的比較項目映既能反映系統(tǒng)特性又有完整的記錄，列如有地下水開采地區(qū)，可選擇實測的地下水位進行比較，比較時不要拘泥于個別觀測井個別時段的值，根據(jù)實際情況，可選擇各分區(qū)的平均值進行比較；對高離散型的有關(guān)值（如地下水有限元計算結(jié)果）可繪制出地下水位等值線圖進行比較。又如，對整個區(qū)域而言，可利用地面徑流水文站的實測水量和流量的數(shù)據(jù)，進行水量平衡校核。該法在水資源系統(tǒng)分析中用得最多的一種校核方法，可作各個方面的水量平衡校核，這里不再一一敘述。

在模型檢驗中，當(dāng)計算結(jié)果和實際不符時，就要對模型進行修正。若發(fā)現(xiàn)模型對輸入沒有響應(yīng)，比如地下水模型在不同開采的輸入條件下，所計算的地下水位沒有什么變化，則說明模型不能反映系統(tǒng)的特性，應(yīng)從模型的結(jié)構(gòu)是否正確，邊界條件處理是否得當(dāng)?shù)确矫嫒シ治霾⒓右韵鄳?yīng)的修正，有時則要重新建模。如果模型對輸入有所響應(yīng)，但是計算值偏離實測值太大，這時也可以從輸入量和實際值兩方面進行檢查和分析，總之，檢驗?zāi)Ｐ秃托拚Ｐ褪呛苤匾彩呛图氈碌墓ぷ鳌?/p>

5 模型運行方案的設(shè)計

在模擬分析方法中，決策者希望模擬結(jié)果能盡量接近最優(yōu)解，同時，還希望能得到不同方案的有關(guān)信息，如高、低指標方案，不同開源節(jié)流方案的計算結(jié)果，等等。所以，就要進行不同的方案設(shè)計時，應(yīng)考慮以下幾個方面：（1）模型中所采用的水文系列，即可用一次歷史系列，也可用歷史資料循環(huán)系列；（2）開源工程的不同方案和開發(fā)次序。例如，是擴大地下水源還是地面水源；是開發(fā)本區(qū)水資源還是區(qū)外水資源；不同階段水源工程的規(guī)模等，都要根據(jù)專題研究報告進行方案設(shè)計；（3）不同用水部門的配水或不同的小區(qū)的配水方案的選擇；（4）不同節(jié)流方案、不同經(jīng)濟發(fā)展速度和用水指標的選擇。

在方案設(shè)計中要根據(jù)需要和可能，主觀和客觀等條件，排除一些明顯不合理的方案，選擇一些合理的可行性方案進行運行計算。

摘 要：由于水利工程的普遍化和集約化，工程本身造成的環(huán)境問題及水土保持問題越來越突出，國家對水利工程的生態(tài)和環(huán)境提出了越來越高的要求，這就需要對水資源的開發(fā)進行科學(xué)規(guī)劃，文章將對水利工程中水文水資源規(guī)劃的模擬模型設(shè)計進行探討。

關(guān)鍵詞：模型設(shè)計；水文水資源；水資源系統(tǒng)

1 模擬模型設(shè)計概述

由于水文水資源系統(tǒng)比較復(fù)雜，考慮的方面很多，諸如水量和水質(zhì)；地表水和地下水的聯(lián)合調(diào)度；地表水庫的聯(lián)合調(diào)度；本地區(qū)和外區(qū)水資源的合理調(diào)度；各個部門的合理配水；污水處理及其再利用等等。因此在這樣龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)中有許多非線性關(guān)系和約束條件在最優(yōu)化模型中無法解決，而模擬模型具有很好的仿真性能，這些問題在模型中就能得到較好的模擬運行，但模擬并不能直接回答規(guī)劃中最優(yōu)解問題，而是給出必要的信息或非劣解集，可能的水供需平衡方案很多，需要決策者來選定。為了使模擬給出的結(jié)果接近最優(yōu)解，往往在模擬中規(guī)劃好運行方案，或整體采用模擬模型，而結(jié)局采用優(yōu)化模型。也常常采用這兩種方法的結(jié)合，如區(qū)域水資源供需分析中的地面水庫調(diào)度采用最優(yōu)化模型，是地表水得到充分的利用。水文水資源系統(tǒng)的模擬與分析，一般需要經(jīng)過模型建立，調(diào)參與檢驗、運行方案的設(shè)計等幾個步驟。

2 水資源規(guī)劃模型的建立

建立模型是水文水資源系統(tǒng)模擬的前提。建立模型就是要把實際問題概化成一個物理模型，要按照一定的規(guī)則建立數(shù)學(xué)方程來描述有關(guān)變量間的定量關(guān)系。這一步驟包括有關(guān)變量的選擇，以及確定有關(guān)變量間的數(shù)學(xué)關(guān)系。模型只是真實事件的一個近似表達，并不是完全真實，因此，模型應(yīng)盡可能簡單，所選擇的變量應(yīng)最能反映其特征。以一個簡單的水庫調(diào)度為例，其有關(guān)變量包括水庫蓄水量，工業(yè)用水量、農(nóng)業(yè)用水量、水庫的損失量（蒸發(fā)量和水庫滲漏量）以及入庫水量等，用水量平衡原理來建立各變量間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并按一定的規(guī)則來實現(xiàn)水庫的水調(diào)度運行，具體的數(shù)學(xué)方程如下所示：

Wt=Wt-1+WQt-WIt-WAt-WEQt

式中：Wt，Wt-1—時段末、初的水庫蓄水量，m3；WIt，WAt—時段內(nèi)水庫供給工業(yè)、農(nóng)業(yè)的水量，m3；WEQt—時段內(nèi)水庫的蒸發(fā)、滲漏損失，m3；WQt—時段內(nèi)水庫水量，m3。

當(dāng)然要運行這個水庫調(diào)度模型，還要有水庫庫容——水位關(guān)系曲線，水庫的工程參數(shù)和運用規(guī)則等，且要把它放到整個水資源系統(tǒng)中去運行。

3 模型的調(diào)參

模擬就是利用計算機技術(shù)來實現(xiàn)或預(yù)演某一系統(tǒng)的運行情況。水文水資源供需平衡分析的動態(tài)模擬就是在制定各種運行方案下重現(xiàn)現(xiàn)階段水資源供需狀況和預(yù)演今后一段時間水資源供需狀況。但是，按設(shè)計方案正式運行模型之前，必須對模型中有關(guān)參數(shù)進行確定以及對模型進行檢驗來判定該模型的可行性和正確性。

一個數(shù)學(xué)模型通常含有稱為參數(shù)的數(shù)學(xué)常數(shù)，如水文和水文地質(zhì)參數(shù)等，其中有的是通過實測的或?qū)嶒炃蟮玫?，有的則是參考外地憑經(jīng)驗選取的，有的則是什么資料都沒有。往往采用反求參數(shù)的方法取得，而這些參數(shù)必須用有關(guān)的歷史數(shù)據(jù)來確定，這就是所謂的調(diào)參計算或稱為參數(shù)估值。就是對模型實行正運算，先假定參數(shù)，算出的結(jié)果和實測結(jié)果比較，與實測資料吻合就說明所用（或假設(shè)的）參數(shù)正確。如果一次參數(shù)估計值不理想，則可以對有關(guān)的參數(shù)進行調(diào)整，直至達到滿意為止。若參數(shù)估計值一直不理想，則必須考慮多模型進行修改。所以參數(shù)估值是模型建立的重要一環(huán)。

4 模型的檢驗

所建的模型是否正確和符合實際，要經(jīng)過檢驗。檢驗的一般方法是輸入與求參不同的另外一套的歷史數(shù)據(jù)，運行模型并輸出結(jié)果，看其與系統(tǒng)實際記錄是否吻合，若能夠吻合或吻合較好，反映檢驗的結(jié)果具有良好的一致性，說明所建模型具有可行性和正確性，模型的運行結(jié)果是可靠的。若和實際資料吻合不好，則要對模型進行修正。

模型與實際吻合好壞的標準，要作具體分析。計算值和實測值在數(shù)量上不需要也不可能要求吻合得十分精確。所選擇的比較項目映既能反映系統(tǒng)特性又有完整的記錄，列如有地下水開采地區(qū)，可選擇實測的地下水位進行比較，比較時不要拘泥于個別觀測井個別時段的值，根據(jù)實際情況，可選擇各分區(qū)的平均值進行比較；對高離散型的有關(guān)值（如地下水有限元計算結(jié)果）可繪制出地下水位等值線圖進行比較。又如，對整個區(qū)域而言，可利用地面徑流水文站的實測水量和流量的數(shù)據(jù)，進行水量平衡校核。該法在水資源系統(tǒng)分析中用得最多的一種校核方法，可作各個方面的水量平衡校核，這里不再一一敘述。

在模型檢驗中，當(dāng)計算結(jié)果和實際不符時，就要對模型進行修正。若發(fā)現(xiàn)模型對輸入沒有響應(yīng)，比如地下水模型在不同開采的輸入條件下，所計算的地下水位沒有什么變化，則說明模型不能反映系統(tǒng)的特性，應(yīng)從模型的結(jié)構(gòu)是否正確，邊界條件處理是否得當(dāng)?shù)确矫嫒シ治霾⒓右韵鄳?yīng)的修正，有時則要重新建模。如果模型對輸入有所響應(yīng)，但是計算值偏離實測值太大，這時也可以從輸入量和實際值兩方面進行檢查和分析，總之，檢驗?zāi)Ｐ秃托拚Ｐ褪呛苤匾彩呛图氈碌墓ぷ鳌?/p>

5 模型運行方案的設(shè)計

在模擬分析方法中，決策者希望模擬結(jié)果能盡量接近最優(yōu)解，同時，還希望能得到不同方案的有關(guān)信息，如高、低指標方案，不同開源節(jié)流方案的計算結(jié)果，等等。所以，就要進行不同的方案設(shè)計時，應(yīng)考慮以下幾個方面：（1）模型中所采用的水文系列，即可用一次歷史系列，也可用歷史資料循環(huán)系列；（2）開源工程的不同方案和開發(fā)次序。例如，是擴大地下水源還是地面水源；是開發(fā)本區(qū)水資源還是區(qū)外水資源；不同階段水源工程的規(guī)模等，都要根據(jù)專題研究報告進行方案設(shè)計；（3）不同用水部門的配水或不同的小區(qū)的配水方案的選擇；（4）不同節(jié)流方案、不同經(jīng)濟發(fā)展速度和用水指標的選擇。

在方案設(shè)計中要根據(jù)需要和可能，主觀和客觀等條件，排除一些明顯不合理的方案，選擇一些合理的可行性方案進行運行計算。

摘 要：由于水利工程的普遍化和集約化，工程本身造成的環(huán)境問題及水土保持問題越來越突出，國家對水利工程的生態(tài)和環(huán)境提出了越來越高的要求，這就需要對水資源的開發(fā)進行科學(xué)規(guī)劃，文章將對水利工程中水文水資源規(guī)劃的模擬模型設(shè)計進行探討。

關(guān)鍵詞：模型設(shè)計；水文水資源；水資源系統(tǒng)

1 模擬模型設(shè)計概述

由于水文水資源系統(tǒng)比較復(fù)雜，考慮的方面很多，諸如水量和水質(zhì)；地表水和地下水的聯(lián)合調(diào)度；地表水庫的聯(lián)合調(diào)度；本地區(qū)和外區(qū)水資源的合理調(diào)度；各個部門的合理配水；污水處理及其再利用等等。因此在這樣龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)中有許多非線性關(guān)系和約束條件在最優(yōu)化模型中無法解決，而模擬模型具有很好的仿真性能，這些問題在模型中就能得到較好的模擬運行，但模擬并不能直接回答規(guī)劃中最優(yōu)解問題，而是給出必要的信息或非劣解集，可能的水供需平衡方案很多，需要決策者來選定。為了使模擬給出的結(jié)果接近最優(yōu)解，往往在模擬中規(guī)劃好運行方案，或整體采用模擬模型，而結(jié)局采用優(yōu)化模型。也常常采用這兩種方法的結(jié)合，如區(qū)域水資源供需分析中的地面水庫調(diào)度采用最優(yōu)化模型，是地表水得到充分的利用。水文水資源系統(tǒng)的模擬與分析，一般需要經(jīng)過模型建立，調(diào)參與檢驗、運行方案的設(shè)計等幾個步驟。

2 水資源規(guī)劃模型的建立

建立模型是水文水資源系統(tǒng)模擬的前提。建立模型就是要把實際問題概化成一個物理模型，要按照一定的規(guī)則建立數(shù)學(xué)方程來描述有關(guān)變量間的定量關(guān)系。這一步驟包括有關(guān)變量的選擇，以及確定有關(guān)變量間的數(shù)學(xué)關(guān)系。模型只是真實事件的一個近似表達，并不是完全真實，因此，模型應(yīng)盡可能簡單，所選擇的變量應(yīng)最能反映其特征。以一個簡單的水庫調(diào)度為例，其有關(guān)變量包括水庫蓄水量，工業(yè)用水量、農(nóng)業(yè)用水量、水庫的損失量（蒸發(fā)量和水庫滲漏量）以及入庫水量等，用水量平衡原理來建立各變量間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并按一定的規(guī)則來實現(xiàn)水庫的水調(diào)度運行，具體的數(shù)學(xué)方程如下所示：

Wt=Wt-1+WQt-WIt-WAt-WEQt

式中：Wt，Wt-1—時段末、初的水庫蓄水量，m3；WIt，WAt—時段內(nèi)水庫供給工業(yè)、農(nóng)業(yè)的水量，m3；WEQt—時段內(nèi)水庫的蒸發(fā)、滲漏損失，m3；WQt—時段內(nèi)水庫水量，m3。

當(dāng)然要運行這個水庫調(diào)度模型，還要有水庫庫容——水位關(guān)系曲線，水庫的工程參數(shù)和運用規(guī)則等，且要把它放到整個水資源系統(tǒng)中去運行。

3 模型的調(diào)參

模擬就是利用計算機技術(shù)來實現(xiàn)或預(yù)演某一系統(tǒng)的運行情況。水文水資源供需平衡分析的動態(tài)模擬就是在制定各種運行方案下重現(xiàn)現(xiàn)階段水資源供需狀況和預(yù)演今后一段時間水資源供需狀況。但是，按設(shè)計方案正式運行模型之前，必須對模型中有關(guān)參數(shù)進行確定以及對模型進行檢驗來判定該模型的可行性和正確性。

一個數(shù)學(xué)模型通常含有稱為參數(shù)的數(shù)學(xué)常數(shù)，如水文和水文地質(zhì)參數(shù)等，其中有的是通過實測的或?qū)嶒炃蟮玫?，有的則是參考外地憑經(jīng)驗選取的，有的則是什么資料都沒有。往往采用反求參數(shù)的方法取得，而這些參數(shù)必須用有關(guān)的歷史數(shù)據(jù)來確定，這就是所謂的調(diào)參計算或稱為參數(shù)估值。就是對模型實行正運算，先假定參數(shù)，算出的結(jié)果和實測結(jié)果比較，與實測資料吻合就說明所用（或假設(shè)的）參數(shù)正確。如果一次參數(shù)估計值不理想，則可以對有關(guān)的參數(shù)進行調(diào)整，直至達到滿意為止。若參數(shù)估計值一直不理想，則必須考慮多模型進行修改。所以參數(shù)估值是模型建立的重要一環(huán)。

4 模型的檢驗

所建的模型是否正確和符合實際，要經(jīng)過檢驗。檢驗的一般方法是輸入與求參不同的另外一套的歷史數(shù)據(jù)，運行模型并輸出結(jié)果，看其與系統(tǒng)實際記錄是否吻合，若能夠吻合或吻合較好，反映檢驗的結(jié)果具有良好的一致性，說明所建模型具有可行性和正確性，模型的運行結(jié)果是可靠的。若和實際資料吻合不好，則要對模型進行修正。

模型與實際吻合好壞的標準，要作具體分析。計算值和實測值在數(shù)量上不需要也不可能要求吻合得十分精確。所選擇的比較項目映既能反映系統(tǒng)特性又有完整的記錄，列如有地下水開采地區(qū)，可選擇實測的地下水位進行比較，比較時不要拘泥于個別觀測井個別時段的值，根據(jù)實際情況，可選擇各分區(qū)的平均值進行比較；對高離散型的有關(guān)值（如地下水有限元計算結(jié)果）可繪制出地下水位等值線圖進行比較。又如，對整個區(qū)域而言，可利用地面徑流水文站的實測水量和流量的數(shù)據(jù)，進行水量平衡校核。該法在水資源系統(tǒng)分析中用得最多的一種校核方法，可作各個方面的水量平衡校核，這里不再一一敘述。

在模型檢驗中，當(dāng)計算結(jié)果和實際不符時，就要對模型進行修正。若發(fā)現(xiàn)模型對輸入沒有響應(yīng)，比如地下水模型在不同開采的輸入條件下，所計算的地下水位沒有什么變化，則說明模型不能反映系統(tǒng)的特性，應(yīng)從模型的結(jié)構(gòu)是否正確，邊界條件處理是否得當(dāng)?shù)确矫嫒シ治霾⒓右韵鄳?yīng)的修正，有時則要重新建模。如果模型對輸入有所響應(yīng)，但是計算值偏離實測值太大，這時也可以從輸入量和實際值兩方面進行檢查和分析，總之，檢驗?zāi)Ｐ秃托拚Ｐ褪呛苤匾彩呛图氈碌墓ぷ鳌?/p>

5 模型運行方案的設(shè)計

在模擬分析方法中，決策者希望模擬結(jié)果能盡量接近最優(yōu)解，同時，還希望能得到不同方案的有關(guān)信息，如高、低指標方案，不同開源節(jié)流方案的計算結(jié)果，等等。所以，就要進行不同的方案設(shè)計時，應(yīng)考慮以下幾個方面：（1）模型中所采用的水文系列，即可用一次歷史系列，也可用歷史資料循環(huán)系列；（2）開源工程的不同方案和開發(fā)次序。例如，是擴大地下水源還是地面水源；是開發(fā)本區(qū)水資源還是區(qū)外水資源；不同階段水源工程的規(guī)模等，都要根據(jù)專題研究報告進行方案設(shè)計；（3）不同用水部門的配水或不同的小區(qū)的配水方案的選擇；（4）不同節(jié)流方案、不同經(jīng)濟發(fā)展速度和用水指標的選擇。

在方案設(shè)計中要根據(jù)需要和可能，主觀和客觀等條件，排除一些明顯不合理的方案，選擇一些合理的可行性方案進行運行計算。