流域水文水資源與社會(huì)耦合系統(tǒng)研究進(jìn)展與評(píng)價(jià)

王秋媛

(黑龍江省黑河水文局，黑龍江 黑河 164300)

決策思考

流域水文水資源與社會(huì)耦合系統(tǒng)研究進(jìn)展與評(píng)價(jià)

王秋媛

(黑龍江省黑河水文局，黑龍江 黑河 164300)

資源對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)重要的影響，某些關(guān)鍵性資源甚至?xí)?duì)社會(huì)發(fā)展形成制約。人類社會(huì)在發(fā)展過程中對(duì)自然環(huán)境造成了嚴(yán)重影響，水環(huán)境存在的主要問題是浪費(fèi)與污染。我國水資源時(shí)空分布不均，基于社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的角度來看，需要通過一定措施對(duì)資源利用進(jìn)行干預(yù)，從而提升資源利用效率，為人類社會(huì)發(fā)展提供支撐。文章就流域水文水資源與社會(huì)耦合系統(tǒng)研究進(jìn)展與評(píng)價(jià)作簡要闡述。

流域水文水資源；社會(huì)耦合系統(tǒng)；研究進(jìn)展與評(píng)價(jià)

1 環(huán)境變化情況下水文分析和模擬

自然條件會(huì)隨著時(shí)間變化而產(chǎn)生變化，環(huán)境各項(xiàng)要素之間是彼此相互聯(lián)系的，其中某一項(xiàng)要素出現(xiàn)變化時(shí)就會(huì)對(duì)另外的要素造成影響，從而引發(fā)一系列變化，并通過環(huán)境的某一方面或者是整體環(huán)境表現(xiàn)出來。除自然環(huán)境變化，人類活動(dòng)也會(huì)對(duì)水文狀況造成影響，如水利工程修建，林木資源開發(fā)，采砂工程，礦業(yè)開發(fā)等。相關(guān)人員經(jīng)過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，我國六大河流在半個(gè)世紀(jì)時(shí)間內(nèi)，徑流量都體現(xiàn)出了下降趨勢(shì)，水文特征也發(fā)生了明顯改變。其中海河流域的降幅是最大的，無論是年內(nèi)分配或者是流域組成都體現(xiàn)了一定變化。

通過對(duì)流域降雨徑流關(guān)系的確立，從而對(duì)徑流進(jìn)行模擬，以此對(duì)徑流降雨對(duì)水文預(yù)測(cè)進(jìn)行預(yù)報(bào)，而這也是水文預(yù)報(bào)工作中非常重要的一個(gè)方面。該項(xiàng)工作中常用的分析方法包括了流域內(nèi)水文模型建立與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法兩種。后者所包含方法內(nèi)容比較的廣泛，其原理是假設(shè)研究變量是隨機(jī)變量，通過對(duì)樣本的平均值，方差，標(biāo)準(zhǔn)差，徑流系數(shù)，顯著性，變異各系數(shù)等進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合到年徑流量等相關(guān)指標(biāo)對(duì)徑流與降雨二者間的關(guān)系進(jìn)行描述。造成徑流減少的一個(gè)主要原因就是人類活動(dòng)影響，如水利工程修建攔截，人類社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的利用量增加，同時(shí)也存在水資源浪費(fèi)的原因。

流域水文模型的重要作用體現(xiàn)在實(shí)際問題解決與水文預(yù)報(bào)工作，如對(duì)水資源的可持續(xù)利用，水環(huán)境及其生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)工作開展，防洪減災(zāi)工作的開展。通過對(duì)模型的分析與研究，可以了解人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)水資源，以及災(zāi)害的影響作用，從而采取相應(yīng)的措施來解決發(fā)展過程中遇到的問題。該方法在應(yīng)用時(shí)利用人類活動(dòng)對(duì)水資源與水環(huán)境產(chǎn)生影響的資料確定研究分析工作的模型，再利用確定后的模型對(duì)人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成的影響進(jìn)行分析，并將環(huán)境實(shí)際變化相關(guān)資料與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，土壤滲透能力，土地利用類型，降雨強(qiáng)度是對(duì)降雨與徑流造成嚴(yán)重影響的重要因素。

2 環(huán)境變化過程中模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)隨著時(shí)空變化轉(zhuǎn)移

在降雨徑流與水文序列二者關(guān)系穩(wěn)定情況下建立模型，并將其用于氣候變化模擬與土地利用狀況變化。一般情況下其步驟是，運(yùn)用歷史資料數(shù)據(jù)確定要模型參數(shù)，通過不同方法與模型的應(yīng)用對(duì)氣候變化與土地資源利用進(jìn)行模擬，將模擬的結(jié)果作為模型的數(shù)據(jù)與資料，對(duì)處于變化的環(huán)境下對(duì)徑流以及其它量進(jìn)行模擬。該方法在應(yīng)用過程需要關(guān)注的問題是，模型的各項(xiàng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)對(duì)于變化的環(huán)境是否具備轉(zhuǎn)移應(yīng)用的能力。而實(shí)際工作則證明了相當(dāng)一部分模型并不具備該功能。

為了在變化的環(huán)境中得到較為客觀的結(jié)果，可以利用多個(gè)模型開展工作，最后對(duì)其結(jié)果作平均處理，該方法能夠在一定程度上解決由于單一模型帶來的不確定性問題。但是由于不同模型間的優(yōu)劣難以確定，平均值仍然具不確定性，并且不確定的程度是未知的。

3 水文耦合與氣候模型耦合問題

研究人員將天氣預(yù)報(bào)模型與水文模式二者進(jìn)行耦合，以期望達(dá)到水文預(yù)報(bào)預(yù)見期延長的目的，依據(jù)模型輸出結(jié)果能否對(duì)預(yù)報(bào)模式反饋可以對(duì)其進(jìn)行分類，雙向耦合與單向耦合。相關(guān)研究人員通過雙向或者是單向耦合的方式進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)。如利用雙向耦合系統(tǒng)重現(xiàn)暴雨洪水過程，體現(xiàn)了耦合模式下對(duì)洪水與暴雨預(yù)報(bào)的能力，并且其提供的預(yù)見期較長。將水文模型與天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行雙向的耦合，克服了某結(jié)方面的不足，從而實(shí)現(xiàn)了在同一交互界面雙模式在線耦合，從而使預(yù)報(bào)能力得到了提升。

4 水資源優(yōu)化配置與水文模型的耦合

為了有效的開展水資源開發(fā)與規(guī)劃工作，一系列模擬軟件相繼得以開發(fā)，通過相應(yīng)的模型建立從而提出了問題求解的方法，從而使有限的水量在不同部門之間能夠有效的分配。或者是將協(xié)調(diào)理論作為技術(shù)支撐，通過遞階分析法與寬容約束的方法，建立流域內(nèi)資源調(diào)配優(yōu)化實(shí)用模型，結(jié)合到流域內(nèi)往年水資源相關(guān)資料與數(shù)據(jù)建立模型，對(duì)資源供給與平衡進(jìn)行預(yù)測(cè)，優(yōu)化配置。

水資源配置研究工作主要體現(xiàn)在水源范圍，從最開始的地表水到后期的地表水與地下水聯(lián)合調(diào)度與配置，并進(jìn)一步發(fā)展到對(duì)常規(guī)與非常規(guī)水資源進(jìn)行調(diào)度與配置。而在配置目標(biāo)方面，從對(duì)供水量進(jìn)行配置發(fā)展到對(duì)耗水與用水進(jìn)行統(tǒng)一配置，從單一的水量分配考慮到水質(zhì)問題。在工作開展的指導(dǎo)思想方面經(jīng)歷了從供需關(guān)系進(jìn)行配置到以及宏觀經(jīng)濟(jì)基本前提進(jìn)行配置，到后期基于可持續(xù)發(fā)展的思想對(duì)資源進(jìn)行配置。在模型求解方面，結(jié)合到模型的特點(diǎn)利用智能化的算法，如遺傳算法、聲算法、人工免疫算法和粒子群算法等。

5 技術(shù)方面主要存在的問題

5.1 降雨徑流非穩(wěn)定性關(guān)系

模型大多是建立在穩(wěn)定的降雨與徑流關(guān)系上的，針對(duì)非穩(wěn)定的關(guān)系建立的模型研究還不夠深入，在解決非穩(wěn)定性方面的問題，針對(duì)的只是其中某些方面，沒有系統(tǒng)性的理論與技術(shù)方法。而環(huán)境是處于持續(xù)變化過程中的，由此研究工作的開展會(huì)面對(duì)多方面的問題，如模型參數(shù)與時(shí)空轉(zhuǎn)移二者間的關(guān)系。

5.2 模型參數(shù)折時(shí)空轉(zhuǎn)化問題

變化環(huán)境中模型參數(shù)轉(zhuǎn)移問題并未得到有效的解決，其表現(xiàn)為研究工作存有差異從而導(dǎo)致了研究工作結(jié)果也在某些方面存有差異，甚至在某些時(shí)候其得到結(jié)果是相反的，其背后的原因是研究流域類型不同，應(yīng)用的模型不同。

5.3 氣候與水文模型二者間的耦合

傳統(tǒng)的水文模型基礎(chǔ)是水量平衡，其核心是土壤水量時(shí)空變化，其模擬精度較高。但是傳統(tǒng)的模型由于其結(jié)構(gòu)，無量平衡模塊，時(shí)空尺度方面導(dǎo)致無法與氣候模型進(jìn)行雙向的耦合，模型結(jié)構(gòu)以及參數(shù)演繹需要進(jìn)一步研究。

5.4 水資源優(yōu)化與水文模型耦合

鑒于水文環(huán)境的復(fù)雜性，資料限制，流域多樣性等問題，在模型研究與資源配置耦合方面仍然有許多問題未能得到解決。水資源系統(tǒng)內(nèi)部之間存有的聯(lián)系與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演化二者間未能進(jìn)行有效耦合。

6 結(jié) 語

水資源與耦合系統(tǒng)以水資源管理流域作為研究工作開展的對(duì)象，對(duì)于水資源優(yōu)化配置與模型預(yù)測(cè)工作相關(guān)問題進(jìn)行研究，為防災(zāi)與減災(zāi)工作的開展，社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供一定支持。工作的目標(biāo)包括了降雨與徑流二者間非穩(wěn)定性關(guān)系的識(shí)別，分析模型隨時(shí)空變化的規(guī)律，地下水運(yùn)動(dòng)的特性與機(jī)理，土壤，植被，大氣三者間物理交換過程水文模型，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，資源優(yōu)化配置的模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源科學(xué)管理與合理配置。

[1]張鳳太，蘇維詞.水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)時(shí)空分異研究——以貴州省為例[J].人民長江,2016(10)：25-30.

1007-7596(2017)10-0165-02

TV213

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2017-09-28

王秋媛(1984-)，女，黑龍江黑河人，工程師。