摘要：针对自然-社会水资源系统的复杂互馈机制科学问题，以及水资源管理应用需求，将水文学数值模拟和水资源适应性调配相结合，研究构建了概念性半分布式水资源综合模拟与调配模型WAS;提出了模型架构、单元划分、动态互馈模拟、计算公式和运行策略等WAS模型原理及方法，为自然-社会水资源复杂系统的模拟与科学调配提供支撑。
关键词：水资源;模拟与调配;概念性;半分布式;模型
1 研究背景
随着人类取用水规模的不断扩大，经济社会与区域水资源形成了相互影响、相互制约、互动关联的关系[1-3]。以黄河流域为例(根据《黄河流域水资源综合规划》2009年)，正常年天然河川径流量 534.8亿m3 ，可利用量327.9亿m3 ，生态及入海水量206.9亿m3 ，现状流域地表水用水量约370亿m3 ，但入海水量没有减少。从水量平衡上，表明了水资源开发利用过程中从河流取用水的同时，也有相当部分退排水进入到河道，存在大量水重复利用现象;从内在机理上，显示出水资源系统一次性水资源和回归水等二次性水资源存在一个联动、互馈的关系，河道流量受天然来水和用水户取排水的联合作用，同时下游取用水与上游用排水之间存在动态响应。如何开展水资源动态变化下综合模拟与调控，研究自然-社会水资源系统的互馈关系，是水资源精细化管理的新挑为。
学应对这一挑战，从水资源系统的供需双侧及二者互馈联动出发，迫切需要回答以下2个重要问题：(1)如何开展水循环的综合模拟，包括自然产汇流过程和经济社会用耗排过程模拟，实现水资源综合分析，更精准定量人类活动影响下的河道流量变化。(2)如何实现自然水循环与社会水循环过程的动态链接和互馈影响分析，实现水资源动态变化下的水资源适应性开发利用，实现水资源、经济社会和生态环境的协调发展。
目前，国内外学者在水资源系统模拟与调控方面开展了大量研究，并针对某些水文特点开发出许多模型，如新安江模型、SIMHYD、MIKE、TOPMODEL、ROWAS、VIC 、WACM和WROOM等[4-12]，在水资源系统模拟和配置模型方法方面，多采用水循环模型中加入取用水过程、水循环模型与配置模型耦合(把配置模型的结果输入水循环模型，即单向传输)等方式，这种方法在很多区域取得较好的效果，但在人类社会强烈活动的区域效果则不太好，由于水资源配置过程中不能实时响应水资源量动态变化影响，难以反映很多地区高强度人类活动用水下的自然-社会水资源互馈及精细调控研究，因此，在自然-社会水循环过程的实时联动互馈模拟或者一体化模拟方面需要进一步研究。针对复杂水资源系统特点，本文在二元水循环理论和水资源配置理论基础上，建立水资源综合模拟与调配一体化模型(Water Allocation and Simulation Model，WAS)，为定量有效解决上述 2 个问题提供新的方法。
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2 WAS模型架构
WAS模型主要由产流模拟模块、河道汇流模块、再生水模拟模块和水资源调配模块等4大部分组成，其中产流模拟模块、河道汇流模块和再生水模拟模块共同组成自然-社会水循环的基础，用于区域水资源数量计算和组成分析;水资源调配模块主要进行水资源供需平衡和分质供水计算，用来实现水资源开发利用过程的均衡，并反馈到对应的水循环模拟过程。
WAS模型工作机制：(1)产流模拟模块。主要计算每个时段的降水产流量，并同时根据汇流面积计算水库等供水工程的来水量;(2)河道汇流模块。主要计算每个时段单元本身的产流量、单元上游河道的流入量、外调水工程流入量、单元本身的污水退水量;(3)再生水模拟模块。主要计算再生水的产生量及利用量、污水的河道退水量;(4)水资源调配模块。则根据水库特征和来水过程、再生水量、河道水量和引排水工程特征及单元行业用水特征，进行水资源配置，而行业用水过程和用排水过程，又实时反馈给再生水模拟模块，进而反馈给河道汇流模块，从而影响整个水资源系统的循环过程以及下游用水单元的配置过程。
由于自然-社会水资源系统传输或者联系通道的关键是取水过程和退水过程，因此，WAS模型的运算特点主要为：(1)在单元内部，每一个时段的单元产汇流及河道来水过程下，伴随着社会的取水和退水过程，而退水过程则又影响下一个时段的单元来水过程(单元内部来水过程=产流过程+人工退排水过程)(2)在单元之间，每个单元的水资源循环过程包括单元内部来水过程和上游单元退水过程;(3)在前面两步基础上，考虑社会取用水工程和单元行业需水特点，进行水资源配置，单元行业的配置用水过程后，则又转化为社会退排水量，进入河道汇流循环过程。通过上述方法，就实现了水资源系统单元的水资源动态的、联动的、互馈的模拟和配置。模型结构见图1。
WAS模型是以自然-社会二元水循环理论为基础，模型架构描述了自然-社会水资源系统的一体化过程，通过本架构可以实现自然-社会水资源系统的输入输出以及二者之间的动态互馈关系，也可以描述区域整个水资源系统的降水、地表水、土壤水、地下水、蒸腾发以及供水、用水、耗水、排水的过程及通量。另外，如果从整个区域水系统耗水平衡的角度，还可以进行基于耗水控制的水资源调控与管理研究。
3 WAS单元划分原理
单元作为水资源系统的重要基本组成，其划分方法对于水资源系统模拟和调控具有直接影响，单元划分方法是水资源系统调控模型的架构、模拟以及搜索、统计、分析等功能优劣的关键。目前水文模型单元多以DEM数字高程模型提取响应的子流域或者格网单元，并叠加土壤类型和土地利用类型进一步划分水文响应单元等进行水文计算[8-10]，这对于流域或河道径流模拟是适合的;但自然- 社会二元水资源系统特点和现实水资源管理中多以行政分区为主体的方式，上述方法难以界定各行政区水资源情况与各行政边界水文变化情况，另外，传统水文模型单元有可能会出现一个单元横跨若干个行政区现象，传统水资源调控模型单元较大，也有可能会出现一个单元包含若干个水文流域的现象，单纯的水文模型纯子流域单元划分方法在应对水资源精细化模拟和调控方面，体现出明显的不足或者不方便应用。
本文针对水资源流域管理和行政管理需求和特点，在综合水文单元和水资源管理行政单元基础上，提出一种水资源系统“基本单元-计算单元-水文单元”三级单元划分方法，见图2。具体来说，通过水资源分区叠加行政分区形成基本单元，通过DEM数字高程在基本单元基础上进行加密细化形成计算单元，通过土壤类型和融合作物分布的土地利用形成水文单元，根据这种三级单元划分方法既能体现传统水文模拟模型单元划分特点，也能满足水资源流域管理和行政管理相结合的需求。
4WAS模型动态反馈模拟方法
水资源系统是一个变化的复合体，水资源的利用涉及供水、用水、排水和生活、工业、农业、环境及生态等多个方面，在空间上涉及上下游和左右岸，它们之间相互影响、互相反馈，除天然来水的复杂性外，人类供水、排水(退水)的当前变化极大扰动下一阶段径流利用的数量和质量，整个区域水循环体现出明显的“自然-社会”二元特征，在社会经济用、排水作用下，河道径流表现为由原来的一次径流资源转化为一次径流与退排水二次利用的复合径流。目前，大多采用“实测—分离—耦合—建模—调控”的建模方法开展水循环研究[11]。
本文在以往研究基础上，在动态反馈实现方式上提出一种“实测—分离—聚合—建模—调控”的水循环时序动态反馈模拟方法(图3)，即在典型水循环四水转化模拟模型基础上，考虑经济社会用水、排水及再生水回用过程模拟，实现社会侧支水循环实时映射到时段自然水系统过程，实时模拟来水变化对用水变化、用水变化对下一阶段径流及供水变化的实时响应，从而实现水资源综合动态互馈变化。本方法实现社会取用水和自然水循环的实时互动，与常规水资源系统模型构建相比，区别在于“耦合”与“聚合”，耦合是松散的、外部关联的，聚合是紧密的、内部关联的，耦合关注的是某一模型和其他模型之间的关联性，聚合关注的是一个模块内部各成分之间相关联程度，本文采用水循环模拟与水资源配置聚合变成一个时序模拟模块的两个成分，进而实现二元水循环过程时段内高内聚模拟和时序过程的动态模拟。
“实测—分离—聚合—建模—调控”水资源系统模拟方法中“聚合”体现在两个方面，即：(1)单个时段单元内部水资源模拟和配置过程的聚合，由WAS模型框架图1中体现，(2)在水资源系统中的各时段之间的“聚合”，主要体现在水资源循环和配置过程上一时段与下一时段的关联影响和实时互动上，由图3体现。
时序模拟动态反馈模拟算法如下： (1)构建水循环模拟时段数据集T={T1，T2，…，Tn};(2)对时段数据集T1进行水循环模拟，得到各供水节点的径流来水量;(3)根据供水节点来水信息及工程信息，结合基于Huffman树水资源供水-用户系统的水网架构，进行水资源配置;(4)根据步骤3得到各供水节点的剩余水量以及各单元的退水量，加入第2时段T2作为其运算启动条件;(5)重复(2)—(4)步骤，进行循环互动计算，得到整个时段T的水循环动态变化模拟和水资源实时配置。
5 模型主要计算原理
5.1 地表产流过程 降水产流一般包括蓄满产流和超渗产流两种方式，蓄满产流一般在地下水较高、包气带较薄的湿润地区，超渗产流一般在地下水位较高、包气带较厚的干旱半干旱地区[13]。考虑区域不同的降雨时段以及不同的下垫面存在不同的径流形成方式，本文采用具有蓄满产流和超渗产流的综合产流方式，即降水强度大于入渗强度时产生地表超渗径流，下渗水量填充土壤层蓄水容量，土壤蓄满后按照蓄满产流方式产生地表蓄满径流，土壤水产生壤中流和地下径流。同时，考虑人工灌溉等补水措施也会产生径流，本文在计算有效降水中加入灌溉水量进行产流计算。
