六、现代水资源规划与管理的技术支撑（流域水循环模拟）
现代水资源管理的核心是：“遵循水循环的自然规律”。要求我们首先进行水循环的模拟，即建立水文模型。
1、水文模型
依反映水流运动空间变化能力而言，水文模型可分为两类：集总式模型（Lumped model）和分布式模型（distributed model）。
集总式水文模型是忽略了流域特征参数在空间上的变化，把全流域作为一个整体而建立模型。传统流域水文模型大多数是集总式概念模型，这种往往忽略流域下垫面（如地形、土壤、植被覆盖）的空间变异性（或称空间异质性），几乎不考虑气象因素（如降水、气温、太阳辐射）的空间分布对流域水循环的影响，把流域作为一个整体而建立模型。
相对于集总式模型而言，分布式模型最突出的特点是考虑了地球表层系统空间要素组成上的异质性。即分布式模型按流域各处土壤、植被、土地利用和降水不同，将流域划分若干个水文模拟单元，在每个单元上以一组参数表示该部分流域的自然地理特征，然后通过径流演算得到全流域的总输出。
20世纪70、80年代由于受计算条件、数据观测以及数据收集手段的限制，分布式模型发展比较缓慢，远远落后于集总式模型。进入90年代后，随着计算机技术、GIS技术、RS技术、GPS技术（统称3S技术）的普及和发展。获取和描述流域下垫面空间分布信息技术日臻完善，流域水文模拟发生了巨大的变革，分布式水文模型显现出强大的生命力，取得长足进展，出现了分布式水文模型百花齐放的局面。而集总式水文模型由于自身的局限性，几乎处于停滞状态。
此时分布式水文模型一个显著的特点是和DEM（数字地形模型）相结合。这些模型大多是基于DEM的﹡﹡﹡分布式水文模型。
2、分布式水文模拟的技术支撑
分布式水文模型的发展是和计算机以及信息技术的发展分不开的。分布式模型涉及大量的空间信息，对这些空间信息的加工处理已经成为分布式模型不可分割的一部分。空间信息的可靠性、信息的获取以及加工好处理水平直接关系到分布式水文模型的效率好精度。
（1）GIS与分布式水文模型。
地理信息技术（GIS）是管理和分析地理空间数据的有效工具，其技术经过半个世纪的发展已日趋成熟。GIS在分布式水文模型的技术支撑包括三个方面：一是地理空间数据管理（包括气象、水文测站、流域边界及水系、水库、湖泊、流域地貌、公路铁路及等高线、行政区界、土地利用、植被覆盖、土壤类型等）；二是空间分析与流域水文参数化（分布式水文模拟要求在每一个计算单元上都对应一套输入好参数集，也就是必须对点、线、面栅格等数据按流域空间离散方式进行参数化。GIS的空间分析功能为这项繁杂的工作带来了可能与方便。三是可视化功能，GIS的空间可视化能力很强，为分布式水文模型模拟水循环的计算结果用图形、图像显示提供了方便。
（2）RS与分布式水文模型。
遥感（Remote Sensing ，RS）是20世纪60年代随着空间科学、近代物理学和计算机科学的发展而诞生的一门综合性探索技术。作为一种新的信息源在水资源研究中显示出得天独厚的优势。例如：水文气象方面的遥感目前有降水遥感、蒸发遥感、土壤水遥感、积雪遥感、地下水遥感等；地表特征遥感有地貌形态、植被类型、土壤类型等。
综上所述，现代水资源的技术支撑主要包括：分布式水文模型、计算机技术、GIS、RS等近代科学技术。
七、SWAT模型
简要介绍SWAT模型
SWAT（Soil and Water Assessment Tool） 模型是一个开放式的典型分布式水文模型。
一般用于模拟地表水、地下水水质和水量，预测土地管理措施对不同土壤类型、土地利用方式、和管理条件大尺度复杂流域水文、泥沙及农业化学物质的影响。
主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响，可以模拟流域内多种不同水循环物理过程。考虑到流域下垫面好气候因素具有时空变异性，SWAT通常将研究流域细分成若干个自流域，并将每个自流域划分成若干个水文响应单元（Hydrologcial Response Unit HRU）。
流域水文过程模拟分为两大类：水循环陆面部分（产流和坡面汇流部分），它控制流域内主河道水、沙、营养物质和化学物质等输入量）；水循环水面部分（河网汇流），它决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移过程。
1、水循环陆面部分：每个HRU内单独计算径流量，然后演算到流域的总径流量。在此它考虑到气候、水文和植被覆盖等。
（1）气候因素：日降水量、最高最低气温、平均风速、相对湿度、太阳辐射。
（2）水文因素：冠层截留（叶面指数LAI）、下渗（下渗量等于降水量与地表径流之差）、土壤水的重新分配、蒸腾蒸发（ET）、壤中流、地表径流、池塘、支流河道、输移损失、地下径流（地下水分为两层浅层、深层）。
（3）植被覆盖因素：利用一个单一植物生长模型模拟所有类型的植被覆盖。能区分一年生和多年生植物，被用来判定根系区水和营养物质的移动、蒸腾、生物量或产量。
（4）水土流失：修正的USLE模型模拟每个HRU水土流失和泥沙的产生。
（5）营养物质：模拟几种不同形式的氮、磷的运动与转换。可以通过地表径流好壤中流进入主河道、地下水，并传输到下游河段。
（6）杀虫剂
（7）管理：可以定义每个HRU农业管理措施，生长季节起止时间、肥料、杀虫剂、灌溉的时间及定额。可以每年变换不同的管理措施。
2、水循环的水面部分：
（1）主河道汇流：演算分四部分：水、泥沙、营养物质、有机化学物质。向下游演进，其中一部分被蒸发和通过河床流失，另一部分被人类取用。补充来源为降水和电源输入。
（2）水库汇流演算：入流、出流、降水、蒸发和渗漏。出流有三种方法：a. 需要输入实测出流数据；b. 小水库无数据可以规定一个流量；c. 大水库需要一个月控制目标。
3、SWAT主要子模型：水文过程模型、土壤侵蚀模型、污染负荷模型。
开发建立流域（区域）SWAT模型必要的技术条件：
要有一个专业齐全的技术开发小组：该小组人员应具备：了解SWAT模型的原理及计算程序、熟悉使用手册、GIS知识（能解译分析DEM）、遥感知识（能解译分析土壤、土地利用及ET遥感图）、水文气象、土壤、土地利用、环境、农学及农作物管理（尤其灌溉知识）、建模的综合能力等。
模型所需要的基本资料，并对资料有分析判断能力。
建模过程：
1、首先对研究的流域（区域）的水文过程有一个概况的了解和判断，并在头脑中勾画出模型的蓝图。
2、确定模型有哪些主要水文过程，这些过程选用什么方程进行计算或描述。
3、根据资料及要求对研究区域进行概化，即进行子流域和HRU的划分。
4、参数率定
5、进行现状模拟及情景分析
介绍SWAT模型中的几个模块
（1）天气发生器：
模型设置了天气发生器，以便于模拟随机生成气象数据（包括日降水、太阳辐射、温度、相对湿度、风速），在气象系列资料短缺的情况下，可以起到延伸资料的作用。）
（2）：水资源管理模块：
主要包括灌溉、排水、洼地蓄水、调水、消耗性用水、点源等。
（2）城市模块：
SWAT模型有一个专门模拟城市区域降雨、产流、入渗、ET及城市街道清扫与不清扫不同情况排入河道的面源污染的模块。
城市ET问题：降雨时期，可根据城市楼房密度及透水地面分布选择不同参数可以计算径流及雨天的ET.非降雨时期如果我们知道城市每天自来水的供应量，又能监测出城市排水量，那损失部分的水可认为主要为ET（这个ET包含了生物ET及化学能的ET）的量）。
（3）点源：
SWAT模型在模拟面源污染是相当强的。但是它还设置了点源（SWAT模型将会在点源文件中读取水、沉淀物、有机物氮、有机物磷、硝酸盐、可溶解磷、铵、亚硝酸盐和细菌等），并允许在河网任何一点进行加入，这为模拟点源污染带来极大的方便。点源另一个主要的用途是可以用于调水。
（4）水质：除了泥沙，营养物和杀虫剂，SWAT还可以计算随着地表径流进入主河道的藻类总量，溶解氧量和碳生化需氧量（CBOD）。计算这三个参数需要监测河流水质。
（5）调水：
模型允许不同水体之间的相互调水。这一操作是靠文件中的调度命令来实现的。
调度命令可以将流域中任何一个水库（或河段）的水调往其他的水库（或河段）。用户需要输入水源的类型、水源的地点、接收调入水水体的类型、接收调入水水体的地点和调水量。
（5）农业管理：
可以模拟近100种作物的种植与收获、灌溉（自动灌溉、定额灌溉）、施肥（自动施肥、定量施肥）、管理措施（如：锄地控制农作物的棵间蒸发，参数esco 土壤蒸发补偿系数）、ET及产量。
SWAT模型模拟尺度及精度问题
这是一个相当专业的问题，在这里暂且不想涉及过多的理论。关键是我们利用SWAT模型需要解决什么问题？达到什么目的？从而确定选择什么精度的DEM及遥感土壤、遥感的土地利用等。在DEM、遥感土壤和土地利用精度一样的情况下，选取恰当的阈值划分子流域，进而划分HRU即可。在GIS、RS一定精度的情况下，并不是划分计算单元越多就越精确。
值得指出的是：在SWAT模型中农作物的灌溉对ET影响非常大，在模拟现状时一定重视现状土地种植（华北地区尤其是小麦、玉米、棉花）情况及灌溉（灌溉面积、定额，取水来源，即地表水还是地下水）情况。
SWAT模型是流域（区域）进行现代水资源规划与管理的有力工具
SWAT模型不仅是进行现代水资源规划的一个强有力的工具，同时也是一个进行水资源管理的有效工具。当一个特定的流域或区域SWAT模型建立之后，SWAT模型可以根据输入的气象数据跟踪模拟水循环的过程，以指导我们进行水量的分配与使用，指导我们关注的水环境变化情况。
简单归纳一下SWAT模型的优点：
1、开放性：允许使用者关注并改进自己感兴趣的领域。
2、模型概念清楚，河流提取划分子流域符合流域特征，HRU的划分又进一步体现流域空间的异质性。
3、水循环的完整性，并充分关注人类采取各种措施对水循环的影响。所采用的计算公式均是公认的。
4、水量水质一起模拟，尤其是可以模拟难以监测的面源污染，是该模型一大特色。
八、后记
由于参加世行GEF项目，世行在水资源管理上许多新的理念（ET、水权等）促使我思考了有关水资源方面的一些问题，文中提出的“现代水资源定义”、“现代水资源管理的核心”均是作者在参与课题过程中，阅读GEF项目历次检查团国际专家技援报告的体会得出的。在此公布出来，以其得到抛砖引玉效果。
本文编写过程中，主要参考了左其亭 王中根所著《现代水文学（第二版）》；刘昌明、郑红星、王中根等著《流域水循环分布式模拟》。从这两本经典的著作中得到了许多有益的启发。（考试大一级建造师编辑整理）
