水循环多元综合模拟系统 (HIMS)的研究进展

( 3) 考虑建模的实用与二次开发及应急运用的 必要, 对水循环多元过程、变量与参数进行集成, 汇总各种相关的函数与模型, 建立信息库与数据库 及工具箱, 能单个提取和组合定制模型。
( 4) 分析水循环模拟的内在需求, 在开放、兼 容、通用等原则的指导下, 基于 ! 函数 模块 模 型 ∀的架构, 通过系统集成, 形成具有模 块组件, 可 根据 流域 水循 环特 定条件 定制 新模 型的 水循 环综 合模拟系统, 开发具有自主知识产权且具备一定商 业 化前 景的 计算 机软 件。 2 3 模型结构与性能
摘 要: 面向半湿润半干旱区水循环多要素、多过程、多尺度综合模拟的难题, 通过多元水循环要
素的理论分析, 采用遥感定量反 演、多 过程集成, 研发了水 循环多元综合 模拟技术系统 H IM S
( H ydro Inform at icM odeling System ) , 包括水文函数子系统 ( H ydroL ib) 和生态水文子系统 ( E coHAT )
( 2) 与定量遥感与反演技术相结合, 针对水循 环过 程中降 水、蒸 散发 、土 壤水 等关 键 要素 利 用常 规方法难以大面积精确定量的问题, 应用遥感影像、 DEM 等数据源, 按大气科学理论与遥感结合解决纯 数学方法进行空间插值的缺陷, 以发展物理机制清 晰、 适用范围 广的 蒸散 发、 土壤 水等 要 素的 模 拟计 算方法, 弥补关键水循环要素观测资料的不足。
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水循环多元综合模拟系统 ( H IM S)的 研究进展
刘昌明 1, 王中根 1, 杨胜天2, 郑红星 1
( 1 中国科学院 地理科学与资源研究所、陆地水循环及地表过程重点实验室, 北京 100101; 2 北京师范大学 地理学与遥感科学学院, 北京 100875)
H IM S系统主结构包括水循环多源信息集成平 台 、水 循环 多元 要素 定量遥 感反 演和 生态 水文 模拟 系统 EcoHAT ( Ecohydro log ica l A ssessm ent Too l) 、 [6] 水 循环 过程 模块 库集 成系统 、多 尺度 分布 式水 循环 定制模拟系统、水文分析工具箱, 以及图形界面应 用服务系统等 (见图 2)。
具, 并将为我国水文模拟领域的技术进步和半湿润半干旱区水资源管理的研究发展提供支持。
关键词: H IM S系统; 水循环; 综合模拟; 半干旱半湿润区
中图分类号: P33
文献标识码: A
文章编号: 1671 1408( 2010) 08 0005 05
1概 述
水循 环涉 及地 球系 统中 一系列 的物 理、 化学 和 生物过程, 如泥沙的侵蚀、搬运与堆积, 地表化学 元素 ( 包括污染物质 ) 的迁移与转化, 植物的蒸腾 以及能量的转化等。在水文模型的发展历史中, 针 对某一方面的需求和应用有不同的模型, 如流域水 文模 型、 地下 水模 型、 水土 侵蚀模 型、 水质 水量 联 合模 拟模 型、 生态 水文 模型 等。这 些模 型各 自关 注 的要素、过程和尺 度都有 所不同, 各 有其适 用范 围。近些年来, 以水循环基本原理为核心, 集成多 学科研究成果, 发展水循环多元综合模拟系统, 全 面揭 示水 循环 及其 伴随 物理 、化学 和生 物过 程的 发 生和演化规律, 已经成为水循环模拟研究领域的重 点。 国际 上一 些研 究机 构已 先后开 发出 了各 自的 模 拟系 统, 如 丹 麦 DH I 的 M IK E SHE[1] 、 美 国 的 SW AT[ 2] 、HM S[3] 、澳大利亚的 T IM E[ 4] 等。这些模 拟系 统在 水资 源、 水生 态、 水环境 和水 灾害 等多 方
( 1)深化水循环系统理论及其多维变量与众多 要素的时空变异研究, 主要采用定量遥感与反演方 法, 为基于网格和单元流域的水循环分布式建模与 模拟 提供 实用 技术 支撑 。
( 2)集成水循环变化多元过程的基本函数应 用, 包括从大气降水到陆地天然水循环和社会中的 水量 水质 交换 与传 输的 主要 流域过 程及 其物 理、 化 学、生态的关键参数与计算子模型, 形成具有应急 功能、使用方便灵活的工具箱, 为用户服务。
( 3)建立能适合不同自然与社会条件的水循环
模拟系统, 形成具有普适性、能提供用户进行二次 开发功能的系统平台, 不仅能很好地适应我国的条 件也力求在国外得以应用, 并服务于稀缺资料地区 的水文计算 ( 如国际水文计划 P red iction of U ngauged Bas ins, 即 PU Bs计划 )。 2 2 技术方法
( 3) 黄河流域生态与环境的分布式定量评价。 应用 H IM S系统中的生态水文模拟系统 ( E coHAT ) 对 黄河 流域 的土 壤侵 蚀与非 点源 污染 物质 进行 了评 价 [ 8] 。图 3是黄河全流域土壤侵蚀定量分布, 揭示 黄河泥沙的区域来源。图 4是流域非点源污染物质 (包括总氮、总磷、 COD、氨氮等的定量分布状况 )。
收稿日期: 2010 06 18 基金项目: 国家自然 科学基 金项 目 ( 40671023)、国 家重点 基础 研
究发展规划项目 ( G 19990436、 2006CB403407) 作者简介: 刘昌明, 男, 中国科学院院士, 中心咨询专家。
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水利发展研究 2010 8
合模拟; 作为工具, H IM S系统能适用于水资源监 测、评价、规 划、设计等各 个方面。目 前, H IM S 已在国内外部分流域 ( 包括我国黄河、澳大利亚与 美国加州 ) 进行了验算, 取得较好的结果, 并仍在 进一 步研 发与 完善 之中 。
2 H IM S系统的原理与结构
2 1 研发的系统框架与主要目标 H IM S是以变化环境下的流域水循环多元过程
及其动力影响因子多维向量研究为主线, 在深入多 元水 循环 过程 理论 分析 并综 合集成 不同 领域 和学 科 科技研究成果的基础上, 参照当前国际水资源研究 的先进经验, 探求建立综合分析系统与综合模拟平 台, 为水 资 源 综 合 管 理 与 流 域 综 合 管 理 服 务。 H IM S系统研发的总体思路如图 1所示。
面 的应 用中 发挥 着越 来越重 要的 作用 。 研 发水 循环 多元 综合模 拟技 术是 解决 水资 源的
科 学评 价、 合理 规划 、有效 保护 、优 化配 置、 高效 利用与综合管理 ( 含生态、环境保护 ) 的基本科学 技术。在国家 973项目和国家自然科学基金等科研 项目的支持下, 针对水循环多元过程及多种要素的 复杂作用关系, 以变化环境下流域水循环多要素、 多过程、多尺度的综合研究为宗旨, 全面收集与探 讨当前国际先进经验与面临的问题, 并在综合集成 不同领域和学科科技成果基础上, 研发了水循环多 元综 合模 拟 系统 H IM S ( H ydro Inform at ic M ode ling System ) [ 5]。H IM S系统面向水资源、水环境、水生 态、水灾害与水管理问题, 进行不同尺度的多元综
图 1 水循环多元综合模拟系统的思路与框架
如图 1所示, H IM S系统的开发面向气候变化 和人 类活 动影 响下 的洪 水、 干旱、 污染 、泥 沙以 及 生态等多方面的水问题, 在系统架构中实现气候 水文、生态 水文、环境 水文等过程的耦合, 以 实现系统的多元应用。H IM S 系统设计和开发的主 要目 标是 :
分类 国家
功能
内容
模块化结构 定制模型 与 RS /G IS 集成 产流模式 汇流模式 多要素模拟 多尺度模拟 资料缺乏地区模拟 气候变化影响分析 下垫面影响分析
表 1 H IMS 性能技术指标与比较
H IM S
中国
是 强 自主创新 多种模式 多种模式 能 强 强 能 能
SW AT
Βιβλιοθήκη Baidu美国
是 弱 第三方集成 两种模式 两种模式 能 一般 一般 能 能
等。本文分别介绍了 H IM S系统的原理、结构、功能以及验证和应用, 包括用于揭示气候变化、
人类活动、土地利用变化与水文循环的相互作用, 支撑与水相关的生态与环境问题研究; 经与国
外的水循环模拟技术相比, H IM S更适合我国现有的数据与环境条件, 具有较高的模拟精度、计
算速度, 以及操作友好的图形化界面系统。H IM S可望为资料缺乏地区水文模拟提供技术支撑工
H IM S系统的主要特点是: ( 1) 基于微观到宏 观层面探讨流域水循环多元过程的规律与环节, 采 用 模块 化开 放式 结构 、 集成 多 种 水循 环 过 程 模块 、
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图 2 H IMS 系统的主结构
与 G IS /R S结合紧密、具有水文模型定制功能, 可 供研究人 员面向其 任务自主 研发模型; ( 2 ) 基 于 ! 函数 模块 模型 ∀的开放式系统架构, H IM S 多 尺度 分布 式水 循环 定制 模拟 技术可 以面 向防 洪、 流 域综 合管 理、 气候 变 化 影 响 分析 等 不 同 应 用 领 域, 紧密与环境条件和数据基础相结合, 进行不同尺度 模型的嵌套扩展, 适合不同数据和环境条件下的应 用; ( 3 ) 可 以 用 于 稀 缺 资 料 地 区 水 文 计 算 ( 如 PU Bs) ; ( 4) 验算与初步应用表明, 系统能满足计 算精度的要求, 具有使用简便、计算高效、界面友 好的特点。表 1是 H IM S与有关模型系统的比较。
基于上述思路和 目的, 运用计 算机、信 息系 统、遥感以及水文模拟技术的最新成果, 实行多学 科交叉 的应用研究, 融合水文水 资源、气 象、地 理 、生 态、 环境 等自 然经济 技术 学科 的数 据资 料与 新方法, 研发流域水循环多元综合模拟技术与实用 系 统。 技术 方案 如下 :
( 1) 从基础理论研究入手, 开展室内物理模型 实验、典型代表性流域原型观测, 为创新研发流域 水循环综合模拟系统 ( H IM S) 奠定理论基础。
M IKE SHE
欧洲
是 弱 第三方集成 物理模式 三种模式 能 一般 弱 能 能
TIM E
澳大利亚
是 一般 自主创新 多种模式 用户定义 很少 一般 一般
能 能
HM S
3 H IM S的应用
H IM S水循环多元综合模拟系统, 包括其各主 要部件 H ydroL ib、 EcoHAT 已在国内外部分流域的 降雨径流计算中进行了验算, 并结合水循环与水资 源有 关的 生态 及环 境问 题进 行了应 用研 究。 主要 的
进 展有 以下 几方 面: ( 1)不同时空尺度的流域降雨径流模型的定
制, 包括小时尺度小流域分布式次降水径流模型、 日 尺度 中等 流域 分布 式水文 模型 以及 月尺 度大 流域 分布式水文模型的定制, 分别在黄河的伊洛河、泾 河 以及 黄河 主要 干 流 成 功 进行 了 模 拟 。限 于 篇 幅, 模拟结果仅以黄河支流的伊洛河卢氏站为例 [7] 。
( 2) 黄河源 区 ! 水塔 ∀效应的 应用分析。应用 H IM S 系统 中 的水 文 分析 工 具 ( H ydroL ib ), 选 取 K alin in、数字滤波等不同方法从实际观测日径流资 料中划分源区基流, 并分析黄河 源区 1956~ 2000 年的基流变化规律。结果表明, 基流在黄河源区总 径流中占有很大的比重, 其多年平均约为总径流的 65% , 比地表径流约 多出 60 mm, 1956~ 2000 年 基流指 数 ( BF I) 介 于 0 51 ~ 0 78, 变 差 系 数 为 0 27。这表明源区的地下径流是相对稳定的。大量 而稳定的地下径流, 是源区成为黄河流域水塔的重 要原因。同时, 应用 H IM S 的遥感扩展功能模块中 的土壤水分遥感模型估算了 1982以来黄河源区 1 m 土层土壤水分的月均值, 表明黄河源区是黄河流域 中土壤水分最高的区域, 基本均在 300mm 以上, 是 源区成为黄河流域 ! 水塔 ∀的另一个重要依据。