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“国家水资源承载力评价与战略配置”项目完成WEP-CN模型研发
发布时间: 2019-12-26   来源: 重点实验室

近日,由国家重点实验室学术带头人王建华教高负责的国家重点研发计划“水资源高效开发利用”重点专项 “国家水资源承载力评价与战略配置” 项目(编号:2016YFC0401300),完成了全国分布式水循环模型WEP-CN(Water and Energy Process in China scale)研发工作,基于对中国全域尺度流域水循环过程的模拟,实现了对全国水循环通量演进的解析、水循环演变规律的识别和归因分析等,支撑了全国水资源承载能力“量、质、域、流”的评价与战略配置。

一、WEP-CN模型简介

WEP模型(Water and Energy transfer Process)由贾仰文教高在日本东京大学留学期间,于1995年着手开发,20多年来在日本、韩国、中国、荷兰等国得到广泛应用,不断发展完善。由于模型开发目的不仅是为了研究水文水资源问题,同时还要研究城市热环境改善对策(如城市水面保护和屋顶绿化等)的效果,因此WEP模型从初期版本开始就重视水循环过程和地表能量交换过程的耦合模拟,尝试对分布式水文模型和SVATS(土壤-植被-大气交换方案)模型的优点进行综合。

全国分布式水循环模型WEP-CN结构图

针对全国尺度水循环模拟存在的超大时空尺度、复杂地貌类型、气候类型多变等特点,基于WEP模型,创新提出了流域出口断面自动识别、多阈值虚拟河网融合等技术,强化高海拔区域垂向过程模拟,构建了包括全国十大一级流域在内全国分布式水循环模型WEP-CN。模型的模拟范围为全国960万平方公里,涵盖全国十大一级流域。模型时间尺度为日,计算单元的划分采用子流域套等高带的形式,即首先在空间上将全国划分为19406个子流域,每个子流域内部根据高程进一步划分为1-10个不等的等高带,最终共划分为81687个等高带,作为基本计算单元,也是模型输入输出结果的基本单元,在全国范围内选择203个水文站的天然径流序列进行了验证,相对误差小于10%的站点超过90%以上,Nash效率系数大于0.7的站点超过80%。在此基础上实现了对全国1956-2017年210个三级区、333个地级市、2854个县、1436个三级区套地市和5649个三级区套县的水循环要素和通量演进的全方位解析,并基于区域气候模式气候预估结果,对未来2030年、2050年的水资源情势进行了预测。此外,考虑水热条件和地质结构差异,在全国选择了21个典型流域(涵盖10种地质类型,跨越9个气候带,南北纬度差32°,东西经度超过40°,平均面积4.4万平方公里),基于WEP-CN模型开展了流域天然河川径流演变归因分析及对比研究。

全国分布式水循环模型WEP-CN架构图

 

二、WEP-CN模型的主要功能

WEP模型可以开展河川径流预报、动态水资源评价、地下水位预测、山区积雪分布预测、土壤水分预测、河网水系洪水演算、 洪水泛滥数值计算、河道水质模拟计算、城市路面负荷流出过程计算、 未来情景分析与治理措施效果评价等,本次开发的WEP-CN模型的重点功能如下。

(1)自然-社会二元水循环过程的真实刻画:能够实现降水、截留、蒸发、入渗等自然水循环过程,以及取水、用水、耗水等自然水循环过程的模拟,定量评估降水、地表水、土壤水及地下水的水量转换规律,以及人类活动影响(水资源开发利用、下垫面变化条件下)的水资源转换规律,尤其是对于无资料地区或人类活动强影响区,具有良好的应用前景。

(2)动态水资源评价:能够开展县域、地级、省级行政区及各级水资源分区等不同空间尺度的水资源评价,能够开展小时、日、月、年时间尺度的水循环过程模拟;为开展全国范围的动态水资源评价提供支撑。

(3)生态流量过程模拟:能够定量刻画在气候变化及人类活动影响下,河流的重点节点以及生态敏感区的断面流量过程,为我国开展的生态流量管控提供支撑;

(4)未来情景预测;能够模拟未来气候变化、水资源开发以及下垫面条件下的水循环特征,为我国水资源安全战略提供支撑。

 

三、WEP-CN模型相关工作的主要创新

(1)首次提出了一套面向大尺度分布式水文模拟的子流域划分方法,兼顾模型的计算精度和模拟效率,包括流域出水口自动识别和多阈值虚拟河网融合模块,可实现流域出口断面的自动识别,解决内流区河网提取失真问题,变汇流面积阈值可有效控制地形破碎区域子流域划分数量。

(2)基于多源数据,结合文献调研、现场调查、实验分析和模型率定等手段建立了全国水文参数库,包括不同气候分区的地表水参数、地下水参数和土壤水参数等,为同类型分布式水文模型的构建、应用和推广创造了条件。

(3)考虑气候-地形-地貌-地质-土壤-植被等要素影响下区域产、汇流的时空异质性,首次构建了基于能量过程模拟的全国分布式水文模型WEP-CN。

(4)基于WEP-CN的统一模拟框架,开展覆盖全国不同流域分区的水资源演变规律和归因分析,有效降低了不同模型结构和参数化方案而带来的不确定性。

(5)基于WEP-CN首次绘制了全国水循环“两向(垂向+水平)水流图”,传统水资源调查评价获得的水资源量结果数据较多,而水循环过程数据较少,且难以反映变化情景下的动态响应,其水平衡图(水流图)反映的要素较为有限。

目前,WEP-CN模型还在不断的深化,完善过程中,欢迎有兴趣的专家交流!

联系人:牛存稳 68785606 niucw@iwhr.com

        刘  欢 68781939 zdliuhuan@163.com

 

 
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