1、 中国科学 E 辑 : 技术科学 2008 年 第 38 卷 第 3 期 : 350 360 350 uS S vSCIENCE IN CHINA PRESS HIMS系统及其定制模型的开发与应用 刘昌明, 王中根 *, 郑红星, 张橹, 吴险峰 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; 澳大利亚 CSIRO, Land and Water, 堪培拉 A.C.T. 2601; 中国国家环保总局 , 北京 100035 * 联系人 , E-mail: 收稿日期 : 2007-10-08; 接受日期 : 2007-11-13 国家自然科学基金 (
2、批准号 : 40671031)和国家重点基础研究发展规划 (编号 : G19990436, 2006CB403407)资助项目 摘要 水循环既是水文科学的基本理论, 又是进行水资源科学评价、合理利用和有效保护的基础. 从水资源研究的需要出发, 广泛参考国内外有关水文建模的经验, 立足自主开发, 建立了一种具有多种功能的水文水资源模拟系统(HydroInformatic Modeling System, 简称: HIMS). 该系统已取得多项国家版权局的软件著作权. 结合国家“973”项目对黄河的研究, 进行了具体的研发和应用, 已取得实用性的成果, 并且与澳大利亚联邦科工组织(CSIRO)合作
3、, 利用澳大利亚的331个流域50多年来逐日降雨径流观测数据进行验证, 取得良好的效果. 研究表明HIMS系统具有比较广泛的适应性, 能够针对不同的水文水资源问题进行模拟, 并具备定制模型与二次开发的应用前景. 关键词 HIMS系统 定制模型 水循环 水资源 基于水循环过程进行水资源的规划与管理 , 是研究复杂水问题和实现水资源可持续开发利用的基本途径 , 也是现代水文水资源学研究的重要内容 . 自然界周而复始的水循环运动是产生地球淡水资源的根本动因 , 也是联系大气圈、生物圈、土壤与岩石圈等其他圈层的纽带 . 伴随大气降水、截留、融雪、蒸 (散 )发、下渗、产流 (地表径流、壤中流、地下径流
4、 )、坡面汇流、 水库 (湖泊 )调蓄和河道汇流等 9 大水循环过程与水量转化 , 牵动着陆地表层系统其他物理、化学和生物过程的演化 , 如泥沙、水质和生态等过程 . 人类社会经济系统的演变也同样与水循环过程休戚相关 . 受气候和下垫面变化的影响 , 陆地水循环要素的时空变异性极其突出 , 很多国家和地区的水资源时空分布严重不均 . 多数流域的降水集中在汛期 , 与农业生产需求不一致 , 加上水土、水热条件的不匹配严重制约了社会经济的发展 . 为此 , 人类大兴水利工程 (如水库、闸坝和调水工程等 )试图改变水资源的不均匀分布 , 更有效的利用水资源 . 在这个过程中 , 中国科学 E辑 :
5、技术科学 2008 年 第 38 卷 第 3 期 351 由于缺乏对水循环大系统整体过程的足够认识 , 难以综合考虑 “水与气候 ”、 “水与生态 ”、 “水与社会 ”、 “水与经济 ”等多种过程的联系与反馈作用 , 特别是缺乏支撑多种过程综合和系统集成研究的模拟平台 , 所以许多管理与规划决策往往 “顾此失彼 ”, 在兴利的同时却带来了更大的生态与环境的灾害 , 这反过来又制约着经济社会的发展 , 使我们面临严峻挑战 . 当前世界各国都十分关注水循环过程的系统综合集成研究 . 相继实施了许多大型科研计划 , 如 , IGBP, WCRP, IHP等 , 包括 WCRP-GEWEX, IGBP
6、-BAHC, 以及 ESSP实施的全球水系统研究 (GWSP)项目1. 在理论方法上 , 也逐步从以往培根式的还原论方法 (即 , 将完整的水循环过程分割为不同的部分 , 形成众多的分支 ), 转变到系统论综合集成方法 (即 , 把还原论方法和整体论方法相结合 , 从整体到部分由上而下 , 又自下而上由部分到整体 , 采取定性到定量的综合研究 )2,3. 开始强调水循环过程各环节之间的联系与反馈机制和水循环系统的整体适应性问题的研究 . 在技术手段上 , 开始研制大型的水循环综合模拟系统软件和平台 , 如 , 美国地质调查局 (USGS)在 MMS(Modular Modeling Syste
7、m)基础上开发的 OMS(Objective Modeling Sys-tem)4, USGS与复垦局 (BOR)合作的流域和河流系统管理计划 (WARSMP), 美国 HEC(Hydro- logic Engineering Center)的 HMS(Hydrologic Modeling System)5, 美国开发署 (USDA)农业研究中心 (ARS)的 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)6, 以及一些商业化软件如丹麦 DHI的MIKE软件7, Brigham Young大学环境模型研究实验室 (EMRL)开发的 WMS(Watershed Mod
8、el-ing System)8等 . 目前国内尚缺乏水资源领域和学科间的交叉与融合研究 . 例如 , 与水相关的泥沙、污染和生态等问题的研究与降水径流过程的研究联系并不紧密 . 一些新的分布式水文模拟技术并没有在上述问题研究中得到很好地应用 . 针对国内在水循环综合集成研究方面存在的不足 , 面向国家经济建设中迫切需要解决的水问题 , 国家重点基础研究发展规划项目 (编号 : G19990436)黄河 “973”项目 01 课题 , 研发了大型的水循环综合模拟系统 HIMS9,10. 该系统包括分布式与集总式模拟 , 具有模型定制功能 , 能满足不同时空尺度和适应不同自然与人文环境的模拟 ,
9、为流域水资源科学评价、合理利用和有效保护提供重要的技术支撑平台 . 1 HIMS系统的构建 1.1 HIMS系统的结构框架 HIMS系统开发的目的是服务于流域水资源评价、规划与管理 , 以及与水相关的生态与环境保护研究 . 基于此 , 在开放式框架下 , HIMS系统融合了多种与 “水 ”相关专业的成果 , 提供了多学科交叉研究的系统平台 . 在技术上 , 瞄准国际先进水平11, 基于模块化结构、发展模型定制功能 , 实现大型数据库与模型库的有机结合 . 自主开发的 HIMS系统总体研制思路如图 1 所示 . 目前 HIMS系统已与 GIS/RS相结合 , 实现了多源信息处理和数字流域分析功能
10、 , 其模型库HydroLib(软件著作权 2006SRBJ2118)包含了流域水循环 9 大过程 , 集成 110 多个模型、涉及600 多个参数 , 可适应不同时空尺度模拟和水管理之需 . 刘昌明等 : HIMS 系统及其定制模型的开发与应用 352 图 1 HIMS 系统总体研制思路与结构 1.2 HIMS系统的功能开发 针对不同的自然和人文环境、流域空间非均一性以及水文尺度等问题 , HIMS 系统突出了以下几个功能 . ( ) 多源信息融合功能 . 水循环基础数据往往来自不同的部门 (如水文、气象部门等 ), 各种数据的系列长度、完整性以及时间尺度等都不尽相同 , 给水循环模拟带来很
11、大困难 . 针对该问题 , HIMS系统基于多库结构 , 结合我国自主产权的 GIS软件 (SuperMap), 对水循环的属性数据和空间数据进行有效管理 . 开发了水文分析和数据处理模块 , 能够对不同格式的数据进行转换和数理统计分析 , 如插补延长、空间插值、特征分析 (周期、变点、趋势 )、数理统计、数据融合与同化处理等 . ( ) 数字流域分析功能 . 数字流域是当前流域现代化管理中提出的新概念 , 也是国际上“数字地球 ”研究的重点 . 利用 “3S”技术 , 能以 “电子沙盘 ”形式来表现流域的地貌 . HIMS 系统提供了数字流域的基础支撑技术 , 其功能的开发包括两个方面 :
12、一是集成比较成熟的 GIS软件 , 对空间信息进行处理和展示 ; 二是自主研发流域数字信息提取技术 , 如 “数字流域信息提取系统 ”. ( ) 分布式模拟功能 . 可以反映流域水文水资源要素在空间上的变化 , 能把单一水量变化的模拟联系到广泛的水文水资源与生态、环境问题模拟 . 与数字流域分析技术相结合 , 基于河网结构和单元流域的划分 , 研制出类似于 SWAT 的产、汇流空间循环控制技术 (获软件著作权 2006SRBJ2090). 在该技术框架下 , 当划分的计算单元为 1 时 , 执行的便是集总式模拟 , 将传统的集总式和当前的分布式模型进行了统一 . ( ) 模型定制功能 . 由于
13、水文尺度、流域空间非均一性等问题和产汇流机制以及自然人文条件的差异 , 传统的固定结构的单一模型很难适应变化环境下的不同流域水循环模拟 . HIMS系统提出了具有重要特色的模型定制功能 , 其含义是允许用户根据水文特性和研究问题 , 中国科学 E辑 : 技术科学 2008 年 第 38 卷 第 3 期 353 选择模块 , 组装成新的模型 . 该项功能为新模型的研发提供了一个快速的构建平台 , 能够让模型研制人员从繁琐的数据处理、 界面设计和编程工作中解放出来 , 以便把更多精力放在模型结构设计上 . 1.3 HIMS系统的技术开发 在技术开发方面 , HIMS 系统采用模块化集成技术 , 核
14、心是模块开发与集成、模型定制与界面设计 . ( ) 模块开发与集成 . 在 HIMS 系统中水循环 9 大过程分别对应于不同的类库函数 (或模块 ), 每一类包含不同的方法 , 例如下渗过程 , 对应 Infiltration 类 , 有我们研制的 LCM 降雨入渗方法以及国外的 Horton 方法与 Philip 方法等 . 在 HIMS系统模型库的设计中 , 采用如下定义方式12: 1)对于一个特定的水文过程 , 定义一个类 , 类具有属性和方法 ; 2)方法对应于该水文过程的不同算法 ; 3)属性定义为水文过程的输入、输出和参数 , 即 I/O属性 ; 4)在 I/O属性中 , 针对不同
15、的水文过程算法 , 定义不同的 I/O数据结构 . 如前所述 , HIMS模型库已封装了水循环过程的多种模拟方法 . 此外 , 还包括一些成熟的模型 . 如 , 新安江模型和国外的 TOPMODEL, SCS模型等 . ( ) 模型定制与界面研制技术 . HIMS 系统按其结构框架和空间循环控制技术 (图 2), 研制出了模型定制功能 . 开发了易于操作的定制界面 . 供用户选择模型的时间尺度 (如次过程、日或月过程 )、模拟长度和不同的产、汇流模块 . 系统将用户的选择信息自动记录 , 并从模型库加载相应函数 (或模块 ). 模型库的开发采用面向对象的语言 C+, 以头文件 HydroLab
16、.h 形式存在 . 图 2 HIMS 模型定制 (a) 运行控制框图 ; (b)定制界面 刘昌明等 : HIMS 系统及其定制模型的开发与应用 354 2 HIMS系统的基本原理 在产、汇流计算中 , HIMS 系统汇总与集成了当前比较成熟的多种水文模拟方法 , 其中有水力学方法和水文学方法 , 包括物理的、概念的和系统理论方法等 , 其中包括新研发的一些模型 . 基于河网的空间拓扑关系 , 系统综合考虑土地利用和土壤类型空间分布 , 将研究区域离散为若干个计算单元 (如子流域或网格单元 ), 每个单元包含一汇流河道 , 单元之间通过河网进行连接 . 在径流模拟的基础上 , 集成泥沙、水质、生
17、态、农业等其他专业通用模型 , 可扩展其应用范围 . 2.1 HIMS系统的单元产流计算 系统中的单元模型结构如图 3, 考虑了降水、融雪、截留、下渗、蒸发、产流和坡面汇流、水库调蓄等多种水循环过程 , 其中土壤分为两层 : 一是非饱和土壤层 ; 二是地下含水层 , 主要是浅层地下水 . 图 3 HIMS 系统的单元模型结构 产流是降雨径流模拟的关键 . HIMS 考虑了超渗产流与蓄满产流两种方式的概念 , 基于入渗的能量守恒与水量平衡方程如下 : ()/,LugyHh y =+ (1) dd,nqt y= (2) 式中 u 为入渗锋面速度 ; 为水密度 ; g 为重力加速度 ; y, H,
18、hL分别为重力水、地表积水与毛管力水头 ; v 为与阻力有关的系数 ; qn为入渗流量 ; 为空隙面积 . 联解 (1)和 (2)式得出 ()/.nLqgyHhy =+ (3) 通过不同地表的实验 , 并结合流域观测资料分析 , 发现降雨入渗和产流既与雨强有关 , 也与土层土壤含水量有关 , 并且可用表 2 中的简化公式定量描述 , 其特点是兼顾了有超渗与蓄满两种产流的主要因素 , 适用性强 . 中国科学 E辑 : 技术科学 2008 年 第 38 卷 第 3 期 355 2.2 HIMS系统的汇流计算 系统的汇流计算考虑坡面和河道汇流两部分 . 可采用动力学模型 , 也可用水文学方法如单位线
19、、等流时线、 MUSKUM 等方法 . 例如 , 坡面汇流动力学方法 . 假定产流在单元流域上均匀分布 , 坡面流连续方程如下 : ,sqhilt+=(4) 式中 q为坡面上任意界面的平均单宽流量 ; h为相应截面的产流深度 ; is为坡面上平均净雨强度 ; l 为从坡面顶端于 t 时刻到相应截面的坡长 . 略去惯性项的坡面流运动方程如下 : ,x ysVmIR= (5) 式中 Vs为坡面断面上的平均流速 ; R 为水力半径 ; I 为山坡坡面水力坡度 (与山坡坡度近似 ); m为坡面平均糙率 ; x, y 为系数 . 联解 (4)和 (5)式 , 可得山坡平均流速 : ,nkssVAIR=
20、(6) 式中 As为山坡汇流系数 ; n, k 为系数 . 在河网汇流演算中 , 计算单元间通过主河道连接成整体系统 . HIMS系统通过编制不同命令代码的方法10(见图 2 和表 1), 来控制单元之间的产、汇流过程 . 即按河网拓扑关系 , 编排不同代码控制单元产流、汇流、水库调蓄、水流叠加等过程 , 实现分布式水循环模拟 . 流域产流和汇流过程的模拟交错循环进行 , 即“产流汇流下一时段产流下一时段汇流” . 这种模拟方式较之产流与汇流完全分开的模拟方式更加接近于实际的水循环过程 . 表 1 空间循环控制代码表 40 代码行数 1 产流命令 25 子流域总数 2 汇流命令 0 源头子流域
21、 1 汇流河段 3 流出河段 1 储存单元号 5 叠加命令 1 储存单元 1 2 储存单元 2 3 流出河段 14 储存单元号 0 结束命令 3 HIMS系统应用的实例与验证 作为通用的综合模拟系统 , HIMS 允许用户自行定制模型 . 下面将针对黄河流域与澳大利亚的数据资料 , 定制模型并进行验证分析 . 3.1 HIMS定制的模型 在 HIMS 系统平台上 , 基于模型库选择自主研发的降水入渗模块 , 定制出新的可用于分布式或集总式模拟的降雨径流模型 . 定制好的模型界面如图 4 所示 . 主结构包括 5 个部分 . 1)输入部分 . 进行输入数据处理和刘昌明等 : HIMS 系统及其定
22、制模型的开发与应用 356 控制代码的生成 ; 2)产流部分 . 进行单元产流计算 ; 3)汇流部分 . 进行坡面汇流和河网汇流演 算 ; 4)辅助部分 . 包括基流分割、参数优化、误差分析、统计分析、空间信息浏览等功能 ; 5)输出部分 . 进行模拟分析结果的输出 , 其中输入、输出和辅助分析模块在 HIMS 系统中可以重复利用 , 不需要用户编制代码就能完成新模型的定制 . 图 4 HIMS 定制模型界面 定制模型的运行采用 HIMS 系统的空间循环控制代码方式 , 在本文实例中 , 定制模型的主要计算公式如表 2 所示 . 在产流计算中 , 采用自主研发的方法计算降雨入渗公式13(见表
23、2), 其参数通过小流域大量实测与人工降雨试验论证 , 得出降水入渗关系 , 并根据不同下垫面资料综合分析确定出 R与r值 , 可由土地类型 (植被覆盖与土地利用 )和前期土壤湿度查表 3 选择 . 3.2 在黄河不同尺度流域中的应用与验证 ( ) 中、小流域小时尺度模拟应用 . 选择黄河小浪底 -花园口区间洛河上游卢氏水文站以上流域为例 . 该流域是黄河流域土石山林区的典型代表区 , 流域面积 4623 km2, 主河长 196.3 km. 地处亚热带和暖温带的过渡地带 , 多年平均降水量为 720 mm, 多年平均水面蒸发量为966 mm. 流域内雨量观测站 33 处 , 流域的出口断面流
24、量站 1 处 . 流域暴雨一般出现在 510 月 , 其中 78 月暴雨量占全年降雨的 60%80%. 在 HIMS系统平台上基于 1:25 万 DEM将卢氏以上流域划分为 86 个计算单元 , 平均面积约为 50 km2. 每个单元流域的面积、坡度、河长及河道坡度等参数均自动提取14. HIMS定制模型的汇流计算采用了变动等流时线法 , 计算步长为小时 . 从 19701990s 实测资料中选取 43 场暴雨 , 进行分布式次降水径流过程模拟 , 部分结果见表 4. 模型验证结果表明 , 洪峰流量误差在 9%16%, 净雨模拟误差平均为 7.7%. HIMS 定制的新模型的适用性 , 为洪水
25、预报研究提供一种可供选择的分布式模型 . 中国科学 E辑 : 技术科学 2008 年 第 38 卷 第 3 期 357 表 2 HIMS 系统定制的模型的主要方程a)项 目 主要方程 说 明 冠层截留 /mm () min (), (), ()vA c v cdIt d PtItWt= () ()vccI tKdLAIt= 冠层截留量由降水量、冠层截留能力和冠层缺水量三者中最小的值所决定 , 冠层截留能力是叶面指数的函数 融雪率 /mh1() ( () )s fbM tD TtT= 度 -日模型 (degree-day model) 潜在蒸发量 /mm ()( )max0maxmin17.8b
26、RAET a T T TL=+潜在蒸发模拟采用 Hargreaves 和 Samani 公式 , 适用日以上时间尺度模拟 实际蒸发量 /mm ()() () 1 1saosmWtET t ET tW=实际蒸发模拟采用概念性模型 , 与土壤蓄水量和潜在蒸发有关 , 适用日以上时间尺度模拟 下渗计算 rf RP= 0.8781 ln( ) 1.3422Rr=+ 下渗计算为经验模型 , 关键性参数 R 与 r 可根据土湿和植被覆盖情况查表得到 地表径流量 /mm rdQPfPRP= 基于水平衡方程 , 地表径流量等于降水量减去下渗量 壤中流 /mm (/ )lassmQLWW f= 经验公式 , 壤
27、中流与土湿和降水入渗量成正比 地下水补给量 /mm ()(/ )cssm lREC R W W f Q= 经验公式 , 地下水入渗补给与土湿和降水垂向入渗量成正比 基流 /mm ()bb sQKGWREC= + 简单基流系数方法 坡面汇流 xyslVmSh= 11vmBB nvkkKaSP= 简化的动力学方法 变雨强等流时线方法 河道汇流 0.2950.705VQ= ,2 1 ,2 2 ,1 3 ,1out in in outQCQCQCQ= + + 简化的河道动力学模型 马斯京根模型 水库调蓄 ddrrSI Qt= ; ( )rQfS= 基于水量平衡和蓄泄关系 , 进行水库调蓄计算 a) d
28、c为植被覆盖度 /%; P(t)为降雨量 /mm; Wcd(t)为冠层缺水量 /mm; Kc为冠层截留系数 , 与植被类型有关 ; LAI(t)为叶面指数 ; Df为度 -日模型因子 , 取值范围 31046104/m1h1; T(t)为温度 / ; Tb为开始融雪时的气温 / . 参数取值 0.00230.0032; b 参数取值 0.50.6; RAmax为太阳最大可能辐射量 /MJm2d1; T, Tmax, Tmin分别为日均、最高和最低气温 / ; L 为汽化潜热 /MJkg1; Ws(t)为非饱和土壤含水量 /mm; Wsm为土壤最大蓄水量 /mm; R, r 为经验系数 ; f
29、为下渗量 /mm; La为壤中流系数 ; Rc为地下水补给系数 ; Kb为基流系数 ; GWs为地下水蓄量 /mm; Vs为坡面断面上的平均流速 /ms1; h 为水力半径 /m; Sl为山坡坡面水力坡度 ; m 为坡面平均糙率 ; x, y 为指数 ; vB为沿程洪水波波速 /ms1; S 为流程平均比降 ; Pn为净雨量 /mm; k1为流程平均洪水波速与断面洪水波速的比值 (中小流域约为 0.6); kB为洪水波速与断面平均流速的比值 , 与河槽断面形状有关 ; K, m 为洪峰流量与净雨的关系系数和指数 ; av, m 为断面平均流速与相应洪峰流量关系系数和指数 ; 1为汇流指数 ;
30、Qm1, Qm2为河段时段初和时段末入流量 /m3s1; Qout1, Qout2为河段时段初和时段末出流量 /m3s1; C1, C2, C3为系数 ; Ir为水库入流量 /m3s1; Qr为水库出流量 /m3s1表 3 网格内与子流域中的产流参数表 II III IV V VI 分类 土地类型 覆盖 , 利用 黏土 ; 地下水埋深浅 , 土石山区 ; 轻微风化的石山区 植被较差的砂质黏土 ; 土层较厚植被一般 ; 短草生长的坡面 植被差的黏质砂土 , 土层厚 , 草灌较密 , 人工林地土层较厚中密度林地 , 中等水土流失 有植被砂土地面 ; 土层厚 ; 林地有大面积的水土保持治理的山区 松
31、散砂土地区 ; 枯枝层良好森林区 R 0.83 0.95 0.98 1.10 1.22 前期土壤干燥 r 0.56 0.63 0.66 0.76 0.87 R 0.93 1.02 1.10 1.18 1.25 前期土壤湿度中等 r 0.63 0.69 0.76 0.83 0.90 R 1.00 1.08 1.16 1.22 1.27 前期土壤湿润 r 0.68 0.75 0.81 0.87 0.92 刘昌明等 : HIMS 系统及其定制模型的开发与应用 358 表 4 实测和模拟洪水结果对比 参数 /洪号 730701 790801 810715 820730 840706 840718 实测
32、洪峰流量 /m3s1424 804 697 2018 805 525 计算洪峰流量 /m3s1418 768 675 2010 826 519 洪峰流量误差 /% 1.4 4.48 3.16 0.4 2.61 1.14 峰现时间误差 /h 4 0 5 2 1 2 参数 /洪号 840921 850914 890710 920813 940710 950813 实测洪峰流量 /m3s11520 687 1102 649 1480 305 计算洪峰流量 /m3s11539 641 1088 664 1576 321 洪峰流量误差 /% 1.25 6.70 1.27 2.31 6.49 5.25 峰
33、现时间误差 /h 0 7 0 1 2 7 ( ) 大、中流域日尺度模拟应用 . 选择黄河中游泾河流域为例 (图 5), 泾河流域面积45103km2, 河长 450 km. 地处黄土高原麻黄山地区 , 属于强侵蚀区 . 流域年均降水量 510 mm, 由南向北递减 ; 年均径流深 70 mm, 自南而北递减 . 在 HIMS系统平台上基于 1:25 万 DEM将泾河流域划分为 25 个子流域15. 利用 1990s 水文气象资料 , 进行逐日的分布式降水径流过程模拟 . 模型输出项为逐日的潜在蒸发和实际蒸发、 冠层截留、 产流量、 土壤含水量以及各个子流域出口断面的流量过程线 . 径流模拟 4
34、 个检验站点的模型效率系数均在 0.7 以上 , 日径流的模拟值与实测过程线之间的相关系数达到 0.840.93. 并能够得到径流系数和产流的空间分布 , 为流域水资源规划与管理提供技术支撑 . 此外 , 模拟的潜在蒸发与 4 个气象站点 (环县、西峰镇、平凉和长武 )的蒸发皿观测数据 (经过折算后的数据 , 折算系数 0.70.8)进行比较 , 其效率系数均可达到 0.8 以上 . 图 5 泾河流域 HIMS 定制模型及径流模拟图 3.3 在澳大利亚典型流域中的应用与验证 利用澳大利亚的 331 个流域测站 , 每站约有 50 年实测记录 (包含 500 多万个日流量与降水中国科学 E辑 :
35、 技术科学 2008 年 第 38 卷 第 3 期 359 的实测数据 ), 检验 HIMS系统定制的降水径流模型 . 按面积和降雨分类统计出 HIMS系统定制模型的日过程模拟效率系数 (表 5), 并且与澳大利亚用于全国水资源评价选定的 SIMHYD模 型16作初步对比分析 (图 6), 结果显示两个模型模拟趋势基本一致 , HIMS模型效率系数 (平均0.68)稍高于 SIMHYD模型 (平均 0.55). 表 5 HIMS 定制模型模拟验证的效率系数统计表 项目 降水 1200 mm 平均 面积小于 100 km2 0.60 0.60 0.67 0.79 0.66 100500 km20
36、.56 0.51 0.78 0.78 0.84 0.73 5001000 km2 0.52 0.70 0.81 0.69 0.68 面积大于 1000 km2 0.25 0.80 0.81 0.75 0.65 平均 0.56 0.47 0.72 0.76 0.77 0.68 图 6 HIMS 定制模型、 SIMHYD 模型与实测值累积曲线比较 4 结论 HIMS 系统是一个大型水循环综合模拟系统 , 其自主开发的多个软件已获得我国软件著作版权 . 与国外同类产品相比 , 该系统的特色是 ( ) 集成了水循环 9 大过程 115 个子模型 , 涉及 600 多个水文变量 , 具有水循环模拟的强大
37、功能 , 包括应用比较灵活 , 耗机时间比较短 , 实用性强 . 刘昌明等 : HIMS 系统及其定制模型的开发与应用 360 ( ) 能兼顾分布式和集总式水文模拟、适应不同地区的自然与人文环境条件、考虑不同产、汇方式和实现不同时、空尺度下的水循环过程模拟 . ( ) HIMS 系统基于组件式、模块化的开放式框架设计 , 能够集成与水相关不同专业的模型 , 提供用户选择模块自主定制模型的功能 . ( ) HIMS 系统作为一个通用模拟平台 , 能对不同数据源进行融合、处理和分析 , 而且这些辅助功能模块可以重复利用 , 从而为建模人员节省了大量宝贵时间 . 据粗略统计 , 在一个通用水文模型的
38、程序代码编写中其他辅助部分的代码约占全部的 80%. ( ) HIMS 系统定制的模型与国外成熟模型相比其模拟精度较高 (平均效率系数为 0.68),运算较快 , 能够满足水循环模拟科学研究与水资源管理应用的需要 . HIMS 水循环综合集成系统的研制历时 6 年 , 业已取得较满意的结果 , 为泥沙、水污染、生态、 水经济等多领域的集成研究初步开拓了途径 , 为科研与管理部门解决复杂的水资源问题提供一种有效的技术工具 . 参考文献 1 Global Water System Project. http:/www.gwsp.org/ 2 刘晓强. 集成论初探. 中国软科学, 1997, (10
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