分布式耦合水文模拟不确定性的尺度效应研究

Physically based integrated surface water – groundwater modeling has gained increasing popularity over the past years. One of the challenges when using such models is that even though it is possible to generate output at every model grid, it does not mean that the results at grid scale have predictability, mainly due to various sources of uncertainties associated. Representative Elementary Scale (RES) offers a new approach to evaluate model predictability, and therefore is a new member adding to the existing uncertainty analysis framework. RES is able to depict the relationship between model uncertainty and scale, and therefore can be used to evaluate whether a model has predictability at a given scale (grid size). In the present study, we propose to use MIKE SHE as the modeling tool to carry out both theoretical and practical research in North China Plain utilizing the RES theory. The objectives are: to study the coupling processes of surface water and groundwater as well as balancing the water budget for the entire hydrological cycle in the study area; to develop methodologies that can incorporate different types of uncertainty sources and to study the propagation of these uncertainties in model simulation; to analyze how different types of uncertainty sources and their combined effort can influence the resulting RES curves. The outcome of this research is able to help identify the most important source of uncertainty for the model being studied. The proposed study will also help to enhance the existing RES theory, and provide significant implications on the applicability of using MIKE SHE in North China Plain.

利用分布式水文模型对地表水-地下水耦合过程和流域水循环进行系统性研究是水文学中的一个热点。但由于多类不确定性的存在，模型不能保证在每个计算网格都有预测能力。本项目将围绕模拟不确定性的尺度效应问题，以地表水-地下水耦合模型MIKE SHE为平台，以华北平原为实例，以“代表性单元尺度”为核心展开研究。代表性单元尺度理论的本质是探索模拟尺度效应和不确定性的对应关系，以此来表征模型在某一给定空间尺度是否具有预测能力。本项目将系统阐明华北平原水循环规律和地表水-地下水相互作用过程，发展综合考虑多种模型不确定性来源的量化方法，探索代表性单元尺度在研究区的表现形式和具体特征，建立不同不确定性来源作用于代表性单元尺度的定量表征，识别影响模型预测能力的主要制约因素。本研究的顺利实施将对华北平原地表水-地下水耦合模型的发展提供参考，对现有的代表性单元尺度理论进行必要的完善，以此提升对模型适用性分析的认识水平。

华北平原地下水超采问题是社会关注的焦点也是学术研究的热点。解决该问题需要将地下水放到整个水文循环中，建立能够客观反映地表水-地下水耦合过程的分布式水循环模型，只有这样才能厘清地下水的时空变化规律与影响因素，为华北平原的地下水管理工作提供科学依据。地表水-地下水耦合模型由于涉及到多来源的输入数据、复杂的模型结构以及难以量化的参数，造成模拟结果的不确定性普遍存在。本项目围绕模型不确定性的尺度效应问题，展开理论与实际相结合的应用基础研究，取得了如下主要成果：首先，通过遥感数据反演与地面过程模型相结合的“双模型法”，量化了华北平原农业净灌溉量的空间分布格局，明确了灌溉量计算不确定性较大的区域，分析了导致不确定性升高的原因，为后续地下水模型的建立提供了边界条件。第二，建立了地下水数值模型，模拟了南水北调工程实施前后华北平原地下水蓄变量的反馈效应，预测了短期与长期地下水位的回升趋势。第三，利用MIKE SHE模型建立了地表水-地下水耦合模型，并通过系统动力学模型设置了未来不同需水情景，明确了联合使用多种节水措施的重要性。第四，建立了华北平原地下水盐平衡的一维混合模型，模拟了从未开发时期到未来300年地下水的成分变化，明确了影响盐度变化的关键参数。第五，发展了降水输入数据不确定性的量化方法，与前人的方法相比，该方法同时考虑了观测、采样以及邻域三种不确定性来源。第六，在华北平原典型区进行了地质体不确定性分析，将生成的10组随机地质体模型带入MIKE SHE当中，得出了模型的最小支撑尺度为1×1km，且深层地下水模拟的不确定性大于浅层。总之，本研究以分布式地表水-地下水耦合模型为依托，以华北平原地下水为主要对象，探索了代表性单元尺度概念在研究区的具体表现形式与特征，研究成果可为模型在华北平原地下水管理中的适用性提供科学参考。