水資源預測

水資源可以理解為人類長期生存、生活和生產活動中所需要的各種自然水，既包括數量和質量的含義，又包括其使用價值和經濟價值。從狹義講，水資源是指人類在一定的經濟技術條件下能夠直接使用的淡水，以江河、湖泊、水庫為代表的地表水和地下水為主。

水資源預測是以水資源學為基礎，利用數據分析等手段，對某一地區或流域未來特定時期內水資源所做的估算推測。作為傳統水文預報業務的一種拓展，水資源預測要以現有水文預報手段或方法為基礎，充分應用水文氣象測站觀測數據、衛星遙感及雷達資料、數值模式輸出數據、基礎地理信息數據等不同性質、不同數據源、不同數據類型的實時數據和歷史數據，藉助於數值高程模型、信息融合、數據同化、大尺度水文模型等現代信息和預報技術，分析預測某一地區或流域未來一定時期內降雨量及其可能形成的地表水、地下水資源量和水質變化等。

具體講，水資源預測業務可分為三個方面：

①地表水資源量預測，具體預報內容包括在旬、月、季、年或不同時間尺度的江河、湖（庫）的來水量或變化趨勢。

②地下水資源預測，是根據某一地區的地下水實際開採量，對該地區未來月、季、年或不同時間尺度的地下水資源分佈情況進行預測，生成地下水等水位線、地下水埋深圖、地下水降深圖等。

③地表水水質預測，具體內容主要是江河重點河段、城鎮供水重要水源地（大中型水庫、湖泊等）在月、季、年或不同時間尺度的水質級別變化情況預測等。

（1）地表水資源量預測的應用研究

中長期徑流預報較為廣泛，通常泛指預見期超過流域最大匯流時間，且在3天以上，一年以內的水文預報。

國內外中期水文預報常採用兩種方法：一是結合中期雨量（1～7天）過程預報，採用短期水文預報模型製作中期水文預報；二是用預見期降雨（典型暴雨）對應的典型洪水過程，疊加到不考慮預見期降雨的洪水過程線上，製作預報。對於水文長期預報，通常的方法包括數理統計法、相似年法、擴展徑流法（Extended Stream-flow Prediction，簡稱ESP）和水文集合預報法（Ensemble Stream-flow Predierion，仍簡稱為ESP）。ESP的思路歸結起來有三點，第一是採用歷史上的降雨作為未來的降雨；第二是採用當前預報日的流域初始條件，並使用歷史上的降雨和水文模型進行條件模擬；第三是有了條件模擬的結果之後進行統計分析，以給出概率性預報。自本世紀初開始，水文學者學習數值天氣預報（NWP）中的集合預報概念，嘗試把氣象集合預報的成果應用到水文預報上來，主要進行短期（1～5天）的水文集合預報，結合傳統的擴展徑流預報方法，實現中長期河流徑流預測。

近年，全球或區域氣候預測模型與水文模型的耦合及其在水資源預測中的應用已逐漸成為氣候和水領域的研究熱點，主要技術途徑是以氣候模型的降雨量、氣溫等氣候要素預測輸出值為邊界，結合利用遙感資料和3S技術探討流域下墊面植被、土壤含水量等地表特性分析，建立流域大尺度水文預報模型，實現氣候、水文數值模型耦合應用。

（2）地下水資源預測的應用研究

目前，國內外主要進行地下水水位動態的短期預測（2～3年以內的變化趨勢），至於長期預測和其他動態要素的預測，方法尚不成熟！地下水水位的預測因為監測數據有限，地下水水位受降雨、蒸發、溫度等條件的影響，不確定性較大，很適合用數值模擬、灰色預測模型、人工神經網路模型、小波分析等方法來進行預測分析。

近年，國內在地表水與地下水的相互轉化、人工取用水對地下水資源的影響方面也進行了一些探索。

（3）地表水水質預測的應用研究

水質預報是在已知水質初始量（或污染來量），根據水流的運動規律，以及水中污染物的物理運動、化學反應和生化作用等演化規律（通過數學模型表達），預估水體或水體中某一地點水質未來的變化。

目前國內外水體水質預測預報方法可分兩大類：①點源污染的預測預報，大致可歸納為兩種：一是建立相關統計模式進行水質預測預報，如建立水質和河流水文要素（如流量等）關係，作河流污染物變化的預報。二是求解確定性水質模型進行水質預測預報。模型求解（解析解或數值解）后，主要是用實測資料確定模型參數，進行驗證和誤差分析，以便用於水質預報。此法得到較普遍的採用。②面源污染的水質預測預報。首先要研究降雨、徑流沖刷所產生的污水及其成分，既有產流、產污問題，又有流域面上匯流、集污問題。然後污水進入水體，才是水體中水質運動演化規律。近年雖有些研究成果，但尚處於探討發展中。

我國是一個乾旱缺水的國家，近年水資源短缺問題更加突出，如何立足我國現有技術條件，從系統的角度融合地面觀測、衛星遙感監測等多源水文氣象信息，更好地利用現有的氣候信息和氣候預測產品，對其進行釋用研究，並將其用於水文水資源領域，進而在水資源的調控中發揮其應有的作用，正是氣象學與水文學的學科交叉點，建議水文、氣象部門抓住機遇，積極開展此項生產性研究工作。在現有中長期水文氣象預報業務的基礎上，進一步加強對中長期水文水資源預測方法的研究和應用，研究建立我國水文水資源預測業務系統，並逐步開展流域或地區水資源預測服務業務，也是現實可行的。

根據遙感（RS）、地理信息系統（GIS）、數字高程模型等高新技術在水文、水資源和環境中應用的研究成果，提出建立全國大尺度中長期水文水資源頂測系統的基本思路，即構建全國範圍的、網格化的水文氣象實時和歷史信息平台及數字流域GIS平台，建立基於子流域離散和柵格離散的大尺度水文模型（如VIC模型、TOPKAPI模型等），在此基礎上應用短期天氣數值預報（NWP）和中長期氣候數值預測產品和信息，模擬生成全國各大流域主要產流區地表水徑流量、地下水徑流量時間序列；根據中長期徑流頂報的各流域主要江河（湖庫）來水、地下水入滲補給等情況，並結合流域內水庫蓄水、地下水理深和用水需求情況，分析水資源供需關係，為水資源的合理配置和水量調度提供科學依據。

（1）構建網格化的水文氣象信息平台

水資源預報是基於對現有氣候、氣象、水文、水資源信息進行綜合收集、預測、分析等過程，開發和建立水資源信息平台是開展水資源預報的基礎。基於地面觀測的降水、氣溫等水文氣象要素信息，結合天氣雷達監測的降水等信息，採用信息融合技術，生成網格化、不同時段（1時～1日）的水文氣象信息產品，存儲在雨水情資料庫中，為洪水預報預警、水資源預測提供輸入信息源。

（2）建立基於網格GIS的數字流域平台

結合利用遙感資料和3S技術，在數字高程模型（DEM）基礎之上，通過DEM提取流域下墊面表面形態信息（包括流域格網單元的坡度、坡向以及單元間的關係等），同時結合實際的河流水系確定地表水路徑、河流網路和流域的邊界。對流域網格或子流域（計算單元）進行編碼，並以編碼為關鍵字，將網格或子流域的流域數字信息（高程、坡度、面積、河長、河流級別、土壤類型、土地利用等）和水文模型參數、變數存儲在關係資料庫中，供水文模型運行時調用。

（3）開展氣候數值預測技術的應用研究

近幾年，短期氣候數值預測模式已經從研究領域拓展到預報業務中，並取得較為滿意的應用效果。基於目前短期氣候預測的現狀與水平，應進一步開展基於陸氣、海氣物理過程的中長期氣候預測技術應用研究。氣候預測產品不但包括降水，而且還包括溫度，同時還可以給出大尺度背景場、大氣中水汽含量、風場、水汽輸送等。根據氣候模型的預報產品，結合下墊面的植被覆蓋情況，還可計算全國範圍的日蒸散發能力時空分佈。

（4）構建全國各大流域大尺度水文模型

在DEM所劃分的流域網格單元上建立水文模型（如VIC模型、TOPKAPI模型），模擬流域單元內土填—植被—大氣系統中水的運動，並考慮單元網格之間水平方向的聯繫，進行地表水和地下水的演算。實時作業預報中，通過同化表層土壤含水量的實測值，可以改進大尺度水文模型的土壤含水量預測精度。