《基于分布式水文模型的水功能区设计流量研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于分布式水文模型的水功能区设计流量研究.doc（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于分布式水文模型的水功能区设计流量研究基金项目：国家自然科学基金(51179203, 51021006 ,40830637)、国家水体污染控制与治理科技重大专项 (2012ZX07201006)、中国水利水电科学研究院科研专项(资集1116) 作者简介：胡鹏（1985-），男，湖北松滋人，工程师，主要从事二元水循环模拟与调控研究。E-mail：胡鹏，周祖昊，贾仰文，周娜（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）摘要：通过建立流域分布式水文模型，并实现对于枯水期流量的有效模拟，结合水功能区设计流量核算规则，提出了基于分布式水文模型的水功能区设计流量计算方
2、法。将此方法应用于松花江流域，对流域内300个水功能区的设计流量进行了计算，并考虑取用水、下垫面和调水工程等因素的影响，对流域在2020年和2030年水循环情景下水功能区设计流量的变化情况进行了计算和分析。结果显示，在未来情景下流域内水功能区设计流量整体呈下降趋势。以松花江干流上设计流量下降幅度较大的扶余站和哈尔滨站所在水功能区为重点研究对象，提出为上游丰满水库设置230m3/s最小下泄流量的优化解决方案。关键词：水功能区；设计流量；纳污容量；分布式水文模型；松花江流域1 研究背景为了促进水资源的合理开发和有效保护，我国于2011年颁布了全国重要江河湖泊水功能区划，将全国主要河流和湖泊划分为保
3、护区、缓冲区、开发利用区和保留区共4类水功能一级区2888个，其中1133个开发利用区又被划分为饮用水源区、工业用水区、农业用水区、渔业用水区、景观娱乐用水区、过渡区和排污控制区共七类水功能二级区2738个。2011年，中央一号文件中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定中明确提出确立水功能区限制纳污红线，从严核定水域纳污容量，严格控制入河湖排污总量。水功能区纳污容量的确定主要是通过在设定水文条件下，某种污染物满足水功能区水质目标要求所能容纳的最大数量来计算1-2，设计流量的大小对于河流水功能区纳污容量有着直接的影响。目前，我国各大流域对于水功能区设计流量的具体核算方法有所差别，但主要均是根据
4、长系列实测数据，选取一定保证率的枯水期流量作为设计流量。采用历史实测数据核算水功能区设计流量保障了结果的可靠性，但同时也存在着以下几方面的问题：（1）需要对每个水功能区单独进行计算，导致在实际工作和科学研究中工作量较大；（2）完全通过实测数据推求，不利于变化环境下水功能区设计流量演变规律的研究；（3）水文实测资料不足或无资料的地区数据处理困难。目前国内外对于水域纳污容量的研究主要集中在给定水文条件下通过水质模型计算水域纳污能力上3-7，而对于所给定的水文条件即设计流量却研究较少。徐小燕等8以珊溪水库为例探讨了不同取值方式对于设计流量大小的影响，提出了适合南方地区水功能区设计流量的计算方法。在人
5、类活动的水文影响方面，有大量关于人类活动对于河川径流影响规律的研究9-12，但少有关于人类活动对于枯水期径流量以及水功能区设计流量的研究，Shalini Oogathoo13应用MIKE SHE模型对加拿大Canagagigue Creek 流域进行了模拟，并设定情景进行水资源演变分析，在城市化的情景下洪峰流量减少，枯水期流量增加。同样在分布式水文模型研究方面，绝大多数研究也只限于对于全年径流过程的模拟分析，少有专门针对枯水期径流模拟的研究。针对上述问题，本文提出了一种利用分布式水文模型计算水功能区设计流量的方法，并利用模型对研究区未来情景下枯水期径流量和水功能区设计流量变化情况进行了分析，提
6、出了相应的应对措施。2 研究区概况和资料收集松花江流域位于中国东北地区北部，介于北纬41425138、东经1195213231之间，行政区划包含黑龙江省全部、吉林省大部、辽宁省和内蒙古自治区一部分，总面积55万km2。2009年流域总人口近6000万，GDP约1万亿元，是中国重工业城市的集中地、重要农牧业生产基地。流域多年平均降雨量537mm，其中汛期69月的降水量占全年的60%80%，冬季12月至次年2月的降水量仅为全年的5%左右。流域地处中高纬度地区，冬季寒冷漫长，年负温期5个月左右，季节性冻土与多年冻土广泛分布，河流一般11月进入冰封期，次年4月解冻。流域水系主要包括北部的嫩江、南部的第
7、二松花江以及二者汇合后的松花江干流三大干流水系。松花江流域共有水功能一级区207个，其中73个开发利用区又分为166个二级区，不同类型水功能区共有300个。松花江流域水功能区一级区及主要水文站点分布如图1所示。对研究区进行历史过程以及未来情景下分布式水文模拟所需资料主要包括地表高程、土地利用、土壤质地、气象、水文、社会经济、用水、水利工程等，相关数据来源及简要说明如表12所示。图1 松花江流域水功能一级区及主要水文站点示意图表1 松花江流域历史水文过程模拟数据列表数据类别数据来源格式与说明地表高程美国地质调查局分辨率30土地利用中国科学院1990年和2000年，分辨率30m土壤质地全国第二次土
8、壤普查比例尺1：100000水文地质松辽流域水资源综合规划、中国水文地质分布图给水度、渗透系数、岩性分区、含水层厚度等气象中国气象局35个气象站19562000年逐日气温、日照、湿度、风速降水松辽委水文局、黑龙江、吉林省水文局、中国气象局251个降水站19562000逐日降水观测资料径流松辽流域水资源综合规划36个水文站19562000逐月实测径流和还原径流资料大型灌区水利部灌排中心、松辽流域水资源综合规划20处2万hm2以上大型灌区分布及取水口位置水利工程松辽委水文局、黑龙江、吉林省水文局31座大型水库位置、库容与调度规则社会经济松辽流域水资源综合规划典型年份三级区套地市人口、GDP、作物种
9、植面积等供、用、耗水松辽流域水资源综合规划典型年份三级区套地市不同门类的地表、地下水供用耗水信息表2 松花江流域水循环未来情景设置相关数据说明数据类别2000年2020年情景2030年情景灌溉面积/万hm2270377424总用水量/亿m3313409495引水工程调配总量/亿m329.381.284.3数据来源：松辽流域水资源综合规划。3 研究方法3.1总体研究思路 以分布式水文模型WEP为基础，结合研究区水循环特征，建立了松花江流域二元水循环分布式水文模型，进行率定和验证后，利用径流模拟结果计算各水功能区设计流量，并与通过实测流量计算的设计流量进行对比验证。然后应用模型计算研究区在未来情景
10、下主要水功能区的设计流量，对存在的主要问题进行分析，并寻求解决办法。3.2分布式水文模型建立与验证 WEP模型根据地表高程数据划分子流域和子流域内部的等高带计算单元，每个计算单元内采用“马赛克”法将土地利用归成数类，分别计算各类土地利用类型的地表水热通量，取加权平均值作为整个计算单元的水热通量。坡面汇流采用1维运动波法将坡面径流由流域的最上游端追迹计算至最下游端。各条河道的汇流计算，根据有无下游边界条件采用1维运动波法或动力波法由上游端至下游端追迹计算。地下水流动分山丘区和平原区分别进行数值解析，并考虑其与地表水、土壤水及河道水的水量交换。在社会水循环方面，WEP模型将各类用水展布到计算单元上
11、，在水平衡中予以计算14。鉴于研究区永久性和季节性冻土广泛分布的特征，对WEP模型进行了相应改进，增加了土壤层水热耦合模块，对冻土水文效应进行模拟15。模型主要调试参数包括各类土地利用类型地表截留深、土壤层厚度、下渗系数、河床材质系数等。本研究中为了提高模拟精度，在参数调试过程中打破了传统大型流域分布式水文模拟时按照水资源三级区作为参数分区的惯例，而采取了一种更为灵活的参数分区方式。首先选取了松花江干流和各主要支流的控制水文站点，一共36个，如图1所示。然后根据各个子流域与水文站之间的汇流关系建立对应的参数分区，若某一支流有一个控制性水文站，则这条支流的所有汇入子流域构成一个参数分区，根据其控
12、制性水文站模拟效果进行参数调试；对于干流上的水文站，则取相邻两个站点之间的所有汇入子流域作为一个参数分区，由下游的站点作为其控制性水文站。以此类推，全流域一共划分了37个参数分区进行模型率定和验证。现有流域水文模拟研究，其验证一般采用长系列月平均径流量的实测与模拟数据的相对误差、Nash效率系数等作为判别模拟效果的指数。由于一年之中汛期径流量所占比重较大，所以汛期的模拟效果往往直接决定了全年的模拟效果。在水文模型率定和验证完后，长系列逐月份的模拟效果达到要求，但如果把所有年份枯水期（如12月至次年3月）的模拟结果单独拿出来并串在一起，其模拟效果可能很差。基于枯水期径流量在水功能区设计流量核定中
13、的重要作用，本研究在模型率定时除了将各站点年均径流模拟误差限定在5%以内，还设定了枯水期径流量模拟误差在10%以内的目标，在此条件下寻求月径流过程Nash效率系数的最大化，增强了参数率定的物理性和准确性，保证模型对于枯水期径流量具有较好的模拟效果。3.3水功能区设计流量的计算 计算河流水域纳污能力，应采用90%保证率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作为设计流量，季节性河流、冰封河流，宜选取不为零的最小月平均流量作为样本，但由于我国南、北方河流的差异较大，各地可根据实际情况，选择不同水期（如丰、平、枯水期）或者其他保证率（如75%、95%等）下的设计水量条件计算水域纳污能力1。由于分布式水
14、文模型对于各子流域每天的径流量都有模拟和记录，因此在利用模型计算水功能区设计流量时，只需将水功能区所在河段的流量模拟数据按照研究区设计流量核算规则进行处理，即可得到各水功能区设计流量。松花江流域实际应用中水功能区设计流量的核算规则是：饮用水源区取长系列枯水期（12月至次年3月）月平均径流的95%保证率流量，其它功能区取长系列枯水期月平均径流的75%保证率流量。需要指出的是，对于某一水功能区，其设计流量一般是一个固定值，在下文中，为了对未来情景进行计算和分析，某一水功能区的设计流量均指按照一定的情景进行模拟计算后采取相应核算方法确定的流量值大小。对于某一水文站，其设计流量指该水文站所在水功能区的
15、设计流量。3.4人类活动对水功能区设计流量的影响分析 人类活动对于河川径流的影响主要来自三个方面，分别是取用水增加、下垫面变化以及各种水利工程。要通过分布式水文模型分析人类活动对于设计流量的影响，首先需要生成模型在未来情景下取用水、下垫面以及水利工程的输入数据。松花江流域相关数据来源及概述如表2所示。其中取用水根据规划资料的三级区套地市数据，按照模型计算需要时空展布到各个计算单元每天取用水量16。下垫面变化主要根据相关规划考虑了未来情景下流域内灌溉农田和人居地面积增加等因素，在2000年下垫面基础上进行调整。调水工程则根据流域相关规划，在模型未来情景计算中加以模拟。然后对未来情景方案下松花江流域水循环过程进行仿真模拟，并应用前述方法计算各水功能区在变化环境下的设计流量，通过与历史条件下的设计流量值进行对比，探究未来情景下人类活动对于水功能区设计流量的影响规律。4 结果和讨论4.1模型率定和验证 模型将松花江流域划分为9829个子流域，31002个等高带计算单元，对松花江流域19562000年的水循环过程进行了日尺度的连续模拟。表3分别显示了只考虑全年模拟效果和同时考虑全年与枯水期模拟效果时，模型通过率定和验证后对于流域月径流过程的模拟结果。其中全年的模拟效果用相对误差和Nash效率系数两个指标来衡量，枯水期由于
