海河流域二元水循环模型开发及其应用.docx
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海河流域二元水循环模型开发及其应用
海河流域二元水循环模型开发及其应用——I.模型开发与验证(贾仰文王浩周祖昊游进军甘治国仇亚琴陆垂裕罗翔宇)
摘要:
针对高强度人类活动作用下海河流域水循环的“自然-人工”二元特性,开发了流域二元水循环模型(简称“二元模型”)。
二元模型由分布式流域水循环模型(WEP)、水资源合理配置模型(ROWAS)和多目标决策分析模型(DAMOS)3个模型耦合而成。
针对各模型的优势与不足,提出了两层耦合的技术路线,以实现统筹考虑水资源、宏观经济与生态环境的流域水资源综合管理分析的功能。
WEP、ROWAS和DAMOS分别采用11752个、125个和8个计算单元对海河流域进行划分,在获取各类输入参数后,应用二元模型对海河流域进行了分析计算与模型验证。
结果表明,所建立的二元模型对径流过程、入海水量以及地下水流场等均具有合理的模拟精度,模型得到验证,可望用作海河流域水资源规划与管理的情景分析工具。
关键词:
水循环;水资源;分布式水文模型;二元模型;海河流域
中图分类号:
P339 文献标志码:
A 文章编号:
1001-6791(2010)01-0001-08
DevelopmentandapplicationofdualisticwatercyclemodelinHaiheRiver
Basin:
I.Modeldevelopmentandvalidation﹡
JIAYang-wen,WANGHao,ZHOUZu-hao,YOUJin-jun,GANZhi-guo,QIUYa-qin,LUChui-yu,LUOXiang-yu
Abstract:
Adualistichydrologicalcyclemodel(abbreviatedasdualisticmodel)isdevelopedorientingthenaturalartificialdualisticcharacteristicofhydrologicalcycleintheHaiheRiverBasin(HRB)underthestrongimpactsofhumanactivities,whichconsistsofthedistributedwatershedhydrologicalmodel(WEP),thewaterresourcesrationalallocationmodel(ROWA)andthemulti-objectivedecisionmodel(DAMOS).Atwo-layeredcouplingtechniqueisadoptedtorealizethefunctionforintegratedwaterresourcesmanagementanalysis.TheHRBisrespectivelypartitionedinto11752,125and8applicationunitsfortheexecutionofWEP,ROWA,andDAMOS.ThedualisticmodeliscalibratedandvalidatedusingtheobservationsfromtheHRB.Theresultshowsthatthesimulatedevapotranspiration,riverflow,flowdischargeintothesea,andgroundwaterflowfiledcomparewelltotheobservations,whichdemonstratesthepotentialofusingthedualisticmodelforscenarioanalysisofwaterresourcesplanningandmanagementintheHRB.
Keywords:
watercycle;waterresources;distributedhydrologicalmodel;dualisticmodel;HaiheRiverBasin
随着中国经济的发展和人口的增长,流域水循环已从“自然”模式占主导逐渐转变为“自然-人工”二元模式[1]。
自然水循环过程由降水、植被冠层与洼地截留、蒸发蒸腾、入渗、地表径流、壤中径流、地下径流和河道汇流等构成,其驱动力是太阳辐射、重力和风力等自然驱动力。
“自然-人工”二元水循环不但包括上述自然水循环过程,而且包括取水、输水、配水、用水、耗水和排水等人工侧支水循环(或社会水循环)过程,其驱动力既有自然驱动力,又有社会经济驱动力。
分布式水文模型从20世纪80年代以来得到很大发展及应用[2-4],其优势是对自然水循环过程进行分布式模拟,但本身没有水资源的配置调度功能,在模拟人工侧支水循环过程方面受到限制。
水资源配置模型近年也得到广泛研究与应用[1,5-6],其优势在于对水资源的供需平衡分析和水库调度,但研究内容仅限于径流性水资源,缺少对包括蒸发蒸腾在内的水循环全要素的平衡分析。
而多目标决策分析模型[5-6]的优点是将水资源分配与宏观经济和产业结构密切关联,但分析时空尺度往往过大,不能对小区域及河道断面的水循环过程进行调控分析。
因此,需要将3类模型耦合起来,才能共同实现统筹考虑水资源、宏观经济与生态环境的流域水资源综合管理分析的功能。
针对上述问题,贾仰文和王浩[2]曾将分布式水文模型和集总式水资源调配模型相耦合,建立了流域二元水循环模型,并应用模型进行了黄河流域水资源评价、分析了黄河流域水资源演变规律。
本文在上述研究基础上,结合海河流域的特点以及未来水资源管理战略研究的需要,除建立海河流域分布式水循环模型及水资源配置模型外,还增加了考虑宏观经济的多目标决策分析模型,并进行3个模型间的耦合研究,试图完善和发展流域二元水循环模型。
1 模型构成与耦合关系
海河流域二元水循环模型,简称二元模型,由分布式流域水循环模型(WEP)[7-9]、水资源配置模型(ROWAS)[10]和多目标决策分析模型(DAMOS)[11]耦合而成,并基于地理信息系统(GIS)平台和专用数据库。
在对每个模型开发调试后,进行模型的耦合和反馈,最终实现二元模型的开发和调试工作。
1.1 分布式流域水循环模型(WEP)
在二元模型中,WEP[2,9,12-13]用来模拟历史或不同规划方案下的海河流域水循环和水环境状况。
WEP模型包括3个子模块:
(1)分布式流域水文模块[2,9] 主要用来模拟水分在地表、土壤、地下、河道以及人工水循环系统中的运动过程。
(2)地下水数值计算模块[12] 尽管分布式流域水文模块对全流域地表水和地下水进行统一模拟,但划分的计算单元在平原区偏大,不能完全满足平原区地下水管理的需要,因此,专门构建了一个地下水数值计算模块,对平原区地下水进行精细模拟。
(3)水质模块[13] 主要用于模拟海河流域地表水环境演变过程。
在运行过程中,分布式流域水文模块为地下水数值计算模块提供降水入渗补给和人工入渗补给输入,而地下水数值计算模块为分布式流域水文模块提供地下水计算结果的检验;水质模块基于分布式流域水文模块提供的水量边界条件进行水环境过程模拟。
1.2 多目标决策分析模型(DAMOS)
DAMOS[11]是将社会、经济、环境、水资源等子系统内部及相互之间的约束机制进行高度概括的综合数学模型,描述资源与资金在“经济-环境-社会-资源-生态”复杂巨系统的各子系统中的分配关系以及与社会发展模式的协调问题。
DAMOS是一个宏观层次上的模型,通过多目标之间的权衡来确定社会发展模式及在这种模式下的供水组成和投资组成。
其中宏观经济模块、工业农业生产模块、水资源平衡模块、水环境及生态等模块是模型的基础模块。
在模型中,需要建立现状及预测状态下的国内生产总值、工农业生产总值、消费与积累的比例关系。
在优化过程中充分考虑节水规划的指导原则,不断优化产业结构、种植结构和用水结构,同时结合宏观经济模型和人口模型,利用需水预测模型进行需水预测,利用污水处理费用投资来控制污水处理成本,用绿色当量面积作为衡量生态水平的指标等。
1.3 水资源合理配置模型(ROWAS)
ROWAS[10,14]以对水资源系统的概化为基础,将复杂水资源系统转化为满足数学描述的框架。
以系统概化得到的点线概念,来表达实际中与水相关的各类元素和相互关联过程,识别系统主要过程和影响因素,并对系统的水源和用水户进行分类。
水源包括本地蓄水、本地河网水、再生水、外调水等地表水源,以及浅层、深层等地下水源;用水户包括农业、工业、三产、城镇生活、农村生活、生态等河道外用水户,及发电、航运及河道内生态用水等。
通过配置模拟计算,可以从时间、空间和用户3个层面上模拟水源到用户的分配,并且在不同层次的分配中考虑各种因素的影响。
实际中不同类别水源通过各自相应的水力关系传输,模型采用分层网络的方法描述系统内各类水源的运动过程,即:
基于各类水力关系将不同水源的运动关系定义为该水源的网络层,同时又通过计算单元、河网、地表工程节点、水汇等基本元素实现不同水源的汇合和转换,描述不同水源的水量平衡过程。
1.4 模型耦合
二元模型试图将水文水利计算和水资源评价及规划融为一体。
WEP与ROWAS均是模拟模型,但DAMOS是优化模型,因此二元模型是模拟模型与优化模型的结合。
优化模型分析时空尺度往往较大,比较适宜省区之间年尺度分配,地市之间长系列月尺度分配需要采用水资源合理配置模型。
因此,二元模型最终输出是考虑了经济发展目标与水文循环条件约束的水资源合理配置结果。
二元模型采用两层耦合的方式,即首先进行DAMOS和ROWAS之间的耦合,然后再与WEP进行耦合。
第一层耦合,由DAMOS得到各省在“经济-环境-生态”等多目标优化条件下的发展模式、供水工程方案组合、用水水平和过程以及污染物排放水平,由ROWAS在各规划管理单元(地市套水资源三级区等)进行逐月水资源供用水模拟,从而得出在不同来水条件下各规划管理单元的缺水程度和供用水平衡结果,并对DAMOS的省市区多目标优化结果进行合理性检验和目标调整。
第二层耦合,在应用WEP重点分析自然水循环过程的基础上,采用ROWAS型处理水资源配置和水库调度,并对两个模型耦合。
根据两个模型的计算过程和数据要求,模型耦合的核心可以归结为:
WEP为ROWAS提供各节点及规划单元的地表水资源量和地下水补排状况(补给量和排泄量);而ROWAS的输出结果在时间和空间尺度上合理展布后,提供给WEP并作为指导WEP水库调度和水量供给分配的依据。
通过WEP精细的分布式模拟,得到不同来水条件和用水水平下的水循环和水环境各要素的模拟结果,用于水资源规划情景方案的分析评价等。
图1给出了DAMOS、ROWAS和WEP模型之间的研究目标、成果输出和耦合关系。
可以看出:
DAMOS作为流域宏观决策层,给出流域内各省和行业之间的水量优化分配;ROWAS模型通过对该决策目标的模拟分析,给出该目标下各规划管理单元水量分配过程和工程调度的结果,再通过时间和空间展布后提供给WEP;通过WEP模拟,得到流域水循环过程的演变结果,并反馈给DAMOS和ROWAS。
整个耦合过程是一个从宏观到中观、再到微观的信息交互过程。
图1 DAMOS、ROWAS和WEP之间的耦合关系
Fig.1CouplingrelationsamongDAMOS,ROWASandWEP
2 输入数据、计算单元划分与参数估算
2.1 输入数据
系统收集了流域多源基础信息,建立信息平台和专用数据库。
基础信息包括:
①1980~2005年水文气象信息(1502个雨量站,47个气象站,26个水文站,水文气象测站分布见图2(a));②地表高程与水系信息(1∶25万DEM、河网水系分布、河道断面参数等);③土地利用/植被信息(1985、1995和2000年3期LANDSAT土地利用数据,基于遥感影像的植被盖度、叶面积指数等);④土壤及水文地质参数,水利水保工程信息(水库空间位置及参数、调度规则和运行调度图、灌区空间分布及参数、水土保持措施面积空间分布等);⑤社会经济信息(人口、GDP、产业结构等);⑥供用水信息(社会经济供用耗排水量、灌排制度、管网漏损系数、渠系水利用系数、典型引水过程等);⑦典型年污染物排放与水环境信息(点源与非点源污染物空间分布与排放过程,各监测断面、监测井的水质状况等);⑧水生态信息(水生生态系统结构、功能状况等)。
图2 海河流域概况与单元划分
Fig.2Haihebasinanditssubdivisions
2.2 计算单元划分
流域水循环模拟和流域水资源规划及管理,都需要对整个流域进行单元划分。
按照水循环模拟需要将流域划分为模拟计算单元,按照水资源规划管理需要将流域划分为规划管理单元,模拟计算单元与规划管理单元之间存在有机联系。
(1)模拟计算单元 以1∶25万DEM和1∶25万数字地形图中的河网水系为依据,提取流域数字河网水系,依据Pfafstetter流域编码规则[2]将整个海河流域划分为3067个天然子流域单元,每个子流域平均面积约104.3km2。
在山区的子流域内部,按等高带进一步划分。
这样,海河流域共分为11752个单元,作为WEP模型分布式流域水文模块的计算单元(见图2(b))。
在海河流域平原区,由于地质条件复杂,地下水数值计算模块对地下水含水层进行概化:
将第1层和第2层合并作为浅水含水层;将第3层和第4层合并作为统一的深层含水层。
将海河流域平原区用4km×4km网格进行剖分,剖分后海河流域平原区每层含水层的模拟计算单元个数为8053个,浅层和深层地下水含水层的计算单元总个数为16106个。
(2)规划管理单元 海河流域涉及省级行政区8个,地级行政分区41个,县级行政分区287个;水资源二级区4个,三级区15个。
规划管理单元划分以80个三级区套地级行政区为基础,同时为支撑城市及重点县的水资源规划管理,将26个地级以上城市建成区及16个重点县分离出来,并考虑与水资源三级区的嵌套。
这样,海河流域共划分125个规划管理单元(见图2(c)),作为ROWAS模型的计算单元。
规划管理单元同时也是WEP和ROWAS进行数据交换的基础。
通过模型耦合建立的数据转换机制,WEP基本单元的计算成果可以汇总到各个规划单元,而ROWAS规划单元水量分配结果则可以展布到WEP各基本单元,从而实现水循环模拟和水量配置结果的有机结合。
2.3 用水信息时空展布
历史用水统计信息或水资源配置信息通常是集总形式的(即行政区或规划管理单元的年或月数据),因此需要通过时间和空间上的信息展布才能用于分布式水文模拟。
根据土地利用分布、气象数据、灌区图、作物种植结构及灌溉制度等,应用GIS技术将地级行政区的社会经济信息(人口、工业GDP等)及用水信息展布到1km网格,然后再统计到WEP模型的模拟计算单元。
用水时空展布包括4个步骤:
①推求灌溉作物、林地及草地的空间分布;②根据蒸发及降水数据计算理论灌溉需水的时空分布;③根据行政单元或规划管理单元上的用水、河道断面流量等修正用水时空分布;④农业用水的耗水量包括渠系输水过程耗水量与田间用水过程耗水量的计算,其中渠系耗水量根据各地市的渠系水利用系数及渗漏系数调查统计数据按水量平衡原理推求,而田间耗水量则由WEP模型的农田非饱和土壤水模拟模块计算;工业和生活用水的耗水量则根据各地市各部门用水的耗水率(基于水资源综合规划结果)计算。
尽管WaterGAP2[15]提出过用水模拟方法,但只是根据下垫面推算了用水分布,而本研究采用的展布方法能够保证各部门用水在行政单元或规划管理单元上与历史统计或规划数据一致。
2.4 参数估算
WEP模型的参数主要分为4类:
下垫面与水系参数,植被参数,土壤参数以及含水层参数。
所有参数具有物理意义,可根据观测实验数据或遥感数据来估算。
由于参数的空间变异,模拟时常采用单元均值或有效参数。
对上述4类参数的敏感性进行了分析[9],并根据其灵敏程度,将这些参数分为高敏感、中敏感、低敏感3个级别。
高敏感的参数包括地表洼地最大储留深,土壤孔隙率,土壤厚度,土壤以及河床材料的水力传导系数等。
选择这些高敏感参数,根据径流过程及地下水位对模型进行了调试和验证。
ROWAS模型参数主要包括:
①规划决策信息,如渠系利用系数、污水处理率及回用率、渠道过水能力、各类水源供水优先级及利用比例等;②需水过程参数,如各类用户需水量及年内分配过程、生态环境对河道过水要求等;③用水耗水信息,如现状下各类用户供水结构、耗水率、农业用水下渗率和回归率等。
针对历史与现状的模拟时,这类信息部分可以从统计资料中获取,但一般不够准确全面,因此通过模型率定进行了修正。
对于规划模型,根据未来不同情景的预测在现状基础上进行调整后获得。
DAMOS模型参数大多与ROWAS模型参数类似,但还包括宏观经济方面的参数,如各行业投入产出系数、居民消费结构、社会消费结构、固定投资需求结构、各行业GDP增长率、投资占GDP比例的上限与下限、进出口占各行业产值的比例、资本形成率、固定资产产出率等。
这些参数根据各省统计年鉴推求,对未来不同情景在现状基础上进行了调整。
3 模型验证
3.1 径流过程与入海水量
采用1980~2005年长系列气象资料作为输入,用1980~1989年10年径流观测数据对模型进行参数校核,保持参数不变用1990~2005年16年数据对模型进行验证。
图3是海河流域3个主要控制站的对比过程(未能收集到2001~2005年径流观测)。
从模拟结果的统计分析来看,模拟的1980~2000年年均径流量误差在7%以内;月径流量的Nash2Sutcliffe效率系数在60%~80%;模拟月径流量与观测系列的相关系数达到80%以上。
因此,模型对径流过程的模拟具有较为满意的精度。
海河流域现有大小入海河口43个,其中有径流测站的主要入海河口有海河干流、滦河、漳卫新河等12个。
根据文献[16]以及2001~2005年中国水资源公报,1980~2005年多年平均实测入海总水量为35亿m3。
模型模拟同期平均入海总水量为38亿m3,模拟精度合理。
图3 海河流域主要水文站月径流过程模拟结果与实测结果的对比
Fig.3Comparisonofsimulatedandobservedmonthlyriverflowsatmaingauges
3.2 地下水水位
通过对1995~2000年地下水分区补给量和排泄量的合理分析和对水文地质参数的率定,完成了现状地下水数值模拟。
图4是2000年潜水水位等值线模拟结果与实测结果对比(模拟的起始时间是1995年初)。
可以看出,模拟结果很好的再现了实测结果,表明二元模型在地下水流场模拟中具有较高的精度。
图4 2000年潜水水位等值线模拟成果与实测对比
Fig.4Comparisonofsimulatedandobservedshallowgroundwatercontourlinesin2000
4 结论
针对强烈人类活动作用下流域的“自然-人工”二元水循环特性,以及当前流域水循环研究存在的实际问题,即分布式水文模型具有对自然水循环过程进行分布式模拟的功能,但缺少水资源配置调度功能,而水资源配置模型研究内容仅限于径流性水资源,多目标决策分析模型分析时空尺度往往过大等,本研究以海河流域为例,探索了将3类模型耦合起来形成流域二元水循环模型、以实现统筹考虑水资源、宏观经济与生态环境的流域水资源综合管理分析。
利用开发出的海河流域二元水循环模型,采用1980~2005年长系列气象资料作为输入,进行了分布式二元水循环耦合模拟,并利用实测径流数据和地下水水位监测数据等对模型进行了验证。
验证结果表明,该模型具有较强的模拟功能和合理的模拟精度,可望用来进行海河流域水资源规划与管理的情景分析。
致谢:
参加本研究的还有中国水利水电科学研究院甘泓、杨贵羽、牛存稳、蒋云钟、赵红莉、汪林、韩春苗、高辉、秦昌波、申宿慧、丁相毅、彭辉、郝春沣等。
中国水利水电科学研究院陈蓓玉教授、河北省水文局刘克岩教授等曾给予本研究大力帮助。
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