“自然-社會”遞進式地表水文模擬方法及應用

花金祥 鄭言峰 王翊人 史文美 盧 岳

（山東省水利勘測設計院 濟南 250013）

“自然-社會”遞進式地表水文模擬方法及應用

花金祥 鄭言峰 王翊人 史文美 盧 岳

（山東省水利勘測設計院 濟南 250013）

本文在基于GIS的分布式水文模型的基礎上，充分考慮了水利工程措施（如蓄、引、提、灌等取用水工程）的影響，并結合最嚴格水資源管理制度等非工程措施，構建了一套較為完整的總量控制格局下基于GIS的“自然-社會”遞進式地表水文模擬模式。

總量控制格局 人與自然交互式 “自然-社會”遞進式

1 研究背景

目前人類活動對水文循環(huán)影響的日益加劇，不僅為流域水文模型的迅速發(fā)展創(chuàng)造了良好的時機，同時也為流域水文模型的應用研究提出了巨大的挑戰(zhàn)。流域水循環(huán)已從單純的“自然”主導模式逐漸遞進為“社會”影響下的模式，即形成“自然-社會”遞進式模式，但這種模式受復雜的人類活動影響，處于無序狀態(tài)，隨著最嚴格水資源管理制度的逐步實施，這種遞進模式在總量控制格局下趨于合理。

目前關于流域水文模型的研究主要有兩類：一類是研究下墊面變化造成的水循環(huán)演變規(guī)律，此類研究主要是基于GIS的分布式水文模型研究；另一類是研究人工取用水條件下的水資源演變規(guī)律，此類研究主要是基于“自然-人工”的流域二元水循環(huán)模型研究。

然而，現(xiàn)在的水循環(huán)受下墊面變化和人工取用水以及水資源管理制度等的多重影響。本文針對目前人類活動影響下流域產(chǎn)匯流模擬存在的問題，結合最嚴格水資源管理制度的要求，將自然與社會雙重影響進行耦合，構建了一套較為完整的總量控制格局下基于GIS的“自然-社會”遞進式地表水文模擬模式。

2 模型簡介

本文主要以基于GIS的分布式水文模型為基礎，全面融合了非工程措施（即最嚴格水資源管理制度）和工程措施（即研究區(qū)域的蓄引提等用水工程），構造出了“自然-社會”遞進式地表水文模型。

2.1“自然”模式流域產(chǎn)匯流模擬研究

“自然”模式是指自然水循環(huán)過程，由降水、植被冠層與洼地截留、蒸發(fā)蒸騰、入滲、地表徑流、壤中徑流、地下徑流和河道匯流等構成,其驅動力是太陽輻射、重力和風力等自然驅動力。該模式是天然條件下的產(chǎn)匯流模式，不包含人類活動的影響。

“自然”模式單元流域產(chǎn)匯流基本思路如下：

（1）以流域DEM數(shù)據(jù)為基礎，運用基于DEM的流域水系要素提取技術，提取大汶河流域的各種水系特征。

（2）使用分布式模型進行單元面積的產(chǎn)匯流計算：蒸散發(fā)計算采用三層蒸散發(fā)計算模式，產(chǎn)流采用蓄滿產(chǎn)流機制，水源劃分通過自由水蓄水庫進行。

（3）河槽匯流計算采用馬斯京根法。

（4）利用流域內主要水文站歷史水文資料進行模型的率定與檢驗，驗證分布式數(shù)字產(chǎn)匯流模型的適用性與可靠性。

（5）運用圖像融合技術對不同分辨率的遙感影像進行圖像融合，以達到提高影像精度和利用效率的目的。采用GIS與遙感信息復合技術搭建數(shù)字產(chǎn)匯流模型結果展示的基礎信息平臺，進行二維、三維的產(chǎn)匯流過程模擬。

2.2人與自然交互式流域地表水資源合理調配模擬系統(tǒng)

2.2.1調配模擬系統(tǒng)基本思路

在“自然”模式基礎上增加上游攔蓄及用水等人類活動影響子模塊，將流量按支流、斷面分割成若干子流域計算單元。

考慮同一河流上下游、左右岸的用水公平性、水資源的利用效率、水資源的可持續(xù)利用等諸多因素，考慮到大范圍水資源配置問題的復雜性，系統(tǒng)內部存在大量“算不準”（難以定量）和“算不出”（無法定量）的情況，本次不采用純優(yōu)化模型，而是建立基于輸入—輸出系統(tǒng)的響應結構，建立人與自然交互式流域地表水資源合理調配模擬系統(tǒng)，選用最嚴格水資源管理制度為指導，以總量控制為切入點，將水量分配系數(shù)作為紐帶，通過不斷反饋與交互，獲得各方滿意的水量配置。

2.2.2模擬系統(tǒng)計算條件和原則

模擬系統(tǒng)依據(jù)以下主要計算條件和調節(jié)計算原則：

（1）計算單元之間通過河道節(jié)點存在著水力聯(lián)系，這些相互聯(lián)系的計算單元供需分析的順序遵照自上而下、先支流后干流的原則，逐個單元計算。

（2）每個地表水工程只對其指定的供水區(qū)承擔供水任務。只有當滿足規(guī)定供水任務且在工程滿蓄后尚有余水時，多余水量依次為下游水庫所存蓄。水庫存蓄不下的多余水量則按照計算分區(qū)的水流走向，依次由計算分區(qū)的河網(wǎng)調蓄庫容存蓄。

（3）各行政區(qū)域邊界遵循最嚴格水資源管理制度，現(xiàn)狀年按總量控制指標控制用水，規(guī)劃水平年2020年參照2015年總量控制指標控制上游用水。

2.2.3水源配置方法

位于系統(tǒng)中的地表水工程，其供需關系可以概化成單水源單用戶、單水源多用戶、多用戶水源三種基本類型。

單水源單用戶：對于單水源單用戶的結構按照水源類型進行相應的水量平衡計算。

單水源多用戶：對于單水源多用戶的水源，根據(jù)受益用戶數(shù)量與類別，采用直接相加相關部分綜合需水過程，以避免水源可供水量的重復計算。

多用戶水源：對于多用戶水源，必須將水源可供水量在不同用戶間分配。對于同一流域的上下游、左右岸之間的各分區(qū)之間也存在水量調配問題，考慮大區(qū)域水資源配置的宏觀特點、不同計算單元計算方法與精度的一致性以及資料支撐等綜合因素，根據(jù)不同水源的特性采用以下原則和方法進行：

（1）同一子流域內不同用戶的公用水源的水量分配。按照用戶的重要性確定供水次序，優(yōu)先滿足生活用水；其次滿足最小生態(tài)用水；剩余水量G在工業(yè)與農(nóng)業(yè)之間按供水的最低供水量的比例配置，設工業(yè)的最低供需比為P1，農(nóng)業(yè)的最低供需比為P2，按下式確定配置水量：

式中，X工、X農(nóng)取總需水扣除當?shù)厮Y源已供給部分。

（2）具有分水協(xié)議的跨區(qū)多用戶水源。對于有經(jīng)上級主管部門批準的分水協(xié)議的水源，本次按照原有分水協(xié)議的分水，按總量控制原則計算。

（3）一般的跨子流域多用戶水源。對于沒有明確分水方案的多用戶水源，根據(jù)以下原則確定分水系數(shù)：

①受益各方公平享有水資源使用權原則

設某公用水源有m個用戶，第k用戶在該水源可供范圍內的需水量為Xk；如果各個計算單元的用水水平一致（同類用戶的定額相同），按照公平性原則按下式確定第k用戶的配置系數(shù)：

②鼓勵節(jié)水原則

考慮到各用戶用水水平的差異，應體現(xiàn)鼓勵水資源高效利用的原則，當水源缺水時（供不應求）時，在相對公平原則的基礎上，應適當提高用水水平比較高的（用水定額低）用戶的水量保證率。

設某公用水源有m個用戶，第k用戶的綜合用水定額Dk按下式確定用水水平修正系數(shù)：

綜合用水定額用下式計算：

式中：Xk，i—第k用戶第i用水部門的需水量；

Dk，i—第k用戶第i用水部門的用水定額。

③適度照顧原則

由于客觀存在區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的不平衡，工業(yè)生產(chǎn)設備與工藝的差異、經(jīng)濟結構的不同、社會結構與生活水平的不同，使得原本用水定額較高經(jīng)濟落后地區(qū)很難在短期大幅度降低用水定額，在多用戶水源的配置時，對于經(jīng)濟落后地區(qū)基于適當?shù)恼咝詢A斜引進政策性權系數(shù)γk，該因子可通過溝通與協(xié)商決定。

④重點用戶優(yōu)先原則

對于純生活用水的用戶，優(yōu)先滿足，確定不同類別用戶的權系數(shù)θk。

某水源的可分配水量為G，有m個收益用戶，則第k用戶的水量分配系數(shù)按下式確定：

Gk=min（Xk，λk·G）

（4）當?shù)厮Y源優(yōu)先原則。在無強制性要求的前提下，當?shù)禺a(chǎn)生的水資源，由當?shù)赜脩魞?yōu)先使用，多余部分向下游傳遞。

（5）鼓勵新增開源原則。新增水源特指雨水利用、污水回用、微咸水非常規(guī)水源。配置中以現(xiàn)狀利用量為基礎，新增部分作為開源鼓勵項目。新增的雨水利用、污水回用不作為公共水資源配置的基數(shù)。

所建立的模型以水資源計算與配置仿真系統(tǒng)為基礎，增強其交互性，以適應多變的外部條件變化，可以多方面靈活反映每個用戶的利益，充分體現(xiàn)各種水資源配置方法和要求的利弊得失。

2.3“自然-社會”遞進式地表水文模型

“自然-社會”遞進式模式是指在“自然”模式的基礎上，不僅增加蓄水、取水、用水、耗水和排水等社會活動影響過程，還包括最嚴格水資源管理制度等非工程措施的影響過程,其驅動力既有自然驅動力,又有社會經(jīng)濟與管理驅動力。

遞進式包括狹義和廣義兩層含義：狹義上，為從流域源頭原生態(tài)的自然狀況向下游演進，隨著支流的匯入，形成從流域源頭向下游隨著流域面積的增加，人類活動影響呈遞

進式疊加；廣義上，為整個流域隨著時間的推移，流域自然的天然狀況在不斷地受人類活動的改造，自然元素在慢慢的減弱，社會元素伴隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展卻在遞進式的增加。

“自然-社會”遞進式模式的基本思路是將人與自然交互式流域地表水資源合理調配模擬系統(tǒng)的初始配置方案植入“自然”模式流域產(chǎn)匯流模型，進行首次耦合，各個單元根據(jù)最嚴格水資源管理制度中總量指標進行控制，根據(jù)耦合情況不斷修正人與自然交互式流域地表水資源合理調配模擬系統(tǒng)的初始配置方案，最終耦合模擬出符合總量控制的流域水資源合理配置方案，消除上游蓄水工程蓄而不用的狀況。

3 結論與展望

本文針對目前人類活動影響下流域產(chǎn)匯流模擬存在的問題，結合山東省最嚴格水資源管理制度的要求，將自然與社會雙重影響進行耦合，提出總量控制格局下基于GIS的“自然-社會”遞進式地表水文模擬模式，實現(xiàn)了總量控制格局下統(tǒng)籌考慮水資源、宏觀經(jīng)濟與社會活動的流域地表水資源綜合管理分析的功能，具有理論與方法的創(chuàng)新性，為流域相關工程規(guī)模確定提供了技術支撐，對流域開發(fā)具有指導意義■