基于分布式水文模型GBHM的河流閘壩調控研究

呂繼強 劉俊 沈冰 孫夏利 侯志強 慕登春 張媛 聶啟陽

摘要：以秦嶺北麓半干旱區(qū)城市河流為例，構建分布式水文模型與河段水量平衡模型，分析區(qū)域氣候變化、河流上游水利工程蓄水運行及下游城市段橡膠壩蓄水調度對河流水量水質的影響，并依據不同水平年的水文模擬計算結果，制定變化環(huán)境下河流下游閘壩水量水質調控方案。研究結果表明：通過構建分布式水文模型，研究流域水文與氣象要素、水庫建設運行與灌溉取水等人類活動對河流水文過程的綜合影響，是降低河流水資源管理風險及不確定性的有效途徑之一；以下游河段水量、水質監(jiān)測等數據為基礎，開展變化環(huán)境下橡膠壩水量水質隨機模擬與調控，制定的水量水質優(yōu)化調控方案可以有效緩解河流水污染狀況。

關鍵詞：水文學；GBHM模型；城市河流；景觀水體；水質與水量調控

中圖分類號：TV213.4 文獻標志碼：A Doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.09.015

受全球氣候變化以及人類活動的影響，流域水循環(huán)發(fā)生了顯著變化，許多地區(qū)面臨洪水、干旱、環(huán)境污染等嚴重問題。半干旱區(qū)水資源不足，長期存在水資源時空分布與流域經濟發(fā)展布局不協調問題。城市河流水生態(tài)系統受人類活動影響強烈，河流自然水文演化過程逐漸被改變，半干旱區(qū)河流下游城市段不合理的閘壩調控模式加劇了水資源緊張與水生態(tài)環(huán)境惡化問題。研究閘壩工程對河流環(huán)境的影響、減少閘壩蓄水引起的河流生態(tài)系統退化或破壞問題，對流域水環(huán)境保護具有重要意義。國內外學者圍繞氣候變化與人類活動對河流水文情勢[1-2]、水環(huán)境的影響[2-5]，開展了很多有意義的研究。夏軍等[6]探討了淮河流域人類活動影響下河流生態(tài)需水量難以保障問題，定量評估了閘壩工程對河流水生態(tài)系統的影響程度；Hayes等[7]、Burke等[8]探討了閘壩調度運行對河流水質、水量演變所起的作用；左其亭等[9]通過實地閘壩調控試驗，確定重污染河流閘壩最優(yōu)下泄流量，以提高河流水體的自凈作用。上述研究多以定性分析、數值模型模擬預測閘壩工程對河流水環(huán)境的影響，缺乏氣候變化與人類活動共同影響下，典型城市河流上游與下游不同類型閘壩工程調控、水資源利用對流域不同河段的水質與水量研究。另外，由于水文觀測數據匱乏，已有研究在枯水期閘壩工程對水生態(tài)環(huán)境的影響認識不充分，因此需要面向全流域探索城市河流閘壩蓄水運行對水生態(tài)環(huán)境的影響。

筆者以典型城市河流灞河為研究對象，開展以下研究：①依據氣候變化及人為干擾（城市化、水利工程建設運行）引起的氣象、下墊面條件變化、水文地質條件變化，進行分布式水文模型結構調整和模型參數率定，反演不同水平年流域上中游的產匯流過程；②以下游河川徑流過程、下游城市段水體自凈能力、生態(tài)基流為約束條件，進行河流橡膠壩水量水質調控模擬計算，分析河段水循環(huán)規(guī)律，以確定河流下游城市段橡膠壩水質水量優(yōu)化調控方案，改善重度污染河流水生態(tài)環(huán)境，提升水功能價值與綜合效益。

1 資料與方法

1.1 流域特征

灞河是秦嶺北麓西安市東部渭河最大的一級支流，連接秦嶺、渭河兩大生態(tài)區(qū)域，是西安市的主要水源地之一，全長104.1km，流域總面積2581.0km2。灞河流域地勢南高北低，從源頭到下游大致可以分為秦嶺山地、橫嶺丘陵、黃土臺源和川道平原等地貌類型區(qū)。灞河上游支流輞川河中段建有李家河水庫，總庫容為5690萬m3，是西安市重要的生活水源之一；下游平原區(qū)河道內建有2座橡膠壩，承擔城市防洪調度與水景觀蓄水調控任務。灞河流域DEM、水系及站點分布如圖1所示。

目前，灞河流域水資源未實現統一調度，上游水庫與下游城市段橡膠壩蓄水使下游河道水量減少，水流緩慢，水體自凈能力下降，河流水生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。依據2011年《渭河流域水污染防治考核辦法》，灞河水質的考核因子為化學需氧量（COD）和氨氮（NH：-N）。根據2013-2016年灞河下游污染調查與水質水量監(jiān)測結果，灞河下游全年水質普遍低于Ⅳ類水標準。

1.2 資料及研究技術路線

采用1990-2010年灞河流域上中游10個氣象站點的氣象數據與1個控制性水文站的徑流數據（站點位置見圖1），流域DEM高程、土地利用、植被覆蓋數據，下游城市段河流景觀水體水質水量監(jiān)測數據，建立流域上中游分布式水文模型及下游河道水量調控模型，開展流域產匯流模擬、下游河段橡膠壩調控情況下的河段水量、自凈流量、生態(tài)基流量等模擬計算。圖2為水量調控研究技術路線。

1.3 分布式水文模型選擇與改進

YANG D.W.等[10]提出的流域分布式水文模型（GBHM）以山坡的坡面及其下墊面為基本計算單元，考慮地形、土壤、植被、氣象等信息的空間變化對水文過程的影響，具有較好的水文模擬效果。模型已在南方濕潤、北方半干旱流域得到較多應用，驗證了模型的可靠性和合理性[10-11]。

1.3.1 GBHM基本原理

GBHM建立在DEM及GIS基礎上，由流域空間信息庫、水文計算模塊、輸入模塊與輸出模塊4個主要部分組成。模型利用網格型DEM提取河網水系、子流域范圍、坡度、坡向等網格特征，首先將流域劃分為許多較小的子流域，然后將子流域進一步劃分為匯流區(qū)間和山坡產流單元[11]。GBHM水循環(huán)示意見圖3。

山坡產流單元的水文計算包括以下幾方面[10-11]。

（1）蒸發(fā)量估算。蒸發(fā)量通過潛在蒸發(fā)能力計算得到，計算考慮植被覆蓋率、冠層葉面積指數、土壤含水量及根系分布，包含植被冠層截留蓄水的蒸發(fā)率計算、根系吸水經植被冠層葉面的蒸騰率計算、裸露土壤蒸發(fā)率計算。

植被冠層截留蓄水的蒸發(fā)率計算公式為

Ecanopy=KcEp（1）式中：Ecanopy為植被冠層截留蓄水蒸發(fā)率；Kc為參考作物系數；Ep為潛在蒸發(fā)率。

根系吸水經植被冠層葉面的蒸騰率計算公式為式中：Ktr（z）為土壤深度z處的蒸騰率；f1（z）為植被根系沿深度分布函數；θ為土壤蓄水量；f2（θ）為土壤蓄水量函數，土壤蓄水量大于等于田間持水量時f2（θ）=1，土壤蓄水量小于等于凋萎系數時f2（θ）=0，其間為線性變化；LAI為植物葉面積指數；LAI0為植物在一年中的最大葉面積指數。

裸地蒸發(fā)率計算公式為

Es=Epf2（θ）（3）式中：Es為裸地土壤表面的蒸發(fā)率；在地表蓄水的情況下，f2（θ）取1。

（2）非飽和帶土壤水分運動。降雨入滲和蒸發(fā)蒸騰均通過非飽和帶，用一維Richards方程描述非飽和帶沿垂直方向的土壤水分運動，并采用有限差分方法求解Richards方程，非飽和帶土壤水分運動模擬時間步長取1h。垂向土壤水分運動的一維Richards方程為式中：s（z，t）為源匯項；qv為土壤水通量，可以由達西定理計算得到。式中：ψ（θ）為土壤吸水力；K（θ）為非飽和土壤的水力傳導系數。

（3）坡面匯流與河道匯流。首先假定匯流區(qū)間內所有山坡單元的坡面匯流和地下水產流都可以直接進入河道，采用一維波動方程將子流域河網概化為一條主河道，然后依據匯流區(qū)間距河口距離，進行匯流演進計算。用一維Richards方程可以計算出山坡的超滲產流和蓄滿產量，坡面產流經過地表截留后流入河道，在較短的時間間隔內坡面流可以用Manning公式按恒定流來計算。模型基本計算單元為坡面流單元，減少了計算單元的數目，同時考慮土地利用類型、土壤狀況、氣象條件、地形地貌等流域空間特性，可以縮短計算時間，并且提高模擬精度。單寬流量計算公式為式中：qs為單寬流量；n為坡面的Manning系數；β為河床坡度；h為扣除地面截留后的凈雨深。

（4）地下水與河流之間的交換。按達西定理計算飽和含水層與河道的水量交換，所有網格均由河道相連接，網格內的地下水位可通過河道來調節(jié)。一般情況下，山區(qū)地下水會流入河道，平原區(qū)河水對地下水有補給作用。

1.3.2 主要參數及確定

模型描述水文過程物理機制明確，可根據流域具體情況增加模塊，調整模型結構和參數。模型參數均為物理參數，一般源于實測數據，包括植被和地表參數、土壤水分參數和河道參數等。GBHM所需參數類型以及參數獲取方法參見文獻[11]。

1.3.3 模型結構調整與參數更新

人類活動對降雨產流與匯流過程影響較大，如水庫運行、灌溉及城市綠化取水等，均直接影響城市河流的徑流量及徑流過程，進而影響下游城市段水環(huán)境。本文根據流域實際情況，通過對水庫運行、灌溉與綠化取水等人類活動引起的水文過程進行概化，在GBHM計算單元中增加流域水庫運行等模塊，以提高變化環(huán)境下流域水文模擬效果。模型結構調整框架見圖4。

1.4 基于水量平衡法的河段水量調控模型

依據河段水量平衡原理，以分布式水文模型模擬的上游河道來水過程和斷面平均臨界流速為約束條件，構建河段水量調控模型，模擬計算橡膠壩抬升不同高度情況下，庫區(qū)斷面平均流速、區(qū)間耗水量、滲漏量。路璐[12]開展的區(qū)域河段水環(huán)境試驗表明：流量增大，水體流速加快，水體自凈能力增強，水體污染物濃度降低；當流量大于0.299m3/s（斷面平均流速大于0.01m/s）時，河道水體中TP、COD、NH3-N濃度明顯降低。據此本文將橡膠壩庫區(qū)水體流速約束條件設置為斷面平均流速大于0.01m/s，以達到提升水體自凈能力的目的。

1.4.1 基于水量平衡法的河段水量計算

考慮橡膠壩庫區(qū)人流量、泄流量、庫區(qū)水面面積、降水量和水面蒸發(fā)量，建立水量平衡方程：

△W=W降+W入-W滲-W取-W取-W出（7）式中：ΔW為橡膠壩庫區(qū)的蓄水變化量；W降為研究時段的降水量；W入為橡膠壩庫區(qū)的人庫水量；W蒸為研究時段的水面蒸發(fā)量；W滲為橡膠壩庫區(qū)的滲漏水量；W取為橡膠壩庫區(qū)取水量；W出為流出橡膠壩庫區(qū)的水量。

1.4.2 隨機相關機會約束模型模擬與求解

模擬計算中各目標按照優(yōu)先級依次為河段平均流速大于斷面平均臨界流速、流量大于生態(tài)基流、滲漏水量損失最小化、蓄水量最大化、水面面積滿足景觀要求。河段水量平衡模型模擬計算，在目標保證率大于90%情況下，輸出河段平均流速、流量、各橡膠壩控制高度、滲漏水量、蒸發(fā)量，并采用Tennant法估算生態(tài)基流量，控制生態(tài)基流量大于上游入流量的10%。多目標隨機相關機會約束模型及條件為式中：Pj為優(yōu)先因子，表示各個目標的重要程度，Pj>Pj+1；uij為優(yōu)先級j的第i個目標正偏差的權重因子；di+為目標i偏離目標值的正偏差；vij為優(yōu)先級j的第i個目標負偏差的權重因子；di-為目標i偏離目標值的負偏差；Hik（y，ξ）為目標約束中的實值函數；Gj（y，ξ）為在不確定環(huán)境中的實值函數；、‘為目標i的實值；l為優(yōu)先級個數；n為目標約束個數。

基于隨機相關機會約束理論的多目標優(yōu)化主要思想是在決策者給定優(yōu)化目標后，在給定優(yōu)先級下極小化與此目標的偏差，在給定保證率情況下得出隨機變量的合理解。采用智能優(yōu)化算法求解模型具體方法參見文獻[13]。

2 結果與分析

以分布式水文模型模擬計算的不同水平年河川徑流量為下游河道入庫徑流量，考慮水體自凈能力、生態(tài)基流要求等約束條件，建立河流橡膠壩水量水質調控模型，通過隨機模擬與智能優(yōu)化算法求解，確定河流下游城市段橡膠壩的蓄水高度。

2.1 變化環(huán)境下流域水量模擬與水量變化分析

由于下游城市段內無流量觀測站，缺乏水文資料驗證模型，因此徑流模擬主要依據上游氣象、水文和地形資料進行GBHM參數率定。模擬過程分為兩階段：

①上游（灞河馬渡王水文站以上，見圖1）水文模型構建與參數率定；②應用上游模型，開展下游城市段人流過程計算。

上游徑流過程模擬的率定期為1990-2000年，驗證期為2001-2010年，模型率定期和驗證期實測月徑流量和模擬月徑流量的確定系數分別為0.87和0.79，相對誤差分別為18.2%和12.6%，均符合《水文情報預報規(guī)范》（SL250-2000）實測徑流誤差小于20%的要求。模擬水庫運行情況下1990-2010年下游河段的月徑流過程（見圖5），結果表明：水庫運行后，灞河下游多年平均水量減少20%左右，汛期洪水總量減少30%。1990-2010年，遇水量較枯年份（2001年）下游水量減少比例最大為36%。根據橡膠壩庫區(qū)水量平衡計算結果，橡膠壩蓄水運行后，河段天然河床滲漏量增大，增大水量約占河段徑流總量的4%。因此，流域上游水庫運行與下游橡膠壩蓄水可能是河流下游河段徑流量減少、水污染加重的主要原因。

2.2 灞河下游城市段水量水質調控方案優(yōu)化

灞河流域的徑流以降水補給為主。流域降水年際變化大，豐水年灞河下游水量水質基本可以保證，但平水年及枯水年水污染現象易發(fā)多發(fā)?？菟诤拥纴硭可?，水質較差，因此選擇平水年和枯水年的月徑流過程，開展灞河下游城市段水量水質調控模擬計算，分別制定一般年份和枯水年份的橡膠壩調控方案。以年徑流總量為依據，并參考年內枯水期來水量變化，選擇易發(fā)生水量水質問題的典型枯水年2001年（發(fā)生頻率為90%）和典型平水年2005年（發(fā)生頻率為50%）進行模擬計算。水量調控模擬計算以平均流速大于0.01m/s為約束條件、以提升水體自凈能力為目標，開展河段水量調控隨機模擬計算，計算結果分別見表1和表2。

3 結語

（1）灞河上游李家河水庫位于流域降水集中區(qū)域，2015年水庫運行后，流人下游城市段的汛期洪水總量減少30%，灞河下游多年月平均水量減少20%，水量較枯年份（2001年）下游水量減少比例最大為36%?？菟谒枯^少，有可能加重下游河道水污染，因此有必要根據典型年水量變化，調整河道水量調控方案。

（2）針對來水過程的不確定性，建立基于多目標調控的隨機相關機會約束模型，依次以河段平均流速大于斷面平均臨界流速、流量大于生態(tài)基流、滲漏水量損失最小化、蓄水量最大化、水面面積滿足景觀要求為目標，在保證率大于90%情況下，計算各橡膠壩調節(jié)高度、區(qū)間水量滲漏、蒸發(fā)量，可以提高水量水質調控效果。

（3）在河流下游城市段長系列水文監(jiān)測資料缺失情況下，可依據分布式水文模型模擬反演歷史時期氣候變化、水庫運行、灌溉等人類活動干擾情況下河道水量變化，并結合河段水質調查與試驗結果，制定下游河道水量調控方案，有效緩解河流水污染狀況。

（4）在河道閘壩調控方案制定過程中，由于缺乏水生態(tài)指標和長期水量監(jiān)測數據，因此對水生態(tài)環(huán)境改善作用考慮有限。有必要結合流域地表、地下水量、水質指標、水生生物量數據，進一步改進調控方案。

（5）半干旱區(qū)水資源緊缺情況下，城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展進一步加劇了城市河流水污染。盡管采取了一些工程措施與非工程措施開展相關水生態(tài)修復與保護工作，使城市水生態(tài)環(huán)境得到一定程度的改善，但水資源承載力與不斷擴大的水資源需求這一根本矛盾難以解決，因而水量水質調控方案研究顯得尤為重要。

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