“自然-社會(huì)”遞進(jìn)式地表水文模擬方法及應(yīng)用

花金祥 鄭言峰 王翊人 史文美 盧 岳

（山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 濟(jì)南 250013）

“自然-社會(huì)”遞進(jìn)式地表水文模擬方法及應(yīng)用

花金祥 鄭言峰 王翊人 史文美 盧 岳

（山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 濟(jì)南 250013）

本文在基于GIS的分布式水文模型的基礎(chǔ)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(jié)合最嚴(yán)格水資源管理制度等非工程措施，構(gòu)建了一套較為完整的總量控制格局下基于GIS的“自然-社會(huì)”遞進(jìn)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(huì)”遞進(jìn)式

1 研究背景

目前人類活動(dòng)對(duì)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(shí)機(jī)，同時(shí)也為流域水文模型的應(yīng)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(dǎo)模式逐漸遞進(jìn)為“社會(huì)”影響下的模式，即形成“自然-社會(huì)”遞進(jìn)式模式，但這種模式受復(fù)雜的人類活動(dòng)影響，處于無(wú)序狀態(tài)，隨著最嚴(yán)格水資源管理制度的逐步實(shí)施，這種遞進(jìn)模式在總量控制格局下趨于合理。

目前關(guān)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(duì)目前人類活動(dòng)影響下流域產(chǎn)匯流模擬存在的問(wèn)題，結(jié)合最嚴(yán)格水資源管理制度的要求，將自然與社會(huì)雙重影響進(jìn)行耦合，構(gòu)建了一套較為完整的總量控制格局下基于GIS的“自然-社會(huì)”遞進(jìn)式地表水文模擬模式。

2 模型簡(jiǎn)介

本文主要以基于GIS的分布式水文模型為基礎(chǔ)，全面融合了非工程措施（即最嚴(yán)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(gòu)造出了“自然-社會(huì)”遞進(jìn)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(guò)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(gòu)成,其驅(qū)動(dòng)力是太陽(yáng)輻射、重力和風(fēng)力等自然驅(qū)動(dòng)力。該模式是天然條件下的產(chǎn)匯流模式，不包含人類活動(dòng)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(chǔ)，運(yùn)用基于DEM的流域水系要素提取技術(shù)，提取大汶河流域的各種水系特征。

（2）使用分布式模型進(jìn)行單元面積的產(chǎn)匯流計(jì)算：蒸散發(fā)計(jì)算采用三層蒸散發(fā)計(jì)算模式，產(chǎn)流采用蓄滿產(chǎn)流機(jī)制，水源劃分通過(guò)自由水蓄水庫(kù)進(jìn)行。

（3）河槽匯流計(jì)算采用馬斯京根法。

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

（5）運(yùn)用圖像融合技術(shù)對(duì)不同分辨率的遙感影像進(jìn)行圖像融合，以達(dá)到提高影像精度和利用效率的目的。采用GIS與遙感信息復(fù)合技術(shù)搭建數(shù)字產(chǎn)匯流模型結(jié)果展示的基礎(chǔ)信息平臺(tái)，進(jìn)行二維、三維的產(chǎn)匯流過(guò)程模擬。

2.2人與自然交互式流域地表水資源合理調(diào)配模擬系統(tǒng)

2.2.1調(diào)配模擬系統(tǒng)基本思路

在“自然”模式基礎(chǔ)上增加上游攔蓄及用水等人類活動(dòng)影響子模塊，將流量按支流、斷面分割成若干子流域計(jì)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(wèn)題的復(fù)雜性，系統(tǒng)內(nèi)部存在大量“算不準(zhǔn)”（難以定量）和“算不出”（無(wú)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(yīng)結(jié)構(gòu)，建立人與自然交互式流域地表水資源合理調(diào)配模擬系統(tǒng)，選用最嚴(yán)格水資源管理制度為指導(dǎo)，以總量控制為切入點(diǎn)，將水量分配系數(shù)作為紐帶，通過(guò)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(jì)算條件和原則

模擬系統(tǒng)依據(jù)以下主要計(jì)算條件和調(diào)節(jié)計(jì)算原則：

（1）計(jì)算單元之間通過(guò)河道節(jié)點(diǎn)存在著水力聯(lián)系，這些相互聯(lián)系的計(jì)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(gè)單元計(jì)算。

（2）每個(gè)地表水工程只對(duì)其指定的供水區(qū)承擔(dān)供水任務(wù)。只有當(dāng)滿足規(guī)定供水任務(wù)且在工程滿蓄后尚有余水時(shí)，多余水量依次為下游水庫(kù)所存蓄。水庫(kù)存蓄不下的多余水量則按照計(jì)算分區(qū)的水流走向，依次由計(jì)算分區(qū)的河網(wǎng)調(diào)蓄庫(kù)容存蓄。

（3）各行政區(qū)域邊界遵循最嚴(yán)格水資源管理制度，現(xiàn)狀年按總量控制指標(biāo)控制用水，規(guī)劃水平年2020年參照2015年總量控制指標(biāo)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(guān)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(duì)于單水源單用戶的結(jié)構(gòu)按照水源類型進(jìn)行相應(yīng)的水量平衡計(jì)算。

單水源多用戶：對(duì)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(guān)部分綜合需水過(guò)程，以避免水源可供水量的重復(fù)計(jì)算。

多用戶水源：對(duì)于多用戶水源，必須將水源可供水量在不同用戶間分配。對(duì)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(diào)配問(wèn)題，考慮大區(qū)域水資源配置的宏觀特點(diǎn)、不同計(jì)算單元計(jì)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(jìn)行：

（1）同一子流域內(nèi)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(shè)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(dāng)?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(duì)于有經(jīng)上級(jí)主管部門批準(zhǔn)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(jì)算。

（3）一般的跨子流域多用戶水源。對(duì)于沒(méi)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(quán)原則

設(shè)某公用水源有m個(gè)用戶，第k用戶在該水源可供范圍內(nèi)的需水量為Xk；如果各個(gè)計(jì)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(lì)節(jié)水原則

考慮到各用戶用水水平的差異，應(yīng)體現(xiàn)鼓勵(lì)水資源高效利用的原則，當(dāng)水源缺水時(shí)（供不應(yīng)求）時(shí)，在相對(duì)公平原則的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)提高用水水平比較高的（用水定額低）用戶的水量保證率。

設(shè)某公用水源有m個(gè)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(jì)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(jì)發(fā)展的不平衡，工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備與工藝的差異、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的不同、社會(huì)結(jié)構(gòu)與生活水平的不同，使得原本用水定額較高經(jīng)濟(jì)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(shí)，對(duì)于經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)基于適當(dāng)?shù)恼咝詢A斜引進(jìn)政策性權(quán)系數(shù)γk，該因子可通過(guò)溝通與協(xié)商決定。

④重點(diǎn)用戶優(yōu)先原則

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

某水源的可分配水量為G，有m個(gè)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(dāng)?shù)厮Y源優(yōu)先原則。在無(wú)強(qiáng)制性要求的前提下，當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生的水資源，由當(dāng)?shù)赜脩魞?yōu)先使用，多余部分向下游傳遞。

（5）鼓勵(lì)新增開(kāi)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(chǔ)，新增部分作為開(kāi)源鼓勵(lì)項(xiàng)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(jì)算與配置仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增強(qiáng)其交互性，以適應(yīng)多變的外部條件變化，可以多方面靈活反映每個(gè)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(huì)”遞進(jìn)式地表水文模型

“自然-社會(huì)”遞進(jìn)式模式是指在“自然”模式的基礎(chǔ)上，不僅增加蓄水、取水、用水、耗水和排水等社會(huì)活動(dòng)影響過(guò)程，還包括最嚴(yán)格水資源管理制度等非工程措施的影響過(guò)程,其驅(qū)動(dòng)力既有自然驅(qū)動(dòng)力,又有社會(huì)經(jīng)濟(jì)與管理驅(qū)動(dòng)力。

遞進(jìn)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(jìn)，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(dòng)影響呈遞

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

“自然-社會(huì)”遞進(jìn)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(diào)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(jìn)行首次耦合，各個(gè)單元根據(jù)最嚴(yán)格水資源管理制度中總量指標(biāo)進(jìn)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(diào)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(jié)論與展望

本文針對(duì)目前人類活動(dòng)影響下流域產(chǎn)匯流模擬存在的問(wèn)題，結(jié)合山東省最嚴(yán)格水資源管理制度的要求，將自然與社會(huì)雙重影響進(jìn)行耦合，提出總量控制格局下基于GIS的“自然-社會(huì)”遞進(jìn)式地表水文模擬模式，實(shí)現(xiàn)了總量控制格局下統(tǒng)籌考慮水資源、宏觀經(jīng)濟(jì)與社會(huì)活動(dòng)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(guān)工程規(guī)模確定提供了技術(shù)支撐，對(duì)流域開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義■