綜合性水文模型的應(yīng)用—以深圳某流域為例

吳斌1 關(guān)芝良1 Balint Muzelak2

1深圳市康樂環(huán)境工程有限公司；2布達佩斯科技經(jīng)濟大學(xué)

摘要：此文主要介紹由深圳市康樂環(huán)境工程有限公司（以下簡稱為我司）與匈牙利軟件工程公司（GeneralCom Engineering Ltd.），攜手布達佩斯科技經(jīng)濟大學(xué)的環(huán)境與工程系（BUTE DSEE）共同研究開發(fā)新型的水管理決策支持系統(tǒng)（WateRisk Decision Support System）。該項目通過創(chuàng)建與流域治理有關(guān)的環(huán)境軟件及數(shù)據(jù)系統(tǒng)，依據(jù)最佳管理措施（Best Management Practice）的技術(shù)框架，基于地理信息系統(tǒng)的分析技術(shù)平臺，研究分析流域面源污染治理措施，并選擇試點，進行調(diào)試使用，從而達到減低和控制水資源的污染的目的。本文詳細(xì)闡述了該研究項目的三個主要步驟：模型設(shè)計原理和運算，試點地區(qū)的背景資料及試點地區(qū)結(jié)果示范。試驗結(jié)果顯示該模型的計算數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)有很強的相關(guān)性，因此驗證WateRisk能夠計算出流域相關(guān)水文參數(shù)。

關(guān)鍵詞：決策支持系統(tǒng)；地理信息系統(tǒng)；最佳管理措施

1前言

隨著城市土地的不斷開發(fā)利用，大量污染物沿途進入水體及附近流域，使得水質(zhì)下降。雖然現(xiàn)階段已累計不少相關(guān)課題成果與科研技術(shù)，然而，暫未有成熟輔助的決策系統(tǒng)廣泛普及應(yīng)用[1][2]。作為水資源管理控制的主要工具，水文模型的研究與應(yīng)用已在國內(nèi)外廣泛采用。因為它不僅為人們提供了更為直觀的水資源管理的科學(xué)認(rèn)知與決策依據(jù)，還作為可持續(xù)性發(fā)展及利用水資源的有效工具[3][4]。因此，大力推廣水文模型的相關(guān)應(yīng)用對深圳水資源管理有重要意義。

此文主要介紹由深圳市康樂環(huán)境工程有限公司與匈牙利軟件工程公司（GeneralCom Engineering Ltd.），攜手布達佩斯科技經(jīng)濟大學(xué)的環(huán)境與工程系（BUTE DSEE）共同研究開發(fā)新型的水管理決策支持系統(tǒng)（WateRisk Decision Support System）。該項目通過創(chuàng)建與流域治理有關(guān)的環(huán)境軟件及數(shù)據(jù)系統(tǒng)，依據(jù)最佳管理措施（Best Management Practice）的技術(shù)框架，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System）的分析技術(shù)平臺，研究分析水庫流域面源污染治理措施，并率先以深圳為試點，進行調(diào)試使用，從而達到降低和控制水資源的污染的目的。本文詳細(xì)闡述了該研究項目的三個主要步驟：模型設(shè)計原理，試點地區(qū)的背景資料及結(jié)果。

2 WateRisk 綜合水文決策管理模型的設(shè)計原理

WateRisk 綜合水文決策管理模型（WateRisk IHM，以下簡稱為WateRisk）屬于物理性分配參數(shù)的配合系統(tǒng)（Physically-based distributed-parameter coupled model system）的一種.該系統(tǒng)通過用戶友好型界面和整合數(shù)據(jù)庫來體現(xiàn)全面方法論。該系統(tǒng)通過運用物理性的數(shù)字化水文模擬過程，對社會、經(jīng)濟和環(huán)境進行可能性的水資源情景風(fēng)險評估。由于研究水文過程不僅僅考慮其過程的各個獨立層面，還需考慮其內(nèi)部因子互相作用的復(fù)雜性。因此，該系統(tǒng)充分考慮到水體流動之間的互相關(guān)系，并創(chuàng)新性的使用動態(tài)的相互連接到水文模型中。透過將垂直及水平的分布參數(shù)有限差值化（如植被、地形和土壤分層），構(gòu)建成數(shù)字化的模型。此模型能將在土壤層面的重要水流動性循環(huán)過程用3D圖像直觀的呈現(xiàn)。WateRisk 整合水文模型（WateRisk IHM）概念模型可參見圖1。

圖1.WateRisk 整合水文模型的概念模型：箭頭指向為相互作用的方向；矩形為模塊；圓形框為誘因。

WateRisk IHM的具體設(shè)計算法原理由圖2可見。首先，水資源模型系統(tǒng)通過連接Saint-Venant公式的1D河流水動力模型、2D 線性級聯(lián)表面模型（或者淺水波方程式的算法）、1D 半數(shù)值整合表面和淺表水循環(huán)，并且將降雨量，積雪、融化及蒸發(fā)這些誘變量也考慮到經(jīng)驗方程式中。而每個模塊之間的聯(lián)系則通過對相應(yīng)的中間數(shù)據(jù)運算進行算法傳送而得出。一般而言，在特定模型的成分內(nèi)的界定條件由其它模型決定，反之亦然。

圖2 1D及2D 模型計算方法：（a）通過整合確定的矢量及柵格

（b）圖示系統(tǒng)性描述水高度計地形地勢以及模型之間的相關(guān)關(guān)系。

（c）渠道及陸上水位

以地理信息系統(tǒng)為系統(tǒng)基底，WateRisk透過友好的GUI客戶操作界面來支持軟件在不同層面的廣泛應(yīng)用（見圖3）。該系統(tǒng)提供了靈活的模塊與數(shù)據(jù)庫，使得用戶能依據(jù)自己特定的問題及比例，透過簡單操作從而建立自己的模塊。而且，經(jīng)過運行WateRisk預(yù)運行模塊（pre-processor unit），該軟件還能簡單的輸出或輸入各矢量和柵格或?qū)С霾煌臄?shù)據(jù)庫。因而，經(jīng)過前處理的項目能夠使得WateRisk依照項目所需建立特定的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)預(yù)處理的同時，相關(guān)的獨立次級模型（如1D 水文動態(tài)，地表水，表面沉降等）的整合體也均能夠在軟件模型庫建立起來。并且，模型庫和模型創(chuàng)建工具里均有為參數(shù)化提供空間的大量次級模型及次級視窗可供選擇。

圖3 GUI界面的地理信息系統(tǒng)視覺化圖

當(dāng)與環(huán)境相關(guān)的模型和數(shù)據(jù)庫被修改好后，模型便可開始運算。其結(jié)果將儲存以備日后分析。數(shù)據(jù)儲存的詳細(xì)信息（如儲蓄的頻率和保存數(shù)據(jù)的類型等）均能收藏于模型啟動過程內(nèi)。由圖3可見，系統(tǒng)運算結(jié)果能通過地理模型（如餅狀圖、圖表、2D和3D地圖等）簡單的呈現(xiàn)出來。另外，系統(tǒng)亦能輸出不同形式的數(shù)據(jù)。因此，依據(jù)不同的變量，形成具有代表性的情景模型。通過比較已形成的情景模型，選擇最佳的算法。

3應(yīng)用案例

在本次試驗項目實驗對象為支流河A與深圳某流域水庫的閘口。該閘口的主要目的是預(yù)防污水直接進入水庫中。依照設(shè)計，支流河A的排水量可達25 m3/s。當(dāng)支流河A蓄水量高于管道承載量的時候，閘門需打開泄洪，否則將導(dǎo)致周圍的住宅區(qū)遭受洪澇災(zāi)害。因此，支流河A間斷性泄洪問題會導(dǎo)致深圳水庫質(zhì)量降低，尤其是在降雨量豐富的雨季。

依據(jù)相關(guān)分析結(jié)果可知，支流河A泄洪1小時，對水庫庫尾端的顯著性影響可持續(xù)24小時。就影響頻率而言，盡管泄洪條件視氣象狀況隨機產(chǎn)生，但通常在該河截排量達到一定的洪水水位才會發(fā)生。但由于截排工程規(guī)模限制，支流河A洪水達到泄洪水位并不難。從歷年泄洪幾率看：正常降雨量年份可出現(xiàn)三次泄洪天劍；雨量偏多的年份，泄洪條件可達八次；雨量偏少年份，亦有兩次泄洪。從此方面講，支流河A泄洪屬于已發(fā)的污染風(fēng)險。而就污染特征來講，支流河A的泄洪風(fēng)險由將于沖刷地表產(chǎn)生，又屬于面源污染的范疇。因此，支流河A的泄洪應(yīng)從面源污染控制和以及處理兩方面實現(xiàn)。

綜合水文模擬系統(tǒng)是國內(nèi)外現(xiàn)常見的能有效預(yù)測洪澇事故發(fā)生的應(yīng)用模型，如黃河水利委員會開發(fā)的黃河防洪防凌決策支持系統(tǒng)、長江水利委員會與其他科研機構(gòu)開發(fā)的長江防洪決策支持系統(tǒng)。通過預(yù)期將實現(xiàn)降雨和地表的聯(lián)動分析，在考慮蒸發(fā)和下陷等影響下更加準(zhǔn)確的分析出產(chǎn)生洪水的實施特征，以及降雨對水工設(shè)施的沖擊強度，從而更加科學(xué)的控制水工設(shè)施的運行，降低雨洪對水源水質(zhì)的影響，減少不必要的水庫泄洪，為水工設(shè)施管理提供決策服務(wù)。

4 目標(biāo)及模型建立

本實驗?zāi)康氖窃赪ateRisk IHM 系統(tǒng)上建立水文系統(tǒng)來檢驗支流河A的現(xiàn)狀并提高其水質(zhì)。校正模型能夠幫助我們透過考慮河床沉淀、應(yīng)急池的設(shè)計以及管理措施等參數(shù)來評估不同的情景下的模擬情況。盡管WateRisk IHM 能夠成功模擬出地表及地下相互反應(yīng)的復(fù)雜水文過程，但由于缺少合適的測量數(shù)據(jù)以及水文系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，例如構(gòu)建地下水模型所需的地下水測量數(shù)據(jù)及土壤信息，因此，此次試驗選用簡化的模型從而避免缺少數(shù)據(jù)的難題。所以，地表水模型則依據(jù)霍頓入滲公式等式來表達出簡化的滲透。

霍頓入滲公式（Hortons Equation）：

其中ft：t時刻的入滲率；fc：穩(wěn)定入滲率；f0：t=0時刻的初始入滲率；e：自然對數(shù)底；k：遞減指數(shù)，與土壤的物理性質(zhì)有關(guān)。

依據(jù)模型的不同，深圳某流域的降雨徑流過程可分為兩個部分進行區(qū)分計算。自然區(qū)域采用20x20m的地形網(wǎng)格來表示二維地表模型，而密集的居民區(qū)則利用一致的線性聯(lián)級模型（Linear-cascade model）再細(xì)分為多個獨立的反應(yīng)體（見圖4）。由Saint-Venant 公式算出1D河流水動力模型后通過延長河流橫斷面與二維地表模型聯(lián)系起來。這不僅確認(rèn)了河岸線，還幫助結(jié)合地形網(wǎng)格來決定相互反應(yīng)結(jié)點。

圖4居民區(qū)附近支流河A流域其子流域暴雨時的水流量

5 校正與結(jié)果

通過收集為期3年的日降雨量及4個在暴雨時在閘口測量的水位、閘口控制及每隔15分鐘的常降雨量，采用regression-simulation hybrid的算法，校準(zhǔn)并提高了模型的有效性。盡管流域參數(shù)及曼寧粗糙度系數(shù)（manning roughness coefficient）能從土地利用圖、衛(wèi)星圖及實地調(diào)研中獲得，但還需構(gòu)建支流河A檢測計劃從而測量更多的相關(guān)數(shù)據(jù)，如頻率、檢測站及排水量等。雖然目前我們尚缺檢測計劃，但是由圖5可知，經(jīng)過計算校正及有效化后，測量及計算的水位有很強的相關(guān)性。透過模型的計算，更為精確的水量計算。因此，我們不僅能夠估計在特定時間內(nèi)的深圳某流域的相關(guān)參數(shù)，如雨水流失量及下滲率，還能預(yù)估由支流河A流過閘口及分流渠的水流量（見圖6）。

圖5三個分別于2009年及2010年間測量與計量水位

圖6 2010年7月22-23經(jīng)過閘口及分流渠水流量

6 結(jié)論及展望

此水文流域模型以深圳某流域為試點，成功計算出支流河A于不同時間水位量，并證實與測量的相關(guān)數(shù)據(jù)有很強的相關(guān)性，從而驗證WateRisk IHM 系統(tǒng)能應(yīng)用于深圳某流域水資源的相關(guān)參數(shù)的計算與預(yù)測。然而，盡管模擬數(shù)據(jù)結(jié)果證明該模型能進行校準(zhǔn)，但是由于缺少大量支撐數(shù)據(jù)及時間序列，因此日后仍需收集大量的測量數(shù)據(jù)，特別是就支流水資源管理而言。因此，我們提出需要制定一個新的支流河A檢測計劃，協(xié)同水文系統(tǒng)組建決策支持系統(tǒng)。其具體內(nèi)容包括：

1）修訂水閘運行規(guī)則

2）新的暴雨儲蓄應(yīng)急評估方案（如對水庫的影響）

3）評估在標(biāo)準(zhǔn)降雨下的的洪澇災(zāi)害的可能性

4）重建或更新分渠

5）檢測沉淀物分解的影響

6）預(yù)測短、長期影響

此次項目對支流河A及水庫的水質(zhì)污染難題進行了階段性的研究，主要涉及兩個方面：1）支流河A的沉淀物運輸模型（sediment transport model）及污染傳播的河水模型（pollution transpost lake model）。前者考慮了支流河A下游的沉淀物（見圖7）。圖7b展示了該沉淀的預(yù)計厚度。如上文所提，這是支流A水庫開閘時，污染物進入水庫沉淀所致。后者則關(guān)于污染的傳播及反應(yīng)。因此，湖泊模型是解決此項難題的關(guān)鍵。

圖7a支流河A的沉積； 圖7b模型預(yù)計沉積厚度效果圖

參考文獻：

[1]卓建民，張輝，馮衛(wèi)東。深圳水庫水環(huán)境主要問題及對策探討.水資源保護.2006.6（2），12-14

[2]王東宇，張勇。2006年 中國城市飲用水源突發(fā)污染事件統(tǒng)計及分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報。2007.7（6），150-155

[3]徐宗學(xué) 水文模型：回顧與展望 北京師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）Journal of beijing Normal University 2010-06 46（3）

[4]王永偉，劉芳宇.水資源管理決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用及其反戰(zhàn)趨勢.農(nóng)業(yè)與技術(shù).2010. 30（4）