水資源綜合模擬與調(diào)配模型WAS（Ⅱ）：應(yīng)用

桑學(xué)鋒，趙 勇，翟正麗，常奐宇

（中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

國內(nèi)外很多地區(qū)存在用水競爭、用水緊缺等問題，區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會擠占生態(tài)用水、上游用水影響下游用水等矛盾凸顯，體現(xiàn)了重復(fù)用水、聯(lián)動用水和競爭用水等特征過程［1］。甘肅省慶陽市屬于黃河中游涇河流域黃土高原溝壑區(qū)，多年平均水資源量8.1 億m3，油、煤、氣等資源豐富，慶陽市煤炭儲量占甘肅的96.4%，建有7 大能源化工基地，域內(nèi)區(qū)縣主要分布在涇河流域兩岸，水資源系統(tǒng)復(fù)雜、上下游用水具有聯(lián)動關(guān)系［2］。

當(dāng)前很多學(xué)者針對區(qū)域水情特點(diǎn)研發(fā)了很多針對性的水文模擬模型，從降雨徑流機(jī)理、理論和方法上取得了大量成果［3-8］。然而，相關(guān)成果多集中于從水文學(xué)原理和方法上開展自然水循環(huán)模擬，在自然-社會二元系統(tǒng)模擬方面多采用水文模型耦合配置模型，或者將經(jīng)濟(jì)社會的取用水量放入水文模型開展研究，雙向?qū)崟r模擬與互饋方面研究較少。本次研究基于此文上篇構(gòu)建的水資源綜合模擬與調(diào)配模型WAS（water allocation and simulation model）［9］，以慶陽市為例，開展面向自然和社會水循環(huán)過程雙向聯(lián)動模擬的水資源綜合模擬與調(diào)配研究，針對自然-社會水循環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)，建立一種斷面流量過程、斷面特征頻率徑流總量、區(qū)域水資源配置總量多指標(biāo)模型校驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)慶陽市水資源綜合模擬并給出調(diào)控方案。

1 研究區(qū)情況與模型構(gòu)建

慶陽市總面積2.71 萬km2，轄西峰、慶城、鎮(zhèn)原、寧縣、正寧、合水、華池和環(huán)縣八縣（區(qū)），2015年常住人口223萬人，境內(nèi)的主要河流包括馬蓮河、蒲河、洪河、清苦水河和葫蘆河等，除清苦水河外，慶陽市的河流基本從西北流向東南，各主要河流均呈現(xiàn)基流小、洪水大特點(diǎn)；建有巴家咀水庫、庵里水庫以及沿黃淀引黃等31 座供水工程。

1.1 模型構(gòu)建針對慶陽市河網(wǎng)水系、水利工程特點(diǎn)和區(qū)域單元行業(yè)用水等實(shí)際情況，基于水資源綜合模擬與調(diào)控模型WAS 的模型原理與方法，構(gòu)建慶陽市WAS 模型，模型單元采用行政分區(qū)套水資源四級區(qū)進(jìn)行剖分劃分出13 個基本單元；由于慶陽市各基本單元區(qū)內(nèi)DEM 變化平緩，單元內(nèi)區(qū)域間產(chǎn)流變異不顯著，故基本單元內(nèi)部不再進(jìn)行DEM 高程分割，得到13 個WAS 模型計算單元，單元空間分布及其編碼見圖1；在計算單元內(nèi)部，其中土壤類型基本上為黏質(zhì)土，土地利用類型概化為11種（圖2），在計算單元基礎(chǔ)上疊加土壤類型、土地利用類型最后劃分出141 個水文計算單元，基本單元與水文單元對應(yīng)關(guān)系見表1；另外根據(jù)慶陽市水利建設(shè)與供用水實(shí)際情況，水庫與引調(diào)水工程31處及其分布見圖3，水資源供用水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖4。

圖1 慶陽市WAS 模型計算單元劃分

圖2 慶陽市土地利用類型分布

表1 慶陽市WAS 模型基本單元與水文單位對應(yīng)關(guān)系

1.2 模型資料輸入

（1）降水蒸發(fā)資料。降水資料采用慶陽市內(nèi)及鄰近的40 個站國家氣象站逐日降雨資料，時間長度為1966—2000年。根據(jù)40 個站點(diǎn)的降水系列數(shù)據(jù)，應(yīng)用泰森多邊形法進(jìn)行空間展布，得到13 個計算單元逐日面降水量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得到慶陽市多年平均降水量為468.1 mm，折合水量為129.3 億m3。由于降水時間的分散情況，會出現(xiàn)日降水而無產(chǎn)流的現(xiàn)象，并且對于降水較少而蒸發(fā)較大的北方干旱地區(qū)，這種情況是普遍存在的，需要進(jìn)行日有效降水分析處理，這對于月水文模型就更重要。本次根據(jù)慶陽實(shí)際情況，參考北方降水產(chǎn)流特點(diǎn)，采用式（1）對日降水進(jìn)行判別處理，得到日有效降水量，進(jìn)而得到單元的月有效降水?dāng)?shù)值。

圖3 慶陽市水庫分布

圖4 慶陽市水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概化

式中：Pdy為日有效降水量，mm；Pd0為日實(shí)際降水量，mm；αdf為不同日降水強(qiáng)度產(chǎn)水修正系數(shù)。

根據(jù)區(qū)域降水資料和水文斷面流量對比分析，發(fā)現(xiàn)基本上日降水10 mm 以下基本不產(chǎn)流，同時發(fā)現(xiàn)日降水量在［10 mm，80 mm］范圍內(nèi)，降水與產(chǎn)流表現(xiàn)為指數(shù)關(guān)系，擬合公式為：

蒸發(fā)資料采用慶陽環(huán)縣、慶陽西峰和周邊的陜西長武等3 個國家氣象站資料（1966—2000年），采用泰森多邊形法得到13 個計算單元的面蒸發(fā)能力，慶陽市多年平均蒸發(fā)量為987.6 mm。

（2）經(jīng)濟(jì)社會用水資料。根據(jù)1980—2000年甘肅省水資源公報、慶陽市1984年第二次水資源評價成果等資料，慶陽市1980—2000年多年平均用水量為2.30 億m3，其中農(nóng)田灌溉用水1.33 億m3，工業(yè)用水0.46 億m3，城鎮(zhèn)生活用水0.11 億m3，農(nóng)村生活用水0.37 億m3，三產(chǎn)用水量0.03 億m3。年際數(shù)據(jù)變化顯示，2000年前慶陽市經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，農(nóng)業(yè)用水占總用水量的58%，總用水波動主要受農(nóng)業(yè)用水影響。

2 模型參數(shù)率定與驗(yàn)證

2.1 模型參數(shù)

2.1.1 水文模型參數(shù) 流域水循環(huán)過程按照四水轉(zhuǎn)化特點(diǎn)，一般可分為蒸散發(fā)、地表徑流、壤中流和地下徑流4 個層次。第一層次蒸散發(fā)過程常態(tài)下比較穩(wěn)定，主要受氣候因素和下墊面植被類型決定；第二、三、四層決定流域徑流過程的時空分布及變化，流量變化十分敏感［10-12］。

根據(jù)模型原理及公式，下面列出了WAS 模型水資源循環(huán)模塊的敏感參數(shù)：（1）蒸散發(fā)。Kes（單元截留蒸發(fā)調(diào)節(jié)系數(shù)）、Kel（單元植被相對于ET0 水面蒸發(fā)的調(diào)節(jié)系數(shù)）、kek（淺層水蒸發(fā)調(diào)節(jié)系數(shù)）；（2）地表產(chǎn)流。Fs（土壤最大下滲能力）、US（土壤飽和含水度）；（3）壤中流。αss（土壤壤中流的出流系數(shù)）、αsx（土壤對淺層地下水的補(bǔ)給系數(shù)）；（4）地下徑流。αxk（淺層地下徑流系數(shù)）、αxm（深層地下徑流系數(shù)）、β（淺層補(bǔ)給深層水系數(shù)）。

2.1.2 調(diào)配模型參數(shù) 經(jīng)濟(jì)社會用水過程一般可分為供用水、耗水和排水3 個層次。第一層次供用水層面主要受行業(yè)性質(zhì)及渠道特征因素影響，其中農(nóng)業(yè)主要與氣候因素、作物類型有關(guān)，其他行業(yè)則是一個相對穩(wěn)定的過程；第二層次耗水層面則與行業(yè)性質(zhì)有關(guān)，不同產(chǎn)品生產(chǎn)特性、行業(yè)用水過程都具有不同的耗水曲線，對耗水量影響十分敏感；第三層次排水層面，考慮行業(yè)特點(diǎn)，農(nóng)村生活及城市生態(tài)用水基本全部耗掉，農(nóng)業(yè)退水則參與到水循環(huán)模擬過程，城市生活與工業(yè)排水受污水收集率、處理率、回用率等指標(biāo)影響。

根據(jù)模型原理及公式，下面列出了WAS 模型水資源配置模塊的敏感參數(shù)。（1）供用水。Shp（水源行業(yè)分水比）、Hqz（行業(yè)權(quán)重系數(shù)）；（2）耗水。Etl（生活蒸發(fā)系數(shù)）、Eindu（工業(yè)蒸發(fā)系數(shù)）；（3）排水。Krewq（污水收集系數(shù)）、Krewd（污水處理系數(shù)）。

2.2 模型調(diào)參方法模型模擬期為1966—2000年，1966年為模型預(yù)熱期，1967—1985年為模型參數(shù)率定期，1986—2000年為模型驗(yàn)證期。模型校驗(yàn)采用斷面流量過程、斷面特征頻率徑流總量、區(qū)域水資源配置總量多指標(biāo)校驗(yàn)方法，具體結(jié)果如下。

2.2.1 模擬效果的性能指標(biāo)

（1）斷面流量過程：采用相關(guān)系數(shù)R2、Nash 效率系數(shù)作為WAS 模型河道斷面流量效果的性能指標(biāo)，通常情況下：相關(guān)系數(shù)R2在0.8～1.0 為極強(qiáng)相關(guān)，0.6～0.8 為強(qiáng)相關(guān)，0.4～0.6 為中等程度相關(guān)，0.2～0.4 為弱相關(guān)，0～0.2 為極弱相關(guān)或無相關(guān)；Nash 效率系數(shù)在0～1 之間變化，值越大表示實(shí)測與模擬流量過程擬合得越好，模擬精度越高。

（2）斷面特征頻率徑流總量：

式中：Qpobj為水文站斷面或區(qū)域特征頻率（多年平均、典型頻率年）徑流總量的誤差率，反映模型針對水資源評價的實(shí)用性；yi、xi為水文斷面或區(qū)域相應(yīng)頻率下實(shí)際和模擬的徑流總量。

（3）區(qū)域水資源配置總量：

式中：Qsobj為水資源配置的區(qū)域單元或行業(yè)總量誤差率，反映模型水資源配置的合理性；m 為區(qū)域單元或者行業(yè)的樣本數(shù)；qxu、qyu為區(qū)域單元或者行業(yè)實(shí)際和模擬的用水總量。

2.2.2 模型調(diào)參與驗(yàn)證步驟 考慮慶陽市水資源循環(huán)變化和社會歷史取用水實(shí)際情況，本次在水資源配置部分采用基于規(guī)則的配置方法，以水源供水分配比例系數(shù)為主進(jìn)行調(diào)配水量，這種方法可以有效控制參數(shù)，并可以檢驗(yàn)水資源配置對現(xiàn)實(shí)的刻畫能力，模型調(diào)參與校驗(yàn)步驟如下：（1）假定參數(shù)初值，模型調(diào)參和驗(yàn)證期水資源配置部分采用基于規(guī)則的配置方法；（2）比較調(diào)參期1967—1985年的模擬與實(shí)測的徑流過程，采用斷面流量過程、斷面特征頻率徑流總量、區(qū)域配置供用水總量等指標(biāo)校驗(yàn)方法；（3）采用上述目標(biāo)函數(shù)，分析模型調(diào)參和驗(yàn)證期模型模擬情況；（4）開展模型模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比和誤差分析，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ托Ч?/p>

2.3 模型校驗(yàn)選擇雨落坪水文站所在位置作為模型校驗(yàn)斷面（位置見圖1），雨落坪站控制面積19 027.4 km2，占慶陽市面積的70%，基本反映了慶陽市徑流情況；模型參數(shù)率定采用客觀優(yōu)選方法，采用先基流、再洪峰、最后總量的過程進(jìn)行調(diào)參。

（1）斷面流量過程分析。經(jīng)過模型參數(shù)迭代調(diào)整，模型模擬與實(shí)測過程比對見圖5，調(diào)參率定期和驗(yàn)證期的性能指標(biāo)見表2。在調(diào)參率定期（1967—1985年），徑流模擬與實(shí)測的相關(guān)系數(shù)為0.89，Nash 系數(shù)為0.79；在驗(yàn)證期（1986—2000年），徑流模擬與實(shí)測的相關(guān)系數(shù)為0.88，Nash 系數(shù)為0.76；可以看出，模型的精度還是取得比較好的效果。

表2 模型斷面流量模擬效果指標(biāo)

圖5 雨落坪斷面徑流過程模擬與實(shí)測對比

（2）特征頻率徑流總量分析。模型多年平均和25%、50%、75%、90%典型頻率年對應(yīng)的雨落坪水文站徑流誤差情況見表3，其中多年平均模型模擬與實(shí)測徑流總量誤差為4.1%，25%、50%、75%和90%頻率年誤差分別為5.0%、1.1%、5.9%和4.2%，表明建立的模型結(jié)果較好，可以滿足水資源評價要求。

表3 斷面徑流特征總量比較

（3）區(qū)域水資源配置總量分析。從區(qū)域供水來看，2010年實(shí)際供水量2.85 億m3，配置結(jié)果供水總量2.84 億m3，全市水資源配置總量誤差為0.35%。從區(qū)域各單元供水總量來看，誤差最大為西峰區(qū)9.3%，誤差最小的為環(huán)縣0.2%；從行業(yè)供水來看，生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)的配置結(jié)果與現(xiàn)狀各行業(yè)供水基本一致，平均誤差在2%以內(nèi)；如果用各區(qū)縣的配置水量和實(shí)際用量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99，表明建立的模型結(jié)果較好，可以滿足水資源管理要求（見圖6）。

圖6 全市供水總量模擬對比

（4）模型重要參數(shù)閾值。通過上述過程和分析，確定模型的重要參數(shù)閾值，參數(shù)的初始值和最終值見表4。

3 模型對比分析

為進(jìn)一步檢驗(yàn)WAS 模型在自然-社會水資源動態(tài)互饋模擬與調(diào)控的效果，本文開展WAS 模型與常規(guī)配置模型、水文模型+配置模型方法進(jìn)行對比，具體見表5。根據(jù)自然-社會水資源系統(tǒng)特點(diǎn)，從區(qū)域的徑流模擬、經(jīng)濟(jì)社會用水配置、自然-社會水系統(tǒng)實(shí)時互饋3 個方面進(jìn)行3 種模型實(shí)現(xiàn)情況的比較分析，可以看出，徑流模擬功能方面WAS 模型和水文模型都能實(shí)現(xiàn)，而常規(guī)的配置模型則無此功能；在經(jīng)濟(jì)社會用水配置功能方面3 個模型則都能實(shí)現(xiàn)；在自然-社會水資源系統(tǒng)動態(tài)互饋方面只有WAS 模型可以實(shí)現(xiàn)，常規(guī)的水文模型+常規(guī)配置模型方法一般只能實(shí)現(xiàn)單向反饋。

表4 模型重要參數(shù)閾值

慶陽案例中顯示，WAS 模型的出境水量為11.16 億m3，水文模型+常規(guī)配置模型的出境水量為10.88 億m3，原因是后者缺少了經(jīng)濟(jì)社會配置后的動態(tài)退水過程；在經(jīng)濟(jì)社會用水配置方面，WAS 模型的配置水量2.84 億m3，大于常規(guī)配置模型的2.42 億m3，是由于區(qū)域上游的退水加入計算增加了部分供水，這種現(xiàn)象也和黃河流域上下游重復(fù)用水實(shí)際情況相契合；在自然-社會水系統(tǒng)互饋方面，WAS 模型可以得到自然水循環(huán)與經(jīng)濟(jì)社會水循環(huán)的動態(tài)演變過程中互饋量0.57 億m3。WAS 模型結(jié)果進(jìn)一步表明，在自然-社會水資源復(fù)雜系統(tǒng)中，系統(tǒng)單元之間不僅表現(xiàn)為單元內(nèi)部的動態(tài)互饋聯(lián)系，也表現(xiàn)為整個水資源系統(tǒng)上下游單元的動態(tài)互饋關(guān)系，尤其是上下游串聯(lián)單元多的大流域，這種動態(tài)互饋特征更加明顯。

表5 不同模型結(jié)果對比分析 （單位：億m3）

4 慶陽市水資源調(diào)控方案及水流平衡分析

在經(jīng)濟(jì)社會取用水方面，全市2010年總供水量為2.84億m3，其中地表水2.14億m3，地下水0.64億m3，其他水源供水559 萬m3；總用水量為2.84 億m3，其中城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)的供水分別為0.17 億、0.37 億、0.91 億和1.39 億m3，各區(qū)縣的供水、耗水、排水控制情況見表6；各四級水資源流域的供水、耗水、排水控制情況見表7。

在區(qū)域水平衡方面，上游入境水量4.5億m3，鹽環(huán)定揚(yáng)黃調(diào)水0.6億m3；全市平均總降水量468 mm；地表水資源量8.2 億m3，地表地下水重復(fù)量2.2 億m3，本地水資源總量8.2 億m3；考慮入境水量與外調(diào)水量，區(qū)域總?cè)刖乘繛?3.3 億m3；區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會總供用水量為2.84 億m3，總耗水量為2.11 億m3，排水量為0.73 億m3；總出境水量11.16 億m3（見圖7）。

表6 2010年慶陽市各行政區(qū)水資源供耗控制方案 （單位：萬m3）

表7 2010年慶陽市各流域水資源供耗控制方案 （單位：萬m3）

圖7 慶陽市2010 水平年“自然-人工”水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化

5 結(jié)論

（1）針對自然-社會水循環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)，研究建立的斷面流量過程、斷面特征頻率徑流總量、區(qū)域水資源配置總量多指標(biāo)模型校驗(yàn)方法，可以用來表征水資源綜合模擬與調(diào)配模型參數(shù)調(diào)參目標(biāo)，并反映模型開展水資源評價和水資源管理的精度。

（2）研究分析了水循環(huán)模擬蒸散發(fā)、地表徑流、壤中流和地下徑流4 個層次10 個模型的重要參數(shù)，以及水資源調(diào)配模擬供用水、耗水和排水3 個層次6 個模型的重要參數(shù)，可以作為WAS 模型的模型調(diào)參的主要調(diào)整參數(shù)，并通過研究區(qū)實(shí)例，給出了上述參數(shù)的閾值。

（3）研究發(fā)現(xiàn)自然-社會水資源系統(tǒng)不僅表現(xiàn)為單元內(nèi)部具有動態(tài)聯(lián)系，而且在整個水資源系統(tǒng)上下游單元之間也具有互饋關(guān)系，尤其是上下游串聯(lián)單元多的大流域，這種動態(tài)互饋特征更加明顯。

（4）通過模型驗(yàn)證和分析，慶陽市多年平均降水量129.3 億m3，本地水資源量8.2 億m3，入境和外調(diào)水量5.1 億m3，區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會2010年總供用水量為2.84 億m3，人工總耗水量為2.11 億m3，總出境水量11.16 億m3，并給出了慶陽市各行政單元和水資源四級區(qū)水資源控制方案和全市自然-人工水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化圖。