漢江流域水資源配置模型研究

漢江流域水資源配置模型研究

1水資源調(diào)度模型水資源配置是指在特定的流域或區(qū)域內(nèi)，通過(guò)工程或非工程措施，科學(xué)合理地分配有限形狀的水資源。最后的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，確保經(jīng)濟(jì)、金融和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。國(guó)際上水資源合理配置研究最初源于20世紀(jì)40年代Masse提出的水庫(kù)調(diào)度問(wèn)題。近20a來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和3S技術(shù)的廣泛應(yīng)用,水資源系統(tǒng)模擬技術(shù)得以迅速發(fā)展和應(yīng)用,國(guó)外研制了一批較成熟的水資源模擬模型軟件包,如丹麥DHI公司開(kāi)發(fā)的MIKEBASIN模型、奧地利ESS公司開(kāi)發(fā)的WATERWARE以及EMS、Aquarius、ICMS等。這些模型相對(duì)早期的模型而言,其模擬系統(tǒng)的范疇擴(kuò)大,軟件的指導(dǎo)性功能提高,系統(tǒng)集成性加強(qiáng),引入了GIS技術(shù),軟件的實(shí)用性和可操作性都得到了提高。這些模型在世界不少地區(qū)都取得了比較成功的應(yīng)用。本次研究將采用DHI公司開(kāi)發(fā)的MIKEBASIN軟件為平臺(tái)建立漢江流域水資源配置模型,進(jìn)行漢江流域水資源系統(tǒng)模擬和供需平衡分析,為漢江流域水資源合理配置方案的制定提供科學(xué)依據(jù)和先進(jìn)的技術(shù)手段。2基于ee基礎(chǔ)的流域水資源合理配置的一般步驟MIKEBASIN是由丹麥水利研究院(DanishHydraulicInstitute)開(kāi)發(fā)的、完全與ArcGIS整合的多種管理規(guī)劃工具。軟件開(kāi)發(fā)基于GIS平臺(tái),主要采用數(shù)學(xué)模型解決流域的地表水產(chǎn)匯流計(jì)算,地下水資源的計(jì)算與評(píng)價(jià),流域水環(huán)境狀況分析等具體問(wèn)題。它是一個(gè)綜合河網(wǎng)模擬系統(tǒng),用于水資源分配、水權(quán)和環(huán)境的研究,是應(yīng)用于流域或區(qū)域的水資源綜合規(guī)劃和管理的工具。MIKEBASIN分為兩個(gè)軟件包:MIKEBASINBASIC和MIKEBASINEXTENDED,前者包括TemporalAnalyst模塊和NAM(降雨徑流)模塊,后者是MIKEBASINBASIC加上流域自動(dòng)描述功能,具有空間分析能力,可以進(jìn)行河網(wǎng)自動(dòng)生成及流域自動(dòng)劃分。MIKEBASIN的主要功能有:從DEM中自動(dòng)概化流域,模擬降雨徑流,設(shè)定水資源分配的局部及全局優(yōu)先算法,水庫(kù)模擬,水力發(fā)電模擬,調(diào)水及馬斯京根演算,供水模擬,水質(zhì)模擬等。用MIKEBASIN軟件對(duì)實(shí)際流域或區(qū)域進(jìn)行水資源配置的一般步驟如下:(1)首先進(jìn)行空間概化,譬如:在取水口上游將多條小河流概化為一條單一河道;將一些小灌區(qū)概化為單一灌區(qū),只設(shè)一個(gè)取水口;中小型取水工程合并為一個(gè)取水用戶(hù)等等。(2)再將河流數(shù)字化,并選取河流節(jié)點(diǎn),一般選取河道內(nèi)水量有變化的斷面為河流節(jié)點(diǎn)。(3)最后將流域各計(jì)算分區(qū)的供需分析概化為供水節(jié)點(diǎn)和取水節(jié)點(diǎn)之間的水量平衡關(guān)系。這樣就能夠在需水和供水之間以一種優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)平衡。3漢江流域水資源保護(hù)模型3.1地表水、地下水源及水資源漢江是長(zhǎng)江中游最大支流,發(fā)源于秦嶺南麓,經(jīng)漢中盆地與褒河匯合后始稱(chēng)漢江,于武漢市龍王廟匯入長(zhǎng)江。干流全長(zhǎng)1577km,總落差1964m,流域面積15.9萬(wàn)km2。漢江流域(1956～2000年)地表水資源量554.6億m3,其中丹江口以上流域373.7億m3,丹江口以下流域180.9億m3;地下水資源量161.5億m3;全流域地表水和地下水資源不重復(fù)量18.5億m3,流域水資源總量573.2億m3。漢江干流流經(jīng)陜西、湖北兩省,支流展延至河南、四川、重慶、甘肅4省。流域在行政區(qū)域上包括6省的21個(gè)地(市)區(qū)、79個(gè)縣(市)。漢江流域在防洪和供水等方面具有十分重要的地位,丹江口水庫(kù)是南水北調(diào)中線工程的水源地,江漢平原是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地之一。因此選取漢江流域?yàn)槔M(jìn)行水資源配置,將為保護(hù)漢江流域水資源、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境以及確保南水北調(diào)中線工程的順利實(shí)施提供科學(xué)依據(jù),具有重大意義。3.2國(guó)內(nèi)河流需水量及需水工況基于MIKEBASIN軟件構(gòu)建的漢江流域水資源配置模型見(jiàn)圖1,下面分項(xiàng)說(shuō)明模型的構(gòu)建方法。⑴水資源分區(qū)與圖層構(gòu)建。《長(zhǎng)江流域水資源綜合規(guī)劃》(下面簡(jiǎn)稱(chēng)“水資源規(guī)劃”)是以水資源三級(jí)區(qū)套地市級(jí)行政區(qū)形成的分區(qū)作為計(jì)算分區(qū),計(jì)算分區(qū)再進(jìn)一步按城鎮(zhèn)和農(nóng)村分別統(tǒng)計(jì)生活、生產(chǎn)需水量。本次研究沿用水資源規(guī)劃的分區(qū)方式,并以2000年為水平年。利用水資源規(guī)劃中長(zhǎng)江流域水系、水功能區(qū)、行政區(qū)等GIS數(shù)據(jù)資料,構(gòu)建漢江流域三級(jí)分區(qū)、行政分區(qū)、主要河流的圖層。⑵供需水量及回歸系數(shù)。限于資料,本次漢江流域模型是將分區(qū)的徑流量“等同與”可供水量做簡(jiǎn)單處理。5類(lèi)需水量,即城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、城鎮(zhèn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉以及河道內(nèi)生態(tài)需水過(guò)程均采用水資源規(guī)劃的結(jié)果推求,城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活需水量中均包含河道外生態(tài)需水量。根據(jù)長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的研究成果《長(zhǎng)江流域不同行業(yè)耗水率初步研究》,本次研究采用的各行業(yè)回歸系數(shù)見(jiàn)表1(由于河道內(nèi)生態(tài)用水是不被消耗的,故回歸系數(shù)設(shè)為1)。⑶河流節(jié)點(diǎn)及優(yōu)先權(quán)。由于缺乏漢江流域取用水工程地理位置及相關(guān)設(shè)計(jì)資料,本階段采用概化的方法,在每個(gè)水資源分區(qū)內(nèi)的一段河流上設(shè)一個(gè)入流節(jié)點(diǎn)、一個(gè)取水點(diǎn)和一個(gè)退水點(diǎn)。與入流節(jié)點(diǎn)相連的是“輸水戶(hù)”(徑流的輸入),與取、退水節(jié)點(diǎn)相連的是“用水戶(hù)”,都用“用水戶(hù)”符號(hào)表示,只是輸水戶(hù)設(shè)置為“沒(méi)有取水只有退水”,這樣就實(shí)現(xiàn)了“徑流輸入”的功能。每個(gè)區(qū)域都有5個(gè)“用水戶(hù)”,即城鎮(zhèn)生活用水、農(nóng)村生活用水、城鎮(zhèn)工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水、河道內(nèi)生態(tài)用水,如圖2所示。優(yōu)先次序?yàn)?首先滿(mǎn)足城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活用水,其次滿(mǎn)足城鎮(zhèn)工業(yè)用水,最后協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)灌溉和河道內(nèi)生態(tài)用水。⑷水庫(kù)模擬?，F(xiàn)階段模型中只添加了4個(gè)規(guī)模較大的水庫(kù),從上游到下游依次為陜西省的石泉、安康和湖北省的黃龍灘、丹江口水庫(kù),其中丹江口水庫(kù)運(yùn)行資料收集較全面,本次以丹江口水庫(kù)為例,實(shí)現(xiàn)水庫(kù)水電站按實(shí)際調(diào)度圖運(yùn)行。丹江口是集防洪、供水、發(fā)電、航運(yùn)及養(yǎng)殖等綜合利用效益為一體的大型水庫(kù)。將丹江口向湖北清泉溝隧洞引水和河南刁河灌區(qū)引水轉(zhuǎn)化為兩個(gè)需水用戶(hù),通過(guò)將MIKEBASIN模型中水庫(kù)模塊、用水戶(hù)模塊、水電站模塊有效地耦合(見(jiàn)圖3),充分利用消減水位和消減系數(shù)的設(shè)定,基本上實(shí)現(xiàn)丹江口水庫(kù)按調(diào)度圖運(yùn)作,滿(mǎn)足本次建模的要求。限于資料,其它3座水庫(kù)采用單一水庫(kù)模塊模擬,調(diào)度原理是“先蓄水,到了汛限水位再放水”。3.3年徑流總量測(cè)定結(jié)果選取漢江干流上的白河水文站、丹江口入庫(kù)控制斷面、黃家港水文站和皇莊水文站作為分析漢江流域MIKEBASIN模型模擬徑流量的主要依據(jù)站,4個(gè)控制斷面的實(shí)測(cè)和模擬的年徑流總量結(jié)果見(jiàn)表2,實(shí)測(cè)徑流過(guò)程與模擬徑流過(guò)程對(duì)比圖見(jiàn)圖4～圖7。結(jié)果顯示,實(shí)測(cè)年徑流總量與模擬年徑流總量差別不大,但模擬的控制站年內(nèi)徑流分配與實(shí)測(cè)過(guò)程有一定的差別。其原因是石泉、安康、黃龍灘水庫(kù)調(diào)度比較簡(jiǎn)單,而且流域內(nèi)其它水庫(kù)暫時(shí)沒(méi)有考慮,與實(shí)際情況有一定差別。在有限的資料情況下,本次模型的功能上已基本完善,可以滿(mǎn)足現(xiàn)階段進(jìn)行水資源配置的要求。3.4天然氣、灌溉、河道、水以漢中市為例說(shuō)明MIKEBASIN模型中各分區(qū)的供需平衡數(shù)據(jù),圖8是MIKEBASIN模型中漢中市分區(qū)(農(nóng)業(yè)灌溉)需水、供水、缺水、耗水的時(shí)間序列及分析圖。根據(jù)漢江流域MIKEBASIN模型2000年模擬計(jì)算結(jié)果,整個(gè)漢江流域內(nèi)城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活用水均能得到滿(mǎn)足。丹江口以上流域的漢中市分區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水不能得到滿(mǎn)足,其它分區(qū)各類(lèi)需水均能得到滿(mǎn)足。唐白河流域缺水較嚴(yán)重,其中南陽(yáng)市分區(qū)和襄樊分區(qū)的城鎮(zhèn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉、河道內(nèi)生態(tài)用水不能得到滿(mǎn)足,隨州分區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉、河道內(nèi)生態(tài)用水不能得到滿(mǎn)足。丹江口以下流域沒(méi)有分區(qū)缺水,漢江流域供需平衡分析見(jiàn)表3。4水庫(kù)調(diào)度方案建議(1)限于資料,本次建模對(duì)各分區(qū)的徑流輸入、取退水點(diǎn)均為概化處理,且分區(qū)的徑流量等同與可供水量做簡(jiǎn)單處理,對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的影響較大。今后在有資料的條件下將進(jìn)一步細(xì)化徑流輸入和取退水點(diǎn)位置。(2