水循环与水资源合理配置模型(SWAM)Ⅱ-应用.docx

    水循环与水资源合理配置模型(SWAM)Ⅱ:应用    赵晶, 王涛, 毕彦杰, 韩宇平, 张广浩, 段晶晶, 高峰(1.华北水利水电大学 水资源学院,河南 郑州 450046; 2.河南省黄河流域水资源节约集约利用重点实验室,河南 郑州 450046)经济社会快速发展与取用水等活动改变了原有的水循环演变规律与过程,形成“自然-人工”复合水循环系统,两大循环系统相互交错,彼此关联,存在着此消彼长的紧密联系[1-2]人类拦河建水库,从河道、水库等地表水体中抽取水量,导致河道径流量、水库蓄水量发生变化,改变了河湖水力联系,减弱了水平循环通量;同时,在取用水过程中产生了蒸发和渗漏损失,强化了垂向循环通量[3-4]高强度的水资源开发利用,造成人工侧支水循环作用逐渐加强,引发了一系列水资源问题[5-6],影响了自然条件下的水循环变化规律因此,水资源配置问题只有当充分考虑到人类活动干扰下的水循环变化规律时,才能科学地计算出可供水量,进而促进水资源可持续利用[7-8]本文采用已构建的水循环与水资源合理配置模型(Simulation Water-cycle and Allocation Model, SWAM)[9],以嫩江流域为例,开展基于水循环模拟的水资源多目标优化配置研究。

针对“自然-人工”复合水循环系统特点,应用水循环模块开展水循环模拟,采用断面径流过程校验模型,选取纳什效率系数评价模型精度,绘制水循环转化关系图,并基于此,进行供水预测设置现状水平年为2016年,规划水平年为2025年,开展2025年各行业需水预测在多目标优化配置模块中设置3个目标,通过第2代非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ),生成多个非劣解集,筛选出嫩江流域合理的水资源配置方案1 研究区概况嫩江发源于大兴安岭伊勒呼里山,是全国七大水系之一的松花江的北源,在肇源县茂兴镇当权村三岔河与松花江南源汇合为松花江嫩江干流全长1 370 km,流域总面积约29.2万km2,多年平均径流深97.4 mm,天然年径流量227亿m3嫩江自北流向南,沿途众多支流汇入,水系发育,两岸河流呈不对称的扇形分布,右岸支流较多,左岸支流较少,流域的水系分布情况如图1所示嫩江流域地处我国黑龙江省中西部,地理坐标为北纬44°26′～51°37′、东经119°15′～127°40′,包括内蒙古自治区的呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市,黑龙江省的大兴安岭市、黑河市、嫩江县、绥化市、齐齐哈尔市、大庆市以及吉林省的白城市等[10]。

流域内地势呈西北高、东南低分布,流域长度约为800 km,平均宽度约为340 km嫩江上游属于山区,中游为山区向平原区的过渡地带,地势较上游的平坦,河槽也更开阔嫩江到齐齐哈尔后逐渐进入平原区,直到三岔河口,形成松嫩平原的西半部分图1 嫩江流域水系分布嫩江流域地处东亚季风区的北部边缘,属于温带半湿润大陆性季风气候,流域内降水和气温的年内和年际差异较大[11]嫩江流域降水量为400～700 mm,且降水时空分布极不均匀,多集中在6～9月,其降水量占全年降水量的80%左右目前,嫩江流域共有大型水库14座,中型水库35座,小型水库225座,塘坝155座,蓄水工程总库容160.1亿m3,兴利库容103.6亿m3,设计供水能力89.2亿m3其中,大型水库总库容143.0亿m3、兴利库容93.7亿m3,各大型蓄水工程的基本情况见表1已有研究[12-13]表明,嫩江干支流的引、调、蓄水工程在一定程度上改变了嫩江的径流形成规律和演变特征表1 嫩江流域大型蓄水工程基本情况嫩江流域是我国重要的重工业、石油、林业和粮食生产基地,哈尔滨、齐齐哈尔、长春等大中型城市是汽车、锅炉等重工业基地;大庆市是石油工业基地;长白山和大、小兴安岭是林业基地。

嫩江流域素有“北国粮仓”之称,粮食作物以水稻、玉米、小麦为主2016年,嫩江流域总人口为1 745万人,GDP为7 623亿元,总用水量为127.3亿m3其中:地表水源供水量79.2亿m3,占总供水量的62.2%;地下水源供水量47.7亿m3,占比37.5%;其他水源供水量0.4亿m3,占比0.3%2016年流域社会经济发展指标见表2,各地区的用水量见表3,用水指标见表4表2 2016年嫩江流域社会经济发展指标表3 2016年嫩江流域用水量 亿m3表4 2016年嫩江流域用水指标由表4可知,近30多年来气候变化和频繁的人类活动(短时间、高强度的大规模农业种植,水资源开发与水利工程建设等)深刻改变着嫩江流域的水循环过程,导致嫩江流域产流量发生变化、水旱灾害频发、湖泊湿地萎缩等一系列水问题[14-15]因此,嫩江流域水资源配置的前提是厘清气候变化与人类活动干扰下的水循环变化规律,只有解决了这个问题才能科学计算可供水量[16]2 模型构建2.1 数据及其来源SWAM模型构建所需要的基础资料包括:气象观测数据、DEM数据、实测径流数据、经济社会用水数据、水利工程基本信息、灌溉面积与种植结构等资料。

1)气象数据本文所使用的气象数据来源于中国气象数据网(2)DEM数据采用网站(http://srtm.csi.cgiar.org/)提供的分辨率为90 m的网格数据提取河道长度、河网等信息3)实测径流数据通过查阅流域水文年鉴,获取包括阿彦浅、加格达奇、江桥、两家子、同盟(二)、大赉共6个水文站2010—2016年的逐月径流数据4)经济社会用水数据通过查阅2010—2016年黑河市、大兴安岭、齐齐哈尔市、绥化市、呼伦贝尔市、大庆市、松原市、白城市、兴安盟、通辽市的统计年鉴、国民经济和社会发展统计公报、城市发展总体规划、水资源公报等资料,获得历年各行政区社会经济发展、生活、工业和农业灌溉用水等数据5)水利工程基本信息其主要包括水库位置、死库容、总库容、水位库容曲线、汛限水位、正常蓄水位等数据及水库运行调度规则,引水渠道过水能力、机电井日提水能力等数据6)灌溉面积与种植结构通过查阅黑河市、大兴安岭、齐齐哈尔市、绥化市、呼伦贝尔市、大庆市、松原市、白城市、兴安盟、通辽市的统计年鉴获取小麦、玉米、水稻、杂粮等粮食作物和经济作物的种植面积此外,还有播种、灌溉、施肥、收割等作物管理措施有关的时间、次数、单次(灌溉、施肥)实施量等基本信息。

2.2 嫩江流域SWAM模型构建步骤1划分计算单元基于DEM数据划分研究区水文计算单元,共获得43个水文计算单元,在此基础上,根据行政区划将水文计算单元细分为279个计算单元(图2),每个计算单元均具有子流域和行政区属性图2 嫩江流域计算单元(总)步骤2概化水资源配置系统网络根据嫩江流域实际供用水情况及水库、引调水工程、渠系(河道)等水利工程的空间分布情况,概化水资源配置系统网络图(图3),在此基础上明晰输配水方向以水资源四级区套地市行政区确定水资源配置模型的基本计算单元,共计20个;选择大型和重要的中型水利工程作为水资源配置系统网络图绘制的基本工程节点,共计22个步骤3输入农业种植与管理信息农业种植与管理信息包括:各行政区的作物类型、作物种植面积与灌溉面积、轮作制度与灌溉制度等步骤4输入配置规则信息配置规则信息主要包括:水源供水对象、分区供水原则、水源供水优先级、用水户分水原则、供水水源类型与个数、行业用水优先级等信息此外,需要输入的信息还有水库、渠道、机电井等水利工程基本信息,渠系水有效利用系数、田间水有效利用系数等用水效率信息,行业耗水率、污水处理率和再生水利用率等耗水、排水信息等。

步骤5输入拓扑关系拓扑关系包括:水资源配置计算单元与水文模型计算单元的空间拓扑关系、计算单元与节点间的拓扑关系、计算单元与用水户间的拓扑关系、计算单元与水库间的拓扑关系、水库与用水户间的拓扑关系、不同水源与用水户间的拓扑关系等以上拓扑关系都是通过关系数据来存储、管理并输入模型的步骤6输入其他数据其他数据包括降水、气温、风速、日照时数、辐射和相对湿度等气象数据,及所有矢量与属性数据3 模型参数率定与验证3.1 水循环模块参数取值针对新安江模型的参数率定,赵人俊[17]提出了分层次的率定方法,指出每层次中待优化的参数不宜超过2个经检验,参数WUM、WLM、C、IM、CI不是敏感参数;SM与EX有关,EX变化不大,一般可取1.5左右的定值;CG可根据枯季退水资料直接求得,可不参加优化L与CS的大小取决于河网地貌;KG、KI两个参数是关联的,对于同一个流域,两者之和一般为常数,即KG+KI=0.7[18]根据文献[17-19]中的参数优化步骤,率定模型的主要参数值,结果见表5表5 水循环模块主要参数取值3.2 多目标配置模块参数取值1)农业为探究缺水状态下不同作物减产情况,以及同一作物不同生长阶段缺水情况对粮食总产量的影响,选取小麦、玉米、水稻3种主要作物,并将水稻的生育阶段划分为分蘖期、拔节期、抽穗期、乳熟期4个时期,其相应的敏感指数分别为0.236 2、0.248 5、0.793 8、0.172 1;将小麦的生育阶段划分为4个时期,其相应的敏感指数分别为0.203 7、0.243 1、0.191 9、0.092 3[20];将玉米的生育阶段划分为苗期、拔节期、抽穗期、乳熟期4个时期,其相应的生育阶段敏感指数分别为0.113 5、0.307 1、0.564 0、0.272 7[21]。

作物产量采用Jensen模型计算[22]以水稻为例其产量计算公式为:(1)式中:Ya为水稻实际产量,kg/km2;Ym为水稻在充分供水条件下的最大产量,kg/km2;ETi为水稻第i个生育阶段的实际腾发量,mm;ETmi为水稻在充分供水条件下第i个生育阶段的腾发量,mm2)工业选择双曲绝对风险厌恶函数(HARA)建立工业用水效益函数函数中系数γ取0.5[23-25]3.3 模型校验3.3.1 评价指标选取模型模拟期为2010—2016年,其中2010—2014年为参数率定期,2015—2016年为模型验证期结合SWAM模型的功能和特点,模型校验采用嫩江流域关键控制断面的径流过程3.3.2 性能指标选取选取纳什效率系数Ens进行模拟适应性评价Ens的允许取值范围为0～1,其值越接近1,说明模型的模拟效果越好一般认为,当Ens>0.50时,模拟结果是令人满意的[26-27]Ens的计算公式为:(2)3.3.3 模型校验步骤首先,假定参数初值,驱动模型运行;其次,采用Ens指标评价2010—2016年的河道断面径流模拟效果;最后,对比分析模型率定期与验证期的模拟结果,调整相关参数,直至评价指标达到目标要求。

3.3.4 模型校验结果模型输出的径流模拟值与实测径流值的对比结果见表6并如图4所示由表6和图4可知:率定期(2010—2014年),6个水文站月径流模拟值与实测值的纳什效率系数均高于0.500,最小值为0.625,验证期纳什效率系均高于0.500,最小值为0.601;各水文站的月径流模拟值与实测值流量过程线拟合程度较好,模型的模拟精度达到了要求值表6 水文站的月径流模拟结果图4 阿彦浅站与江桥站实测与模拟月径流过程对比4 供需水预测本文基准年设为2016年,规划水平年为2025年考虑来水频率P=50%、P=90%两种情况4.1 供水预测根据嫩江流域1957—2016年共60年降水量排频结果,P=50%对应的年份为2011年、P=9。