汉江流域水资源配置模型研究

汉江流域水资源配置模型研究

1水资源调度模型水资源配置是指在特定的流域或区域内，通过工程或非工程措施，科学合理地分配有限形状的水资源。最后的目标是实现水资源的可持续利用，确保经济、金融和生态环境的协调发展。国际上水资源合理配置研究最初源于20世纪40年代Masse提出的水库调度问题。近20a来,随着计算机技术的飞速发展和3S技术的广泛应用,水资源系统模拟技术得以迅速发展和应用,国外研制了一批较成熟的水资源模拟模型软件包,如丹麦DHI公司开发的MIKEBASIN模型、奥地利ESS公司开发的WATERWARE以及EMS、Aquarius、ICMS等。这些模型相对早期的模型而言,其模拟系统的范畴扩大,软件的指导性功能提高,系统集成性加强,引入了GIS技术,软件的实用性和可操作性都得到了提高。这些模型在世界不少地区都取得了比较成功的应用。本次研究将采用DHI公司开发的MIKEBASIN软件为平台建立汉江流域水资源配置模型,进行汉江流域水资源系统模拟和供需平衡分析,为汉江流域水资源合理配置方案的制定提供科学依据和先进的技术手段。2基于ee基础的流域水资源合理配置的一般步骤MIKEBASIN是由丹麦水利研究院(DanishHydraulicInstitute)开发的、完全与ArcGIS整合的多种管理规划工具。软件开发基于GIS平台,主要采用数学模型解决流域的地表水产汇流计算,地下水资源的计算与评价,流域水环境状况分析等具体问题。它是一个综合河网模拟系统,用于水资源分配、水权和环境的研究,是应用于流域或区域的水资源综合规划和管理的工具。MIKEBASIN分为两个软件包:MIKEBASINBASIC和MIKEBASINEXTENDED,前者包括TemporalAnalyst模块和NAM(降雨径流)模块,后者是MIKEBASINBASIC加上流域自动描述功能,具有空间分析能力,可以进行河网自动生成及流域自动划分。MIKEBASIN的主要功能有:从DEM中自动概化流域,模拟降雨径流,设定水资源分配的局部及全局优先算法,水库模拟,水力发电模拟,调水及马斯京根演算,供水模拟,水质模拟等。用MIKEBASIN软件对实际流域或区域进行水资源配置的一般步骤如下:(1)首先进行空间概化,譬如:在取水口上游将多条小河流概化为一条单一河道;将一些小灌区概化为单一灌区,只设一个取水口;中小型取水工程合并为一个取水用户等等。(2)再将河流数字化,并选取河流节点,一般选取河道内水量有变化的断面为河流节点。(3)最后将流域各计算分区的供需分析概化为供水节点和取水节点之间的水量平衡关系。这样就能够在需水和供水之间以一种优化的方式实现平衡。3汉江流域水资源保护模型3.1地表水、地下水源及水资源汉江是长江中游最大支流,发源于秦岭南麓,经汉中盆地与褒河汇合后始称汉江,于武汉市龙王庙汇入长江。干流全长1577km,总落差1964m,流域面积15.9万km2。汉江流域(1956～2000年)地表水资源量554.6亿m3,其中丹江口以上流域373.7亿m3,丹江口以下流域180.9亿m3;地下水资源量161.5亿m3;全流域地表水和地下水资源不重复量18.5亿m3,流域水资源总量573.2亿m3。汉江干流流经陕西、湖北两省,支流展延至河南、四川、重庆、甘肃4省。流域在行政区域上包括6省的21个地(市)区、79个县(市)。汉江流域在防洪和供水等方面具有十分重要的地位,丹江口水库是南水北调中线工程的水源地,江汉平原是我国重要的商品粮生产基地之一。因此选取汉江流域为例进行水资源配置,将为保护汉江流域水资源、农业、生态环境以及确保南水北调中线工程的顺利实施提供科学依据,具有重大意义。3.2国内河流需水量及需水工况基于MIKEBASIN软件构建的汉江流域水资源配置模型见图1,下面分项说明模型的构建方法。⑴水资源分区与图层构建。《长江流域水资源综合规划》(下面简称“水资源规划”)是以水资源三级区套地市级行政区形成的分区作为计算分区,计算分区再进一步按城镇和农村分别统计生活、生产需水量。本次研究沿用水资源规划的分区方式,并以2000年为水平年。利用水资源规划中长江流域水系、水功能区、行政区等GIS数据资料,构建汉江流域三级分区、行政分区、主要河流的图层。⑵供需水量及回归系数。限于资料,本次汉江流域模型是将分区的径流量“等同与”可供水量做简单处理。5类需水量,即城镇生活、农村生活、城镇工业、农业灌溉以及河道内生态需水过程均采用水资源规划的结果推求,城镇生活、农村生活需水量中均包含河道外生态需水量。根据长江水利委员会长江勘测设计研究院的研究成果《长江流域不同行业耗水率初步研究》,本次研究采用的各行业回归系数见表1(由于河道内生态用水是不被消耗的,故回归系数设为1)。⑶河流节点及优先权。由于缺乏汉江流域取用水工程地理位置及相关设计资料,本阶段采用概化的方法,在每个水资源分区内的一段河流上设一个入流节点、一个取水点和一个退水点。与入流节点相连的是“输水户”(径流的输入),与取、退水节点相连的是“用水户”,都用“用水户”符号表示,只是输水户设置为“没有取水只有退水”,这样就实现了“径流输入”的功能。每个区域都有5个“用水户”,即城镇生活用水、农村生活用水、城镇工业用水、农业灌溉用水、河道内生态用水,如图2所示。优先次序为:首先满足城镇生活和农村生活用水,其次满足城镇工业用水,最后协调农业灌溉和河道内生态用水。⑷水库模拟。现阶段模型中只添加了4个规模较大的水库,从上游到下游依次为陕西省的石泉、安康和湖北省的黄龙滩、丹江口水库,其中丹江口水库运行资料收集较全面,本次以丹江口水库为例,实现水库水电站按实际调度图运行。丹江口是集防洪、供水、发电、航运及养殖等综合利用效益为一体的大型水库。将丹江口向湖北清泉沟隧洞引水和河南刁河灌区引水转化为两个需水用户,通过将MIKEBASIN模型中水库模块、用水户模块、水电站模块有效地耦合(见图3),充分利用消减水位和消减系数的设定,基本上实现丹江口水库按调度图运作,满足本次建模的要求。限于资料,其它3座水库采用单一水库模块模拟,调度原理是“先蓄水,到了汛限水位再放水”。3.3年径流总量测定结果选取汉江干流上的白河水文站、丹江口入库控制断面、黄家港水文站和皇庄水文站作为分析汉江流域MIKEBASIN模型模拟径流量的主要依据站,4个控制断面的实测和模拟的年径流总量结果见表2,实测径流过程与模拟径流过程对比图见图4～图7。结果显示,实测年径流总量与模拟年径流总量差别不大,但模拟的控制站年内径流分配与实测过程有一定的差别。其原因是石泉、安康、黄龙滩水库调度比较简单,而且流域内其它水库暂时没有考虑,与实际情况有一定差别。在有限的资料情况下,本次模型的功能上已基本完善,可以满足现阶段进行水资源配置的要求。3.4天然气、灌溉、河道、水以汉中市为例说明MIKEBASIN模型中各分区的供需平衡数据,图8是MIKEBASIN模型中汉中市分区(农业灌溉)需水、供水、缺水、耗水的时间序列及分析图。根据汉江流域MIKEBASIN模型2000年模拟计算结果,整个汉江流域内城镇、农村生活用水均能得到满足。丹江口以上流域的汉中市分区农业灌溉需水不能得到满足,其它分区各类需水均能得到满足。唐白河流域缺水较严重,其中南阳市分区和襄樊分区的城镇工业、农业灌溉、河道内生态用水不能得到满足,随州分区的农业灌溉、河道内生态用水不能得到满足。丹江口以下流域没有分区缺水,汉江流域供需平衡分析见表3。4水库调度方案建议(1)限于资料,本次建模对各分区的径流输入、取退水点均为概化处理,且分区的径流量等同与可供水量做简单处理,对模型计算结果的影响较大。今后在有资料的条件下将进一步细化径流输入和取退水点位置。(2