NAM模型与水资源配置模型耦合研究

󰀁󰀁文章编号:1001-4179(2008)17-0015-03

人󰀁民󰀁长󰀁江Yangtze󰀁RiverVol.39,No.17󰀁Sep.,󰀁2008

NAM模型与水资源配置模型耦合研究

张洪刚󰀁熊󰀁莹󰀁邴建平󰀁李明新

(长江水利委员会水文局,湖北武汉430010)

摘要:选取汉江作为示范流域,基于MIKEBASIN软件构建了汉江流域水资源配置模型,介绍了该系统的重要特征,探讨了系统内部各组成部分间相互联系;将所建模型与NAM模型的预测结果进行耦合,并分析了2006年皇庄以上汉江流域水资源供需平衡。结果表明:汉江流域内(至皇庄)生活用水、工业用水基本满足要求;农业灌溉、河道内生态用水缺水率为35.8%、25.7%,整体缺水率为22.2%。关󰀁键󰀁词:水资源配置;MIKEBASIN;NAM模型;汉江流域中图分类号:TV211.1󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

1󰀁概述

随着我国经济社会的发展和水资源供求状况的变化,水资源短缺日益成为国家发展中的严重制约因素。水资源配置作为水资源高效利用的工程技术体系的主要理论支持与手段,其配置的结果对某一个体的效益或利益也许不是最好的,但对整个水资源分配体系来说,其总体效益或利益最好,对于促进区域经济、社会、环境的协调发展具有重要意义。

国际上以水资源系统分析为手段、水资源合理配置为目的的实践研究,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,国外研制了一批通用性较好的比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。相对早期的模型而言,上述模型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,由于引入了GIS技术,软件的实用性和可操作性都得到了提高。

由丹麦水利研究院(DanishHydraulicInstitute;简称DHI)研制开发的MIKEBASIN软件在世界不少地区都取得了比较成功的应用。MIKEBASIN分为两种软件包: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。

本项研究以汉江流域为例,基于MIKEBASIN软件平台,构建了一个能反映实际系统的重要特征及系统内部各组成部分之间相互联系的汉江流域水资源配置模型,并与NAM模型的预测结果进行耦合,为汉江流域水资源配置方案的合理制定提供科学依据和先进的技术手段,并为今后建立长江水资源模型提供了模型范例。

2󰀁基于MIKEBASIN的水资源配置模型

2.1󰀁汉江流域概况

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,唐白河流域52.0亿m3,丹江口以下流域(不含唐白河流域)128.9亿m3;地下水资源量161.5亿m3;全流域地表水和地下水不重复量18.5亿m3,流域水资源总量573.2亿m3。

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,江汉平原是我国主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。

2.2󰀁模型分析

基于MIKEBASIN软件构建的汉江流域水资源配置模型主界面如图1所示。

(1)水资源分区。汉江流域水资源配置模型采用水资源综合规划的分区方式,以水资源三级区套地市级行政区作为计算分区,经分析简化,本次水资源配置总共考虑26个分区。由于缺乏各分区内详细的取排水水利工程资料,本次建模将每一个分区概化为一个用水户,在分区内按城镇和农村分别统计生活、生产需水量。

(2)地形资料。采用水资源综合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、行政分区和主要河流的图层。

(3)需水分析。本次各分区需水量主要依据长江流域水资源规划成果。其中城乡生活需水、城镇工业需水均是由年需水

收稿日期:2008-06-16

作者简介:张洪刚,男,长江水利委员会水文局水资源处,高级工程师,博士。

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󰀁󰀁󰀁人󰀁民󰀁长󰀁江2008年

总量平均到各月得到12个月的需水量表,回归系数分别定为0.767、0.714和0.016;农业灌溉需水过程,由年需水总量乘以各月灌溉分配系数得到各月需水量,回归系数为0.405。另外,丹江口水库现状须向湖北清泉沟隧洞引水和河南刁河灌区引水,因此这两个计算单元的本地农业灌溉需水量计算需扣除从丹江口水库的引水量。本次计算河道内生态最小需水量根据长江流域水资源规划成果,采用多年平均径流量乘以最小生态流量的百分比的方法计算。各区域汛期和非汛期最小生态流量的百分比见表1。

列,转化为MIKEBASIN水资源配置模型的各分区径流输入,实现将NAM模型与水资源配置模型耦合。根据2006年模拟的径流输入,MIKEBASIN模型演算至皇庄控制断面,分析结果采用的主要控制站(断面)为汉江干流上的白河站、丹江口入库控制断面、丹江口出库控制断面和皇庄站。各主要控制站(断面)的MIKEBASIN计算值与NAM模型预测值的比较结果见表2和图3~5。

图2󰀁皇庄以上NAM模拟值径流分配结果

图1󰀁基于MIKEBASIN的汉江流域水资源配置模型示意

表1󰀁最小生态环境需水量占全年总量的百分比分区丹江口以上唐白河丹江口以下

汛期(5~10月)

312729

%

表2󰀁MIKEBASIN计算值、NAM模拟值的年径流总量控制站(断面)白河站丹江口入库丹江口出库皇庄

非汛期(11~4月)

283529

MB计算/亿m

125.8184.5202.4348.0

362.9

-4.1%

3

NAM模拟/亿m147.7204.5

3

相对误差/

%-14.9%-9.7%

(4)水库。现阶段建模只考虑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。其中丹江口水库按现状规模进行考虑,待加高工程完建后,对于近期、远期规划水平年再按后期规模建模。

本次模拟计算得出皇庄以上汉江流域2006年供需平衡结

果,计算结果显示2006年汉江流域内(至皇庄)生活用水、工业用水能基本满足;除了丹江口以下的襄樊、荆门市分区以外,大部分地区农业灌溉、河道内生态用水均不能满足要求。经统计,汉江流域皇庄以上2006年水资源供需平衡分析具体结果见表3。

表3󰀁皇庄以上流域水资源供需平衡

项目城镇生活农村生活城镇工业农村灌溉生态环境需水供水缺水

5.2905.2880

5.8365.8360

36.43436.4340

29.16718.71510.450

186.549138.52748.020

亿m3合计263.273204.80058.470

3󰀁NAM模型

NAM(Nedb󰀁r-Afstr󰀁mnings-Mode)水文模型最初是由丹麦技术大学水动力与水资源系开发完成。类似于NAM这样的水文数学模型,是以一些简化的定量数学公式来为陆地水文循环做相互关联的数学表达。通过考虑4种不同蓄水带的含水量及它们之间的相互作用,每种蓄水带代表了流域中不同的物理单元。NAM可用于连续性流量过程的水文模拟,也可用于模拟单一水文事件。

NAM模型以确定性、集总式、概念性为特征,并满足非极端性数据输入条件。NAM模型是一个很好的工程工具,目前已被应用到世界上许多流域中,它可以表达不同水文情况和气候条件。

根据NAM模型模拟的汉江流域内各水文控制站的2006年径流过程,按照面积比的方法分配到邻近的三级区套地级市的计算分区,并以丹江口坝址、唐白河区间以及丹江口至皇庄区间径流总量为控制,对各区径流分配结果进行配平修正。汉江流域皇庄以上各分区2006年NAM模拟值径流分配结果见图2。

4󰀁NAM模型与水资源配置模型耦合

利用NAM模型计算的2006年各水文控制站径流时间序图3󰀁2006年白河站NAM模拟径流系列与MIKEBASIN计算径流系列

第17期张洪刚等:NAM模型与水资源配置模型耦合研究

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5󰀁结语

(1)要解决现存的水资源危机,实现水资源的可持续利用,其根本出路在于构建节水型社会,建立长江水资源模型是优化长江水资源管理和配置的重要基础和科学依据。

通过水资源优化配置,可以改变水资源时空分布与生产力布局不适应的矛盾,缓解改善水资源短缺的危机;可以协调地区间和各用水部门间存在的用水竞争矛盾,以满足更多地区、部门的用水需求;可以缓解并改善许多生态环境问题。

构建长江水资源配置模型对于实现长江数字水利、从工程水利向资源水利转变,对于缓减水资源需求持续增长的压力以

4󰀁2006年丹江口水库NAM模拟径流系列与MIKEBASIN计算径流系列

及维护流域可持续发展均具有重要意义。

(2)以汉江流域为例,通过水资源配置模型与NAM降雨径流模型的耦合,分析得到2006年皇庄以上汉江流域水资源供需分析结果。数据显示,汉江流域内(至皇庄)生活用水、工业用水能基本满足;农业灌溉、河道内生态用水缺水率为35.8%、25.7%,整体缺水率为22.2%。除丹江口以下的襄樊、荆门地区以外的大部分地区,农业灌溉、河道内生态用水都不能得到满足。

参考文献:

[1]󰀁李雪萍.国内外水资源配置研究概述.海河水利,2002,(5):13~15.[2]󰀁长江水利委员会.长江流域水资源规划简要报告.武汉:长江水利

委员会,2005.

图5󰀁2006年皇庄站NAM模拟径流系列与MIKEBASIN计算径流系列

[3]󰀁长江水利委员会水文局.长江流域水资源预测与配置系统󰀂󰀂󰀂汉

江示范研究报告.武汉:长江水利委员会水文局,2005.

(编辑:徐诗银)

(上接第7页)

发生,维护良好的水事秩序,保持当地社会稳定和经济发展,需要进一步树立和落实全面、协调、可持续的科学发展观,坚持人与自然的和谐共处;积极探索、实践和推进可持续发展水利;以及初始水权分配和转换工作。贯彻∀全面规划、统筹兼顾、标本兼治、综合治理,坚持兴利除害结合、开源节流并重、防洪抗旱并举#的治水方针。

各地区对水资源利用往往追求本地区效益最大化,流域水管理机构更应关注流域总体利益和生态环境的保护,有效地使各地区水管部门在追求本地区用水利益的同时也促进全流域水资源有效配置。水资源分配是涉及到多方参与和存在利益冲突的博弈问题,具有典型多人对策特征。对省际河流水资源进行合理开发、高效利用、优化配置、全面节约、有效保护和综合治理,可使流域水资源的利用具有从对抗转向合作的潜在可能与动力。

3.4󰀁运用水权理论指导水事纠纷的调处

对水资源的管理要实行政府宏观调控和市场机制相结合的方针,在充分发挥公共财政在水利建设中的主导作用的同时,积极发挥市场在资源配置中的拉动作用。通过应用水权理论开展规划和用水权的界定,使调处工作有科学、合理的依据,是寻找解决矛盾的有效途径。

3.5󰀁加快新技术、新理论的研究

水利部关于水权转让的若干意见!和 水权制度建设框架!两项政策已正式发布,这是我国水权制度建设的重要成果。水利部、各流域机构以及各地都积极开展了对水权制度的研究。如松辽委开展了大凌河流域初始水权分配试点的研究,已取得初步成果;陕西省为开展石头河水库水权制度建设试点开展了针对性研究,并在研究基础上提出了试点方案。对于水质型的缺水,要合理运用竞争机制,促进节水减污技术的发展。

参考文献:

[1]󰀁蔡守秋.论跨行政区的水环境资源纠纷.江海学刊,2002,(4).[2]󰀁肖涛.关于流域一体化管理的初步探讨.水资源保护,2004,(2),

44~47.

[3]󰀁王福勇,郑浩.对塔里木河流域水资源管理模式的探讨.水利发展

研究(第二卷).2002,(7).

[4]󰀁刘文强,翟青,顾树华.基于水权分配与交易的水管理机制研究󰀂

以新疆塔里木河流域为例.西北水资源与水工程,2001,(1).

(编辑:徐诗银)

3.6󰀁增加资金投入

实践证明,工程措施与非工程措施并重是处理水事纠纷的有效方式和手段。各级水行政主管部门都要逐步建立水事纠纷调处工程项目投资补助机制。对在水事纠纷调处中确需安排的处置工程项目,要按照基本建设程序报批,并予以安排,力求从根本上解决问题。

4󰀁结语

为预防因水资源开发利用引起省际边界水事矛盾和纠纷的