“自然—社会”递进式地表水文模拟方法及应用（Ⅱ）
——流域节点水源条件模拟研究
2014-02-27史文美郑言峰花金祥
史文美 李 珂 郑言峰 花金祥 刘 顺
（山东省水利勘测设计院 济南 250013）
“自然—社会”递进式地表水文模拟方法及应用（Ⅱ）
——流域节点水源条件模拟研究
史文美 李 珂 郑言峰 花金祥 刘 顺
（山东省水利勘测设计院 济南 250013）
济宁市以琵琶山坝作为取水口，通过工程措施引水入济宁进行补源，将大汶河流域水资源调入淮河流域，实现济宁区域内两流域水资源的优化配置。本文以引汶补源入济工程为例，以工程引水口琵琶山坝作为流域节点，应用总量控制格局下基于GIS的“自然—社会”递进式地表水文模型模拟琵琶山坝水源条件，为引汶补源入济工程的工程运行调度提供了技术支撑。
总量控制格局 “自然—社会”递进式 引汶补源入济工程
1 研究背景
大汶河是济宁市重要的引水补源河道，山东省分配给淮河流域济宁市大汶河水资源量1.1亿m3。汶上东部、济宁北部和兖州西部由于地势高亢，地表水资源缺乏，工农业用水以地下水为主，致使地下水过量开采，形成大面积的地下水漏斗区，造成农田减产、地面沉降，引起一系列的地质环境和生态环境问题。目前，济宁市城区河道仍存在水系不畅、水量不足、水质不优等问题，尚不能满足建设生态济宁的要求。为了科学利用大汶河雨洪水资源，实现城区水系贯通、水活流清目标和区域水资源的优化配置，改善农业灌溉条件，回灌汶上东部、济宁北部及兖州西部地下水漏斗区，实现雨洪水资源化，改善沿线地质环境和生态环境，济宁市
利用琵琶山引水进行补源，实现区域水资源优化配置。
2 模型简介
“自然—社会”递进式地表水文模型以DEM遥感数据为基础，使用ArcGIS软件处理得到流域的水系特征，按照分布式水文模型的原理计算出天然条件下的径流量，结合非工程措施（即最严格水资源管理制度）和工程措施（即研究区域的蓄引提等用水工程），得到研究区域在人类活动影响下的径流量。
3 应用实例
3.1研究区概况
大汶河是黄河下游最大的一条支流。流域东西长208km，南北宽30～100km，流经济宁市长度15.3km，是济宁市重要的引水补源河道。引汶补源入济工程取水口位于琵琶山坝南端，控制流域面积7004km2，取水口位于大汶河流域与淮河流域的边界，引汶补源入济工程属于跨流域调水工程，目的是实现大汶河流域与淮河流域的水资源优化配置。
3.2水文基本资料
根据琵琶山坝流域内及下游水文资料情况，水文站选取13个；雨量站选取48个，雨量站站网密度较大，基本能满足要求；蒸发站选取东周水库、临汶、戴村坝3个测站。选择1961～2011年实测资料，系列长度为51年，满足规范要求。
3.3人工取用水工程
工程现状水平年采用2011年，规划水平年为2020年。
3.3.1现状工程条件下考虑的上游主要蓄水工程情况
琵琶山坝控制流域水利工程众多，仅大中型水库就有22座，其中2座大型水库，20座中型水库，总控制流域面积2209.8km2，总库容87628万m3；琵琶山坝以上大汶河干流现建有砖舍、堽城、大汶口1#坝、颜谢和牟汶河拦河闸5座拦河坝（闸）；现状工程条件下建有小型水库573座，总库容3.75亿m3。
3.3.2规划工程条件下新增蓄水工程情况
根据有关规划，2020年前，琵琶山坝以上流域规划新建中型水库3座，设计总库容合计11518万m3，兴利库容9850万m3；新建小型水库19座，设计总库容2850万m3，兴利库容2150万m3；规划对雪野、杨家横、东周、胜利、石坞等5座水库进行增容建设；规划新建57座拦河坝，拦蓄水量合计3377万m3。
3.4模拟过程及结果
3.4.1模拟基本过程
研究模拟过程详见图1。
图1 模拟过程流程图
3.4.2模型网络图
模型网络图详见图2。
图2 “自然—社会”递进式模型网络图
3.4.3不同水平年工程条件下流域节点水源条件模拟关键技术
a.水源水力与水利联系的处理
需水量是计算可供水量的重要因子，根据水源与用户的对应关系，当系统存在多水源用户时，应当注意由于需水量重复计算而导致可供水量的计算错误。
水源水利联系处理，在于正确确定水源的需水量。后序水源的需水量应当为相关用户的需水量扣除各用户从前序水源得到的供水量之差，通用的表达式为：
式中：X（t）——某水源计算可供水量时的第t时段需水量；
M（i，t）——该水源服务的第i用户的预测第t时段需水量；
G（i，t）——该水源服务的第i用户从前序水源获
得的第t时段需水量，当第i用户未从前序水源获得水量，该项取零；
m——该水源服务的用户数，通过供需关系矩阵识别。
在区域水资源可供水量计算中，除了源头水源工程和人为界定的独立水源工程具有独立且确定来水过程，大多数水源来水由上游退水和本工程区间的来水组成。通用表达式为：
式中：Q（t）——某水源第t时段来水；
QJ（i，t）——该水源上游相关第i水源第t时段弃水量；
QB（j，t）——该水源上游相关第j用户第t时段回归水量；
QD（t）——该水源控制的区间面积的来水量；
m1——该水源上游相关水源的数量，由源汇关系矩阵识别；
m2——该水源上游相关用户的数量，由用户水源关系矩阵识别。
b.水源之间的源汇关系
该关系反映水源之间的水力联系，i水源与j水源间的源汇关系定义为：
设系统中有m个水源，源汇关系将形成m×m的源汇关系矩阵。
利用源汇关系矩阵可以方便计算水源的来水，见公式（2）中的第一项。
c.水源与用户之间的供需关系
该关系反映水源与用户之间的水利联系，它是水源条件模拟的基本关系，i水源与j用户间的供求关系定义为：
设系统中有m个水源，n个用户，源汇关系将形成m× n的供需关系矩阵。
利用供求关系矩阵可以方便计算水源的需水，见公式（1），同时也是可供水量配置的基础。
d.用户与水源之间的回归关系
用户的回归水是下游水源的来水组成部分公式（2），回归关系反映用户回归水去向，j用户与i水源间的回归关系定义为：
设系统中有m个水源，n个用户，源汇关系将形成n× m的回归关系矩阵。
e.水源、用户与河流的隶属关系
为了便于计算各断面径流量，按子流域汇总，对每一水源和每一个用户增加一个子流域的隶属“属性值”，利用各水源、用户相同属性值合并，即可得到各支流域出口不同工况的径流量。
f.不同规划水平年
经模拟计算，天然、现状、规划工程条件下，引汶补源入济工程取水口多年平均来水量（1965～2011水文年）分别为130638m3、81793m3、63137万m3。取水口不同工况年径流量演变过程见图3。
从模拟结果可以看出，随着人类活动（包括下垫面的变化和蓄、引、提、灌等工程的实施）影响的日益加剧，引汶补源入济工程取水口年径流量呈现出减小的趋势，但实施最严格水资源管理制度后，在总量控制格局下这种减小的趋势不断减缓，水资源的配置趋于合理。按照总量控制指标要求，将大汶河流域水资源调入淮河流域，可实现两流域水资源的优化配置。
图3 引汶补源入济工程取水口不同工况年径流量演变过程图
4 结论与展望
总量控制格局下基于GIS的“自然—社会”递进式地表水文模型实现了总量控制格局下统筹考虑水资源、宏观经济与社会活动的流域地表水资源综合管理分析的功能，具有理论与方法的创新性，为流域相关工程规模的确定提供了技术支撑，对流域开发具有指导意义。
本文应用总量控制格局下基于GIS的“自然—社会”递进式地表水文模型分析了琵琶山坝的可引水能力，为引汶补源入济工程的顺利实施提供了技术支撑，对工程调度具有指导意义■
