花金祥 郑言峰 王翊人 史文美 卢 岳

（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

花金祥 郑言峰 王翊人 史文美 卢 岳

（山东省水利勘测设计院 济南 250013）

本文在基于GIS的分布式水文模型的基础上，充分考虑了水利工程措施（如蓄、引、提、灌等取用水工程）的影响，并结合最严格水资源管理制度等非工程措施，构建了一套较为完整的总量控制格局下基于GIS的“自然-社会”递进式地表水文模拟模式。

总量控制格局 人与自然交互式 “自然-社会”递进式

1 研究背景

目前人类活动对水文循环影响的日益加剧，不仅为流域水文模型的迅速发展创造了良好的时机，同时也为流域水文模型的应用研究提出了巨大的挑战。流域水循环已从单纯的“自然”主导模式逐渐递进为“社会”影响下的模式，即形成“自然-社会”递进式模式，但这种模式受复杂的人类活动影响，处于无序状态，随着最严格水资源管理制度的逐步实施，这种递进模式在总量控制格局下趋于合理。

目前关于流域水文模型的研究主要有两类：一类是研究下垫面变化造成的水循环演变规律，此类研究主要是基于GIS的分布式水文模型研究；另一类是研究人工取用水条件下的水资源演变规律，此类研究主要是基于“自然-人工”的流域二元水循环模型研究。

然而，现在的水循环受下垫面变化和人工取用水以及水资源管理制度等的多重影响。本文针对目前人类活动影响下流域产汇流模拟存在的问题，结合最严格水资源管理制度的要求，将自然与社会双重影响进行耦合，构建了一套较为完整的总量控制格局下基于GIS的“自然-社会”递进式地表水文模拟模式。

2 模型简介

本文主要以基于GIS的分布式水文模型为基础，全面融合了非工程措施（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），构造出了“自然-社会”递进式地表水文模型。

2.1“自然”模式流域产汇流模拟研究

“自然”模式是指自然水循环过程，由降水、植被冠层与洼地截留、蒸发蒸腾、入渗、地表径流、壤中径流、地下径流和河道汇流等构成,其驱动力是太阳辐射、重力和风力等自然驱动力。该模式是天然条件下的产汇流模式，不包含人类活动的影响。

“自然”模式单元流域产汇流基本思路如下：

（1）以流域DEM数据为基础，运用基于DEM的流域水系要素提取技术，提取大汶河流域的各种水系特征。

（2）使用分布式模型进行单元面积的产汇流计算：蒸散发计算采用三层蒸散发计算模式，产流采用蓄满产流机制，水源划分通过自由水蓄水库进行。

（3）河槽汇流计算采用马斯京根法。

（4）利用流域内主要水文站历史水文资料进行模型的率定与检验，验证分布式数字产汇流模型的适用性与可靠性。

（5）运用图像融合技术对不同分辨率的遥感影像进行图像融合，以达到提高影像精度和利用效率的目的。采用GIS与遥感信息复合技术搭建数字产汇流模型结果展示的基础信息平台，进行二维、三维的产汇流过程模拟。

2.2人与自然交互式流域地表水资源合理调配模拟系统

2.2.1调配模拟系统基本思路

在“自然”模式基础上增加上游拦蓄及用水等人类活动影响子模块，将流量按支流、断面分割成若干子流域计算单元。

考虑同一河流上下游、左右岸的用水公平性、水资源的利用效率、水资源的可持续利用等诸多因素，考虑到大范围水资源配置问题的复杂性，系统内部存在大量“算不准”（难以定量）和“算不出”（无法定量）的情况，本次不采用纯优化模型，而是建立基于输入—输出系统的响应结构，建立人与自然交互式流域地表水资源合理调配模拟系统，选用最严格水资源管理制度为指导，以总量控制为切入点，将水量分配系数作为纽带，通过不断反馈与交互，获得各方满意的水量配置。

2.2.2模拟系统计算条件和原则

模拟系统依据以下主要计算条件和调节计算原则：

（1）计算单元之间通过河道节点存在着水力联系，这些相互联系的计算单元供需分析的顺序遵照自上而下、先支流后干流的原则，逐个单元计算。

（2）每个地表水工程只对其指定的供水区承担供水任务。只有当满足规定供水任务且在工程满蓄后尚有余水时，多余水量依次为下游水库所存蓄。水库存蓄不下的多余水量则按照计算分区的水流走向，依次由计算分区的河网调蓄库容存蓄。

（3）各行政区域边界遵循最严格水资源管理制度，现状年按总量控制指标控制用水，规划水平年2020年参照2015年总量控制指标控制上游用水。

2.2.3水源配置方法

位于系统中的地表水工程，其供需关系可以概化成单水源单用户、单水源多用户、多用户水源三种基本类型。

单水源单用户：对于单水源单用户的结构按照水源类型进行相应的水量平衡计算。

单水源多用户：对于单水源多用户的水源，根据受益用户数量与类别，采用直接相加相关部分综合需水过程，以避免水源可供水量的重复计算。

多用户水源：对于多用户水源，必须将水源可供水量在不同用户间分配。对于同一流域的上下游、左右岸之间的各分区之间也存在水量调配问题，考虑大区域水资源配置的宏观特点、不同计算单元计算方法与精度的一致性以及资料支撑等综合因素，根据不同水源的特性采用以下原则和方法进行：

（1）同一子流域内不同用户的公用水源的水量分配。按照用户的重要性确定供水次序，优先满足生活用水；其次满足最小生态用水；剩余水量G在工业与农业之间按供水的最低供水量的比例配置，设工业的最低供需比为P1，农业的最低供需比为P2，按下式确定配置水量：

式中，X工、X农取总需水扣除当地水资源已供给部分。

（2）具有分水协议的跨区多用户水源。对于有经上级主管部门批准的分水协议的水源，本次按照原有分水协议的分水，按总量控制原则计算。

（3）一般的跨子流域多用户水源。对于没有明确分水方案的多用户水源，根据以下原则确定分水系数：

①受益各方公平享有水资源使用权原则

设某公用水源有m个用户，第k用户在该水源可供范围内的需水量为Xk；如果各个计算单元的用水水平一致（同类用户的定额相同），按照公平性原则按下式确定第k用户的配置系数：

②鼓励节水原则

考虑到各用户用水水平的差异，应体现鼓励水资源高效利用的原则，当水源缺水时（供不应求）时，在相对公平原则的基础上，应适当提高用水水平比较高的（用水定额低）用户的水量保证率。

设某公用水源有m个用户，第k用户的综合用水定额Dk按下式确定用水水平修正系数：

综合用水定额用下式计算：

式中：Xk，i—第k用户第i用水部门的需水量；

Dk，i—第k用户第i用水部门的用水定额。

③适度照顾原则

由于客观存在区域经济发展的不平衡，工业生产设备与工艺的差异、经济结构的不同、社会结构与生活水平的不同，使得原本用水定额较高经济落后地区很难在短期大幅度降低用水定额，在多用户水源的配置时，对于经济落后地区基于适当的政策性倾斜引进政策性权系数γk，该因子可通过沟通与协商决定。

④重点用户优先原则

对于纯生活用水的用户，优先满足，确定不同类别用户的权系数θk。

某水源的可分配水量为G，有m个收益用户，则第k用户的水量分配系数按下式确定：

Gk=min（Xk，λk·G）

（4）当地水资源优先原则。在无强制性要求的前提下，当地产生的水资源，由当地用户优先使用，多余部分向下游传递。

（5）鼓励新增开源原则。新增水源特指雨水利用、污水回用、微咸水非常规水源。配置中以现状利用量为基础，新增部分作为开源鼓励项目。新增的雨水利用、污水回用不作为公共水资源配置的基数。

所建立的模型以水资源计算与配置仿真系统为基础，增强其交互性，以适应多变的外部条件变化，可以多方面灵活反映每个用户的利益，充分体现各种水资源配置方法和要求的利弊得失。

2.3“自然-社会”递进式地表水文模型

“自然-社会”递进式模式是指在“自然”模式的基础上，不仅增加蓄水、取水、用水、耗水和排水等社会活动影响过程，还包括最严格水资源管理制度等非工程措施的影响过程,其驱动力既有自然驱动力,又有社会经济与管理驱动力。

递进式包括狭义和广义两层含义：狭义上，为从流域源头原生态的自然状况向下游演进，随着支流的汇入，形成从流域源头向下游随着流域面积的增加，人类活动影响呈递

进式叠加；广义上，为整个流域随着时间的推移，流域自然的天然状况在不断地受人类活动的改造，自然元素在慢慢的减弱，社会元素伴随着经济的飞速发展却在递进式的增加。

“自然-社会”递进式模式的基本思路是将人与自然交互式流域地表水资源合理调配模拟系统的初始配置方案植入“自然”模式流域产汇流模型，进行首次耦合，各个单元根据最严格水资源管理制度中总量指标进行控制，根据耦合情况不断修正人与自然交互式流域地表水资源合理调配模拟系统的初始配置方案，最终耦合模拟出符合总量控制的流域水资源合理配置方案，消除上游蓄水工程蓄而不用的状况。

3 结论与展望

本文针对目前人类活动影响下流域产汇流模拟存在的问题，结合山东省最严格水资源管理制度的要求，将自然与社会双重影响进行耦合，提出总量控制格局下基于GIS的“自然-社会”递进式地表水文模拟模式，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确定提供了技术支撑，对流域开发具有指导意义■