利用MIKE BASIN模型軟件構(gòu)建流域水資源配置模型

李 鵬，肖 飛，高海菊

（水利部松遼水利委員會(huì)，吉林 長(zhǎng)春130021）

1 總體思路

利用MIKE BASIN 模型軟件，以松花江流域哈爾濱斷面以上區(qū)域?yàn)闃颖緟^(qū)進(jìn)行搭建，根據(jù)對(duì)流域水資源系統(tǒng)中人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)所形成的水資源取、用、耗、排等關(guān)系及其特點(diǎn)的描述，建立以“生活、生產(chǎn)、生態(tài)”用水需求與天然水資源在水利工程調(diào)度運(yùn)行下的供給與需求之間平衡計(jì)算為基礎(chǔ)的模型。模型包含的要素較為豐富，主要采用了地表水、地下水、外調(diào)水、中水等多水源，以及引水工程、蓄水工程、提水工程等多工程的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)描述法，利用“點(diǎn)、線、面”的水量平衡關(guān)系作為水資源平衡計(jì)算的基礎(chǔ)。

2 MIKE BASIN 簡(jiǎn)介

MIKE BASIN 是由丹麥水利與環(huán)境研究所潛心研發(fā)的一款集成式流域（區(qū)域）水資源規(guī)劃決策管理支持軟件。主要用于研究流域或者區(qū)域內(nèi)受空間、時(shí)間等要素影響的水資源配置及水資源供需平衡的數(shù)學(xué)模擬工具，其特點(diǎn)是基于GIS 應(yīng)用和開(kāi)發(fā)，以ArcView 為平臺(tái)，讓用戶自主建立模型，全部建模功能均在地理信息系統(tǒng)軟件ArcView中實(shí)現(xiàn)，并能提供不同尺度的時(shí)空水資源模擬計(jì)算、數(shù)據(jù)交互及結(jié)果分析展示等。MIKE BASIN 以河流為主干，用戶、工程以及分匯水點(diǎn)等為節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)水力連線組建流域系統(tǒng)圖，以各類對(duì)象相應(yīng)的屬性建立的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬。模型還考慮了地表水和地下水的聯(lián)合調(diào)度，并對(duì)系統(tǒng)中的水電站、農(nóng)業(yè)灌區(qū)和污水處理廠設(shè)置了相關(guān)計(jì)算，通過(guò)可調(diào)整修改的優(yōu)先序或規(guī)則進(jìn)行水量分配計(jì)算，用戶可選擇不同的擴(kuò)展專業(yè)模塊。

3 模型樣本區(qū)基本情況

松花江流域哈爾濱斷面以上區(qū)域包括嫩江、第二松花江流域及松花江干流的上游段（三岔河—哈爾濱區(qū)間），地跨黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古四省、自治區(qū)的哈爾濱市、長(zhǎng)春市、吉林市、撫順市、呼倫貝爾、興安盟在內(nèi)的20 個(gè)地級(jí)市和26 個(gè)水資源四級(jí)區(qū)；水利工程包括：第二松花江上的豐滿、白山水庫(kù)，嫩江上的尼爾基水庫(kù)在內(nèi)的24 座現(xiàn)狀水庫(kù)，以及15 座規(guī)劃水庫(kù)和5 座重點(diǎn)水電站；重點(diǎn)取水口23 個(gè)；流域總面積為40.27 萬(wàn)km2。區(qū)域內(nèi)多年平均地表水資源量為734.7 億m3，地下水資源量和開(kāi)采量分別310.04 億m3和116.8 億m3。

4 目標(biāo)參數(shù)選擇

擬定2000年為基準(zhǔn)年，2020年為目標(biāo)年。計(jì)算時(shí)段以月為單位的1956年至2000年，共45年逐月長(zhǎng)系列的水資源供需平衡資料計(jì)算和分析。根據(jù)水庫(kù)上下游和水資源四級(jí)分區(qū)嵌套地級(jí)市等綜合考慮，最終模型中共劃分有101 個(gè)用水單元，用水單元內(nèi)用水戶確定為16 類，考慮松花江流域水資源條件，結(jié)合供水對(duì)象和中遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)模，分析確定的供水設(shè)計(jì)保證率為：1）工業(yè)生活（城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、牲畜、三產(chǎn)、火核電、一般工業(yè)、高耗水工業(yè)、建筑業(yè)）供水保證率為95%；2）城鎮(zhèn)生態(tài)、水田、水澆地、菜田供水保證率為75%；3）林果地、草場(chǎng)、魚(yú)塘、濕地供水保證率為50%。

5 模型輸入條件設(shè)定

5.1 水資源損失量

由于在統(tǒng)計(jì)方法上存在差異，面水資源量和點(diǎn)水資源量之間存在一定的差值。在現(xiàn)實(shí)中，水文站的徑流過(guò)程得到的是點(diǎn)水資源量，因此需要做一定的轉(zhuǎn)換，將降雨徑流模擬出的面水資源量轉(zhuǎn)換至點(diǎn)水資源量。在若干個(gè)特定水文站點(diǎn)位置上設(shè)置損失量，將沿程面水資源量的損失概化為在一點(diǎn)全部損失，見(jiàn)表1。

表1 面水資源損失量

5.2 水庫(kù)設(shè)置

水庫(kù)的時(shí)空分布在水資源配置過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用，水庫(kù)的調(diào)度規(guī)則會(huì)影響某個(gè)地域的生產(chǎn)生活用水，甚至對(duì)于下游的水量分配也起著決定作用。

規(guī)劃水庫(kù)設(shè)置：為了研究規(guī)劃水庫(kù)對(duì)于區(qū)域內(nèi)水資源的影響，可以在軟件中將任意規(guī)劃水庫(kù)的狀態(tài)設(shè)置為“開(kāi)”或者“關(guān)”，即已建成的運(yùn)行狀態(tài)或未建成狀態(tài)。軟件會(huì)修改該水庫(kù)的相關(guān)地特征曲線和參數(shù)，避免了大量的手工操作。此外，系統(tǒng)也提供了批處理功能，可以進(jìn)行多個(gè)水庫(kù)的操作。

水庫(kù)調(diào)度規(guī)則設(shè)定：由于水庫(kù)調(diào)度規(guī)則較為復(fù)雜，需要根據(jù)客觀需求，在MIKE BASIN 的平臺(tái)和引擎的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。該模型中為了實(shí)現(xiàn)白山、豐滿、尼爾基、山口和察爾森水庫(kù)的等出力和目標(biāo)放流等運(yùn)行規(guī)則，通過(guò)調(diào)用MIKE BASIN 引擎，加入判斷條件，分步計(jì)算，實(shí)時(shí)地根據(jù)調(diào)度規(guī)則將所對(duì)應(yīng)的水庫(kù)參數(shù)輸入到模型中，以保證模擬精度。

5.3 地下水補(bǔ)給

由于MIKE BASIN 水資源模型不能計(jì)算分布式地下水網(wǎng)格，僅能以集總式線性水庫(kù)的方法研究地下水變化趨勢(shì)和用水戶的取水量。每年1月1日計(jì)算出地下水補(bǔ)給量GW recharge（L/（s·km2）），使得該時(shí)段用水單元的地下水總量等于多年平均地下水可利用量。計(jì)算公式為：

其中，V0是該用水單元的地下水總量，在此項(xiàng)目中等于多年平均地下水可利用量，m3；ht是計(jì)算出的該時(shí)刻用水單元地下水埋深值，m；Catchment-area 是該用水單元的面積，km2；3 600×24 為1 d 時(shí)間，單位為s。

6 模型參數(shù)率定

研究選擇2000年為率定年，以該年的實(shí)測(cè)流量過(guò)程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)率定模型模擬出的流量過(guò)程，如圖1所示。因流域地形地貌、水資源量、降水量等影響，利用MIKE BASIN 搭建模型的各項(xiàng)參數(shù)也有所差距，各項(xiàng)參數(shù)間還有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，為使模型演算的結(jié)果更符合流域水資源取用耗排的實(shí)際情況，通過(guò)率定調(diào)整模型各種參數(shù)是十分重要的。率定過(guò)程中重點(diǎn)比較的數(shù)值項(xiàng)包括子流域徑流、用水戶取水量、水庫(kù)運(yùn)行水位、水庫(kù)下泄流量、控制測(cè)站的流量、子流域地下水位變化情況等。

圖1 阿彥淺水文站2000年實(shí)測(cè)流量 模擬流量對(duì)比圖

根據(jù)計(jì)算出的結(jié)果，率定效果滿意，雖然存在局部模擬效果偏差，但總體平均誤差在允許范圍內(nèi)，符合模型計(jì)算精度要求，率定的參數(shù)可行。

7 模型數(shù)據(jù)采用及分析

1）天然來(lái)水。采用1956—2000年45年天然來(lái)水?dāng)?shù)據(jù)，因?yàn)橐阎奶烊粊?lái)水?dāng)?shù)據(jù)是每個(gè)四級(jí)區(qū)套地市為單元的產(chǎn)流，不能直接輸入到模型中，需按面積比權(quán)重轉(zhuǎn)化成以子流域?yàn)橛?jì)算單元的產(chǎn)流后保存至模板方案中。

2）用水量。采用流域水資源綜合規(guī)劃成果，針對(duì)模型范圍內(nèi)的101 個(gè)用水單元45年長(zhǎng)系列對(duì)應(yīng)的不同的降水典型年型，逐步選取不同降水頻率下的天然徑流與需水量相對(duì)應(yīng)，同時(shí)還要結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉月分配系數(shù)等因素，計(jì)算各用水單元45年長(zhǎng)系列的月過(guò)程需水。

3）降水?dāng)?shù)據(jù)。采用流域內(nèi)共266 個(gè)雨量站的日降水記錄。因部分站降雨記錄過(guò)少，不能滿足模型計(jì)算需要，故舍棄；有的雨量站與其他雨量站位置距離非常近，如月亮泡水庫(kù)壩上、壩下，梅河口左、右，在比較雨量記錄長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，刪除一個(gè)。最終模型確定應(yīng)用的雨量站171 個(gè)。

4）溫度數(shù)據(jù)。采用流域內(nèi)共11 個(gè)溫度站的1985—1998年溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)。由于溫度站很少，特別是二松流域僅有兩個(gè)，且所在的高程差別較大，無(wú)法直接應(yīng)用于各子流域進(jìn)行計(jì)算，故各子流域根據(jù)高程每升高100 m，溫度下降0.6 ℃對(duì)溫度進(jìn)行修正。嫩江流域、二松流域及松干流域分別選擇各自區(qū)域內(nèi)100～200 m 高程的溫度站作為基準(zhǔn)溫度站，其平均值作為基準(zhǔn)值，平均高程作為基準(zhǔn)高程。

5）蒸發(fā)數(shù)據(jù)。采用流域內(nèi)共14 個(gè)蒸發(fā)站1985—1998年的日實(shí)測(cè)蒸發(fā)數(shù)據(jù)。無(wú)論是嫩江流域還是二松流域，年潛在蒸發(fā)量都隨著高程的增大而減少。因蒸發(fā)站數(shù)量比較少，目前的資料無(wú)法對(duì)蒸發(fā)進(jìn)行按高程修正，為提高模擬精度，各子流域?qū)⒏鶕?jù)其平均高程直接引用相近高程的蒸發(fā)站資料，無(wú)法直接引用的，利用現(xiàn)有蒸發(fā)記錄按高程加權(quán)計(jì)算得到。

6）流量數(shù)據(jù)。采用流域內(nèi)共42 個(gè)流量站1985—2005年的實(shí)測(cè)日觀測(cè)數(shù)據(jù)。

7）水庫(kù)和水電站數(shù)據(jù)?？偣采婕暗街攸c(diǎn)水庫(kù)39 個(gè)，重點(diǎn)水電站5 個(gè)。其中，現(xiàn)狀30 個(gè)，2020年規(guī)劃11 個(gè)，2030年規(guī)劃3 個(gè)。每個(gè)水庫(kù)對(duì)應(yīng)有水庫(kù)特征水位，水庫(kù)特性曲線，水電站調(diào)度曲線，等數(shù)據(jù)；而水電站則對(duì)應(yīng)有尾水水位，出力系數(shù)，水頭損失，等數(shù)據(jù)。

8）預(yù)測(cè)分析目標(biāo)年用水?dāng)?shù)據(jù)。根據(jù)區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀，分析預(yù)測(cè)2020年經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r，由此判斷設(shè)計(jì)水平年的河道外各行業(yè)用水量。

8 問(wèn)題及建議

此次以松花江流域哈爾濱斷面以上區(qū)域?yàn)楸镜讛?shù)據(jù)，在搭建模型過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題提出幾方面建議，希望能在今后應(yīng)用中能盡量克服，以提升模型演算精度：1）實(shí)際雨量站、蒸發(fā)站、溫度站等稀少，密度較低，很難滿足降雨徑流模型計(jì)算的需要，測(cè)站數(shù)據(jù)的多少和分布密度將對(duì)模型演算精度具有間接影響；2）除源頭子流域和個(gè)別受人類活動(dòng)影響較少的區(qū)間子流域外，其他子流域因?qū)崪y(cè)資料無(wú)法還原到天然徑流，只能將計(jì)算結(jié)果的日徑流過(guò)程按日期累加得到每月的模擬月徑流總量，然后將其與實(shí)測(cè)天然月徑流總量進(jìn)行對(duì)比率定，該方法導(dǎo)致計(jì)算精度將受到一定的影響；3）部分水庫(kù)特征曲線不完整，且調(diào)度規(guī)則不全，部分人工干預(yù)的調(diào)度無(wú)法模擬，造成水庫(kù)的水位和泄流計(jì)算誤差。

MIKE BASIN 系統(tǒng)利用了水資源、水動(dòng)力、水文等數(shù)學(xué)模擬軟件，并集成GIS、數(shù)據(jù)庫(kù)、信息技術(shù)等手段，將流域水資源管理的相關(guān)方面綜合成為整體性的系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水資源配置和規(guī)劃、水動(dòng)力演算以及水文模擬的有機(jī)結(jié)合，通過(guò)建立區(qū)域水資源配置模型，將各類分析和整理得到的數(shù)據(jù)輸入率定好的模型中，計(jì)算得出目標(biāo)年的水資源供需平衡情況，研究和分析區(qū)域水資源配置格局，對(duì)于解決區(qū)域水資源短缺問(wèn)題、保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境不受破壞、確保人類的正常生活和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展將起到重要作用。