洺河流域供水量預(yù)測(cè)與驗(yàn)證

□劉 暢 張紅梅 張昀保 李嚴(yán)慈

洺河徑流在時(shí)間、空間上分布的不均勻性，對(duì)流域水資源調(diào)度和生態(tài)水量保障產(chǎn)生重要影響。為解決水資源在時(shí)間、空間上分布的不均勻性，協(xié)調(diào)生活生產(chǎn)生態(tài)和上下游、左右岸不同行業(yè)不同區(qū)域間的用水關(guān)系，使水資源分配科學(xué)、有序、合理，需要掌握洺河流域供水量，因此對(duì)洺河水資源建立水循環(huán)模型。目前，國內(nèi)外水資源系統(tǒng)模擬軟件，如SIMHYD、MIKE、TOPMODEL、GWAS 等，在水資源系統(tǒng)配置主體互饋、合理調(diào)配等方面有所應(yīng)用，但各有針對(duì)性、局限性。水資源綜合模擬與配置模型WAS 是由桑學(xué)鋒等人，基于二元水循環(huán)理論和水資源配置理論建立的水資源模型。現(xiàn)應(yīng)用WAS 模型對(duì)洺河內(nèi)水資源進(jìn)行供水量預(yù)測(cè)，為后期洺河流域水資源配置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.洺河流域基本概況

洺河流域地處河北省中部，洺河發(fā)源于武安市西北部的太行山區(qū)，是匯入滏陽河的主要支流之一，呈扇形分布，主要有南洺河、北洺河、馬會(huì)河3 條支流，基本信息與流域圖見表1 與圖1。

表1 洺河支流基本信息表

圖1 洺河流域示意圖

2.數(shù)據(jù)來源與分析

前期模型建立主要利用洺河流域數(shù)值高程、土地利用、土壤類型及植被分布等基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，包括臨洺關(guān)水文站的月尺度實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)和洺河流域內(nèi)5 座水庫的相關(guān)信息，此外還收集了洺河流域相關(guān)氣象站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)。氣象水文數(shù)據(jù)來源于河北省第二次水資源評(píng)價(jià)與邢臺(tái)市、邯鄲市水資源評(píng)價(jià)，土地利用、土壤類型及植被分布數(shù)據(jù)來源于河北省城市與縣城分析表。

所采用的DEM 數(shù)據(jù)來源于中國地理空間數(shù)據(jù)云，空間分辨率ASTER GDEM 30m。氣象數(shù)據(jù)選取年限為1961年—2018年，數(shù)據(jù)來源為河北省第二次水資源評(píng)價(jià)、邢臺(tái)市水資源公報(bào)、邯鄲市水資源公報(bào)，土地利用及土壤類型植被分布時(shí)效性較強(qiáng)，故數(shù)據(jù)來源為2018年。2018年土地利用、覆蓋數(shù)據(jù)主要使用Landsat8 遙感影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，比例尺為1∶10 萬。土壤數(shù)據(jù)來自中國資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心提供的1∶100 萬土壤類型圖，如圖2 所示。

3.WAS 模型的建立

結(jié)合二元水循環(huán)特點(diǎn)，根據(jù)WAS模型，采用3 級(jí)單元?jiǎng)澐值姆椒?，即按照基本單元、?jì)算單元、水文單元的順序進(jìn)行劃分。通過行政分區(qū)與水資源4 級(jí)分區(qū)的疊加劃分出8 個(gè)基本單元，按標(biāo)號(hào)排序分別為涉縣洺河流域、沙河市洺河流域、武安市洺河流域、叢臺(tái)區(qū)洺河流域、永年區(qū)洺河流域、雞澤縣洺河流域、南和區(qū)洺河流域、任澤區(qū)洺河流域。洺河流域計(jì)算單元ID 見圖3。

圖3 洺河流域計(jì)算單元ID

4.供水量預(yù)測(cè)

降水量。降水?dāng)?shù)據(jù)選取研究區(qū)內(nèi)資料比較完整的8 個(gè)雨量站逐月降水資料，其中境內(nèi)雨量站平均站網(wǎng)密度約為400km2/站。通過泰森多邊形法計(jì)算得到8 個(gè)計(jì)算單元的逐月面降水量，雨量站的分布情況及研究區(qū)的泰森多邊形劃分見圖4，共分21 個(gè)降水單元,雨量站相關(guān)信息如表2 所示。根據(jù)研究區(qū)降水與徑流關(guān)系，結(jié)合北方降水產(chǎn)流特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)日降水量小于10mm 時(shí)基本不產(chǎn)流，因此認(rèn)為日降水量小于10mm時(shí)，日有效降水量為0；日降水量大于等于10mm 時(shí)，日有效降水量為日降水量。將日有效降水量相加得到月有效降水量。洺河流域1961年—2018年平均年降水量為558.7mm，平均有效年降水量為363.1mm。

圖4 洺河雨量站泰森多邊形劃分

表2 洺河流域雨量站詳情表

蒸發(fā)量。蒸發(fā)數(shù)據(jù)選取研究區(qū)內(nèi)5 個(gè)蒸發(fā)站（邯鄲站、武安站、沙河站、涉縣站、邢臺(tái)站）逐月降水資料，通過泰森多邊形法計(jì)算得到8 個(gè)計(jì)算單元的逐月面蒸發(fā)量，蒸發(fā)站分布情況及研究區(qū)泰森多邊形劃分見圖5，共分14 個(gè)蒸發(fā)單元，洺河流域泰勒劃分詳情表見表3。水面蒸發(fā)量以E-601 蒸發(fā)皿觀測(cè)值較為接近天然值，因此，需對(duì)中20cm 銅蒸發(fā)器及其他型號(hào)蒸發(fā)器觀測(cè)值進(jìn)行折算，使其相當(dāng)于E-601 蒸發(fā)皿的觀測(cè)值。根據(jù)河北省二次評(píng)價(jià)分析成果，E-601 蒸發(fā)皿和中20cm 銅蒸發(fā)器年平均折算系數(shù)為0.65。5 個(gè)站點(diǎn)年蒸發(fā)量折算后分別為1072.2mm、1178.5mm、1034.2mm、1165.8mm、1229.7mm。

表3 洺河流域泰勒劃分詳情表

圖5 洺河蒸發(fā)站泰森多邊形劃分

5.模型結(jié)果驗(yàn)證

導(dǎo)入數(shù)據(jù),并進(jìn)行模型計(jì)算，根據(jù)模型在1961年—2018年模擬結(jié)果，得到臨洺關(guān)水文站多年平均值與典型頻率年（50%、75%、90%）模擬與實(shí)測(cè)徑流誤差情況，洺河臨洺關(guān)斷面流量模擬驗(yàn)證結(jié)果見表4、洺河臨洺關(guān)水文站斷面徑流模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比見圖6、洺河斷面徑流模擬與還原誤差見圖7。

圖6 洺河臨洺關(guān)水文站斷面徑流模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖7 洺河斷面徑流模擬與還原誤差

表4 洺河臨洺關(guān)斷面流量模擬驗(yàn)證結(jié)果表

綜合以上對(duì)水文站斷面流量過程和特征頻率徑流總量的分析可知NASH 系數(shù)＞0.5，自然水循環(huán)模型的地表徑流模擬結(jié)果比較接近還原值，模擬效果較為理想。

6.模型供水量預(yù)測(cè)

經(jīng)模型計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析50%頻率年與75%頻率年用水詳情如表5。

表5 頻率年用水量表 萬m3

利 用GWAS，利 用1961年—2018的洺河流域相關(guān)資料，考慮氣候變化和人類活動(dòng)影響，建立算法，對(duì)洺河流域2025年水資源供用量情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，洺河流域徑流在前期易受人類活動(dòng)影響，后期隨著環(huán)境保護(hù)力度加大，以及水利系統(tǒng)完善，徑流趨于穩(wěn)定。