基于MIKE水文模型的流域地表水资源利用.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023收稿日期：2022-11-23基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0400905）；水利部技术示范项目（SF-201803）作者简介：管清花（1981），女，山东潍坊人，高级工程师，研究方向为水文水资源通信作者：汪玉静（1977），女，山东济南人，高级工程师，研究方向自然资源保护、林业工程E-mail：基于MIKE水文模型的流域地表水资源利用管清花1,2，汪玉静3，刘海娇1,2，程元庚4，赵红兵4，辛光明1,2（1.山东省水利科学研究院，山东 济南 250013；2.山东省水资源与水环境重点实验室，山东 济南 250013；3.济南市林场，山东 济南 250099；4.山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，山东 济南 250100）摘要：为解决北方滨海山丘区水资源短缺问题，提高流域地表水资源利用量，减少入海径流水量，改善区域生态环境，以山东滨海区威海五里屯流域为例，利用MIKE软件构建降雨径流模型（NAM）和一维水动力（HD）耦合模型，分析流域地表水的径流变化过程、分散式防洪拦蓄工程的蓄水能力、供水能力和生态效应。结果表明：流域的梯级拦蓄工程使地表水资源利用率提升到38.73%，提升了流域生态环境质量，提高了区域供水保障能力。关键词：滨海山丘区；小流域；雨洪资源利用；水文模型；MIKE中图分类号：TV213.4文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.015山东省水资源禀赋先天不足，多年人均水资源占有量仅298 m3，不到全国的1/6，为极度缺水地区。随着经济社会的快速发展和城镇化率的提高，水资源短缺和城市发展之间的矛盾越来越严重，水资源成为经济社会最大的刚性约束。面对严峻的水资源供需形势和新时期经济社会发展的需要，对于雨洪资源的挖潜成为节约水资源、缓解水资源供需矛盾、优化区域水资源配置的重要手段。山东省滨海山地丘陵地带主要为各类变质岩、岩浆岩、碎屑岩和少量石灰岩等，地下水类型主要为基岩裂隙水和第四系孔隙水，地下水赋水性弱，地下水资源匮乏。降水时空分布不均，主要集中在79月，如果汛期的雨洪水资源得不到有效利用，则极易形成地表径流入海，造成当地严重缺水。基于流域水资源承载能力，通过分散式防洪蓄水工程，进行雨洪水资源深度开发，合理利用和配置雨洪资源，可以提高水资源的开发利用率，更好解决水资源供需不平衡的矛盾。1研究区概况威海市位于山东半岛东端，北、东、南三面濒临黄海，总面积5 797 km2，海岸线长985.90 km，低山丘陵占总土地面积的68.15%，平原占27.56%。根据山东省第三次水资源调查评价，威海市19562016年多年平均水资源总量为15.64亿m3，其中：地表水资源量为13.50亿m3，地下水资源量为6.40亿m3，重复计算量4.26亿m3。威海市山丘区地下水赋水性弱，很难形成好的地下水源地，当地地表水成为主要的供水水源，山丘区分散式雨洪水资源化利用成为重要的挖潜资源。以威海市五里屯流域为研究区，该流域面积为195.16 hm2。为了提高流域地表水资源的利用率，2016年对五里屯小流域进行了综合治理，在流域内建设了8个梯级拦蓄工程，并根据水源特点调整种植结构。为了分析区域土地利用类型的变化，重点对2009年和2017年遥感数据进行了解译，分析小流域重点工程建设前后流域内土地利用变化情况。流域内的土地利用类型主要有果园、旱地、坑塘水面、有林地等，面积195.16 hm2。统计发现，五里屯流域城市、村庄、农村道路、设施农用地等面积增大，坑塘水面面积增加13.40 hm2，旱地、果园、有林地等面积减少。2流域水文模型计算2.1降雨径流NAM模型NAM模型1是一个概念性水文模型，可模拟自然流域的降雨径流过程。模型将水循环中的土壤状态用数学语言描述成一系列简化的量的形式，分融雪蓄水层、地表蓄水层、浅层蓄水层、地下蓄水层4层蓄水体进行流域产汇流模拟计算。NAM模型降雨径流模块既可以单独使用，也可以用于计算一个或多个产流区，产生的径流作为旁侧入流进入水动力模型的河网中。2.2水动力HD模型MIKE11模型中，一维水动力学模型（HD）为简化河道演算提供非线性一维圣维南方程组的完全动态解、扩散波近似值和运动波近似值，自动适应急流和缓流并计算河流及渠道的不稳定流、流量与水位。采用一维隐式有限差分方法求解圣维南方程的数值解，公式为 A t+Q x=q（1）Q t+x（Q2A）+gA h x+n2gQ|Q|AR4/3=0（2）式中：Q为流量；A为过水断面面积；q为区间入流或分流量；h为参照基准面以上的水位；x为下游方向；t为时间；n为曼宁阻力系数；R为水力半径；g为重力加速度；为动量分布系数，考虑在给定区域流速的非均匀垂直分布。将五里屯流域的河网概化为一条主要干流branch1，全长2 542 m。共设置了8个断面，对典型断面进行流量分析。2.3NAM与HD模块耦合在两个模块都能独立运行的基础上把NAM的结果作为HD的入流边界条件，以旁侧入流的方式将两个模块进行耦合。模型的参数代表流域范围内的平均值，基本无法通过对流域特性的定量测试得到，因此需要对模型参数进行率定2。本研究采用自动率定的方法进行参数率定，由于无法获取实测降雨径流过程，因此采用单位线法进行流量过程计算，以此作为模型率定所需的实测流量。率定参数结果见表1。基于此参数，通过模型模拟来推求多年一遇流量过程，分别模拟流域出口5 a一遇、10 a一遇、20 a一遇、50 a一遇的降雨径流过程。通过水文模型计算，得到五里屯流域出口区域地表、根区储水层地下储水层参数UmaxLmaxCQOFCKIFTOFTIFCK12TGCKBF取值6.04911.4230.99838.270.0750.5563.1140.3482 915.6表1参数率定值 28人 民 黄 河2023年S1处不同重现期的洪峰流量和最高水位，流域出口的河底高程为70.5 m，5 a一遇、10 a一遇、20 a一遇、50 a一遇对应的洪峰流量分别为21.6、32.1、43.2、58.1 m3/s，对应的最高水位分别为 70.98、71.08、71.17、71.28 m。根据模型计算结果，分析流域内水利工程布局情况、蓄水能力与供水能力。3流域需水量研究区内需要用水的土地类型为水浇地、果园、设施农用地、旱地、草地等，以及河道内生态、消防等项目。需水分析参考山东省水资源综合规划 山东省主要农作物灌溉定额，并根据研究区实际情况制定分类口径，分河道外需水量和河道内需水量。（1）河道外需水量采用定额法计算，根据计算的用水定额和各需水指标值，可求得各指标的需水量。研究区内的树木主要为松树，消防用水量根据消防给水及消防栓系统技术规范中木材可燃材料堆场的相关规定，因此研究区不同时期需预留消防水量均为1.9万m3，保证率100%。将河道外各个需水指标的需水量相加，得到五里屯小流域在50%、75%保证率下的河道外需水量分别为42.2万、45.5万m3。（2）河道内生态需水量选择水文学法计算。参照Tennant法，确定研究区生态基本需水量为多年天然径流量的10%。研究区多年平均天然来水量为48万m3，生态需水量为4.8万m3/a。合计河道外需水量和河道内需水量，五里屯小流域50%、75%保证率下的总需水量分别为47.0万m3和50.3万m3。4流域雨洪资源利用4.1流域雨洪利用工程五里屯小流域自2016年开始流域综合治理，逐步建成了多处分散式防洪蓄水工程，梯级拦蓄工程自上游向下塘坝依次为上游塘坝、鲶鱼汪、斑鸠湖、鹭岛湖、鲤鱼门、千岛湖、龙湖、凤湖。这些塘坝中蓄水能力最小的是上游塘坝，兴利库容为0.25万m3；最大的塘坝是位于流域中下游的龙湖，兴利库容30.46万m3，8处塘坝总的兴利库容为43.99万m3。通过对8处坑塘进行兴利调节计算，采用典型年法计算塘坝的供水能力。现状径流量是指在控制断面上游现有水利工程条件下的来水量，由于小流域上游无其他水利工程拦蓄占用水量，因此只需计算小流域天然来水量，即可得出小流域的现状来水量。4.2供水能力根据当地水文站19562016年降雨资料及山东省水文图集资料，插值求出多年平均径流深。通过皮尔逊型曲线模比系数Kp值，计算流域50%保证率的来水量。计算公式为：W入=0.1RKpFs（3）式中：W入为入库水量；R为径流深；Kp为模比系数；Fs为流域面积。计算得出五里屯小流域 50%保证率水文年来水量为 48万m3。根据现场实际测量数据绘制水库特征曲线，并分析计算各塘坝的特征值，结果见表2。五里屯流域内的水系主要为天然形成的沟道和人工建设的坑塘，其中具有调蓄供水能力的水利设施主要为8处塘坝，根据水量平衡原理，通过典型年来水量数据，分析8处塘坝50%与75%保证率下供水能力。计算公式为W=W来+W上弃-W供-W蒸-W生-W下弃-W渗（4）式中：W为蓄变水量；W来为区间来水量；W上弃为上游弃水量；W供为最大供水能力；W生为生态用水量；W下弃为向下游弃水量；W蒸为坑塘水面蒸发损失量；W渗为坑塘渗漏量。蒸发损失量是降雨蒸发深与水面面积的乘积。塘坝渗漏采用中等地质条件下平均库容的0.5%计算，生态用水量按兴利库容的10%计算。4.3供需结果分析五里屯小流域水资源供需平衡分析结果见表3。塘坝主要用水户为农业灌溉，根据计算，50%、75%保证率下塘坝的最大供水能力为18.59万、17.72万m3，流域现状50%、75%保证率下的农业总需水量分别为 42.2 万 m3和 45.5 万 m3，流域50%、75%保证率下缺水率分别为55%和61%。在考虑设施用地、果园、旱地的需水量情况下，50%、75%保证率下的缺水率分别为28%、39%。因此，通过梯级塘坝拦蓄的雨洪水资源使流域地表水利用率提高到38.73%，基本可以满足流域内的设施农业、果园、有林地等用水需求，但是流域内的旱地依然处于缺水状态，尚需进一步对其他水源挖潜。5结语滨海山区流域分散式雨洪资源利用工程使地表水利用率提高到38.73%，可缓解区域缺水问题。流域内坑塘水面面积增加了13.4 hm2，提升了流域生态环境质量。雨洪水资源是滨海山丘区重要的可挖潜水源，可为区域水资源配置提供水源条件。五里屯流域梯级拦蓄工程拦蓄的雨洪水资源可以满足设施农地、果园、有林地等基本用水需求，提高流域部分农业灌溉水的保障能力。参考文献：1 佘有贵.NAM模型在珠江流域初步应用实践 J.人民珠江，2005，36（3）：34-37.2 孙嘉辉，梁藉，曾志强，等.耦合水动力模型的NAM模型在青狮潭流域的应用 J.中国农村水利水电，2018（10）：161-164.【责任编辑张华兴】坑塘名称上游塘坝鲶鱼汪斑鸠湖鹭岛湖鲤鱼门千岛湖龙湖凤湖合计兴利水位/m106.05101.1397.4495.0088.9877.4774.0094.00兴利库容/万m30.250.391.001.274.044.5030.462.0843.99水面面积/hm20.200.300.790.881.982.507.952.3316.93表2五里屯流域塘坝特征值项目流域供需分析考虑设施用地等供需平衡分析指标可供水量/万m3总需水量/万m3缺水量/万m3缺水率/%可供水量/万m3设施用地、果园、旱地需水量/万m3缺水量/万m3缺水率/%50%保证率18.5942.2023.615518.5926.007.412875%保证率17.7245.5027.786117.7229.3011.5839表3五里屯小流域水资源供需平衡分析结果 29