“自然—社會”遞進式地表水文模擬方法及應用（Ⅱ）
——流域節點水源條件模擬研究

史文美 李 珂 鄭言峰 花金祥 劉 順

（山東省水利勘測設計院 濟南 250013）

“自然—社會”遞進式地表水文模擬方法及應用（Ⅱ）
——流域節點水源條件模擬研究

史文美 李 珂 鄭言峰 花金祥 劉 順

（山東省水利勘測設計院 濟南 250013）

濟寧市以琵琶山壩作為取水口，通過工程措施引水入濟寧進行補源，將大汶河流域水資源調入淮河流域，實現濟寧區域內兩流域水資源的優化配置。本文以引汶補源入濟工程為例，以工程引水口琵琶山壩作為流域節點，應用總量控制格局下基于GIS的“自然—社會”遞進式地表水文模型模擬琵琶山壩水源條件，為引汶補源入濟工程的工程運行調度提供了技術支撐。

總量控制格局 “自然—社會”遞進式 引汶補源入濟工程

1 研究背景

大汶河是濟寧市重要的引水補源河道，山東省分配給淮河流域濟寧市大汶河水資源量1.1億m3。汶上東部、濟寧北部和兗州西部由于地勢高亢，地表水資源缺乏，工農業用水以地下水為主，致使地下水過量開采，形成大面積的地下水漏斗區，造成農田減產、地面沉降，引起一系列的地質環境和生態環境問題。目前，濟寧市城區河道仍存在水系不暢、水量不足、水質不優等問題，尚不能滿足建設生態濟寧的要求。為了科學利用大汶河雨洪水資源，實現城區水系貫通、水活流清目標和區域水資源的優化配置，改善農業灌溉條件，回灌汶上東部、濟寧北部及兗州西部地下水漏斗區，實現雨洪水資源化，改善沿線地質環境和生態環境，濟寧市

利用琵琶山引水進行補源，實現區域水資源優化配置。

2 模型簡介

“自然—社會”遞進式地表水文模型以DEM遙感數據為基礎，使用ArcGIS軟件處理得到流域的水系特征，按照分布式水文模型的原理計算出天然條件下的徑流量，結合非工程措施（即最嚴格水資源管理制度）和工程措施（即研究區域的蓄引提等用水工程），得到研究區域在人類活動影響下的徑流量。

3 應用實例

3.1研究區概況

大汶河是黃河下游最大的一條支流。流域東西長208km，南北寬30～100km，流經濟寧市長度15.3km，是濟寧市重要的引水補源河道。引汶補源入濟工程取水口位于琵琶山壩南端，控制流域面積7004km2，取水口位于大汶河流域與淮河流域的邊界，引汶補源入濟工程屬于跨流域調水工程，目的是實現大汶河流域與淮河流域的水資源優化配置。

3.2水文基本資料

根據琵琶山壩流域內及下游水文資料情況，水文站選取13個；雨量站選取48個，雨量站站網密度較大，基本能滿足要求；蒸發站選取東周水庫、臨汶、戴村壩3個測站。選擇1961～2011年實測資料，系列長度為51年，滿足規范要求。

3.3人工取用水工程

工程現狀水平年采用2011年，規劃水平年為2020年。

3.3.1現狀工程條件下考慮的上游主要蓄水工程情況

琵琶山壩控制流域水利工程眾多，僅大中型水庫就有22座，其中2座大型水庫，20座中型水庫，總控制流域面積2209.8km2，總庫容87628萬m3；琵琶山壩以上大汶河干流現建有磚舍、堽城、大汶口1#壩、顏謝和牟汶河攔河閘5座攔河壩（閘）；現狀工程條件下建有小型水庫573座，總庫容3.75億m3。

3.3.2規劃工程條件下新增蓄水工程情況

根據有關規劃，2020年前，琵琶山壩以上流域規劃新建中型水庫3座，設計總庫容合計11518萬m3，興利庫容9850萬m3；新建小型水庫19座，設計總庫容2850萬m3，興利庫容2150萬m3；規劃對雪野、楊家橫、東周、勝利、石塢等5座水庫進行增容建設；規劃新建57座攔河壩，攔蓄水量合計3377萬m3。

3.4模擬過程及結果

3.4.1模擬基本過程

研究模擬過程詳見圖1。

圖1 模擬過程流程圖

3.4.2模型網絡圖

模型網絡圖詳見圖2。

圖2 “自然—社會”遞進式模型網絡圖

3.4.3不同水平年工程條件下流域節點水源條件模擬關鍵技術

a.水源水力與水利聯系的處理

需水量是計算可供水量的重要因子，根據水源與用戶的對應關系，當系統存在多水源用戶時，應當注意由于需水量重復計算而導致可供水量的計算錯誤。

水源水利聯系處理，在于正確確定水源的需水量。后序水源的需水量應當為相關用戶的需水量扣除各用戶從前序水源得到的供水量之差，通用的表達式為：

式中：X（t）——某水源計算可供水量時的第t時段需水量；

M（i，t）——該水源服務的第i用戶的預測第t時段需水量；

G（i，t）——該水源服務的第i用戶從前序水源獲

得的第t時段需水量，當第i用戶未從前序水源獲得水量，該項取零；

m——該水源服務的用戶數，通過供需關系矩陣識別。

在區域水資源可供水量計算中，除了源頭水源工程和人為界定的獨立水源工程具有獨立且確定來水過程，大多數水源來水由上游退水和本工程區間的來水組成。通用表達式為：

式中：Q（t）——某水源第t時段來水；

QJ（i，t）——該水源上游相關第i水源第t時段棄水量；

QB（j，t）——該水源上游相關第j用戶第t時段回歸水量；

QD（t）——該水源控制的區間面積的來水量；

m1——該水源上游相關水源的數量，由源匯關系矩陣識別；

m2——該水源上游相關用戶的數量，由用戶水源關系矩陣識別。

b.水源之間的源匯關系

該關系反映水源之間的水力聯系，i水源與j水源間的源匯關系定義為：

設系統中有m個水源，源匯關系將形成m×m的源匯關系矩陣。

利用源匯關系矩陣可以方便計算水源的來水，見公式（2）中的第一項。

c.水源與用戶之間的供需關系

該關系反映水源與用戶之間的水利聯系，它是水源條件模擬的基本關系，i水源與j用戶間的供求關系定義為：

設系統中有m個水源，n個用戶，源匯關系將形成m× n的供需關系矩陣。

利用供求關系矩陣可以方便計算水源的需水，見公式（1），同時也是可供水量配置的基礎。

d.用戶與水源之間的回歸關系

用戶的回歸水是下游水源的來水組成部分公式（2），回歸關系反映用戶回歸水去向，j用戶與i水源間的回歸關系定義為：

設系統中有m個水源，n個用戶，源匯關系將形成n× m的回歸關系矩陣。

e.水源、用戶與河流的隸屬關系

為了便于計算各斷面徑流量，按子流域匯總，對每一水源和每一個用戶增加一個子流域的隸屬“屬性值”，利用各水源、用戶相同屬性值合并，即可得到各支流域出口不同工況的徑流量。

f.不同規劃水平年

經模擬計算，天然、現狀、規劃工程條件下，引汶補源入濟工程取水口多年平均來水量（1965～2011水文年）分別為130638m3、81793m3、63137萬m3。取水口不同工況年徑流量演變過程見圖3。

從模擬結果可以看出，隨著人類活動（包括下墊面的變化和蓄、引、提、灌等工程的實施）影響的日益加劇，引汶補源入濟工程取水口年徑流量呈現出減小的趨勢，但實施最嚴格水資源管理制度后，在總量控制格局下這種減小的趨勢不斷減緩，水資源的配置趨于合理。按照總量控制指標要求，將大汶河流域水資源調入淮河流域，可實現兩流域水資源的優化配置。

圖3 引汶補源入濟工程取水口不同工況年徑流量演變過程圖

4 結論與展望

總量控制格局下基于GIS的“自然—社會”遞進式地表水文模型實現了總量控制格局下統籌考慮水資源、宏觀經濟與社會活動的流域地表水資源綜合管理分析的功能，具有理論與方法的創新性，為流域相關工程規模的確定提供了技術支撐，對流域開發具有指導意義。

本文應用總量控制格局下基于GIS的“自然—社會”遞進式地表水文模型分析了琵琶山壩的可引水能力，為引汶補源入濟工程的順利實施提供了技術支撐，對工程調度具有指導意義■