綜合性水文模型的應用—以深圳某流域為例

吳斌1 關芝良1 Balint Muzelak2

1深圳市康樂環境工程有限公司；2布達佩斯科技經濟大學

摘要：此文主要介紹由深圳市康樂環境工程有限公司（以下簡稱為我司）與匈牙利軟件工程公司（GeneralCom Engineering Ltd.），攜手布達佩斯科技經濟大學的環境與工程系（BUTE DSEE）共同研究開發新型的水管理決策支持系統（WateRisk Decision Support System）。該項目通過創建與流域治理有關的環境軟件及數據系統，依據最佳管理措施（Best Management Practice）的技術框架，基于地理信息系統的分析技術平臺，研究分析流域面源污染治理措施，并選擇試點，進行調試使用，從而達到減低和控制水資源的污染的目的。本文詳細闡述了該研究項目的三個主要步驟：模型設計原理和運算，試點地區的背景資料及試點地區結果示范。試驗結果顯示該模型的計算數據與實測數據有很強的相關性，因此驗證WateRisk能夠計算出流域相關水文參數。

關鍵詞：決策支持系統；地理信息系統；最佳管理措施

1前言

隨著城市土地的不斷開發利用，大量污染物沿途進入水體及附近流域，使得水質下降。雖然現階段已累計不少相關課題成果與科研技術，然而，暫未有成熟輔助的決策系統廣泛普及應用[1][2]。作為水資源管理控制的主要工具，水文模型的研究與應用已在國內外廣泛采用。因為它不僅為人們提供了更為直觀的水資源管理的科學認知與決策依據，還作為可持續性發展及利用水資源的有效工具[3][4]。因此，大力推廣水文模型的相關應用對深圳水資源管理有重要意義。

此文主要介紹由深圳市康樂環境工程有限公司與匈牙利軟件工程公司（GeneralCom Engineering Ltd.），攜手布達佩斯科技經濟大學的環境與工程系（BUTE DSEE）共同研究開發新型的水管理決策支持系統（WateRisk Decision Support System）。該項目通過創建與流域治理有關的環境軟件及數據系統，依據最佳管理措施（Best Management Practice）的技術框架，結合地理信息系統（Geographic Information System）的分析技術平臺，研究分析水庫流域面源污染治理措施，并率先以深圳為試點，進行調試使用，從而達到降低和控制水資源的污染的目的。本文詳細闡述了該研究項目的三個主要步驟：模型設計原理，試點地區的背景資料及結果。

2 WateRisk 綜合水文決策管理模型的設計原理

WateRisk 綜合水文決策管理模型（WateRisk IHM，以下簡稱為WateRisk）屬于物理性分配參數的配合系統（Physically-based distributed-parameter coupled model system）的一種.該系統通過用戶友好型界面和整合數據庫來體現全面方法論。該系統通過運用物理性的數字化水文模擬過程，對社會、經濟和環境進行可能性的水資源情景風險評估。由于研究水文過程不僅僅考慮其過程的各個獨立層面，還需考慮其內部因子互相作用的復雜性。因此，該系統充分考慮到水體流動之間的互相關系，并創新性的使用動態的相互連接到水文模型中。透過將垂直及水平的分布參數有限差值化（如植被、地形和土壤分層），構建成數字化的模型。此模型能將在土壤層面的重要水流動性循環過程用3D圖像直觀的呈現。WateRisk 整合水文模型（WateRisk IHM）概念模型可參見圖1。

圖1.WateRisk 整合水文模型的概念模型：箭頭指向為相互作用的方向；矩形為模塊；圓形框為誘因。

WateRisk IHM的具體設計算法原理由圖2可見。首先，水資源模型系統通過連接Saint-Venant公式的1D河流水動力模型、2D 線性級聯表面模型（或者淺水波方程式的算法）、1D 半數值整合表面和淺表水循環，并且將降雨量，積雪、融化及蒸發這些誘變量也考慮到經驗方程式中。而每個模塊之間的聯系則通過對相應的中間數據運算進行算法傳送而得出。一般而言，在特定模型的成分內的界定條件由其它模型決定，反之亦然。

圖2 1D及2D 模型計算方法：（a）通過整合確定的矢量及柵格

（b）圖示系統性描述水高度計地形地勢以及模型之間的相關關系。

（c）渠道及陸上水位

以地理信息系統為系統基底，WateRisk透過友好的GUI客戶操作界面來支持軟件在不同層面的廣泛應用（見圖3）。該系統提供了靈活的模塊與數據庫，使得用戶能依據自己特定的問題及比例，透過簡單操作從而建立自己的模塊。而且，經過運行WateRisk預運行模塊（pre-processor unit），該軟件還能簡單的輸出或輸入各矢量和柵格或導出不同的數據庫。因而，經過前處理的項目能夠使得WateRisk依照項目所需建立特定的數據。在數據預處理的同時，相關的獨立次級模型（如1D 水文動態，地表水，表面沉降等）的整合體也均能夠在軟件模型庫建立起來。并且，模型庫和模型創建工具里均有為參數化提供空間的大量次級模型及次級視窗可供選擇。

圖3 GUI界面的地理信息系統視覺化圖

當與環境相關的模型和數據庫被修改好后，模型便可開始運算。其結果將儲存以備日后分析。數據儲存的詳細信息（如儲蓄的頻率和保存數據的類型等）均能收藏于模型啟動過程內。由圖3可見，系統運算結果能通過地理模型（如餅狀圖、圖表、2D和3D地圖等）簡單的呈現出來。另外，系統亦能輸出不同形式的數據。因此，依據不同的變量，形成具有代表性的情景模型。通過比較已形成的情景模型，選擇最佳的算法。

3應用案例

在本次試驗項目實驗對象為支流河A與深圳某流域水庫的閘口。該閘口的主要目的是預防污水直接進入水庫中。依照設計，支流河A的排水量可達25 m3/s。當支流河A蓄水量高于管道承載量的時候，閘門需打開泄洪，否則將導致周圍的住宅區遭受洪澇災害。因此，支流河A間斷性泄洪問題會導致深圳水庫質量降低，尤其是在降雨量豐富的雨季。

依據相關分析結果可知，支流河A泄洪1小時，對水庫庫尾端的顯著性影響可持續24小時。就影響頻率而言，盡管泄洪條件視氣象狀況隨機產生，但通常在該河截排量達到一定的洪水水位才會發生。但由于截排工程規模限制，支流河A洪水達到泄洪水位并不難。從歷年泄洪幾率看：正常降雨量年份可出現三次泄洪天劍；雨量偏多的年份，泄洪條件可達八次；雨量偏少年份，亦有兩次泄洪。從此方面講，支流河A泄洪屬于已發的污染風險。而就污染特征來講，支流河A的泄洪風險由將于沖刷地表產生，又屬于面源污染的范疇。因此，支流河A的泄洪應從面源污染控制和以及處理兩方面實現。

綜合水文模擬系統是國內外現常見的能有效預測洪澇事故發生的應用模型，如黃河水利委員會開發的黃河防洪防凌決策支持系統、長江水利委員會與其他科研機構開發的長江防洪決策支持系統。通過預期將實現降雨和地表的聯動分析，在考慮蒸發和下陷等影響下更加準確的分析出產生洪水的實施特征，以及降雨對水工設施的沖擊強度，從而更加科學的控制水工設施的運行，降低雨洪對水源水質的影響，減少不必要的水庫泄洪，為水工設施管理提供決策服務。

4 目標及模型建立

本實驗目的是在WateRisk IHM 系統上建立水文系統來檢驗支流河A的現狀并提高其水質。校正模型能夠幫助我們透過考慮河床沉淀、應急池的設計以及管理措施等參數來評估不同的情景下的模擬情況。盡管WateRisk IHM 能夠成功模擬出地表及地下相互反應的復雜水文過程，但由于缺少合適的測量數據以及水文系統本身的復雜性，例如構建地下水模型所需的地下水測量數據及土壤信息，因此，此次試驗選用簡化的模型從而避免缺少數據的難題。所以，地表水模型則依據霍頓入滲公式等式來表達出簡化的滲透。

霍頓入滲公式（Hortons Equation）：

其中ft：t時刻的入滲率；fc：穩定入滲率；f0：t=0時刻的初始入滲率；e：自然對數底；k：遞減指數，與土壤的物理性質有關。

依據模型的不同，深圳某流域的降雨徑流過程可分為兩個部分進行區分計算。自然區域采用20x20m的地形網格來表示二維地表模型，而密集的居民區則利用一致的線性聯級模型（Linear-cascade model）再細分為多個獨立的反應體（見圖4）。由Saint-Venant 公式算出1D河流水動力模型后通過延長河流橫斷面與二維地表模型聯系起來。這不僅確認了河岸線，還幫助結合地形網格來決定相互反應結點。

圖4居民區附近支流河A流域其子流域暴雨時的水流量

5 校正與結果

通過收集為期3年的日降雨量及4個在暴雨時在閘口測量的水位、閘口控制及每隔15分鐘的常降雨量，采用regression-simulation hybrid的算法，校準并提高了模型的有效性。盡管流域參數及曼寧粗糙度系數（manning roughness coefficient）能從土地利用圖、衛星圖及實地調研中獲得，但還需構建支流河A檢測計劃從而測量更多的相關數據，如頻率、檢測站及排水量等。雖然目前我們尚缺檢測計劃，但是由圖5可知，經過計算校正及有效化后，測量及計算的水位有很強的相關性。透過模型的計算，更為精確的水量計算。因此，我們不僅能夠估計在特定時間內的深圳某流域的相關參數，如雨水流失量及下滲率，還能預估由支流河A流過閘口及分流渠的水流量（見圖6）。

圖5三個分別于2009年及2010年間測量與計量水位

圖6 2010年7月22-23經過閘口及分流渠水流量

6 結論及展望

此水文流域模型以深圳某流域為試點，成功計算出支流河A于不同時間水位量，并證實與測量的相關數據有很強的相關性，從而驗證WateRisk IHM 系統能應用于深圳某流域水資源的相關參數的計算與預測。然而，盡管模擬數據結果證明該模型能進行校準，但是由于缺少大量支撐數據及時間序列，因此日后仍需收集大量的測量數據，特別是就支流水資源管理而言。因此，我們提出需要制定一個新的支流河A檢測計劃，協同水文系統組建決策支持系統。其具體內容包括：

1）修訂水閘運行規則

2）新的暴雨儲蓄應急評估方案（如對水庫的影響）

3）評估在標準降雨下的的洪澇災害的可能性

4）重建或更新分渠

5）檢測沉淀物分解的影響

6）預測短、長期影響

此次項目對支流河A及水庫的水質污染難題進行了階段性的研究，主要涉及兩個方面：1）支流河A的沉淀物運輸模型（sediment transport model）及污染傳播的河水模型（pollution transpost lake model）。前者考慮了支流河A下游的沉淀物（見圖7）。圖7b展示了該沉淀的預計厚度。如上文所提，這是支流A水庫開閘時，污染物進入水庫沉淀所致。后者則關于污染的傳播及反應。因此，湖泊模型是解決此項難題的關鍵。

圖7a支流河A的沉積； 圖7b模型預計沉積厚度效果圖

參考文獻：

[1]卓建民，張輝，馮衛東。深圳水庫水環境主要問題及對策探討.水資源保護.2006.6（2），12-14

[2]王東宇，張勇。2006年 中國城市飲用水源突發污染事件統計及分析[J].安全與環境學報。2007.7（6），150-155

[3]徐宗學 水文模型：回顧與展望 北京師范大學學報（自然科學版）Journal of beijing Normal University 2010-06 46（3）

[4]王永偉，劉芳宇.水資源管理決策支持系統的應用及其反戰趨勢.農業與技術.2010. 30（4）