新一代水文模擬系統的流域嵌套式強化觀測方案設計

張健+高云

摘要：氣候變化和高強度的人類活動對水文循環及其時空演變規律產生了重要影響，原有研究成果已不能真實反映現代條件下的水文變化規律。作為概念性模型的代表，新安江模型已不能適應變化環境下流域綜合水文要素的模擬，因此有大量應用基礎研究工作亟需加強。為解決這一難題，文章以新安江水文水資源實驗站改建項目為例，闡述嵌套式強化觀測流域設計方案的應用，在原有設施基礎上，嵌套增建了原型小流域及坡地水文綜合要素觀測場、嵌套式強化觀測流域、水文綜合實驗與分析測試中心及遠程接收中心。結果表明該設計方案能夠有效的提升數據資源類型及涵蓋面，為發展新一代水文模型系統提供數據支撐，為建設流域大氣-水文-生態綜合模型提供科學依據。

關鍵詞：嵌套式；流域設計；水文水資源實驗站；水文模型；水資源管理

中圖分類號：TV11文獻標志碼：A文章編號：1672-1683（2017）01-0039-04

Abstract：limate change and intense human activities have an important impact on hydrological cycle and its spatial and temporal evolution.The previous research results can no longer truly reflect the hydrological changes in modern circumstances.As the representative of conceptual models，the Xin′an river model is no longer suitable for the simulation of the comprehensive hydrological elements in the basin，so a lot of basic research work needs to be strengthened.To solve this problem，this paper takes the water resources experiment station of Xin′an river as an example，and expounds the application of the basin-nested enhanced observation scheme in practice.Based on the original facilities，an integrated observation field for prototype basin and slope land hydrology，a nested enhanced observation basin，a center for comprehensive hydrological experiment，analysis and testing，and a remote receiving center will be newly nested.Results show that the scheme can effectively increase data resource types and expand coverage，provide data for both the development of a new-generation hydrologic model system and the construction of an atmospheric-hydrological-ecological integrated model.

Key words：nested；basin design；hydrological and water resources experiment station；hydrological model；water resources management

新安江模型是我國自主研發的水文模型，得到國際水文機構和水文專業人士的認可，被廣泛應用于國內外水文預報的科研實踐中。然而，隨著近二十年以來氣候變化和流域內高強度的人類活動，水文循環及其時空演變規律受到深遠影響，傳統的新安江模型，已不能完全適應變化環境下流域綜合水文要素的模擬，還需要進一步發展和完善[1-5]。同時，2011年，中共中央、國務院出臺《關于加快水利改革發展的決定》，明確提出要強化水文支撐，加強水文基礎設施建設，2013年新安江流域生態環境保護也上升到國家戰略層面。但是目前新安江水文實驗站的實驗能力與新安江流域水資源與水生態保護國家戰略要求差距較大，氣候變化和人類活動對水文循環要素影響日漸加劇，作為概念性模型的代表，傳統新安江模型已不能適應變化環境下流域綜合水文要素的模擬[6-8]。

基于以上原因，存在大量應用基礎研究工作亟需加強，主要表現在：水文觀測站網布設與調整需加強研究；水文信息采集的自動化水平、新儀器、新設備的自主研發能力需提高等；氣候變化和人類活動強烈影響條件下的南方濕潤地區水文學、流域水生態水文學、實驗水文學、水文氣象各監測要素之間的耦合和綜合性分析等均需進一步加強研究[9-14]。

因此，進行嵌套式設計，結合傳統站點觀測、遙感、大氣模式再分析及數據同化系統技術[15-20]，是發展新時期流域多尺度全要素水文過程模型的必然要求。本文試通過分析新安江水文實驗站嵌套式流域強化改建設計方案，介紹新一代水文實驗站的建設方向，以期對未來揭示變化環境下南方濕潤地區流域水文及伴生過程的變化規律，發展新一代流域大氣-水文-生態綜合模型提供必要的數據基礎。

1 新安江水文水資源實驗站概況

新安江發源于黃山市休寧縣六股尖，隸屬于錢塘江水系，地跨皖浙兩省，為錢塘江之正源，是浙江省最大的入境河流。流域總面積12 151.2 km2，經富春江、錢塘江在杭州灣入東海。新安江水文實驗站是全國首批啟動的“十二五”期間規劃建設的3個水文站之一，是河海大學第一個省部級野外實驗站。現有的月潭、新亭、屯溪水文站分別設立于1958年12月、1970年12月和 1950年6月，在此基礎上建立了水文水資源基本規律實驗平臺，由土壤水分運動參數及其溶質運移模擬系統組成，可進行水文循環過程中水文基本要素的實驗研究，積累了大量翔實可靠的水文基礎數據。

然而由于建站時間久遠，儀器老化嚴重，實驗研究多為田間或點尺度的強化觀測，尺度小、不足以反映水文過程在不同尺度上的變異和聯系，尤其缺乏對“徑流場-小流域-中尺度流域-區域”等多尺度嵌套式水文全要素的研究；同時，流域位于浙江、安徽交界，流域內溪流縱橫，流域水系結構復雜，水文控制站數量較少，難以全面揭示入庫徑流及污染負荷的時空變化規律，導致對入庫水量的估算精度不高，服務流域水資源管理紅線監督和考核的科學水平有待提高，實驗研究基礎與實驗技術手段上都無法滿足當前經濟社會發展、氣候變化和人類活動影響對水文科學研究提出的新要求。

因此，改建新安江水文綜合實驗站，建設“徑流場-小流域-中尺度流域-區域”等多尺度嵌套式水文全要素觀測系統就成了刻不容緩的要求，同時也是系統開展變化環境下產匯流機制，建立流域多尺度全要素水文模型，以及提高服務新安江流域、太湖流域以及長三角經濟發達地區流域水安全的重要保障。

2 嵌套式水文全要素觀測方案設計

新安江實驗站改建項目總體方案見圖1，目前改建項目以“點-面”結合、“大-中-小”三級嵌套流域強化觀測為主線，以新安江模型理論方法為核心品牌，在進行流域植被分布情況調查和土壤特性分析的基礎上，建設一個原型小流域及坡地水文綜合要素觀測場（溪口鎮中和村）、一個嵌套式強化觀測流域（屯溪以上）、一個水文綜合實驗與分析測試中心（黃山市甘棠鎮）以及一個遠程接收中心，構成一個以探索變化環境下流域水文水資源規律為目標的更為完善的新安江水文實驗站，研究變化環境下不同尺度流域水循環與物質（泥沙、污染物、生物）耦合機制，發展新時期流域水文全要素過程模型，其流域布局見圖2。

2.1 原型小流域及坡地水文綜合要素觀測場

觀測場布局見圖3，擬建設2個地形、坡度和形狀不同的對比小流域（M1和M2）實驗場，面積分別為0.35 km2和0.19 km2，以原型小流域為強化觀測單元，建設陣列雨量站1處，雨量站、墑情站20個，地下水位觀測井15個，流量監測量水堰4處，并在對應的地下水位觀測井和量水堰布設19個水樣監測點，開展流域產流、產污、產沙、水生態及匯流機理綜合實驗。

在以上兩個小流域實驗場內，設計不同典型下墊面條件的天然坡面徑流實驗場2處（建設面積5 000 m2，每個坡面規格為梯形構造，兩底分別為65 m、35 m），建設土壤水FDR觀測陣列各1處，建設壤中流、地表徑流嵌套測流池各1處，開展坡面降雨徑流實驗，研究不同坡面的地表與壤中流過程；同時設計坡面人工降雨徑流場2處（建設面積240 m2，其中設計降雨面積為200 m2，每個坡面5 m×20 m=100 m2），安裝人工模擬降雨系統和地面徑流監測配套系統設備1套，為了更好得應對模擬降雨時的要求，在以上設計內容基礎上新建提水泵站、蓄水池和輸水管道1套，建設土壤水FDR觀測陣列各1處，地下水觀測井各4處，研究垂向土壤不同深度的水分、地下水文過程，以及各個環節的相互作用機制。

2.2 嵌套式強化觀測流域

根據項目建設目標，屯溪以上嵌套式強化觀測流域按大小嵌套不同面積布設不同密度的雨量站點，呈村以上流域現有4個雨量遙測站，增加8個雨量遙測站；呈村至月潭區間現有4個雨量遙測站，增加9個雨量遙測站；新亭以上流域現有4個雨量遙測站，增加4個雨量遙測站；月潭、新亭至屯溪區間現有10個雨量遙測站，增加9個雨量遙測站，合計新增30個雨量遙測站；在月潭水庫增設1個水面蒸發要素監測站，1個氣象監測站；在流域有代表性的測點增設10個墑情觀測站和10個地下水位監測站；恢復呈村水文站1個，在原型小流域附近的中和村新建1個水文斷面，各安裝1套H-ADCP。具體嵌套式強化流域站網布局見圖4。

2.3 水文綜合實驗與分析測試中心

建設水文綜合實驗與分析測試中心，對小流域進行精細化監測分析，對水分和污染要素在土壤中遷移轉化進行水質和同位素監測分析。水文綜合實驗與分析測試中心擬建于安徽省黃山市甘棠鎮河海大學黃山培訓中心，主要由土壤分析室、樣品預處理室、水質檢測實驗室、流域生態學實驗室組成，配備液態水和水汽同位素分析儀、土壤要素分析儀、實時熒光定量基因擴增PCR儀等50臺套儀器設備。

2.4 遠程接收中心

遠程數據接收中心擬建于安徽省黃山市甘棠鎮河海大學黃山培訓中心，數據共享形式如圖5所示。擬架構流域水循環及相關信息一體化的采集與傳輸網絡系統，建立數據庫，配套應用軟件系統，實現實驗站野外監測數據的接收、處理、存儲、應用、共享等功能，充分發揮實驗站的價值。

3 結論

在已有設施的基礎上，通過嵌套流域的強化原型實驗，揭示變化環境下南方濕潤地區流域水文及伴生過程的變化規律，結合傳統站點觀測、遙感、大氣模式再分析及數據同化系統技術，發展新時期流域多尺度全要素水文過程模型，以新安江模型理論方法為核心，以現代陸面過程模型和流域水文模型為框架，發展新一代水文模型系統，建設流域大氣-水文-生態綜合模型，對于水文事業的發展具有重要意義。同時，整個嵌套結構的各節點均利用無線網絡進行連接，實現了采集、上傳、分析的自動化和智能化，是未來水文水資源實驗站發展的必由之路。希望在本實驗站的嵌套式強化觀測流域設計方案的實際應用，能夠為解決精確多尺度水文模型的建立，提供一定的實際經驗。

參考文獻（References）：

[1] 劉寧，高波.當代水利科技前沿[M].北京：中國水利水電出版社，2006.（LIU Ning，GAO Bo.Contemporary water conservancy science and technology frontier.Chinese[M].Beijing：China Water Conservancy and Hydropower Press，2006.（in Chinese））

[2] 芮孝芳.水文學原理[M].北京：中國水利水電出版社，2005.（RUI Xiao-fang.The principle of hydrology.Chinese[M].Beijing：Water Conservancy and Hydropower Press，2005.（in Chinese））

[3] 徐宗學，李景玉.水文科學研究進展的回顧與展望[J].水科學進展，2010，21（4）：450-459.（XU Zong-xue，LI Jing-yu.Progress in hydrological sciences：past，present and future.Chinese[J].Advances in Water Science，2010，21（4）：450-459.（in Chinese））

[4] 張金村，芮孝芳.分布式水文模型構建理論與方法述評[J].水科學進展，2007，18（2）：277-292.（ZHANG Jin-cun，RUI Xiao-fang.Discussion of theory and methods for building a distributed hydrologic model[J].Advances in Water Science，2007，18（2）：277-292.（in Chinese））

[5] Walter M T，Brooks E S，McCool D K，et al.Process based snowmelt modeling：does it require more input data than temperature index modeling？[J].Journal of Hydrology，2005，300：65-75.

[6] Reed S，Koren V，SmithM，et al.Overall distributed model intercomparison project results[J].Journal of Hydrology，2004，298：27-60.

[7] 張彥增，秦建文，喬光建.河北省平原區水面蒸發量變化趨勢及影響因素[J].南水北調與水利科技，2011，9（4）：63-65.（ZHANG Yan-zeng ，QIN Jian-wen ，QIAO Guang-jian.Changing trends of water surface evaporation and its influencing factors in the plain area of Hebei province[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology，2011，9（4）：63-65.（in Chinese））

[8] Michaud J，Sorooshian S.Comparison of simple versus complex distributed runoff models on a midsized semiarid watershed[J].Water Resources Research，1994，30（3）：593-605.

[9] Beven K J.Linking parameters across scales：subgrid parameterizations and scale dependent hydrological models[J].ydrological Processes，1995，9：263-282.

[10] Beven K J.Changing ideas in hydrology：the case of physically-based models[J].Journal of Hydrology，1989，105：157-172.

[11] Woolhiser D A.Search for physically based runoff model a hydrologic El Dorado？[J].ASCE Journal of Hydraulic Engineering，1996，122 （3）：122-129.

[12] Robinson J S，Sivapalan M.Catchments scale runoff generation model by aggregation and similarity analysis[J].Hydrological Processes，1995，9：311-330.

[13] Koren V.Hydrology laboratory research modeling system （HL RMS） of the US national weather service[J].Journal of Hydrology，2004，291：297-318.

[14] Loague K M，Freeze R A.A comparison of rainfall-runoff modeling techniques on small upland catchments[J].Water Resources Research，1985，21（2）：229-248.

[15] 張建云.中國水文預報技術發展的回顧與思考[J].水科學進展，2010，21（ 4） ：435-443.（ZHANG Jian-yun.Review and reflection on China′s hydrological forecasting techniques[J].Advances in Water Science，2010，21（4）：435-443.（in Chinese））

[16] Liu J T，Chen X，Zhang J B，et al.Coupling the Xinanjiang model to a kinematic flow model based on digital drainage networks for flood forecasting[J].Hydrological Processes，2009，23（9）：1337-1348.

[17] Peng D Z，Xu Z X.Simulating the impact of climate change on stream flow in the Tarim river basin by using a modified semi distributed monthly water balance model[J].Hydrological Processes，2010，24（2）：209-216.

[18] Lin C A，Wen L，Lu G H，et al.Real-time forecast of the 2005 and 2007 summer severe floods in the Huaihe river basin of China[J].Journal of Hydrology，2010，381（1/2）：33-41.

[19] 張東輝，張金存，劉方貴.關于水文學中非線性效應的探討[J].水科學進展，2007，18（5）：776-784.（ZHANG Dong-hui，ZHANG Jin-cun，LIU Fang-gui.Some comments on nonlinear effect in catchment hydrology[J].Advances in Water Science，2007，18（5）：776-784.（in Chinese））

[20] 沈永平，王國亞.IPCC第一工作組第五次評估報告對全球氣候變化認知的最新科學要點[J].冰川凍土，2013，35（5）：1065-1076.（SHEN Yong-ping，WANG Guo-ya.Key finding and assessment results of IPCC WGI fifth assessment report[J].Journal of Glaciology and Geocryology，2013，35（5）：1065-1076.（in Chinese））