基于分布式水文模型GBHM的河流闸坝调控研究

吕继强 刘俊 沈冰 孙夏利 侯志强 慕登春 张媛 聂启阳

摘要：以秦岭北麓半干旱区城市河流为例，构建分布式水文模型与河段水量平衡模型，分析区域气候变化、河流上游水利工程蓄水运行及下游城市段橡胶坝蓄水调度对河流水量水质的影响，并依据不同水平年的水文模拟计算结果，制定变化环境下河流下游闸坝水量水质调控方案。研究结果表明：通过构建分布式水文模型，研究流域水文与气象要素、水库建设运行与灌溉取水等人类活动对河流水文过程的综合影响，是降低河流水资源管理风险及不确定性的有效途径之一；以下游河段水量、水质监测等数据为基础，开展变化环境下橡胶坝水量水质随机模拟与调控，制定的水量水质优化调控方案可以有效缓解河流水污染状况。

关键词：水文学；GBHM模型；城市河流；景观水体；水质与水量调控

中图分类号：TV213.4 文献标志码：A Doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.09.015

受全球气候变化以及人类活动的影响，流域水循环发生了显著变化，许多地区面临洪水、干旱、环境污染等严重问题。半干旱区水资源不足，长期存在水资源时空分布与流域经济发展布局不协调问题。城市河流水生态系统受人类活动影响强烈，河流自然水文演化过程逐渐被改变，半干旱区河流下游城市段不合理的闸坝调控模式加剧了水资源紧张与水生态环境恶化问题。研究闸坝工程对河流环境的影响、减少闸坝蓄水引起的河流生态系统退化或破坏问题，对流域水环境保护具有重要意义。国内外学者围绕气候变化与人类活动对河流水文情势[1-2]、水环境的影响[2-5]，开展了很多有意义的研究。夏军等[6]探讨了淮河流域人类活动影响下河流生态需水量难以保障问题，定量评估了闸坝工程对河流水生态系统的影响程度；Hayes等[7]、Burke等[8]探讨了闸坝调度运行对河流水质、水量演变所起的作用；左其亭等[9]通过实地闸坝调控试验，确定重污染河流闸坝最优下泄流量，以提高河流水体的自净作用。上述研究多以定性分析、数值模型模拟预测闸坝工程对河流水环境的影响，缺乏气候变化与人类活动共同影响下，典型城市河流上游与下游不同类型闸坝工程调控、水资源利用对流域不同河段的水质与水量研究。另外，由于水文观测数据匮乏，已有研究在枯水期闸坝工程对水生态环境的影响认识不充分，因此需要面向全流域探索城市河流闸坝蓄水运行对水生态环境的影响。

笔者以典型城市河流灞河为研究对象，开展以下研究：①依据气候变化及人为干扰（城市化、水利工程建设运行）引起的气象、下垫面条件变化、水文地质条件变化，进行分布式水文模型结构调整和模型参数率定，反演不同水平年流域上中游的产汇流过程；②以下游河川径流过程、下游城市段水体自净能力、生态基流为约束条件，进行河流橡胶坝水量水质调控模拟计算，分析河段水循环规律，以确定河流下游城市段橡胶坝水质水量优化调控方案，改善重度污染河流水生态环境，提升水功能价值与综合效益。

1 资料与方法

1.1 流域特征

灞河是秦岭北麓西安市东部渭河最大的一级支流，连接秦岭、渭河两大生态区域，是西安市的主要水源地之一，全长104.1km，流域总面积2581.0km2。灞河流域地势南高北低，从源头到下游大致可以分为秦岭山地、横岭丘陵、黄土台源和川道平原等地貌类型区。灞河上游支流辋川河中段建有李家河水库，总库容为5690万m3，是西安市重要的生活水源之一；下游平原区河道内建有2座橡胶坝，承担城市防洪调度与水景观蓄水调控任务。灞河流域DEM、水系及站点分布如图1所示。

目前，灞河流域水资源未实现统一调度，上游水库与下游城市段橡胶坝蓄水使下游河道水量减少，水流缓慢，水体自净能力下降，河流水生态环境持续恶化。依据2011年《渭河流域水污染防治考核办法》，灞河水质的考核因子為化学需氧量（COD）和氨氮（NH：-N）。根据2013-2016年灞河下游污染调查与水质水量监测结果，灞河下游全年水质普遍低于Ⅳ类水标准。

1.2 资料及研究技术路线

采用1990-2010年灞河流域上中游10个气象站点的气象数据与1个控制性水文站的径流数据（站点位置见图1），流域DEM高程、土地利用、植被覆盖数据，下游城市段河流景观水体水质水量监测数据，建立流域上中游分布式水文模型及下游河道水量调控模型，开展流域产汇流模拟、下游河段橡胶坝调控情况下的河段水量、自净流量、生态基流量等模拟计算。图2为水量调控研究技术路线。

1.3 分布式水文模型选择与改进

YANG D.W.等[10]提出的流域分布式水文模型（GBHM）以山坡的坡面及其下垫面为基本计算单元，考虑地形、土壤、植被、气象等信息的空间变化对水文过程的影响，具有较好的水文模拟效果。模型已在南方湿润、北方半干旱流域得到较多应用，验证了模型的可靠性和合理性[10-11]。

1.3.1 GBHM基本原理

GBHM建立在DEM及GIS基础上，由流域空间信息库、水文计算模块、输入模块与输出模块4个主要部分组成。模型利用网格型DEM提取河网水系、子流域范围、坡度、坡向等网格特征，首先将流域划分为许多较小的子流域，然后将子流域进一步划分为汇流区间和山坡产流单元[11]。GBHM水循环示意见图3。

山坡产流单元的水文计算包括以下几方面[10-11]。

（1）蒸发量估算。蒸发量通过潜在蒸发能力计算得到，计算考虑植被覆盖率、冠层叶面积指数、土壤含水量及根系分布，包含植被冠层截留蓄水的蒸发率计算、根系吸水经植被冠层叶面的蒸腾率计算、裸露土壤蒸发率计算。

植被冠层截留蓄水的蒸发率计算公式为

Ecanopy=KcEp（1）式中：Ecanopy为植被冠层截留蓄水蒸发率；Kc为参考作物系数；Ep为潜在蒸发率。

根系吸水经植被冠层叶面的蒸腾率计算公式为式中：Ktr（z）为土壤深度z处的蒸腾率；f1（z）为植被根系沿深度分布函数；θ为土壤蓄水量；f2（θ）为土壤蓄水量函数，土壤蓄水量大于等于田间持水量时f2（θ）=1，土壤蓄水量小于等于凋萎系数时f2（θ）=0，其间为线性变化；LAI为植物叶面积指数；LAI0为植物在一年中的最大叶面积指数。

裸地蒸发率计算公式为

Es=Epf2（θ）（3）式中：Es为裸地土壤表面的蒸发率；在地表蓄水的情况下，f2（θ）取1。

（2）非饱和带土壤水分运动。降雨入渗和蒸发蒸腾均通过非饱和带，用一维Richards方程描述非饱和带沿垂直方向的土壤水分运动，并采用有限差分方法求解Richards方程，非饱和带土壤水分运动模拟时间步长取1h。垂向土壤水分运动的一维Richards方程为式中：s（z，t）为源汇项；qv为土壤水通量，可以由达西定理计算得到。式中：ψ（θ）为土壤吸水力；K（θ）为非饱和土壤的水力传导系数。

（3）坡面汇流与河道汇流。首先假定汇流区间内所有山坡单元的坡面汇流和地下水产流都可以直接进入河道，采用一维波动方程将子流域河网概化为一条主河道，然后依据汇流区间距河口距离，进行汇流演进计算。用一维Richards方程可以计算出山坡的超渗产流和蓄满产量，坡面产流经过地表截留后流入河道，在较短的时间间隔内坡面流可以用Manning公式按恒定流来计算。模型基本计算单元为坡面流单元，减少了计算单元的数目，同时考虑土地利用类型、土壤状况、气象条件、地形地貌等流域空间特性，可以缩短计算时间，并且提高模拟精度。单宽流量计算公式为式中：qs为单宽流量；n为坡面的Manning系数；β为河床坡度；h为扣除地面截留后的净雨深。

（4）地下水与河流之间的交换。按达西定理计算饱和含水层与河道的水量交换，所有网格均由河道相连接，网格内的地下水位可通过河道来调节。一般情况下，山区地下水会流入河道，平原区河水对地下水有补给作用。

1.3.2 主要参数及确定

模型描述水文过程物理机制明确，可根据流域具体情况增加模块，调整模型结构和参数。模型参数均为物理参数，一般源于实测数据，包括植被和地表参数、土壤水分参数和河道参数等。GBHM所需参数类型以及参数获取方法参见文献[11]。

1.3.3 模型结构调整与参数更新

人类活动对降雨产流与汇流过程影响较大，如水库运行、灌溉及城市绿化取水等，均直接影响城市河流的径流量及径流过程，进而影响下游城市段水环境。本文根据流域实际情况，通过对水库运行、灌溉与绿化取水等人类活动引起的水文过程进行概化，在GBHM计算单元中增加流域水库运行等模块，以提高变化环境下流域水文模拟效果。模型结构调整框架见图4。

1.4 基于水量平衡法的河段水量调控模型

依据河段水量平衡原理，以分布式水文模型模拟的上游河道来水过程和断面平均临界流速为约束条件，构建河段水量调控模型，模拟计算橡胶坝抬升不同高度情况下，库区断面平均流速、区间耗水量、渗漏量。路璐[12]开展的区域河段水环境试验表明：流量增大，水体流速加快，水体自净能力增强，水体污染物浓度降低；当流量大于0.299m3/s（断面平均流速大于0.01m/s）时，河道水体中TP、COD、NH3-N浓度明显降低。据此本文将橡胶坝库区水体流速约束条件设置为断面平均流速大于0.01m/s，以达到提升水体自净能力的目的。

1.4.1 基于水量平衡法的河段水量计算

考虑橡胶坝库区人流量、泄流量、库区水面面积、降水量和水面蒸发量，建立水量平衡方程：

△W=W降+W入-W渗-W取-W取-W出（7）式中：ΔW为橡胶坝库区的蓄水变化量；W降为研究时段的降水量；W入为橡胶坝库区的人库水量；W蒸为研究时段的水面蒸发量；W渗为橡胶坝库区的渗漏水量；W取为橡胶坝库区取水量；W出为流出橡胶坝库区的水量。

1.4.2 随机相关机会约束模型模拟与求解

模拟计算中各目标按照优先级依次为河段平均流速大于断面平均临界流速、流量大于生态基流、渗漏水量损失最小化、蓄水量最大化、水面面積满足景观要求。河段水量平衡模型模拟计算，在目标保证率大于90%情况下，输出河段平均流速、流量、各橡胶坝控制高度、渗漏水量、蒸发量，并采用Tennant法估算生态基流量，控制生态基流量大于上游入流量的10%。多目标随机相关机会约束模型及条件为式中：Pj为优先因子，表示各个目标的重要程度，Pj>Pj+1；uij为优先级j的第i个目标正偏差的权重因子；di+为目标i偏离目标值的正偏差；vij为优先级j的第i个目标负偏差的权重因子；di-为目标i偏离目标值的负偏差；Hik（y，ξ）为目标约束中的实值函数；Gj（y，ξ）为在不确定环境中的实值函数；、‘为目标i的实值；l为优先级个数；n为目标约束个数。

基于随机相关机会约束理论的多目标优化主要思想是在决策者给定优化目标后，在给定优先级下极小化与此目标的偏差，在给定保证率情况下得出随机变量的合理解。采用智能优化算法求解模型具体方法参见文献[13]。

2 结果与分析

以分布式水文模型模拟计算的不同水平年河川径流量为下游河道入库径流量，考虑水体自净能力、生态基流要求等约束条件，建立河流橡胶坝水量水质调控模型，通过随机模拟与智能优化算法求解，确定河流下游城市段橡胶坝的蓄水高度。

2.1 变化环境下流域水量模拟与水量变化分析

由于下游城市段内无流量观测站，缺乏水文资料验证模型，因此径流模拟主要依据上游气象、水文和地形资料进行GBHM参数率定。模拟过程分为两阶段：

①上游（灞河马渡王水文站以上，见图1）水文模型构建与参数率定；②应用上游模型，开展下游城市段人流过程计算。

上游径流过程模拟的率定期为1990-2000年，验证期为2001-2010年，模型率定期和验证期实测月径流量和模拟月径流量的确定系数分别为0.87和0.79，相对误差分别为18.2%和12.6%，均符合《水文情报预报规范》（SL250-2000）实测径流误差小于20%的要求。模拟水库运行情况下1990-2010年下游河段的月径流过程（见图5），结果表明：水库运行后，灞河下游多年平均水量减少20%左右，汛期洪水总量减少30%。1990-2010年，遇水量较枯年份（2001年）下游水量减少比例最大为36%。根据橡胶坝库区水量平衡计算结果，橡胶坝蓄水运行后，河段天然河床渗漏量增大，增大水量约占河段径流总量的4%。因此，流域上游水库运行与下游橡胶坝蓄水可能是河流下游河段径流量减少、水污染加重的主要原因。

2.2 灞河下游城市段水量水质调控方案优化

灞河流域的径流以降水补给为主。流域降水年际变化大，丰水年灞河下游水量水质基本可以保证，但平水年及枯水年水污染现象易发多发。枯水期河道来水量少，水质较差，因此选择平水年和枯水年的月径流过程，开展灞河下游城市段水量水质调控模拟计算，分别制定一般年份和枯水年份的橡胶坝调控方案。以年径流总量为依据，并参考年内枯水期来水量变化，选择易发生水量水质问题的典型枯水年2001年（发生频率为90%）和典型平水年2005年（发生频率为50%）进行模拟计算。水量调控模拟计算以平均流速大于0.01m/s为约束条件、以提升水体自净能力为目标，开展河段水量调控随机模拟计算，计算结果分别见表1和表2。

3 结语

（1）灞河上游李家河水库位于流域降水集中区域，2015年水库运行后，流人下游城市段的汛期洪水总量减少30%，灞河下游多年月平均水量减少20%，水量较枯年份（2001年）下游水量减少比例最大为36%。枯水期水量较少，有可能加重下游河道水污染，因此有必要根据典型年水量变化，调整河道水量调控方案。

（2）针对来水过程的不确定性，建立基于多目标调控的随机相关机会约束模型，依次以河段平均流速大于断面平均临界流速、流量大于生态基流、渗漏水量损失最小化、蓄水量最大化、水面面积满足景观要求为目标，在保证率大于90%情况下，计算各橡胶坝调节高度、区间水量渗漏、蒸发量，可以提高水量水质调控效果。

（3）在河流下游城市段长系列水文监测资料缺失情况下，可依据分布式水文模型模拟反演历史时期气候变化、水库运行、灌溉等人类活动干扰情况下河道水量变化，并结合河段水质调查与试验结果，制定下游河道水量调控方案，有效缓解河流水污染状况。

（4）在河道闸坝调控方案制定过程中，由于缺乏水生态指标和长期水量监测数据，因此对水生态环境改善作用考虑有限。有必要结合流域地表、地下水量、水质指标、水生生物量数据，进一步改进调控方案。

（5）半干旱区水资源紧缺情况下，城镇化的快速发展进一步加剧了城市河流水污染。尽管采取了一些工程措施与非工程措施开展相关水生态修复与保护工作，使城市水生态环境得到一定程度的改善，但水资源承载力与不断扩大的水资源需求这一根本矛盾难以解决，因而水量水质调控方案研究显得尤为重要。

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