基于分布式水文模型的水功能区设计流量研究

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1、基于分布式水文模型的水功能区设计流量研究基金项目：国家自然科学基金(51179203,51021006,40830637)、国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07201006)、中国水利水电科学研究院科研专项(资集1116)作者简介：胡鹏（1985-），男，湖北松滋人，工程师，主要从事二元水循环模拟与调控研究。E-mail：hp5426@126.com胡鹏，周祖昊，贾仰文，周娜（中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038）摘要：通过建立流域分布式水文模型，并实现对于枯水期流量的有效模拟，结合水功能区设计流量核算规则，提出了基于分布式水

2、文模型的水功能区设计流量计算方法。将此方法应用于松花江流域，对流域内300个水功能区的设计流量进行了计算，并考虑取用水、下垫面和调水工程等因素的影响，对流域在2020年和2030年水循环情景下水功能区设计流量的变化情况进行了计算和分析。结果显示，在未来情景下流域内水功能区设计流量整体呈下降趋势。以松花江干流上设计流量下降幅度较大的扶余站和哈尔滨站所在水功能区为重点研究对象，提出为上游丰满水库设置230m3/s最小下泄流量的优化解决方案。关键词：水功能区；设计流量；纳污容量；分布式水文模型；松花江流域1研究背景为了促进水资源的合理开发和有效保护，我国于2011年颁布了《全国重要江河

3、湖泊水功能区划》，将全国主要河流和湖泊划分为保护区、缓冲区、开发利用区和保留区共4类水功能一级区2888个，其中1133个开发利用区又被划分为饮用水源区、工业用水区、农业用水区、渔业用水区、景观娱乐用水区、过渡区和排污控制区共七类水功能二级区2738个。2011年，中央一号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》中明确提出确立水功能区限制纳污红线，从严核定水域纳污容量，严格控制入河湖排污总量。水功能区纳污容量的确定主要是通过在设定水文条件下，某种污染物满足水功能区水质目标要求所能容纳的最大数量来计算[1-2]，设计流量的大小对于河流水功能区纳污容量有着直接的影响。目前，我

4、国各大流域对于水功能区设计流量的具体核算方法有所差别，但主要均是根据长系列实测数据，选取一定保证率的枯水期流量作为设计流量。采用历史实测数据核算水功能区设计流量保障了结果的可靠性，但同时也存在着以下几方面的问题：（1）需要对每个水功能区单独进行计算，导致在实际工作和科学研究中工作量较大；（2）完全通过实测数据推求，不利于变化环境下水功能区设计流量演变规律的研究；（3）水文实测资料不足或无资料的地区数据处理困难。目前国内外对于水域纳污容量的研究主要集中在给定水文条件下通过水质模型计算水域纳污能力上[3-7]，而对于所给定的水文条件即设计流量却研究较少。徐小燕等[8]以珊溪水库为例探

5、讨了不同取值方式对于设计流量大小的影响，提出了适合南方地区水功能区设计流量的计算方法。在人类活动的水文影响方面，有大量关于人类活动对于河川径流影响规律的研究[9-12]，但少有关于人类活动对于枯水期径流量以及水功能区设计流量的研究，ShaliniOogathoo[13]应用MIKESHE模型对加拿大Canagagigue-10-Creek流域进行了模拟，并设定情景进行水资源演变分析，在城市化的情景下洪峰流量减少，枯水期流量增加。同样在分布式水文模型研究方面，绝大多数研究也只限于对于全年径流过程的模拟分析，少有专门针对枯水期径流模拟的研究。针对上述问题，本文提出了一种利用分布式水文

6、模型计算水功能区设计流量的方法，并利用模型对研究区未来情景下枯水期径流量和水功能区设计流量变化情况进行了分析，提出了相应的应对措施。2研究区概况和资料收集松花江流域位于中国东北地区北部，介于北纬41°42′—51°38′、东经119°52′—132°31′之间，行政区划包含黑龙江省全部、吉林省大部、辽宁省和内蒙古自治区一部分，总面积55万km2。2009年流域总人口近6000万，GDP约1万亿元，是中国重工业城市的集中地、重要农牧业生产基地。流域多年平均降雨量537mm，其中汛期6—9月的降水量占全年的60%～80%，冬季12月至次年2月的降水量仅为全年的5%左右。流域地处中高纬

7、度地区，冬季寒冷漫长，年负温期5个月左右，季节性冻土与多年冻土广泛分布，河流一般11月进入冰封期，次年4月解冻。流域水系主要包括北部的嫩江、南部的第二松花江以及二者汇合后的松花江干流三大干流水系。松花江流域共有水功能一级区207个，其中73个开发利用区又分为166个二级区，不同类型水功能区共有300个。松花江流域水功能区一级区及主要水文站点分布如图1所示。对研究区进行历史过程以及未来情景下分布式水文模拟所需资料主要包括地表高程、土地利用、土壤质地、气象、水文、社会经济、用水、水利