太湖流域水资源综合规划数学模型系统

n 6 2 水 文 水 资 源 新 技 术 应 用 太湖流域水资源综合规划数学模型系统 刘克强， 孙海涛 ( 太湖流域管理局， 上海 2 0 0 4 3 4 ) 摘 要: 太湖流域是我国著名的江南水乡， 水流方向往复不定， 且受潮汐影响， 水文水资源技术工作难度比 较大。 借鉴以 往数学模型经验， 太湖流域开发了 太湖流域水资源综合规划数学模型系统， 对流域产流、 产污、 河网 水量水质以及湖泊水量水质进行了全面模拟， 同 时将空间地理信息和数据信息相结合， 实现模型库与地 理信息系统、 数据库系统集成为一体化操作平台。自 太湖流域水资源 综合规划数学模型系统研制完成以来， 在太湖流域规划前期研究中得到了广泛应用， 发挥了重要作用。 关键词: 水资源; 太湖流域; 数学模型 1 太湖流域特点 太湖流域地处长江三角洲南缘， 北滨长江， 南临钱塘江， 是我国经济最发达的地区之一， 流域内 有 上海、 苏 州、 无锡、 常州、 杭州、 嘉兴、 湖州等 大中 城市。 流域面积3 . 6 9 万k 扩， 占 全国面积的0 . 4 %， 流 域总人口3 8 8 7 万人， 城镇化率高达6 6 . 5 %, 2 0 0 3 年G D P占 全国的1 3 %， 财政收人占 全国1 9 %. 太湖流域地形呈周边高、 中间 低的碟状， 西部为山区， 中间为平原河网和以 太湖为中 心的洼地及湖 泊， 西部山丘区约占总面积的2 0 %， 中东部广大平原区约占总面积的8 0 %。太湖流域总水面积为 5 5 5 1 k 扩， 约占 流 域总面 积的1 5 %， 是我国 著 名的 江 南 水乡， 河网 如织， 湖 泊棋布， 河 道总长 约1 2 万k m ， 河 道密度 达3 . 3 k m / k m 2 ， 湖 泊水面面 积 超过0 . 5 k m 2 的 有1 8 9 个。 由于太湖流域大部分地区属典型河网地区， 地势平坦， 河网纵横交错， 水流方向往复不定， 再加上 流域内水工控制建筑物( 闸， 泵， 好， 堤等) 星罗棋布， 且还受到潮汐影响， 给水文水资源技术工作带来 了一定的难度。 2 太湖流域水资源综合规划数学模型系统 根据太湖流域特点， 借鉴以 往数学模型经验， 太湖流域管理局组织开发了 太湖流域水资源综合规 划数学模型系统， 该模型系统功能强大， 对流域产汇流、 产污、 河网水量水质以及湖泊水量水质进行了 全面模拟， 同时利用最新信息处理、 数据库与地理信息系统技术， 将空间地理信息和数据信息相结合， 建立太湖流域水资源综合规划系统， 实现模型库与地理信息系统、 数据库系统集成为一体化操作平 台， 操作灵活方便。 该模型系统自2 0 0 2 年底以 来， 历经3 年时间完成开发， 经太湖流域管理局组织专家审查认定， 专 家认为该模型系统基础资料翔实， 技术路线正确， 应用了新技术、 新方法， 提高了流域规划技术含量， 符合太湖流域特点， 可作为规划前期工作技术工具。 2 . 1 数学模型库 模型库主要包括降雨径流模型、 河网 水量模型、 废水负荷模型、 河网水质模型、 太湖湖流模型和太 湖湖区 水质模型等6 大模型。 降雨径流模型: 主要模拟太湖流域降雨径流关系及净雨汇流过程。鉴于流域独特的平原河网特 性， 且流 域无出口 控制断面， 难以 采用实测流 量资料估算天然水资源量， 但流域内 雨量站网 稠密， 故采 用日 降雨径流模型法可推求流域地表水资源量。考虑到流域地貌特征， 将流域分为平原区、 湖西丘陵 区及浙西山区三大片， 针对各片特点， 采用不同的产流方法。平原区产流分为水田、 早地、 水面、 城镇 及其他不透水层四 种下垫面进行产流计算; 湖西丘陵区产流也按上述四种下垫面， 汇流计算应用单位 中 国 水 利 学 会2 0 0 6 学 术 年 会 暮 _1 6 3 线， 并考虑塘坝和大型水库的调蓄作用; 浙西山区 应用三水源、 三层蒸发的新安江模型进行产流计算， 同样对大型水库进行调节计算。 河网水量模型: 主要模拟平原河网中的水流运动， 计算河道断面的水位和流量。该模型根据太湖 流域水文水动力学的特点， 基于明渠非恒定渐变流原理建立基本方程式， 同时模拟河道汉口 连接及各 种控制建筑物如水闸、 泵站的规模、 位置及其运行方式， 并对现状各类供水、 用水、 耗水、 排水进行专门 概化处理。 该模型以长江、 东海、 杭州湾的 潮位过程为边界条件， 考虑到河网受到潮汐影响的特点， 模 型计算步长为1 5 分钟。 废水负荷模型: 主要模拟流域内产生的废水量、 排放位置、 空间分布及污染物的排放过程。该模 型在太湖流域点污染源调查基础上， 重点研究非点源污染排放量和时空分布规律， 将非点源污染分为 城市和城镇降雨产污、 畜禽养殖污染、 农田降雨径流污染、 农村生活污染和水产养殖污染等5 种类型， 分别计算其流失过程， 并与G I S 技术相结合， 建立基于数字流域系统的分布式污染负荷模型。 河网水质模型: 主要模拟各河道段面的时段平均水质指标。针对以往水质模型“ 充分掺混” 假定， 该模型进行了水质求解方程非充分掺混求解的研究， 提出了非充分掺混的理论和求解方法， 并与理论 解及详细的数值解进行对比 研究， 证明 所提出的求解方法比 较符合实际情况。 太湖湖流模型和太湖湖区水质模型: 主要模拟各种风向、 风速情况下的太湖风生流流场， 模拟太 湖湖区一般水质指标， 解决河网水质模型中太湖来水的水质边界条件。 2 . 2 系统主 要特点 ( 1 ) 与G I S 技术紧密结合 与以 往的模型不同， 该模型系统与G I S 技术紧密结合， 利用地理信息系统技术， 将流域下垫面信 息( 分水面、 城市、 水田 与早地四 种类型) 、 行政分区及水利分区等地理信息数字化， 与空间概念结合起 来， 很好地解决了 产流与废水负荷模型中模拟要素空间分布问题; 同时， 也实现了太湖流域河网概化 图 与G I S 系 统的 藕合。 鉴于收集的电子地图或地图图册等地理信息数据的局限性， 本次模型系统研制仅将太湖、 兆湖等 大型湖泊及城镇与空间概念结合， 水田、 早地等下垫面信息在各分区面上平均分摊概化处理。考虑到 下垫面等基础资料可持续性， 模型系统提供了接口， 可更新下垫面等基础资料， 从技术上为进一步不 断提高模型模拟精度奠定了基础。 ( 2 ) 各模型可祸合计算 模型系统6 大模型并不是孤立的， 有的是一个模型为另一模型提供输人资料， 而大部分子模型间 是相互嵌套、 有机祸合的， 实现了水量水质藕合计算， 同时也实现了河流与太湖湖泊联算。各模型逻 辑关系见图t o 图1 各模型逻辑关系图 D 4 4 1水 文 水 资 源 新 技 术 应 用 ( 3 ) 后处理功能 系统在计算过程中自 动记录了计算范围内 所有河道断面及湖泊的水位、 流量、 流速、 水质、 来水组 成等多种参数的日 过程计算结果， 可供用户统计分析使用。 用户还可根据研究项目 重点关注问题， 事先设置输出图形要素或统计要素， 定义重点河段、 重点 断面、 主要区 域边界等需要关注的位置及其水位、 流量、 出人水量、 水质指标等需要输出的参数， 系统 即可在计算过程中按计算步长记录这些参数的详细计算结果， 并输出相应过程线图形及统计报表， 供 用户后处理使用。 3 模型系统应用情况 模型系统在太湖流域水资源综合规划、 太湖水量分配方案、 太湖流域纳污能力计算、 钱塘江河口 水资源配置规划浙北引水方案、 太湖流域防洪规划前期项目 研究中 发挥了 重要作用。 从应用情况看， 该系统功能强大， 实现了可视化建模、 可视化河网概化、 模型资料查询和编辑界面 化等功能， 系统操作方便， 可视化、 界面化的处理使系统应用自 如， 大大提高了效率; 可进行全流域平 原河网的藕合求解， 可在运行过程中实时干预运行工况， 实现了水量、 水质及来水组成的动态显示和 在线实时查询。系统具有方便的外部接口， 交互性、 实时 性强， 提供了 强大的二次开发功能。 总之， 从多个项目 的应用情况看， 太湖流域水资源综合规划数学模型系统功能强大， 运行稳定， 操 作方便， 具有较高的技术水平， 计算结果符合流域实际， 为太湖流域水资源管理提供了有力的决策支 持依据。 但也发现模型系统存在一些问题， 如太湖流域浅层地下水与地表水的交换机理、 水田回归水的规 律等， 本次模型系统尚未对此类问题进行详细研究， 日 后应深人分析模型系统存在的问题， 逐步完善， 使得模型模拟成果更加符合流域实际