黄河流域水量分配方案优化及综合调度关键技术/黄河流域水量分配方案优化及综合调度关键技术丛书

第1章绪论 1.1研究意义 黄河水少、沙多、水沙关系不协调，流域土地、能源、矿产资源丰富，是我国重要的能源化工基地、粮食主产区，也是国家“两屏三带”的主要组成部分，在国家战略格局中的地位十分突出。黄河是我国西北、华北地区的重要水源，以其占全国2%的径流量承担了全国15%的耕地和12%的人口供水任务，同时还承担着向流域外部分地区远距离调水的任务。黄河流域人均河川径流量为473m3，不足全国平均水平的1/4，是我国水资源极其短缺的地区之一。黄河流域是国家重要能源基地和粮食主产区，自20世纪70年代以来流域用水刚性需求持续增长，水资源供需矛盾不断加剧，黄河下游频繁断流。1987年国务院颁布的我国大江大河首*分水方案——《黄河可供水量分配方案》（黄河“八七”分水方案），是流域水资源管理和调度的依据，对黄河水资源合理利用及节约用水起到了积极的推动作用。但由于流域水资源情势发生了重大变化：水资源量持续减少、时空分布变异，用水特征和结构变化显著，常态问题与极端事件交织等，黄河流域未来将面临经济发展和水资源短缺的严峻挑战。 本书面向黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略需求，以黄河流域作为环境剧烈变化和缺水流域的典型代表，围绕变化环境下流域水资源供需演变驱动机制、缺水流域水资源动态均衡配置理论、复杂梯级水库群水沙电生态耦合机制与协同控制原理三大科学问题，以实现2030年前减少黄河流域缺水量10亿～20亿m3为攻关目标，以变化环境下流域水资源供需演变—动态配置—协同调度为主线，按照机理识别—规律揭示—理论创新—技术创建—示范应用的总体思路，突破具有物理机制的黄河流域经济社会-生态-高效输沙精细需水预测技术，创新统筹效率与公平的缺水流域水资源动态均衡调控理论方法，创建复杂梯级水库群水沙电生态多维协同调度技术与方法，发展缺水流域水资源动态均衡配置与协同调度理论体系，显著提升我国在缺水流域水资源配置与调度的科技水平。 1.2国内外研究进展 随着气候变化和人类活动影响的深入，流域水循环过程及通量发生了改变，对水资源产生了显著影响，水循环演变是应对水危机的重要基础和支撑，受国际社会、政府部门和学术界的高度重视，是政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）、美国国家自然科学基金会（National Science Foundation，NSF）等国际组织和政府部门关注的重大问题，是国际地圈生物圈计划（International GeosphereBiosphere Program，IGBP）和国际水文计划（International Hydrological Programme，IHP）等关注的重大热点和前沿命题。解决水资源量不足短期在节水、长期靠调水；解决水资源时空分布不均的关键在于优化调配。美国依靠需水控制在20世纪80年代实现了用水负增长，以色列凭借先进节水技术支撑经济发展，新加坡、澳大利亚等国家通过多水源+严格管理+科学调配破解了水资源不足的问题。国际上，过去30年间，水资源优化配置与调度技术从以单纯追求一个目标*优的择优准则，向由复杂事物固有的多目标优化满意准则转化；从单一整体、功能有限的模型结构形式，发展为分散的、多层次的而且能协调和聚合的多功能模型系统。流域水资源配置未来的一个发展方向就是要平衡各类关系、遵循各类决策机制，实现综合用水效率*高。水资源调度向统筹供水、发电、生态等需求的综合调度技术发展。 1.2.1流域广义水资源评价方面 1.我国北方气候变化观测事实及未来预估 地表水资源量受降水、气温、日照等多个气象因素影响，在全球气候变化的大背景下，我国北方各类气象因素呈现出不同的时空变化特征。高继卿等（2015）基于实测站点的分析结果表明，我国北方降水以小雨、中雨为主，降水日数和小雨频数均有不同程度减少。降水的季节性和区域性特征明显，夏、秋季节降水日数和降水量均有下降，冬季降水有所增加（宁亮和钱永甫，2008）。暴雨在华北地区和北方半干旱地区有所减少，而在西北地区有所增加（王炳钦等，2016）。与之相比，年均气温、极端气温普遍呈显著上升趋势，高纬度地区无霜期明显延长（翟盘茂和潘晓华，2003；郭志梅等，2005）。受变暖影响，我国北方大约80%地区干旱有加剧迹象，其中春季干旱化尤为严重（史尚渝等，2019）。海河流域潜在蒸散发呈现出下降趋势，而黄河中上游区域均有所上升，风速、辐射等气象要素在整个区域都呈下降趋势，其中风速下降趋势十分显著（刘昌明和张丹，2011；周志鹏等，2019）。 基于大型环流模型（general circulation models，GCMs）和区域气候模式（regional climate models，RCMs）的模拟结果表明我国北方气温升高的形势更为严峻，极端天气发生频率也将持续增加。在全球升温2℃的背景下，我国北方气温增幅在3℃左右，且在排放情景特别报告（special report on emissions scenarios，SRES）A1B、A2和B1情景下，增暖幅度均随海拔增大（姜大膀和富元海，2012；李博和周天军，2010）。Chen和Frauenfeld（2014）评估了20个第五次耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5，CMIP5）模式数据模拟我国气温变化的精度，在低、中、高三种典型浓度路径(representative concentration pathway，RCP)（RCP2.6/RCP4.5/RCP8.5）下，我国气温变化倾向率分别为0.1℃、0.27℃、0.6℃，其中北方气温增幅更大。此外，极端气象事件仍将持续变化，SRES B2情景下高温事件增加，作物生长季随之延长，低温天气发生频率显著减少，极端降水事件基本呈上升趋势。基于CMIP5的多模式结果评估同样表明，我国未来年降水量、小雨、中雨、极端暴雨的量值均有明显增加，其中我国西北地区各项降水指标增加*为明显，其次为华北地区（Chen，2013；Zhou et al，2014）。 2.水文模型水循环模拟 水文模型同样基于水量平衡，将复杂的水文过程概化，采用不同的经验公式估算流域内植被截流、下渗、蒸发、产汇流等水文循环中的关键过程，从而可以描述不同气候条件下流域中水文循环各要素的演变。水文模型是在水文预报方法的基础上发展而来的，但受计算机能力限制，早期的集总式模型将流域看作一个整体，通常以降水等气象条件作为主要输入，使用可调整的经验参数描述流域内植被、土壤、河道等信息，集总式水文模型结构简单、便于应用，在20世纪60～80年代得到了广泛的应用，常用的集总式水文模型主要包括斯坦福水文模型（Stanford watershed model）、水箱模型（tank model）、新安江模型等（吕允刚等，2008）。与Budyko方法类似，集总式水文模型也是用于模拟流域内整体的水量变化情况，但其能模拟更精细的时间尺度（小时、日尺度），也常应用于洪水预报（陈洋波和朱德华，2005）。不过，集总式水文模型无法考虑流域内气象、植被、地形、土壤等关键参数在空间上的差异性，且其参数的物理意义并不明确，因此不能准确地反映气候和下垫面变化的影响，近年来已经无法满足人们在水资源精细化管理等方面的要求。 随着科学技术的日益进步，国内外的学者们更趋向于定量地描述水文循环过程中各要素的时空变化特征。基于数字高程信息的流域分布式水文模型在*近三四十年发展迅速，为定量模拟气候变化和人类活动对水文循环的影响提供了技术支撑。分布式水文模型也称为物理性水文模型，其根据数字高程模型（digital elevation model，DEM）将流域划分为若干个网格，每个网格都具有对应的土壤、植被信息，在能量和水量平衡的基础上，采用具有明确物理意义的公式，模拟每个网格的水文循环过程，模型每个网格间存在水量交互，根据DEM可以确定网格间的流向信息，详尽的时空分布结果可为政策制定和管理提供更准确的数据支撑。分布式水文模型内部参数都具有明确的物理意义，因此从理论上来说各参数（如河道坡度、土壤孔隙度、下渗能力、反射率、导水系数、植被不同季节的叶面积指数、根系深度等）数值都可以通过野外实测得到，能直接应用于无径流观测资料地区的水文模拟。目前开发的分布式水文模型主要有分布式水文土壤植被模型（distributed hydrology soil vegetation model，DHSVM）、丹麦水力学研究所开发的MIKE SHE分布式水文模型、适用于干旱半干旱地区的中小尺度分布式水文模型（Tsinghua Integrated Hydrological Models for Small Watershed，THIHMSSW）等（陈仁升等，2003；王中根等，2003；刘闻等，2012）。相较概念式模型，分布式水文模型能更准确地描述流域下垫面变化的影响。 分布式水文模型的发展为水资源的精细化管理提供了便利，但在应用中仍存在一些问题及困难：①模型在结构和参数上存在不确定性。模型中用来描述水量、能量平衡过程及下垫面特征的参数众多，模型中假定各参数间互相独立，但实际上气候因子、土壤、植被之间存在紧密联系，例如叶面积指数对根系发育有较大的影响。②模型结构复杂，参数的率定及验证过程缓慢，计算负荷较大，同时存在多组参数返回相同的模拟结果这一问题（异参同效），因此*优参数可能与实际情况相悖，这使得模型参数确定变得更加复杂。③为满足模型中物理公式的计算要求，模型对输入数据要求高，通常要求高分辨时空尺度的气象数据和精细的土壤、植被、地形等下垫面数据，在人类活动影响下往往还需要结合人类活动取用水信息进行模拟，因此在无资料和资料缺乏地区难以构建分布式水文模型，也往往无法验证模拟结果。 为满足水资源时空变化分析的需求，同时减少计算负荷，半分布式水文模型根据流域特征划分计算单元，在计算单元上采用集总式模型进行计算。目前常用的半分布式水文模型主要有SWAT（soil & water assessment tool）、HBV（hydrologiska Byrans vattenbalans）、WEP（water and energy transfer process）、VIC（variable infiltration capacity）、TOPMODEL（topography based hydrological model）等。基于半分布式水文模型可以得到流域内各计算单元上的蒸发、入渗、截流、产流、土壤水等信息对气候和下垫面条件的响应。以SWAT为例，模型先将流域划分为多个子流域，并根据地形、土壤、植被、管理措施等信息，进一步将子流域划分为若干个水文响应单元（hydrological response units，HRU）。HRU即为SWAT模拟中*基本的计算单元，HRU内部包含了降水、植被截流、蒸发、下渗、产流等水循环过程中的基本要素。类似地，WEP模型也将流域划分为多个子流域和等高带，不过HRU之间并不存在空间关系，而等高带之间具有上下关系，即等高带间存在水量流入、流出的交互过程。 3.水文过程对气候和人类活动的响应 气候变化和人类活动对天然水文过程造成的影响是长远且深久的，一方面，降水、气温等气象条件的变化使区域水量、能量平衡状态发生改变，直接影响着区域蒸散发和径流量；另一方面，水利工程的兴建改变了径流的年内过程，蒸散发条件、降水入渗和产汇流过程受地形和植物覆被影响（Kramer and Soden，2016；张成凤等，2019）。观测事实和模拟结果表明我国气候已经发生了很大的变化且仍将持续，社会经济的发展也使得人类活动的影响无可避免，因此，研究水文过程在变化环境下的演变规律可为水资源