利用MIKE BASIN模型软件构建流域水资源配置模型

李 鹏，肖 飞，高海菊

（水利部松辽水利委员会，吉林 长春130021）

1 总体思路

利用MIKE BASIN 模型软件，以松花江流域哈尔滨断面以上区域为样本区进行搭建，根据对流域水资源系统中人类经济活动所形成的水资源取、用、耗、排等关系及其特点的描述，建立以“生活、生产、生态”用水需求与天然水资源在水利工程调度运行下的供给与需求之间平衡计算为基础的模型。模型包含的要素较为丰富，主要采用了地表水、地下水、外调水、中水等多水源，以及引水工程、蓄水工程、提水工程等多工程的系统网络描述法，利用“点、线、面”的水量平衡关系作为水资源平衡计算的基础。

2 MIKE BASIN 简介

MIKE BASIN 是由丹麦水利与环境研究所潜心研发的一款集成式流域（区域）水资源规划决策管理支持软件。主要用于研究流域或者区域内受空间、时间等要素影响的水资源配置及水资源供需平衡的数学模拟工具，其特点是基于GIS 应用和开发，以ArcView 为平台，让用户自主建立模型，全部建模功能均在地理信息系统软件ArcView中实现，并能提供不同尺度的时空水资源模拟计算、数据交互及结果分析展示等。MIKE BASIN 以河流为主干，用户、工程以及分汇水点等为节点和相应水力连线组建流域系统图，以各类对象相应的属性建立的系统实现动态模拟。模型还考虑了地表水和地下水的联合调度，并对系统中的水电站、农业灌区和污水处理厂设置了相关计算，通过可调整修改的优先序或规则进行水量分配计算，用户可选择不同的扩展专业模块。

3 模型样本区基本情况

松花江流域哈尔滨断面以上区域包括嫩江、第二松花江流域及松花江干流的上游段（三岔河—哈尔滨区间），地跨黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古四省、自治区的哈尔滨市、长春市、吉林市、抚顺市、呼伦贝尔、兴安盟在内的20 个地级市和26 个水资源四级区；水利工程包括：第二松花江上的丰满、白山水库，嫩江上的尼尔基水库在内的24 座现状水库，以及15 座规划水库和5 座重点水电站；重点取水口23 个；流域总面积为40.27 万km2。区域内多年平均地表水资源量为734.7 亿m3，地下水资源量和开采量分别310.04 亿m3和116.8 亿m3。

4 目标参数选择

拟定2000年为基准年，2020年为目标年。计算时段以月为单位的1956年至2000年，共45年逐月长系列的水资源供需平衡资料计算和分析。根据水库上下游和水资源四级分区嵌套地级市等综合考虑，最终模型中共划分有101 个用水单元，用水单元内用水户确定为16 类，考虑松花江流域水资源条件，结合供水对象和中远期发展规模，分析确定的供水设计保证率为：1）工业生活（城镇生活、农村生活、牲畜、三产、火核电、一般工业、高耗水工业、建筑业）供水保证率为95%；2）城镇生态、水田、水浇地、菜田供水保证率为75%；3）林果地、草场、鱼塘、湿地供水保证率为50%。

5 模型输入条件设定

5.1 水资源损失量

由于在统计方法上存在差异，面水资源量和点水资源量之间存在一定的差值。在现实中，水文站的径流过程得到的是点水资源量，因此需要做一定的转换，将降雨径流模拟出的面水资源量转换至点水资源量。在若干个特定水文站点位置上设置损失量，将沿程面水资源量的损失概化为在一点全部损失，见表1。

表1 面水资源损失量

5.2 水库设置

水库的时空分布在水资源配置过程中起着关键的作用，水库的调度规则会影响某个地域的生产生活用水，甚至对于下游的水量分配也起着决定作用。

规划水库设置：为了研究规划水库对于区域内水资源的影响，可以在软件中将任意规划水库的状态设置为“开”或者“关”，即已建成的运行状态或未建成状态。软件会修改该水库的相关地特征曲线和参数，避免了大量的手工操作。此外，系统也提供了批处理功能，可以进行多个水库的操作。

水库调度规则设定：由于水库调度规则较为复杂，需要根据客观需求，在MIKE BASIN 的平台和引擎的基础上进行二次开发。该模型中为了实现白山、丰满、尼尔基、山口和察尔森水库的等出力和目标放流等运行规则，通过调用MIKE BASIN 引擎，加入判断条件，分步计算，实时地根据调度规则将所对应的水库参数输入到模型中，以保证模拟精度。

5.3 地下水补给

由于MIKE BASIN 水资源模型不能计算分布式地下水网格，仅能以集总式线性水库的方法研究地下水变化趋势和用水户的取水量。每年1月1日计算出地下水补给量GW recharge（L/（s·km2）），使得该时段用水单元的地下水总量等于多年平均地下水可利用量。计算公式为：

其中，V0是该用水单元的地下水总量，在此项目中等于多年平均地下水可利用量，m3；ht是计算出的该时刻用水单元地下水埋深值，m；Catchment-area 是该用水单元的面积，km2；3 600×24 为1 d 时间，单位为s。

6 模型参数率定

研究选择2000年为率定年，以该年的实测流量过程数据为基础率定模型模拟出的流量过程，如图1所示。因流域地形地貌、水资源量、降水量等影响，利用MIKE BASIN 搭建模型的各项参数也有所差距，各项参数间还有着千丝万缕的联系，为使模型演算的结果更符合流域水资源取用耗排的实际情况，通过率定调整模型各种参数是十分重要的。率定过程中重点比较的数值项包括子流域径流、用水户取水量、水库运行水位、水库下泄流量、控制测站的流量、子流域地下水位变化情况等。

图1 阿彦浅水文站2000年实测流量 模拟流量对比图

根据计算出的结果，率定效果满意，虽然存在局部模拟效果偏差，但总体平均误差在允许范围内，符合模型计算精度要求，率定的参数可行。

7 模型数据采用及分析

1）天然来水。采用1956—2000年45年天然来水数据，因为已知的天然来水数据是每个四级区套地市为单元的产流，不能直接输入到模型中，需按面积比权重转化成以子流域为计算单元的产流后保存至模板方案中。

2）用水量。采用流域水资源综合规划成果，针对模型范围内的101 个用水单元45年长系列对应的不同的降水典型年型，逐步选取不同降水频率下的天然径流与需水量相对应，同时还要结合农业灌溉月分配系数等因素，计算各用水单元45年长系列的月过程需水。

3）降水数据。采用流域内共266 个雨量站的日降水记录。因部分站降雨记录过少，不能满足模型计算需要，故舍弃；有的雨量站与其他雨量站位置距离非常近，如月亮泡水库坝上、坝下，梅河口左、右，在比较雨量记录长度的基础上，删除一个。最终模型确定应用的雨量站171 个。

4）温度数据。采用流域内共11 个温度站的1985—1998年温度观测数据。由于温度站很少，特别是二松流域仅有两个，且所在的高程差别较大，无法直接应用于各子流域进行计算，故各子流域根据高程每升高100 m，温度下降0.6 ℃对温度进行修正。嫩江流域、二松流域及松干流域分别选择各自区域内100～200 m 高程的温度站作为基准温度站，其平均值作为基准值，平均高程作为基准高程。

5）蒸发数据。采用流域内共14 个蒸发站1985—1998年的日实测蒸发数据。无论是嫩江流域还是二松流域，年潜在蒸发量都随着高程的增大而减少。因蒸发站数量比较少，目前的资料无法对蒸发进行按高程修正，为提高模拟精度，各子流域将根据其平均高程直接引用相近高程的蒸发站资料，无法直接引用的，利用现有蒸发记录按高程加权计算得到。

6）流量数据。采用流域内共42 个流量站1985—2005年的实测日观测数据。

7）水库和水电站数据。总共涉及到重点水库39 个，重点水电站5 个。其中，现状30 个，2020年规划11 个，2030年规划3 个。每个水库对应有水库特征水位，水库特性曲线，水电站调度曲线，等数据；而水电站则对应有尾水水位，出力系数，水头损失，等数据。

8）预测分析目标年用水数据。根据区域内经济社会发展现状，分析预测2020年经济社会发展状况，由此判断设计水平年的河道外各行业用水量。

8 问题及建议

此次以松花江流域哈尔滨断面以上区域为本底数据，在搭建模型过程中也发现一些问题，针对这些问题提出几方面建议，希望能在今后应用中能尽量克服，以提升模型演算精度：1）实际雨量站、蒸发站、温度站等稀少，密度较低，很难满足降雨径流模型计算的需要，测站数据的多少和分布密度将对模型演算精度具有间接影响；2）除源头子流域和个别受人类活动影响较少的区间子流域外，其他子流域因实测资料无法还原到天然径流，只能将计算结果的日径流过程按日期累加得到每月的模拟月径流总量，然后将其与实测天然月径流总量进行对比率定，该方法导致计算精度将受到一定的影响；3）部分水库特征曲线不完整，且调度规则不全，部分人工干预的调度无法模拟，造成水库的水位和泄流计算误差。

MIKE BASIN 系统利用了水资源、水动力、水文等数学模拟软件，并集成GIS、数据库、信息技术等手段，将流域水资源管理的相关方面综合成为整体性的系统平台，实现了对水资源配置和规划、水动力演算以及水文模拟的有机结合，通过建立区域水资源配置模型，将各类分析和整理得到的数据输入率定好的模型中，计算得出目标年的水资源供需平衡情况，研究和分析区域水资源配置格局，对于解决区域水资源短缺问题、保护自然生态环境不受破坏、确保人类的正常生活和经济社会的可持续发展将起到重要作用。