CN110532500A - 一种区域大气水文模型中水库群参数化方案的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区域大气水文模型中水库群参数化方案的构建方法，该发明基于水库基本资料、遥感图像和地形资料的收集，对无资料水库的库容进行估算，构建水库蓄水量—面积关系、水库概念性调度规则和水库群—河网的拓扑关系，实现水利工程群参数化方案的构建，并从地表水、地下水、大气水、能量平衡四个方面实现上述构建的参数化方案与区域大气水文模型的完全耦合。本发明可以有效弥补现有区域大气水文模型无法刻画水库群大气水文效应的不足，在揭示水库群对大气水文循环的影响规律、完善水库群调蓄及区域大气水文循环响应的理论体系，以及指导区域水资源的开发利用方面有重要价值。

Description

一种区域大气水文模型中水库群参数化方案的构建方法

技术领域

本发明涉及一种区域大气水文模型中水库群参数化方案的构建方法，属于大气水文领域。

背景技术

水利工程是人类科学、主动、合理地开发利用和调蓄水资源、改变区域水循环规律的工具，而其中，又以水库的运行和调度为主。如图1所示，根据“自然-社会”二元水资源理论，水库改变了大气水与地表水、地下水与地表水之间的循环转化速度，改变了大气-水文循环的演化和更新的自然规律。作为研究大气—水文循环的重要工具，大气水文模型可以通过大气、陆面、海洋、海冰等模块对地球表面质量和能量的交换进行模拟。在该背景下，区域尺度上水库群通过改变大气-陆地水分能量交换、地表-地下水分交换从而影响大气过程、地表水过程、地下水过程的机理尚不清楚，相关理论尚未完善，其在指导区域水资源开发利用和应对气候变化方面的潜在价值亦未得到重视。

目前国内外的大气水文模型均忽略了水库群与区域大气水文循环之间的相互影响，无法刻画水库群的大气水文效应。另一方面，虽然部分水文模型中已开发有水库群参数化方案，但这类水库群参数化方案往往过于简单，难以从物理机制上反映由大中小型水库组成的水库群与水循环的相互作用。作为研究大气-水文循环的重要工具，大气水文模型可以通过大气、陆面、海洋、海冰等模块对地球表面质量和能量的交换进行模拟。

发明内容

发明目的：本发明提出一种区域大气水文模型中水库群参数化方案的构建方法，量化水库群的大气水文效应，使水库的运行和调度更加精准。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种区域大气水文模型中水库群参数化方案的构建方法，包括以下步骤：

收集大中型水库的水文资料；

估算小型水库库容；

构建水库蓄水量与面积的关系；

构建水库调度规则；

构建水库与河网的拓扑关系；

水库群参数化方案与大气水文模型耦合。

所述水文资料包括库容、多年平均径流。

所述水库蓄水量与面积的关系为：

其中，V为水库蓄水量，f_r为水库水面面积，a为待定系数。

所述水库与河网的拓扑关系为：

其中，Q_in为某时刻无资料水库入流，V_g为无资料水库库容，R_g为网格多年平均径流量，R_m和V_m分别为附近有资料水库的多年平均径流量和库容的平均值，Q_g为某时刻网格流量。

所述构建水库调度规则包括以下步骤：

i)依据三个特征水位，即死水位、兴利水位和防洪高水位，确定不同水位下大中型水库的调度目标，当水库水位越过某一特征水位时，对水库采取不同的调度规则，具体如以下公式所示：

其中，Q_t为水库出流量，U为人类需水量，Q_dmax为下游安全泄量，V_t为当前时刻水库蓄水量，V_d、V_c、V_f分别为死水位、兴利水位、防洪高水位对应的蓄水量，k为入流与下游安全泄量的比值，r为系数，t为时间；

ii)依据两个特征水位，即死水位和兴利水位，确定不同水位下小型水库的调度目标，当水库水位越过某一特征水位时，对水库采取不同的调度规则，具体如以下公式所示：

其中，Q_t为水库出流量，U为人类需水量，V_t为当前时刻水库蓄水量，V_d、V_c分别为死水位和兴利水位对应的蓄水量，两者可由当地水利普查公报确定，本例中分别取库容的20％和65％，r为系数；

iii)根据水量平衡关系建立水库水量平衡方程：

V_t＝V_t-1+Δt·(Q_in-Q_out-A_t·E+A_t·P-A_t·D)

其中，V_t与V_t-1分别为当期时段和上一时段水库蓄水量，Δt为计算步长，Q_out与Q_in分别为水库出流流量和入流流量，A_t为当前时段的水库面积，E为水库蒸发率，P为水库表面降水速率，D为水库渗漏率，其中，E、P、D均由模型计算得到。

所述水库群参数化方案与大气水文模型耦合包括以下步骤：

i)利用二维扩散波方程进行地表水耦合：

其中，

f_w＝f_r+f_b

上两式中，dx、dy分别为模型网格的长度和宽度，V为网格地表水量，L为网格长度，h为水面高程，Δh为水库造成的高程变化，A为网格面积，f_w为网格水面面积，f_r为水库水面面积，f_b为河道水面面积，R为网格产流，C代表包括水库在内的地表与地下水交互过程；

ii)利用二维布辛涅斯克方程进行地下水耦合：

上式中，V_g为网格地下水厚度，K为系数，h为地下水面高程，I为土壤下渗率，D为水库下渗率；

iii)通过蒸散发对大气水进行耦合：

ΔET＝(PET-ET)·f_r

上式中，ET为蒸散发率，△ET为蒸散发率改变量，PET为潜在蒸散发率；

iv)通过反照率、潜热通量等进行能量平衡方面的耦合：

ΔR_n＝-Δα·Q

ΔH+ΔG＝ΔR_n-ΔLE

上式中，ΔR_n为地表净辐射变化量，Q为地面总辐射，Δα为地面反照率变化量，ΔH、ΔG、ΔLE分别为感热通量、土壤热通量和潜热通量的变化量。

有益效果：本发明克服了现有水库群参数化方案过于简单的问题，弥补了现有区域大气水文模型无法刻画水库群大气水文效应的不足，用于量化水库群影响下的区域大气水文过程并揭示其演化规律，丰富和完善水库群调蓄及区域大气水文循环响应的理论体系。从实际应用角度出发，本发明具有从物理机制上提高气象、水文预报精度的能力，一方面可用于流域水文预报，使水库的运行和调度更加精准，另一方面可应用于水资源管理领域，使气候变化背景下流域水资源的开发与利用具有更好的前瞻性和收益性。

附图说明

图1为本发明耦合水库群参数化方案的大气水文模型流程示意图；

图2为本发明水库群参数化方案的构建及耦合流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本实施例以鄱阳湖流域25座大型水库、234座中型水库和1114座小型水库为例，提出一种区域大气水文模型中水库群参数化方案的构建方法，如图2所示，包括以下步骤：

1)收集鄱阳湖流域25座大型水库和234座中型水库的基本资料，包括库容、多年平均径流和特征水位，用于参数化方案的构建。

2)由于在1114座小型水库中，只有177座的位置和库容已知。因此为了计算出其余937座小型水库的库容，还需要收集汛期鄱阳湖流域的遥感图像，利用基于阈值的多波段谱间关系法提取全部1114座水库的水面面积，即通过遥感影像波段间的相关关系，选取一定的阈值T，满足下式的即为水体：

(TM2+TM3)-(TM4+TM5)>T (1)

上式中，TM2、TM3、TM4、TM5分别为波段2、3、4、5的灰度值；T为通过实验选取的阈值，通过比较实验和以往经验，取T值为400。

假设该水面面积为水库蓄满时的水面面积。另一方面，从航天飞机雷达地形测绘任务的数字高程模型(STRM DEM)中提取流域范围的地形标准差数据矩阵，将水库位置叠加至该矩阵上，即可获得获取1114座水库库址处的地形标准差。针对177座库容已知的水库，结合前述获得的水面面积和地形标准差，建立库容—水面面积—地形标准差多元回归关系(R²＝0.8)，拟合结果为：

式中，代表库容拟合值(m³)，x为地形标准差(m)，y为水面面积(m²)。而针对其余937座小型水库，将前述遥感得到的水面面积和数字高程模型中获得的地形标准差代入式(2)，即可估算每个水库的库容，用于参数化方案构建。

3)假设水库为倒三棱柱体，则水库蓄水量与水面面积的关系可由三棱柱体积公式表示，即：

其中，V为水库蓄水量，f_r为水库水面面积，a为待定系数。前述步骤2)中利用遥感图像可获取小型水库的水面面积，即式(3)中的f_r。式(2)计算出水库库容，即式(3)中的水库蓄水量V。因此根据式(3)可拟合出1114座小型水库的待定系数a。从而得到水库蓄水量—水面面积曲线，用于参数化方案构建。

4)针对259座大中型水库和1114座小型水库，按照特征水位将水库库容划分为数个子库容，构建基于特征库容的概念性水库调度规则，并建立水库水量平衡方程，具体步骤如下：

i)依据三个特征水位(死水位、兴利水位、防洪高水位)确定不同水位下大中型水库的调度目标。当水库水位越过某一特征水位时，对水库采取不同的调度规则。具体如以下公式所示：

其中，Q_t为水库出流量，U为人类需水量，Q_dmax为下游安全泄量，V_t为当前时刻水库蓄水量，V_d、V_c、V_f分别为死水位、兴利水位、防洪高水位对应的蓄水量，k为入流与下游安全泄量的比值，r为系数，t为时间。

ii)依据两个特征水位(死水位、兴利水位)确定不同水位下小型水库的调度目标，当水库水位越过某一特征水位时，对水库采取不同的调度规则，具体如以下公式所示：

其中，Q_t为水库出流量，U为人类需水量，V_t为当前时刻水库蓄水量，V_d、V_c分别为死水位和兴利水位对应的蓄水量，两者可由当地水利普查公报确定，本例中分别取库容的20％和65％，r为系数。

iii)根据水量平衡关系建立水库水量平衡方程：

V_t＝V_t-1+Δt·(Q_in-Q_out-A_t·E+A_t·P-A_t·D) (6)

其中，V_t与V_t-1分别为当期时段和上一时段水库蓄水量，Δt为计算步长，Q_out与Q_in分别为水库出流流量和入流流量，A_t为当前时段的水库面积，E为水库蒸发率，P为水库表面降水速率，D为水库渗漏率，其中，E、P、D均由模型计算得到。

5)初步将所有水库置于其实际地理位置所对应的网格。针对有多年平均径流量资料的259座大中型水库，将模型模拟所得的该网格多年平均径流量与其实际的多年平均径流量相比较，若两者差异较大，调整水库位置直至两者的差值在可接受的范围内，本实施例中该范围取多年平均径流量的±5％。对于无实际多年平均径流量资料的水库(即本例中的1114座小型水库)，假设其调节系数为附近有资料水库的调节系数的平均值，从而估算其多年平均径流量及任意时刻实际入流，其计算公式为：

其中，Q_in为某时刻无资料水库入流，V_g为无资料水库库容，R_g为网格多年平均径流量，R_m和V_m分别为附近有资料水库的多年平均径流量和库容的平均值，Q_g为某时刻网格流量。

6)根据水库参数化方案与大气水文模型耦合节点处的水量平衡与水动力联系，从地表水、地下水、大气水和能量平衡四个方面将水库群参数化方案与大气水文模型进行耦合，具体包括以下步骤：

i)利用二维扩散波方程进行地表水耦合：

其中，

f_w＝f_r+f_b (9)

上两式中，dx、dy分别为模型网格的长度和宽度，V为网格地表水量，L为网格长度，h为水面高程，Δh为水库造成的高程变化，A为网格面积，f_w为网格水面面积，f_r为水库水面面积，f_b为河道水面面积，R为网格产流，C代表包括水库在内的地表与地下水交互过程。

ii)利用二维布辛涅斯克(Boussinesq)方程进行地下水耦合：

上式中，V_g为网格地下水厚度，K为系数，h为地下水面高程，I为土壤下渗率，D为水库下渗率。

iii)通过蒸散发对大气水进行耦合：

ΔET＝(PET-ET)·f_r (11)

式中，ET为蒸散发率，△ET为蒸散发率改变量，PET为潜在蒸散发率。

iv)通过反照率、潜热通量等进行能量平衡方面的耦合：

ΔR_n＝-Δα·Q (12)

ΔH+ΔG＝ΔR_n-ΔLE (13)

式中，ΔR_n为地表净辐射变化量，Q为地面总辐射，Δα为地面反照率变化量，ΔH、ΔG、ΔLE分别为感热通量、土壤热通量和潜热通量的变化量。

Claims (6)

1.一种区域大气水文模型中水库群参数化方案的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

收集大中型水库的水文资料；

估算小型水库库容；

构建水库蓄水量与面积的关系；

构建水库调度规则；

构建水库与河网的拓扑关系；

水库群参数化方案与大气水文模型耦合。

2.根据权利要求1所述的区域大气水文模型中水库群参数化方案的构建方法，其特征在于，所述水文资料包括库容、多年平均径流。

3.根据权利要求1所述的区域大气水文模型中水库群参数化方案的构建方法，其特征在于，所述水库蓄水量与面积的关系为：

其中，V为水库蓄水量，f_r为水库水面面积，a为待定系数。

4.根据权利要求1所述的区域大气水文模型中水库群参数化方案的构建方法，其特征在于，所述构建水库调度规则包括以下步骤：

i)依据三个特征水位，即死水位、兴利水位和防洪高水位，确定不同水位下大中型水库的调度目标，当水库水位越过某一特征水位时，对水库采取不同的调度规则，具体如以下公式所示：

其中，Q_t为水库出流量，U为人类需水量，Q_dmax为下游安全泄量，V_t为当前时刻水库蓄水量，V_d、V_c、V_f分别为死水位、兴利水位、防洪高水位对应的蓄水量，k为入流与下游安全泄量的比值，r为系数，t为时间；

ii)依据两个特征水位，即死水位和兴利水位，确定不同水位下小型水库的调度目标，当水库水位越过某一特征水位时，对水库采取不同的调度规则，具体如以下公式所示：

其中，Q_t为水库出流量，U为人类需水量，V_t为当前时刻水库蓄水量，V_d、V_c分别为死水位和兴利水位对应的蓄水量，两者可由当地水利普查公报确定，本例中分别取库容的20％和65％，r为系数；

iii)根据水量平衡关系建立水库水量平衡方程：

V_t＝V_t-1+Δt·(Q_in-Q_out-A_t·E+A_t·P-A_t·D)

其中，V_t与V_t-1分别为当期时段和上一时段水库蓄水量，Δt为计算步长，Q_out与Q_in分别为水库出流流量和入流流量，A_t为当前时段的水库面积，E为水库蒸发率，P为水库表面降水速率，D为水库渗漏率，其中，E、P、D均由模型计算得到。

5.根据权利要求1所述的区域大气水文模型中水库群参数化方案的构建方法，其特征在于，所述水库与河网的拓扑关系为：

其中，Q_in为某时刻无资料水库入流，V_g为无资料水库库容，R_g为网格多年平均径流量，R_m和V_m分别为附近有资料水库的多年平均径流量和库容的平均值，Q_g为某时刻网格流量。

6.根据权利要求1所述的区域大气水文模型中水库群参数化方案的构建方法，其特征在于，所述水库群参数化方案与大气水文模型耦合包括以下步骤：

i)利用二维扩散波方程进行地表水耦合：

其中，

f_w＝f_r+f_b

上两式中，dx、dy分别为模型网格的长度和宽度，V为网格地表水量，L为网格长度，h为水面高程，Δh为水库造成的高程变化，A为网格面积，f_w为网格水面面积，f_r为水库水面面积，f_b为河道水面面积，R为网格产流，C代表包括水库在内的地表与地下水交互过程；

ii)利用二维布辛涅斯克方程进行地下水耦合：

上式中，V_g为网格地下水厚度，K为系数，h为地下水面高程，I为土壤下渗率，D为水库下渗率；

iii)通过蒸散发对大气水进行耦合：

ΔET＝(PET-ET)·f_r

上式中，ET为蒸散发率，△ET为蒸散发率改变量，PET为潜在蒸散发率；

iv)通过反照率、潜热通量等进行能量平衡方面的耦合：

ΔR_n＝-Δα·Q

ΔH+ΔG＝ΔR_n-ΔLE

上式中，ΔR_n为地表净辐射变化量，Q为地面总辐射，Δα为地面反照率变化量，ΔH、ΔG、ΔLE分别为感热通量、土壤热通量和潜热通量的变化量。