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考虑水库调蓄的金沙江径流模拟研究.docx
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考虑水库调蓄的金沙江径流模拟研究.docx
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摘要
水库的修建改变了天然河道径流特征,给径流模拟造成一定困难。为提高径流模拟效果,基于
SWAT(soil and water assessment tool)分布式水文模型,针对 其水库模块 的局限性,采用水
库调度函数进行改进,提出了水库调度函数模块的 SWAT 模型,并以金沙江流域为研究流域,进
行考虑水库调蓄的径流模拟应用分析。结果表明:在水库影响期以前,SWAT 模型对径流过程、均
值和极大值模拟效果较好,对径流极小值模拟效果一般;在水库影响期内,调度函数拟合出库与实
际出库一致性较好,且水库调度函数模块的 SWAT 模型可以显著提高径流模拟效果,为考虑水库
调蓄的径流模拟提供了新的途径。
Abstract
The construction of reservoirs has changed characteristics of the natural river, which
makes it difficult to simulate runoff considering the operation of reservoirs. In order
to improve accuracy of the runoff simulation, a SWAT (soil and water assessment
tool) hydrological model with reservoir operation function module is proposed,
aiming at limitations of reservoir modules of SWAT model. The Jinsha River basin is
selected as study case to analyze the application of runoff simulation considering
reservoir regulation and storage. The results show that before the reservoir
influence period, the SWAT model has good simulation results of runoff
hydrographs, mean values and extreme large flows, but simulation results of
extreme low flow are not satisfying; during the reservoir influence period, the
reservoir release simulated by operation functions is closed to the observed release
and the SWAT model with the reservoir operation function module can significantly
improve the runoff simulation results. This study proposes a new method for runoff
simulation considering operation of reservoirs.
译
关键词
SWAT 模型; 水库调度函数; 径流模拟; 金沙江
Keywords
SWAT model; reservoir operation function; runoff simulation; Jinsha River
译
水文模拟是水文预报、水库调度、水资源评价等工作的基础。截至 2016 年,全国共建成各类水库
98 460 座
[ 1]
,水库的修建极大地改变了天然河道的径流特征。为提高径流模拟效果,考虑大型水
库的影响是十分必要的
[ 2]
。然而在实际操作中,水库运行的复杂性给流域径流模拟研究带来了困
难。
目前,考虑水库调蓄影响的径流模拟研究通常采用 SWAT(soil and water assessment tool)
[ 3]
、VIC(variable infiltration capacity)
[4]
和 SWMM(storm water management model)
[ 5]
等分布式水文模型,并加入水库变量或水库模块实现水库模拟,其计算难点在于水库出流的计
算
[ 2]
。水库出流的计算方法可分为基于调度规则的计算和基于优化算法的计算。Haddeland 等
[ 4,
6]
在 VIC 模型中嵌入基于 SCE-UA(shuffled complex evolution algorithm)优化算法的水库
模拟模块,根据不同调度功能对应的目标函数,基于水库入流、库容、下游用水用电需求等资料求
解水库的最优下泄过程。由于基于优化算法的出库流量计算需对每个模拟步长寻优,计算量大,因
此目前并未广泛用于考虑水库调蓄影响的流域水文模拟。相反,基于调度规则的出库流量计算因其
高效性,更适合径流模拟,而得以广泛应用。Hanasaki 等
[ 7]
将非供水型水库的目标出库流量设为
多年入库流量的月均值,供水型水库的目标出库流量由多年平均入库流量与每月灌溉需水量共同确
定,此算法相较忽略水库调蓄影响的径流模拟,降低了出库流量模拟的均方根误差;Zhao 等
[ 8]
在
分布式土壤植被水文模型(distributed hydrological soil vegetation model, DHSVM)中嵌
入水库模拟组件,以降低洪水风险、提高供水可靠性;此外,Men 等
[ 3]
、Koch 等
[ 5]
和 Biemans
等
[ 9]
也都采用基于运行规则的水库出流算法进行径流模拟研究,提高了径流模拟精度。SWAT 模
型已经广泛应用于人类活动对于水资源影响研究,对于水库调蓄的影响,也提供了 4 种水库模块算
法,但这些算法在实际应用方面有一定局限,尤其难以模拟具有综合功能的水库出流。已有学者在
SWAT 模型基础上,采用不同方法进行考虑水库调蓄的径流模拟:卢健涛
[ 10 ]
在 SWAT 模型基础
上,通过设置不同水库出流方案,实现考虑水库发电的月径流模拟;翚霁
[ 11]
采用 HIMS(hydro-
informatic modeling system)系统,自建水库模块,用于嫩江流域的月径流模拟,取得了较优
的径流模拟效果;Wu 等
[ 12]
提出了一种基于运行规则的多年调节型水库逐日出库算法,并耦合到
大尺度水文模型 SWAT 中,同 SWAT 模型的水库模块相比,可以更好模拟水库蓄水量和出库流量。
但是,多数研究、应用倾向于月尺度径流模拟,且对 SWAT 水库模块改进的文献也相对较少。
本文基于前人研究,选择 SWAT 模型进行考虑水库运行的日径流模拟。针对 SWAT 模型中水库模
块的局限性,本文采用多元线性回归法提取水库调度函数,用以改进 SWAT 模型中的水库模块,
提出了水库调度函数模块,并以金沙江流域为例,分析了水库调蓄对径流模拟的影响,对比验证了
改进水库模块的 SWAT 模型的径流模拟效果。
1 流域概况及数据来源
1.1 流域概况
金沙江位于长江上游,全长 3 479 km,流域面积 45.5 万 km
2
,横跨青海、西藏、四川、云南、
贵州等 5 省区。流域地形复杂,髙程跨度极大,西北高,东南低。流域的多年平均降水量为 631
mm,总出口径流量为 4 457 m
3
/s。金沙江天然落差达 5 100 m,水能资源丰富,金沙江水电基
地是我国最大的水电基地。目前规划、在建及运行的水电站总装机达 7 801 万 kW。金沙江流域的
地理位置概况如图 1 所示。
图 1 金沙江流域地理位置概况
Fig. 1 Geographical location map of Jinsha River Basin
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
1.2 数据来源
本文需用到数据包括数字高程模型(digital elevation model, DEM)、土地利用、土壤等基础
地理信息和气象、径流、水库运行等水文数据,数据来源如表 1 所示。
表 1 研究数据详细信息
Table 1 Research data details
类型
说明
来源
DEM
200 m 分辨率
地理空间数据云
(http://www.gscloud.cn)
土壤
基 于 HWSD ( Harmonized World
Soil Database)的中国土壤数据
集(v1.1),1 000 m 分辨率
寒 区 旱 区 科 学 数 据 中 心
(http://westdc.
westgis.ac.cn)
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