mikebain在中英需求合作項(xiàng)目中的應(yīng)用

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口的增加，水資源的缺乏、環(huán)境生態(tài)的惡化以及人們生產(chǎn)生活之間的矛盾日益突出。人們已經(jīng)意識到水資源的合理配置、科學(xué)調(diào)度及有序規(guī)劃的開發(fā)是維持地區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、社會穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。流域水資源的管理牽涉到社會的多個方面,如水利、水務(wù)、電力、農(nóng)業(yè)等,需要各部門之間相互協(xié)調(diào)以便更有效地利用有限的水資源,盡量做到將水資源的時(shí)空不均勻性調(diào)節(jié)至最小,平穩(wěn)而有保障地向區(qū)域內(nèi)的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等用水戶供水。基于此目標(biāo),國內(nèi)各大流域及各地、市相關(guān)機(jī)構(gòu)的專家及科研人員長期探討和研究水資源管理和分配的方法和模型[1~5]。這里將介紹在中英合作水資源需求管理項(xiàng)目(WRDMAP)案例區(qū)遼寧省大凌河流域的L1階段中,相關(guān)部門機(jī)構(gòu)使用由DHI研發(fā)、基于ESRI公司ArcGIS平臺的MIKEBASIN水資源數(shù)學(xué)模型軟件,研究流域內(nèi)水資源分配及管理的過程。其可以較為準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)有水資源的供需分配情況,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行未來水資源分配管理的規(guī)劃設(shè)計(jì),此外還可比較若干種方案的計(jì)算結(jié)果,在一定程度上預(yù)測今后多個流域(區(qū)域)內(nèi)用水戶供需水的變化趨勢及時(shí)空分布的過程。1典型案例研究中英水資源需求管理項(xiàng)目(UK/ChinaWaterResourcesDemandManagementAssistantProject,下稱WRDMAP)是英國政府援助項(xiàng)目。其目標(biāo)是在新《水法》的框架下,通過7個案例的研究引進(jìn)水資源綜合管理(IntegratedWaterResourcesManagement,下稱IWRM)的國際經(jīng)驗(yàn),并根據(jù)中國的國情,進(jìn)行實(shí)踐與檢驗(yàn),研究制定并最終完善適合我國國情的水資源管理方法,提高我國水資源管理水平,實(shí)現(xiàn)水資源的節(jié)約、保護(hù)和可持續(xù)利用,并通過公平地分配和可持續(xù)地利用水資源來改善人們尤其是貧困人口的生計(jì)。WRDMAP由英國國際發(fā)展部提供935萬英鎊贈款。2004年9月,中英兩國政府通過換文正式批準(zhǔn)了該項(xiàng)目。2005年2月,英國國際發(fā)展部和水利部聯(lián)合對投標(biāo)的5家咨詢公司進(jìn)行了評比,選定英國麥克唐納(MottMacDonald)公司為中標(biāo)的國際咨詢公司,DHI則負(fù)責(zé)在水利專業(yè)領(lǐng)域提供技術(shù)支持。除了對中央案例研究之外,該項(xiàng)目還挑選了發(fā)展中受到日益嚴(yán)重缺水問題影響的遼寧、甘肅兩省為省級案例區(qū)。項(xiàng)目共進(jìn)行5a(2005~2010年),第1~3年在遼寧的大凌河流域、甘肅的石羊河流域及水利部開展案例研究工作,具體是:(1)大凌河流域上游水資源綜合管理規(guī)劃,包括在朝陽市水務(wù)局開展水資源綜合管理培訓(xùn)中心建設(shè);(2)朝陽市取水許可與排污許可的綜合管理;(3)北票市水價(jià)改革和用水效率;(4)石羊河流域水資源綜合管理規(guī)劃,包括在石羊河流域管理局開展水資源綜合管理培訓(xùn)中心建設(shè);(5)武威和金昌節(jié)水型社會建設(shè);(6)民勤縣水資源綜合管理。第4~5年對案例研究開發(fā)和檢驗(yàn)的先進(jìn)實(shí)用方法進(jìn)行總結(jié)、文件編寫,而且在全國進(jìn)行推廣,并對案例研究產(chǎn)生的影響進(jìn)行監(jiān)測評價(jià)。該項(xiàng)目由中國水利部及英國國際發(fā)展部組織實(shí)施,在水利部設(shè)立了項(xiàng)目指導(dǎo)委員會。設(shè)在水利部國科司外資辦的中央項(xiàng)目管理辦公室,負(fù)責(zé)項(xiàng)目日常管理工作;設(shè)在水利部水資源管理司的中央案例研究辦公室,負(fù)責(zé)案例研究的指導(dǎo)。在遼寧省水利廳設(shè)有WRDMAP大凌河流域項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組。小組成員由13個相關(guān)廳局的負(fù)責(zé)同志組成。省項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)項(xiàng)目重大問題的決策和審批、部門協(xié)調(diào)和項(xiàng)目的監(jiān)督管理。省項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組在水利廳水資源處下設(shè)省項(xiàng)目管理辦公室,負(fù)責(zé)案例研究的日常管理。同時(shí)在朝陽市水務(wù)局和北票市水務(wù)局分別設(shè)有兩個案例實(shí)施辦公室,負(fù)責(zé)本案例區(qū)的項(xiàng)目實(shí)施工作。遼寧省水文局作為項(xiàng)目咨詢機(jī)構(gòu),在國際專家的指導(dǎo)下對遼寧案例研究的提供技術(shù)支持[7~8]。2ee家庭流域水資源的大量利用,更容易建立和存儲著一種豐富的水文學(xué)模型MIKEBASIN是一款由丹麥水利研究院開發(fā),在流域或區(qū)域尺度上,解決水量的優(yōu)化配置、用水戶連接、水庫調(diào)度規(guī)則及水質(zhì)模擬等問題的綜合性水資源數(shù)學(xué)模型軟件。MIKEBASIN在模擬過程中,既考慮到了空間要素的影響,也考慮到了時(shí)間要素的影響。它適合于不同時(shí)間尺度(年、月、日、小時(shí)等)、空間尺度(用水戶、工程點(diǎn)、河流、流域)上對大量的方案進(jìn)行研究,具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)交互、結(jié)果分析展示等功能,可移植性和可擴(kuò)展性強(qiáng)。在水文學(xué)方面,模型通過空間分析功能可以在已有的數(shù)字高程圖DEM的基礎(chǔ)上,在流域中自上游至下游自動地追蹤河流并生成河道,從而建立河網(wǎng)。此外它也可以根據(jù)流域出口點(diǎn)的所在位置自動地劃分子流域。MIKEBASIN模型中的河網(wǎng)分為兩大要素:(1)概括各種天然河道的河流及連接渠道;(2)代表匯流點(diǎn)、分流點(diǎn)、水庫或用水戶的河流節(jié)點(diǎn)。此外,MIKEBASIN采用穩(wěn)態(tài)的水量平衡方程,可以模擬一定程度的河道演算。WQ水質(zhì)模擬可以模擬污染物傳輸過程中的一階衰減情況。地下水模擬則是采用了線性水庫方程。MIKEBASIN還包括TemporalAnalyst模塊和集總式概念的NAM降雨徑流模塊。在2008版本中,模型還加入了灌溉模擬,它與FAO56模型相對應(yīng),可以作為CropWat模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,它可以直接使用聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)中的各項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)參數(shù),具有很強(qiáng)的操作性及實(shí)用性。基于MIKEBASIN長期以來在世界多個流域(區(qū)域)水資源規(guī)劃管理項(xiàng)目中所取得的令人滿意的成果及成熟豐富的經(jīng)驗(yàn)[12~13],近年國內(nèi)各主要水利研究機(jī)構(gòu)及大專院校逐步接觸并利用此軟件用以研究水資源優(yōu)化配置及制定合理的規(guī)劃方案[14~17]。通過其強(qiáng)大的模擬功能,對規(guī)劃方案或現(xiàn)狀情況通過數(shù)學(xué)建模并進(jìn)行多方案的運(yùn)算和比較,最終為項(xiàng)目或規(guī)劃的決策提供有力的技術(shù)支持。3水資源綜合管理規(guī)劃大凌河是遼寧省沿渤海西部最大河流,上游南支發(fā)源于建昌縣黑山北水泉溝,北支發(fā)源于河北省平泉縣泉子溝,兩源于喀喇沁左翼蒙古族自治縣大城子鎮(zhèn)東南匯合,流經(jīng)朝陽、北票、義縣、凌海等市縣,于凌海市的南圈河與南井子之間注入渤海,全長435km,流域面積23837km2。其中遼寧省省內(nèi)面積20285km2,占全流域面積的85%。全流域97%的面積處于遼西低山丘陵區(qū),荒山禿嶺,水土流失嚴(yán)重,河流含沙量大,氣候干旱,是省內(nèi)嚴(yán)重的資源性缺水地區(qū),且暴雨集中,洪水來時(shí)陡漲陡落。大凌河流經(jīng)朝陽、阜新、葫蘆島、錦州、盤錦等市。流域內(nèi)水資源總量約為17.2億m3,多年平均降水量約為480~520mm,多年平均徑流量約為16.3億m3。大凌河流域遼寧省境內(nèi)人均水資源占有量為358m3,不到全省人均水資源占有量的1/2,為全國人均占有量的1/6。而畝均水資源占有量僅為243m3,不足全省畝均水資源占有量的1/2,是全國畝均占有量的1/10[18~19]。WRDMAP遼寧省的案例實(shí)施主要圍繞水資源管理在規(guī)劃(基礎(chǔ)管理)、取排水許可管理(日常管理)、供水公司管理(企業(yè)管理)3個層面展開。共進(jìn)行以下3個案例研究:(1)案例研究L1,大凌河流域水資源綜合管理規(guī)劃;(2)案例研究L2,朝陽市取水許可與排污許可的協(xié)調(diào)管理;(3)案例研究L3,北票水價(jià)改革和節(jié)水。在這3個案例中,L1水資源管理模型的搭建及率定已經(jīng)基本完成,而L2、L3根據(jù)計(jì)劃和時(shí)間安排,正在進(jìn)行中或者在近幾年之內(nèi)逐步完成。因此,將著重研究L1的水資源綜合管理規(guī)劃。在L1案例研究中,主要使用MIKEBASIN水資源模型軟件來開發(fā)和檢驗(yàn)用于流域規(guī)劃的水資源綜合管理原則和方法,圍繞流域水資源評價(jià)、流域內(nèi)各行政區(qū)水資源分配、流域上游(朝陽行政區(qū))水資源綜合管理規(guī)劃3個方面展開工作。(1)調(diào)查、分析、校核和整理大凌河流域自然地理信息、水資源利用數(shù)據(jù)、水利工程的供水?dāng)?shù)據(jù)和用水戶的需水?dāng)?shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)等。(2)通過MIKEBASIN來計(jì)算每個計(jì)算行政單元不同類型用水戶的供水、需水、耗水損失數(shù)據(jù)和參數(shù)。搭建以GIS平臺為基礎(chǔ)的MIKEBASIN流域水資源數(shù)據(jù)信息框架。(3)召開水資源分配研討會,分析、制定流域中各個不同地區(qū)水資源分配的具體方法和依據(jù)。搭建、率定和完善MIKEBASIN水資源評價(jià)模型。(4)分析現(xiàn)狀水資源需求量,預(yù)測未來水資源需求量。通過模型計(jì)算水資源可利用量和維持生態(tài)環(huán)境的基本水資源需求量,進(jìn)行可利用量與需求量的平衡分析,確定流域內(nèi)需解決的水資源供需矛盾。(5)篩選借鑒國內(nèi)外各類水資源分配方法,針對水資源利用和管理的主要問題,與利益相關(guān)者展開協(xié)商,完成大凌河流域5個市級行政區(qū)的水資源分配并編寫方法指南,利用水資源模型進(jìn)行大凌河流域水資源評價(jià)。(6)運(yùn)用水資源綜合管理的理念和方法,編制大凌河流域朝陽行政區(qū)水資源綜合管理規(guī)劃。規(guī)劃將注重水資源可利用量與需求量的平衡,利用已率定的水資源模型測試和調(diào)整不同用水狀況下的水量平衡。針對目前流域所存在的水資源利用問題,提出解決辦法。從社會、經(jīng)濟(jì)、機(jī)構(gòu)等多角度分析水資源利用中需解決的問題和解決方法。(7)根據(jù)研究成果,編寫水資源綜合管理在規(guī)劃方面的先進(jìn)方法指南,確定需補(bǔ)充、修改的內(nèi)容,提出與《水法》相配套的法規(guī)建議。編寫水資源綜合管理評價(jià)報(bào)告,包括流域水資源利用存在的問題和主要解決方法。根據(jù)上述的各項(xiàng)工作任務(wù),DHI的國際專家與遼寧省的水利專家及當(dāng)?shù)爻柺许?xiàng)目參與人員相互協(xié)作,于2007年底搭建并率定完成了大凌河流域水資源模型。首先將大凌河流域干流和支流劃分為11個子流域,并進(jìn)一步以各水文站、大型水庫為控制節(jié)點(diǎn)劃分為34個流域控制單元,再與行政界嵌套后形成用水單元。其中,朝陽市用縣級行政區(qū)界與流域單元嵌套,錦州市、阜新市、葫蘆島市和盤錦市用市級行政市界與流域單元嵌套,總共劃分出59個用水單元。每個用水單元中又根據(jù)用水類型的不同,將用水?dāng)?shù)據(jù)劃分為4種取水優(yōu)先權(quán)不同的用水戶,即城市生活用水、農(nóng)村生活與畜牧業(yè)用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水。為了方便流域中不同區(qū)域的水資源供需平衡的分析及提高模型的效率和培訓(xùn)流域機(jī)構(gòu)和當(dāng)?shù)厮Y源管理人員的技術(shù)能力,先將大凌河的整體模型分為8個地區(qū)性小模型,即朝陽、涼水河、德立吉、九連洞、凌海、大城子、義縣、阜新。在此小模型中進(jìn)行先期的水文模擬和參數(shù)率定,最后再將確定的參數(shù)和計(jì)算結(jié)果放入整體模型之中,進(jìn)行全流域的模擬計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)對流域水資源的評價(jià)。在率定階段,項(xiàng)目采用了1980~2005年流域中用水戶的歷史實(shí)測數(shù)據(jù),8座大中型水庫的水位歷史數(shù)據(jù)、出庫流量及水文站的實(shí)測流量數(shù)據(jù)對模型模擬結(jié)果的計(jì)算精度、變化趨勢及幅度范圍進(jìn)行了率定。重點(diǎn)研究用水戶缺水極端情況、取水方式(地下水、地表水)、供水水量和優(yōu)先次序、地下水水位變化趨勢等方面的模擬結(jié)果與實(shí)際歷史同期情況的比較。具體結(jié)果見圖1~2。通過L1大凌河流域水資源模型結(jié)果分析,可以看出:模型可較為準(zhǔn)確地模擬整個大凌河流域現(xiàn)狀的工業(yè)、生活、農(nóng)業(yè)、水庫等多方面的供需水量情況及變化趨勢,并可以根據(jù)模擬出的現(xiàn)有水量平衡的情況對已有或規(guī)劃的水資源管理方法和分配方式的合理性、可行性進(jìn)行分析、評價(jià)。其中,流域的上游由于受地形坡度的影響,以及土壤結(jié)構(gòu)的組成,地表水資源量相對較少,雖然各地建立了多個大中型水庫,如菩薩廟、瓦房店、宮山咀等水庫攔蓄地表水量,但由于閻王鼻子及白石水庫配套工程未跟上,造成流域中現(xiàn)狀地表水利用程度不高。且各地區(qū)、縣的生活、農(nóng)業(yè)等用水戶部分取用地下水,同時(shí)與內(nèi)蒙古交界的地區(qū)如德立吉、哈巴氣、葉柏壽、涼水河地區(qū)的采礦業(yè)用水戶也大量使用地下水。而在大凌河中下游流域,包括九連洞、阜新、凌海等地區(qū)市縣,由于地形趨緩,且植被覆蓋情況較上游好,多年平均降水量也較上游增大,使得此區(qū)域的水資源尤其是地表水資源量有較大的增加。但由于在下游平原區(qū)內(nèi)有多個城市的工業(yè)、生活用水戶的需水量受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和城市規(guī)模的影響較大,不僅需要在某區(qū)域內(nèi)的多個河道進(jìn)行取水,甚至需要跨區(qū)域調(diào)水或者直接從水庫修建供水渠道進(jìn)行配水,這就需要流域相關(guān)管理機(jī)構(gòu)在今后的工作中繼續(xù)使用已搭建好的大凌河流域水資源管理模型,對流域內(nèi)的水資源規(guī)劃進(jìn)行不同預(yù)案的分析和比較。4水資源管理規(guī)劃中英水資源需求管理項(xiàng)目(WRDMAP)借鑒水資源綜合管理(IWRM)的國際經(jīng)驗(yàn),根據(jù)我國國情研究制定流域的水資源管理方法,提高我國水資源管理水平,實(shí)現(xiàn)水資源的節(jié)約、保護(hù)和可持續(xù)利用,并通過公平地分配和可持續(xù)地利用水資源來改善人們的生活。在L1案例研究里,建立了大凌河整個流域的水資源管理模型,并利用歷史實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的率定和驗(yàn)證,并將模型運(yùn)用在水平年水資源配置及今后水資源管理規(guī)劃中