基于分布式水文与水资源调配耦合模型的流域生态需水研究

Inter-basin water diversion projects greatly impact the hydrological regime and ecological system of water source area, how to quantitatively evaluate the impact, is the key to guarantee the health of the watershed ecosystem. This study tried to reveal a feedback effect between the hydrological cycle and ecological system through the distributed watershed ecological water demand research. Couple the distributed hydrological model with water resources allocation model, to simulate the hydrological cycle of Hanjiang basin under the "natural - artificial" dual driving force, output the spatial and temporal variations of water supply. Analyze the time difference of water supply and its associated ecological effect by the Range variability approach (RVA). Make decision for the optimization of reservoir operations and water resources allocation by achieving targets of the minimum water supply changes and the maximum threshold success rate of ecological water demand. Expand the simply economic benefits to the sum of the economic and ecological benefits. This study comprehensively considers the watershed ecological water demand characteristics of integrity, complexity, spatial continuity, time difference, and "natural - artificial". Explore the mechanism between the water supply and ecological water demand from 3-d numerical simulation. This study provides a new idea for improving the ecological water demand methods, and a strong technical support for the scientific allocation of water resources and the optimization of reservoir operations.

跨流域调水工程极大地影响了水源区的水文情势和生态系统，如何定量评价其影响，是保证流域生态系统健康的关键。本研究试图利用分布式流域生态需水研究揭示水循环过程与生态系统间的反馈效应。通过分布式水文模型与集总式水资源调配模型的耦合，提高模拟"天然-人工"二元驱动力作用下汉江流域水循环的精度，得出供水量的时空变化过程；引入RVA法分析供水量的时间差异性及其伴生的生态效应；以达到最小供水量变化度和最大生态需水阈值达标率为约束目标，决策出优化的水资源调配方案，将单纯经济效益最大，拓展为经济效益与生态效益之和最大。本研究全面地考虑了流域生态需水的整体综合性、模块复杂性、空间连续性、时间差异性以及自然、人工双控性的特性，从三维数值模拟层面上探讨供水量与生态需水量的变化机制，旨在为完善生态需水的研究方法提供新思路，为科学制定各种水资源动态配置和优化调度方案提供强有力的技术支撑。

跨流域调水工程极大地影响了汉江中下游的水文情势和生态系统，1965～2016 年期间汉江上游流域的水资源基本能满足人类活动的用水需求，但汉江中下游流域水资源不足，且人类活动的用水需求在1977年以后一直呈增加趋势。人类活动是汉江流域径流变化的主要驱动力，汉江上游的径流受人类活动的影响大于汉江全流域。丹江口大坝蓄水后，汉江下游河道流量是中变化度占主导，水位是高变化度占主导。黄家港站高/低流量脉冲出现的频率减少，且持续的时间变短。皇庄站和襄阳站流量和水位的月均值和极值较蓄水前减少，逆转次数在高ＲVA 范围内较蓄水前增加。四大家鱼产卵的敏感水文指标出现频率较蓄水前减少，且为中高变化度。下游河道枯水期流量和水位减小，增加了水华发生几率。通过添加梯级水库信息建立分布式水文与水资源耦合模型，成功模拟了梯级开发背景下汉江流域水文变化规律。结果表明降水量、地表径流量和蒸散发量的变化趋势基本相同，最大值均出现在7月份，最低值出现在1月或12月。随着林地和草地面积的减少和耕地面积的增加，汉江流域年径流量和地表径流深增加，地下侧流量、土壤水对地下水补给量及实际蒸散发均减少；林地和草地均有涵养水源及保持水土的作用，且林地的作用强于草地。降水对径流影响要远远大于温度，温度对地表径流的影响极小，实际蒸散发受未来气候变化影响相对较小。以丰水年为例，河道外生态流量亏缺的分布存在着动态变化性及空间差异性，11 月-次年3月生态亏缺值随缺水子流域面积的增加呈线性增长，亏缺区域的分布较为均匀；4-10月生态亏缺值随缺水子流域面积的增加呈非线性的对数曲线增长，亏缺区域的分布较为集中；结合单位面积上河道外生态流量亏缺及植物生长节律，确定6-9月为生态流量亏缺的关键时期，在此时期内，汉中平原东南部、十堰市、南阳盆地东南部及襄阳市中西部是生态亏缺的关键区域。河道内生态流量亏缺在沙洋断面以上主要集中12月-次年2月，确定该时期为沙洋断面以上区域生态流量亏缺的关键时期，最下游的仙桃断面年内各月生态流量均处于亏缺状态，确定该断面是生态流量亏缺的关键区域。对流域内生态流量亏缺区域进行水资源调控时，应优先选择关键时期内的关键区域，并协同考虑区域河道内和河道外生态流量分布，通过干流河道内盈余流量、水库引水及利用潜在水源等适应性措施对生态流量亏缺进行补充。