基于陆面水文模型的海河流域山区径流模拟与分析

学号 1201060224

年级 12级水务2班

本科毕业论文

基于陆面水文模型的

海河流域山区径流模拟与分析

专 业 水务工程 姓 名 张志浩 指导教师 杨传国 评 阅 人

2016年6月 中国 南京

河海大学本科生毕业设计（论文）

BACHELOR'S DEGREE THESIS OF HOHAI UNIVERSITY

Simulation and Analysis of Runoff in Haihe River Basin Mountain regions’s Based on a

Land Surface Hydrology Model

College ：Hydrology and Water Resources Subject ：Water Engineering Name ：Zhihao Zhang

Directed by ：Chuanguo Yang Associate Professor

NANJING CHINA

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基于陆面水文模型的海河流域山区径流模拟与分析

学术声明：

郑 重 声 明

本人呈交的毕业论文，是在导师的指导下，进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本设计（论文）所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本设计（论文）的知识产权归属于培养单位。

本人签名： 日期：

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摘 要

随着人类活动对于自然的影响不断加强，与天然河流水文情势相适应的水文模型已经渐渐地难以满足人们对于当下径流的研究需要。因此，迫切地需要新的水文模型来实现这一目标，既要考虑到自然气候对于径流的影响作用，也要能把人类活动的影响考虑在内。

而陆面水文过程是通过下垫面向大气输送水汽，从而直接影响大气降水、大气温度以及大气运动等天气、气候状况。同时天气、气候等自然状况的变化也会直接影响到陆面水文过程。本文以陆面水文模型为基础，充分考虑了人类活动对于海河流域山区径流的影响因素，对海河流域永定河分区的几个代表性多年水文资料进行了整合分析，就水库对河流径流过程的影响进行了初步的讨论。

结果表明，气候变化和人类活动两重因素对海河流域的季节化都有相当权重的贡献。其中气候变化的影响时缓慢而且深远的，它能够通过直接影响降水和蒸 发来达到影响径流的目的；而人类活动则主要是通过改变下垫面条件来影响径流的，最直接的影响结果就是数量众多的水库极大地增加了海河流域山区的集水面积，从而增加了蒸发量，进而使得径流量锐减，当然，由于众多的人口，庞大的需求才是海河断流现象如此严重的根本原因。

一系列的事件都在警示我们必须要处理好人与自然的关系，只有这样我们才能实现可持续的发展。因此，优化海河流域的产业结构，对水资源进行高效合理的利用，并且应当致力于合理的水资源规划和配置，努力做到不浪费每一滴水，才能从根本上解决海河流域河流季节化的问题。

关键词：陆面水文模型 海河流域 IHA指标体系 河流季节化

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ABSTRACT

With respect to the impact of natural human activities continue to strengthen hydrological model with natural river hydrology situation has gradually adapted to meet people for the difficult moment runoff research needs. Therefore, the urgent need for new hydrological model to achieve this goal, it is necessary to take into account the influence of natural climate for the runoff, but also be able to consider the impact of human activities into account.

The land surface hydrological processes underlying surface is transported by water vapor to the atmosphere, which directly affect precipitation, air temperature and atmospheric sports weather, climate conditions. At the same time changes in weather, climate and other natural conditions also directly affect the land surface hydrological processes. In this paper, land surface hydrological model based on full consideration of human activities on mountain runoff in Haihe River Basin factors, several representative Yongding River Haihe River basin district for many years it has been integrated hydrological data analysis on the impact of the reservoir on the river runoff process a preliminary discussion.

The results indicate that climate change and human factors on the double season of Haihe River Basin has a considerable weight contribution. Wherein when the impact of climate change slow and far-reaching, it can directly affect evaporation and precipitation runoff to achieve the purpose; and human activities are mainly by changing the underlying surface runoff conditions, the most direct impact is the number of results many reservoirs significantly increases the Haihe River Basin mountainous catchment area, thereby increasing the amount of evaporation, thus making the runoff dropped, of course, because of the large population, huge demand is the Haihe stop the phenomenon so serious underlying causes.

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A series of events are a warning that we must properly handle the relationship between man and nature, the only way we can achieve sustainable development. Thus, optimize the industrial structure of the Haihe River Basin, water resources for efficient and rational use, and should be committed to rational water resources planning and

configuration, try not to waste every drop of water, in order to solve the Haihe River Basin season of the fundamental problem.

Key words: Land Hydrology Model Haihe River Basin IHA Index System seasonal streamflow

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目 录

摘 要 ..................................................................................................................................... II ABSTRACT .................................................................................................................................. III 第一章 绪 论 ........................................................................................................................... 1 1.1 引言 ............................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究进展 ........................................................................................................... 2 1.2.1国外研究进展 ........................................................................................................ 2 1.2.2国内研究进展 ........................................................................................................ 3 1.3 研究内容和技术路线 ................................................................................................... 3 第二章 流域概况 ..................................................................................................................... 5 2.1海河流域水文站概况 .................................................................................................... 5 2.2 水文概况 ....................................................................................................................... 6 2.3 水库概况 ....................................................................................................................... 6 2.4 海河流域的降水特点与流域形态 ............................................................................... 7 2.4.1 海河流域的降水分布 ........................................................................................... 7 2.4.2 降水在时空上的规律性 ....................................................................................... 7 2.5 气候变化对海河流域径流变化的影响 ....................................................................... 8 2.6 人类活动对海河流域径流变化的影响 ....................................................................... 9 2.6.1 温室效应的影响 ................................................................................................... 9 2.6.2 水利工程的影响 ................................................................................................... 9 2.6.3 超量开采地下水的影响 ....................................................................................... 9 第三章 区域多年径流量分析 ............................................................................................... 11 3.1 雁翅站流量序列分析 ................................................................................................. 11 3.2 响水堡站流量序列分析 ............................................................................................. 13 3.3 本章小结 ..................................................................................................................... 15 第四章 基于IHA法的人类活动影响评价 ........................................................................... 16 4.1 IHA ............................................................................................................................... 16 4.2 IHA法在册田水库的应用 .......................................................................................... 16 4.3 水库建设前后典型年的径流情况比较 ..................................................................... 20 4.4 本章小结 ..................................................................................................................... 22

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第五章 海河流域河流的季节化 ........................................................................................... 23 5.1 近50年来流域状况总述 ........................................................................................... 23 5.2 流域河流季节趋势分析 ............................................................................................. 24 5.3 气候、人类活动与水循环的相互作用 ..................................................................... 25 第六章 海河流域山区径流模拟与分析 ............................................................................... 28 6.1 陆面水文模型CLHMS简介 ......................................................................................... 28 6.2 未考虑水库方案的CLHMS模式的模拟性能 ............................................................. 29 6.3 本章小结 ..................................................................................................................... 30 第七章 总结与展望 ............................................................................................................... 31 7.1 总结 ............................................................................................................................. 31 7.2 展望 ............................................................................................................................. 31

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第一章 绪 论

1.1 引言

进入二十世纪以来，中国乃至世界的水利发展迅猛，河流的开发利用程度不断加大，在人类活动的干扰或调节下，河流的自然水文情势面临着不同程度的改变。河流被大坝拦截后，会淹没上游的大片土地，在改变水文情势的同时还伴随着大量移民的产生。而移民工作以及城市的建迁都会加剧人地矛盾，同时也会加剧植被破坏、生态恶化和水土流失，而河流的水文情势，比如水量、水文、流速、水位及泥沙等都或将被改变。其中，影响最大的是多年调节型水库，影响相对较小的是日调节型水库。水库水位的变化与天然江河大不相同，这取决于不同类型的调节方式，以防洪为主要目的的水库，其水位的变化在季节上与天然河流是相反的，水位变幅较大，讯期水库处于低水位运行；在汛末蓄水，水库处于高水位运行[1]。

在这样的大背景下，陆面水文过程的研究逐渐称为了水文研究的热点之一。陆面水文过程通过下垫面蒸散发等途径与大气层进行水汽及热量通量等的交换，从而影响降水、气温等天气、气候过程；而天气与气候状况的改变又会反作用于陆面水文的循环过程，如气候变化引起流域水文特性的改变。这一问题使得气象学家们更加关注大气模式中陆面水文过程的处理，例如早在上世纪60年代，美国GFOL（地球物理流体力学实验室）在全球气候模式GCM（General Climate Model）中融入了陆面水文元素，从而使陆面水文过程称为气候模式的重要研究内容之一。作为描述和模拟水文循环过程而构建的数学模型，水文模型是对水文循环物理规律进行研究的必然产物，是解决水文预报、水资源规划与管理等传统水文问题的有效工具；同时，陆面水文模型还可用于研究气候变化以及人类活动对洪水、水资源量以及水环境的影响等。

海河流域地处我国华北平原，人口密集，大中城市众多，在我国政治经济中具有重要地位，流域内有包括首都北京、直辖市天津、以及石家庄、唐山等在内的25座大中城市。近年来受气候变化和人类活动影响，该地区干旱灾害的发生频率和程度日趋严重，严重威胁着海河流域人民的饮水用水问题，制约着当地经

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济的发展和转型。因此认识海河流域山区的干旱变化规律对于流域水利工程措施运营、区域水资源规划管理等方面具有重要科学意义和实际应用价值。

1.2 国内外研究进展

人类活动的水文效应具有双向性以及诸多的不确定性，故而其研究相对复杂并且开发缓慢。国内早在70年代末期就展开了人来活动对水文资源影响的研究，而国外在这方面的研究还要更早。在2001年国际实施的全球水系统计划（Global Water System Project）中，大规模水利工程建设等剧烈人类活动对区域水循环及水安全的影响时其重要研究内容之一。

1.2.1国外研究进展

就人类活动对水文循环的影响，国外有很多学者都进行了不同程度、不同方向的探索和研究。如Nisson等人分别于1994年和2005年，对占世界三分之一的北部地区（墨西哥、美国、加拿大、欧洲和前苏联国家）以及全球范围内的人类活动对河流的影响进行了评估。他们制定了主要河流的流量控制指数，同时结合考虑水库调度、跨流域调水以及灌溉用水。而对水库调度的影响，他们则采用计算水库容与流域年平均入流的比值。Vorosmarty等人[2]1997年针对世界各大型水库，评估了水库内陆地径流的储存量及滞留时间。他们在全球河网数字地图上设置了622座水库，每座水库的库容均超过了5亿m³。对于流域内的每座水库，通过检测水库的存储能力和年平均入流来讨论河道水流的滞留时间。并且采用水库年平均入流和水库最大存储量的比值，作为水库调度的潜在影响指数。但是，该指数忽略了河流在不同季节的差异性、水库最基本的功能以及不同年份存储量的变化。

另外，丹麦水利研究所DHI(Danish Hydraulic Insititute)最新开发的MIKE BASIN综合性管理模型同样具有水库调度模块。它是应用于流域或者大尺度上的，可以同时综合考虑时间，空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，已经在世界上的多个区域/流域的水资源管理中取得满意的结果。其中攻包括三种类型的水库：规则曲线水库、分配水域水库以及湖泊。因此，用户可以向该模型中输入诸多水库控制规则，如库容曲线与坝顶溢洪道的泄流能力

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曲线等，其中较为重要的是汛限水位、最小环境需水量以及用水优先权与消落曲线[3]。

1.2.2国内研究进展

在我们国内，目前研究中考虑水库调度方案的水文模型还相对较少。如李致家等人[4]在2006年指出，可以把研究区域上小水库、小塘坝、小蓄水坝等小型水利工程，等效处理为植被截流的过程，从而可以将其归并到模型产流部分，而不对水利工程本身做专门处理。此外，郭延祥和金勇[5]在2010年基于水文模型的水文预报结果中，采用一维水动力学模型，并结合水库的调度参数，完成了三峡和葛洲坝两座水库的洪水演进过程。

杨传国等人[6]2010年在陆面水文耦合模式LSX-HMS的基础上，针对人工河道取水的人类活动影响方式进行了研究，分别采用实测径流校正法和添加人类活动影响模块的水文模拟法，并取得了较好的效果。但是，也存在一个问题，即该人类活动影响模块中的计算方法与真实的水库调度联系不多，更多的是对河道人工取水的描述。

张永勇和夏军等人2010 年，在淮河流域水利工程对河流动态及水质影响的研究中，由于收集到四种不同的水库出流数据，无法直接应用SWAT 模型进行计算，因此针对原有水库调度模块进行了改进。基于下泄流量、库容、水库水面面积以及水位之间的关系（即利用水位～库容等曲线）确定水库的出流过程，每一座水库或者闸门的这种“关系”被写入单独的输入文件

1.3 研究内容和技术路线

在大尺度陆面水文模型CLHMS的基础上，综合考虑而来水库对于径流可能形成的影响，以实现水库与水文过程的相互反馈。并以海河流域为研究对象，特别是对册田水库至三家店区间的4.7万平方公里流域面积的水文过程进行模拟分析，以考察以水库部分为代表的人类活动对径流模拟的影响。最后对于自然气候变化与人类活动对径流造成的影响分别进行比较，主要包括以下研究内容： （1） 近50年来海河流域的气候变化及气候变化对于水文径流过程的影响； （2） 对以人类活动影响为核心的侧支循环进行评价和分析；

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（3） 在不考虑水库调度影响的前提下，运用陆面水文模型对海河流域山区径

流惊醒模拟，以揭示有无水库调度情况下的水文径流差异。 本文技术路线如下：

基于IHA指标体系的水库对水文径流过程的影响评以人类活动为核心的侧支循环对水文径流过程的影响 未考虑水库调度情况下的大尺度陆面水文模型模拟 海河流域山区水文径流过程模拟研究 4

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第二章 流域概况

2.1海河流域水文站概况

以海河流域永定河册田水库至三家店区间为研究对象，选取其中六个长期水文站为观测点，分别是：桑干河册田水库站、桑干河石匣里站、洋河响水堡站、二道河兴和站、东洋河友谊水库站及永定河雁翅站。包含了北至张家口、南到涞源、西起大同、东临北京在内的4.7万平方公里土地，其中山区面积4.5万平方公里，平原面积1953平方公里。

永定河是海河流域北系一条主要河道，上游有桑干河、洋河两大支流，分别发源于内蒙古高原的南缘和山西高原的北部，两河在河北省怀来县朱官屯汇合后称永定河，流域面积5.08万平方公里。流经山西、河北两省和北京、天津两市入海河，注入渤海。主要支流有壶流河、洋河、妫水、清水河等。二十世纪七十年代以来，随着全球气候变化，永定河流域持续多年干旱少雨，下游常年处于断流状态[7]。

该区处于中国干旱和湿润气候的过渡带，是东部沿海降水最少的地区,1956~1984年多年年平均降水量为6.6mm。由于气候、地形等因素的图

1-1 海河流域径流区域划分图

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影响，降水量的分布呈较明显的地带性差异。沿太行山、燕山山脉迎风坡有一条年雨量达600mm的弧形多雨带，其间由北到南分布着大于700~800mm 的多雨中心，五台山最大达925mm。西北部的雁北和冀北山地大部分地区降水量为400~ 500mm，局部地区如阳原、大同盆地不足400mm。平原地区降水量一 般为500~600mm。

2.2 水文概况

本文水文资料取用1968~19年以及2001~2009年（2004年缺失）共30年逐日水文观测资料。由于受季风气候的影响，流域降水量年内分配很不均匀，75％~85％集中在汛期，在汛期又往往集中于几场暴雨，而流域内作物需水最集中的3~5月月平均降水量仅50~100mm。降水量的年际变化很大，19年为最丰水年，流域平均降水量达798mm，比多年平均值偏 丰43％；1965年为最枯水年，流域平均降水量为358mm，比多年平均值偏枯36％，丰枯年降水量相差2.23倍。

2.3 水库概况

册田水库位于山西省大同县西册田乡。始建于1958午3月，它横截桑干河水，东西长30公里，下游为乌龙峡，长约10公里，兴利水位面积约5万亩，蓄水8600万立方米，可浇灌农田40多万亩，年产鱼五万多公斤。水库的主要任务是为下游官厅水库拦沙、防洪和渡汛，还起着保障首都防洪安全的重要作用，同时还担负着大同城市部分工业和生活用水及农田灌溉。 册田水库风景秀丽，景点众多，空气清新，交通便利，集住宿、餐饮、休闲港与一体，是不可多得休闲旅游胜地 册田水库位于桑干河中上游，山西省大同县西册田村北、属海河流域永定河水系，距大同市60公里[8]。

友谊水库位于河北省张家口市尚义县和内蒙古兴和县交界处永定河支流东洋河的上游，控制流域面积2250 km2，总库容1.16亿m3，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾养殖等综合利用的大型水利枢纽工程。下游控制灌溉面积240 hm2， 原设计灌溉面积133 hm2。由于未设排沙设施，水库淤积严重，致使兴利库容减小，目前，实际灌溉面积为67 hm2左右。灌溉供水保证率为50%。由张家口专

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区水电局完成初步设计，河北省水利水电勘测设计院完成扩建设计。该水库始建于1958年8月，1960年开始拦洪，19年12月完成了大坝、输水洞工程，并投入运用。

2.4 海河流域的降水特点与流域形态 2.4.1 海河流域的降水分布

海河流域河流众多，其中较大的主要有9条，从南往北分布依次是徒骇河、马颊河、子牙河、大清河、独流河、海河、潮白新河、蓟运河和滦河。河流多发源于山西山区，而其下游则流经河北、天津和山东，并分别从塘沽、乐亭、遵化和庆云等地汇入渤海湾，总流域面积31.8万平方公里，其中册田水库至三家店区间的永定河上游流域面积4.7万平方公里，占总流域面积的14.78%。上游山区以及高原面积约占全流域的60%，而其余的40%左右则为平原。各条河流均直接汇入下游段，几乎没有明显的中游河段。流域内的平原均为河流冲积平原，部分由流域内河流冲积形成，部分则由黄河泛滥冲积而成，发育形成了颇为复杂的微地形，因而产生了情况相差迥异的下垫面形态。

流域内降水分布表现出明显的区域差别，由于流域内盛行太平洋季风，水汽输送全仰仗于此，于是降水由山区到平原呈现出明显的下降阶梯形势。首先是在燕山南麓，由于水汽输送遇到山体爬升气温下降会形成大量的地形雨，故而这里的降水多在600mm以上，而紧接着的太行山东麓降水也多在550mm以上，到了西北部雁北和冀北高原地区，水汽相对难以到达，降水量已明显不足400mm，而在冀南平原的晋州、辛集、宁晋则形成了一个降水量不足500mm的少雨中心。总体来说的趋势就是以太行山以及燕山为地标，降水分别沿其迎风区分别向西北和东南两侧减少。其中流域内降最多的地方为五台山以及遵化附近，其次降水比较丰沛的是中部地区的晋州、辛集、宁晋等平原地区，而流域西北部的冀北以及雁北高原地区则多年降水量都相对较少，但沿海地区的降水量却略高于中部平原地区。

2.4.2 降水在时空上的规律性

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在年内尺度上，由于流域整个处在太平洋季风气候的控制之下，因而降水多集中在6~9月份的夏季，伴随着大量的降水，这一时间段内的径流总量可以占到全年的70%~80%，甚至90%以上，即使是个别调节能力良好的河流这一比例也高达60%。因此海河流域河流径流的年际变化年内分配主要有两个特点：枯水期洪水的可能性极小，几乎可以说没有，而丰水期洪水的可能性极高，可能某一场降水过程就下完了全年的雨，降水相当之集中，就导致了夏季极高的洪水爆发率。

在年际变化和年代尺度上，海河流域的降水量存在着明显的周期变化，年际3~7年比较突出,10年尺度变化明显,年代际19~28年尺度明显。时间序列存在4、7、10、24年的主周期变化,且大时间尺度变化较为规则,为准周期振荡。4年周期最为明显,其次是7、24和10年。海河流域的降水量在时间和空间上存在着差异,且差异是带有比较明显的规律性[13]。

这些时空上的分布特征都决定了海河流域冬春易旱夏秋易涝的显著特点，也奠定了人类活动对此加以影响的必然性。

2.5 气候变化对海河流域径流变化的影响

气象和水文资料均表明近50年来，海河流域的降水呈现出明显的下降趋势。据统计，1956~1979年间，海河流域内年平均降水量为1806亿m³，而到了20世纪末期，这一数值仅为1604亿m³，相比较减少了11%，平均每年减少21.5mm。与此同时，流域内年气温呈明显升高的态势，大约每10年升高0.31℃。流域内的气候暖化已经造成地标水资源的大量流失，平均每年径流量减少18%左右，而早20世纪50年代时，这一数值还仅为12%。

气候变暖会从两个主要方面使得径流量大幅减少，分别是自然方面和人为方面。自然方面，径流量等于降水量除去蒸发量以及下渗量，当气候变暖，降水量下降，同时蒸发量上升，降水过程的初损增大，继而下渗量增大，多重因素综合作用之下就势必导致径流量的锐减；人为方面，当年气温升高时，人类用水量就会相应增大，生活方面，人类用于消暑降温的用水量会增大，生产方面，用于降低生产环境温度等的用水量也会增加，农业生产方面，灌溉用水量的增加也就非常显著，总体来说，各个组分的用水量都会大幅增加，直接导致用水量的剧增，随之使得回归水量减少，造成地表径流的进一步减少。

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复杂的微地形，逐年走高的气温，以及日益频繁的人类活动，都导致了海河流域的脆弱性与敏感性。据研究，在海河流域，当气温保持不变时，降水量每减少10%时，径流量减少26%；当降水量不变时，气温每升高1℃时，径流量减少8%，而当气温升高1℃并且同时降水量减少10%时，径流量会减少30%~35%。

2.6 人类活动对海河流域径流变化的影响 2.6.1 温室效应的影响

流域内人口的大量增加和人类活动的日益频繁，一些列的社会经济发展都引起了生活、生产和生态用水量的增加以及从流域引出的水量和分洪水量等对径流的影响;间接影响主要指工农业生产、基础设施建设和水土保持措施改变了流域的下垫面条件(包括植被、土壤、水面、耕地、潜水位等因素),导致流域产汇条件的变化,从而间接造成河川径流量的减少,间接影响的另一方面是在人类人口增加,社会经济发展的需要,引起了温室效应等气候的变化,导致了海河流域上游冰山雪水融化,致使源头水储备量减少也影响了海河流域的径流[14]。

2.6.2 水利工程的影响

自1958年海河流域大量兴修水利工程以来，至今海河流域已经建成各类型水库1900余座，总库容300多亿m³，已经大于流域内径流总量，而这些水库已经控制了流域山区面积的六分之五，防洪、灌溉、供水、发电等多种用途的水库已经严重改变了海河流域河流的径流形态。大量水库的建设极大地增大了流域集水面积，使得蒸发量大量增加，对于流域内水资源的利用与开发甚至是污染物的清除都具有相当明显的不利影响，继而引发了土地盐碱化、海水倒灌等已经威胁到人类生产生活的重大自然问题。

2.6.3 超量开采地下水的影响

随着人类对水资源的需求越来越大，地下水的开发程度也越来越高，其埋深已经从建国初期的35mm下降到了20世纪70年代的24mm，到了20世纪末期已

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经几乎不再产流，同时径流量的减少率也翻了近两番，达到了90。相比较之下，降水量虽然由于气候原因有所减少，但远低于径流量的减少程度，说明气候变暖所造成的降水量减少并不是海河流域内径流量减少的根本原因。整体来看，径流量大幅锐减主要发生在上世界70年代这一时期之后，而这一时期正是海河流域第二批水利工程大批兴建的关键节点，人类活动对于海河流域的影响更加深入彻底起来。到了21世纪，毫不夸张地说人来已经在严重超负荷地开发海河流域的自然水资源，这一水资源包括地表水以及地下水在内的所有可用水资源，海河已经完全变成一条人工河，而其内现有的水资源绝大部分已经都是跨流域而来的异地水，其本身已经无力支持本地需求，只能无止境地“打吊针”。

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第三章 区域多年径流量分析

3.1 雁翅站流量序列分析

作为整个流域的出口控制点，分析雁翅站的流量序列对于整个册田水库至三家店区间4.7万平方公里流域面积的径流模拟具有重要意义。通过对雁翅站1968~1986连续19年的水文年鉴进行统计，并对此作出了分析。

图3-1 雁翅站多年连续水文过程

从雁翅站多年径流量过程图来看，在1968~1986的19年间，年径流量趋于稳定，多年径流量均稳定在90亿m³左右，这表明雁翅站上游支流桑干河上的册田水库和支流洋河上的友谊水库对于年际径流量的调节影响显著有效。其中1973~1976年的径流量波动可能是册田水库在1970年至1976年因大坝加高的缘故，这一时期的水库仅为滞洪运用，并没有发挥其年际水量调节作用；而在1976年之后，又因为大坝本身的质量问题，水库并未投入高水位运用，一般蓄水位仅在950m左右，短时最高曾达到953m。除险加固后，又逐步提高水位运用。

1979年年径流量最大，达到了360亿m³，是正常年份的4倍左右，认定其为丰水年。做出其逐日流量过程线，发现从11月~次年5月来水均保持稳定，而在6~10月期间，来水量激增十倍以上，汛期的季风性降水为海河流域带来了丰沛的水量，这也使得全年水资源的分布更加不均匀。70%甚至80%以上的来水集中在汛期，为区域防洪和水资源调度带来了巨大的挑战，并且无法适时地满

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足当地的农业用水需求。海河流域地处华北平原，主要农作物以小麦马铃薯为主，农业需水量在春季3、4月份需求最为庞大。因此，关注最大洪峰的过境时间对于农业生产和流域水资源规划和管理具有重要意义。

图3-2 雁翅站1979年逐日流量过程线

同中国绝大多数河流的性格一样，受太平洋季风的影响，华北平原降水集中在每年的6、7、8三个月份，一年中七成左右的降水在这一时间段产生，因此产生了与之呼应的地面径流。在统计的19年间，其中有14年间水文极大值发生在夏季，即6、7、8三个月份，而其余的5次中有4次发生在11、12月份，还有1次发生在3月份。发生在11、12月份的4次的水文极大值分别为1971、1977、1982和1984年，这四年间雁翅站上游支流桑干河上册田水库年蓄水变量均为负，表明水库对水文极值的发生时间有着极为显著的影响。而发生在3月份的1次水文极大值则为1972年，此年年径流量仅为87.8,亿m³，为19年来历史最低。

图3-3 雁翅站多年水文极值发生时间

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3.2 响水堡站流量序列分析

作为永定河上游两大支流之一洋河的代表性控制站，响水堡站位于张家口市辛庄子乡响水堡村，控制流域面积14507平方公里。洋河由南洋河、西洋河以及东洋河于河北省怀来县柴沟堡附近汇集而成。洋河流域植被条件相对较差，河流的纵坡降大，含沙量高，而响水堡站上游流域内主要的洪水来源为洋河支流中的东洋河、南洋河以及清水河。

所属海河流域属寒温带性季风气候，春季风多雨少，气候干燥，夏季凉爽短暂，冬季寒冷漫长。多年年均降水量为350~500mm，其中80%集中在6~9月且呈现出局部高强度多暴雨甚至是冰雹的特征，年蒸发量大。

其上游主要水库工程为友谊水库，友谊水库为东洋河控制水库，流域面积2250平方公里，占总流域面积的15.5%，其总库容为11600万m³；而西洋河水库控制着西洋河，流域面积相对较小，仅为617.6平方公里，总库容1360万m³；另外洋河水库在响水堡站上游4km出，为缓洪蓄请水库，控制流域面积14140平方公里。

整理并分析了响水堡站1968~19（缺1987）21年间的水文资料，发现其总体统一度较高。其年径流分布结构相对稳定，做出逐年平均流量过程如下图所示。

图3-4 响水堡站多年年平均流量过程

以10m³/s为标准线，不难看出多数年份的年平均流量都在这一直线上下分布，仅有少数丰水年，年平均径流量值会2、3倍于正常年份，而在最后的19

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年则表现出一定的贫水现象，其平均流量仅为正常年份的一半左右。与之相对应的年径流总量也呈现出相似的过程。

图3-5 响水堡站多年年径流总量过程

然而由于季风影响的时间或早或晚，每年的极大值流量也不尽相同，就算是年径流量较大的年份，其水文极大值可能并不很大；而年径流量较小的年份，也可能有相对较大的水文极值。例如1973年年径流总量为5.28亿立方米，但其年一日最大流量仅为114m³/s；而1975年年径流总量为3.217亿立方米，单此年一日最大流量高达818m³/s。水量的严重不均衡是制约当地发展的根本要素之一，因为平衡水量和对水资源进行全年甚至是年际间的管理很分配都显得尤为重要。

由年际变化过程线来看，虽然缺乏1978年的详细水文资料，单不难发现前后两三年的水文情势都相对稳定且相近，因此可推测其年份的水文状况应与1986和1988两年相近，应该不会有太大的跳跃。

图3-6 响水堡站年水文极值过程

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图3-7 响水堡站年水文极值发生时间

3.3 本章小结

同属永定河的两大支流，桑干河与洋河一奶同胞，在水文情势上的很多方面都表现出极高的相似性，但又在某些细节方面表现出各自不同的态势。总体来说，两条支流共属海河流域册田水库至三家湾区间，流域总面积4.7万平方公里，处在同一气候区域之中，降水、蒸发、下渗等水温要素基本相同，因而表现出极为相近的水文过程，不论是在年径流总量上，还是年水文极值上都呈现出这一特征。然而，一方面，洋河上游下垫面情况相对恶劣，比起桑干河上游来说，洋河上游下垫面植被覆盖率相对较低，而且河道纵降比大，导致产流时间短、产流量集中、汇流指数大，进一步导致洪峰大却过境时间短，表现出“尖而瘦”的水文过程线；另一方面，洋河上游水利工程主要为洋河水库，相比于册田水库，洋河水库主要职能为缓洪蓄清，对于年内水量的调节和分配参与很少，就更不用谈年际之间的调节了，因此其年水文极值发生时间均集中在7、8两个月份，在1968~19（缺1987）之间的21年间有19年水文极值发生在这两个月份，还有两次分别发生于6月和9月各一次，并未发生像石匣里站年水文极值发生在冬季的情况。

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第四章 基于IHA法的人类活动影响评价

4.1 IHA

IHA指标体系采用32个水文指标变量来评价生态水文状态的改变，并将这些指标划归为流量大小、发生时间、频率、持续时间和变化率等具有生态意义的五大类（见下表）[1]。

表4-1 IHA法的水文参数及其影响

IHA 统计组 特征 水文参数 生态系统影响*

1.水生生物栖息可能性 2.水滨植物供水可得性 3.水资源的可获性 4.野生生物饮水易获性 5.影响水温与溶解氧

1.生物体竞争与忍耐的平衡 2.创造植物散布的条件 3.河渠地形塑造与栖息 地物理条件培养 4.植物土壤含水紧张 5.野生生物脱水 6.水紧张持续期 7.植物群落分布

1.对生物体压力的预测与规避 2.迁徙鱼产卵信号

1.植物土壤含水紧张的频率与尺度 2.洪泛区水生生物栖息可能性 3.影响床沙分布

1.植物干旱压力

2.非游动性河浜生物体干燥压力

月水文值大小 数量,时间 月平均值

年水文极值的大小和持续时

间

数量,持续时

间

年最小、最大1 天平均值; 年最小、最大3 天平均值; 年最小、最大7 天平均值; 年最小、最大30天平均值; 年最小、最大90天平均值;

年水文极值

的发生时间 高、低流量脉冲的频率和持续时间 水文值的变化率和频率

时间

年最大1天发生日期; 年最小1天发生日期

数量、频率和 每年高流量脉冲、低流量持续时间 脉冲次数,平均持续时间

涨幅年平均值,降幅年平

均值, 上涨次数,下降次

数

频率,变化率

4.2 IHA法在册田水库的应用

一般认为当分析数据的时间序列长度小于20年时，由于年际气候变化等诸多因素对IHA计算结果的影响，基本上会减少或者消除。因此，就IHA分析数据的时间序列通常不宜少于20年。

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石匣里水文站是卢定河两大支流之一的桑干河出口控制站，位于册田水库下游。以册田水库建库前1955年册田站和石匣里站的同步观测资料建立两站日平均流量的回归关系，以此回归关系来预测石匣里站在建库后1968~19（缺1987）年的日平均流量，作为水库影响钱的数据，以实测的1968~19（缺1987）年的日平均流量作为水库影响后的数据，进行IHA参数计算。根据IHA法，需要确定高低流量脉冲的阈值：将石匣里站建坝前的所有年份日流量值由小到大依次排序，分别取位于75%和25%的流量值作为高低脉冲流量的阈值，为别为 10.9m³/s和3.52m³/s。将水库建造后的水文序列的参数进行统计，并比较两序列的差值[9]。

表4-2 桑干河石匣里站IHA参数统计计算表

平均

IHA参数组

流量(m3/s) 水库影

响前 5 7.4 14.6 8.3 4.4 3.7 13 27.4 15.9 12.8 6.6 5 0.62 115.5 2.25 243.5 7.38

水库影响后 5.26 8.27 13.5 12.1 11.7 8.4 18.2 24.4 7.6 7.4 6.5 5.5 1.58 87.4 6.46 217.9 19.5

偏离量(%)

水库影响前

变差系数CV 水库影响后

偏离量(%)

第一组：月流量 1月平均流量 2月平均流量 3月平均流量 4月平均流量 5月平均流量 6月平均流量 7月平均流量 8月平均流量 9月平均流量 10月平均流量 11月平均流量 12月平均流量 组平均值

5.2 11.8 -7.5 45.8 165.9 127 40.0 -10.9 -52.2 -42.2 -1.5 10.0 27% 1.8 -24.3 187.1 -10.5 1.2

0.14 0.12 0.41 0.26 0.44 0.69 1.03 1.09 0.37 0.38 0.33 0.19 0. 0.36 0.63 0.34 0.55

0.19 0.22 0.35 0.28 0.46 0.74 0.86 0.69 0.26 0.24 0.2 0.26 0.68 0.65 0.52 0.74 0.42

35.7 83.3 -14.6 7.7 4.5 7.2 -16.5 -36.7 -29.7 -36.8 -39.4 36.8 13% 6.3 80.6 -17.5 117.6 -23.6

第二组：：年水文极值大小及持续时间

最小1日平均流量 最大1日平均流量 最小3日平均流量 最大3日平均流量 最小7日平均流量

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最大7日平均流量 最小30日平均流量 最大30日平均流量 最小90日平均流量 最大90日平均流量

3.6 83.3 879.6 439.1 1842.4 222 203 8.6 11.2 7.8 31.2 26.24 -18.77 37.3 39.2

380.6 126.3 816.7 586.8 17.9 177.5 181 12.2 7.2 6.6 34.5 18.33 -16.21 78.2 81.5

-2.3 51.6 -7.2 33.6 -2.8 % -20.0 -10.8 -15.40% 41.9 -35.7 -15.4 10.6 -7% -30.1 -13.6 109.7 107.9 174%

0.38 0.47 0.35 0.31 0.35 0.04 0.16 0.58 0.16 0.82 0.32 0.92 -0.77 0.18 0.17

0.72 0.45 0.67 0.42 0.56 0.26 0.72 0.29 0. 0.56 0.41 0.74 -0.73 0.11 0.11

.5 -4.3 91.4 35.5 60.0 44% 550 350 450% -50.0 237.5 -31.7 28.1 184% -19.6 -5.2 -38.9 -35.3 -99%

组平均值

第三组：年水文极值发生时间

年最大日流量发生时间 年最小日流量发生时间

组平均值

第四组：高低脉冲频率及持续时间

年高流量脉冲发生次数 年低流量脉冲发生次数

高流量脉冲平均历时(d)

低流量脉冲平均历时(d)

组平均值

第五组：水情变化率及变化频率 上涨率年平均值 下降率年平均值 上涨次数 下降次数 组平均值

由表2中的计算结果可以得出，由于册田水库的修建，下游水情变化表现出1第一组的参数计算结果表明，建库后月径流量平均值冬季平均增加以下特点：○2第二组参数计算结果27%，夏季平均减少19%，使得年内流量分配趋于均匀；○

表明，水文极大值有一定程度的减小，而水文极小值则在一定程度上增大，其中年最大1日流量减小24.8%，年最小1日流量增大155%，而年最大30日流量减小7.2%，年最小30日流量增大52%，说明月份之间的流量差距在缩小，年流量3第三组参数计算结果表明，水库对水文极值的发生时间同样过程线趋于平缓；○产生了一定的影响，建库后最大1日流量发生时间提前了将近45天，而最小1

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日流量发生时间则提前了22天左右，说明水库有效地承担了分洪任务，在洪峰来临之前腾空库容产生最大水文极值，而在洪峰来临之时，保证流量过程均匀平4第四组参数甲酸结果表明，建库后高脉冲流量发生次数的平均历时相对减稳；○少16%左右，而低脉冲流量发生次数的平均历时则变化不大，仅增长了4%不到；5第五组参数结果表明，建库后上涨率平均降低30%，年上涨次数平均增加48○

次，下降率平均减小14%，年下降次数平均增加42次。这说明水库对于径流的调节趋于频繁，使得径流过程由上涨少但上涨多变为多上涨缓上涨，均匀了径流过程。做出相应参数在水库建设前后的平均值折线图，如下图所示：

图4-1 水库影响前后石匣里站月平均流量变化图 图4-2 水库影响前后年最大日平均流量比较

图4-3 水库影响前后年最大日流量发生时间 图4-4 水库影响前后上涨率年平均值比较

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图4-5 水库影响前后上涨次数年平均值比较 图4-6 水库影响前后年高脉冲流量平均历时比较

分析以上册田水库造成的水文情势的变化特征，一方面，水库本身作为集挡水建筑物、泄水建筑物等于一身的综合性水工建筑物，具有拦蓄和调节洪水的固有功能，能够直接影响径流过程。主要影响表现在均匀年内径流过程，降低最大洪峰流量，提前或者延后洪峰过境时间，既可以保证下游来水稳定可利用，又可以保证大坝本身平稳高效运行；另一方面，由于水库的修建，抬高了上游水位，大坝的削峰坦化作用则凸显出来，很大程度上这是促成水库简称后年径流上涨率以及降落率趋于平缓的重要原因；第三个方面，由于水库自身的调节以及下游农业灌溉等综合原因，会造成下游水位的猛升猛降，产生流量上的几局变化，从而导致频繁的水位上升和下降，由于升降的频率大幅度升高，就使得上升率和降落率大幅度降低，水库建设前集中的大起大落变成了水库建设后由人为控制的高频率的小起小伏。总得来说，水库的修建改变了全年甚至年际间的径流过程，主要改变表现为全年径流趋于均匀化，年际水资源趋于平均化。

4.3 水库建设前后典型年的径流情况比较

为了进一步对流域内水库建设前后的水文情势进行分析，选取建库前后的几个典型的丰、平、枯水年份进行比较。

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丰水年比较：

图4-7 丰水年份建库前后月平均流量比较

平水年比较：

图4-8 平水年份建库前后月平均流量比较

枯水年比较：

图4-9 枯水年份建库前后月平均流量比较

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通过对各类典型年份径流过程的详细变化的情况来看，水库对平水年、枯水年径流影响较大，对平水年份的径流影响不是很大。

表4-3 建库后各典型年份径流情况变化

项目

年最大日流量变化率 汛期流量平均变化率 枯季流量平均变化率 径流过程线形状改变度

丰水年 减少18％ 减少32％ 增加218％ 不大

枯水年 减少42％ 减少58％ 减小37％ 较大

平水年 减少13％ 减少16％ 增加11％ 一般

总体表现为冬季径流量增大，夏季径流量减小，全年流量趋于均匀的趋势。

4.4 本章小结

当前河流的水文情势对生物生存和人类生活生产的影响日益显著，逐渐受到大家更加广泛的关注和深入的研究，为了有效地保护生态环境，保障河流生物的正常生存繁衍，需要对河流的各项水文情势进行分析和定性。本节采用IHA法分析了海河流域册田水库至三家店区间4.7万平方公里流域面积几个代表水文站的历史流量资料，对卢定河上游桑干河以及洋河两大支流的径流过程影响进行了评价。总体上来说，册田水库对于桑干河天然径流的改变更为显著，其削峰坦化作用是上涨率和降落率等参数数值在建库前后发生的变化。为满足下游农业用水等各方面的水量调度等手段是造成下游水位上涨次数和降落次数增大很多的缘故所在。

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第五章 海河流域河流的季节化

5.1 近50年来流域状况总述

1956~1979年间，海河流域平均年降水量560mm，其中年径流量.6mm，年蒸发量470mm（采用第一次全国水资源评价成果）。年径流仅为年降水量的16%，其余的84%均被蒸发散失掉。1980年后气候进入干旱少雨期，气温逐渐上升。20世纪80年代，平均年降水量为471mm，径流量为48mm，径流系数为0.10；20世纪90年代，平均年降水量为506mm，径流量为62mm，径流系数为0.12。由于蒸散发系数大，径流系数小，海河流域的陆地水文循环对气候变化与人类活动相当敏感。一切影响蒸发的气候因素以及人类活动因素都会对水量平衡，尤其是对其径流产生较大的影响[10]。

自1958年以来，海河流域卢定河支流上陆续建成了134座水库，其总库容大于卢定河年径流总量，控制了85%以上的山区面积。其中册田水库、友谊水库等均属1958年首批建设之列。海河流域内人口密集，城市数量众多，工业用水

量巨大，农业用水量需求也不容小觑，植被破坏严重，土壤涵养水源的能力大幅度下降，同时超荷载的水资源截蓄导致径流总量减少，1968~1979的12年间年平均径流量为4.526亿m³，而1980~19（缺1987）的8年间年平均径流量仅为2.699亿m³，减少了40.4%；再到了21世纪的2001~2009（缺2004）的8年间年平均径流量已经不足1亿m³，仅为0.7222亿m³，减少了73.2%，不足20世纪六七十年代年平均径流量的六分之一。断流已经成为海河流域挥不去甩不掉的恶名标签。

近50年来，海河流域人口增长了1倍，达到了1.26亿；城市化程度由20世纪50年代初的16%提高到了目前的30%。20世纪70年代以前，以人类活动为

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核心的侧支循环在海河流域的陆地水循环中的作用还尚不明显；但到了20世纪70年代之后，随着人口的增长和社会经济的快速发展，侧支循环的比重开始一点点增大。下表列出了海河流域1980年及1997年人口、灌溉面积及各种用水量的比较情况。

表5-1 海河流域1980年和1997年人口、灌溉面积及各项用水量比较

年份 1980

1997

人口 灌溉面积 农业用水 工业用水 生活用水

（百万） （千公顷） （亿m³） （亿m³） （亿m³） 97.9 6363 309 49 26 123.2 7180 319 67 47

人均用

水 （m³） 392 351

截止2004年，海河水资源的过度开发利用，已造成严峻的生态问题，主要表现在河道断流干涸，年平均断流高达274天；湿地萎缩，白洋淀等不得不靠补水维持；入海量锐减，造成12个主要河口淤积；因过度开采，地下水位持续下降；水土流失严重，水污染加剧等诸多方面。同时海河流域水资源的开发利用率高达98%，远远高于国际公认４０％的合理开发界限。一系列的数据都表明海河流域的水资源不论是在数量上，还是在质量上，都已经严重威胁到当地生态系统的平衡和稳定，也严重影响着流域内居民的生活，并且制约着流域内的工农业发展，成为京津唐地区不得不立刻解决的燃眉之急。

5.2 流域河流季节趋势分析

河流季节化是指那些原为常流河的河流, 在自然因素和人为因素的共同作用下, 在枯水季节经常出现河床干涸的水文现象。而河流季节化的主要标志表现为河道断流。海河流域河流季节化是近几十年来才出现的。就其所在的自然环境特征来看, 不是季节性河流发育的地区。然而, 近几十年来, 海河流域在气候旱化日趋严重的背景下, 人们为了解决水资源短缺等问题, 实现多目标综合兴利的目的, 自1958年以来，在海河流域各水系各支流的中上游地区, 修建了大量的蓄水工程, 并进行无节制梯级拦蓄河川径流, 结果造成下游平原地区水资源的紧缺。平原地区为满足工农业生产用水和居居民生活用水, 不得不大量超采地下水, 结果引起地下水的采补失衡和水水位的急剧下降, 流域产流能力也随之衰减, 最终造成河流在枯水季节出现经常性的河道断流,此即: 河流季节化[11]。

海河流域河流季节化形成于60 年代中后期, 此前虽然也有少数河流的个

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别河段曾出现过断流现象, 但仅为局部、短时间的偶发事件, 河流仍属常流河。60 年代中期以后, 海河流域各水系相继出现经常性河道断流。根据对海河水系部分河流断流情况的统计分析, 可以看出, 海河水系河流断流具有如下明显的变化趋势[11]。

表5-2 海河水系河流年平均断流天数（天/年）

河名 潮白河 永定河 大清河 滹沱河 滏阳河 站名 水坝闸上 三家店站 新盖房站 献县站 衡水站 起始年 1972 1965 1965 50年代 40年代 60年代 86 75 114.5 94 70年代 40.8 282 256 200.3 80年代 194.5 299 283 350 216 90年代 109.5 全年无水 188.5 全年无水

a、断流河流越来越多: 从60 年代个别河道出现断流, 逐渐发演变为全流域大多数河流皆发生断流。 b、断流频率越来越高: 流域内从个别河流的个别年份出现断流, 逐步发展到大部分河流年年发生断流, 频率高达100%。如潮白河自1972 年出现断流以来, 除1974 年外, 年年出现断流; 滏阳河自70 年代以来, 断流频率一直高达100%; 滹沱河自50 年代末至今断流现象从未间断过。 c、断流时间越来越长: 断流时间从最初的几十天, 发展到200～ 300 天, 很多河流甚至全年干涸。如永定河, 60 年代年均断流为86 天, 70 年代即发展到282 天, 80 年代年均断流高达299 天, 到了90 年代河床几乎全年干涸。 d、断流河段越来越长: 断流河道不断向中上游方向延伸。如潮白河香河站以下, 1966年即出现断流, 而位于其上游的赶水坝站于1972 年开始也发生断流。 河流如此频繁和长时间出现断流, 已属非偶然性现象, 就其河性而言, 已具有明显的季节化趋势。这种因人类不合理开发利用水资源而造成的常年性河流的季节化, 因而称之为人为季节性河流。 5.3 气候、人类活动与水循环的相互作用

陆地水循环及侧支循环的每个部分都会受到气候变化与人类活动的制约。

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当气候出于干旱的状态时，由于降水量减少，蒸发量增大，径流量减少。一方面，水量与降水以及气温有着相当密切的关系。气温升高时，各种用水量都会增加，而这其中又以灌溉用水量的增大最为显著，消耗水量的增大与回归水量的减少势必导致径流的进一步减少、另一方面，消耗水量同气候干旱指数又有着直接的联系，干旱指数越高，不可恢复的水量也就越大，回归水量也就越小。侧支循环与谁循环相互制约。当地表水开采量与地下水开采量超出了其天然补给能力时，以蒸发形势赶回大气的消耗水量就会增加，而返回土壤的回归水量减少，以至于对陆地水循环产生干扰甚至是毁灭性的破坏[12]。

在册田水库至三家店区间的卢定河分区内，近50年来流域内降水量的减少并不明显，但是天然径流的减少缺相当显著，在20世纪90年代时，降水减少1%，径流相应的减少了18%，而在60年代时期这一数据仅为12%。作为海河流域人类活动影响对严重的子流域之一，区域内的主要人类活动表征为水利工程的建设、水土保持、以及种植结构的改变等。大量的水库建设增加了流域内的集水面积，流域内的蒸发量随之增大，径流量也就相应地减少了。另外由于水库的大量建设，加之20世纪80年代以来整个流域进入了干暖的气候大环境，当夏季来临进入汛期后，夏季的第一次洪水往往都同降水量不相符，其原因就在于超高的蒸发量使得土壤处于非常缺水的状态，降水过程的初损连年增大，一方面直接降低了径流量，另一方面，延迟并缩短了汛期的时间。例如，1998年7月5日永定河支流清水河青白口降水108mm，前期影响雨量25mm，但却只有3m³/s的洪峰流量出现，最大的初损为105mm，相比20世纪50年代增加了40mm。同样的，在潮白河分区黑河流域的三道营以上，60年代的最大初损在10mm左右，到了90年代已经翻了一番，达到了20mm。

表5-3 永定河区域年降水量、天然年径流量年际变化表

降水量P(mm) 径流量R(mm） 径流系数 1950s 514.00 66.00 0.13 1960s 421.50 45.90 0.11 1970s 425.30 40.00 0.09 1980s 382.80 34.30 0.09 1990s 424.50 33.60 0.08

由此看来，近50年来海河流域山区径流受人类活动的影响相比气候变化更为显著，尤其是在近20年来，径流量锐减了七成以上。一方面，大量的人口增加以及农业用水量的不断增长都给海河流域山区径流带来了巨大的负荷；另一方面，虽然近几十年来，整个海河流域处在一个干暖的气候状态之下，单相比于人

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类活动影响来说，气候变化索带来的影响的权重并不大，还不足以造成趋势性的改变，因此有理由认为是以人类活动为载体的侧支循环制约了正常的陆面水文循环，是造成海河流域河流季节化的根本原因。

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第六章 海河流域山区径流模拟与分析

6.1 陆面水文模型CLHMS简介

大尺度陆面水文模型CLHMS(Coupled Land Surface and Hydrologic Model system)是由早期版本的LSX-HMS发展完善而来。其中，LSX-HMS是由粗网格的陆面模式LSX（Land Surface Transfer Model）与细网格的分布式水文模型HMS（Hydrologic Model System）的“耦合”。一般情况下，陆面模式计算网格的大小为几十到几百公里，而水文模型的空间分辨率要相对小很多，一般仅为几米到几十公里，为了解决空间尺度不匹配的问题，模式系统通过“基于土壤含水量”的尺度转换方法，将陆面模式计算的产流量、蒸散发量以及深层下渗量，解集到水文网格[15]。

而CLHMS版本是陆面水文模式LSX与分布式水文模型HMS的完全耦合（存在反馈机制），这时的陆面模式和水文模型的计算网格大小均为20km，从而避免了空间尺度上的转换问题。其中路面模式包括2层植被模块（数目和草地）、3层鸡血模块和6层土壤模块（0~4.25m）。

图6-1 陆面模型LSX与水文模型HMS的结构图

在产汇流部分，采用混合产流机制，即同时考虑蓄满产流和超渗产流，地表水动力过程采用二维扩散波方程进行描述。在地下水部分，假设仅存在一层均匀

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水层，即从地表到地下的不透水层，大大简化了自然界不同水力特征性地质底层的结构。假设包气带中的土壤水分保持连续的垂直剖面分布，土壤水与地下水通过乡下的重力排水以及向上的水分扩散实现水分的相互交换。对于河流，模式将其概化为矩形河道，并认为“河道”与地下水之间存在一个弱透水层，通过该弱透水层实现与地下水的交互，河流、湖泊与地下水的交互量采用Darcy定律进行计算。

1流域参数库，即流域范围、地 模式计算的参数库，包括水文模块参数库：○

2水文地质参数库，即孔隙度、水力传导度、含表数字高程DEM、河道深度等；○

1植被类型与土壤地质参数库；○2气象水层厚度及压缩系数。陆面模块参数库：○

驱动数据库。包括NCEP再分析资料以及气象台站观测数据。

6.2 未考虑水库方案的CLHMS模式的模拟性能

对于模式对径流系列模拟性能的评价，可以从以下3 个指标进行分析，计算公式分别如式(3.1)～(3.3)所示：①水量平衡系数WBI（Water Balance Index）；②Pearson 相关系数PMC（Pearson Product-moment Correlation Coefficient），用于描述模拟与观测两组序列的相关程度； ③ Nash-Sutcliffe 效率系数NSI（Nash-Sutcliffe Coefficient of Efficiency Index），用于表征对序列峰值的模拟能力。其中，WBI、PMC、NSI 数值越接近于1.0，表明模拟效果越好。

雁翅站以及石匣里站的月径流模拟效果如图所示，分析结果表明石匣里站所在网格的月径流系列模拟结果较好，但是在桑干河与洋河汇流处雁翅站所在网格的月径流系列的模拟结果比较不理想，模拟的水量普遍偏高，尤其是洪峰过程。总体来看，上游山区的模拟情况尚可，但是模拟中峰值的出现时间以及个数都不能与观测实际值很好的对应，甚至在个别年份会出现流量过程县整体差异明显的现象，但由于上游水库多为泄洪缓蓄型水库，对年际径流过程影响相对较小，所以整体模拟情况较好；在册田水库至三家店这一流域区域的出口断面雁翅站所处的网格的月径流模拟结果则显得不尽人意，整体结果显示模拟峰值远高于实际观测结果，并且在某些年份也存在模拟峰值时间提早出现的现象。一方面，水库

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图6-2 石匣里站所在网格的月径流系列

图6-3 雁翅站所在网格的月径流系列

所在的网格直接受到水库调度的影响；另一方面，受气候影响，海河流域天然径流量连年大幅递减，加之上游水源相对贫乏 ，模拟效果于是大打折扣。

6.3 本章小结

自1958年以来，海河流域逐渐兴建了一大批水利工程，覆盖了流域内83%以上的山区面积，人类活动对于流域内径流影响权重相当之大。模拟结果显示出在未涉及人类活动影响时，在水量平衡、流量过程线整体模拟方面，CLHMS陆面水文模型都表现出良好的性能。但当人类活动影响大大介入时，模型的模拟效果会大大下降，尤其进入20世纪90年代以来，随着跨流域调水等工程的实施，本流域内的水文情势变得更加复杂，模型的适应性大大降低，很难满足这一区间的要求。

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第七章 总结与展望

7.1 总结

由于海河流域本身的脆弱性和敏感性，加上日益频繁的人类活动影响，其本身的自然径流量已经锐减至不足建国初期的十分之一，当下流域内的水量全依赖于跨流域调水，而河流多数已经演化为人工河流。总体来说，海河流域径流量减少主要依赖于气候变化和人类活动影响两大助力，而其中气候变化的影响较为直观，而以人类活动为表征的侧支循环则是贡献最大的部分。

陆面水文模型模拟结果显示其可以较好地控制汛期水库高水位的部分，但是对于枯水季节是低水位的控制能力较差。而对于20世纪90年代之后的数十年模拟都不尽人意，主要原因一方面在于海河流域河流的季节化已经相当严重，另一方面在于人类活动的影响程度已经大大超出自然变化以及水库调度的影响程度，由于人类活动影响的难以定量和人为用水过程的复杂性，CLHMS目前还难以对此作出模拟和分析。

7.2 展望

（1）随着人类生产力的逐步提高，人类的生产活动对于整个地球造成的影响已经越来越无法忽视，这一系列的活动都严重地威胁到海河流域河流的径流能力，造成了流域内自然水量的大量损失，而且流域内的水质也急剧恶化。连年下降的地下水位使得土地成片盐碱化，同时海水倒灌的现象也已经发生，诸多生态以及环境问题都愈演愈烈。而在中国的大多数河流都正在经历这一悲惨过程。 （2）为了实现水资源的可持续利用，当下必须对于以海河为代表的诸多河流引起重视，加大管理分配力度，着力于建立更加和谐和搞笑的用水管理系统。在海河上游由于八成以上的山区已经被成百上千座水库索控制，广大的集水面积极大地减少了可用水资源总量；在下游由于河流断流所引起的海水倒灌、地面沉降等问题，极大地降低了下游自然水源的质量。如果仍旧对这一连串的恶性事件置之不理，其形成的恶性循环将对人类的生存带来深重的灾难。因此，为了实现人与自然和谐发展，人类在自我发展的同时必须兼顾环境本身的承载能力，一位地

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索取只能“富不过三代”，留着子孙后代的只会是满目疮痍的大地。既要金山银山，更要绿水青山是包括海河在内所有河流长远可持续发展的必由之路。

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参考文献

[1] 史艳华，邹鹰，丰华丽.水库对河流径流过程的影响分析.《水文》,2002. [2] VOROSMARTY GJ,SHARMA KP,FEKETE BM,et al.The storage and ageing of continatal runoff in large reservoir system of the world[J].

[3] 莫铠,李军，贾鹏.MIKE BASIN.水资源模型对复杂水库调度程序的开发及应用[J].水科学与工程技术，2008.

[4] 李致家，张珂，姚成.基于GIS的DEM和分布式水文模型的应用比较[J].水利学报，2008.

[5] 郭延祥，金勇.水文水动力耦合模型在三峡梯级调度中的应用[J].人民长江，2010.

[6] YANG C, LIN Z, LIU S, et al. Analysis and simulation of human activity impacton streamflow in the Huaihe River Basin with a Large-scale HydrologicModel[J]. Journal of Hydrometeorology, 2009: 810-821.

[7] 水利部水利水电规划设计总院，http://www.giwp.org.2012. [8] 王磊.永定河山区分布式水文模型及地表水资源评价.清华大学硕士论文，2004.

[9] 史艳华.基于河流健康的水库调度方式研究.南京水利科学研究院硕士论文，2008.

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[11] 何凡能，王国.海河流域河流积极恶化对地下水及生态环境的影响.地理科学进展,2001.

[12] 宋晓猛，张建云，占车生，刘春蓁.气候变化和人类活动对水文循环影响研究进展,2013.

[13] 陈丽君.影响海河径流变化的因素分析.绿色科技，2010.

[14] 车少静.海河流域旱涝时空变化特征研究.南京信息工程大学硕士学位论文,2015.

[15] 杨传国.区域陆面水文耦合模拟研究与应用[D].南京，河海大学，2008.

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致 谢

时间匆匆，大学本科四年的时光转眼就要结束。一路走来，风雨兼程，但也不缺少看到彩虹出现的喜悦。穿过布满荆棘的坎坷道路，自己的每一步成长都离不开身边每一位老师、朋友、同学还有家人的支持和鼓励。

首先，要感谢我的导师杨传国副教授和吴挺峰前辈，他们渊博的知识，深厚的学术功底，严谨的治学态度以及平易近人的态度都深深令我折服，他们所展现出来对科学的执着和对自我的严格要求都将是我未来人生道路上的一剂良药。使我受益终身。不论在学习上还是生活上，二位老师都给了我极大的帮助，对我影响颇深，给了我更多成长的空间和机会，在此，特向两位恩师表达弟子由衷的感恩之情。

其次，感谢诸多朋友和同学的帮助，没有你们我就无法完成庞大的水文数据录入工作，也就没有毕业设计结果的诞生，是你们的鼎力相助才完成了千万水文数据的录入，也使我懂得了大家只要肯团结在一起很多难题都会变得迎刃而解，非常感谢这么久以来大家一直都在。

最后，感谢我大河海，一直以来都很骄傲可以以“水之子”自诩，感谢海河给了我无限的可能，在这里我看到了更加广阔的天地，经历了更加炫彩的人生，将永生难忘。

最应该感谢的是我的父亲，一直以来您一个人养家糊口，不论儿子做什么您都无条件地支持，西北而望，无限感思，吾深爱吾父。

张志浩 2016年6月 于南京

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