張健+高云

摘要：氣候變化和高強度的人類活動對水文循環(huán)及其時空演變規(guī)律產(chǎn)生了重要影響，原有研究成果已不能真實反映現(xiàn)代條件下的水文變化規(guī)律。作為概念性模型的代表，新安江模型已不能適應(yīng)變化環(huán)境下流域綜合水文要素的模擬，因此有大量應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作亟需加強。為解決這一難題，文章以新安江水文水資源實驗站改建項目為例，闡述嵌套式強化觀測流域設(shè)計方案的應(yīng)用，在原有設(shè)施基礎(chǔ)上，嵌套增建了原型小流域及坡地水文綜合要素觀測場、嵌套式強化觀測流域、水文綜合實驗與分析測試中心及遠程接收中心。結(jié)果表明該設(shè)計方案能夠有效的提升數(shù)據(jù)資源類型及涵蓋面，為發(fā)展新一代水文模型系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，為建設(shè)流域大氣-水文-生態(tài)綜合模型提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：嵌套式；流域設(shè)計；水文水資源實驗站；水文模型；水資源管理

中圖分類號：TV11文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1672-1683（2017）01-0039-04

Abstract：limate change and intense human activities have an important impact on hydrological cycle and its spatial and temporal evolution.The previous research results can no longer truly reflect the hydrological changes in modern circumstances.As the representative of conceptual models，the Xin′an river model is no longer suitable for the simulation of the comprehensive hydrological elements in the basin，so a lot of basic research work needs to be strengthened.To solve this problem，this paper takes the water resources experiment station of Xin′an river as an example，and expounds the application of the basin-nested enhanced observation scheme in practice.Based on the original facilities，an integrated observation field for prototype basin and slope land hydrology，a nested enhanced observation basin，a center for comprehensive hydrological experiment，analysis and testing，and a remote receiving center will be newly nested.Results show that the scheme can effectively increase data resource types and expand coverage，provide data for both the development of a new-generation hydrologic model system and the construction of an atmospheric-hydrological-ecological integrated model.

Key words：nested；basin design；hydrological and water resources experiment station；hydrological model；water resources management

新安江模型是我國自主研發(fā)的水文模型，得到國際水文機構(gòu)和水文專業(yè)人士的認可，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外水文預(yù)報的科研實踐中。然而，隨著近二十年以來氣候變化和流域內(nèi)高強度的人類活動，水文循環(huán)及其時空演變規(guī)律受到深遠影響，傳統(tǒng)的新安江模型，已不能完全適應(yīng)變化環(huán)境下流域綜合水文要素的模擬，還需要進一步發(fā)展和完善[1-5]。同時，2011年，中共中央、國務(wù)院出臺《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》，明確提出要強化水文支撐，加強水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，2013年新安江流域生態(tài)環(huán)境保護也上升到國家戰(zhàn)略層面。但是目前新安江水文實驗站的實驗?zāi)芰εc新安江流域水資源與水生態(tài)保護國家戰(zhàn)略要求差距較大，氣候變化和人類活動對水文循環(huán)要素影響日漸加劇，作為概念性模型的代表，傳統(tǒng)新安江模型已不能適應(yīng)變化環(huán)境下流域綜合水文要素的模擬[6-8]。

基于以上原因，存在大量應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作亟需加強，主要表現(xiàn)在：水文觀測站網(wǎng)布設(shè)與調(diào)整需加強研究；水文信息采集的自動化水平、新儀器、新設(shè)備的自主研發(fā)能力需提高等；氣候變化和人類活動強烈影響條件下的南方濕潤地區(qū)水文學(xué)、流域水生態(tài)水文學(xué)、實驗水文學(xué)、水文氣象各監(jiān)測要素之間的耦合和綜合性分析等均需進一步加強研究[9-14]。

因此，進行嵌套式設(shè)計，結(jié)合傳統(tǒng)站點觀測、遙感、大氣模式再分析及數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)技術(shù)[15-20]，是發(fā)展新時期流域多尺度全要素水文過程模型的必然要求。本文試通過分析新安江水文實驗站嵌套式流域強化改建設(shè)計方案，介紹新一代水文實驗站的建設(shè)方向，以期對未來揭示變化環(huán)境下南方濕潤地區(qū)流域水文及伴生過程的變化規(guī)律，發(fā)展新一代流域大氣-水文-生態(tài)綜合模型提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 新安江水文水資源實驗站概況

新安江發(fā)源于黃山市休寧縣六股尖，隸屬于錢塘江水系，地跨皖浙兩省，為錢塘江之正源，是浙江省最大的入境河流。流域總面積12 151.2 km2，經(jīng)富春江、錢塘江在杭州灣入東海。新安江水文實驗站是全國首批啟動的“十二五”期間規(guī)劃建設(shè)的3個水文站之一，是河海大學(xué)第一個省部級野外實驗站?，F(xiàn)有的月潭、新亭、屯溪水文站分別設(shè)立于1958年12月、1970年12月和 1950年6月，在此基礎(chǔ)上建立了水文水資源基本規(guī)律實驗平臺，由土壤水分運動參數(shù)及其溶質(zhì)運移模擬系統(tǒng)組成，可進行水文循環(huán)過程中水文基本要素的實驗研究，積累了大量翔實可靠的水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

然而由于建站時間久遠，儀器老化嚴重，實驗研究多為田間或點尺度的強化觀測，尺度小、不足以反映水文過程在不同尺度上的變異和聯(lián)系，尤其缺乏對“徑流場-小流域-中尺度流域-區(qū)域”等多尺度嵌套式水文全要素的研究；同時，流域位于浙江、安徽交界，流域內(nèi)溪流縱橫，流域水系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水文控制站數(shù)量較少，難以全面揭示入庫徑流及污染負荷的時空變化規(guī)律，導(dǎo)致對入庫水量的估算精度不高，服務(wù)流域水資源管理紅線監(jiān)督和考核的科學(xué)水平有待提高，實驗研究基礎(chǔ)與實驗技術(shù)手段上都無法滿足當(dāng)前經(jīng)濟社會發(fā)展、氣候變化和人類活動影響對水文科學(xué)研究提出的新要求。

因此，改建新安江水文綜合實驗站，建設(shè)“徑流場-小流域-中尺度流域-區(qū)域”等多尺度嵌套式水文全要素觀測系統(tǒng)就成了刻不容緩的要求，同時也是系統(tǒng)開展變化環(huán)境下產(chǎn)匯流機制，建立流域多尺度全要素水文模型，以及提高服務(wù)新安江流域、太湖流域以及長三角經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)流域水安全的重要保障。

2 嵌套式水文全要素觀測方案設(shè)計

新安江實驗站改建項目總體方案見圖1，目前改建項目以“點-面”結(jié)合、“大-中-小”三級嵌套流域強化觀測為主線，以新安江模型理論方法為核心品牌，在進行流域植被分布情況調(diào)查和土壤特性分析的基礎(chǔ)上，建設(shè)一個原型小流域及坡地水文綜合要素觀測場（溪口鎮(zhèn)中和村）、一個嵌套式強化觀測流域（屯溪以上）、一個水文綜合實驗與分析測試中心（黃山市甘棠鎮(zhèn)）以及一個遠程接收中心，構(gòu)成一個以探索變化環(huán)境下流域水文水資源規(guī)律為目標(biāo)的更為完善的新安江水文實驗站，研究變化環(huán)境下不同尺度流域水循環(huán)與物質(zhì)（泥沙、污染物、生物）耦合機制，發(fā)展新時期流域水文全要素過程模型，其流域布局見圖2。

2.1 原型小流域及坡地水文綜合要素觀測場

觀測場布局見圖3，擬建設(shè)2個地形、坡度和形狀不同的對比小流域（M1和M2）實驗場，面積分別為0.35 km2和0.19 km2，以原型小流域為強化觀測單元，建設(shè)陣列雨量站1處，雨量站、墑情站20個，地下水位觀測井15個，流量監(jiān)測量水堰4處，并在對應(yīng)的地下水位觀測井和量水堰布設(shè)19個水樣監(jiān)測點，開展流域產(chǎn)流、產(chǎn)污、產(chǎn)沙、水生態(tài)及匯流機理綜合實驗。

在以上兩個小流域?qū)嶒瀳鰞?nèi)，設(shè)計不同典型下墊面條件的天然坡面徑流實驗場2處（建設(shè)面積5 000 m2，每個坡面規(guī)格為梯形構(gòu)造，兩底分別為65 m、35 m），建設(shè)土壤水FDR觀測陣列各1處，建設(shè)壤中流、地表徑流嵌套測流池各1處，開展坡面降雨徑流實驗，研究不同坡面的地表與壤中流過程；同時設(shè)計坡面人工降雨徑流場2處（建設(shè)面積240 m2，其中設(shè)計降雨面積為200 m2，每個坡面5 m×20 m=100 m2），安裝人工模擬降雨系統(tǒng)和地面徑流監(jiān)測配套系統(tǒng)設(shè)備1套，為了更好得應(yīng)對模擬降雨時的要求，在以上設(shè)計內(nèi)容基礎(chǔ)上新建提水泵站、蓄水池和輸水管道1套，建設(shè)土壤水FDR觀測陣列各1處，地下水觀測井各4處，研究垂向土壤不同深度的水分、地下水文過程，以及各個環(huán)節(jié)的相互作用機制。

2.2 嵌套式強化觀測流域

根據(jù)項目建設(shè)目標(biāo)，屯溪以上嵌套式強化觀測流域按大小嵌套不同面積布設(shè)不同密度的雨量站點，呈村以上流域現(xiàn)有4個雨量遙測站，增加8個雨量遙測站；呈村至月潭區(qū)間現(xiàn)有4個雨量遙測站，增加9個雨量遙測站；新亭以上流域現(xiàn)有4個雨量遙測站，增加4個雨量遙測站；月潭、新亭至屯溪區(qū)間現(xiàn)有10個雨量遙測站，增加9個雨量遙測站，合計新增30個雨量遙測站；在月潭水庫增設(shè)1個水面蒸發(fā)要素監(jiān)測站，1個氣象監(jiān)測站；在流域有代表性的測點增設(shè)10個墑情觀測站和10個地下水位監(jiān)測站；恢復(fù)呈村水文站1個，在原型小流域附近的中和村新建1個水文斷面，各安裝1套H-ADCP。具體嵌套式強化流域站網(wǎng)布局見圖4。

2.3 水文綜合實驗與分析測試中心

建設(shè)水文綜合實驗與分析測試中心，對小流域進行精細化監(jiān)測分析，對水分和污染要素在土壤中遷移轉(zhuǎn)化進行水質(zhì)和同位素監(jiān)測分析。水文綜合實驗與分析測試中心擬建于安徽省黃山市甘棠鎮(zhèn)河海大學(xué)黃山培訓(xùn)中心，主要由土壤分析室、樣品預(yù)處理室、水質(zhì)檢測實驗室、流域生態(tài)學(xué)實驗室組成，配備液態(tài)水和水汽同位素分析儀、土壤要素分析儀、實時熒光定量基因擴增PCR儀等50臺套儀器設(shè)備。

2.4 遠程接收中心

遠程數(shù)據(jù)接收中心擬建于安徽省黃山市甘棠鎮(zhèn)河海大學(xué)黃山培訓(xùn)中心，數(shù)據(jù)共享形式如圖5所示。擬架構(gòu)流域水循環(huán)及相關(guān)信息一體化的采集與傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)庫，配套應(yīng)用軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗站野外監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲、應(yīng)用、共享等功能，充分發(fā)揮實驗站的價值。

3 結(jié)論

在已有設(shè)施的基礎(chǔ)上，通過嵌套流域的強化原型實驗，揭示變化環(huán)境下南方濕潤地區(qū)流域水文及伴生過程的變化規(guī)律，結(jié)合傳統(tǒng)站點觀測、遙感、大氣模式再分析及數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)技術(shù)，發(fā)展新時期流域多尺度全要素水文過程模型，以新安江模型理論方法為核心，以現(xiàn)代陸面過程模型和流域水文模型為框架，發(fā)展新一代水文模型系統(tǒng)，建設(shè)流域大氣-水文-生態(tài)綜合模型，對于水文事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。同時，整個嵌套結(jié)構(gòu)的各節(jié)點均利用無線網(wǎng)絡(luò)進行連接，實現(xiàn)了采集、上傳、分析的自動化和智能化，是未來水文水資源實驗站發(fā)展的必由之路。希望在本實驗站的嵌套式強化觀測流域設(shè)計方案的實際應(yīng)用，能夠為解決精確多尺度水文模型的建立，提供一定的實際經(jīng)驗。

參考文獻（References）：

[1] 劉寧，高波.當(dāng)代水利科技前沿[M].北京：中國水利水電出版社，2006.（LIU Ning，GAO Bo.Contemporary water conservancy science and technology frontier.Chinese[M].Beijing：China Water Conservancy and Hydropower Press，2006.（in Chinese））

[2] 芮孝芳.水文學(xué)原理[M].北京：中國水利水電出版社，2005.（RUI Xiao-fang.The principle of hydrology.Chinese[M].Beijing：Water Conservancy and Hydropower Press，2005.（in Chinese））

[3] 徐宗學(xué)，李景玉.水文科學(xué)研究進展的回顧與展望[J].水科學(xué)進展，2010，21（4）：450-459.（XU Zong-xue，LI Jing-yu.Progress in hydrological sciences：past，present and future.Chinese[J].Advances in Water Science，2010，21（4）：450-459.（in Chinese））

[4] 張金村，芮孝芳.分布式水文模型構(gòu)建理論與方法述評[J].水科學(xué)進展，2007，18（2）：277-292.（ZHANG Jin-cun，RUI Xiao-fang.Discussion of theory and methods for building a distributed hydrologic model[J].Advances in Water Science，2007，18（2）：277-292.（in Chinese））

[5] Walter M T，Brooks E S，McCool D K，et al.Process based snowmelt modeling：does it require more input data than temperature index modeling？[J].Journal of Hydrology，2005，300：65-75.

[6] Reed S，Koren V，SmithM，et al.Overall distributed model intercomparison project results[J].Journal of Hydrology，2004，298：27-60.

[7] 張彥增，秦建文，喬光建.河北省平原區(qū)水面蒸發(fā)量變化趨勢及影響因素[J].南水北調(diào)與水利科技，2011，9（4）：63-65.（ZHANG Yan-zeng ，QIN Jian-wen ，QIAO Guang-jian.Changing trends of water surface evaporation and its influencing factors in the plain area of Hebei province[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology，2011，9（4）：63-65.（in Chinese））

[8] Michaud J，Sorooshian S.Comparison of simple versus complex distributed runoff models on a midsized semiarid watershed[J].Water Resources Research，1994，30（3）：593-605.

[9] Beven K J.Linking parameters across scales：subgrid parameterizations and scale dependent hydrological models[J].ydrological Processes，1995，9：263-282.

[10] Beven K J.Changing ideas in hydrology：the case of physically-based models[J].Journal of Hydrology，1989，105：157-172.

[11] Woolhiser D A.Search for physically based runoff model a hydrologic El Dorado？[J].ASCE Journal of Hydraulic Engineering，1996，122 （3）：122-129.

[12] Robinson J S，Sivapalan M.Catchments scale runoff generation model by aggregation and similarity analysis[J].Hydrological Processes，1995，9：311-330.

[13] Koren V.Hydrology laboratory research modeling system （HL RMS） of the US national weather service[J].Journal of Hydrology，2004，291：297-318.

[14] Loague K M，F(xiàn)reeze R A.A comparison of rainfall-runoff modeling techniques on small upland catchments[J].Water Resources Research，1985，21（2）：229-248.

[15] 張建云.中國水文預(yù)報技術(shù)發(fā)展的回顧與思考[J].水科學(xué)進展，2010，21（ 4） ：435-443.（ZHANG Jian-yun.Review and reflection on China′s hydrological forecasting techniques[J].Advances in Water Science，2010，21（4）：435-443.（in Chinese））

[16] Liu J T，Chen X，Zhang J B，et al.Coupling the Xinanjiang model to a kinematic flow model based on digital drainage networks for flood forecasting[J].Hydrological Processes，2009，23（9）：1337-1348.

[17] Peng D Z，Xu Z X.Simulating the impact of climate change on stream flow in the Tarim river basin by using a modified semi distributed monthly water balance model[J].Hydrological Processes，2010，24（2）：209-216.

[18] Lin C A，Wen L，Lu G H，et al.Real-time forecast of the 2005 and 2007 summer severe floods in the Huaihe river basin of China[J].Journal of Hydrology，2010，381（1/2）：33-41.

[19] 張東輝，張金存，劉方貴.關(guān)于水文學(xué)中非線性效應(yīng)的探討[J].水科學(xué)進展，2007，18（5）：776-784.（ZHANG Dong-hui，ZHANG Jin-cun，LIU Fang-gui.Some comments on nonlinear effect in catchment hydrology[J].Advances in Water Science，2007，18（5）：776-784.（in Chinese））

[20] 沈永平，王國亞.IPCC第一工作組第五次評估報告對全球氣候變化認知的最新科學(xué)要點[J].冰川凍土，2013，35（5）：1065-1076.（SHEN Yong-ping，WANG Guo-ya.Key finding and assessment results of IPCC WGI fifth assessment report[J].Journal of Glaciology and Geocryology，2013，35（5）：1065-1076.（in Chinese））