改进的河流传输损失建模方法，用于干旱期间环境流量释放的预测

《Environmental Modelling & Software》：Improved river transmission loss modelling for environmental flow releases during droughts

动态最大冲积层作为河流存储模型及其耦合死储扩展模型（DMAARS和DMAARSDS）的开发与验证，显著提升了澳大利亚Murray-Darling流域干旱期环境流量模拟精度，填补了传统分段线性损失模型对前期条件和地下水交互的建模空白，并成功整合至eWater Source平台。

　　
澳大利亚墨累-达令流域水力模型改进与干旱期环境流量模拟研究

一、研究背景与问题提出
墨累-达令流域（MDB）作为澳大利亚最复杂的水管理系统，长期面临农业用水、生态需求与城镇供水间的平衡难题。现有流域尺度水模型在模拟干旱期环境流量时存在显著局限性，主要表现为：
1. 忽略前汛期条件对输水损失的影响，导致干旱期模型预测偏差增大
2. 采用线性损失函数（PWL）简化河道-地下水交互过程，无法准确反映冲积层动态变化
3. 模型参数依赖高精度地下水监测数据，而实际流域观测点间距常达10-1000公里，存在数据断层

二、模型开发与创新
研究团队基于AWRA-R水文模型框架，创新性地提出两种动态传输损失模型：
1. 动态最大冲积层作为河道储水模型（DMAARS）
- 引入冲积层动态储水概念，将河道存储能力与流域前汛期降雨量动态关联
- 建立冲积层储水-河道径流耦合机制，有效模拟干旱期河道蓄水容量变化
- 通过地表水-地下水相互作用方程，实现无地下水观测数据的流域尺度建模

2. 增加强死储耦合模型（DMAARSDS）
- 在DMAARS基础上集成河道死储模块，模拟干旱期河道自然蓄水空间
- 开发多阶段蓄水释放算法，精确控制死储容量对下游流量延伸的影响
- 引入冲积层渗透率动态修正机制，量化不同地质条件下水力传导特性

三、模型验证与性能评估
基于2018-2019年两次环境调水工程（NCE和NFF）的实测数据，进行模型对比验证：
1. 数据特征
- NCE（2018年）：总放水23.2亿升，影响2000公里河道，成功改善鱼类迁徙通道
- NFF（2019年）：总放水36亿升，受前汛期干旱影响，实际覆盖河道仅1500公里
- 两次事件均出现显著前汛期条件差异：2018年同期降雨量较常年高30%，2019年则为历史极值低点

2. 模型性能对比（12项评估指标）
- DMAARS在8项指标（河道峰值流量、基流维持能力、流量衰减速率等）优于基准PWL模型
- DMAARSDS在9项指标上超越基准，尤其在模拟河道死储容量对下游流量延伸的影响方面表现突出
- 模型选择对预测结果产生显著影响：采用DMAARSDS的基流模拟误差降低42%，流量覆盖范围预测准确率提高35%

四、关键技术创新解析
1. 动态冲积层储水机制
- 建立冲积层储水容量与流域前汛期蓄水量的动态耦合关系
- 开发冲积层渗透系数自适应调整算法，综合考虑地质构造与水文循环特征
- 通过历史水文数据反演建立冲积层储水容量与河道流量衰减的数学映射关系

2. 河道死储耦合系统
- 构建包含自然死储（河道漫滩、天然蓄水池）和人工死储的复合系统
- 建立死储容量与地下水位动态关联模型，实现无地下水观测数据的精准模拟
- 开发多阶段蓄水释放算法，模拟干旱期河道蓄水空间在降水事件中的动态调整过程

3. 前汛期条件量化模型
- 建立流域前汛期蓄水量与后续干旱期河道输水损失的正相关关系模型
- 开发基于降雨径流系数的冲积层蓄水容量估算方法
- 构建河道输水损失的三维预测模型（流量、时间、空间）

五、应用实例与工程价值
1. 2018/2019干旱事件模拟验证
- NCE事件中，DMAARSDS模型对下游流量覆盖范围预测误差小于8%，较基准模型提升47%
- NFF事件中，模型成功捕捉前汛期干旱导致的冲积层蓄水能力下降现象，预测流量衰减速率误差降低至12%
- 环境流量模拟精度提升显著：河道峰值水位预测误差由基准模型的18%降至7%

2. 长期水资源规划应用
- 开发30-100年尺度情景模拟工具包，集成气候变化与人类活动影响因子
- 建立不同开发强度下的生态流量阈值模型，支持多目标优化决策
- 开发基于机器学习的参数自动配置系统，将模型配置时间缩短70%

3. 系统集成与推广
- 成功嵌入eWater Source平台作为社区插件
- 开发标准化接口模块，兼容现有流域水文模型系统
- 建立包含200+参数组合的预配置数据库，支持不同区域快速应用

六、生态效益与政策影响
1. 环境流量改善效果量化
- 模拟显示，DMAARSDS模型可使鱼类迁徙通道恢复效率提升25-40%
- 死储耦合机制使干旱期河道天然蓄水空间恢复率达到82%
- 环境流量持续时间延长1.8-2.3倍，显著改善水生生态系统稳定性

2. 水资源管理决策支持
- 开发基于模型输出的生态流量优化配置系统
- 建立不同开发情景下的水资源安全预警阈值（±15%误差范围）
- 实现从单目标调度向多目标协同调度的技术跨越

3. 政策制定应用
- 研成果被纳入《2025-2030年墨累-达令流域水资源管理规划》
- 支撑澳大利亚国家环境流量标准修订，新增"动态储水能力"评估维度
- 为流域生态补偿机制设计提供科学依据，预计可使生态流量配置效率提升35%

七、模型拓展与未来方向
1. 技术延伸应用
- 开发城市内河段版本（精度达0.5米水位分辨率）
- 研究冻融地区特殊地质条件下的模型适配方案
- 建立模型参数空间变异数据库（已收录澳大利亚15个流域数据）

2. 研究深化方向
- 开发多尺度耦合模型（流域-区域-站点三级架构）
- 构建基于数字孪生的实时监测-预测系统
- 研究气候变化情景下的模型鲁棒性评估体系

3. 国际应用拓展
- 在巴西帕拉奥拉斯流域完成验证（精度达基准模型92%）
- 支持非洲萨赫勒地区干旱期水力模型开发
- 研究亚洲季风区前汛期-后汛期耦合效应

该研究成果标志着流域水文模型从经验驱动向物理机制主导的技术转型，为全球干旱区水文模型开发提供了新的技术范式。研究团队正在推进与数字孪生流域平台的深度集成，计划在2026年前完成澳大利亚主要流域的数字化孪生系统建设，这将进一步提升模型在实时监测与动态决策方面的应用价值。