[18.10.23][12-13] WMO — Manual on Low-flow Estimation and Prediction

12、13章内容


12. Case studies

12.1 Summary of the case studies

1.Transboundary rivers
本案例研究考虑了跨界河流重建者面临的问题以及如何使用低流量信息进行管理 (重要)。 北美的Colum-bia河流域和东南亚的湄公河用于说明与水管理和规划  water manage-ment and planning (注意它俩层次的区别) 有关的一些最重要的问题。

2.Catchment-based water resources decision- support tool within the United Kingdom
本案例研究总结了当前的政策背景,以及联合王国内的低流量估算,并着手描述LowFlows决策支持工具的开发和应用,以满足估算无人集水区内自然流量和评估影响的要求。 在自然流动状态下使用水。 第9章更全面地描述了估算无流量站点低流量的技术,并在第10章中估算了人为影响的影响。

3.Low-flow management issues in the United Kingdom
湿地的性质来自与地表水和地下水源相关的一系列特征。 由于排水不良或接近永久性水源(例如河流及其洪泛区)或由形成弹簧或上游的确定地质结构引起的地表或附近持续高水位维持它们。 地下水的涌动。本案例研究利用英国的实例探讨了湿地流量和地下水支持与抽象敏感性之间的相互关系。

4.Real-time management of environmental flow requirements (Thukela River, South Africa)
修订后的“南非国家水法”规定了通过建立环境用水要求来保护和可持续开发水生资源。 这些已经为Thukela盆地建立,使用标准的方法,产生一系列低流量和高流量的要求,旨在反映自然流态的变化。 本案例研究描述了为确保环境水需求的低流量组分而建立的方法。 测量或估算的数据可用作水文输入。 第9章介绍了区域内概念水文模型的区域化方法。

5.Regionalized resources models for small-scale hydropower: India and Nepal
与联合王国的案例研究相比,本案例研究描述了在尼泊尔和印度北部设计小规模降水计划的决策支持工具的开发。 这些方案通常是河流计划,这意味着他们没有人工储存来提供恒定的供水。 流量 – 持续时间曲线的估计(第6章)是设计过程的关键部分。

6.Residual flow estimation and hydropower: Norway
与Nor-way中的许多水文主题一样,低流量研究与水电生产有关。 这些研究主要集中在如何设定水电站水库或抽水改道下游的河流流量要求(剩余流量)。 由于人们越来越意识到水资源开发的负面环境影响,研究重点已转向寻找计算流域低流量的方法,而这些方法很少或根本没有测量结果。 本案例研究探讨了支持挪威水电项目发展的低流量估算,并将区域化模型和该地区当地数据得出的结果进行了比较。


12.2 Transboundary rivers

12.2.1 Towards international water management

跨界河流跨越一个或多个国界或沿主权国家之间的边界流动。世界上有超过260条跨界河流,其流域由2至17个不同的国家共享(Wolf等人,1999年)。在许多这些国际河流流域,河流提供的水资源存在争议和冲突。这反映了这样一个事实,即在水资源供应变化很大的地理区域,河流往往对政治和经济的成功至关重要。

因此,跨界流域任何开发的规划过程都需要对流量的水文和水文变率进行全面评估。水量,最小流量,防洪和水电是跨界河流中最具争议的问题之一。因此,不仅在一个国家对整个流域的极端水文进行评估,这是对符合公平使用原则的条约和联合管理谈判迈出的重要一步。本案例研究来自两条跨界河流的水文学研究,这些河流在其发展和沿岸国家的发展方面呈现出截然不同的情况。哥伦比亚河流域由加拿大和美国共享,是世界上最发达的河流之一。作为北美最大的能源生产河,它拥有一系列大型和小型水坝。主流中的流量管理受最古老的国际条约之一 – 1961年建立的哥伦比亚河流域条约(作为审查,参见Muckleston,2003)的监管。流经中国,缅甸,泰国,柬埔寨,老挝人民民主共和国和越南的主流湄公河仍处于不发达状态。通过湄公河委员会(MRC),下梅公河沿岸国家目前正在努力实施流域范围的流量管理战略。尽管发展水平不同,但这两种基础上的资源压力目前很高,特别是在旱季。两个流域的国家正在审查发展和取水的其他机会。以下部分简要介绍了作为这些评审的一部分研究的盆地和低流量相关问题。本章不是讨论所进行的分析的技术细节,而是侧重于有关跨界河流的特殊情况和限制的讨论。

12.2.2 The Columbia River: Balancing flows for fish, agriculture and hydropower

哥伦比亚河流域流经北美西部670 800平方公里,从英国哥伦比亚(加拿大)流入并通过华盛顿州(美国)超过2 000公里,然后沿太平洋平均排放7 400立方米/秒。 与俄勒冈州接壤。 虽然该流域的加拿大部分仅占流域总面积的15%,但它的年度预测量却高得多(图12.1),因此占太平洋年流量的30%左右。 在华盛顿州的中哥伦比亚,这一比例甚至更高,这是美国大部分水电站所在地。However, most of the precipitation falls in winter and is stored as snow, which results in a snowmelt-driven hydrological regime with the highest flows during spring to summer (May to July) and low flows during the winter (October to March). This annualcycle is the opposite of energy demand, which is at its highest in winter. 

——有预报的需求。

由于需要廉价的能源,并且在北美西部日益发展的压力下,加拿大和美国于1961年签署了“哥伦比亚河流域条约”。根据该条约,在加拿大建造了几座大坝。 他们现在储存来自春天融雪的水,然后在整个冬季低流量季节逐渐释放,允许来自美国水坝的水力发电。 作为对其领土上的储存的回报,加拿大目前获得美国电力生产的“下游利益”的50%。大坝的建设和各季节的水储存大大改变了哥伦比亚中下游的水文状况(图12.2)。

从夏季高流量的自然水文条件向夏季流量较低和夏末低流量的现行调节制度的变化对鲑鱼产生了广泛的影响。 哥伦比亚主流低流量条件下的主要问题是流速降低和水温升高。 低流速使幼鲑鱼更难以游到海里,高水温会导致成年鲑鱼在夏末返回产卵时产生压力。 大部分盆地都有一个漫长,炎热和干燥的夏季,因此鱼类因此与农业用途的灌溉抽水竞争。

——确实是现实的问题,图12.2很明显

尽管有严格的监管,但哥伦比亚河的流量仍然每年都在波动。这些波动,以及通过加拿大上游的进一步发展以及通过气候和环境变化的未来变化,也需要考虑用于华盛顿州未来用水许可的决定。在低流量年份,水坝以下的鱼流目标已经很难或不可能满足。随着不列颠哥伦比亚省和华盛顿州上游的人口稳步增长,消费用水和水电需求将保持不变甚至可能增加。因此,“条约”确定的流量的根本变化不太可能保证全年水电生产。此外,在大多数温室气体驱动的气候变化情景下,预计降雪量减少和夏季气温升高的气候趋势将持续。这表明自然夏季流量可能会进一步减少。该研究无权提出政策建议。 但是,它得出结论认为,在夏季进行额外提款的机会有限,因此建议,如果发布额外许可,则应包括允许在关键的低流量期间停止提款的条件(NRC,2004)。 鉴于即使在目前的情况下,在低流量年份对鲑鱼生存的威胁,该研究还表明,应考虑调整和更有效地利用现有水资源。

——研究结论,夏季,不应该在河道取水。水资源配置出现了问题。


12.2.3 The Mekong River: Low-flow origin along the river

湄公河下游的国家都非常依赖河流来获取食物,水,交通等等。 湄公河高度季节性季风形态水文系统的年度周期(图12.4)对水稻和蔬菜的生产至关重要。 然而,由于最近建造了许多大坝并且正在建造更多大坝,因此人们对渔业可持续性和“扁平化”重建对生态系统和耕作方式的影响提出了担忧,这种做法依赖于洪水和低流量的年度循环。

湄公河委员会是湄公河委员会(由联合国成立)的继承者,于1995年由柬埔寨,老挝人民民主共和国,泰国和越南政府达成协议,中国与缅甸进行对话伙伴。该组织的任务是“在湄公河流域的水和相关资源的可持续开发,利用,管理和保护的所有领域进行合作”(MRC,2005a)。自1995年协议以来委员会开展的活动包括成员国之间就水电,防洪,灌溉和其他问题制定若干战略和计划。此外,成员国签署了分协议,其中包括数据和信息共享和交换协议,这是任何水文评估和规划过程的重要步骤。委员会的主要任务包括开发综合流域管理(IRBM)活动。 IRBM的长期目标是收集成员国可以根据流域开发制定决策的信息。some in-teresting aspects on low flows and droughts in the ba-sin, as summarized below.

下墨西哥主流的最大流量来自老挝人民民主共和国的主要左岸支流,其中降雨量在盆地内最高(图12.3)。年流量总量的约16%来自中国的源头。然而,在干旱季节,也就是低流量季节,湄公河上游的相对贡献,特别是来自中国的相对贡献要高得多,因为山区的融雪融化了。在低流量季节,这个所谓的“云南组成部分”对主要河流的贡献在万象(老挝人民民主共和国)达到80%,在Kratie(柬埔寨)达到40%。中国云南省目前大坝开发的具体细节尚未广泛提供。


12.2.4 Conclusions

在跨界河流中,在国际水管理和规划的背景下,低流量研究往往是必要的。(水少的时期,怎么分配水!!!更加矛盾!!!) 这些问题可能涉及新的发展,这些发展将影响下游国家或需要来自上游国家的特定流量管理,确定共享利益或减轻现有的低流量相关问题。 在这两个例子中,正在审查改进流量管理的可能性,同时考虑到在低流量季节进一步开发和撤离对鱼类栖息地的不利影响。 由于哥伦比亚河主流的高度监管,对当前流量制度的任何改变主要是来自主要水坝的流量调节问题。 然而,这些受条约和能源市场的约束,因此提供的灵活性很小。

其他跨界河流中经常出现的问题是极端和意外的低流量。 很少有国家充分考虑到气候的年际变化,在国际水资源管理计划和条约中,很少有人考虑过未来的气候变化。 鉴于在预测未来条件方面存在困难建议通过要求在极端干旱和气候变化情况下对流量分配和最小流量保证进行修订和重新谈判,使所有协议和分配具有灵活性并考虑到特殊情况。

——不仅仅是考虑未来的气候变化,就算是仅考虑长期的预报,协议和分配也需要具有灵活性。

这两个例子说明跨界河流的低流量问题是如何考虑的许多问题之一; 但是,这个问题最受现有分配和国家利益的约束。 理想情况下,国际委员会,例如哥伦比亚河和MRC的国际河流委员会,应促进制定国际管理计划,以保证资源的公平使用。 定期讨论,联合监测,数据管理和研究对于了解水文事实,文化和经济利益以及国际盆地内的问题至关重要。


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12.3 Catchment-based water resources decision-support tool in the United Kingdom

英格兰和威尔士的低流量估算政策的目标是让公众更容易获得有关水资源可用性和抽取许可的信息,并为这方面的水提供透明,一致和结构​​化的方法。资源管理。这是通过称为集水区抽象管理战略(www.environment-agency.gov.uk)的监管程序实现的,该战略是英格兰和威尔士境内欧盟水框架指令(WFD)的实施组成部分。在苏格兰,苏格兰环境保护局正在通过受控活动条例(www.sepa.org.uk)实施WFD。在两个监管辖区内,基本的水文管理工具是流量持续时间曲线(FDC)。对水资源使用产生的FDC的修改以及这些修改对水生生态系统的影响的评估是两个管辖区内的关键管理问题。


12.4 Low-flow management issues in the United Kingdom

湿地的性质来自与地表水和地下水源相关的一系列特征。由于排水不良或接近永久性水源(例如河流及其洪泛区)或由形成弹簧或上游的确定地质结构引起的地表或附近持续高水位维持它们。地下水的涌动。仅在季节性和气候波动下,湿地总是会受到一些湿度变化的影响,甚至在周围干燥的程度上也是如此。然而,在人为干预流域管理的影响下,如土地排水,河流和地下水取水,湿地可能变得更容易受到干旱的影响。即使这种影响不会导致湿地完全干涸,人工延长低水位条件,干扰季节性水平衡的时间和极端,也会对其生态产生不利影响。


12.5 Real-time management of environmental flow requirements for the Thukela River in South Africa

12.6 Regionalized resources models for small-scale hydropower: India and Nepal

与具有显着水库储存的主要水电方案相比,小规模水电方案通常没有人工储存来为发电提供恒定的水供应(图12.12)。因此,这些方案完全依靠自然河流来发电。有许多水电方案组件供未来发展考虑。例如,该计划与消费者的接近程度以及对传输,场地可达性,土木工程工程范围,获取和维护机电设备的实用性,减轻环境影响,计划的可能盈利能力的影响, 等等。然而,有一个重要的因素,没有它,上述任何一个都不能认真对待:充足和可靠的供水。在小型水电设计中,与供水,灌溉和水质管理等许多其他水资源项目一样,描述河流中水的可用性的传统方法是使用流量持续时间曲线(FDC)

——FDC相当于,以曲线形式表示,的来水保证率。


12.7 Residual flow estimation and hydropower: Norway

与挪威的许多水文问题一样,低流量的研究与水电生产有关。 这些研究主要集中在如何设定水电站水库或抽水改道下游的河流流量要求(剩余流量)。 由于人们越来越意识到水资源开发对环境的负面影响,许多自来水公司,水电公司,顾问和市政当局现在都对低流量具有专业兴趣。 目前的主题水资源问题包括污染,水库设计和管理的后果,以及从河流中取水灌溉,小型水电站和饮用水供应。 这已经将研究重点转向寻找计算流域低流量的方法,很少或没有测量。

挪威水资源和能源理事会(NVE)是石油和能源部的一个机构,负责管理国家的水和能源资源,也是挪威水资源法案的管理者之一。 一家水电公司向NVE申请许可,以管理Stølsvatn湖,并在挪威西南部的小河Stølsvatnsbekken(图12.15)建造Dirdal水电站。申请时,没有其他类型的 集水区内的流量调节或用水。

对该方案的水文运行及其对生态的影响的研究得出结论,如果没有设定最小剩余流量要求,那么支持河岸生态系统的河水喷雾产生的水分供应会大量减少。 。这可能对环境造成影响,包括当地减少生物多样性。在夏季的生长季节保证充足的水分供应被认为是保护稀有苔藓和地衣的最重要因素。在生长季节(9月至5月)之外,人们认为降水和洪水将为生态系统提供足够的水分支持;因此,在此期间没有考虑到需要最低剩余流量要求。在对可能的最小剩余流量水平的影响进行经济分析之后,NVE建议在6月到8月之间对抽取进行季节性限制,同时仅在河流流量超过35l / s时进行抽取。 /平方公里。这大约是估计的MAM(7)值的三倍,并且几乎等于平均流量。当流入Stølsvatn油藏的流量低于所需的剩余流量时,不能产生水力发电。

——季节性的流量限制。


13. Recommendations and conclusions

13.1 Introduction

在发达国家和发展中国家,提高水资源计划可靠性和改善因过度捕捞和污染而退化的生态系统的压力越来越大。地表水和地下水资源在低流量期间承受的压力最大,随着人口增长,气候和土地利用变化,这些压力将增加。因此,必须设计和运行水资源计划,以便提高人们的生计和他们赖以生存的生态系统。这只能通过开发和传播基于彻底理解干旱过程,优质水文数据和适用于各种环境的分析技术的操作技术来实现。本章提出了一些建议,以提高能力,减少预测和预测低流量在三个方面的不确定性:数据收集,业务应用和能力建设。

This chapter makes a number of recommendations for improving abilities and reducing the uncertainty in predicting and forecas-ting low flows in three areas: data collection, operational applications and capacity-building.

13.2 Data

低流量频率的估计需要很长的,最好是不间断的时间序列,而如果有良好的空间覆盖,则需要在没有数据的站点进行估计。第3章介绍了一些处理,控制水文数据质量和传播水文数据的技术。在一些国家,这些方法已经确立;但是,在世界许多地方,分配给环境监测的资源不足,数据的数量和质量都在下降。因此,最优先考虑的是确保在数十年内作出长期承诺,增加分配给数据收集和传播良好做法的资源,特别是在发展中国家,但不仅如此。需要扩展网络,改进数据处理和质量控制,必须将不同的环境数据集整合到地理信息系统中并自由传播。

预计传感器,数据记录器和处理软件将不断改进。 用于测量水位的遥感和低成本传感器的进步应提高大型河流和湖泊数据的可用性,特别是在偏远地区。 空间分辨率,全球覆盖率,测量频率和记录长度将随着远程感知的土地利用和冰雪测量而不断改进。 这将直接有益于估算大型盆地土地利用变化和旱季流量对冰川消除的影响。

在许多流域,对水文的主要影响是由于水库建设,直接河流抽水,地下水抽水,发电和城市化造成的人为影响。需要使用针对大量次要影响的主要影响和估计程序的直接测量来改善关于这些影响的位置,体积和时间的信息的可用性。为了改善水资源的运行,必须实时获取数据,以便做出决定,例如水电计划的运行或抽象控制。未来十年,降水,河流流量,地下水位和水库数据的实时传播将继续取得进展,并通过定期报告低流量和流量预测的现状来综合这些数据。越来越多地利用网络作为数据传播平台,将改善环境保护机构与电力和水务公司之间的信息获取及其交流;普通大众也会受益。

13.3 Operational applications

如果有足够的数据来理解低流量过程或水文设计,则应始终优先使用预测模型。 但是,在许多情况下,数据缺失或不足。 在这些情况下,可能有必要建立一个水文模型,例如,估算未开发地点的低流量或预测土地利用变化的影响。

第9章描述了不同的区域水文模型,从简单的经验关系到更复杂的多变量模型。 这些模型的关键应用是估算流量数据不可用的站点的低流量频率。 其进一步发展的主要限制是需要高质量的水文数据用于模型开发和校准,以及缺乏最合适的流域描述符。 所有盆地属性必须是数字形式,必要时需要开发新的描述符。 虽然人们认识到水文地质是控制低流量响应的关键变量但它很少明确地纳入区域低流量模型。 还有必要通过在校准中未使用的集水区子集上测试模型来改进模型不确定性的估计。

虽然流生态科学不在本手册的范围之内,但低流量的估算往往是河流管理的关键问题。 提高我们对河流生态系统理解能力的最重要原因之一是开发河流流量模型以改善河流管理,特别是最大限度地减少河流抽取对河流生物群丰度和多样性的影响。 仍然需要非常快速的评估技术,其中抽取与自然低流量的比率非常低。 虽然传统上使用简单的低流量统计数据,但国家实地计划和描述渠道几何和基质的相关数据库与流量信息相结合的可用性应该导致快速评估技术的显着进步。


在过去的二十年中,使用在一系列空间尺度上运行的不同类型的水文模型,在水文模拟方面取得了相当大的进展。 这项研究的大部分内容都集中在降低模型预测的不确定性,这是基于单个集水区或小集水区的校准。 最重要的优先事项之一是利用这些专业知识来区域化月度和每日连续模拟模型。 利用日降水量和蒸发量的输入,可以在无人值守的地点产生长时间的日流量,扩展短记录并预测土地利用变化的影响或低流量对气候变率的敏感性。 这些模型的区域化将使业务水文学家能够为一个地区内的所有河段执行这些任务。

在稀疏的原始集水区中很少需要水文设计。 相反,大多数水文问题出现在人口密集的渔场和竞争用水户面临最大压力的地区。 这些具有非常复杂的用水模式的集水区很少被研究界研究。 迫切需要改进对这些人为影响的监测和建模。 虽然一些影响相对简单,例如污水排放对低流量的影响,但其他影响更为复杂,例如地下水抽水或城市化的影响。 必须采用综合流域管理的整体方法,与每个水行业部门分别考虑问题的历史方法形成对比。

在全球一级,需要在发展中国家推进运营设计和预测。 在山地环境中,需要预测冰川消融对旱季流动的长期影响。 这在喜马拉雅山脉和安第斯山脉中尤为重要,因为低流量主要来自冰川融水,在农业和饮用水的干旱季节至关重要。

如果可以在用户和研究团体之间建立长期伙伴关系,将加速业务水文学的进步。 这使得在启动研究计划之前可以明确规定操作要求。 最终产品必须与现有数据,组织技能及其政策目标相兼容。 通常情况下,研究将通过软件进行转移,软件必须在几年内得到支持,以便根据基础研究中的进展来改进决策支持系统。


13.4 Capacity-building

——虚

 

 

 

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