在水資源配置模型中引入環(huán)境流量需求的新方法

［荷蘭］K.S.梅耶爾 等

1 概 述

環(huán)境流量描述了維持淡水和河口生態(tài)系統(tǒng)所需水流的量、質(zhì)以及發(fā)生時(shí)間，而人們的民生福祉依賴于這些生態(tài)系統(tǒng)。因此，在稀缺水資源配置的規(guī)劃中，環(huán)境流量需求應(yīng)該視為一種用水需求，與其他用水需求如灌溉以及公共供水等同等看待。為了在水資源規(guī)劃和管理中合理考慮環(huán)境流量需求，水管理所使用的模型應(yīng)能夠適應(yīng)環(huán)境流量的具體特點(diǎn)。全球人口增長以及社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的增加，導(dǎo)致了用水需求不斷增加。同時(shí)，人們對維持河流生態(tài)系統(tǒng)及其服務(wù)的重要性的認(rèn)識也在不斷增強(qiáng)。流域規(guī)劃涵蓋所有用水，對于可用水資源在這些用戶之間的平衡配置非常重要。例如，歐盟水框架指令特別要求制定流域?qū)用娴乃Y源規(guī)劃，同時(shí)強(qiáng)調(diào)社會經(jīng)濟(jì)用水的環(huán)境用水。同時(shí)，《歐盟干旱通訊》(2007 年)要求制定更具效率的水資源分配制度，旨在重建可持續(xù)的平衡。

環(huán)境流量的前提是認(rèn)為河流和濕地生態(tài)系統(tǒng)的類型和狀態(tài)主要由河流流量的自然變化決定。河道流量變化決定了流速、河床形態(tài)以及堤壩和洪泛平原淹沒的時(shí)間和歷時(shí)。這些條件觸發(fā)生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)，如魚類的遷徙和產(chǎn)卵。河流治理，例如水庫建設(shè)和運(yùn)行、抽取使用河水(咸海的大規(guī)模抽水就是一個(gè)極端的示例)，會改變河流的自然水文情勢。環(huán)境流量描述了維持某一特定標(biāo)準(zhǔn)的河流生態(tài)系統(tǒng)的流量變化，或者是各種流量事件的頻率、發(fā)生時(shí)間、量級、歷時(shí)和變化率。這一標(biāo)準(zhǔn)可以是接近自然的標(biāo)準(zhǔn)，也可以是(某種程度)降低了的標(biāo)準(zhǔn)，這取決于社會的優(yōu)先選擇。為了達(dá)到合理的平衡，使用一種單獨(dú)的工具對各個(gè)水用戶的需求進(jìn)行評估非常重要，而這也恰恰正是水資源配置模型的目標(biāo)所在。最新文獻(xiàn)顯示，人們對在流域規(guī)劃以及水分配決策中融入環(huán)境流量需求表現(xiàn)出越來越多的興趣。

在過去的幾十年中，人們提出了許多環(huán)境流量評估方法并進(jìn)行了多種評估。這些方法的差異在于評估時(shí)所選用數(shù)據(jù)的類型，例如僅僅選用水文數(shù)據(jù)(“水文法”)、斷面水力學(xué)數(shù)據(jù)(“水力學(xué)評價(jià)法”)、水文情勢或者地貌動(dòng)力學(xué)有關(guān)的生境特征(“生境模擬法”)，或者選用利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的物種及其種群(“整體法”)。環(huán)境流量取決于所研究的河流，與其他水用戶相比，環(huán)境需水可能具有截然不同的特征。有學(xué)者將環(huán)境流量描述為水文情勢的不同組分，即極地流量、低流量、高流量脈沖、小洪水和大洪水。所有組分都可以用量級、歷時(shí)、頻率、發(fā)生時(shí)間和變化率來描述。脈沖和洪水可以看作淹沒河流部分?jǐn)嗝?包括堤壩、泛濫平原和濕地)所需的事件。這些脈沖和洪水發(fā)生在一年中的某一特定時(shí)間段，但是，一般而言，其歷時(shí)小于這些事件應(yīng)該發(fā)生所在的時(shí)間窗。這就意味著管理者在環(huán)境流量分配方面具有一定的彈性。環(huán)境流量的分配可以延遲到事件發(fā)生時(shí)間窗的最后一刻。在相對濕潤的年份，如果事件在該時(shí)間段內(nèi)已經(jīng)自然發(fā)生，則無需為生態(tài)系統(tǒng)分配額外的水量。

為了將環(huán)境流量需求作為水資源規(guī)劃中的一個(gè)用水部門，在水資源配置方法中，將這種大自然對水的需求與其他水需求同等對待是很重要的。水資源規(guī)劃模型中使用的大部分水配置模型，常常是“零維”模型，這些模型通過由節(jié)點(diǎn)和聯(lián)結(jié)組成的網(wǎng)絡(luò)確定水的路徑。這些聯(lián)結(jié)表示河流網(wǎng)絡(luò)，通常不考慮水動(dòng)力學(xué)。這些節(jié)點(diǎn)表示各種類型的用水，例如公共供水、灌溉以及水基礎(chǔ)設(shè)施如水庫。水配置模型特別適合于在流域?qū)用娣治龈鞣N用水情景和水利工程運(yùn)行策略的影響。在全球范圍應(yīng)用的通用模型包RIBASIM(流域模擬)，就是這樣的一種水配置模型。20 多年來，RIBASIM 通用模型包已經(jīng)應(yīng)用于各種研究。已有學(xué)者對各種可用于流域規(guī)劃的、尤其是在非洲優(yōu)先應(yīng)用的決策支持工具做了概述。

規(guī)定每個(gè)時(shí)間步長的低流量需求這一傳統(tǒng)的環(huán)境流量建模方法，不能代表環(huán)境流量的所有可能組分。將環(huán)境流量高脈沖組分作為一種用水需求在水配置模型中適當(dāng)?shù)丶右苑从?，所面臨的挑戰(zhàn)是規(guī)定流量事件、監(jiān)測事件的自然發(fā)生以及事件未在規(guī)定時(shí)間段發(fā)生時(shí)水資源的配置。本文討論了一種新的具有彈性的建模概念，同時(shí)以一種更為實(shí)際、更為直接的方式引入環(huán)境需水，防止其他用戶不必要的水損失。本文提出了這一新的建模概念，分析了將RIBASIM 模型應(yīng)用于伊朗馬哈巴德流域的一個(gè)假想案例的模擬結(jié)果，其中模擬分帶有這種新功能和不帶這種新功能兩種情況。

2 方 法

2.1 RIBASIM 模型中的事件驅(qū)動(dòng)環(huán)境流量概念

為了以一種彈性的方式將作為環(huán)境流量組分的高流量脈沖以及不同量級的洪水引入模型中，且不會導(dǎo)致對稀缺水資源的過度需求，提出了一種新的“事件驅(qū)動(dòng)”環(huán)境流量概念并在RIBASIM 中實(shí)現(xiàn)。這一概念蘊(yùn)含的意義是，為避免不必要的環(huán)境水分配及其對其他用戶帶來的損失，當(dāng)要求的流量事件在規(guī)定時(shí)間段自然發(fā)生時(shí)，不強(qiáng)行進(jìn)行環(huán)境需水配置。

在這一功能中，使用了大量參數(shù)對環(huán)境流量需求進(jìn)行定義。“事件水需求”明確了“事件窗”每一時(shí)間步長所需的流量(事件流量)?！笆录啊泵鞔_了年內(nèi)某一事件應(yīng)該發(fā)生的時(shí)間步長，例如在春季。對于發(fā)生頻率小于一年的事件，其重現(xiàn)期比如2 a一遇，可以在“事件發(fā)生窗”中定義。對于年內(nèi)事件(每年都發(fā)生)，“事件發(fā)生窗”定義為1 a。圖1 圖解說明了“事件窗”和“事件發(fā)生窗”概念。

圖1 “事件發(fā)生窗”和“事件窗”概念說明

目前，“事件水需求”規(guī)定為“事件窗”中流量的總和。這種情形對于要求在某一特定時(shí)段達(dá)到特定淹沒標(biāo)準(zhǔn)的濕地非常有效。對該概念的一個(gè)補(bǔ)充是環(huán)境需水，作為峰值流量，該用水需求應(yīng)該在很多時(shí)間步長中的某一特定時(shí)間段內(nèi)被超過。

RIBASIM 模型檢查每一個(gè)事件過程中事件水需求是否已經(jīng)自然發(fā)生。如果已經(jīng)自然發(fā)生，則不需要進(jìn)行特殊配置。模型重啟，計(jì)算自該事件發(fā)生起所經(jīng)歷的時(shí)間(時(shí)間步長的數(shù)量)。例如，濕地淹沒應(yīng)該每4 年發(fā)生一次。因此，對于每一個(gè)第4 年，確定一個(gè)需求。然而，在濕潤年份，如果在第3 年已經(jīng)自然發(fā)生淹沒，在第4 年依然推動(dòng)相同事件，則浪費(fèi)水資源。此時(shí)，該事件可推遲到第7 年。如果該事件沒有自然發(fā)生，“事件發(fā)生窗”的最后一年就變成“環(huán)境流量需水年”，也就是說，該事件水需求明確作為一種用水需求計(jì)入，且具有一定水資源配置優(yōu)先級。作為“環(huán)境流量需水年”的標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)臨界值要區(qū)分:需水年水配置臨界值、自然年水配置臨界值。這兩個(gè)臨界值規(guī)定了為計(jì)入事件而必須滿足的事件流量需求的比例。第一個(gè)臨界值用于“環(huán)境流量需水年”，另外一個(gè)臨界值用于非需水年或者自然年。

區(qū)分這兩個(gè)臨界值的原因在于，在環(huán)境流量事件沒有得到滿足的自然濕潤年之后，下一年環(huán)境流量事件得到滿足的幾率很高，因?yàn)樗畮炜赡芤呀?jīng)蓄滿。另一方面，在需求年為了滿足環(huán)境流量事件而進(jìn)行水配置之后，水庫變空，下一年事件得到滿足的幾率變得很小。連續(xù)兩個(gè)需水年都為環(huán)境流事件配置水資源，對于流域內(nèi)其余水用戶可能是不公平的。因此，應(yīng)該分析流域內(nèi)來水的自然變化特征、流量需求大小、蓄水容量的可能性，以及其余用戶的需求，并據(jù)此確定臨界值。

在環(huán)境需水年中，事件流量變成事件窗中每一時(shí)間步長的需求。在某一時(shí)間步長中，如果需求不能得到滿足，不足部分計(jì)入事件窗中下一個(gè)時(shí)間步長的事件流量需求。另一方面，如果在某一時(shí)間步長中存在多余的水量(實(shí)際流量大于需求)，檢查該時(shí)間步長之前配置的水量是否超過整個(gè)時(shí)間窗的總需求。如果超過，則從下一個(gè)時(shí)間步長的實(shí)際需求中減去該多余水量。環(huán)境流量需水通常由各種流量組分需求構(gòu)成，例如基流、年內(nèi)小洪水和年際大洪水等。在RIBASIM 模型中，每一種需求都明確在一個(gè)單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)中，它們都具有自己的“事件流量”、“事件窗”以及“事件發(fā)生窗”。

2.2 馬哈巴德(Mahabad)流域

為了測試這一新的事件驅(qū)動(dòng)環(huán)境流量功能，基于馬哈巴德流域特征，對一個(gè)假想案例進(jìn)行了模擬，該流域是伊朗西北部烏爾米湖流域的一部分。

烏爾米(Urmia)湖為高鹽湖，位于伊朗西北部。烏爾米湖是11 個(gè)流域的終點(diǎn)，總流域面積51 000 km2。湖面面積約為5 000 km2。盡管烏爾米湖為高鹽湖，但是其周圍存在大量的淡水或微咸淡水“衛(wèi)星”濕地。其中的5 個(gè)濕地以及烏爾米湖本身，被劃定為國際重要濕地。流域的上游引水已經(jīng)影響到這些濕地。兩個(gè)國際重要濕地，即卡尼布瑞阿森(Kani Berazan)濕地與高皮巴比阿力(Goppy Babi Ali)濕地便位于烏爾米湖附近的沖積平原三角洲內(nèi)的馬哈巴德流域。

馬哈巴德流域從南側(cè)匯入烏爾米湖。馬哈巴德河的河水來源于扎格羅斯(Zagros)高地的降水，河水流入馬哈巴德水庫。馬哈巴德鎮(zhèn)的飲用水、工業(yè)用水和城市用水直接從馬哈巴德水庫抽取。位于馬哈巴德水庫下游的是一片灌區(qū)，該灌區(qū)從一個(gè)含水層抽取地下水并從馬哈巴德河引水灌溉。灌區(qū)排水部分退入該含水層，部分退入馬哈巴德河。濕地中的水來源于灌區(qū)排水以及馬哈巴德河干流。對于高皮巴比阿力濕地，直接地表徑流比馬哈巴德河來水更加重要。卡尼布瑞阿森濕地上的水來自于多種水源，其中灌區(qū)排水看起來占相當(dāng)?shù)谋壤?/p>

馬哈巴德流域可分為以下3 個(gè)子流域。

(1)馬哈巴德水庫以上的流域(上游)，年均徑流量為31 020 萬m3。

(2)馬哈巴德水庫與馬哈巴德灌區(qū)取水口之間的流域(中游)，年均徑流量為1 670 萬m3。

(3)馬哈巴德灌區(qū)取水口與流入卡尼布瑞阿森以及高皮巴比阿力這兩個(gè)濕地的支流之間的流域(下游)，年均徑流量為1 010 萬m3。

2.3 簡化的馬哈巴德RIBASIM 模型的模擬應(yīng)用

馬哈巴德流域RIBASIM 模型是作為烏爾米湖管理研究的一個(gè)組成部分而研發(fā)的。與烏爾米湖研究使用的模型相比，對流域情況進(jìn)行了大量調(diào)整，使之適合于測試。環(huán)境需水是假想的，但是具有自然化流域背景下的實(shí)際流量需求特征。

對流域情況進(jìn)行了概化。

(1)流域被概化成一個(gè)簡單的網(wǎng)絡(luò)，在這一網(wǎng)絡(luò)中，來水、灌區(qū)和濕地組合為一個(gè)來水節(jié)點(diǎn)、一個(gè)灌溉節(jié)點(diǎn)和一個(gè)聯(lián)結(jié)蓄水節(jié)點(diǎn)。

(2)水庫總庫容為18 200 萬m3。如果下游用戶有用水需求，且水庫有水，那么馬哈巴德水庫按照需水量放水。因此，對極端缺水的情況，水配置并沒有限制措施。

(3)生活及城市用水總量假定為2 340 萬m3。這一用量包括了需求量最大的馬哈巴德市(人口大約14 萬)的需求，當(dāng)然也包括了流域內(nèi)其他人口和工業(yè)的需求量。

(4)灌區(qū)總面積采用15 820 hm2。年灌溉需水量19 330 萬m3。灌溉用水部分來源于地下水含水層，但是最主要的來源還是馬哈巴德水庫以及中游子流域的徑流。

(5)卡尼布瑞阿森以及高皮巴比阿力濕地概化為“聯(lián)結(jié)蓄水節(jié)點(diǎn)”，它們本身并非需求節(jié)點(diǎn)，而是為流量聯(lián)結(jié)提供平臺，容許降低流速、蒸發(fā)與下滲以代表濕地。

(6)河流向濕地供水概化為一個(gè)支流節(jié)點(diǎn)。部分河水進(jìn)入濕地。只有減少上游公共供水和/或灌溉抽水或者增加水庫放水，才能改變濕地的總來水量。周圍地面直接來水進(jìn)入濕地，在現(xiàn)實(shí)中是存在的，但是沒有考慮。

(7)卡尼布瑞阿森以及高皮巴比阿力濕地沒有進(jìn)行過環(huán)境流量評估。對于該試驗(yàn)案例，假定需要定期淹沒濕地，以排除咸水維持低鹽度水平(沖刷流量)。出于測試模擬的需要，通過分析無人類活動(dòng)影響(無城市、水庫或者灌區(qū))條件下的水文情勢，確定年際事件。

(8)為了描述維持低鹽度水平所需的濕地沖刷，在低需水的濕地下游增加一個(gè)環(huán)境流量節(jié)點(diǎn)。

(9)模擬期長度為33 a，從1948 年10 月至1980 年9 月逐月模擬。RIBASIM 也可以日為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬，以獲得更為詳細(xì)的結(jié)果。

(10)在模擬環(huán)境流量需水時(shí)，賦予這一需求較其他水用戶更高的優(yōu)先度。

2.4 事件驅(qū)動(dòng)環(huán)境流量需水功能的測試方法

馬哈巴德案例應(yīng)用，旨在說明并評估流域模擬模型RIBASIM 中環(huán)境流量需水的各種建模選項(xiàng)。這一新功能的目標(biāo)是減少不必要的配置并緩解流域內(nèi)所有水用戶用水短缺問題。為了評估這一新功能，進(jìn)行了下列模擬。

(1)基準(zhǔn)情況。不包括人類需水、環(huán)境需水和水庫。模擬經(jīng)過濕地的自然水文情勢。模擬的目的是確定“沖刷流量”之間的自然時(shí)間段長度。對于沖刷流量，選擇一個(gè)臨界值代表基準(zhǔn)情況下定期發(fā)生的事件。由于確定濕地下游流量需求的主要目的是觸發(fā)沖刷流量，該流量量級可以很小。在3、4、5 月中，所選擇事件的平均流量為0.5 m3/s。在基準(zhǔn)條件下，事件之間的最大時(shí)間段為4 a。

(2)基礎(chǔ)情況。包括了水庫、公共供水需求以及灌溉需求，但是未進(jìn)行環(huán)境需水配置。公共供水配置的優(yōu)先程度高于灌溉。濕地水源為滿足人類使用后剩余的河水。模擬顯示，相對于考慮環(huán)境流量需水的情況，通過河道流量調(diào)節(jié)可獲得公共供水和灌溉的最大配置以及當(dāng)前缺水量。模擬還顯示，與基準(zhǔn)情況相比，流量事件之間的時(shí)間長度增加。

(3)年時(shí)間序列環(huán)境流量需求情況。年時(shí)間序列描述了在水配置模型中考慮環(huán)境流量的常規(guī)方法，即規(guī)定一年中一個(gè)時(shí)間段的需求，然后應(yīng)用到所有年份。在這一模擬中，每個(gè)模擬年為一個(gè)環(huán)境需水年，其3、4、5 月份的流量需求為0.5 m3/s。環(huán)境流量的配置優(yōu)先級規(guī)定為1，而公共供水和灌溉的優(yōu)先級為2。

(4)長時(shí)間序列環(huán)境流量需求情況。通過延長多個(gè)年份的需求序列，替代每年的重復(fù)需求。在這種長需求序列中，環(huán)境流量需水年及相關(guān)流量需求按照固定時(shí)間間隔進(jìn)行確定。模擬了兩種情況，環(huán)境需水年分別采用每4 a 和每6 a 的固定時(shí)間間隔。在基礎(chǔ)情況模擬中，從事件自然發(fā)生的第一年起確定固定時(shí)間間隔。在每一個(gè)環(huán)境流量需求年中，3～5 月的流量需求為0.5 m3/s。除了4 a 的時(shí)間間隔外，還選擇了6 a 的時(shí)間間隔，研究接受一定程度的生態(tài)系統(tǒng)退化給公共供水和灌溉帶來的益處。

(5)事件驅(qū)動(dòng)環(huán)境需水情況。利用事件驅(qū)動(dòng)環(huán)境流量需求概念模擬了4 a 和6 a 兩種時(shí)間間隔情況，確定了環(huán)境流量需求年。該事件被定義為在3、4、5 月中，濕地下游平均流量為0.5 m3/s。RIBASIM模型檢查指定的3 個(gè)月時(shí)段后的總量，這一總量應(yīng)該等于或者大于389 萬m3。如果所需流量自然發(fā)生，那么該需求推遲到事件發(fā)生窗的最后時(shí)刻，該時(shí)刻從最近一次發(fā)生自然事件起算。事件發(fā)生窗的長度分別設(shè)置為4 a 和6 a。事件窗被定義為3～5 月期間，為卡尼布瑞阿森以及高皮巴比阿力濕地的出流量，出現(xiàn)0.5 m3/s 的月事件流量，此事件窗中必須發(fā)生沖刷。需求年水配置臨界值設(shè)置為需求量的75%，自然年的水配置臨界值為需求量的100%。

2.5 水配置模型評價(jià)指標(biāo)

用3 個(gè)指標(biāo)比較水配置模型中考慮環(huán)境流量需求的不同方法:

(1)濕地。在模擬的33 a 期間，事件之間的間隔最長。對于事件已經(jīng)發(fā)生的年份，統(tǒng)計(jì)其年數(shù)。

(2)農(nóng)業(yè)。供水可靠性，用所有時(shí)間步長的供水量平均值占每一個(gè)時(shí)間步長需水量的百分比表示。

(3)公共供水。供水可靠性的確定，與農(nóng)業(yè)供水相同。

3 討論和結(jié)論

環(huán)境流量需求是指生態(tài)系統(tǒng)的水需求，在水配置研究及相關(guān)的模型應(yīng)用中應(yīng)該將其視為用水戶。用水需求的增加以及人們對淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性認(rèn)識的增強(qiáng)，都要求在水配置模型中適當(dāng)?shù)乜紤]環(huán)境流量。當(dāng)前，在水配置模型中考慮環(huán)境流量需求的方法是，確定1 個(gè)固定的月流量需求，每年都重復(fù)使用這個(gè)數(shù)值;或者在模型中不規(guī)定需求量，僅分析模擬之后導(dǎo)致的水文情勢變化情況。第1種方法容易導(dǎo)致環(huán)境需水的過度需求以及其他水用戶不必要的缺水，而第2 種方法沒有提供滿意的方法測試各種環(huán)境流量策略的影響。

本文提出了一種新的配置概念，這一概念允許界定“事件驅(qū)動(dòng)環(huán)境流量需求”，這一需求與其他需求如灌溉和公共供水完全不同。這一概念已經(jīng)作為一種新功能在水配置模型包RIBASIM 中得到應(yīng)用，它有助于研究各種管理方案以及環(huán)境水配置的調(diào)節(jié)。

這一新概念產(chǎn)生了相當(dāng)好且更加實(shí)際的結(jié)果。與其他以前應(yīng)用的環(huán)境流量建模方案(年序列和長時(shí)間序列)相比，不會產(chǎn)生過度水需求，環(huán)境需水按計(jì)劃配置，這樣使其他水用戶受到的影響和損失最小化。測試模擬結(jié)果表明，對于某一規(guī)定的事件，“事件驅(qū)動(dòng)環(huán)境流量需求”概念產(chǎn)生的結(jié)果更好，無論是對環(huán)境流量還是對流域內(nèi)的其他用水戶的需求。將該方法應(yīng)用于一假想案例，找到了恢復(fù)水文情勢到基準(zhǔn)情況的水管理策略，同時(shí)與未考慮環(huán)境流量情況相比，不會加劇其他用水戶的缺水。

通過調(diào)整自然發(fā)生事件、區(qū)分自然年和“環(huán)境流量需求年”之間事件接受的不同臨界值，事件驅(qū)動(dòng)法為流域管理提供了一種具邏輯性并更加實(shí)際的模擬。這有助于找到新的、更可能成功平衡不同利益的管理策略。