基于精細化水資源配置模型的坪山河流域生態(tài)補水研究

嚴子奇 ， 周祖昊 ， 王 浩 ，2， 賈仰文

（1.中國水利水電科學研究院，流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，100038，北京;2.水安全與水科學協(xié)同創(chuàng)新中心，210098， 南京）

目前西方發(fā)達國家生態(tài)調度的做法是：在保證防洪安全和不顯著改變發(fā)電、灌溉等效益條件下，調節(jié)下泄流量的時間序列，盡可能恢復下游水流的自然節(jié)律過程，并通過人造洪峰等恢復自然水位漲落特征，調節(jié)水質、水溫和泥沙沖於，進行流域自然生態(tài)環(huán)境修復。 方子云等于20 世紀80年代在中國提出了水生態(tài)調度的雛形， 進入21 世紀才逐漸引起學者的注意，并在引進國外思想、方法和技術的范疇內，先后對生態(tài)調度概念與內涵、 河流生態(tài)環(huán)境需水計算方法、水沙調度、水庫優(yōu)化運行、生態(tài)調度方案等方面進行研究和實踐。

隨著經濟快速發(fā)展， 坪山河流域工業(yè)、生活用水增長迅速，由于本地水資源供水能力有限，經水資源供需平衡分析，僅靠本地蓄水工程，坪山街道缺水率在50%左右， 流域經濟社會發(fā)展主要依靠東部引外部水源， 大量的外部引水也使得本地豐富的水資源愈發(fā)珍貴。在當?shù)厮畮爝\行過程中，基本沒有設定生態(tài)流量， 上游所有清水資源都入庫作為城市用水的水源。 而其他大量無供水功能水庫由于功能不明確，目前多處于閑置狀態(tài)，一方面這些水庫基本不下泄生態(tài)流量， 另一方面所蓄存的清水資源未能得到有效利用。 在蓄水工程基本無生態(tài)流量下泄情況下， 坪山河流域干支流生態(tài)流量保障率較低。此外，坪山河流域還有部分可利用的再生水資源， 但其作為生態(tài)補水水源作用有待進一步論證，補水方式也不明確。因此，坪山河流域一方面河道存在嚴重的缺水現(xiàn)象， 另一方面還有潛在的水源未能充分利用，需要通過系統(tǒng)的水資源綜合調配分析， 提出多水源的河道生態(tài)流量保障方案，全面支撐治水提質的目標要求。

本文基于精細化水資源配置模型（GWAS）開展坪山河流域生態(tài)補水研究，綜合考慮生態(tài)流量約束型模型和生態(tài)流量目標型模型的特點，在流域層面實現(xiàn)用水與河道生態(tài)流量統(tǒng)籌協(xié)調計算的生態(tài)調度，一方面發(fā)揮水資源配置模型的精細化和分布式的特點，另一方面統(tǒng)籌協(xié)調經濟社會與生態(tài)的用水需求，進行多水源調配滿足不同用水對象的需求。

一、精細化水資源配置模型（GWAS）

GWAS 模型的基礎是精細化水資源配置模型（WAS）和面向河道需水的水資源配置計算框架E-WAS。 WAS模型由水循環(huán)模擬模塊、 水資源配置模塊、再生水模塊、行業(yè)理論用水模塊和統(tǒng)計分析模塊組成。WAS 模型的運算過程如下： 首先通過水循環(huán)模塊模擬區(qū)域的水資源變化， 結合行業(yè)用水模塊分析區(qū)域理論用水量及再生水模塊模擬循環(huán)利用量， 然后運用配置策略及規(guī)則進行水資源合理配置計算，同時將人工取、用、耗、排水數(shù)據反饋給水循環(huán)模塊， 進行實時模擬下一時段的區(qū)域水資源變化，以此往復，直到計算結束， 提出最終優(yōu)化方案。 EWAS 作為一個模擬計算框架，是對水資源配置模型功能的一個擴充， 通常情況下， 它并不改變模型的內部計算結構， 僅是通過對斷面生態(tài)單元進行精細化的概化， 借助虛擬水源和虛擬單元， 將河流斷面作為一個實體納入到傳統(tǒng)的水資源配置模型中， 實現(xiàn)面向河流生態(tài)流量的水資源綜合調配。

GWAS 模型在WAS 模型的基礎上， 將E-WAS 建模思路納入模型結構中，在處理河道內水量過程上有所改進。這一改進使得GWAS 模型不但能夠處理常規(guī)的經濟社會用水配置，還能夠靈活地處理涉及河道內水量過程的生態(tài)調度和發(fā)電調度問題。 在計算方式方面，一方面可以將水庫運行規(guī)則納入模型進行模擬計算，形成基于規(guī)則的調度方案；另一方面可以設定優(yōu)化調度目標，通過優(yōu)化算法進行優(yōu)化模擬，形成新的優(yōu)化方案。

二、坪山河生態(tài)補水

1.研究區(qū)及數(shù)據

坪山河流域地處深圳市東北部區(qū)域， 范圍包括坪山新區(qū)的坪山街道。 深圳境內坪山河流域面積129.4 km2， 共有 19 條河流， 總河長 98.79 km。 坪山河流域地勢為東南部、南部和西北部較高， 主要為低山丘陵地區(qū)，為支流分布區(qū)域；中部和東北部較低，地勢相對平緩，為坪山河干流分布區(qū)域。截至2015 年年底， 坪山河流域共計 35.61 萬人，GDP 為 458.07億元，人均GDP 為 12.8 萬元，普遍處于全國非常高的水平。 依據目前普遍接受的錢納里工業(yè)化階段理論，流域處于后工業(yè)化階段，為工業(yè)階段的最高水平。 按照當前粗放式的發(fā)展方式，必然帶來較高的污染負荷，是流域綜合治理過程中應考慮的問題。

根據 《深圳市水務統(tǒng)計手冊》，坪山河流域共有中型水庫1 座，?。?）型水庫 9 座，?。?）型水庫 8 座。 根據《深圳市水庫功能優(yōu)化調整工作方案》，坪山河流域共8 座非供水功能水庫納入生態(tài)補水配置計算。 對于無供水功能水庫可作為河道生態(tài)補水優(yōu)先水源進行計算， 具有供水功能的水庫應考慮其汛期下泄流量對生態(tài)需水的補充作用。水文氣象數(shù)據選取《深圳市水文資料統(tǒng)計年鑒》中1985—2015 年水文氣象資料。 水系河網信息則基于SRTM 30 m 分辨率 DEM 提取。

2.生態(tài)補水節(jié)點及生態(tài)需水

坪山河流域共有一級支流10條，為了對坪山河流域開展精細化生態(tài)補水，補水節(jié)點確定原則為：①重點考慮有較大支流匯入導致河段流量等參數(shù)發(fā)生突變的斷面節(jié)點；②每個節(jié)點控制的集水區(qū)都可視為相對獨立的亞生態(tài)區(qū)域， 能夠發(fā)揮特定的生態(tài)功能； ③涵蓋所有黑臭河道斷面；④突出行政區(qū)交界斷面。

根據上述原則，坪山河共劃分生態(tài)配水斷面14 個，其中干流3 個（按上游、中游、下游劃分），支流 11 個（三洲田水、碧嶺水、湯坑水、飛西水、新河水、赤坳水、墩子河、石井排洪渠、麻雀坑水、田頭河、石溪河）。

生態(tài)環(huán)境需水量的確定： 河流生態(tài)環(huán)境需水量是在特定時間和空間為滿足特定服務目標的變量， 是能夠在特定水平下滿足河流系統(tǒng)諸項功能所需水量的總稱。 計算河流生態(tài)流量的方法包括7Q10 法、濕周法、R2CROSS法、河道內流量增加法（IFIM 法）以及Tennant 法等，根據以往學者對深圳市生態(tài)環(huán)境需水研究成果， 綜合7Q10法、Tennant 法等多種方法計算結果的外包線作為最小生態(tài)環(huán)境需水量，在此基礎上采用多年平均徑流的30%（非汛期）、40%（汛期） 作為適宜河道生態(tài)環(huán)境需水量。 根據坪山河具體情況，汛期及非汛期的劃分原則為：汛期4—10 月、非汛期 11 月—次年 3 月。

圖1 生態(tài)補水保障程度

3.坪山河流域水資源調配系統(tǒng)網絡

在坪山河流域開展精細化河流生態(tài)調度， 首先就要根據水資源分區(qū)、行政區(qū)劃等情況，構建坪山河流域水資源調配系統(tǒng)網絡。 水資源調配過程一方面需要考慮經濟社會用水，另一方面需要重點考慮河流生態(tài)斷面的生態(tài)補水。為此，在坪山河流域共劃分15 個計算單元，其中經濟社會用水單元1 個、生態(tài)環(huán)境需水單元14 個。

通過梳理坪山河流域內水庫、污水處理廠、再生水廠，共設定供水節(jié)點 21 個，含 18 個水庫節(jié)點、5 個再生水供水節(jié)點。 另外需考慮外部水源兩個: 東深引水和東部引水。 基于EWAS 框架的水資源系統(tǒng)，其中每一條支流視作一個生態(tài)需水控制單元，并在干流劃分上游、中游、下游三個生態(tài)需水控制單元。

三、結果與討論

1.補水方案

本次分析坪山河流域生態(tài)補水方案，需考慮多種措施不同運營方案，以此來設定配置模型計算方案，在考慮再生水、水庫等多種組合狀態(tài)后，設定如下三種方案， 以識別基準條件、再生水補水、水庫補水方案下，生態(tài)水量的問題和提升能力（表1）。

表1 方案設置

表2 推薦補水方案

本文選取適宜生態(tài)流量為生態(tài)調度目標， 利用E-WAS 模型開展坪山河水資源優(yōu)化配置計算。 流域生態(tài)調度一方面需要考慮水量的滿足程度，另一方面還要考慮工程、經濟等多方面因素。 為此本文提出生態(tài)補水方案優(yōu)選的原則：

一是供水水庫優(yōu)先保障坪山河社會經濟用水；

二是對于支流補水措施優(yōu)先級為：①支流上游的再生水，②非供水功能水庫，③支流下游再生水（需提水）；

三是在支流水質得到提升的情況下，采用以支補干的方式進行補水，先保證各個支流生態(tài)環(huán)境需水量， 從而間接保證干流生態(tài)環(huán)境需水量；

四是對于沒有再生水和水庫資源的單元，考慮從干流提水或水系連通進行生態(tài)補水。

基于上述原則，根據缺水量及補水能力，得到坪山河生態(tài)環(huán)境補水優(yōu)化方案：三洲田水、飛西水、新和水、赤坳水、石溪河等支流依靠流域內水質凈化站再生水水源進行補水，碧嶺水、墩子河、麻雀坑水、田頭河等支流依靠流域內躍進水庫等5 座非供水小型水庫進行改善生態(tài)流量 （表2）。對于干流斷面，主要利用支流補水后的累積效應，對生態(tài)流量進行間接補充，達到“以支補干”的作用。

2.補水方案效果分析

為了進一步分析精細化水資源配置模型對河流生態(tài)需水的保障作用，本文從時間和空間解析各個生態(tài)需水單元生態(tài)流量保障程度。

圖1 對比分析生態(tài)調度前后，各個生態(tài)需水單元枯水年（P=75%）內各月生態(tài)流量滿足程度。 在沒有進行生態(tài)調度的情況下，有6 個生態(tài)斷面的年內生態(tài)流量保障月份不足6 個月，碧嶺水、赤坳水、石溪河、坪山河干流中游斷面和下游斷面生態(tài)流量保障程度較低。 開展生態(tài)調度后，各個斷面年內生態(tài)流量保障程度明顯提高，月份均超過6 個月，上述幾個斷面生態(tài)流量滿足程度明顯提升。