基于MIKE11閘壩聯(lián)合調(diào)控的北運河生態(tài)流量保障模擬

黨曉戈，王世巖，劉 暢，朱長軍，姚瑞華

（1.河北工程大學能源與環(huán)境工程學院，河北邯鄲056038；2.中國水利水電科學研究院，北京100038；3.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院，北京100012）

迄今為止，城市水系大多形成了多閘壩、人工操控的水利格局，此類水系人工化程度嚴重破壞了水系的結(jié)構(gòu)和功能［1］。為有效開發(fā)利用北運河流域水資源，20 世紀50年代起，河道控制性水工建筑物大量興建［2］，致使流域水生態(tài)負面效應顯著，引發(fā)了部分河段斷流、水體流動性差（有水無流）、水質(zhì)污染嚴重等一系列生態(tài)受損問題，其中水域魚類資源量減少、生態(tài)景觀水位降低、通航功能退化、河道兩岸蘆葦河灘濕地退化等生態(tài)問題尤為突出?，F(xiàn)階段，為維系北運河水域基本生態(tài)功能，同時保障河流水系健康生態(tài)，需要綜合考慮流域多水生態(tài)敏感目標需求。目前，城市化半城市化河流多目標生態(tài)流量保障研究體系尚不成熟，對于該類河流研究仍舊十分有限。鑒于此，本文以城市化半城市化河流為研究對象，選取沙河水庫下至屈家店斷面為模擬河段，建立一維水動力模型，基于流域多目標生態(tài)需求進行生態(tài)流量調(diào)度模擬，分析北運河流域多水生態(tài)目標生態(tài)流量變化情況，對比不同情景工況下流域多水生態(tài)目標生態(tài)流量需求保障效果，以期為類似的城市化河流生態(tài)流量保障提供參考。

1 研究區(qū)域基本概況

本研究選取沙河水庫至屈家店之間的北運河流域為研究區(qū)域，地理位置位于東經(jīng)116°02'～117°06'，北緯39°39'～40°35'之間，控制流域面積達6 166 km2。北運河是我國南北大運河的起始段，自西北向東南，北起通縣北關閘（主流在北關閘以上始稱溫榆河），途經(jīng)武窯、沙古堆，于西集鎮(zhèn)牛牧屯東南出境，經(jīng)河北省香河縣、天津市武清縣至天津市大紅橋與子牙河匯合后匯入海河［3］。其起源于北京市昌平區(qū)軍都山南麓，地跨京津冀三省市，屬于海河水系［4］，是典型的多閘壩、城市化半城市化流域。本文研究分析中，自上而下選定典型斷面為通縣、甘棠船閘、榆林莊船閘、土門樓、筐兒港、屈家店。根據(jù)流域閘壩調(diào)研，北運河干流共有防洪節(jié)制閘17 座，橡膠壩9 座。干流閘壩分布密度約為0.14個/km2，其中上中游段閘壩分布較多，閘壩密度為0.22個/km2，下游段0.12 個/km2。流域水系圖見圖1（a）所示，閘壩、支流分布概化圖見圖1（b）。

2 北運河水動力模型建立

2.1 MIKE11水動力模型介紹

MIKE 11 HD（一維水動力模塊）是AD 對流擴散模塊、ST 模塊等其他模塊的計算基礎，是MIKE 11 軟件中的核心［5］。其中可控建筑物分析模塊（SO 模塊）中可以對水工建筑物進行豐富的閘門操作設計［6］。本文應用SO 模塊，設置多閘壩運行策略，進行生態(tài)目標生態(tài)流量調(diào)度方案研究。

2.1.1 水動力控制方程組

一維河網(wǎng)水流模型利用6 點隱式差分（Abbott-Ionescu）格式對圣維南（Saint-Venant）方程組進行離散處理，求解方式為“追趕法”，也稱“雙掃算法”［7］。模型通過求解應用一維非恒定流微分方程即圣維南（Saint-Venant）方程組對河流或河口的水流運動狀態(tài)進行模擬分析［8-11］。一維水流數(shù)學模型控制方程組表達式為：

連續(xù)性方程：

運動性方程：

式中：t為計算點的時間坐標，s；x為沿程距離坐標，m；h為斷面水位，m；Q為斷面流量，m3/s，其中Q=u A，u為斷面平均流速，m/s，A為斷面過流面積，m2；R為水力半徑，m；B為河道水面寬，m；q為旁側(cè)入流量，m3/s（流入為正，流出為負）；C為謝才系數(shù)；g為重力加速度，m/s2。

2.1.2 離散方法和網(wǎng)格劃分

MIKE 11 HD 利用6 點隱式差分（Abbott-Ionescu）格式對圣維南（Saint-Venant）方程組進行離散求解。該格式對于在每一個網(wǎng)格點不同時計算水位和流量點，而是按順序交替計算水位或流量，分別稱為h 點和Q 點［12］，6 點隱式差分（Abbott-Ionescu）格式沿河道分布水位點和流量點交叉示意圖見圖2（a），計算網(wǎng)格點布置方式圖見圖2（b）。

圖2 6點隱式差分（Abbott-Ionescu）格式水位、流量計算點交叉布置示意圖Fig.2 6-point implicit difference（Abbott-lonescu）format water level and flow calculation point cross layout diagram

2.2 北運河水系河網(wǎng)構(gòu)建

河網(wǎng)概化需要基本反映天然河流的水力特性，以達到概化后河網(wǎng)的輸水能力及調(diào)蓄能力與實際河網(wǎng)保持一致［13，14］。河網(wǎng)概化范圍為上游沙河水庫至下游屈家店。河網(wǎng)水系概化結(jié)果見圖3。河網(wǎng)模型構(gòu)建過程中，河道干流全長約182.42 km，河道斷面共計261個，河道典型橫斷面通縣站斷面見圖4（a），土門樓斷面見圖4（b）。

圖3 北運河流域干流研究區(qū)域河網(wǎng)水系概化圖Fig.3 A schematic diagram of the river network in the study area of the main stream of the North Canal Basin

圖4 典型大斷面形態(tài)特征Fig.4 Morphological characteristics of typical large section

2.3 模型參數(shù)確定

為了檢驗模型應用相關參數(shù)的合理可靠性，本文參考《北運河水系水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度關鍵技術(shù)研究》相關成果以及綜合考慮河道大斷面地形、典型大斷面實測流量水位關系、天然河道水力計算糙率表及查閱文獻［15，16］，利用典型斷面實測水文數(shù)據(jù)反復調(diào)整模型參數(shù)，確定北運河干流河道的灘、槽糙率取值見表1。

表1 北運河干流河道糙率參數(shù)設置Tab.1 Setting of channel roughness parameters of the main stream of the North Canal Basin

2.4 邊界條件輸入

由水系河網(wǎng)分布情況，設定上游沙河水庫逐日下泄流量過程線作為上邊界，下游屈家店北閘下站逐日水位過程線作為下邊界，構(gòu)建的模型中對于河道支流用到的側(cè)向入流，以point source 入流的形式輸入到模型邊界條件中。正數(shù)代表入流，負數(shù)代表出流。

離聯(lián)考還有將近三個禮拜，為了確保我們這種準考生會努力不懈，校方希望我們畢業(yè)后還是要來學校，老師也可以來幫我們復習功課。差別的只是可以比之前晚一個鐘頭到校。而夜間也開放一間閱覽室到晚上九點半，讓準考生自由利用。

2.5 數(shù)學模型率定及驗證

本文選取通縣站與土門樓站為率定驗證斷面，擬采用2015年及2011年水文年鑒長時間系列實測水文數(shù)據(jù)資料，對建立的模型參數(shù)進行率定驗證。典型斷面流量率定驗證結(jié)果見圖5。由率定驗證結(jié)果對比圖可知，典型斷面流量率定驗證結(jié)果趨勢基本吻合，由表2可知，相關系數(shù)（r＞0.8），相關系數(shù)大于0.8，意味著實測值和模擬值之間有更好的相關性［17，18］，且納西效率系數(shù)均在0.8 左右，說明模擬結(jié)果相對精確，可進行下一步多情景、多閘壩、多目標生態(tài)流量調(diào)度模擬分析。

圖5 典型水文站流量率定驗證結(jié)果對比圖Fig.5 Comparison chart of discharge calibration verification results for typical hydrological stations

表2 模型誤差估算結(jié)果Tab.2 The model comes with a small program error estimation result display

3 計算實例應用

3.1 典型生態(tài)目標生態(tài)流量調(diào)控方案情景設計

本文依據(jù)十一五水專項相關研究成果及現(xiàn)狀調(diào)研，系統(tǒng)分析了北運河流域多水生態(tài)保護目標的生態(tài)流量保障需求，通過仿真模型進行多閘壩聯(lián)合調(diào)控，以滿足多目標生態(tài)流量需求。其中，根據(jù)實地調(diào)研及北運河城市化半城市化河流特征，確定以下目標：①城市景觀水體維持，②魚類習性需求，③大運河通航功能維持。此外，根據(jù)《北運河水系水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度關鍵技術(shù)研究》相關成果，確定1-3月份景觀水位需維持在17.43 m左右，即可到達城市景觀水體功能需求。再者按照北運河綜合治理總體規(guī)劃以及船閘建設工程的總體要求，確定7月份甘棠船閘閘上水位為17 m，榆林莊船閘閘上水位為16 m。最后以水專項《北運河水系水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度關鍵技術(shù)研究》相關成果作為依據(jù)，整理得到通縣站、土門樓站、筐兒港站生態(tài)流量保障閾值過程線，典型斷面生態(tài)流量過程線見圖6。

圖6 典型斷面推薦生態(tài)流量過程線Fig.6 Recommended ecological flow process line for typical sections

綜上所述，本文模擬分析了城市景觀水體維持、魚類生態(tài)流量需求保障以及甘棠船閘和榆林莊船閘上水位需求情況，設置多個情景方案，通過MIKE11 中水工構(gòu)筑物分析模塊耦合多目標生態(tài)流量需求進行生態(tài)流量調(diào)控，旨在保障流域多個水生態(tài)目標生態(tài)流量。

因此，本文重點考慮通縣站、土門樓站等典型斷面水生態(tài)保護目標生態(tài)流量、城市化河段生態(tài)景觀水位以及保障通航條件下的水位需求目標。北運河水系是北京市主要泄洪通道，其中，北關分洪樞紐是流域洪水調(diào)控的關鍵工程，北關閘作為北運河流域重要的閘壩，通過流域閘壩分布發(fā)現(xiàn)北關閘調(diào)控具有承上啟下的作用，對整個流域具有較強的調(diào)控能力，因此，本文單閘調(diào)控方案模擬選定北關閘作為典型斷面進行調(diào)控模擬。本研究主要針對北運河流域枯水年情境下生態(tài)敏感目標（魚類、通航、景觀）生態(tài)流量需求情況進行模擬分析，具體調(diào)度方案擬定如下：

情景1（單閘調(diào)度方案），即天然來水條件下，選取典型閘北關閘進行多目標生態(tài)流量調(diào)控。

情景2（群閘優(yōu)化聯(lián)控方案，僅調(diào)控），即天然來水條件下，通過多次調(diào)試，科學設置閘壩運行策略，以優(yōu)先滿足不同河段水生態(tài)保護目標生態(tài)流量（水位）需求為主，具體設置閘壩調(diào)度思路為蓄豐補枯，即關鍵斷面出現(xiàn)大流量情況時，在不超過閘前正常蓄水位的基礎上減小閘門開度，進行閘前蓄水；小流量或者斷流情形，開大閘門，以保證關鍵斷面生態(tài)流量≥推薦目標生態(tài)流量。

情景3（組合方案），流域內(nèi)水資源優(yōu)化調(diào)控方案，即多閘聯(lián)合調(diào)控、減河減水及農(nóng)業(yè)節(jié)水組合運行方案，由于北運河是典型多閘壩控制河流，閘壩對來水的攔截及減河減水（青龍灣減河、運潮減河）以及農(nóng)業(yè)灌溉取水。當天然來水不足以保證關鍵斷面生態(tài)流量時，需要考慮減河排放水量優(yōu)化配置以及農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水等措施，以保證關鍵斷面生態(tài)流量≥推薦目標生態(tài)流量。

3.2 河網(wǎng)閘群調(diào)度不同情景工況模擬結(jié)果與分析

由圖7 中景觀水位變化過程線可知，情景1 單閘調(diào)度方案情景下，由圖7 枯水年中游河段景觀水體生態(tài)水位需求模擬分析可知，3 種調(diào)度方案均能夠滿足中游景觀生態(tài)水位需求。具體的單閘調(diào)控景觀水位邏輯設置，通過閘壩水工建筑物模塊，計算模式為列表方式，判斷條件為具體的時間設置，目標值設置相應的閘門開度，控制值設置相應的水位值。綜上分析，單閘情景方案調(diào)控可以滿足城市景觀水體需求。

圖7 景觀水位變化過程線Fig.7 Landscape water level change process line

由圖8 流量變化總體趨勢可以看出，上述閘壩多情景方案模擬條件下，典型斷面通縣站斷面生態(tài)流量模擬計算結(jié)果均能夠做到不低于該斷面在不同時段的最低生態(tài)流量需求；圖中顯示模擬的流量過程能夠較好的保持天然河道狀態(tài)下的豐枯流量變化特征，總體來講，可以基本滿足典型斷面生態(tài)目標生態(tài)流量需求。

圖8 通縣站魚類生態(tài)流量變化過程線Fig.8 Process line of fish ecological flow change in Tongxian Station

對比圖9 中流量水位模擬變化過程線，可以發(fā)現(xiàn)，情景1 單閘調(diào)度方案情景下，兩船閘閘上通航水位7月份未達到規(guī)劃的水位需求，按照情景2 擬定方案思路，基于模型科學調(diào)控手段，具體控制方式為，模型中設置列表計算模式以及具體的判斷條件，通過情景2方案對兩個船閘工程上游水位進行了調(diào)度模擬，模擬調(diào)算結(jié)果顯示，兩個船閘閘上水位可以達到工程需求，閘上通航要求基本可以得到滿足，能夠?qū)崿F(xiàn)大運河通州段通航目標需要。

圖9 多情景方案船閘水位調(diào)控變化過程線Fig.9 Process line of water level regulation and change of ship lock with Multiple scenarios

圖10 土門樓站魚類生態(tài)流量模擬結(jié)果顯示，情景1 單閘調(diào)控情景工況下，枯水年1-6月份斷流較明顯，其余部分月份也存在斷流現(xiàn)象，未達到一般用水期推薦的流量。按照情景2 對上游來水進行調(diào)控，經(jīng)情景2進行合理調(diào)度計算，遵循蓄豐補枯邏輯原則，若某時段出現(xiàn)大流量時，在不超過閘前正常蓄水位的情況及滿足正常生態(tài)目標生態(tài)流量需求前提下通過減小大流量抬高閘前蓄水位，以保障河段斷流或低于某時段推薦生態(tài)流量值情況。由情景2 調(diào)度計算流量變化線可知，閘壩調(diào)度運行策略對土門樓站生態(tài)流量改善效果不明顯，仍存在大部分月份未能達到一定的生態(tài)目標生態(tài)流量推薦值，可能原因是由于模擬河段較長，并涉及多個支流匯入或減河減水以及農(nóng)業(yè)灌溉用水等影響，導致通過閘壩聯(lián)合調(diào)度計算無法滿足多水生態(tài)目標生態(tài)流量需求，經(jīng)過情景工況3 的多次試算調(diào)控，除了1月份部分天以外，其余基本上可以完全保障枯水年關鍵生態(tài)目標不同時期推薦的生態(tài)流量需求，同時閘壩運行期間閘壩蓄水能力也可以滿足下游河道的景觀功能需求。

圖10 土門樓站魚類生態(tài)流量變化過程線Fig.10 Process line of fish ecological flow change in Tumenlou Station

按照情景2、3 對筐爾港站生態(tài)流量進行調(diào)度計算，圖11 筐兒港站魚類生態(tài)流量調(diào)控結(jié)果表明，與情景1模擬工況相比，情景2 方案非汛期（11月份）通過閘壩調(diào)控生態(tài)目標流量有一定的改善，該時間段通過閘調(diào)控可以達到一般用水期流量需求；但在非汛期（2-5月份）調(diào)控效果不明顯，原因可能是枯水年上游來水較少、閘壩水利工程較多、閘壩群間蓄水量較大、農(nóng)業(yè)灌溉用水較多等，導致通過閘壩聯(lián)合調(diào)度計算無法滿足多水生態(tài)目標生態(tài)流量需求；汛期，情景2閘壩調(diào)控可以完全保障汛期水生生境維持一定的生態(tài)流量。由情景3 方案模擬調(diào)控可知，通過設置減河減水、灌溉用水組合方案，典型斷面生態(tài)目標需求基本可以得到滿足。

圖11 筐兒港站魚類生態(tài)流量變化過程線Fig.11 Process line of fish ecological flow change in Kuanger Port Station

4 結(jié) 語

為保障并改善研究區(qū)域范圍內(nèi)生態(tài)目標生態(tài)流量需求效果，本文通過多情景方案生態(tài)流量調(diào)度研究，經(jīng)分析得到以下結(jié)論。

（1）針對北運河流域關鍵目標不同生活史階段需求不同構(gòu)建研究區(qū)一維河網(wǎng)水文水動力閘壩調(diào)度模型，經(jīng)模型參數(shù)檢驗，最終確定對模型糙率范圍為0.022 5～0.07（主槽糙率：0.022 5；灘地糙率：介于0.05～0.07之間），率定和驗證結(jié)果較為理想，模型可進行下一步閘壩生態(tài)調(diào)控研究分析。

（2）由模型調(diào)算結(jié)果可知：對比單閘和多閘情景工況的模擬情況，經(jīng)分析，單閘調(diào)度對多水生態(tài)目標需求保障效果不佳，相比之下，多閘壩多情景設置能夠保障河道內(nèi)所有識別的水生態(tài)敏感保護目標。情景3方案中，減河引水量越小、農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水量越大，下游河道魚類生態(tài)流量需求保障效果越明顯。由此表明，采用情景3 調(diào)度方案可為河道系統(tǒng)生態(tài)健康起到有利作用。

（3）本研究通過對北運河多目標生態(tài)流量需求的系統(tǒng)分析，揭示了北運河流域水生態(tài)保護目標生態(tài)流量需求機制，克服了前人對北運河流域單目標生態(tài)基流需求的局限性，實現(xiàn)了多目標協(xié)調(diào)生態(tài)流量保障，通過閘壩聯(lián)合調(diào)控以及流域內(nèi)水資源優(yōu)化配置調(diào)控手段，使全流域多目標生態(tài)流量需求得到最大程度的滿足，解決了流域多閘壩條件下多目標枯水年部分時段生態(tài)流量不足的難題，模型模擬結(jié)果可為研究區(qū)范圍多目標生態(tài)流量優(yōu)化配置提供數(shù)據(jù)支撐。

（4）本文僅對研究區(qū)域內(nèi)多水生態(tài)保護目標生態(tài)流量進行研究，未考慮多閘壩調(diào)控下典型斷面水質(zhì)變化情況，針對目前流域水生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)狀，下一步還需對研究區(qū)多目標水質(zhì)水量綜合考慮進行深入研究。