多目標(biāo)生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建與評價(jià)方法研究

徐馳 彭振陽 黃金鳳 劉國強(qiáng) 何子杰 張浮平 陳俊

摘要： 生態(tài)水網(wǎng)的構(gòu)建與評價(jià)是涉及防洪、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境等多因素的綜合性問題，對更好協(xié)調(diào)各個(gè)因素之間的關(guān)系、提升生態(tài)水網(wǎng)的綜合效益有重要意義。提出了一種生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建的基本理念，聚焦于水位和流量兩要素，優(yōu)化了生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建方式和調(diào)度規(guī)則，提取滿足多目標(biāo)需求的生態(tài)水網(wǎng);利用ArcGIS、MIKE、MATLAB等工具建立了多目標(biāo)生態(tài)水網(wǎng)的一維、二維耦合模型，實(shí)現(xiàn)了對防洪、供水、水環(huán)境治理的統(tǒng)一模擬;以層次分析法為基礎(chǔ)，結(jié)合專家打分賦予權(quán)重方式，構(gòu)建了一套生態(tài)水網(wǎng)的評價(jià)指標(biāo)體系;最后，將研究成果運(yùn)用于南京市高淳區(qū)固城湖水系生態(tài)水網(wǎng)。結(jié)果表明：相對于現(xiàn)狀水網(wǎng)而言，構(gòu)建的生態(tài)水網(wǎng)可通過對水位、流量的優(yōu)化調(diào)控，在滿足防洪安全的同時(shí)，提升水資源利用效益，改善水生態(tài)環(huán)境，研究提出的評價(jià)方法可靠。

關(guān) 鍵 詞： 多目標(biāo)生態(tài)水網(wǎng); 模型構(gòu)建方法與技術(shù); 模型評價(jià); 南京市

中圖法分類號： ?TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.012

?0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，人口、產(chǎn)業(yè)集聚，人類高強(qiáng)度活動造成的水資源、水環(huán)境承載壓力不斷增強(qiáng)，對河湖健康狀況帶來了不利影響;在高質(zhì)量發(fā)展新階段，水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等方面的保障需求進(jìn)一步提升? [1] 。在此背景下，統(tǒng)籌“多水共治”構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)，已成為在平原河網(wǎng)地區(qū)合理開發(fā)利用水資源、防御水災(zāi)害、維護(hù)水環(huán)境、修復(fù)水生態(tài)的重要抓手和工具。

生態(tài)水網(wǎng)有關(guān)理念可追溯至20世紀(jì)90年代，進(jìn)入21世紀(jì)后，人們對城市水網(wǎng)逐漸重視，聚焦于研究生態(tài)水網(wǎng)的定義及特征? [2-3] 。生態(tài)水網(wǎng)是圍繞某一特定區(qū)域自然形成或人工建造的河流、溪流、渠道、湖泊、水庫等要素，將之相連通的網(wǎng)狀系統(tǒng)，并以水為載體，不同要素間不斷進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，從而形成的統(tǒng)一整體。

目前，生態(tài)水網(wǎng)已成為城市或區(qū)域?qū)崿F(xiàn)生態(tài)水利綜合治理的載體和抓手，水安全保障綜合效益提升、調(diào)度運(yùn)行管理方式等是生態(tài)水網(wǎng)研究的重點(diǎn)問題? [4] 。中國眾多學(xué)者已開展了生態(tài)水網(wǎng)方面的探索性研究。例如王中根等從水系結(jié)構(gòu)、水系特征、生態(tài)水網(wǎng)連通性及水系連通方式的關(guān)鍵問題等方面進(jìn)行了較為前沿的探索研究? [5] ;王維平等對生態(tài)水網(wǎng)內(nèi)涵進(jìn)行了解析，并從水源、調(diào)蓄、傳輸、利用、排放等方面提出了生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)成要素? [6] ;蔣任飛等研究了生態(tài)水網(wǎng)在水系特性、水網(wǎng)連通、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、防洪減災(zāi)、涉水經(jīng)濟(jì)等方面的評價(jià)指標(biāo)? [7] 。還有一些學(xué)者提出了不同地域生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建的重點(diǎn)和方案，如武漢大東湖生態(tài)水網(wǎng)工程致力于恢復(fù)湖泊水質(zhì)、改善水環(huán)境? [8] ，蘇州市生態(tài)水網(wǎng)工程致力于提升水岸景觀，邯鄲市生態(tài)水網(wǎng)工程致力于提升水資源可利用量。

生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對水災(zāi)害防御、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、航運(yùn)、水景觀、水文化、水經(jīng)濟(jì)等各因素的需求，探索綜合性解決方案。其中，水災(zāi)害防御因素包括防御標(biāo)準(zhǔn)、洪水水位、洪峰流量、洪量、排澇模數(shù)等問題;水資源利用因素既包括常規(guī)水利用、非常規(guī)水利用等傳統(tǒng)問題，還包括洪水資源利用等? [9] 新問題;水生態(tài)因素需要考慮水文、土壤、植被三大要素? [10] 的若干問題;水環(huán)境因素除了要考慮GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》提出的三大類109項(xiàng)控制指標(biāo)外，還要考慮現(xiàn)階段技術(shù)水平無法測量的若干指標(biāo)。此外，在中國南方河網(wǎng)地區(qū)，水系交錯、河湖縱橫的復(fù)雜水情將帶來比以上因素更加錯綜復(fù)雜的多目標(biāo)生態(tài)水網(wǎng)問題。對生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建的基本理念、方法、技術(shù)和評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行系統(tǒng)性研究具有重要意義。

1 生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建方法與技術(shù)

1.1 基本理念

從水循環(huán)過程來看，生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建需要遵循自然界的水量平衡和能量平衡規(guī)律，基于自然水系、人工水系、建筑物、下墊面條件，研究河湖水網(wǎng)的流動性、連續(xù)性、再生性? [11] ，綜合運(yùn)用工程措施和非工程措施，調(diào)節(jié)水體與外界環(huán)境的能量輸入和輸出關(guān)系，優(yōu)化水體的時(shí)空分布特征，改善水網(wǎng)水量、水流、水質(zhì)運(yùn)移規(guī)律，提升水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力。

從生態(tài)水網(wǎng)的功能性看，不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平地區(qū)的生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建各有側(cè)重點(diǎn)，并往往涉及防洪、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、航運(yùn)、水景觀、水文化等多目標(biāo)協(xié)調(diào)問題，這些因素間因客體條件差異，有些表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，如水生態(tài)、水環(huán)境、水景觀應(yīng)該在枯水期維持一定的水位和流量;有些表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，如防洪安全要求汛期水位低而造成汛末蓄水量不足，影響水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水景觀對水位和流量的需求，又如水資源利用與生態(tài)環(huán)境對水位和流量的需求往往不一致等。生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與眾多涉水因素的關(guān)系。

本文認(rèn)為，可將生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建的重點(diǎn)聚焦為對水位、流量雙要素在時(shí)間、空間上的協(xié)調(diào)和權(quán)衡，以這兩個(gè)因素作為關(guān)鍵，提出生態(tài)水網(wǎng)的構(gòu)建方式、技術(shù)方法和評價(jià)體系。

1.2 構(gòu)建方式

在中國南方平原河網(wǎng)區(qū)，防洪安全往往是水安全保障的重點(diǎn)。本次研究提出一種新的構(gòu)建方式，以防洪安全為第一任務(wù)，并統(tǒng)籌考慮水資源利用、水環(huán)境改善和水生態(tài)提升要求，構(gòu)建的核心是優(yōu)化調(diào)節(jié)水體流動規(guī)律，調(diào)控關(guān)鍵控制斷面的水位和流量（見圖1）。主要步驟如下：

（1） 分析地區(qū)防洪保護(hù)對象和防洪標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)河湖水位、流量關(guān)系，制訂生態(tài)水網(wǎng)各關(guān)鍵控制斷面在汛期對水位、流量的要求。

（2） 研究水網(wǎng)所在區(qū)域的水資源利用需求，根據(jù)重點(diǎn)用水戶的用水過程，制訂生態(tài)水網(wǎng)各取水口斷面對取水水位、流量的要求。

（3） 研究水網(wǎng)所在區(qū)域水生態(tài)、水環(huán)境對各監(jiān)測斷面水位和流量的要求，提出水網(wǎng)在各生態(tài)控制斷面的最小流量、最低水位等約束條件。

（4） 研究航運(yùn)、水景觀等其他考慮因素對生態(tài)水網(wǎng)水位和流量的要求。

（5） 基于水利控制樞紐建設(shè)和調(diào)度運(yùn)行現(xiàn)狀，將調(diào)度規(guī)則優(yōu)化與新建水利控制樞紐兩方面措施相結(jié)合，以調(diào)控各時(shí)段、各控制斷面的水位和流量為核心，研究滿足防洪、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境及其他有關(guān)要求的最佳方案。

1.3 實(shí)現(xiàn)路徑

1.3.1 模型構(gòu)建

使用ArcGIS、MIKE、MATLAB 3個(gè)主要工具，發(fā)揮各工具的特點(diǎn)和優(yōu)勢，構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)模型。

圖2為模型的實(shí)現(xiàn)路徑：利用ArcGIS工具處理收集的數(shù)字高程、河網(wǎng)水系、行政區(qū)劃、水工建筑等矢量數(shù)據(jù)，將矢量數(shù)據(jù)與水文、氣象、水力等數(shù)據(jù)共同輸入MIKE工具中，構(gòu)建一維、二維耦合基礎(chǔ)模型，再添加水工程調(diào)度模塊，構(gòu)建防洪演算模型、水生態(tài)修復(fù)模型、水環(huán)境改善模型。在考慮雨洪資源利用、生態(tài)基流需要等有關(guān)限制條件的基礎(chǔ)上，模擬生態(tài)水網(wǎng)中各關(guān)鍵控制斷面的水位、流量過程，并使用MATLAB工具尋找相對最優(yōu)方案，最終提出能夠滿足防洪、水資源利用、水生態(tài)修復(fù)、水環(huán)境改善等多目標(biāo)需求的生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建方案。

1.3.2 評價(jià)方法

生態(tài)水網(wǎng)各要素評價(jià)指標(biāo)眾多，應(yīng)該根據(jù)不同類別分層次提取。在本次研究中，第一層分為防洪、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水景觀、水文化等大類要素;第二層在第一層的要素上再細(xì)分指標(biāo)。因此，在層次分析法的基礎(chǔ)上? [12-13] ，結(jié)合各類生態(tài)水網(wǎng)的不同的側(cè)重點(diǎn)，采用專家打分賦予權(quán)重的方法，最終優(yōu)選綜合效益最佳的多目標(biāo)生態(tài)水網(wǎng)。

生態(tài)水網(wǎng)評價(jià)是一個(gè)需要考慮定量指標(biāo)、定性指標(biāo)、不同量綱指標(biāo)的多目標(biāo)決策問題，要針對不同生態(tài)水網(wǎng)評價(jià)要素A? 1 、A? 2 、…A? p 等 （例如防洪、水資源利用、水生態(tài)、水環(huán)境），在層次分析法的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家打分賦予的權(quán)重，再構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)矩陣計(jì)算定量化評價(jià)指標(biāo)，最終進(jìn)行評價(jià)。相關(guān)步驟包括：

（1） 根據(jù)生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建各因素及相關(guān)評價(jià)指標(biāo)，對可量化的指標(biāo)使用量化值，對不可量化的指標(biāo)使用專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行打分量化，構(gòu)建每類因素的生態(tài)水網(wǎng)評價(jià)指標(biāo)矩陣。

（2） 針對每類因素的評價(jià)指標(biāo)? a?? j （j=1，2，…，k） ，對評價(jià)指標(biāo)矩陣每一列進(jìn)行歸一化，將所有指標(biāo)去 量綱 ：

a?? i，j??? * = ?a?? i，j???? n?? i=1?? a?? i，j? ?i=1，2，…，n （1）

（3） 針對A? 1 、A? 2 、…A? p ，用去量綱后的各指標(biāo)乘以權(quán)重，得到得分矩陣中各數(shù)值M? i，m ：

M?? i，m =??; k?? j=1?? β?? j?? a?? *?? i，j

i=1，2，…，n;j=1，2，…，k;m=1，2，…，p （2）

式中：i指生態(tài)水網(wǎng)模型數(shù)量，j指生態(tài)水網(wǎng)評價(jià)指標(biāo)數(shù)量，β指專家對指標(biāo)賦予的權(quán)重，m為對水網(wǎng)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行提煉后的生態(tài)水網(wǎng)評價(jià)要素。

（4） 對得分矩陣每列按式（1）進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化得分矩陣，即每類因素的特征向量，用以評價(jià)生態(tài)水網(wǎng)在評價(jià)防洪、水資源利用、水生態(tài)環(huán)境等每類因素中的作用。

本次研究提出的實(shí)現(xiàn)路徑將多目標(biāo)生態(tài)水網(wǎng)模型的構(gòu)建和評價(jià)系統(tǒng)考慮。主要是將防洪、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境等各因素統(tǒng)一納入模型進(jìn)行動態(tài)模擬并相互反饋，并通過優(yōu)化模型處理數(shù)據(jù)的接口，提高生態(tài)水網(wǎng)模型處理不同元素的交互效率;其評價(jià)體系可根據(jù)防洪、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境等各大水網(wǎng)評價(jià)要素及其若干指標(biāo)，在依據(jù)不同生態(tài)水網(wǎng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，靈活調(diào)整評價(jià)指標(biāo)體系的結(jié)構(gòu)，開展定量評價(jià)。

2 生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建實(shí)例

以南京市高淳區(qū)生態(tài)水網(wǎng)為實(shí)例，提出生態(tài)水網(wǎng)的構(gòu)建模式和評價(jià)方法。

2.1 生態(tài)水網(wǎng)現(xiàn)狀及需求

2.1.1 生態(tài)水網(wǎng)現(xiàn)狀

高淳區(qū)位于南京市南部，多年平均氣溫16.2 ℃，降雨量1 194.7 mm，蒸發(fā)量861.9 mm，相對濕度 77.9% ，風(fēng)速為2.8 m/s。該地區(qū)是典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，固城湖水系位于南部，以固城湖為中心，有水碧橋河、官溪河、石固河及胥河4條主要河流相連，是本次生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建的重點(diǎn)。其中水碧橋河是水陽江與固城湖進(jìn)行水量交換的重要通道;官溪河?xùn)|接固城湖、西連運(yùn)糧河通當(dāng)涂達(dá)長江;石固河定位為城市生態(tài)廊道，連接固城湖和石臼湖;胥河橫貫東西，是固城湖與太湖連接的通道。

高淳區(qū)降水量在時(shí)間、空間上分布不均勻，汛期（5～8月）降水量占全年降水量的60%。根據(jù)防洪、水資源和水生態(tài)環(huán)境模擬分別對豐水年、枯水年的需求，模型選取豐水年和枯水年進(jìn)行模擬。分析2016年高淳站實(shí)測逐日降雨數(shù)據(jù)，參考國家氣象信息中心網(wǎng)上提供的南京市雨量站1980～2009年降雨數(shù)據(jù)，選取1991年和1986年分別為豐水年（5%）和枯水年（95%）的典型年（降雨量分別為1 819.9，722.5 mm），并按2016年降雨規(guī)律提取了逐日降雨過程。

結(jié)合DEM數(shù)據(jù)、水系條件分析固城湖區(qū)域水系匯流，劃定固城湖水系的承雨區(qū)面積為589 km? 2 。根據(jù)水系匯流條件，將固城湖水系劃分為7個(gè)匯水區(qū)，并確定不同匯水區(qū)的綜合徑流系數(shù)（見圖3）。

固城湖水系已建有水碧橋閘、楊家灣閘、蛇山閘、茅東閘等控制建筑物。這些建筑物具有調(diào)節(jié)生態(tài)水網(wǎng)水體流動規(guī)律的作用。為增強(qiáng)調(diào)度的靈活性，本次研究在現(xiàn)狀控制建筑物基礎(chǔ)上，新假設(shè)了楊家灣泵站和蛇山泵站，及不同調(diào)度規(guī)則（見表2），研究如何優(yōu)化生態(tài)水網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化。

2.1.2 生態(tài)水網(wǎng)綜合治理需求

（1） 防洪水位要求。

固城湖設(shè)防水位為11.0 m，警戒水位為12.0 m。遇50 a一遇、20 a一遇的洪水時(shí)，控制固城湖水位分別不超過13.0 m和12.5 m。因此，從防洪安全的角度出發(fā)，固城湖的汛期水位應(yīng)盡可能控制在13.0 m以內(nèi)，最好能低于12.5 m。

（2） 水資源利用需求。

根據(jù)相關(guān)研究，2030年將新建高淳區(qū)新區(qū)水廠，以固城湖為集中式飲用水水源地該水廠取水規(guī)模為10萬m? 3 /d，需求量較小。因此，水資源利用的重點(diǎn)是利用固城湖水系調(diào)蓄更多的水資源用于城市生態(tài)與環(huán)境。使用主汛期（7～8月）雨洪資源可利用量與汛期（5～8月）徑流控制率兩個(gè)與防洪密切相關(guān)的指標(biāo)。

雨洪資源可利用量考慮為在防洪演算的基礎(chǔ)上，主汛期（7～8月）固城湖比現(xiàn)狀水網(wǎng)增加的蓄水量，即在滿足防洪安全等有關(guān)需求的前提下固城湖可新增的蓄水量，這部分蓄水量是枯水期的生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水量的重要來源。

汛期降雨控制率用以描述汛期（5～8月）生態(tài)水網(wǎng)對汛期降雨的控制能力。結(jié)合海綿城市領(lǐng)域的徑流控制率? [14] 的理論，水網(wǎng)應(yīng)盡可能擴(kuò)大對汛期降雨的控制利用能力。汛期降雨控制率=汛期被控制的雨量/汛期總降雨量。

（3） 水生態(tài)與水環(huán)境需求。

水生態(tài)狀況可表現(xiàn)為以浮游植物、浮游動物、底棲動物、水生高等植物、魚類等為重點(diǎn)的生物多樣性? [15] ，與水環(huán)境質(zhì)量有一定的空間相關(guān)關(guān)系? [16] ，因此在模型中水生態(tài)與水環(huán)境簡化考慮為對水質(zhì)的需求。

根據(jù)水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，固城湖、官溪河、水碧橋河、石固河的水質(zhì)需求分別為Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅲ類、Ⅲ類，相關(guān)水位和流量需要滿足水質(zhì)需求。根據(jù)污染源特征，選取COD和NH? 3 -N作為納污能力計(jì)算的代表因子。參考《高淳區(qū)水生態(tài)文明建設(shè)實(shí)施方案》，按照SL 348-2006《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》，采用MIKE11一維水質(zhì)模型計(jì)算骨干河道滿足GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的COD和NH? 3 -N自凈流量需求。經(jīng)計(jì)算，官溪河、石固河、水碧橋河的流量分別為 3.73 ，2.47，1.89 m? 3 /s（見表1）。

根據(jù)《固城湖水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及保護(hù)對策》研究成果，固城湖需控制水位在7.0 m以上，以防止出現(xiàn)生態(tài)災(zāi)難。隨著飲用水水源地保護(hù)措施的推進(jìn)，未來將關(guān)停所有入湖排污口，并確保河流入湖斷面水質(zhì)達(dá)到相應(yīng)水質(zhì)目標(biāo)。因此，隨著入湖污染物的大幅降低，并考慮高淳區(qū)生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展需求，本次研究設(shè)定固城湖最低水位為8.0 m。

2.2 生態(tài)水網(wǎng)模型構(gòu)建

2.2.1 模型構(gòu)建規(guī)則

本次研究設(shè)定的控制建筑物包括4個(gè)閘門和2個(gè)泵站，其中4個(gè)閘門為水碧橋閘、楊家灣閘、蛇山閘、茅東閘，均為已建閘門;2個(gè)泵站為楊家灣泵站、蛇山泵站，均為假定泵站。本次研究為閘門和泵站設(shè)定了3組調(diào)度規(guī)則（見表2），其中蛇山閘和茅東閘在調(diào)度規(guī)則中均處于關(guān)閉狀態(tài)。

本次研究建立了4個(gè)模型（見表3）。模型一是不采取任何調(diào)度措施，維持水網(wǎng)的自然連通性的天然水網(wǎng)，目的是模擬天然條件下的水循環(huán)過程。模型二是根據(jù)高淳區(qū)水網(wǎng)實(shí)際調(diào)度運(yùn)行過程建立的現(xiàn)狀水網(wǎng)模型，目的是為了客觀反映水網(wǎng)的水量交換過程及防洪效果，該模型具有在汛期幫助水陽江分洪的功能。模型三是為了最大限度地利用雨洪資源，僅在官溪河和石固河假設(shè)了兩個(gè)抽排泵站控制固城湖的水位。模型四是為了充分發(fā)揮生態(tài)水網(wǎng)的綜合效益，以固城湖水系為核心，假設(shè)了閘門、泵站的聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行規(guī)則，目的是在保障防洪安全的前提下，合理蓄積洪水資源為枯水期城鎮(zhèn)供水和生態(tài)環(huán)境用水服務(wù)。

2.2.2 評價(jià)指標(biāo)

綜合高淳區(qū)生態(tài)水網(wǎng)的各涉水要求，制定符合高淳區(qū)生態(tài)水網(wǎng)特點(diǎn)的評價(jià)指標(biāo)體系。

防洪方面，鑒于應(yīng)控制固城湖水位低于50 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)（13.0 m），最好能低于20 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)（12.5 m），因此在模型中定量設(shè)定固城湖水位低于12.5 m、低于13.0 m和超過13.0 m的防洪能力值分別為2，1，0。

水資源方面，考慮到高淳區(qū)對固城湖水系的城鄉(xiāng)居民取水量需求僅為10萬m? 3 /d，需求量較小，水資源利用重點(diǎn)考慮主汛期（7～8月）雨洪資源利用量與汛期（5～8月）徑流控制率兩個(gè)指標(biāo)以衡量固城湖水系對區(qū)間來水的控制能力，這兩個(gè)指標(biāo)與防洪密切相關(guān)，因此與防洪指標(biāo)一同考慮。

水生態(tài)與水環(huán)境方面，以水質(zhì)指標(biāo)為核心，鑒于模型模擬的湖泊水位和COD、河流COD基本達(dá)到要求，因此評價(jià)指標(biāo)是湖泊NH? 3 -N、河流NH? 3 -N和生態(tài)流量保證率等。

2.2.3 模擬結(jié)果

（1） 模型一。

模擬分析可知，在沒有任何調(diào)控措施的條件下，汛期水網(wǎng)的水位由水陽江水位決定，也略受本地降雨影響，當(dāng)水陽江洪水過境、水位過高時(shí)，固城湖水系亦遭受洪災(zāi)。天然水網(wǎng)模型沒有任何調(diào)控設(shè)施，不能滿足當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活需求。

（2） ?模型二。

① 豐水年防洪及水資源利用情況。模擬初始時(shí)刻，楊家灣閘保持開啟狀態(tài)，水陽江與固城湖連通，固城湖水系水位與水陽江水位的變化規(guī)律相同。7月3日，水陽江水位高于12.5 m，固城湖水位為10.9 m（小于12.0 m），此時(shí)水碧橋閘開啟承擔(dān)分洪任務(wù)，過閘流量最大達(dá)到112 m? 3 /s。至7月8日，固城湖分洪水量已達(dá)3 472萬m? 3 ，水位上漲至12.0 m，此時(shí)關(guān)閉水碧橋閘，防止高淳區(qū)遭受洪災(zāi)。7月20日以后，水陽江水位降至12.0 m以下，楊家灣閘重新開啟，維持水陽江和固城湖的連通性，模擬結(jié)束時(shí)固城湖水位為9.8 m（見圖4），可供枯水期利用的水資源量十分有限。5～8月汛期徑流控制率為55%。② 枯水年水生態(tài)環(huán)境狀態(tài)。固城湖COD基本達(dá)標(biāo)，氨氮保持Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類水質(zhì)的天數(shù)分別為295，60 d及10 d，石固河、官溪河、水碧橋河達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類水的天數(shù)分別為303，310 d及355 d（見圖5），逐日環(huán)境流量保證率分別為62%，58%和40%。固城湖在最不利時(shí)刻（4月25日）水質(zhì)為Ⅳ類（見圖6）。

（3） 模型三和模型四。

分析豐水年防洪及水資源利用情況。模型三利用楊家灣泵站、蛇山泵站調(diào)控固城湖水位，可充分發(fā)揮固城湖作為“城市水庫”的功能，但由于泵站最大抽排能力有限，遇到豐水年，固城湖水位最高超過13 m，兩個(gè)泵站的抽排能力未能保障高淳區(qū)防洪安全，因此建立了模型四。模型四在模型三的基礎(chǔ)上考慮了楊家灣閘和水碧橋閘的分洪功能。經(jīng)過模擬，8月19～20日期間，楊家灣閘最大分洪流量達(dá)到508 m? 3 /s，水碧橋閘最大分洪流量達(dá)到660 m? 3 /s。固城湖水位在8月20日可控制在12.68 m（見圖5），地區(qū)防洪安全得到保障。模擬結(jié)束時(shí)（8月25日）模型三和模型四的固城湖水位分別為12.5 m和11.7 m，相比模型二，固城湖可利用水資源量分別增加了約6 557萬m? 3 和4 400萬m? 3 。5～8月汛期徑流控制率分別為83%和76%。

分析枯水年水生態(tài)環(huán)境改善情況，模型三和模型四較模型二有小幅提升。其中模型四的固城湖氨氮保持Ⅱ類水質(zhì)的天數(shù)提升至322 d，石固河、官溪河、水碧橋河達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類水的天數(shù)分別提升至329，329 d及365 d，逐日環(huán)境流量保證率分別為67%，66%和42%。固城湖在最不利時(shí)刻（4月25日）也基本能維持Ⅲ類水（見圖6）。

2.3 模型評價(jià)體系

根據(jù)高淳區(qū)生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建的需求，將評價(jià)指標(biāo)分為固城湖防洪及雨洪資源利用、固城湖水生態(tài)環(huán)境、河流水生態(tài)環(huán)境三大因素。首先根據(jù)評價(jià)指標(biāo)表（表4）構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)矩陣并進(jìn)行列歸一，將指標(biāo)統(tǒng)一量綱。再對各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行專家打分賦值，其中主汛期防洪能力是核心問題，權(quán)重賦為2;固城湖氨氮以Ⅱ類水天數(shù)為最重要指標(biāo)，權(quán)重賦為1，Ⅲ類水天數(shù)及Ⅳ類水天數(shù)權(quán)重賦為0;其余權(quán)重賦為1。賦值后計(jì)算3個(gè)因素的得分矩陣。最后，求出評價(jià)指標(biāo)矩陣的特征向量，即將得分矩陣進(jìn)行列歸一處理，得出每個(gè)生態(tài)水網(wǎng)的定量評價(jià)指標(biāo)值。

用生態(tài)水網(wǎng)的定量評價(jià)指標(biāo)值分析各生態(tài)水網(wǎng)的特點(diǎn)及選擇綜合效益最優(yōu)的水網(wǎng)模型。模型四中，固城湖防洪及雨洪資源利用指標(biāo)達(dá)到0.39，固城湖水生態(tài)環(huán)境指標(biāo)達(dá)到0.34，河流水生態(tài)環(huán)境指標(biāo)達(dá)到 0.34 ，均為3個(gè)模型中的最高值，總得分達(dá)到1.08（見表5），即生態(tài)水網(wǎng)的綜合效益最大，作為推薦的生態(tài)水網(wǎng)模型。

2.水質(zhì)計(jì)算使用枯水年的水文氣象數(shù)據(jù);

3.“主汛期防洪能力”指標(biāo)中，2表示控制固城湖水位低于12.5 m，1表示控制固城湖水位低于13.0 m;

4.雨洪資源利用量是基于現(xiàn)狀水網(wǎng)（模型二）而言，現(xiàn)狀水網(wǎng)沒有考慮雨洪資源利用，因此為0。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

本次多目標(biāo)生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建與評價(jià)的研究探索，提出了將各涉水要素聚焦于以水位和流量兩個(gè)核心要素構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)的理念和方法;使用ArcGIS、MIKE、MATLAB等工具建立了多目標(biāo)生態(tài)水網(wǎng)的一維-二維耦合模型，實(shí)現(xiàn)了對洪水、供水、水環(huán)境治理的統(tǒng)一模擬;并以層次分析法為基礎(chǔ)，結(jié)合專家賦權(quán)重方式，構(gòu)建了一套可根據(jù)不同生態(tài)水網(wǎng)特性靈活調(diào)整評價(jià)結(jié)構(gòu)的評價(jià)指標(biāo)體系，可廣泛適用于多目標(biāo)生態(tài)水網(wǎng)的評價(jià)。

通過將本研究成果運(yùn)用于南京市高淳區(qū)生態(tài)水網(wǎng)，結(jié)果表明相對于現(xiàn)狀水網(wǎng)而言，優(yōu)化后的生態(tài)水網(wǎng)可通過對水位、流量的優(yōu)化調(diào)控，在滿足防洪安全的同時(shí)，提升水資源利用效益，改善水生態(tài)環(huán)境，生態(tài)水網(wǎng)模型評價(jià)結(jié)合了定量與定性分析，可為決策者提供參考。

3.2 建 議

生態(tài)水網(wǎng)研究是一項(xiàng)復(fù)雜系統(tǒng)工作，本次生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建模式和關(guān)鍵技術(shù)研究仍然有許多不完善之處。筆者認(rèn)為后續(xù)應(yīng)在生態(tài)水網(wǎng)物理連接方式和水體流動性關(guān)系、生態(tài)水網(wǎng)精細(xì)調(diào)度和水文預(yù)報(bào)時(shí)效關(guān)系、各涉水要素評價(jià)指標(biāo)體系等方面加強(qiáng)研究;并聚焦于水位和流量兩要素，優(yōu)化生態(tài)水網(wǎng)模型建立方式，提高各涉水要素相互反饋程度，改善評價(jià)指標(biāo)體系，最終不斷提升研究成果指導(dǎo)生態(tài)水網(wǎng)綜合治理的能力。

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（編輯：黃文晉）

Construction and evaluation method of multi-objective ecological water network

XU Chi，PENG Zhenyang，HUANG Jinfeng，LIU Guoqiang，HE Zijie，ZHANG Fuping，CHEN Jun

（ Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China ）

Abstract：

The construction and evaluation of ecological water network is a comprehensive problem involving many factors such as flood control，water resources utilization，water ecology and water environment.It is of great significance to better coordinate the relationship among all factors and improve the comprehensive benefits of ecological water network.This study puts forward a basic concept of ecological water network construction，that is to focus on the two elements of water level and flow，optimize the construction mode and scheduling rules of the ecological water network，and extract the ecological water network to meet the needs from multiple factors.Combined with ArcGIS，MIKE，Matlab，etc.，a 1D-2D coupling model of multi-objective ecological water network was established，which realized the unified simulation of flood control，water supply and water environment management.Based on the analytic hierarchy process （AHP），an evaluation index system of ecological water network was constructed.Finally，the research results were applied to the ecological water network of Gucheng Lake in Gaochun County，Nanjing City.The results showed that compared with the current water network，the proposed ecological water network could not only meet the flood control safety，but also enhance the utilization efficiency of water resources and improve the water ecological environment by optimizing the regulation of water level and flow.The proposed evaluation method is reliable.

Key words：

multi-objective ecological water network;model construction method and technique;model evaluation;Nanjing City