多水源補(bǔ)給的宿遷市黃河故道水量－水質(zhì)耦合優(yōu)化調(diào)控

王文琪 王思如 羅嘉西 陸毅 胡繼成 趙士文 孫金華

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)黃河故道水量和水質(zhì)雙重保障目標(biāo)下的耦合優(yōu)化調(diào)控，需要綜合考慮水量補(bǔ)給渠道、水質(zhì)改善目標(biāo)、經(jīng)濟(jì)成本和技術(shù)難度等多重因素。研究基于黃河故道１１ 級(jí)梯級(jí)蓄水工程和駱馬湖、中運(yùn)河、洪澤湖對(duì)黃河故道的補(bǔ)給關(guān)系，充分利用和優(yōu)化分配周邊水系水源，通過建立水量－水質(zhì)耦合模型，開展多種水資源配置方案的數(shù)值模擬與方案比選，提出多水源補(bǔ)給的黃河故道優(yōu)化調(diào)度方案。結(jié)果表明：在“高水高用、低水低用”的基礎(chǔ)上每月增加小額生態(tài)補(bǔ)水量（０．４２ 億～０．５２ 億ｍ３ ），成本適中、技術(shù)難度低，且水質(zhì)改善效果較好，２０１８ 年（現(xiàn)狀年） 和２０２５ 年（ 規(guī)劃水平年） 水質(zhì)綜合改善率分別為２２％和９％，水質(zhì)總體達(dá)標(biāo)率分別為８２％和９３％，調(diào)水成本分別比單一水源（“高水”）成本降低１６％和２４％。

關(guān)鍵詞：水量－水質(zhì)耦合模型；多水源補(bǔ)給；多目標(biāo)調(diào)控；黃河故道

中圖分類號(hào)：ＴＶ２１３．４；ＴＶ８８２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０１３

引用格式：王文琪，王思如，羅嘉西，等．多水源補(bǔ)給的宿遷市黃河故道水量－水質(zhì)耦合優(yōu)化調(diào)控［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（７）：６８－７２，７８．

０ 引言

河流是陸地與水生態(tài)系統(tǒng)之間物質(zhì)循環(huán)的重要通道，也是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，河流水量（水位、流量）和水質(zhì)應(yīng)滿足維持人類與水生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展的基本需求。受人類活動(dòng)影響，許多河流出現(xiàn)水資源短缺、水環(huán)境惡化與水生態(tài)退化等問題，嚴(yán)重制約了河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的可持續(xù)性發(fā)展［１－３］ 。水生態(tài)調(diào)控是指基于河流水生態(tài)健康的需要，通過一系列工程措施（如污染源治理、河道清淤疏浚、魚類洄游保護(hù)與曝氣增氧等）和非工程措施（如水利工程調(diào)度、水管理制度建設(shè)等），達(dá)到水生態(tài)環(huán)境綜合治理的目標(biāo)［４－６］ 。

國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞水利工程調(diào)控改善水體水質(zhì)和水生態(tài)環(huán)境開展了大量研究工作［７－１０］ ，認(rèn)為通過科學(xué)合理調(diào)度水利工程，能夠?qū)崿F(xiàn)水體良性循環(huán)及有序流動(dòng)，提高河湖生態(tài)水量保障程度，有效改善區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量［１１－１３］ 。楊芳麗等［１４］ 綜合考慮水庫(kù)發(fā)電、防洪與生態(tài)調(diào)度功能，以浙江灘坑水庫(kù)為例進(jìn)行多目標(biāo)調(diào)度研究；陳煉鋼等［１５－１６］ 針對(duì)閘控河網(wǎng)水環(huán)境管理需求，構(gòu)建水文－水動(dòng)力－水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型，以淮河中游為例開展閘控河網(wǎng)水流及污染物演進(jìn)規(guī)律和調(diào)度方案研究；楊志峰等［１７］ 運(yùn)用ＧＩＳ 技術(shù)和水量－水質(zhì)－水生態(tài)聯(lián)合監(jiān)測(cè)與模擬技術(shù)，研發(fā)了白洋淀水生態(tài)綜合調(diào)控決策支持系統(tǒng)。已有研究在水量、水質(zhì)與水生態(tài)多目標(biāo)調(diào)控方面取得了大量成果，但對(duì)多水源調(diào)水方案及經(jīng)濟(jì)成本要素考慮較少，尤其對(duì)于多水源水量－水質(zhì)優(yōu)化調(diào)度缺少考慮水資源配置和社會(huì)經(jīng)濟(jì)成本的綜合評(píng)價(jià)方法與體系。

江蘇省宿遷市境內(nèi)的黃河故道是該市的主要河流之一，承擔(dān)著區(qū)域排澇、供水與生態(tài)服務(wù)功能［１８］ 。然而，黃河故道在水資源和水生態(tài)方面存在因上游被截?cái)喽蔀椤盁o(wú)源之河”、河道自然匯水面積小使得自身產(chǎn)流不足以及水質(zhì)不良等問題。針對(duì)上述問題，本文綜合考慮環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，開展多水源與多方案條件下黃河故道水量－水質(zhì)耦合優(yōu)化調(diào)控研究，以期為黃河故道水資源優(yōu)化配置與水環(huán)境保護(hù)提供參考。

１ 研究區(qū)概況

宿遷市境內(nèi)的黃河故道西起徐洪河、東至新袁閘，經(jīng)淮安張福河入洪澤湖，流經(jīng)宿城區(qū)、湖濱新區(qū)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、洋河新區(qū)及泗陽(yáng)縣，全長(zhǎng)１１４．３ ｋｍ，流域面積為２９６．９ ｋｍ２。研究區(qū)多年平均降水量為８９３．５ ｍｍ，汛期（５—９ 月）降水量占全年降水量的６５．９％。黃河故道沿線地勢(shì)較高，是淮河與沂沭泗水系的分水嶺，河床高出兩側(cè)地面４～６ ｍ，有些河段河床甚至高于兩側(cè)地面８ ｍ。自２０１５ 年以來，有關(guān)部門在黃河故道實(shí)施了兩期整治工程，沿線建成１１ 級(jí)梯級(jí)控制建筑物，形成可容納１ ０８０萬(wàn)ｍ３ 水量的河槽，這些梯級(jí)控制建筑物將黃河故道分為１２ 個(gè)河段，水體泄放主要由人工控制。為便于分析研究，將黃河故道從上游到下游依次分為Ａ～Ｆ 共６ 段，其中Ａ段及Ｅ 段僅有生態(tài)流量而無(wú)供水功能。黃河故道沿線梯級(jí)控制建筑物位置和河段劃分見圖１。

駱馬湖、洪澤湖和中運(yùn)河是黃河故道補(bǔ)水的主要水源地，其中：駱馬湖與黃河故道的連通工程位于皂河地涵與蔡支閘之間，洪澤湖與黃河故道在成子河船閘處連通，中運(yùn)河河道與黃河故道基本平行而上下游存在多處連通通道。黃河故道供水范圍為宿遷市中心城區(qū)與皂河、船行、運(yùn)南（宿城片）、運(yùn)南（泗陽(yáng)片）４ 個(gè)灌區(qū)，共１ ６６７ ｋｍ２。

２ 研究方法

２．１ 技術(shù)路線

鑒于沿程水源在取水高程、取水成本與取水許可等方面存在差異，從水量目標(biāo)、水質(zhì)目標(biāo)、經(jīng)濟(jì)成本與技術(shù)難度４ 個(gè)方面進(jìn)行調(diào)度方案評(píng)價(jià)?？紤]未來節(jié)水水平、產(chǎn)業(yè)發(fā)展與基礎(chǔ)設(shè)施等對(duì)需水量和排污量的影響，分別對(duì)２０１８ 年（現(xiàn)狀年）和２０２５ 年（規(guī)劃水平年）進(jìn)行調(diào)控方案優(yōu)化研究，其中２０２５ 年按照最不利來水條件（枯水年）考慮。

２．３ 模型概化和驗(yàn)證

宿遷市境內(nèi)的黃河故道水流自西北向東南方向流動(dòng)，沿程分別有５ 個(gè)取水口門和５ 個(gè)配水口門。由于黃河故道在成子河分洪閘以下斷流，且下游泗陽(yáng)段有獨(dú)立的供配水系統(tǒng)，因此從水量調(diào)控的角度，本研究?jī)H進(jìn)行上游河段（成子河分洪閘以上，河長(zhǎng)８８．１７５ ｋｍ）的模擬，將上游河段概化為復(fù)式河槽，河網(wǎng)及斷面概化見圖２。黃河故道的水流受到產(chǎn)匯流過程、人工河道取水及閘門調(diào)度的影響。本研究中，產(chǎn)匯流過程利用水文模塊模擬，人工河道取水根據(jù)邊界條件和取水量直接設(shè)置，閘門調(diào)度按照控制構(gòu)筑物運(yùn)行規(guī)則進(jìn)行邏輯語(yǔ)句編程設(shè)置。

經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，河道初始水位對(duì)水量－水質(zhì)耦合模型的模擬結(jié)果影響不大，故取河道常水位作為初始水位；河道污染物濃度初始值對(duì)模擬結(jié)果有直接影響，根據(jù)２０１８—２０２０ 年黃河故道水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，取污染物濃度平均值作為河道初始污染物濃度。由于黃河故道上游被徐洪河截?cái)?，因此模型將上游水位邊界設(shè)為閉邊界；下游水位邊界為設(shè)計(jì)常水位（１６ ｍ）。

黃河故道目前未設(shè)置水文站，缺乏徑流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本研究采用瞬時(shí)單位線法進(jìn)行降雨—徑流計(jì)算，依據(jù)《江蘇省水文手冊(cè)》計(jì)算平原區(qū)最大３ ｄ 設(shè)計(jì)暴雨（１０ ａ一遇），并進(jìn)行６ ｈ 時(shí)段分配，得到降雨及凈雨數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算地表徑流，并據(jù)此對(duì)ＭＩＫＥ１１ 水文模塊進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證，率定的主要參數(shù)有初損參數(shù)、填洼參數(shù)、初滲參數(shù)、穩(wěn)滲參數(shù)、霍頓參數(shù)、曼寧參數(shù)。ＭＩＫＥ１１ 水文模塊模擬結(jié)果與瞬時(shí)單位線法計(jì)算結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為０．９０９，二者峰值出現(xiàn)的時(shí)間與量值吻合較好（見圖３），說明降雨—徑流模塊參數(shù)較為合理。水動(dòng)力模塊的主要參數(shù)為河道糙率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將黃河故道糙率設(shè)置為０．０３５，得到河道水位模擬結(jié)果（見圖４）?？梢?，模擬結(jié)果能夠反映河道多梯級(jí)運(yùn)行模式，且各段水位基本在設(shè)計(jì)水位區(qū)間內(nèi)，符合河道多梯級(jí)運(yùn)行的實(shí)際水位要求。水質(zhì)模塊主要參數(shù)有ＣＯＤ、ＮＨ３ －Ｎ 和ＴＰ 降解系數(shù)，將考核斷面模擬水質(zhì)按照月尺度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，經(jīng)不斷調(diào)試得到降解系數(shù)率定結(jié)果，ＣＯＤ、ＮＨ３ －Ｎ 和ＴＰ 降解系數(shù)分別為０．０１２、０．０２１、０．０２／ ｄ。２．４ 優(yōu)化目標(biāo)及調(diào)度規(guī)則黃河故道生態(tài)優(yōu)化調(diào)控的目標(biāo)是在滿足區(qū)域用水需求和河道水質(zhì)要求的情況下，達(dá)到用水成本最低，暫不考慮取水許可總量的行政制約因素及其在空間上的分配。

３ 結(jié)果與討論

３．１ 方案設(shè)計(jì)

２０１８ 年為平水年，２０２５ 年按最不利來水條件（枯水年）模擬預(yù)測(cè)，因此２０２５ 年的水質(zhì)指標(biāo)值（污染物初始濃度）較２０１８ 年的大。綜合考慮不同水源高程、取水許可、提水成本等因素，在污染物排放總量控制的前提下，設(shè)置６ 種不同取水方案：方案一（單一水源方案），僅從龍崗樞紐（ＱＢ１）引水；方案二（雙水源方案），從龍崗樞紐（ＱＢ１ ）、船行樞紐（ＱＣ１ ）各引一半水；方案三（多水源高水高用、低水低用方案，即從地勢(shì)較高／較低處水源取水供給較高／ 較低處引水樞紐），從龍崗樞紐（ＱＢ１）、船行樞紐（ＱＣ１）、洋河站（ＱＤ１）按本段實(shí)際需水量引水；方案四（取水受限、極端保障方案），在中運(yùn)河取水受限時(shí)，主要從洋河站（ＱＤ１）引水，滿足Ｃ、Ｄ段用水需求；方案五（生態(tài)補(bǔ)水方案），在方案三基礎(chǔ)上，水質(zhì)不達(dá)標(biāo)月份從龍崗樞紐（ＱＢ１）增加小額生態(tài)補(bǔ)水量；方案六（尾水補(bǔ)水方案），在方案三基礎(chǔ)上，利用城南污水廠經(jīng)過處理達(dá)標(biāo)后的尾水補(bǔ)水（以１ 萬(wàn)ｔ／ ｄ 計(jì)，每天補(bǔ)水２ ｈ）。因此，在水量供需平衡前提下，方案五和方案六取水量大于實(shí)際用水量。２０１８ 年不同取水方案示意見圖５（圖中紅色數(shù)字為取水量）。

對(duì)比６ 種方案，其中方案一和方案四為均勻持續(xù)性供水，而多個(gè)水源供水情況下（方案三、方案五、方案六），各水源月度調(diào)水的持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，因此供水成本相對(duì)較低。

３．２ 方案比選

分別將２０１８ 年的６ 種方案水質(zhì)改善率、調(diào)水總量、經(jīng)濟(jì)成本和技術(shù)難度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表１。由表１ 可知， 方案一對(duì)水質(zhì)改善效果最好， ＣＯＤ、ＮＨ３ －Ｎ和ＴＰ 改善率都最高，但方案一的成本和技術(shù)難度也是最高的；方案二和方案五的水質(zhì)改善效果次之；方案三、方案四、方案六３ 種情況下均無(wú)法實(shí)現(xiàn)水質(zhì)改善目標(biāo)?？傮w而言，優(yōu)先使用“高水”（地勢(shì)較高處的水源）能減少下游的生態(tài)需水量，但“高水”成本高（水源越高用水單價(jià)越高），而方案二比方案一成本降低１８％，且水質(zhì)達(dá)標(biāo)，因此不考慮取水許可的條件下推薦方案二，可稱其為“水資源最節(jié)約利用”方案。受水源取水許可的限制，實(shí)際操作中高水高用、低水低用更方便，在方案三“高水高用、低水低用”基礎(chǔ)上每月增加小額補(bǔ)水（方案五），調(diào)水成本適中，比方案一成本降低１６％，水質(zhì)改善效果較好，技術(shù)難度低，因此方案五（高水高用、低水低用＋生態(tài)補(bǔ)水）最優(yōu)，既兼顧取水許可等限制條件，又可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)改善目標(biāo)。

２０１８ 年不同方案的上、中、下游水質(zhì)達(dá)標(biāo)率見圖６。由圖６ 可知，方案三、方案四、方案六對(duì)上游水質(zhì)改善率較差，原因是這３ 種方案對(duì)上游供水量較少；而方案五增加了生態(tài)補(bǔ)水，對(duì)上游水質(zhì)改善效果較好，水質(zhì)總體達(dá)標(biāo)率為８２％。從水質(zhì)目標(biāo)考慮，方案一對(duì)上游水質(zhì)改善效果最好，方案一與方案二對(duì)水質(zhì)改善效果相近（水源越高對(duì)水質(zhì)的改善效果越好，但缺點(diǎn)是用水成本高），方案四對(duì)上游水質(zhì)無(wú)改善效果而對(duì)下游水質(zhì)改善效果較好。

２０２５ 年取水方案比選見表２，可知方案一的水質(zhì)綜合改善率最高，調(diào)水成本也最高。由圖７ 可知，方案三、方案四和方案六對(duì)上游水質(zhì)改善效果不佳，方案五因增加了生態(tài)補(bǔ)水而對(duì)河道總體水質(zhì)達(dá)標(biāo)率較高（９３％），調(diào)水成本比方案一降低２４％。隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，污水處理能力不斷提升，２０２５ 年水質(zhì)達(dá)標(biāo)率比２０１８ 年的高。值得注意的是，２０１８ 年方案二達(dá)標(biāo)、２０２５ 年方案二不達(dá)標(biāo)，原因是２０２５ 年（枯水年）１０ 月污染物濃度大且補(bǔ)水少，生產(chǎn)用水主要集中在農(nóng)業(yè)灌溉時(shí)期，而枯水季節(jié)的生態(tài)需水量無(wú)法用生產(chǎn)用水量補(bǔ)償。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，需水總量將不斷上升，因此２０２５年的調(diào)水總量和調(diào)水成本相應(yīng)提高。

考慮實(shí)際取水許可與調(diào)度情況，方案三（“高水高用、低水低用”）調(diào)水成本最低。利用水量－水質(zhì)耦合模型進(jìn)行數(shù)值模擬測(cè)算，得出僅滿足黃河故道水質(zhì)目標(biāo)時(shí)，河道生態(tài)補(bǔ)水量為０．７７ 億ｍ３；生產(chǎn)用水與生態(tài)用水聯(lián)合調(diào)度時(shí)，由于生產(chǎn)用水通過黃河故道一定程度上改善了河道水質(zhì)，因此滿足河道水質(zhì)目標(biāo)要求的生態(tài)補(bǔ)水量２０１８ 年（平水年）和２０２５ 年（枯水年）將分別減少０．３５ 億、０．２５ 億ｍ３，即２０１８ 年、２０２５ 年分別需要在河道生態(tài)補(bǔ)水量０．７７ 億ｍ３ 的基礎(chǔ)上增加０．４２億、０．５２ 億ｍ３，說明生產(chǎn)用水通過黃河故道產(chǎn)生了附加的生態(tài)環(huán)境效益。

４ 結(jié)論

１）水源越高對(duì)黃河故道水質(zhì)的改善效果越好，但缺點(diǎn)是用水成本高、用水高峰時(shí)會(huì)出現(xiàn)調(diào)度擁擠狀況。

２）方案五（在“高水高用、低水低用”基礎(chǔ)上增加生態(tài)補(bǔ)水）成本適中、技術(shù)難度低，２０１８ 年（現(xiàn)狀年）和２０２５ 年（規(guī)劃水平年）水質(zhì)綜合改善率分別為２２％和９％，水質(zhì)總體達(dá)標(biāo)率分別為８２％和９３％，調(diào)水成本比單一水源成本分別降低１６％ 和２４％，可作為推薦方案。

３）將宿遷市黃河故道生產(chǎn)用水與生態(tài)用水聯(lián)合調(diào)度，在２０１８ 年（現(xiàn)狀年）和２０２５ 年（規(guī)劃水平年）可分別減少生態(tài)補(bǔ)水量０．３５ 億ｍ３和０．２５ 億ｍ３。

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［１６］ 陳煉鋼，施勇，錢新，等．閘控河網(wǎng)水文－水動(dòng)力－水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型Ⅱ：應(yīng)用［Ｊ］．水科學(xué)進(jìn)展，２０１４，２５（６）：８５６－８６３．

［１７］ 楊志峰，謝濤，全向春，等．白洋淀水生態(tài)綜合調(diào)控決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)［Ｊ］．環(huán)境保護(hù)科學(xué)，２０１１，３７（５）：３９－４２．

［１８］ 徐季雄，尹子龍，楊源浩，等．古黃河宿遷段水生態(tài)現(xiàn)狀及生態(tài)評(píng)價(jià)［Ｊ］．江蘇水利，２０２１（９）：５０－５５，６５．

【責(zé)任編輯 張華興】