基于水質(zhì)-水量-水源地耦合模型的生態(tài)補(bǔ)水量研究

潘若云 ，江 雪 ，潘 犖 ，黃曉榮

（1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；3.成都市郫都區(qū)綜合行政執(zhí)法局，四川 成都 611730）

0 引 言

河流作為水資源的重要載體，已成為人類生產(chǎn)生活密不可分的一部分[1]，健康的河流能夠提供生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等用水[2]。然而由于人類對(duì)河流不合理的開發(fā)利用，導(dǎo)致出現(xiàn)河道斷流、泥沙淤積、生物多樣性受損等問題[3]；另一方面，大量的污染物排放不達(dá)標(biāo)，由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染逐年加重，河流的水質(zhì)狀況也會(huì)出現(xiàn)問題[4]。河流生態(tài)環(huán)境的治理和改善受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，加強(qiáng)生態(tài)技術(shù)應(yīng)用、推進(jìn)污染物減排等可以有效改善水環(huán)境，但其所耗時(shí)間較長[5,6]，如何短期內(nèi)改善河流水環(huán)境成為亟待解決的問題，生態(tài)補(bǔ)水應(yīng)運(yùn)而生[7-10]。生態(tài)補(bǔ)水是指為遏制受損生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)破壞和功能喪失，人為向其補(bǔ)充生態(tài)修復(fù)水量，從而恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)功能，改善其水環(huán)境狀況[8]，已有研究證明生態(tài)補(bǔ)水能在短期內(nèi)有效改善河流生態(tài)環(huán)境[11,12]。現(xiàn)階段大多通過水量或水質(zhì)的單一目標(biāo)來確定生態(tài)補(bǔ)水量，魏健等[13]以水量達(dá)標(biāo)為目標(biāo)，基于永定河的水文變異和需水水平改變制定了不同生態(tài)修復(fù)階段，按照環(huán)境需水量和生態(tài)需水量計(jì)算出不同修復(fù)階段所需的生態(tài)補(bǔ)水量，為永定河生態(tài)修復(fù)提供了參考。楊柳等[14]根據(jù)濕地最小生態(tài)水位計(jì)算濕地最小生態(tài)需水，從而確定洪河濕地補(bǔ)水方案。石成春等[15]以控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)為目標(biāo)，通過水污染通量來計(jì)算所需生態(tài)補(bǔ)水量。但由于某些地區(qū)水量型缺水和水質(zhì)型缺水并發(fā)[16]，單以水量或水質(zhì)為目標(biāo)無法滿足這類區(qū)域的生態(tài)需求，一些學(xué)者開始尋求水量和水質(zhì)聯(lián)合進(jìn)行補(bǔ)水調(diào)度。高曉琦等[17]基于四種常用生態(tài)需水計(jì)算方法，計(jì)算濁漳河各河段生態(tài)需水量，通過優(yōu)化調(diào)度模型得到不同生態(tài)流量保障的水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案，有效改善了濁漳河的水質(zhì)。王世強(qiáng)等[18]對(duì)星海湖主要污染物指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，建立水量水質(zhì)耦合模型，從而計(jì)算星海湖不同水質(zhì)目標(biāo)下的補(bǔ)水量。目前水量水質(zhì)聯(lián)合模型計(jì)算生態(tài)補(bǔ)水量已經(jīng)在多地進(jìn)行了有效應(yīng)用[19-21]，但鮮有研究考慮到當(dāng)補(bǔ)水的受體河流和水源河流產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，水源河流對(duì)于補(bǔ)水量的限制性。由于補(bǔ)水水源自身水量是有限的，超額補(bǔ)水可能致使水源本身生態(tài)流量不足甚至斷流，也可能會(huì)壓縮其他供水對(duì)象的用水。如何確定合適的生態(tài)補(bǔ)水量是生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目均需解決的難題，基于此，本研究在考慮水質(zhì)和水量達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加一項(xiàng)針對(duì)水源地影響最小的考慮，建立了以水質(zhì)-水量-水源地為目標(biāo)的耦合模型，應(yīng)用于四川省某中小河流，計(jì)算其生態(tài)補(bǔ)水量，以期為跨區(qū)補(bǔ)水河流項(xiàng)目生態(tài)補(bǔ)水量的確定提供決策依據(jù)，為改善河流水環(huán)境提供一定科學(xué)參考。

1 模型建立

1.1 水質(zhì)目標(biāo)

1.1.1 現(xiàn)狀水質(zhì)評(píng)價(jià)

原始水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)因子眾多，逐個(gè)進(jìn)行分析計(jì)算量繁重，因此需要篩選出對(duì)水環(huán)境影響較大的關(guān)鍵因子來代替原始水質(zhì)數(shù)據(jù)中的大量評(píng)價(jià)因子，進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838－2002)[22]，采用單因子評(píng)價(jià)法[23]評(píng)價(jià)現(xiàn)狀水質(zhì)，將各監(jiān)測(cè)斷面的污染物組分與相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，確定各組分類別，并以最差因子的水質(zhì)類別作為該斷面水體水質(zhì)的總評(píng)類別，同時(shí)找出對(duì)水環(huán)境影響較大的因子來代替原始評(píng)價(jià)因子。

1.1.2 基于QUAL-2K模型模擬的控制斷面水質(zhì)要求

各污染物組分在河道中隨水流流動(dòng)應(yīng)遵循質(zhì)量守恒定律，包括污染物質(zhì)量守恒和水量平衡[24]。QUAL-2K 模型常用于中小型河流的多組分水質(zhì)模擬[25]，其基本水質(zhì)方程是一維平流——擴(kuò)散物質(zhì)遷移方程，其不僅考慮了水體平流擴(kuò)散、稀釋以及各物質(zhì)組分自身反應(yīng)的影響，還考慮了各個(gè)水質(zhì)組分間的相互反應(yīng)以及外部源匯項(xiàng)對(duì)于組分濃度所產(chǎn)生的影響[26-28]。QUAL-2K模型流量平衡和污染物質(zhì)量守恒方程見下式。

式中：cj、cj-1和cj+1分別為單元j、單元j- 1和單元j+ 1的污染物組分濃度，mg/L；t為時(shí)間，d；E′j-1和E′j分別為單元j向上游相鄰單元和下游相鄰單元擴(kuò)散的量，m3/d；Wj為單元j的外部污染物負(fù)荷輸入量，mg/d；Sj為反應(yīng)和遷移過程中形成的源和匯，mg/（m3·d）；Qj-1、Qj分別為單元j- 1 流入單元j的流量和單元j流入單元j+ 1的流量，m3/d；Qin,j、Qout,j分別為流入和流出單元j的點(diǎn)源和非點(diǎn)源的總流量，m3/d。

通過式（1）可以求出各斷面的污染物組分濃度，當(dāng)控制斷面水質(zhì)不能達(dá)到要求時(shí)，需考慮生態(tài)補(bǔ)水，基于此，建立如下模型。

式中：W1為年補(bǔ)水總量，m3；wR,i為第i個(gè)月的補(bǔ)水量，m3；win,k,i、wout,k,i分別為第k個(gè)入流（出流）斷面第i個(gè)月的來水量（出流量），m3；cR,i為第i個(gè)月補(bǔ)水的污染物組分濃度，mg/L；cin,k,i、cout,k,i分別為第k個(gè)入流（出流）斷面第i個(gè)月的來水（出流）中的污染物組分濃度，mg/L；c控,i為補(bǔ)水后控制斷面第i個(gè)月的污染物組分濃度，mg/L；Pmax為某一標(biāo)準(zhǔn)下的污染物組分濃度限值。

1.2 生態(tài)流量目標(biāo)

河道需保持一定流量來維持河流形態(tài)和基本生態(tài)功能，防止斷流，即生態(tài)流量[29]。采用Tennant 法來計(jì)算河道生態(tài)流量，從表1中選取擬達(dá)到生態(tài)環(huán)境狀況的流量百分比，作為河流生態(tài)流量的推薦值[30]。河道全年流量均應(yīng)大于生態(tài)流量，若不滿足，則需考慮額外生態(tài)補(bǔ)水，補(bǔ)水量由式（3）模型來確定。

表1 Tennant法計(jì)算不同時(shí)段生態(tài)流量表 %Tab.1 Calculating the monthly ecological flow by Tennant method

式中：Q控,i、Q′控,i為補(bǔ)水前后控制斷面第i個(gè)月的流量；Qmin為河道基本生態(tài)流量，可由Tennant法得出。

1.3 對(duì)補(bǔ)水水源地影響最小目標(biāo)

生態(tài)補(bǔ)水不應(yīng)造成取水水源自身生態(tài)環(huán)境惡化，即應(yīng)首先保證取水水源的生態(tài)流量，同時(shí)應(yīng)盡量減小對(duì)水源地其他用水戶的影響?；诖耍⑷缦履Ｐ停?/p>

式中：QO,i、QOmin分別為補(bǔ)水水源來水量和生態(tài)流量；Qother,i為補(bǔ)水水源供給的其他用水戶總用水流量。

1.4 多目標(biāo)決策模型

綜合式（2）~式（4）建立多目標(biāo)決策模型，目標(biāo)函數(shù)為

約束條件為式（2）~式（4）中的所有約束條件。技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technical route

2 工程實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況

以四川省某一中小河流部分河段為研究區(qū)，水系概化圖見圖2，河段干流全長33.2 km，中間有一支流匯入。沿河兩岸鄉(xiāng)村以養(yǎng)殖業(yè)為主，中小型養(yǎng)殖戶及散養(yǎng)戶禽畜養(yǎng)殖污染、種植業(yè)污染以及農(nóng)村生活污水多隨地表徑流沿溝渠匯入河流或隨農(nóng)田徑流沖刷進(jìn)入河道，面源污染問題嚴(yán)重。同時(shí)沿河各鎮(zhèn)11 個(gè)污水廠的生活及工業(yè)污染物經(jīng)處理后達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)或一級(jí)B 標(biāo)后也排入河道，該河流水質(zhì)較差。加上沿岸河道外工農(nóng)業(yè)和生活引水量日益增加，豐、枯水期水量不平衡，致使枯期流量小，河道生態(tài)功能較弱，兩岸生態(tài)環(huán)境受損，導(dǎo)致全年部分時(shí)段無法維持河流規(guī)劃生態(tài)服務(wù)功能和兩岸生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展。而該條河流出境斷面劃定了III 類水水質(zhì)和生態(tài)流量目標(biāo)，但僅依靠其天然來水無法滿足全年時(shí)段的管控要求，需考慮生態(tài)補(bǔ)水，補(bǔ)水來源為臨近灌區(qū)河流，于河源位置匯入主干流，水源河流來水充足、流量穩(wěn)定、水質(zhì)好。

圖2 研究河段概化圖Fig.2 Generalization of studying stream

2.2 現(xiàn)狀水質(zhì)評(píng)價(jià)及水質(zhì)因子分析

選取初始水質(zhì)因子：溶解氧、CODMn、BOD5、氨氮、總磷，分別評(píng)價(jià)研究河段的入流斷面1~斷面4水質(zhì)，斷面1和斷面3 為入流斷面，斷面2 和斷面4 為控制斷面。評(píng)價(jià)結(jié)果（圖3）表明，支流源頭斷面3 水質(zhì)較好，全年水質(zhì)均在III 類及以上，干流斷面均有一定時(shí)段不滿足管控要求，其中斷面1在2、4、8月水質(zhì)相對(duì)較差（Ⅳ類），不達(dá)標(biāo)污染物因子為氨氮、總磷。斷面2 在4 月超出管控要求，為Ⅳ類，不達(dá)標(biāo)污染物因子為總磷；斷面4 在1-5 月水質(zhì)均不達(dá)標(biāo)，2 月和4 月尤為嚴(yán)重，為V 類，不達(dá)標(biāo)污染物因子為氨氮、總磷。從斷面2 到斷面4水質(zhì)變化較大，可能是由于污水廠8~11排污較多。

圖3 斷面1~4現(xiàn)狀水質(zhì)評(píng)價(jià)Fig.3 Current water quality assessment at sections 1~4

分析對(duì)比各評(píng)價(jià)因子和總評(píng)等級(jí)，找出每月決定總評(píng)等級(jí)的因子作為后續(xù)計(jì)算的關(guān)鍵因子，即圖3 中的“√”所在因子，綜合各斷面的不達(dá)標(biāo)指標(biāo)，可知氨氮和總磷兩個(gè)指標(biāo)對(duì)水環(huán)境影響較大，選取氨氮和總磷為關(guān)鍵因子。

2.3 考慮水質(zhì)目標(biāo)的生態(tài)補(bǔ)水量計(jì)算

以斷面4（出境斷面）為模擬斷面，采用2.2 節(jié)篩選出氨氮和總磷作為QUAL-2K 模型的模擬指標(biāo)，采用相對(duì)誤差δ作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，1-8 月為率定期，9-12 月為驗(yàn)證期，模擬結(jié)果（圖4）表明，率定期和驗(yàn)證期的相對(duì)誤差均在20%以內(nèi)，模擬精度較高。

圖4 QUAL-2K模擬結(jié)果圖Fig.4 QUAL-2K simulation results

按照斷面4 的III 類水控制目標(biāo)，還需額外生態(tài)補(bǔ)水。分別對(duì)于氨氮和總磷指標(biāo)計(jì)算生態(tài)補(bǔ)水流量，取二者最大值作為水質(zhì)目標(biāo)下的補(bǔ)水流量，得出各月補(bǔ)水流量，見表2。當(dāng)斷面4 的水質(zhì)達(dá)到地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的III 類水時(shí)，稀釋總磷污染物所需水量均超過稀釋氨氮污染物所需水量，氨氮和總磷全年所需補(bǔ)水量分別為1 791 萬m3和7 197 萬m3，綜合二者最終取年補(bǔ)水量為7 197 萬m3，其中5 月補(bǔ)水流量最大，為8.1 m3/s，6-12月水質(zhì)已經(jīng)達(dá)標(biāo)，無需額外補(bǔ)水。

表2 斷面4水質(zhì)達(dá)到III類水時(shí)各月補(bǔ)水流量計(jì)算結(jié)果 m3/sTab.2 Results of monthly water refill flow when the water quality of section 4 reaches Class III water

2.4 考慮生態(tài)流量目標(biāo)的生態(tài)補(bǔ)水量計(jì)算

以斷面4（出境斷面）為控制斷面，選擇基本生態(tài)流量對(duì)應(yīng)“非常好”的生態(tài)環(huán)境狀況，即非汛期占同時(shí)段（月）多年年均天然流量的30%，汛期占同時(shí)段多年年均天然流量的50%，Tennant 法計(jì)算每月生態(tài)流量及補(bǔ)水量見表3。4 月、7-12 月已滿足當(dāng)月生態(tài)流量，不需額外補(bǔ)水，其他月份需要生態(tài)補(bǔ)水，全年補(bǔ)水總量為6 808 萬m3，其中，5 月補(bǔ)水流量最大，為8.23 m3/s。

表3 斷面4滿足生態(tài)流量目標(biāo)時(shí)各月的補(bǔ)水流量計(jì)算結(jié)果 m3/sTab.3 Results of monthly water refill flow when section 4 meets the ecological flow target

2.5 對(duì)補(bǔ)水水源地影響最小目標(biāo)的生態(tài)補(bǔ)水量計(jì)算

該河流補(bǔ)水水源為臨近灌區(qū)其他河流，因此補(bǔ)水量的確定還需考慮水源河流的生態(tài)流量，以及水源河流其他用水戶用水情況。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，水源河流多年平均來水流量為38.2 m3/s，生態(tài)基流為3.8 m3/s?？鄢恿髯陨砩鷳B(tài)基流和其他用水戶后，可得出水源河流最多可提供的補(bǔ)水量，見表4。

表4 補(bǔ)水水源可引水量計(jì)算結(jié)果 m3/sTab.4 Calculation results of water diversion from water source

2.6 綜合生態(tài)補(bǔ)水量計(jì)算

綜合水質(zhì)、水量、水源地影響最小三目標(biāo)，按照式（5）計(jì)算出各月份補(bǔ)水流量，見表5 和圖5。計(jì)算結(jié)果表明，1 月可引水量無法滿足生態(tài)流量目標(biāo)，只能按照不影響水源河流的目標(biāo)來引水，除1 月外，其他月份均能同時(shí)滿足3 個(gè)目標(biāo)，2 月、5 月、6 月按照水量目標(biāo)補(bǔ)水，3 月和4 月按照水質(zhì)目標(biāo)來補(bǔ)水，7-12 月不需引水，年最大引水流量為8.23 m3/s，全年引水總量為1.01億m3。圖6為各月份最終補(bǔ)水流量。

表5 綜合補(bǔ)水流量計(jì)算結(jié)果 m3/s Tab.5 Calculation results of the comprehensive water refill flow

圖5 3種目標(biāo)下補(bǔ)水流量對(duì)比圖Fig.5 Comparison diagram of water refill flow under three targets

圖6 各月份綜合補(bǔ)水流量柱狀圖Fig.6 Bar chart of comprehensive water refill flow in each month

3 結(jié) 論

（1）基于QUAL-2K水質(zhì)模型模擬斷面水質(zhì)，Tennant法確定河道生態(tài)流量，構(gòu)建了以水質(zhì)達(dá)標(biāo)、生態(tài)水量達(dá)標(biāo)、對(duì)水源地影響最小為目標(biāo)的多目標(biāo)決策模型。

（2）將模型應(yīng)用于四川省某中小河流，該河流主要污染物因子氨氮和總磷達(dá)到III類水時(shí)，計(jì)算出全年引水量為7 197億m3；生態(tài)流量達(dá)到目標(biāo)時(shí)，全年引水量為6 808萬m3；綜合水源地可引水量，確定補(bǔ)水月份為1-6月，全年引水量為1.01億m3，其中1月補(bǔ)水量略小于生態(tài)流量目標(biāo)所需水量。

（3）生態(tài)補(bǔ)水可以在短期內(nèi)改善水體水環(huán)境，但河流生態(tài)治理與修復(fù)是個(gè)長期的過程，若要使控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，還需與源頭上減小污染物排放、面源污染治理等措施結(jié)合。