考慮水生態(tài)目標(biāo)的月河流域生態(tài)聯(lián)合調(diào)度研究

閆 星,馬永勝

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001)

生態(tài)文明是現(xiàn)階段實現(xiàn)流域經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的主要內(nèi)容?！吨泄仓醒腙P(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標(biāo)的建議》中指出，復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境，達到自我調(diào)節(jié)和平衡狀態(tài)，才能長久地維持和提升流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和質(zhì)量[1-2]。流域不僅是水、大氣、土循環(huán)的最小單元，也是人們生產(chǎn)、生活經(jīng)濟活動場所、生物繁衍生息的重要棲息地，應(yīng)作為生態(tài)文明建設(shè)的基礎(chǔ)單元，突出流域在水生態(tài)安全保護與修復(fù)的整體與系統(tǒng)性。隨著我國生態(tài)文明建設(shè)不斷深入，改善日益惡化的河流生態(tài)環(huán)境，修復(fù)已經(jīng)被破壞的流域生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-5]。曹寶等[6]所定義的生態(tài)流域是在保持流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能健康的前提下，通過制定和實施流域總體規(guī)劃，使流域內(nèi)的一切生產(chǎn)及生活活動與流域生態(tài)系統(tǒng)的承載力相協(xié)調(diào)。在此基礎(chǔ)上，黃強等[7-8]較為系統(tǒng)的構(gòu)建了生態(tài)流域理論系統(tǒng)，并從8個不同維度進行頂層設(shè)計，闡述了生態(tài)流域的定義和內(nèi)涵。保障河道生態(tài)流量成為流域生態(tài)恢復(fù)工作的重點內(nèi)容[9-10]。王浩等[11]分析了生態(tài)流量保障在河湖生態(tài)環(huán)境復(fù)蘇中的重要作用，提出了河湖生態(tài)流量保障路徑與措施建議。

考慮到水體自凈需要一定的時間周期，僅靠天然河流自身恢復(fù)能力難以達到較好的水生態(tài)標(biāo)準。有必要借助流域內(nèi)的工程措施加速河流水生態(tài)復(fù)蘇。水庫作為水資源調(diào)配的關(guān)鍵性工程，在傳統(tǒng)生產(chǎn)、生活供水任務(wù)基礎(chǔ)上，也相繼拓展了流域生態(tài)調(diào)度任務(wù)，生態(tài)調(diào)度逐漸成為學(xué)界研究的重點問題[12-13]。陳進[14]較早地研究了流域生態(tài)調(diào)度，提出要利用有調(diào)節(jié)能力的水庫對流域水資源在時空上合理調(diào)配，其前提是保障流域內(nèi)各類生態(tài)要素基本需求。鄧銘江等[15]建立了水庫群多尺度耦合的生態(tài)調(diào)度多目標(biāo)模型，并在新疆烏倫古河流域取得了較好的實踐效果。許繼軍等[16]探討了適應(yīng)新時期高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的南水北調(diào)水資源配置思路，建議可充分利用東線一期工程現(xiàn)有能力，加大生態(tài)補水力度。

當(dāng)前研究多集中于從水庫生態(tài)調(diào)度單一目標(biāo)角度分析其生態(tài)補水效應(yīng)，往往將生態(tài)調(diào)度目標(biāo)與水庫原供水目標(biāo)割裂甚至對立，未能充分地發(fā)揮水資源綜合利用價值；此外，以往成果的研究范圍多為生態(tài)補水河流或流域某一區(qū)域，缺乏從整個流域尺度系統(tǒng)研究生態(tài)補水問題。而生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水之間應(yīng)處于一種動態(tài)均衡，更利于生態(tài)持續(xù)向好發(fā)展；水生態(tài)問題通常并非孤立存在，其在流域內(nèi)上、下游相互影響，并且與流域內(nèi)水文情勢條件、調(diào)蓄工程布設(shè)格局、經(jīng)濟社會發(fā)展區(qū)位息息相關(guān)。因此，有必要開展流域尺度下，既能保障原有供水、又能充分滿足新增生態(tài)補水的水庫群聯(lián)合生態(tài)調(diào)度研究。

本文以水資源綜合利用為目標(biāo)，結(jié)合月河流域內(nèi)各支流上已建、規(guī)劃的主要水源工程，在確保水庫原有供水目標(biāo)與任務(wù)不受影響的前提下，開展流域水庫群生態(tài)優(yōu)化調(diào)度研究，旨在解決月河流域水資源時空分布不均、干流段生態(tài)水緊缺等關(guān)鍵問題。研究成果對于提升月河干流生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，優(yōu)化區(qū)域水資源配置格局，支撐漢江生態(tài)經(jīng)濟帶高質(zhì)量發(fā)展具有十分重要的理論方法及工程實踐意義。

1 材料與方法

1.1 材料與數(shù)據(jù)

1.1.1 流域及水生態(tài)現(xiàn)狀

月河位于陜西省安康市中部，發(fā)源于秦嶺南麓鳳凰山主峰鐵瓦殿大堰溝，在漢濱區(qū)建民許家臺匯入漢江，流域面積2 830 km2，全長95.2 km。月河多年平均年降水量840 mm～900 mm，降水年際變化較大、年內(nèi)分布不均，4月—9月降水量占全年降水量的85%。

月河川道段為安康市經(jīng)濟社會發(fā)展核心地帶。工業(yè)園區(qū)的快速發(fā)展、人口迅速聚集和工農(nóng)業(yè)用水量增加造成月河干流河道水量減少、河流納污能力降低；同時，干流川道段又是該區(qū)域產(chǎn)業(yè)帶唯一的廢污水承納與排泄通道，由于缺乏系統(tǒng)性治理與保護措施，使得月河成為漢江上游水生態(tài)矛盾較為突出河流[17]。此外，月河流域已建或規(guī)劃主要水源工程基本建于北岸，其中規(guī)模較大的調(diào)蓄工程有觀音河、洞河、恒河和黃石灘水庫，由此構(gòu)成本文生態(tài)聯(lián)合調(diào)度水庫群(見表1)。

表1 月河流域主要水庫工程特征參數(shù)表

水庫工程對月河流域經(jīng)濟社會高速發(fā)展發(fā)揮了支撐保障作用，同時也帶來一定生態(tài)問題，已建或規(guī)劃的眾多調(diào)蓄工程將月河大部分天然徑流攔蓄在主要支流，并且由于歷史原因，原有水庫未能充分泄放生態(tài)流量，造成水庫下游及月河干流徑流持續(xù)減少，加之月河天然徑流過程年內(nèi)變化差異大，造成月河干流徑流情勢日益惡化，特別是枯水期出現(xiàn)較為嚴重的缺水狀況，進一步導(dǎo)致干流水體納污能力降低，中上游部分區(qū)段水質(zhì)變差，威脅到月河沿岸居民生產(chǎn)生活和國家南水北調(diào)中線供水安全。

月河干流主要水文控制站點有位于中游的蒲溪水文站和位于月河口段的長槍鋪水文站。兩座水文站可表征月河流域中、下游區(qū)段的水文情勢變化規(guī)律。如圖1所示。

圖1 月河流域主要水利工程布局圖

1.1.2 基本資料

月河流域水庫群生態(tài)調(diào)度采用的資料主要有：四座水庫工程設(shè)計參數(shù)、入庫徑流資料以及生態(tài)調(diào)度需水資料等。采用2000年5月—2019年4月共10年徑流序列，劃定5月—10月為汛期，11月—次年4月為非汛期。

考慮到月河對區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展支撐性作用及其水生態(tài)現(xiàn)狀，應(yīng)在滿足生態(tài)基流條件下，進一步提升月河水生態(tài)品質(zhì)。因此，本文推薦《河湖健康評價指南》中劃定“良好”與“很好”兩個標(biāo)準，用以確定月河生態(tài)需水量[18]。具體采用Tennant法計算[19]，“良好”標(biāo)準生態(tài)流量年內(nèi)較枯時段選擇多年平均天然流量20%，較豐時段選擇多年平均天然流量40%；“很好”標(biāo)準則分別選取相應(yīng)時段多年平均天然流量30%、50%，由此計算“良好”與“很好”標(biāo)準下月河生態(tài)環(huán)境需水量分別為2.51億m3與 3.35 億m3。

1.2 月河流域水生態(tài)聯(lián)合調(diào)度

1.2.1 框架流程

針對水生態(tài)聯(lián)合調(diào)度涉及關(guān)鍵環(huán)節(jié)及主要步驟，提出了流域水生態(tài)聯(lián)合調(diào)度流程并搭建其研究框架，如圖2所示。

如圖2所示，流域水生態(tài)聯(lián)合調(diào)度研究主要四個步驟：

(1) 從時間與空間維度剖析流域水生態(tài)現(xiàn)狀面臨主要問題，確定河湖健康“良好”與“很好”標(biāo)準下的生態(tài)環(huán)境需水量。

(2) 構(gòu)建聯(lián)合生態(tài)調(diào)度模型，以保障原對象需求與供水標(biāo)準為強約束，盡可能充分滿足生態(tài)需水目標(biāo)，均衡水庫原供水與生態(tài)補水效益。

(3) 實施生態(tài)聯(lián)合調(diào)度，保障流域內(nèi)生產(chǎn)、生活、農(nóng)灌供水基礎(chǔ)上，單一水庫加大生態(tài)下泄量，水庫群發(fā)揮互補性能，提高聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)水資源綜合利用效率。

(4) 評估包含總量與過程兩方面的生態(tài)補水效果，并評價“良好”與“很好”生態(tài)需水滿足狀況，進而分析流域生態(tài)缺水的重點時段與區(qū)段。

1.2.2 模型建立及求解

月河流域水庫群聯(lián)合生態(tài)調(diào)度首先應(yīng)滿足水資源綜合利用的原則，按照各個水庫的供水優(yōu)先次序進行供水，在確保水庫原有供水目標(biāo)與任務(wù)不受影響的前提下，通過優(yōu)化水庫的調(diào)度運行方式，加大月河干流生態(tài)水量，從而盡可能滿足月河干流河湖健康“良好”或“很好”兩個不同等級生態(tài)需求。

圖2 流域水生態(tài)聯(lián)合調(diào)度研究框架圖

(1) 目標(biāo)函數(shù)。以保障河流生態(tài)健康為目標(biāo)，選取生態(tài)缺水量最小作為目標(biāo)函數(shù)，建立面向月河生態(tài)補水的水庫群聯(lián)合生態(tài)調(diào)度模型。

(1)

式中：minΔW為生態(tài)聯(lián)合調(diào)度最小缺水量；Qxs分別表示為生態(tài)需水量，分為“良好”與“很好”兩個等級；Qgs為水庫生態(tài)聯(lián)合調(diào)度補水量；T、t分別為調(diào)度總時段和調(diào)度期內(nèi)不同時段；N、i分別代表聯(lián)合調(diào)度水庫群總個數(shù)及某一水庫。

(2) 約束條件。

1) 原對象供水保障強約束

① 原對象供水保證率約束：

Pgy≥Py

(2)

② 實際供水保證率統(tǒng)計：

(3)

③ 時段滿足供水頻次統(tǒng)計：

(4)

2)水庫調(diào)度運行約束

① 水量平衡約束：

V(i,t+1)-V(i,t)=(I(i,t)-QG(i,t)-

Qx(i,t))·Δt

(5)

② 庫容約束：

Vmin≤V(i,t)≤Vmax

(6)

③ 水位約束：

Zmin≤Z(i,t)≤Zmax

(7)

④ 最大供水量約束：

0≤QG(i,t)≤QGmax

(8)

式中：V(i,t)、I(i,t)、QG(i,t)、Qx(i,t)分別表示水庫i在時段t的實時庫容、入庫流量、原對象供水與生態(tài)補水流量、水庫下泄流量(在滿足生產(chǎn)與生態(tài)供水基礎(chǔ)上)；其中，Vmax與Vmin分別是指水庫在正常運行過程中庫容變化范圍的上、下限；Zmax與Zmin分別是指水庫水位變化范圍上、下限，其中最高值為正常蓄水位(汛限水位)，最低值為死水位；QGmax為水庫對于原對象供水與生態(tài)補水的最大供水能力。

(3) 模型求解。近年來，隨著智能優(yōu)化算法不斷改進，其計算效率日益提高，因此，對于計算模型最值的求解方法也更為成熟[20]。本文選取廣泛應(yīng)用于水資源管理領(lǐng)域的遺傳算法，該方法可適用于求解復(fù)雜多維非線性規(guī)劃問題[21]。算法參數(shù)選擇：種群數(shù)目300個，變異概率0.3，交叉概率0.7，迭代100次。

2 結(jié)果與分析

2.1 原對象供水保障狀況

對于保障生態(tài)環(huán)境水用水，應(yīng)優(yōu)先挖潛本流域內(nèi)部水資源，提高本流域水資源科學(xué)合理開發(fā)，采取統(tǒng)一管理、聯(lián)合調(diào)度等方式盡可能在流域內(nèi)解決。此外，對于一個閉合流域，通常流域所納含的水資源總量較為穩(wěn)定，且該流域內(nèi)水庫工程所具有的調(diào)蓄能力也基本確定，在水源條件與調(diào)蓄能力均顯著提升情況下，聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)增加新的供水對象，勢必會造成原對象與新增對象之間強競爭關(guān)系。本文所提出的流域生態(tài)聯(lián)合調(diào)度，應(yīng)優(yōu)先確保水庫原對象供水，提高水庫(群)聯(lián)合調(diào)度效率，均衡原對象與新增對象之間的博弈關(guān)系，實現(xiàn)水庫多目標(biāo)共同受益。

據(jù)分析計算，維持月河干流生態(tài)環(huán)境“良好”與“很好”標(biāo)準的生態(tài)需水量為25 094萬m3與33 528萬m3；統(tǒng)計月河干流水庫現(xiàn)狀下泄生態(tài)水量為21 616 萬m3；因此，對應(yīng)月河干流生態(tài)環(huán)境“良好”與“很好”標(biāo)準的生態(tài)缺水分別為：3 478萬m3與11 912 萬m3，該缺口即為需要生態(tài)聯(lián)合調(diào)度逐級滿足的目標(biāo)。

生態(tài)聯(lián)合調(diào)度選用了近十年徑流系列，完成月河流域水庫群旬尺度優(yōu)化計算，并統(tǒng)計原對象供水保障情況，如表2所示。

表2 生態(tài)聯(lián)合調(diào)度下原對象供水保障統(tǒng)計表

由表2可見，參與月河流域生態(tài)聯(lián)合調(diào)度的四座水庫，均應(yīng)按照各單庫原設(shè)計批復(fù)的生態(tài)基流下泄，確保各自滿足其生態(tài)基流要求；觀音河、洞河、恒河水庫同時具有生產(chǎn)、生活與農(nóng)業(yè)灌溉供水需求，且其農(nóng)業(yè)灌溉保障標(biāo)準不完全一樣(觀音河水庫為50%、其余三座水庫為75%)；通過生態(tài)聯(lián)合調(diào)度，各水庫均能保障其原對象供水要求，即生產(chǎn)、生活供水保證率都滿足95%標(biāo)準，農(nóng)業(yè)灌溉供水達到各自不同的保證率要求。遵循上述聯(lián)合調(diào)度運行原則，可保障原對象供水標(biāo)準不降低、實現(xiàn)聯(lián)合生態(tài)調(diào)度模型中水庫原對象正常供水強約束。

據(jù)統(tǒng)計，在確保水庫原設(shè)計批復(fù)的生態(tài)基流前提下，生態(tài)聯(lián)合調(diào)度四座水庫合計下泄水量為21 616 萬m3，均低于月河干流生態(tài)環(huán)境“良好”(25 094 萬m3)與“很好”(33 528萬m3)標(biāo)準的生態(tài)需水量。因此，僅靠水庫生態(tài)基流下泄，無法達到月河干流持續(xù)向好生態(tài)目標(biāo)。

2.2 新增生態(tài)目標(biāo)滿足程度

針對月河干流生態(tài)聯(lián)合調(diào)度結(jié)果，首先從總量分析生態(tài)補水效果，水庫生態(tài)聯(lián)合調(diào)度后補充生態(tài)水量合計26 006萬m3，表明月河本流域內(nèi)可最大挖潛生態(tài)環(huán)境水量約為4 390萬m3(長槍鋪斷面)；水庫生態(tài)聯(lián)合調(diào)度補充生態(tài)水量大于“良好”標(biāo)準生態(tài)需水量25 094萬m3，而小于“很好”標(biāo)準生態(tài)缺水量33 528萬m3。因此，在統(tǒng)一調(diào)配管理下，通過水庫群生態(tài)聯(lián)合調(diào)度月河干流可滿足“良好”標(biāo)準生態(tài)目標(biāo)。

其次，分析聯(lián)合生態(tài)調(diào)度過程，繪制生態(tài)聯(lián)合調(diào)度長系列逐月過程，為闡明月河流域水庫群生態(tài)聯(lián)合調(diào)度后的生態(tài)補水效果，以“很好”標(biāo)準生態(tài)環(huán)境需水為目標(biāo)，對比于月河干流現(xiàn)狀實際生態(tài)水運行過程，如圖3所示。

圖3 月河干流現(xiàn)狀實際運行與生態(tài)聯(lián)合調(diào)度生態(tài)水過程對比圖

如圖3所示，月河干流生態(tài)水量在枯水期總體偏少，特別是1月—3月為全年最低值，隨著干流生態(tài)水量持續(xù)加大，且增幅顯著，表明月河干流天然徑流年內(nèi)分配過程差異明顯，豐枯期徑流量變異性較大，難以維持較為穩(wěn)定的月河健康生態(tài)水要求；通過流域內(nèi)水庫群聯(lián)合生態(tài)調(diào)度后，年內(nèi)各月生態(tài)水量均有所增加，生態(tài)補水增量與月河天然徑流量豐枯狀況趨于一致，枯水期生態(tài)補水量較少，豐水期增加較多。其原因在于，聯(lián)合生態(tài)調(diào)度水源均位于月河主要支流，月河干、支流水文情勢相似，豐枯變化基本同步，聯(lián)合生態(tài)調(diào)度對月河干流生態(tài)流量改善過程基本與干流徑流變化規(guī)律一致。

為進一步量化說明聯(lián)合生態(tài)調(diào)度逐月補水效果，以月河干流下游長槍鋪為統(tǒng)計斷面，對比分析其與現(xiàn)狀運行生態(tài)水量之間差異。 結(jié)果如下：

首先，統(tǒng)計現(xiàn)狀運行實際與聯(lián)合生態(tài)調(diào)度各自生態(tài)水量，如圖4所示，聯(lián)合月河流域健康生態(tài)環(huán)境“很好”標(biāo)準需水量為33 528萬m3，現(xiàn)狀下泄生態(tài)水量為21 616萬m3，水庫生態(tài)聯(lián)合調(diào)度后補充生態(tài)水量合計26 006萬m3，生態(tài)水增幅達到20%，改善效果顯著；但仍無法完全滿足月河健康生態(tài)環(huán)境“很好”標(biāo)準需求，主要由于生態(tài)聯(lián)合調(diào)度水量源自其骨干支流水庫下泄，而月河干、支流徑流豐枯變化基本同步，導(dǎo)致支流水庫工程對干流生態(tài)補水條件有限。

圖4 月河干流實際運行與聯(lián)合生態(tài)調(diào)度生態(tài)水量對比圖

其次，聯(lián)合調(diào)度水庫群中各水庫生態(tài)補水能力也有所差異(圖5)，下游黃石灘水庫生態(tài)補水量最大約為1 875萬m3，上游觀音河水庫生態(tài)補水量次之為1 040萬m3，位于中游的洞河水庫與規(guī)劃恒河水庫補水量較小分別為766萬m3與709萬m3。

主要原因有兩方面：其一，月河干流上游與下游區(qū)生產(chǎn)、生活需水較少，現(xiàn)狀用水多集中于農(nóng)業(yè)灌溉等季節(jié)性用水，月河源頭與匯入口水資源開發(fā)利用程度尚低，具備進一步挖潛生態(tài)補水的水資源本底條件；其二，近年來新建的洞河水庫與規(guī)劃恒河水庫為適應(yīng)生態(tài)文明建設(shè)要求，水庫設(shè)計之初已充分扣除河道生態(tài)水量，而觀音河與黃石灘水庫建設(shè)年代較早，鑒于歷史原因，當(dāng)時并未充分考了水庫自身生態(tài)基流要求，聯(lián)合調(diào)度過程中，按水庫下游生態(tài)基流要求增加了生態(tài)水，使得兩水庫生態(tài)補水增量更為明顯。

圖5 月河干流主要水庫工程生態(tài)補水統(tǒng)計圖

最后，分析聯(lián)合生態(tài)調(diào)度后月河干流生態(tài)缺水的時空分布(見圖6)，從生態(tài)補水效果的空間分布看，下游長槍鋪斷面生態(tài)聯(lián)合調(diào)度相比現(xiàn)狀運行生態(tài)水量增加了4 390萬m3，而上游蒲溪斷面生態(tài)調(diào)度增供水量為1 806萬m3，月河干流下游段生態(tài)聯(lián)合調(diào)度生態(tài)增供水量明顯高于上游，上游段生態(tài)缺口依然更為突出，為生態(tài)缺水重點區(qū)域；月河干流生態(tài)水量仍無法足額滿足健康生態(tài)環(huán)境“很好”標(biāo)準，相應(yīng)缺水量達7 522萬m3。從生態(tài)缺水年內(nèi)逐月分布過程看，枯水期1月—3月缺水量明顯高于其他月份，合計為2 804萬m3，約占全年總量四成，其中3月份為年缺水最大月份，缺水量約為1 045萬m3，為生態(tài)缺水重點時段。

圖6 月河干流聯(lián)合生態(tài)調(diào)度后生態(tài)缺水時空分布圖

3 結(jié)論與建議

(1) 月河流域內(nèi)四座主要水庫在保障其生態(tài)基流的運行方式下，實際下泄生態(tài)水量合計為21 616萬m3，無法達到月河干流健康生態(tài)環(huán)境“良好”與“很好”標(biāo)準要求。

(2) 聯(lián)合生態(tài)調(diào)度在滿足原對象供水要求前提下，采取統(tǒng)一調(diào)配管理、優(yōu)化調(diào)度方式，生態(tài)供水量合計26 006萬m3，增幅達20%，且可滿足月河干流健康生態(tài)環(huán)境“良好”要求。

(3) 若要滿足生態(tài)環(huán)境“很好”的較高要求，生態(tài)缺水量仍有7 522萬m3；生態(tài)缺水區(qū)段主要為中上游區(qū)域，缺水時段主要集中于1月—3月。

面對維系國家南水北調(diào)核心水源區(qū)保護、支撐漢江經(jīng)濟帶建設(shè)戰(zhàn)略推進的新形勢，月河水生態(tài)亟需提升，流域內(nèi)主要水源工程生態(tài)聯(lián)合調(diào)度的補水效果較為明顯，但由于月河干、支流徑流豐、枯情勢基本同步，僅靠本流域生態(tài)聯(lián)合調(diào)度難以完全解決月河干流生態(tài)缺水區(qū)段與時段雙重困境。下階段，可在進一步加大月河“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”生態(tài)文明建設(shè)基礎(chǔ)上，提高流域內(nèi)水資源集約節(jié)約利用能力，研究從外流域調(diào)水的可能性與可行性。