河流健康評(píng)價(jià)預(yù)警耦合模型在東苕溪流域的應(yīng)用

柯斌樑，曾國(guó)熙，陳革強(qiáng)

（浙江省水文局，浙江杭州310009）

河流健康評(píng)價(jià)預(yù)警耦合模型在東苕溪流域的應(yīng)用

柯斌樑，曾國(guó)熙，陳革強(qiáng)

（浙江省水文局，浙江杭州310009）

以河流健康評(píng)價(jià)理論為基礎(chǔ)，針對(duì)東苕溪流域?qū)嶋H特點(diǎn)，提出建立東苕溪流域水動(dòng)力學(xué)模型、水質(zhì)模型，計(jì)算河流納污能力；建立河流健康評(píng)價(jià)模型，在兩者基礎(chǔ)上構(gòu)建河流健康預(yù)警耦合模型。通過(guò)模型計(jì)算得到定量化的評(píng)價(jià)指數(shù)，為后續(xù)的河流健康建設(shè)與管理提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。

河流健康；評(píng)價(jià)預(yù)警；耦合模型；東苕溪

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，中國(guó)生態(tài)與環(huán)境形勢(shì)日益嚴(yán)峻，改善生態(tài)環(huán)境，修復(fù)污染水體，恢復(fù)優(yōu)美自然景觀，協(xié)調(diào)水資源開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)保護(hù)之間關(guān)系，成為擺在各級(jí)政府部門面前的一項(xiàng)重要任務(wù)，也是浙江省“五水共治”治污水的重點(diǎn)內(nèi)容之一。河流健康是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的標(biāo)志，河流管理水平對(duì)城市生態(tài)功能的改善以及城市生活舒適度有重大影響。

東苕溪是杭州市境內(nèi)的重要供水河道，其水質(zhì)的好壞影響到杭州、湖州及杭嘉湖平原約500萬(wàn)人的生產(chǎn)生活用水，同時(shí)也在防洪、灌溉、航運(yùn)等多方面直接影響著杭州市的可持續(xù)發(fā)展。因此，進(jìn)行東苕溪河流健康評(píng)估及生態(tài)整治方面的研究，對(duì)杭州市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的和諧發(fā)展有著十分重要的意義。

2 流域概況

2.1 自然地理

東苕溪發(fā)源于臨安縣東天目山北麓，東流經(jīng)臨安、余杭、德清，至湖州市西郊與西苕溪匯合后注入太湖，干流長(zhǎng)151km，流域面積2 354.9 km2，平均坡降7.5‰。流域介于東經(jīng)119°30′～120°10′、北緯30°08′～30°52′，地勢(shì)自西南向東北傾斜，西南部為天目山區(qū)，山高坡陡，東北部為低山丘陵區(qū)。東苕溪以東為杭嘉湖平原，地勢(shì)低平，河流縱橫交錯(cuò)。

2.2 河流健康存在的主要問(wèn)題

（1）東苕溪上游屬于山區(qū)，源短流急，洪水暴漲暴落；下游太湖湖水倒灌，排水不暢。同時(shí)，人們對(duì)河流進(jìn)行了各種方式的改造和利用，興建各類水利工程，較大地改變了河流的自然屬性，使河流生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化，河流服務(wù)功能下降，威脅到人類供水、防洪等公共安全。

（2）城市化進(jìn)程的加快使得東苕溪河道堤防部分被固化，破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性，水生生物資源銳減，直接威脅到河流的永續(xù)利用，使河流凈化、調(diào)蓄等功能減弱。

（3）東苕溪下游屬于平原河網(wǎng)地帶，本身水體流動(dòng)性低，自凈能力弱，再加上經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，水污染問(wèn)題突出、湖水倒灌、運(yùn)河水倒灌、東苕溪上游干流的工農(nóng)業(yè)生活和養(yǎng)殖污染也加劇了下游水的污染狀況。

3 體系構(gòu)成

3.1 流域納污能力計(jì)算

3.1.1 軟件模塊組成

MIKE11是動(dòng)態(tài)模擬一維河流水力的一款應(yīng)用軟件，具有很強(qiáng)的模擬能力，為河流水動(dòng)力和環(huán)境模擬提供功能強(qiáng)大和較全面的方法。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外很多次成功的應(yīng)用驗(yàn)證，運(yùn)用MIKEl1可以設(shè)計(jì)、管理和運(yùn)行河流系統(tǒng)。MIKEl1模塊主要包括水動(dòng)力模塊、結(jié)構(gòu)物操作模塊、降雨徑流模塊、非黏性泥沙輸運(yùn)模塊、污染負(fù)荷計(jì)算模塊、對(duì)流擴(kuò)散模塊等[1，2]。MIKE21近年也有較多應(yīng)用，但其屬大范圍平面二維數(shù)學(xué)模型，不適用于近區(qū)三維或急流等問(wèn)題，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的要求也復(fù)雜得多[3]。本次采用MIKE11的HD水動(dòng)力模塊和AD對(duì)流擴(kuò)散模塊。

（1）HD模塊（Hydrodynamic module）。其主要功能有：求解明渠流完全非線性圣維南方程；包括擴(kuò)散波和動(dòng)力波簡(jiǎn)化方程；包含一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)程序用于長(zhǎng)期模擬的快速計(jì)算；包含馬斯京根法和改進(jìn)馬斯京根法，用于簡(jiǎn)化的河道演算自動(dòng)匹配次臨界流和超臨界流計(jì)算；模擬多種水工建筑物，包括堰、箱涵、橋梁和自定義建筑物；運(yùn)行洪水控制和閘、泵等水庫(kù)構(gòu)筑物。

（2）AD模塊（Advection Dispersion module）。AD模塊是依據(jù)溶解物或懸浮物的對(duì)流擴(kuò)散方程建立起來(lái)的。其主要功能有：求解溶解物或懸浮物的一維對(duì)流擴(kuò)散方程；精確計(jì)算較大濃度梯度；模擬黏性泥沙的侵蝕和沉積。

3.1.2 水質(zhì)模擬分析

通過(guò)河網(wǎng)概化、斷面選擇、初始條件及邊界條件設(shè)定、河網(wǎng)糙率參數(shù)率定等步驟建立河流水動(dòng)力學(xué)模型。基于本文研究河段水流較長(zhǎng)、斷面復(fù)雜的特點(diǎn)，充分考慮河道沿程變化，在已有資料的基礎(chǔ)上盡量取較多的河段，以準(zhǔn)確地反映河道沿程變化和過(guò)水能力。選定水質(zhì)模型的主要水質(zhì)指標(biāo)為BOD5、COD、DO、TP、TN5項(xiàng)，其生化反應(yīng)按一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程描述。應(yīng)用河道觀測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，使模擬結(jié)果能較好地反映河段的自然特性。

擬定幾種典型的工程狀況，應(yīng)用建立的水動(dòng)力學(xué)模型、水質(zhì)模型，對(duì)東苕溪主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行模擬分析，計(jì)算納污能力。

3.2 河流健康評(píng)價(jià)

3.2.1 評(píng)價(jià)理論基礎(chǔ)

河流與健康相結(jié)合是可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)價(jià)值進(jìn)步的必然結(jié)果，維持河流健康已成為河流管理的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。河流健康概念尋求利用生物或生態(tài)評(píng)價(jià)方法來(lái)完善傳統(tǒng)的物理-化學(xué)評(píng)價(jià)方法。河流具有完整的生態(tài)功能，這些功能和用途與水力學(xué)、水文學(xué)、水質(zhì)、生態(tài)學(xué)等方面都有關(guān)，因此需要采用一定的指標(biāo)和方法來(lái)監(jiān)測(cè)河流的各個(gè)方面，即從多角度來(lái)評(píng)估河流的健康狀況，從而提供對(duì)整治、管理有用的信息。河流管理的目標(biāo)就是改善受損河流的健康狀況，保護(hù)健康河流，從而滿足人們持續(xù)的環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)需要。建立指標(biāo)體系進(jìn)行河流健康狀況評(píng)價(jià)，有助于提高河流管理質(zhì)量，不僅可以揭示河流生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，還提供了將不同河流進(jìn)行比較的基準(zhǔn)，同時(shí)還可以評(píng)估受損河流生態(tài)恢復(fù)的成效，從而提高管理決策能力[4-6]。

3.2.2 評(píng)價(jià)模型

在河流健康概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合東苕溪河流的功能和屬性，分別對(duì)指標(biāo)體系、指標(biāo)權(quán)重、評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析與研究[7，8]，并建立河流健康評(píng)價(jià)模型。運(yùn)用評(píng)價(jià)模型對(duì)東苕溪流域河流進(jìn)行健康評(píng)價(jià)，確定河流管理的目標(biāo)和可能的瓶頸問(wèn)題，為后續(xù)開(kāi)展的河流健康實(shí)時(shí)預(yù)警提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。

（1）指標(biāo)體系構(gòu)建。評(píng)價(jià)指標(biāo)是綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，指標(biāo)確定的是否合理對(duì)于后續(xù)的評(píng)價(jià)工作有決定性的影響。本次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為3層，分別為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。在指標(biāo)選取上，遵循系統(tǒng)性、典型性、可度量性和獨(dú)立性的原則。在指標(biāo)篩選上，選用主成分分析方法。東苕溪河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)確定為自然功能和社會(huì)功能兩個(gè)方面，含生態(tài)基流量、基礎(chǔ)水位、水體質(zhì)量、輸沙量、生態(tài)環(huán)境影響因子、水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、河體演變、城鎮(zhèn)供水保證率8個(gè)指標(biāo)。

（2）指標(biāo)權(quán)重賦值。指標(biāo)的權(quán)重分主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，主觀權(quán)重是決策分析者對(duì)指標(biāo)的重視程度，客觀權(quán)重是指標(biāo)本身所包含信息的大小。各種賦權(quán)方法都有不同的特點(diǎn)和適用范圍，在對(duì)指標(biāo)重要性缺乏深入了解的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用客觀權(quán)重法。本次選取的權(quán)重賦值方法為熵值法。

（3）評(píng)價(jià)方法選擇。由于評(píng)價(jià)方法各有優(yōu)點(diǎn)，筆者對(duì)灰色關(guān)聯(lián)度法、模糊物元評(píng)價(jià)法、投影法等進(jìn)行比較分析選取合適的評(píng)價(jià)方法。

（4）模型建立及應(yīng)用。評(píng)價(jià)模型的建立堅(jiān)持系統(tǒng)性與層次性相結(jié)合的原則。流域河流的健康是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，它由不同層次、不同要素組成，根據(jù)各層次、各要素之間的特點(diǎn)及相互關(guān)系，可以把流域復(fù)合系統(tǒng)劃分為若干個(gè)相互聯(lián)系又相互獨(dú)立的子系統(tǒng)。這些具體體現(xiàn)在不同河段計(jì)算分區(qū)、不同評(píng)價(jià)準(zhǔn)則指標(biāo)的設(shè)定上。同時(shí)，評(píng)價(jià)模型的建立堅(jiān)持動(dòng)態(tài)性與靜態(tài)性相結(jié)合的原則。作為一個(gè)系統(tǒng)，河流健康是不斷變化的，這要求對(duì)不同工況、不同時(shí)期河流健康狀況也要進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.3 河流健康實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)

3.3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

河流健康的預(yù)警包含3層含義：①整體健康預(yù)警。在河流健康評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，確定河流健康等級(jí)，以此建立河流開(kāi)發(fā)利用閥值和河流生態(tài)系統(tǒng)退化閥值，前者約束人類開(kāi)發(fā)利用河流的行為，后者為人們保護(hù)河流生態(tài)提供預(yù)警。②水功能區(qū)的“面”預(yù)警。在水質(zhì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)超出目標(biāo)水質(zhì)的水功能區(qū)進(jìn)行報(bào)警。③突發(fā)水污染事件的“點(diǎn)”預(yù)警。當(dāng)發(fā)生污染事件時(shí)，某處點(diǎn)源或面源污染濃度加大，如超出納污能力進(jìn)行報(bào)警。

東苕溪河流健康實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)主要分為兩大部分，一是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，二是數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)。

（1）利用現(xiàn)有可能影響河流健康的水利、供水、環(huán)保等各部門所有的監(jiān)測(cè)站網(wǎng)并加以優(yōu)化，在最大程度上實(shí)現(xiàn)流量、水位、水質(zhì)等監(jiān)測(cè)資料共享，實(shí)現(xiàn)真正意義上的水資源質(zhì)量同步監(jiān)測(cè)，建立水量、水質(zhì)信息采集系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)展現(xiàn)的是從數(shù)據(jù)平臺(tái)接收到數(shù)據(jù)以后進(jìn)行解碼入庫(kù)，同時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)提供各種系統(tǒng)服務(wù)，一般有Web服務(wù)、GIS服務(wù)、預(yù)警服務(wù)等。

3.3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

東苕溪河流健康實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)主要包括預(yù)警展示平臺(tái)和短信平臺(tái)2個(gè)子系統(tǒng)，從功能上設(shè)計(jì)為6大主要模塊，分別為首頁(yè)信息展示模塊、查詢分析模塊、地圖監(jiān)視預(yù)警模塊、移動(dòng)短信發(fā)送模塊、水量水質(zhì)參數(shù)過(guò)程表達(dá)模塊和系統(tǒng)后臺(tái)管理維護(hù)模塊。系統(tǒng)功能框架，如圖1所示。

該系統(tǒng)在保證水雨情數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和有效性的前提下，能夠提供可視化的GIS圖形操作界面，實(shí)現(xiàn)水量、水質(zhì)信息的分級(jí)顯示與標(biāo)注，能查詢各個(gè)不同時(shí)段不同站點(diǎn)的水量、水質(zhì)信息，實(shí)現(xiàn)水量、水質(zhì)信息的圖形化表達(dá)等功能，并采用三維虛擬仿真技術(shù)，結(jié)合水質(zhì)模擬和河流健康評(píng)價(jià)，最終為相關(guān)部門提供決策依據(jù)。

圖1 系統(tǒng)功能框架

3.4 耦合技術(shù)路線

本研究以河流健康理論為指導(dǎo)，主要內(nèi)容包括東苕溪流域納污能力研究、東苕溪河流健康評(píng)價(jià)體系研究、東苕溪河流健康實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)。在對(duì)水量、水質(zhì)、河道地形、污染源分布和排放等信息全面調(diào)查、監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，建立東苕溪流域水動(dòng)力學(xué)模型、水質(zhì)模型，計(jì)算得到符合實(shí)際的、科學(xué)合理的東苕溪流域納污能力；建立包括指標(biāo)體系、指標(biāo)權(quán)重、評(píng)價(jià)方法的河流健康評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)得到定量化的東苕溪健康評(píng)價(jià)指數(shù)；河流健康實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)采集信息數(shù)據(jù)，結(jié)合納污能力計(jì)算和健康評(píng)價(jià)計(jì)算，運(yùn)用三維虛擬仿真技術(shù)，提供實(shí)時(shí)預(yù)警，為流域水資源管理提供先進(jìn)的管理方法和管理工具。耦合模型各部分研究任務(wù)及相互關(guān)系，如圖2所示。

圖2 耦合模型各部分研究任務(wù)及相互關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

河流健康反映的是在河流生命存在期人類對(duì)其功能發(fā)揮的認(rèn)可程度，因此健康河流是指在相應(yīng)時(shí)期內(nèi)自然功能與社會(huì)功能均衡發(fā)揮的河流。當(dāng)前河流生態(tài)系統(tǒng)不斷受到人類活動(dòng)的干擾和損害，在河流治理、開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)的同時(shí)，開(kāi)展河流健康評(píng)價(jià)、預(yù)警和河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)研究，變河流治理為河流修復(fù)是非常必要的。筆者對(duì)東苕溪的河流健康評(píng)價(jià)預(yù)警體系建設(shè)進(jìn)行了初步探索，對(duì)恢復(fù)和維持東苕溪流域健康的河流生態(tài)系統(tǒng)做了某些嘗試，將有助于提高河流管理能力以及有效性，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和河流的可持續(xù)管理發(fā)揮有助推作用。

[1]陳棟.三峽水庫(kù)非汛期水動(dòng)力及水質(zhì)模擬研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.

[2]勞國(guó)民.納污能力計(jì)算一維模型中各參數(shù)的敏感性分析[J].浙江水利科技，2003，（2）：18-19.

[3]袁雄燕，徐德龍.丹麥MIKE21模型在橋渡壅水計(jì)算中的應(yīng)用研究[J].人民長(zhǎng)江，2006，（4）：31-32，52.

[4]王健，王生云.浙江省河流健康現(xiàn)狀與成因研究[J].經(jīng)濟(jì)研究導(dǎo)刊，2012，（1）：137-139.

[5]高永勝，王浩，王芳.河流健康生命評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建[J].水科學(xué)進(jìn)展，2007，（2）：252-257.

[6]單媛媛，李瑞，張駿芳，等.平原河網(wǎng)地區(qū)河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2010，（4）：17-19.

[7]曾國(guó)熙，裴源生，梁川.流域水資源合理配置評(píng)價(jià)理論及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J].海河水利，2006，（4）：35-39，46.

[8]孫雪嵐，胡春宏.河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系初探[J].泥沙研究，2008，（4）：21-27.

Study on the Coupled Model of River Health Evaluation and Early Warning in Dongtiaoxi Basin

KE Bin-liang，ZENG Guo-xi，CHEN Ge-qiang
（Hydrology bureau of Zhejiang Province，Hangzhou 310009，China）

The river health evaluation theory as the theoretical basis，according to the actual characteristics of the Dongtiaoxi River，proposed the establishment of the Dongtiaoxi river hydrodynamic model and water quality model，for calculating the river water environmental capacity；establishment of river health evaluation model，then we build the river health warning coupled model based on the two aspects.Quantitative evaluation index is calculated by the model，provides the data support and decision-making basis for the construction and management of the river health.

river health；evaluation and early warning；coupled model；Dongtiaoxi Basin

TV213.4；X824

A

1004-7328（2014）04-0050-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.04.018

2014-05-09

柯斌樑（1966-），男，高級(jí)工程師，主要從事水文水資源研究與管理工作。