水量?jī)?yōu)化調(diào)度對(duì)水系連通性的影響分析

郭亞萍，李 丹，曹 濱，張 帥，林洪孝，王 剛(.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 708；.泰安市大汶河閘壩管理所，山東 泰安 7000)

水系連通對(duì)于河流水質(zhì)凈化、防洪排澇以及增加區(qū)域調(diào)蓄和水生態(tài)環(huán)境承載能力等均具有至關(guān)重要的作用。水系連通性的影響因素較多，隨著城市化進(jìn)程不斷加劇，人類高強(qiáng)度的活動(dòng)使流域內(nèi)河流出現(xiàn)不同程度的河床淤積、河道堵塞等問(wèn)題，直接危害了河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)，影響了河流連通性作用的發(fā)揮[1]。孟慧芳的研究中也表明城市化進(jìn)程加劇導(dǎo)致河網(wǎng)水系中尤其是低等級(jí)河道的減少,可降低河流的連通性，此外相關(guān)研究[2]中還表明雨量特征、土地利用狀況以及流域地形等均對(duì)水系連通性具有一定的影響。由于在河流的綜合開發(fā)治理過(guò)程中，修建水庫(kù)、閘壩是普遍采用且較為有效工程措施，人為調(diào)節(jié)了水流時(shí)間，改變了水量空間分布，而相關(guān)研究[3-5]也表明對(duì)水庫(kù)、閘壩水量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度可以改善流域內(nèi)河流的健康狀況，因此探究水量調(diào)度對(duì)水系連通性的影響具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

本研究根據(jù)泗河流域水利工程規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目中存在的水庫(kù)、閘壩較多，為滿足城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)補(bǔ)水等要求，需對(duì)區(qū)域內(nèi)水量進(jìn)行調(diào)度的實(shí)際問(wèn)題，擬探討以上下游水資源損失最小、最大化攔蓄水量為目標(biāo)，保證河流水流暢通的前提下，研究對(duì)庫(kù)區(qū)及閘壩范圍內(nèi)水量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度時(shí)，能否對(duì)泗河流域內(nèi)河流水系連通性起到一定的積極作用。

1 研究區(qū)概況

泗河流域發(fā)源于山東省新泰市太平頂，流經(jīng)新泰、泗水、曲阜、兗州、鄒城、高新區(qū)、太白湖新區(qū)、微山，入南陽(yáng)湖，是南四湖湖東最大入湖河流。流域面積2 357 km2，全長(zhǎng)159 km。流域內(nèi)現(xiàn)有水利工程(圖1)中大型水庫(kù)1座，中型水庫(kù)4座，攔河閘壩25座(現(xiàn)有閘壩11座，規(guī)劃新建閘壩14座)。目前，泗河流域已修建了一系列以蓄、引、防洪等為目的水利工程，雖然發(fā)揮了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益作用，但流域內(nèi)河流遭受人工干擾嚴(yán)重，水質(zhì)惡化，河流生態(tài)環(huán)境遭到破壞，降低了流域內(nèi)河流水系的連通性，嚴(yán)重阻礙了泗河流域的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 泗河流域攔河閘壩分布圖Fig.1 Distribution of Brake and dam on Sihe river basin

2 研究方法

2.1 水量?jī)?yōu)化調(diào)度方案

步驟一：基于泗河流域內(nèi)主干流5庫(kù)25閘的分布特點(diǎn)及斷面狀況等因素，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)，以期實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)梯級(jí)閘壩(水庫(kù))攔蓄水量最大化。目標(biāo)函數(shù)為：

(1)

式中：g(i，t)表示第i個(gè)水利樞紐在t時(shí)段的攔蓄水量。

步驟二：在滿足泗河流域?qū)嶋H用水量需求的前提下，通過(guò)水量平衡約束方程對(duì)流域內(nèi)攔蓄水量進(jìn)行調(diào)度概算。

水量平衡方程：

Vi,t+1=Vi,t+Ii,t+1-(WUi,t+1+WEi,t+1+WAi,t+1+

Wi其他,t+1)-Wi損,t+1-OUTi棄,t+1

(2)

式中：Vi,t+1，Vi,t分別為第i個(gè)水利樞紐在t時(shí)段初、末的蓄水容積，m3；Ii,t+1為t時(shí)段i水利樞紐的來(lái)水量，m3；WUi,t+1為t時(shí)段i水利樞紐的調(diào)出水量，m3；WEi,t+1為t時(shí)段i水利樞紐的生態(tài)補(bǔ)水量，m3；WAi,t+1為t時(shí)段i水利樞紐的農(nóng)業(yè)灌溉用水量，m3；Wi其他,t+1為t時(shí)段i水利樞紐的其他用水量，m3；Wi損,t+1為t時(shí)段i水利樞紐的損失水量，m3；OUTi棄,t+1為t時(shí)段i水利樞紐的棄水量，m3。

在進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度計(jì)算過(guò)程中需同時(shí)滿足以下約束條件：變量非負(fù)、狀態(tài)約束、水量連續(xù)。其中狀態(tài)約束是指庫(kù)壩時(shí)段末庫(kù)容應(yīng)大于或者等于死庫(kù)容，并且小于或者等于興利庫(kù)容，以滿足徑流調(diào)節(jié)、水庫(kù)供水量的要求；水量連續(xù)主要是保證河流水量流動(dòng)的連續(xù)性，并將上一級(jí)水庫(kù)(閘壩)的生態(tài)補(bǔ)水量及棄水量作為下一級(jí)閘壩的來(lái)水量。

2.2 連通性指標(biāo)的選取

目前，對(duì)于水系連通性的內(nèi)涵尚沒(méi)有系統(tǒng)規(guī)范的定義，長(zhǎng)江水利委員會(huì)編寫的《維護(hù)健康長(zhǎng)江，促進(jìn)人水和諧研究報(bào)告》中[6]，將水系連通性定義為：河道干支流、湖泊及其他濕地等水系的連通情況，反應(yīng)水流的連通性和水系的連通狀況。在此基礎(chǔ)上，張歐陽(yáng)[7]等人認(rèn)為水系連通性就是要滿足兩個(gè)基本因素：一是要有能滿足一定需求的保持水流運(yùn)動(dòng)的水量；二是要有水流的連接通道。本研究在借鑒相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，按照河湖水系的功能和作用選取水資源開發(fā)利用率和本地水資源供需比來(lái)表示資源調(diào)配型連通性，選取水質(zhì)指標(biāo)和水質(zhì)達(dá)標(biāo)率來(lái)表示生態(tài)修復(fù)型連通性，選取特大洪水來(lái)水量與蓄水能力之比來(lái)表示災(zāi)害防御型連通性[8,9]，并根據(jù)山東省水利廳《山東省水資源保護(hù)規(guī)劃技術(shù)大綱》選取縱向連通性指標(biāo)和橫向連通性指標(biāo)作為評(píng)價(jià)泗河流域內(nèi)河流結(jié)構(gòu)連通性影響的依據(jù)。

(1)功能連通性指標(biāo)。

①資源調(diào)配型指標(biāo)：水資源開發(fā)利用率，反映研究區(qū)水資源開發(fā)利用程度，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，若水資源開發(fā)利用率大于60%，則該地區(qū)的水資源開發(fā)利用程度較高，可進(jìn)一步開發(fā)利用的潛力較小。本地水資源供需比，反映本地缺水程度。

(3)

(4)

②生態(tài)修復(fù)型指標(biāo)：采用EC(電導(dǎo)率)、五日生化需氧量、化學(xué)需氧量和高錳酸鉀指數(shù)來(lái)反映研究區(qū)水質(zhì)狀況。采用水質(zhì)達(dá)標(biāo)率來(lái)反映水功能區(qū)水質(zhì)的總體狀況。

(5)

③災(zāi)害防御型指標(biāo)：特大洪水來(lái)水量與蓄水能力之比，反映區(qū)域內(nèi)水庫(kù)、分滯洪區(qū)等水利工程泄洪能力大小。指標(biāo)越小，則抵御洪水的能力越強(qiáng)。

(6)

(2)結(jié)構(gòu)連通性指標(biāo)。縱向連通性是指在河流系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)元素在空間結(jié)構(gòu)上的縱向聯(lián)系，橫向連通性指具有連通性的水面面積、長(zhǎng)度占統(tǒng)計(jì)的水面總數(shù)之比。計(jì)算公式如下：

W=N/L

(7)

式中：W是指縱向連通性系數(shù)；N指河流的斷點(diǎn)(或節(jié)點(diǎn))等障礙物數(shù)量(如閘、壩等，已有過(guò)魚設(shè)施的閘壩不在統(tǒng)計(jì)范圍之列)；L指連續(xù)河流的有效長(zhǎng)度，縱向連通性系數(shù)越大，河流連通性越差。

C=A2/A1

(8)

式中：C指橫向連通性系數(shù)；A1指流域內(nèi)河流水面總面積；A2指流域內(nèi)連通性河流的水面有效面積，橫向連通性指標(biāo)越大，河流連通性狀況越好。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 攔蓄水狀況分析

根據(jù)方案，首先對(duì)各閘壩水庫(kù)通過(guò)截流雨洪水量實(shí)現(xiàn)攔蓄水量最大化，然后對(duì)水量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。結(jié)果表明，通過(guò)水量調(diào)度后蓄水情況(多年平均值)可知，豐水年各梯級(jí)閘壩年內(nèi)完全蓄滿的月份有7.3個(gè)月，占60.6%；部分蓄滿為3.9個(gè)月，占32.2%，表明豐水年各級(jí)攔河閘壩蓄水狀態(tài)均達(dá)到最佳。平水年內(nèi)各梯級(jí)閘壩蓄水表現(xiàn)為年內(nèi)完全蓄滿的月份為5.5個(gè)月，占45.8%；部分蓄滿為5.6個(gè)月，占46.6%，表明平水年各級(jí)攔河閘壩能夠達(dá)到良好的蓄水狀態(tài)。枯水年各梯級(jí)閘壩年內(nèi)完全蓄滿的月份為3.0個(gè)月，占25%；部分蓄滿為9.0個(gè)月，占75%，表明枯水年各級(jí)攔河閘壩蓄水狀況差；通過(guò)多年平均蓄水狀況可知，總體年內(nèi)完全蓄滿的月份為5.3個(gè)月，占44.5%；部分蓄滿為5.3個(gè)月，占44.5%，各閘壩蓄水狀況不一，黃陰集閘蓄水狀態(tài)最佳，完全蓄滿的月份占8.3個(gè)月，書院壩作為非汛期外調(diào)水功用壩，完全蓄滿的月份為1.8個(gè)月；金口壩承擔(dān)城市供水任務(wù)，年內(nèi)完全蓄滿月份僅為0.4個(gè)月，但部分蓄滿月份為9.9個(gè)月，占82.5%，表現(xiàn)為較好的蓄水狀態(tài)。總體上，最大化攔蓄水量增加了流域內(nèi)可用水資源量，泗河流域50%總可供水量增加了4 270 萬(wàn)m3，75%總可供水量增加了3 806 萬(wàn)m3，95%總可供水量增加了3 109 萬(wàn)m3，泗河流域內(nèi)可用水資源總量明顯增加(圖2)。

3.2 水量?jī)?yōu)化調(diào)度對(duì)水系連通性的影響分析

(1)對(duì)功能連通性的影響分析。通過(guò)計(jì)算分析各功能性指標(biāo)，得到研究區(qū)水量?jī)?yōu)化調(diào)度前后的功能性特性(表1)。

水資源開發(fā)利用率降低，本地水資源供需比提高。水資源總量由規(guī)劃調(diào)度前的15 310 m3，增加到規(guī)劃調(diào)度后的20 680m3。隨著水資源總量的增加，水資源開發(fā)利用率也由原來(lái)的34.7%，減少到25.7%，水資源開發(fā)利用潛力較大。現(xiàn)狀水平年75%頻率的供需比為0.857，優(yōu)化調(diào)度后，75%頻率的供需比變?yōu)?.903，水資源短缺狀況有所緩解。

圖2 泗河流域水利工程供水量成果Fig.2 Water supply of water conservancy projects on Sihe river basin

表1 水量?jī)?yōu)化調(diào)度前后功能連通性特征變化Tab.1 Change of functional connectivity features before and after the water optimization of scheduling

水質(zhì)狀況有所改善。在我國(guó)，目前對(duì)于河流保護(hù)的主要工作是水質(zhì)的恢復(fù)[10]。基于聯(lián)合調(diào)度改善水質(zhì)狀況在我國(guó)大流域內(nèi)也有成功的應(yīng)用[11,12]。在泗河流域內(nèi)進(jìn)行水量?jī)?yōu)化調(diào)度可增加流域內(nèi)河流的連通性，有助于增強(qiáng)水流的自凈能力與納污能力[13]，達(dá)到改善水質(zhì)的效果。同時(shí)，通過(guò)對(duì)流域內(nèi)相關(guān)庫(kù)區(qū)閘壩進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)表明(圖4)，在豐水期各水質(zhì)指標(biāo)明顯低于枯水期，這可能是由于河道內(nèi)河水水量與流速增加[14]，在污染物數(shù)量穩(wěn)定的前提下，由于水體的稀釋作用，增加了水體的環(huán)境容量與自凈能力[15]，降低水質(zhì)的污染狀況，郭巍[16]通過(guò)分析COD、NH3-N等與水量的相關(guān)關(guān)系得出，隨著干流流量增加，河段中COD、NH3-N等污染物濃度會(huì)有一定程度的下降，與本研究結(jié)果相符。通過(guò)對(duì)水量調(diào)度前后泗河流域總可供水量進(jìn)行比對(duì)表明，泗河流域50%總可供水量增加了4 270 萬(wàn)m3，75%總可供水量增加了3 806萬(wàn)m3，95%總可供水量增加了3 109 萬(wàn)m3，泗河流域內(nèi)水用水資源總量明顯增加。劉韜[17]在綜述總結(jié)認(rèn)為，資源具有質(zhì)、量二重性，二者相互影響；徐斌等[15]研究表明，地表水資源量對(duì)水質(zhì)具有決定性影響。因此可以認(rèn)為，水量調(diào)度前后，泗河流域河流水質(zhì)將得到改善，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率也由優(yōu)化調(diào)度前的90%預(yù)計(jì)達(dá)到規(guī)劃調(diào)度后的100%。

圖3 泗河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果Fig.3 Results of water quality monitoring on Sihe river basin

抵御洪水的能力大大增加。隨著泗河流域水利樞紐的的規(guī)劃與建設(shè)以及水量的優(yōu)化調(diào)度，水利工程最大蓄水量由原來(lái)的45 301 萬(wàn)m3增加到49 447 萬(wàn)m3，所以特大洪水來(lái)水量與蓄水能力之比也由原來(lái)的8.39減少到了7.68，說(shuō)明泗河流域?qū)Φ钟樗哪芰τ兴鰪?qiáng)。

(2)對(duì)結(jié)構(gòu)連通性的影響分析。本研究在借鑒相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，從河流縱向連通性與橫向連通性的角度，對(duì)泗河流域內(nèi)通過(guò)水量?jī)?yōu)化調(diào)度后的河流連通性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：優(yōu)化調(diào)度前泗河河流的斷點(diǎn)(或節(jié)點(diǎn))等障礙物數(shù)量為963座(如閘、壩等，已有過(guò)魚設(shè)施的閘壩不在統(tǒng)計(jì)范圍之列)，考慮到水量不足導(dǎo)致的個(gè)別小型支流斷流，經(jīng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)不斷流河流的長(zhǎng)度384.6 km，由公式(7)計(jì)算得縱向連通性系數(shù)為2.50；優(yōu)化調(diào)度調(diào)整后前泗河河流的斷點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)等障礙物數(shù)量為977座(規(guī)劃新增14座橡膠壩)，經(jīng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)連續(xù)河流的長(zhǎng)度387.3 km，泗河縱向連通性系數(shù)為2.52，而縱向連通性指標(biāo)越大，連通性越差，由上述分析可以看出，新增閘壩降低了泗河流域內(nèi)河流連通性，這與羅賢[18]、張歐陽(yáng)[13]等的研究結(jié)果一致。同時(shí)，由濟(jì)寧水文局調(diào)查可知，優(yōu)化調(diào)度前泗河具有連通性的水面面積為918 km2，經(jīng)統(tǒng)計(jì)的水面面積即泗河流域面積2 357 km2，由公式(8)計(jì)算得橫向連通性指標(biāo)為38.94%，水量?jī)?yōu)化調(diào)度后，保證流域內(nèi)河流連續(xù)，使泗河具有連通性的水面面積增加，經(jīng)濟(jì)寧市水文局統(tǒng)計(jì)約為1 285 km2，優(yōu)化調(diào)度后橫向連通性指標(biāo)約為54.52%，河流橫向連通性系數(shù)越大，則河流連通性狀況越好，因此，水量?jī)?yōu)化調(diào)度在一定程度上改善了由于修建水庫(kù)、閘壩等對(duì)河流連通性造成的不利影響，使河流連通性提高(表2)。

表2 水量?jī)?yōu)化調(diào)度前后結(jié)構(gòu)連通性特征變化Tab.2 Change of structure connectivity characteristics before and after the water optimization of scheduling

優(yōu)化調(diào)度后相對(duì)于優(yōu)化調(diào)度前，泗河連通性整體上有所改善，但相對(duì)于自然狀況，人為修建的水庫(kù)、閘壩等水工建筑物仍降低了河流本身的連通性。作為平原河網(wǎng)，泗河流域內(nèi)河流連通性的降低主要是由于城市化過(guò)程中高強(qiáng)度的人類干擾，使廊道的連接率明顯下降[19,20]。河流上修建水庫(kù)與閘壩在一定程度上阻斷了水流的連續(xù)性，降低了水體的自凈能力，使同一斷面下的流量減少[13]，然而河網(wǎng)連通狀況還受到閘門與泵站的調(diào)度影響[19]，因此，可以通過(guò)對(duì)改進(jìn)已建閘壩的調(diào)度運(yùn)行方式作為非工程措施改進(jìn)水系流通性[21]。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)水量?jī)?yōu)化調(diào)度可以改善水系的功能連通性。水量?jī)?yōu)化調(diào)度可以使得研究區(qū)水資源得到合理調(diào)配，改善研究區(qū)河流水質(zhì)，增強(qiáng)研究區(qū)的災(zāi)害防御能力。從而使得研究區(qū)的功能連通性得到改善。

(2)水量?jī)?yōu)化調(diào)度后，可以彌補(bǔ)由于水利工程建設(shè)造成的水系格局連通性變差的狀況，改善河流連通性，為流域水利工程建設(shè)規(guī)劃和流域生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)。

□

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