流域水資源生態配置與調度研究綜述

繆萍萍

（海河水利委員會水資源保護科學研究所，天津 300170）

流域水資源生態配置與調度研究綜述

繆萍萍

（海河水利委員會水資源保護科學研究所，天津 300170）

水資源是人與自然共同依賴的關鍵資源，水資源配置與調度在水利工作中具有重要地位。傳統的水資源配置與調度注重區域間和行業間的水量分配，存在擠占生態用水的現象。流域水資源生態配置與調度是以流域重要生態保護目標為核心，通過工程措施和非工程措施，統一調配各種水源，協調社會經濟與生態環境之間的水矛盾，促進流域生態健康和可持續發展。在開展流域水資源生態調度時，要科學計算生態需水以及可供水量，制定合理的水利工程生態調度規則，同時注重發揮各種非工程措施的作用。

水資源；生態環境；配置；調度；流域

水是生命之源、生產之要、生態之基，是人與自然共同依賴的關鍵資源。水資源配置和調度在水利工作中具有重要地位，在水利規劃、工程運行、水資源管理等方面發揮著重要的支撐作用。傳統的水資源配置主要考慮區域間、行業間的水量分配，改變了水的天然循環規律[1]，改變了人類社會與生態環境共享水資源的格局，引發了河道斷流、濕地萎縮、生態退化等水生態問題[2]。1971年，Bishop[3]提出基于水資源、生態環境、經濟社會協調發展的流域水資源管理理念。2003年，董哲仁[4]提出人與自然和諧相處的生態水工學。水資源生態配置與調度逐漸發展成為水文學、水資源學、生態學、運籌學等多學科交叉的新領域[5]。流域水資源生態配置與調度是以流域重要生態保護目標為核心，通過工程措施和非工程措施，統一調配各種水源，協調社會經濟與生態環境之間的水矛盾，促進流域生態健康和可持續發展[6]。流域水資源生態配置與調度需要解決四大問題：一是全面考慮流域內各個生態保護目標，提出適宜的生態需水；二是聯合調度控制性骨干工程，制定合理的生態調度方案；三是建立健全流域生態調度體制機制，發揮非工程措施作用；四是積極探索分布式水文模型，算清水賬摸清家底。

1 全面考慮生態要素和保護目標

傳統的水資源配置與調度優先考慮生活和生產用水，生態需水方面往往只考慮保留河道生態基流，普遍存在擠占生態需水的現象[7]。充分考慮各類生態要素，準確計算生態需水量，是流域水資源生態配置和調度的前提。一般認為，河道內生態需水包括河流、河口、湖泊生態補水，河道外生態需水包括維持植被、濕地以及水生態系統不退化所需要的水量。定額法是進行需水預測普遍采用的方法，但要對流域經濟社會發展特點和生態環境形勢有科學的預判[8]。左其亭等[9]對生態需水進行了歸納，劃分為需要配置的部分和不需要配置的部分，其中需要配置的部分又進一步劃分為直接配置和間接配置兩類，在合理分類的基礎上確定流域生態水量。張洪波等[10]從生態系統整體性的角度提出生態水量的確定方法，建立生態保護目標與水文要素之間的響應關系，即生態水文概念模型，將生態保護目標的水文需求通過水力學方法演算為生態水量。馬真臻等[11]在識別黃河下游河段生態保護目標的實踐中，建立了地形地貌、鳥類、魚類、大型無脊椎動物、植被等與水文要素的概念模型，確定了各個保護目標的水力學條件，并由此演算出花園口、利津斷面的生態水量。

2 科學調度控制性水利工程

生態調度是水利工程運行調度的新階段，其目標是滿足流域生態需水和河流健康[12]。流域控制性水利工程的生態調度應當注重短期利益與長期利益的權衡、上游利益與下游利益的權衡、生態目標與非生態目標的權衡，上述三組利益間的權衡增加了流域水資源生態配置和調度決策的復雜性。張琦等[13]梳理了遼河流域的農業供水工程，從改善流域水生態狀況的角度增加了水庫生態調度任務，確定了水庫群聯合生態調度方案。胡和平等[14]認為生態流量過程線是實施水庫生態調度的基礎，針對下游河道生態問題，演算出其相應的生態流量過程，水庫生態調度的任務即滿足該生態流量過程，解決或緩解下游生態問題，維持河流健康。康玲等[15]建立了水庫生態調度的最優化模型，提出采用逐步優化算法進行求解，得到實用性、操作性較強的水庫調度方案。隨著計算機技術的發展，機器學習或人工智能算法也在水庫生態調度方面進行了應用，周李智等[16]采用數據預處理與篩選技術修復水文系列中的奇異值，提高了小水電群生態徑流的合理性，采用基于動態鄰域結構的PSO算法建立并求解了水庫群生態調度模型。呂巍等[17]分析了烏江主要生態斷面的最小生態水量、適宜生態水量和理想生態水量，構建了梯級水電站多目標生態調度模型，采用智能優化算法進行了求解。李志輝等[18]針對水利工程建設影響生物多樣性的現象，提出在水庫建設和調度的過程中要準確掌握影響區域內的生物現象，在此基礎上開展生態調度。

3 合理安排節水護水非工程措施

高效利用有限的水資源，保障生態需水，可以采用的非工程措施包括節水措施與激勵政策機制、生態調度管理機制、水生態補償機制、水權交易機制等方面的措施。農業生產過程中的輸水損失、儲水損失、無效蒸騰等是造成水資源消耗的關鍵環節，具有較大的節水潛力。陳克強等[19]認為除了渠道防滲、管道輸水等工程措施外，推廣節水灌溉技術和制度、實施灌區水資源優化配置和調度、改革農業水價形成機制等非工程措施對提高農業水利用效率十分有效。王雁林等[20]指出傳統的水資源配置與調度方式是造成陜西渭河流域生態惡化的重要原因，要解決這些問題，需要嚴格控制人口過快增長、加強流域水源區的涵養和保護，在節水、治污的同時增加非常規水資源的使用量。尹正杰等[21]分析了目前長江流域水庫群生態調度存在的問題，認為在技術上生態調度已有一些成果，但在管理上還需健全生態調度管理體制機制，建議設立流域層面的生態調度管理機構，負責制定生態調度規程，提出敏感區域生態監測需求，發布生態調度信息等事務；在出現重大生態需水虧缺時，流域生態調度機構可以直接干預流域內的水庫調度，保障生態用水。任世芳和馬義娟[22]將生態基流引入水生態補償中，認為受損的生態系統是水生態補償的首要客體，為了引導生態補償真正用于生態恢復，應根據生態基流確定補償額度，補償的方式可以是貨幣形式或者生態水量的形式。陸文聰等[23]研究了水權交易中的效率問題，對比了無交易機制條件下和政府主導水權交易機制下的水資源配置和利用效率，認為水權交易能提高參與者的收益，促進水資源優化配置。

4 深入刻畫流域水循環過程

準確計算水資源可利用量，是實施流域水資源生態配置和調度的前提。通常水資源評價需要將取水還原到實測系列中再作分析，但是人類劇烈活動、下墊面劇烈變化等因素對水資源形成產生較大影響，導致水文一致性喪失，動搖了基于歷史長系列分析方法的理論基礎。王忠靜等[24]指出下墊面變化劇烈條件下傳統水文序列分析中可能存在的“還原失真”和“還原失效”的問題，認為應當采用分布式水文模型從機理上解決上述問題，并在永定河山區采用基于坡面流的分布式水文模型對不同下墊面條件下官廳水庫以上流域多年平均地表水資源量進行了評價。李亞平等[25]考慮到生態需水受季節、氣候等多因素影響，從生態系統和水資源系統相互作用入手，采用分布式水文模型分析了各種生態措施對生態需水的影響，計算了不同保護目標下不同保證率的流域生態需水。郝彩蓮等[26]利用中國水利水電科學研究院開發的WEP模型，結合生態需水情況，模擬了雙峰寺水庫的調度對下游武烈河水文過程的影響，指出現階段雙峰寺水庫調度問題，提出基于下游生態需水的修正調度方案。陳剛等[27]采用MIKE Basin工具[28-30]，將流域生態需水和區域經濟社會發展以及產業布局調整相結合，研究了滇池流域多水源水質水量聯合調度的水資源配置方案，提出相應的水系連通工程方案，構建了“清水入湖、中水回用、清污分流”的水循環模式。在西北干旱地區，石敏俊等[31]基于農業調查，構建了石羊河流域GBEM模型，將農業用水量作為約束條件，研究了生態重建目標下石羊河流域水資源優化配置和調度方案。

[1]Davijani M H，Banihabib M E，Anvar A N，et al.Multi-objec?tive optimization model for the allocation of water resources in arid regions based on the maximization of socioeconomic effi?ciency[J].Water Resources Management，2016，30（3）:1-20.

[2]Chen，Y N，Li，et al.Impact of human activities on water re?sources and ecological problems in the Tarim River Basin，China[J].Journal of Experimental Botany，2004，54（s）:61-61.

[3]Bishop A B，Hendricks D W.Water reuse systems analysis[J].Journal of the Sanitary Engineering Division，1971，97（4）:51-62.

[4]董哲仁.生態水工學的理論框架[J].水利學報，2003，34（1）:1-6.

[5]Abbaspour M，Sabetraftar A.Review of cycles and indices of drought and their effect on water resources，ecological，bio?logical，agricultural，social and economical issues in Iran[J].International Journal of Environmental Studies，2005，62（6）:709-724.

[6]Falkenmark M，Rockstr?m J，Falkenmark M，et al.Balancing water for humans and nature:the new approach in ecohydrolo?gy[J].Natural Resources Forum，2004（2）:185.

[7]Leauthaud C，Duvail S，Hamerlynck O，et al.Floods and live?lihoods:The impact of changing water resources on wetland agro-ecological production systems in the Tana River Delta，Kenya[J].Global Environmental Change，2013，23（1）:252-263.

[8]孫甜，董增川，蘇明珍.面向生態的陜西省渭河流域水資源合理配置[J].人民黃河，2015，37（2）:65-69.

[9]左其亭.論生態環境用水與生態環境需水的區別與計算問題[J].生態環境學報，2005，14（4）:611-615.

[10]張洪波，王義民，蔣曉輝，等.基于生態流量恢復的黃河干流水庫生態調度研究[J].水力發電學報，2011，30（3）:17-23，35.

[11]馬真臻，王忠靜，鄭航，等.基于低風險生態流量的黃河生態用水調度研究[J].水力發電學報，2012，31（5）:63-70.

[12]Herricks E E，Suen J P.Integrative analysis of water quality and physical habitat in the ecological design of water re?sources projects[J].Journal of Environmental Scienceamp;Health Part A，2006，41（7）:1303.

[13]張琦，李偉，王國利.面向生態的流域水庫群與引水工程聯合調度研究[J].中國農村水利水電，2015，5（9）:129-133.

[14]胡和平，劉登峰，田富強，等.基于生態流量過程線的水庫生態調度方法研究[J].水科學進展，2008，19（3）:27-34.

[15]康玲，黃云燕，楊正祥，等.水庫生態調度模型及其應用[J].水利學報，2010，41（2）：12-19.

[16]周李智，王萬良，徐新黎，等.基于生態懲罰的混聯梯級小水電群優化調度[J].水力發電學報，2015，34（7）:45-56.

[17]呂巍，王浩，殷峻暹，等.貴州境內烏江水電梯級開發聯合生態調度[J].水科學進展，2016，27（6）：918-927.

[18]李志輝.基于流域生物資源保護的水庫生態調度[J].資源節約與環保，2015（2）:171-171.

[19]陳克強，張建豐，白丹，等.北方灌區非工程節水措施綜議[J].干旱地區農業研究，2005，23（3）:150-153.

[20]王雁林，王文科，楊澤元，等.渭河流域面向生態的水資源合理配置與調控模式探討[J].干旱區資源與環境，2005，19（1）:14-21.

[21]尹正杰，黃薇，陳進.長江流域梯級水庫生態調度管理體制探討[J].人民長江，2008，39（20）:19-21.

[22]任世芳，馬義娟.基于生態基流的汾河流域水資源生態修復補償研究[J].干旱區資源與環境，2017，31（7）:66-70.

[23]陸文聰，覃瓊霞.以節水和水資源優化配置為目標的水權交易機制設計[J].水利學報，2012，43（3）:323-332.

[24]王忠靜，楊芬，趙建世，等.基于分布式水文模型的水資源評價新方法[J].水利學報，2008，39（12）:4-10.

[25]李亞平，陳友媛，胡廣鑫，等.基于分布式水文模型的徒駭河河流生態需水量預測研究[J].環境科學學報，2013，33（9）:2619-2625.

[26]郝彩蓮，金鑫，嚴登華，等.基于分布式水文模型的水庫生態調度方案修正研究[J].水利水電技術，2013，44（12）:95-98，102.

[27]陳剛，楊霄，顧世祥，等.基于河湖生態健康的滇池流域水資源總體配置[J].水利水電技術，2016，47（2）:5-12.

[28]Manoj K J，Ashim D G.Application of MIKE basin for water managementstrategiesinawatershed[J].WaterInternational，2003，28（1）:27-35.

[29]Kaiglová J，Langhammer J.Analysis of efficiency of pollu?tion reduction measures in rural basin using MIKE Basin model.Case study：Ol?ava River Basin[J].Journal of Hydrol?ogyamp;Hydromechanics，2014，62（1）:43-54.

[30]Ireson A，Makropoulos C，Maksimovic C.Water resources modelling under data scarcity：Coupling MIKE Basin and ASM groundwater model[J].Water Resources Management，2006，20（4）:567-590.

[31]石敏俊，陶衛春，趙學濤，等.生態重建目標下石羊河流域水資源[J].自然資源學報，2009，24（7）:3-15.

TV213.4

A

1004-7328（2017）05-0008-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.003

2017—05—20

繆萍萍（1986—），女，碩士，工程師，主要從事水資源保護、水量調度工作。