基于河網水流水質耦合模型的塔河干流引水方案優選

張小清

（新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

塔里木河流域是我國第一大內流性河流，其干流全長1231 km，自身不產流，屬于純耗散型流域，其水資源完全依靠外部補給。目前主要靠上游阿克蘇河、和田河及葉爾羌河進行流域干流水資源供給，自1976年通過連接庫爾勒和塔河的干渠進行孔雀河水源調入后，便逐漸形成“四源一干”的水量供給格局[1]。近年來，塔河干流來自源流的補給水量逐年減少，再加上干流上中游無序低效的水土資源開發，導致塔河干流水生態環境日益惡化，尾閭羅布泊和臺特瑪湖面臨干涸的危機。2001年，國家出臺的《塔里木河流域近期綜合治理規劃》基于戰略高度提出了塔河流域水資源開發利用、治理、節約、保護的總體思路、布局及實施意見，將塔河干流水資源可持續開發利用提升到戰略高度。2010年，塔河流域管理局基于所建設的《塔河流域水量調度管理系統》進行干流水量調度方案的實施。本文正是基于這一背景，對塔里木河干流三種水量調度方案進行比選，并進行了水量調度對水環境可能影響的量化分析，對于流域干流生態環境的恢復、水資源節約及綜合開發利用具有現實意義。

1 研究方法

1.1 河網水流水質耦合模型

此處選用流域水量調度規劃管理中常用的由河海大學陳文輝教授所開發的水文水動力學與水質耦合模型[2]，進行河網水流水質耦合模擬。該模型以塔里木河干流流域為計算范圍，包括降水產匯流、河網動力模型和水質模型等部分。

1.1.1 降水產匯流

（1）產流模型。分別計算不同下墊面的水面、水田、旱地、道路的產流情況:水面產流是日降水量與蒸發量之差；水田產流則結合作物生長所需水量變化、水田水深限度及耐淹水深等按天推求而得；旱地產流則考慮運用新安江蓄滿產流模型；道路產流根據下墊面情況，分別推求透水層、填挖不透水層、無填挖不透水層等情況下的產流過程。

（2）匯流模型。為進行干流匯流計算，假設日凈雨量按照40%、40%和20%過程進行分配，歷時3日分別匯入河網，還需同時考慮排澇模數等的制約。

1.1.2 河網水動力模型

以降水徑流模型計算結果為依據并結合流域水負荷的面與點數據，進行河網水質成果的耦合模擬，再考慮流域內引排水工程的實際作用，進行河網水流運動態勢的模擬，并推求各斷面流量與水位。河網一維非恒定流模型如下:

其中:q為流域旁側入流；Q為流域河道斷面流量，m3/s；A為河道過水面積，m2；B 為河寬，m；Z 為水位，m；VX為沿水流方向的流域旁側入流流速分配，m/s；K為流量模數；α為動量調整系數，反映河道斷面流速分布均勻程度。

1.1.3 水質模型

水質模型主要是調蓄節點、河網及塔河干流水質模型，通過進行水量耦合模型與水質模型的聯算，進行數值離散程度的分析。水質模型為:

其中:A為斷面面積，m2；C為水質指標濃度，mg/L；t為觀測時間，s；Ex為縱向分散系數，m2/s；U 為斷面流速均值，m/s；S 為具體水質指標生物化學反映項，g/（m3·d）；Sw為具體水質指標外部源項，g/s；αe為系數，取 αe=0.01；C0為謝才系數；θ為流域斷面寬深比；q為斷面單寬流量均值，m3/s。

1.2 研究時段及模型參數

1.2.1 研究時段

在1980年～2010年的數據序列中，2010年塔河干流年降水量、流域水位保證率接近50%，降水過程與多年平均降水量接近，能反映和代表流域平水年基本情況。

1.2.2 模型參數

為保證研究結論在流域水量調度方面的適用性，以干流相關規劃及具體進展情況為依據，采用《新疆塔里木河流域水環境綜合治理方案》所規定的流域近期工況。流域干流下墊面采用綜合治理方案中所預測的下墊面資料為邊界條件，污染源邊界則沿用年度實際污染源數據資料。

（1）水動力學參數

采用塔河干流阿拉爾斷面和新其滿斷面逐日實測流量及水位過程進行水動力學驗證，水位驗證結果見圖1和圖2。由圖可知，水位計算值和實測值擬合程度高，兩個斷面絕對誤差均在0.55 m以內，本文所提出的模型對于干流水位擬合精度較高。

圖1 阿拉爾斷面水位計算值和實測值擬合程度

圖2 新其滿斷面水位計算值和實測值擬合程度

限于篇幅所限，英巴扎典型段、烏斯滿樞紐、恰拉水庫、大西海子水庫、臺特瑪湖斷面水位計算值與實測值擬合程度對比圖略。所選取的塔河干流八個斷面流量計算值變化規律與實測值變化規律一致性較好，模型精度高。

（2）水質參數

采用2017年逐月實測水質數據對塔河干流各斷面水質模型進行驗證，并將模型計算結果與實測值進行對比，從表1各斷面氨氮、COD、TN、TP等水質指標實測值與計算值相對誤差均值結果可以看出:氨氮指標方面阿拉爾斷面、帕滿水庫、烏斯滿樞紐相對誤差較大；COD指標方面，英巴扎典型段、大西海子水庫和帕滿水庫、新其滿斷面誤差均值較大；英巴扎典型段、阿拉爾斷面TN指標相對誤差均值較大；帕滿水庫、恰拉水庫、大西海子水庫和臺特瑪湖TP指標相對誤差均值較大。但是上述誤差均值取值均在30%以內（除帕滿水庫TP指標相對誤差均值為30.45%外），表明本文所提出模型的模擬值與實測值擬合程度較好，能基本滿足塔河干流水質模擬的要求。

表1 各斷面水質指標相對誤差均值 單位:%

2 水量調度方案管理研究

2.1 水量調度方案

常規調度模式難以形成水量循環，即便增加水量也無法改善干流水環境，難以從根源上解決流域水質型缺水問題。為了充分利用干流現有水利工程，優化調度方案，和塔河干流河網有網有綱、縱橫交錯、四通八達以及較好的引排能力和區位優勢，構建既引又排的中循環調水線路。

依據《塔里木河防洪規劃報告》以及上述對塔河干流水動力學、水質模擬的結果，針對塔里木河干流提出以下三種可行的引水方案，方案一是從阿拉爾斷面、新其滿斷面及帕滿水庫引水；方案二是從干流中游烏斯滿樞紐和英巴扎典型段引水，方案三是從恰拉水庫、大西海子生態水庫和臺特瑪湖引水。具體見表2。

表2 塔里木河干流水量調度循環方案設計

2.2 方案對比

當前，塔河干流引水以滿足水資源區域性供給和改善水環境為主要目的，不同的水量調度方案和線路對水資源、區域水環境和防洪具有不同的影響。

方案一雖然引水量大幅增加，但是引水過程中，存在水資源大量流失的循環短路。另外在托什干河、庫瑪拉克河聯合排水時托什干河沿程水位降低將導致污水流入塔河干流，造成水量進一步流失，拉低河網整體水位，比其余方案河網水位平均降低0.11 m。根據《流域水循環質量標準》，上游引水區域大部分河道COD濃度為18 mg/L～28 mg/L以內，屬于Ⅳ類水，僅阿拉爾地區屬于Ⅴ類水。而NH3-N濃度含量多數河道均超過2 mg/L，整體屬于劣Ⅴ類水，污染嚴重。該方案聯合排水有助于水位降低從而形成水位差和水體循環線路，但是河道各斷面的COD和NH3-N濃度并無明顯降低趨勢，水體沒有很大改善。

方案二和常規調度水位較為接近，引排水量均有較大幅度增加，但其并未導致河網水位降低，表明，該方案雖然在本區域內形成了水循環回路，但是卻導致水質惡化，水環境明顯變差，主要是因為該方案下排水河道所排出的污染物相當有限。

方案三具有明顯的水質改善效果，通過引水渠引水控制線進行控制，大部分污染物排走，該調度方案下水量比常規調度有所降低，本方案所形成的水量循環回路還能有效改善各斷面水質狀況，即便是水環境污染較為嚴重的下游荒漠區域也形成了水體流動態勢。

根據式（1）和式（2）分別進行塔河干流不同調度方案下斷面流量水位以及水質情況的計算，三個水量調度管理方案的水位、進出水量及水質計算成果見表3和表4。

表3 不同調度方案的進出水量成果統計

表4 不同調度方案主要斷面COD、NH3-N濃度統計表 單位:mg/L

塔河干流水量調度管理以改善水環境為主要目的，所以水質改善程度是評判的主要標準，河網水位和引排水量則是次要的評判因子。上述三個方案中，方案三通過加強干流控制有效防止了高片污水進入干流低片地勢低洼區域，使得干流水環境顯著改善，河網整體水位明顯提高[3]，所以以方案三為推薦方案。

3 結論

基于河網水流水質耦合模型，求出不同引水方案的進出水量、水質情況，再根據這些內容對三個引水方案的分析和比選，分析的具體結果是:方案三為最優引水方案。以帶動流域水環境改善為目的所進行的干流水資源優化配置的引水方案的研究，對于改善水質、提升流域水量管理調度水平具有積極意義。