贛撫平原灌區城市生態環境優化調度研究

靳偉榮，謝亨旺，付 湘，徐 丹

(1.江西省灌溉試驗中心站，南昌 330201；2.武漢大學，武漢 430072)

0 引 言

為策應鄱陽湖生態經濟區建設，響應江西省委省政府提出的“生態立省、綠色崛起”的發展理念，2012年，南昌市提出打造核心增長極，建設“鄱湖明珠、中國水都”戰略構想，為此，江西省水利廳與南昌市政府簽署了《共同推進南昌打造核心增長極暨建設“鄱湖明珠、中國水都”合作備忘錄》，積極開展水生態文明城市建設，爭取在全省率先實現水利現代化，成為引領全省水利發展的核心和樣板為此，南昌市大力推進河湖水系連通、水生態修復與保護、河湖濱水區水景觀的構建等工作，做好城市水文章，實施截污、清淤等整治措施。然而，南昌市內河湖眾多，分布較散，河湖輸水線路長，需水量較大。雖然城市周邊河網較多，但是普遍水位較低，取水困難，并時常發生季節性干旱，給城市河湖生態環境供水帶來較大困難。在南昌市生態環境保護和治理方面，以往只注重采用工程措施，如河湖水系連通工程、水生態修復工程，但在城市河湖生態環境需水、河湖水質、水量、水位演變規律以及流速、水力停留時間等方面缺乏研究[1]，嚴重影響了城市河湖生態環境用水的優化調度和供水調度的科學性，使城市河湖連通工程和水生態修復與保護工程未發揮應有的效應，城市水景觀黯然失色。

因此，開展贛撫平原灌區城市生態環境供水資源優化調度研究，通過灌區水資源調度，在保證農業灌溉和生產生活用水的前提下，在不違背最嚴格水資源管理制度的情況下，使城市水體活化，使河網內水體定向、有序流動，加快更新速度[2]。充分利用灌區水資源，改善城市河湖水質，實現水生態、水景觀和水環境的修復、改善和保護。以確保水資源的可持續利用，保障社會經濟的可持續發展。這不僅是提高現有河湖水環境承載能力的重要手段之一，也是國際上流行的最佳實用環境方案在中國的實踐，符合我國現階段社會經濟發展和改善環境雙重目標的要求。

1 研究區域基本情況

1.1 研究區域水系情況

研究區域位于南昌市城區，水網密布，水系復雜，主要涉及贛撫平原五干渠、五干新一支、五干二支渠等供水渠道以及南昌市梅湖、象湖、青山湖、艾溪湖、撫河故道、玉帶河等城市景觀水域。水體流動方向自南向北，引清調度進水口為贛撫平原灌區五干渠，通過南昌市城市河湖置換后進入贛江。具體水系圖見圖1。

圖1 研究區域水系圖Fig.1 Water system map of the study area

1.2 城市河湖水質水量聯合調度研究成果

為了制定合理的調度方案，了解調水流量大小、水量多少以及在調水過程中湖泊水質水動力條件的改善情況等，在制定調水方案之前，本文采用MIKE 21模型，針對城市河湖不同來水年不同水質水量狀態，建立了城市二維水動力水質耦合模型，并用實測數據進行了參數率定，模擬不同供水情況下不同污染程度的水質水量聯合調度過程[3]，模擬成果見表1。

2 生態調水流量優化

2.1 調度方案多目標評價指標體系

調度方案的比選需要一個科學合理的評價體系，為了能夠定量比較不同模擬工況下，不同引水流量對城市河湖的影響，在模型出口設置水質監測點。當監測點的水質達標時繼續進行調水會極大地增加運行成本，所以當監測點水質達標(Ⅳ類水)時，停止調水[4]?？紤]河湖此時的水動力條件、水質改善情況、引水成本等，建立引水方案評價體系見表2。

表1 生態調水模擬成果表Tab.1 Ecological water transfer simulation results table

表2 湖泊引水方案評價體系Tab.2 Lake water diversion scheme evaluation system

2.2 生態流量優選過程

生態調水流量的優選過程包括對需要評價的方案的指標進行歸一化處理[5]、確定求解方法、計算方案綜合評價得分。為充分說明生態調水流量的優選過程，在求解過程中以青山湖的中水位、初始狀態為輕度污染(TP=0.2 mg/L，TN=2.0 mg/L)作為對象，進行計算與分析。

2.2.1 指標歸一化處理

首先，為便于綜合比較不同方案中各個指標的優劣，將各指標將原始數據陣歸一化處理，歸一化處理的原理如下。

設m個評價指標n個評價對象的原始數據矩陣A=(aij)m×n，對其歸一化后得到R=(xij)m×n，對值越大越優的指標(如平均流速)而言，歸一化公式為：

(1)

式中：xij為第j個方案的第i個指標的數據歸一化后的值；aij為為第j個方案的第i個指標的數據。

而對于值越小越優的指標(如總調水量、污染物濃度、調水時間等)而言，歸一化公式為：

(2)

青山湖生態環境供水各方案的各項指標見表3，歸一化后的指標值見表4。

表3 各方案的五項指標值Tab.3 Five indicator values for each programme

2.2.2 確定求解方法

通過建立的多目標評價體系可知，各河湖水質水量優化調度方案選取是一個多目標問題。一般求解多目標問題是通過一定的方法，將多目標問題轉化為單目標問題，常用的方法有約束法和權重法[6]。約束法求解多目標問題的思想是在多個目標中，選擇其中的一個目標作為基本目標，而將其余的目標轉化為不等式約束，通過求解約束問題生成非劣解。權重法的思想是通過賦予各個子目標一定的權重，將其按照線性組合的方式將多目標轉化為單個目標然后進行優化求解[7]。由于約束法適合于求解兩個目標的優化決策[8]，當優化目標多于3個時，用約束法較為繁雜，由于本研究有四個目標，且各指標之間的重要性相對較明確，因而選取權重法求解優化模型，權重選定如下。

表4 各方案的五項指標值歸一化結果Tab.4 Normalized results of five indicator values for each program

制約城市生態環境供水的主要因素是水量。在最嚴格的水資源制度實施的大背景下，在水已經不可或缺的今天，無論是從社會效益考慮，還是從經濟效益上來考慮，關注城市生態環境的用水量，在達到相同的環境目標的條件下，用更少的水，是我們不斷追求的目標。因此，生態環境調水水量是整個方案評價指標體系的前提，所以這一指標賦予最大的權重w1=0.5。

經統計分析，近年來南昌市內各河湖的水環境都處于較差的狀態，嚴重影響了城市的形象與人們的生活。生態環境用水最迫切，也是最直觀的目標就是改善城市河湖的水質，使原本達標的水體的各項污染物濃度，恢復到湖泊管理的目標范圍以內。湖泊中總磷濃度和總氮濃度的減少，是生態調水的目標的體現，賦予其較大的指標權重0.3，即總磷和總氮分別為w2=w3=0.15。

治理城市河湖污染，改善被污染的水體是一個長期的過程，所以生態調水一定時間范圍內的變動并不會帶來太大的影響。而湖泊的水動力條件，在一定程度上能增加復氧，提升水環境容量，但具體的指標難以量化。綜合考慮，賦予出口水體濃度達標時間與達標時的湖區平均流速同等的、較小的權重w4=w5=0.1。得出各指標的權重詳見表5。

2.2.3 計算綜合評價得分

將權重值分別與各方案對應的指標求積，然后再求和，得到各方案的綜合評價值并將其化為百分制，第j個方案的綜合評分yj的計算方法為：

(3)

表5 方案評價體系中各指標權重Tab.5 Weights of indicators in the program evaluation system

式中：yj為第j個方案的綜合評價得分；wi為第i個指標的權重xij為第j個方案的第i個指標的數據歸一化后的值。

綜合評價得分計算結果見表6，比較各方案的計算結果，方案三的綜合評價得分最高，所以青山湖的中水位、初始狀態為輕度污染這一工況最適宜的生態調水流量為3 m3/s。

表6 各方案綜合評價得分Tab.6 Comprehensive evaluation scores of each program

2.3 各河湖生態調水流量優選結果

采用建立的方案評價指標體系，分別對青山湖、象湖、艾溪湖多個的調水方案進行評價，優選出了各湖泊不同水量水質狀態下情況下的生態調水流量，見表7。

表7 各河湖生態調水流量優選結果表Tab.7 Optimal results of ecological water transfer flow of each river and lake

通過觀察表7發現，在同一河湖水體、同一水位，污染程度越大，其生態調水流量越大，部分生態調水流量相等是由于本文選擇的流量密度不足所致；同一湖泊，相同污染程度，生態調水量與水位變化無明顯規律，產生這一現象的原因是主要與表1模擬結果有關，通過觀察表1，在同一湖泊、相同流量和污染程度下，艾溪湖和梅湖，隨著水位的降低，調水流量和達標時間降低，而青山湖和象湖，隨著水位的降低，調水流量和達標時間增大，產生兩種不同結果主要是由于湖泊形狀和湖泊基礎深度對模擬過程中的水力條件產生影響；在同一湖泊，不同污染程度，隨著水位的降低，水質達標時，TP和TN的平均濃度也無明顯規律。進而導致生態調水流量與水位無明顯規律。

3 灌區城市生態環境供水量分析

根據建立的方案評價指標體系，對不同的生態調水方案進行評價以后，優選出了青山湖、象湖、艾溪湖、梅湖在不同水質水量狀態下的生態調水流量，可為實際調水操作進行指導。但是在全年范圍內，生態調水是一個需要長期反復進行的工作，可進行生態調水的次數也是有限的，調水必須考慮全年用水總量的限制[9]。

為得出南昌市全年生態調水需水量，本次研究以青山湖、象湖與艾溪湖3個湖泊的生態調水水量為依據，采用三湖的蓄水量占南昌市八湖二河河湖蓄水總量的比例進行類推。假設三個湖泊的水質狀態相同(輕度污染、重度污染)，針對高水位、中水位、低水位3種情況，將3個湖泊的平均調水量作為計算的依據。通過《南昌市城區各河湖溝渠基本情況表》進行統計分析后，得出三湖蓄水量占城區的73.44%，反推求得南昌市全部河湖進行一次生態調水所需水量，根據《贛撫平原灌區現代化規劃》，贛撫平原灌區在50%、75%、90%頻率來水年分別對應的城市生態環境可供水量為32 700、27 400、22 900 萬m3[10]。全年生態調水次數計算結果見表8。

表8 生態調水水量優選表Tab.8 Optimal ecological water meter

4 結 論

本文根據不同供水情況下不同污染程度的水質水量聯合調度成果以及南昌市中心城區現有水利工程現狀、河湖渠道水系情況，建立了包括水力條件、水質改善、調水成本的多目標評價指標體系，采用權重法的形式進行求解，在城市河湖處于不同水位和水質狀態時的多個不同生態調水流量方案進行比選，優選出了青山湖、象湖、艾溪湖、梅湖在不同水位和水質狀態下的生態調水流量。

在贛撫平原灌區水資源調度中，由不同水位狀態的南昌市河湖全年生態調水水量(表8)可知：在50%頻率來水年時，分配給城市生態環境的水量可進行生態調水13.4～15.4次；在75%頻率來水年時，分配給城市生態環境的水量可進行生態調水10.6～12.7次；在75%頻率來水年時，分配給城市生態環境的水量可進行生態調水7.7～9.4次。不同來水年的平均次數為11.5次，基本能夠實現到每月南昌市進行一次全面的生態調水。

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