河流健康評價預警耦合模型在東苕溪流域的應用

柯斌樑，曾國熙，陳革強

（浙江省水文局，浙江杭州310009）

河流健康評價預警耦合模型在東苕溪流域的應用

柯斌樑，曾國熙，陳革強

（浙江省水文局，浙江杭州310009）

以河流健康評價理論為基礎，針對東苕溪流域實際特點，提出建立東苕溪流域水動力學模型、水質模型，計算河流納污能力；建立河流健康評價模型，在兩者基礎上構建河流健康預警耦合模型。通過模型計算得到定量化的評價指數，為后續的河流健康建設與管理提供數據支撐和決策依據。

河流健康；評價預警；耦合模型；東苕溪

1 前言

隨著經濟社會的快速發展，中國生態與環境形勢日益嚴峻，改善生態環境，修復污染水體，恢復優美自然景觀，協調水資源開發利用與生態保護之間關系，成為擺在各級政府部門面前的一項重要任務，也是浙江省“五水共治”治污水的重點內容之一。河流健康是社會經濟可持續發展的標志，河流管理水平對城市生態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的重要供水河道，其水質的好壞影響到杭州、湖州及杭嘉湖平原約500萬人的生產生活用水，同時也在防洪、灌溉、航運等多方面直接影響著杭州市的可持續發展。因此，進行東苕溪河流健康評估及生態整治方面的研究，對杭州市經濟社會的和諧發展有著十分重要的意義。

2 流域概況

2.1 自然地理

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

2.2 河流健康存在的主要問題

（1）東苕溪上游屬于山區，源短流急，洪水暴漲暴落；下游太湖湖水倒灌，排水不暢。同時，人們對河流進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，使河流生態系統發生變化，河流服務功能下降，威脅到人類供水、防洪等公共安全。

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

（3）東苕溪下游屬于平原河網地帶，本身水體流動性低，自凈能力弱，再加上經濟發達，水污染問題突出、湖水倒灌、運河水倒灌、東苕溪上游干流的工農業生活和養殖污染也加劇了下游水的污染狀況。

3 體系構成

3.1 流域納污能力計算

3.1.1 軟件模塊組成

MIKE11是動態模擬一維河流水力的一款應用軟件，具有很強的模擬能力，為河流水動力和環境模擬提供功能強大和較全面的方法。經過國內外很多次成功的應用驗證，運用MIKEl1可以設計、管理和運行河流系統。MIKEl1模塊主要包括水動力模塊、結構物操作模塊、降雨徑流模塊、非黏性泥沙輸運模塊、污染負荷計算模塊、對流擴散模塊等[1，2]。MIKE21近年也有較多應用，但其屬大范圍平面二維數學模型，不適用于近區三維或急流等問題，對基礎數據的要求也復雜得多[3]。本次采用MIKE11的HD水動力模塊和AD對流擴散模塊。

（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；包括擴散波和動力波簡化方程；包含一個準穩態程序用于長期模擬的快速計算；包含馬斯京根法和改進馬斯京根法，用于簡化的河道演算自動匹配次臨界流和超臨界流計算；模擬多種水工建筑物，包括堰、箱涵、橋梁和自定義建筑物；運行洪水控制和閘、泵等水庫構筑物。

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

3.1.2 水質模擬分析

通過河網概化、斷面選擇、初始條件及邊界條件設定、河網糙率參數率定等步驟建立河流水動力學模型。基于本文研究河段水流較長、斷面復雜的特點，充分考慮河道沿程變化，在已有資料的基礎上盡量取較多的河段，以準確地反映河道沿程變化和過水能力。選定水質模型的主要水質指標為BOD5、COD、DO、TP、TN5項，其生化反應按一級反應動力學方程描述。應用河道觀測資料對模型進行率定和驗證，使模擬結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，應用建立的水動力學模型、水質模型，對東苕溪主要水質指標進行模擬分析，計算納污能力。

3.2 河流健康評價

3.2.1 評價理論基礎

河流與健康相結合是可持續發展和社會價值進步的必然結果，維持河流健康已成為河流管理的一個熱點問題。河流健康概念尋求利用生物或生態評價方法來完善傳統的物理-化學評價方法。河流具有完整的生態功能，這些功能和用途與水力學、水文學、水質、生態學等方面都有關，因此需要采用一定的指標和方法來監測河流的各個方面，即從多角度來評估河流的健康狀況，從而提供對整治、管理有用的信息。河流管理的目標就是改善受損河流的健康狀況，保護健康河流，從而滿足人們持續的環境、社會和經濟需要。建立指標體系進行河流健康狀況評價，有助于提高河流管理質量，不僅可以揭示河流生態系統的現狀，還提供了將不同河流進行比較的基準，同時還可以評估受損河流生態恢復的成效，從而提高管理決策能力[4-6]。

3.2.2 評價模型

在河流健康概念的基礎上，結合東苕溪河流的功能和屬性，分別對指標體系、指標權重、評價方法進行分析與研究[7，8]，并建立河流健康評價模型。運用評價模型對東苕溪流域河流進行健康評價，確定河流管理的目標和可能的瓶頸問題，為后續開展的河流健康實時預警提供基礎數據和決策依據。

（1）指標體系構建。評價指標是綜合評價的基礎，指標確定的是否合理對于后續的評價工作有決定性的影響。本次評價指標體系分為3層，分別為目標層、準則層和指標層。在指標選取上，遵循系統性、典型性、可度量性和獨立性的原則。在指標篩選上，選用主成分分析方法。東苕溪河流健康評價指標確定為自然功能和社會功能兩個方面，含生態基流量、基礎水位、水體質量、輸沙量、生態環境影響因子、水源地水質達標率、河體演變、城鎮供水保證率8個指標。

（2）指標權重賦值。指標的權重分主觀權重和客觀權重，主觀權重是決策分析者對指標的重視程度，客觀權重是指標本身所包含信息的大小。各種賦權方法都有不同的特點和適用范圍，在對指標重要性缺乏深入了解的情況下，應優先選用客觀權重法。本次選取的權重賦值方法為熵值法。

（3）評價方法選擇。由于評價方法各有優點，筆者對灰色關聯度法、模糊物元評價法、投影法等進行比較分析選取合適的評價方法。

（4）模型建立及應用。評價模型的建立堅持系統性與層次性相結合的原則。流域河流的健康是一個復雜系統，它由不同層次、不同要素組成，根據各層次、各要素之間的特點及相互關系，可以把流域復合系統劃分為若干個相互聯系又相互獨立的子系統。這些具體體現在不同河段計算分區、不同評價準則指標的設定上。同時，評價模型的建立堅持動態性與靜態性相結合的原則。作為一個系統，河流健康是不斷變化的，這要求對不同工況、不同時期河流健康狀況也要進行評價。

3.3 河流健康實時預警系統建設

3.3.1 系統總體設計

河流健康的預警包含3層含義：①整體健康預警。在河流健康評價基礎上，確定河流健康等級，以此建立河流開發利用閥值和河流生態系統退化閥值，前者約束人類開發利用河流的行為，后者為人們保護河流生態提供預警。②水功能區的“面”預警。在水質評價的基礎上，對超出目標水質的水功能區進行報警。③突發水污染事件的“點”預警。當發生污染事件時，某處點源或面源污染濃度加大，如超出納污能力進行報警。

東苕溪河流健康實時預警系統主要分為兩大部分，一是數據采集系統，二是數據應用平臺。

（1）利用現有可能影響河流健康的水利、供水、環保等各部門所有的監測站網并加以優化，在最大程度上實現流量、水位、水質等監測資料共享，實現真正意義上的水資源質量同步監測，建立水量、水質信息采集系統。

（2）數據應用平臺展現的是從數據平臺接收到數據以后進行解碼入庫，同時應用系統提供各種系統服務，一般有Web服務、GIS服務、預警服務等。

3.3.2 系統功能模塊設計與實現

東苕溪河流健康實時預警系統主要包括預警展示平臺和短信平臺2個子系統，從功能上設計為6大主要模塊，分別為首頁信息展示模塊、查詢分析模塊、地圖監視預警模塊、移動短信發送模塊、水量水質參數過程表達模塊和系統后臺管理維護模塊。系統功能框架，如圖1所示。

該系統在保證水雨情數據的實時性和有效性的前提下，能夠提供可視化的GIS圖形操作界面，實現水量、水質信息的分級顯示與標注，能查詢各個不同時段不同站點的水量、水質信息，實現水量、水質信息的圖形化表達等功能，并采用三維虛擬仿真技術，結合水質模擬和河流健康評價，最終為相關部門提供決策依據。

圖1 系統功能框架

3.4 耦合技術路線

本研究以河流健康理論為指導，主要內容包括東苕溪流域納污能力研究、東苕溪河流健康評價體系研究、東苕溪河流健康實時預警系統建設。在對水量、水質、河道地形、污染源分布和排放等信息全面調查、監測的基礎上，建立東苕溪流域水動力學模型、水質模型，計算得到符合實際的、科學合理的東苕溪流域納污能力；建立包括指標體系、指標權重、評價方法的河流健康評價體系，評價得到定量化的東苕溪健康評價指數；河流健康實時預警系統通過采集信息數據，結合納污能力計算和健康評價計算，運用三維虛擬仿真技術，提供實時預警，為流域水資源管理提供先進的管理方法和管理工具。耦合模型各部分研究任務及相互關系，如圖2所示。

圖2 耦合模型各部分研究任務及相互關系

4 結語

河流健康反映的是在河流生命存在期人類對其功能發揮的認可程度，因此健康河流是指在相應時期內自然功能與社會功能均衡發揮的河流。當前河流生態系統不斷受到人類活動的干擾和損害，在河流治理、開發利用和保護的同時，開展河流健康評價、預警和河流生態系統修復研究，變河流治理為河流修復是非常必要的。筆者對東苕溪的河流健康評價預警體系建設進行了初步探索，對恢復和維持東苕溪流域健康的河流生態系統做了某些嘗試，將有助于提高河流管理能力以及有效性，對區域生態環境建設和河流的可持續管理發揮有助推作用。

[1]陳棟.三峽水庫非汛期水動力及水質模擬研究[D].濟南：山東大學，2008.

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

[4]王健，王生云.浙江省河流健康現狀與成因研究[J].經濟研究導刊，2012，（1）：137-139.

[5]高永勝，王浩，王芳.河流健康生命評價指標體系的構建[J].水科學進展，2007，（2）：252-257.

[6]單媛媛，李瑞，張駿芳，等.平原河網地區河流健康評價指標體系構建[J].水科學與工程技術，2010，（4）：17-19.

[7]曾國熙，裴源生，梁川.流域水資源合理配置評價理論及評價指標體系研究[J].海河水利，2006，（4）：35-39，46.

[8]孫雪嵐，胡春宏.河流健康評價指標體系初探[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，高級工程師，主要從事水文水資源研究與管理工作。