水量優化調度對水系連通性的影響分析

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

水系連通對于河流水質凈化、防洪排澇以及增加區域調蓄和水生態環境承載能力等均具有至關重要的作用。水系連通性的影響因素較多，隨著城市化進程不斷加劇，人類高強度的活動使流域內河流出現不同程度的河床淤積、河道堵塞等問題，直接危害了河網水系結構，影響了河流連通性作用的發揮[1]。孟慧芳的研究中也表明城市化進程加劇導致河網水系中尤其是低等級河道的減少,可降低河流的連通性，此外相關研究[2]中還表明雨量特征、土地利用狀況以及流域地形等均對水系連通性具有一定的影響。由于在河流的綜合開發治理過程中，修建水庫、閘壩是普遍采用且較為有效工程措施，人為調節了水流時間，改變了水量空間分布，而相關研究[3-5]也表明對水庫、閘壩水量進行優化調度可以改善流域內河流的健康狀況，因此探究水量調度對水系連通性的影響具有較強的實際意義。

本研究根據泗河流域水利工程規劃建設項目中存在的水庫、閘壩較多，為滿足城市供水、農業灌溉、生態補水等要求，需對區域內水量進行調度的實際問題，擬探討以上下游水資源損失最小、最大化攔蓄水量為目標，保證河流水流暢通的前提下，研究對庫區及閘壩范圍內水量進行優化調度時，能否對泗河流域內河流水系連通性起到一定的積極作用。

1 研究區概況

泗河流域發源于山東省新泰市太平頂，流經新泰、泗水、曲阜、兗州、鄒城、高新區、太白湖新區、微山，入南陽湖，是南四湖湖東最大入湖河流。流域面積2 357 km2，全長159 km。流域內現有水利工程(圖1)中大型水庫1座，中型水庫4座，攔河閘壩25座(現有閘壩11座，規劃新建閘壩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，雖然發揮了巨大的社會和經濟效益作用，但流域內河流遭受人工干擾嚴重，水質惡化，河流生態環境遭到破壞，降低了流域內河流水系的連通性，嚴重阻礙了泗河流域的可持續發展。

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 水量優化調度方案

步驟一：基于泗河流域內主干流5庫25閘的分布特點及斷面狀況等因素，設置目標函數，以期實現流域內梯級閘壩(水庫)攔蓄水量最大化。目標函數為：

(1)

式中：g(i，t)表示第i個水利樞紐在t時段的攔蓄水量。

步驟二：在滿足泗河流域實際用水量需求的前提下，通過水量平衡約束方程對流域內攔蓄水量進行調度概算。

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個水利樞紐在t時段初、末的蓄水容積，m3；Ii,t+1為t時段i水利樞紐的來水量，m3；WUi,t+1為t時段i水利樞紐的調出水量，m3；WEi,t+1為t時段i水利樞紐的生態補水量，m3；WAi,t+1為t時段i水利樞紐的農業灌溉用水量，m3；Wi其他,t+1為t時段i水利樞紐的其他用水量，m3；Wi損,t+1為t時段i水利樞紐的損失水量，m3；OUTi棄,t+1為t時段i水利樞紐的棄水量，m3。

在進行優化調度計算過程中需同時滿足以下約束條件：變量非負、狀態約束、水量連續。其中狀態約束是指庫壩時段末庫容應大于或者等于死庫容，并且小于或者等于興利庫容，以滿足徑流調節、水庫供水量的要求；水量連續主要是保證河流水量流動的連續性，并將上一級水庫(閘壩)的生態補水量及棄水量作為下一級閘壩的來水量。

2.2 連通性指標的選取

目前，對于水系連通性的內涵尚沒有系統規范的定義，長江水利委員會編寫的《維護健康長江，促進人水和諧研究報告》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，反應水流的連通性和水系的連通狀況。在此基礎上，張歐陽[7]等人認為水系連通性就是要滿足兩個基本因素：一是要有能滿足一定需求的保持水流運動的水量；二是要有水流的連接通道。本研究在借鑒相關研究的基礎上，按照河湖水系的功能和作用選取水資源開發利用率和本地水資源供需比來表示資源調配型連通性，選取水質指標和水質達標率來表示生態修復型連通性，選取特大洪水來水量與蓄水能力之比來表示災害防御型連通性[8,9]，并根據山東省水利廳《山東省水資源保護規劃技術大綱》選取縱向連通性指標和橫向連通性指標作為評價泗河流域內河流結構連通性影響的依據。

(1)功能連通性指標。

①資源調配型指標：水資源開發利用率，反映研究區水資源開發利用程度，按照國際標準，若水資源開發利用率大于60%，則該地區的水資源開發利用程度較高，可進一步開發利用的潛力較小。本地水資源供需比，反映本地缺水程度。

(3)

(4)

②生態修復型指標：采用EC(電導率)、五日生化需氧量、化學需氧量和高錳酸鉀指數來反映研究區水質狀況。采用水質達標率來反映水功能區水質的總體狀況。

(5)

③災害防御型指標：特大洪水來水量與蓄水能力之比，反映區域內水庫、分滯洪區等水利工程泄洪能力大小。指標越小，則抵御洪水的能力越強。

(6)

(2)結構連通性指標?？v向連通性是指在河流系統內生態元素在空間結構上的縱向聯系，橫向連通性指具有連通性的水面面積、長度占統計的水面總數之比。計算公式如下：

W=N/L

(7)

式中：W是指縱向連通性系數；N指河流的斷點(或節點)等障礙物數量(如閘、壩等，已有過魚設施的閘壩不在統計范圍之列)；L指連續河流的有效長度，縱向連通性系數越大，河流連通性越差。

C=A2/A1

(8)

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

3 結果分析與討論

3.1 攔蓄水狀況分析

根據方案，首先對各閘壩水庫通過截流雨洪水量實現攔蓄水量最大化，然后對水量進行優化調度。結果表明，通過水量調度后蓄水情況(多年平均值)可知，豐水年各梯級閘壩年內完全蓄滿的月份有7.3個月，占60.6%；部分蓄滿為3.9個月，占32.2%，表明豐水年各級攔河閘壩蓄水狀態均達到最佳。平水年內各梯級閘壩蓄水表現為年內完全蓄滿的月份為5.5個月，占45.8%；部分蓄滿為5.6個月，占46.6%，表明平水年各級攔河閘壩能夠達到良好的蓄水狀態。枯水年各梯級閘壩年內完全蓄滿的月份為3.0個月，占25%；部分蓄滿為9.0個月，占75%，表明枯水年各級攔河閘壩蓄水狀況差；通過多年平均蓄水狀況可知，總體年內完全蓄滿的月份為5.3個月，占44.5%；部分蓄滿為5.3個月，占44.5%，各閘壩蓄水狀況不一，黃陰集閘蓄水狀態最佳，完全蓄滿的月份占8.3個月，書院壩作為非汛期外調水功用壩，完全蓄滿的月份為1.8個月；金口壩承擔城市供水任務，年內完全蓄滿月份僅為0.4個月，但部分蓄滿月份為9.9個月，占82.5%，表現為較好的蓄水狀態。總體上，最大化攔蓄水量增加了流域內可用水資源量，泗河流域50%總可供水量增加了4 270 萬m3，75%總可供水量增加了3 806 萬m3，95%總可供水量增加了3 109 萬m3，泗河流域內可用水資源總量明顯增加(圖2)。

3.2 水量優化調度對水系連通性的影響分析

(1)對功能連通性的影響分析。通過計算分析各功能性指標，得到研究區水量優化調度前后的功能性特性(表1)。

水資源開發利用率降低，本地水資源供需比提高。水資源總量由規劃調度前的15 310 m3，增加到規劃調度后的20 680m3。隨著水資源總量的增加，水資源開發利用率也由原來的34.7%，減少到25.7%，水資源開發利用潛力較大。現狀水平年75%頻率的供需比為0.857，優化調度后，75%頻率的供需比變為0.903，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 水量優化調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

水質狀況有所改善。在我國，目前對于河流保護的主要工作是水質的恢復[10]?；诼摵险{度改善水質狀況在我國大流域內也有成功的應用[11,12]。在泗河流域內進行水量優化調度可增加流域內河流的連通性，有助于增強水流的自凈能力與納污能力[13]，達到改善水質的效果。同時，通過對流域內相關庫區閘壩進行水質指標監測表明(圖4)，在豐水期各水質指標明顯低于枯水期，這可能是由于河道內河水水量與流速增加[14]，在污染物數量穩定的前提下，由于水體的稀釋作用，增加了水體的環境容量與自凈能力[15]，降低水質的污染狀況，郭巍[16]通過分析COD、NH3-N等與水量的相關關系得出，隨著干流流量增加，河段中COD、NH3-N等污染物濃度會有一定程度的下降，與本研究結果相符。通過對水量調度前后泗河流域總可供水量進行比對表明，泗河流域50%總可供水量增加了4 270 萬m3，75%總可供水量增加了3 806萬m3，95%總可供水量增加了3 109 萬m3，泗河流域內水用水資源總量明顯增加。劉韜[17]在綜述總結認為，資源具有質、量二重性，二者相互影響；徐斌等[15]研究表明，地表水資源量對水質具有決定性影響。因此可以認為，水量調度前后，泗河流域河流水質將得到改善，水質達標率也由優化調度前的90%預計達到規劃調度后的100%。

圖3 泗河流域水質監測成果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劃與建設以及水量的優化調度，水利工程最大蓄水量由原來的45 301 萬m3增加到49 447 萬m3，所以特大洪水來水量與蓄水能力之比也由原來的8.39減少到了7.68，說明泗河流域對抵御洪水的能力有所增強。

(2)對結構連通性的影響分析。本研究在借鑒相關研究的基礎上，從河流縱向連通性與橫向連通性的角度，對泗河流域內通過水量優化調度后的河流連通性進行分析，結果表明：優化調度前泗河河流的斷點(或節點)等障礙物數量為963座(如閘、壩等，已有過魚設施的閘壩不在統計范圍之列)，考慮到水量不足導致的個別小型支流斷流，經計算統計不斷流河流的長度384.6 km，由公式(7)計算得縱向連通性系數為2.50；優化調度調整后前泗河河流的斷點或節點等障礙物數量為977座(規劃新增14座橡膠壩)，經計算統計連續河流的長度387.3 km，泗河縱向連通性系數為2.52，而縱向連通性指標越大，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河流連通性，這與羅賢[18]、張歐陽[13]等的研究結果一致。同時，由濟寧水文局調查可知，優化調度前泗河具有連通性的水面面積為918 km2，經統計的水面面積即泗河流域面積2 357 km2，由公式(8)計算得橫向連通性指標為38.94%，水量優化調度后，保證流域內河流連續，使泗河具有連通性的水面面積增加，經濟寧市水文局統計約為1 285 km2，優化調度后橫向連通性指標約為54.52%，河流橫向連通性系數越大，則河流連通性狀況越好，因此，水量優化調度在一定程度上改善了由于修建水庫、閘壩等對河流連通性造成的不利影響，使河流連通性提高(表2)。

表2 水量優化調度前后結構連通性特征變化Tab.2 Change of structure connectivity characteristics before and after the water optimization of scheduling

優化調度后相對于優化調度前，泗河連通性整體上有所改善，但相對于自然狀況，人為修建的水庫、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，泗河流域內河流連通性的降低主要是由于城市化過程中高強度的人類干擾，使廊道的連接率明顯下降[19,20]。河流上修建水庫與閘壩在一定程度上阻斷了水流的連續性，降低了水體的自凈能力，使同一斷面下的流量減少[13]，然而河網連通狀況還受到閘門與泵站的調度影響[19]，因此，可以通過對改進已建閘壩的調度運行方式作為非工程措施改進水系流通性[21]。

4 結 語

(1)水量優化調度可以改善水系的功能連通性。水量優化調度可以使得研究區水資源得到合理調配，改善研究區河流水質，增強研究區的災害防御能力。從而使得研究區的功能連通性得到改善。

(2)水量優化調度后，可以彌補由于水利工程建設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規劃和流域生態恢復提供依據。

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