基于河湖水系連通的高原湖泊水資源優化模擬

楊 霄，陳 剛,2，桑學鋒，顧世祥，周祖昊(.云南省水利水電勘測設計研究院，昆明 65002；2.河海大學水文水資源學院，南京 20098；.中國水利水電科學研究院，北京 0008)

0 引 言

流域水循環“自然-人工”二元演變是導致近30年來各地水問題和水危機的本質原因，水資源科學調控的基礎是對高強度人類活動干擾下流域水循環與水資源演變內在機理及其規律的認知[1]。進行水資源模擬時，由于水庫群聯合調度供水、分水規則的“二重性”，應將區域水資源時空配置與具體每個水庫的調度統一起來[2-4]。如建立綜合利用水庫生態庫容優化模型及水資源系統仿真模型，以各用戶供水保證率最大且均衡為目標，采用自適應遺傳算法、模擬調度等方法進行優化模擬[5,6]。在水資源緊缺地區，應積極發揮污水再利用及河湖水系連通工程對水資源系統的優化調整作用。將污水再利用納入城市涉水單元體系，構建水量水質動態配置的水代謝系統，發揮水環境景觀、再生水調節、水質穩定與改善作用[7]。當污水處理廠尾水補充城市湖泊時，要調整補水和用水途徑、優化水體運行方案，既維持湖泊水量平衡，又大幅度削減主要污染物的積累[8]。河湖水系連通從最初被動的自然水系連通逐步發展到適應、局部開發的連通改造，到主動改造、區域開發的水系連通，直至影響加大、規模開發的復雜水系連通[9]。以自然河道、湖泊、水庫和人工渠道等恢復水系的連通性，提高水資源統籌調配能力、改善水環境和維持水生態、增強水旱災害抵御能力，促進人水和諧發展[10,11]。

滇池流域是云南省人口聚居區和經濟核心區，也是水資源供需矛盾最為顯著的區域，水環境污染嚴重，水生態脆弱。水少、水臟、水資源開發利用程度高已嚴重制約了區域經濟和社會的發展。水資源條件差、水資源配置體系不適應社會經濟的發展格局等已成為影響區域水資源可持續利用的主要因素。近50多年來，圍湖造田、城市生活污水排放、農業面源流失等人類活動造成了滇池由貧營養向富營養的快速演替，生態系統由清水-草型向濁水-藻型的劇烈退化[12]。2003-2013年，滇池水污染問題逐漸被重視，階段性水環境綜合治理后水質惡化趨勢基本被遏制，經濟社會過度發展后應提高城市污水收集處理及回用率，實施人工引水入滇工程，通過水體交換減輕內源污染，恢復外海濕地生態系統，加強湖體的自凈能力[13]。昆明市建設了一系列“引水濟昆”工程，隨著掌鳩河引水供水工程、清水海引水工程、牛欄江-滇池補水工程等外流域引調水工程相繼投入運行，以滇池流域作為主要受水區的滇中引水工程也正在開展前期工作，滇池流域將逐步形成以滇池為核心，本區松華壩等大中型水庫、地下水、滇池、城市再生水、外流域調水等多水源聯合調度的河湖水系連通供水格局。基于以上供水格局，本文設置不同供水方案進行配置結果比較，探索水系連通工程對流域供水公平性及安全性提高的作用。

1 資料和方法

1.1 使用的數據

①松華壩等大型水庫1953-2013年逐月入庫徑流、出庫流量、水面蒸發等資料；②滇池流域、螳螂川區間及外調水源區的10多座中型水庫，55座小型水庫1956-2013年逐月入庫徑流、出庫流量、水面蒸發等資料；③滇池1951～2013年逐月水面蒸發、出湖水量觀測資料；④區域內18個水文站和雨量站1951-2013年的逐月徑流、泥沙、降水量等觀測資料；⑤1980、1993、2000、2004、2008、2012年等不同典型年各縣(市、區)的城鄉供水、工農業經濟統計年報。⑥研究區內的城市、工業園區、農業、水利等發展規劃。

研究范圍涉及滇池流域、普渡河和牛欄江上等3個水資源四級區，其中滇池流域涉及計算單元有昆明主城、呈貢龍城、晉寧昆陽、盤龍松華、官渡小哨。普渡河流域涉及計算單元有西山海口、五華西翥、安寧連然和富民永定(僅為普渡河流域部分區域，下文無特別說明，專指安寧市、富民縣和五華區部分)；牛欄江上涉及的計算單元有官渡小哨，即官渡小哨分屬滇池流域和牛欄江上2個水資源四級區。

1.2 邊界條件

為了揭示不同引調水供水工程在各來水頻率下水資源配置成果之間的差異，研究選用2012年、2020年和2030年作為3個水平年。

2012年，以現狀用水水平為基礎，供水側采用現狀各類水源供水方案，需求側基于現狀年水平下各用水戶用水需求。揭示現狀的供水水平和滇池普渡河流域行業用水水平下的流域水資源供需缺額。

2020年，水源增加牛欄江-滇池補水工程、大營水庫、馬料河水庫、箐門口水庫及新建小型水庫等規劃新建工程。基于“清水入湖、中水回用、清污分流、系統配置”的基本原則，通過水系連通工程將牛欄江-滇池補水工程生態補水量直接輸水或置換供水(水庫生態調度)，分配到滇池主要入湖河流，實現“多口補滇”。在不影響滇池生態補水水量和水質的前提下，兼顧這些河流生態環境的改善，實現“河清湖美，水繞城轉”。選取盤龍江、寶象河、洛龍河、馬料河、撈魚河、梁王河、東大河作為清水補水通道，將牛欄江補水滇池的生態用水通過水系連通工程提水輸送，沿原松華壩水庫東干渠自流進入東大溝，沿程興建支渠經過寶象河、果林水庫、洛龍河、撈魚河、梁王河，達到改善各河流及滇池生態的目的。金汁河、大觀河、船房河、運糧河等河流則利用污水處理廠尾水滿足河流生態用水，同時兼作城市尾水的外排通道，通過環湖截污干管直接外排至滇池下游。

2030年滇中引水工程建成后，牛欄江-滇池補水工程調整為向曲靖城市年供水3.1億m3，向滇池年補水量降至1.38億m3，不足部分由滇中引水工程解決。滇中引水工程從盤龍江分水口將滇池所需生態用水輸送至滇池流域水系連通工程，依次進入各清水通道，為各河流及滇池進行生態補水。為維護和修復滇池水生態環境，流域內的工礦企業已經向下游安寧富民工業走廊轉移，布局發生根本性轉變。滇池從保障昆明生產生活供水的水源地，向需要進行生態修復、改善水質的用水戶轉變。

1.3 水資源系統優化模擬方法

采用國際主流、國內引進和成熟應用的水資源配置管理工具MIKE BASIN建立滇池流域的水資源配置模型， MIKE BASIN在重大工程的水資源配置規劃、規模論證及方案比較中得到廣泛應用[14,15]，模型構建步驟如下：

(1)對流域內的河流水系、供用水戶進行概化并繪制網絡圖，滇池流域2030年水資源系統概化網絡圖如圖1所示。根據水力聯系建立區域水資源系統網絡模擬模型。模型中的河流節點分為匯流節點、分流節點等，供水戶結點包括水庫節點、引水節點、提水節點等,用水戶節點可分為城鎮生活、工業、農村生活、濕地生態、農業灌溉等。

(2)數據處理。對模型計算需要的徑流過程、水庫特征參數、水庫調度規則、需水過程、供用水優先順序等數據和參數進行處理,將數據轉換成滿足模型計算要求的格式。

(3)對相關參數進行率定，檢驗節點水量平衡，基于行業間用水公平性規則進行水資源系統模擬，各類用水戶嚴格按供水水質要求進行配置，遵循“優水優用、高水高用”的基本原則。采用“三次供需平衡”方法得出滇池流域現狀、2020水平年、2030水平年的水資源統一配置成果。

圖1 2030年滇池流域水資源系統概化網絡圖

1.3.1目標函數

目前國內進行多目標水資源優化配置時，通常選取生活用水效益、農業用水效益、工業用水效益、第三產業用水效益和生態環境用水效益等目標進行多目標決策，以達到經濟、社會、環境等各部門綜合效益最大的目標[16,17]，較少從供水安全和區域間供水公平來考慮，而供水安全和公平性也應是水資源配置所關心的核心目標，因此，本次研究采用公平性最優和供水缺水率最小作為水資源優化配置的目標函數，綜合考慮區域間及各用水部門的供水安全性和公平性。

(1)公平性最優目標。

minF(x)=∑myry=1∑12n=1∑mhh=1qhGP(Xh)

(1)

其中：

(2)

各行業城市生活、農村生活、工業、農業、濕地生態的用戶懲罰系數分別為：10、10、10、0.1、0.1。

根據區域公平性目標的定義，差異越小說明各個單元之間公平程度越趨于一致。

(2)缺水率最小目標。

minYx=∑myry=1∑12n=1∑mhh=1qhSW(Xh)

(3)

其中：

(4)

式中：Y(x)為供水脅迫目標；SW(Xh)為供水脅迫函數；qh為行業用戶懲罰函數；xuh為區域單元u中行業用戶h的缺水率；Sobnh為區域行業用戶h的各月供水脅迫目標理想值；myr為計算時段的年數；n為年內月值；mh為區域行業用水類型的數目；mu為區域單元數目。

根據缺水率目標的定義，缺水率越大說明供水保障率越小。

(3)總目標。為了將多目標問題轉化為單目標求解，對配置模型中的公平性和缺水率兩個目標函數進行加權求和，得到最終的總目標函數?？偰繕撕瘮倒綖椋?/p>

Z(x)=f·F(x)+y·Y(x)

(5)

式中：Z(x)為總目標；f為公平指標系數；F(x)為公平指標；y為供水風險指標系數；Y(x)為供水脅迫目標，根據流域實際情況，選取公平性指標系數為0.50，供水風險指標系數為1.00。

根據總目標函數的定義，總目標函數越小說明配置結果越能滿足全局優化。

1.3.2約束條件

約束條件涉及各級供水節點、各級用水單元的水量平衡及約束條件。

(1)水質約束條件。配置時應貫徹分質供水。在水資源供需平衡中，嚴格按照各部門的用水水質標準執行：城鄉生活供水水質為地表水Ⅲ類及其以上，工業供水水質為Ⅳ類以上，農田灌溉和生態環境用水的水質標準為Ⅴ類以上。對于水質不達標的水量，將作為不合格供水，從原來的總供水量中予以扣除，不再參與供需平衡。規劃水平年實施水資源保護治理措施后，達到水功能區劃確定目標的水質，可納入水資源配置。處理達標的再生水可用于供給農業灌溉、工業冷卻用水等及河道外生態環境用水。

(2)湖泊、濕地、河道用水量約束條件。在長系列的配置模擬中，湖泊(或濕地)、河道水量下限采用以下幾種約束： ①多年平均入湖泊(或濕地)水量下限滿足湖泊(濕地)最小生態需水量； ②以湖泊(濕地)最小生態需水量的50%～80%作為年約束；③河道最小生態需水約束：未來水平年河道最小生態需水在汛期定為天然來流系列的30%，非汛期為天然來流系列的10%。研究區域缺水形勢嚴峻，近期2020年暫不下泄生態流量，2030年則根據河道情況選擇以上幾種生態配水量約束方式。

(3)滇池水位約束條件。滇池運行調度及運行水位參照《云南省滇池保護條例》(2013年1月頒布)，汛期限制水位由1 887.0 m提高到1 887.2 m，正常高水位抬至1 887.5 m，最低工作水位為1 885.5 m，特枯水期對策水位1 885.2 m。

(4)其他約束條件。主要包括流域各單元供用耗排水量平衡方程，當地水節點水量平衡方程，計算單元用水量計算方程，當地可利用水量平衡方程及決策變量非負約束條件等。

1.4 配置方案組合

為研究河湖水系連通工程對區域水資源供水公平性、供水保障程度的影響，對規劃水平年的供水情景設置多方案組合進行水資源系統模擬，如下表1。流域外水系連通工程主要包括牛欄江-滇池補水工程及滇中引水工程；流域內水系連通工程主要包括清水連通工程及中水連通工程，清水連通工程即盤龍江-寶象河-果林水庫-洛龍河-撈魚河-梁王河等清水通道連通工程，再生水連通工程即滇池南、北岸環湖截污干管，將滇池流域污水集中收集處理后排放至下游安寧，并沿途向部分工業、城市生態供水。

表1 不同水平年滇池流域水資源配置的水系連通情景組合

2 結果分析

2.1 現狀年水資源系統模擬

采用MIKE BASIN配置模型，通過對現狀年進行長系列仿真模擬，模擬結果與實際工程供水情況進行對比，針對結果差異進行模型參數調參，驗證MIKE BASIN模型的合理性。由圖2知，MIKE BASIN配置結果與實際供水情況擬合度高，從區域各單元供水總量來看，二者相關系數達到0.999，從行業供水來看，配置結果與現狀各行業供水基本一致，從區域各行業供水總量來看，二者相關系數也達到了0.999。

圖2 各計算單元和行業供水總量模擬結果對比

2.2 規劃水平年水資源系統優化模擬

2020水平年需水量15.2億m3，方案一為基本方案，供水方案為本地基本供水工程，各類水利供水量13.3億m3，缺水19 100萬m3，缺水率12.54%。方案二在基本方案的基礎上增加流域內水系連通工程，大量增加再生水的利用量，供水量增加至15.0億m3，缺水1 868萬m3，缺水率1.23%。方案三在方案二的基礎上增加流域外水系連通工程牛欄江-滇池引水工程，該工程不供生產生活用水，因此只對濕地生態用水產生影響，因此方案三較方案二大大提高了濕地生態用水保證率，方案三各類水利工程供水量15.1億m3，缺水1325萬m3，缺水率0.87%，各計算單元城鎮生活、工業和農村生活供需基本平衡，農業灌溉保證率達到75%以上。

2030水平年需水量17.7億m3，方案一為基本方案，由于下泄生態水量，各類水利供水量減少至8.54億m3，缺水9.12億m3，缺水率高達51.63%。方案二在基本方案的基礎上增加流域內水系連通工程，大量增加再生水的利用量，供水量增加至9.08億m3，缺水8.58億m3，缺水率48.6%。方案二在方案三的基礎上增加流域外水系連通工程牛欄江-滇池引水工程及滇中引水工程，流域外水系連通工程的加入大大地增加了供水量，濕地生態用水的保證率也大大提高，方案三各類水利工程供水量17.5億m3，缺水1 352萬m3，缺水率0.8%。各計算單元城鎮生活、工業和農村生活供需基本平衡，農業灌溉保證率達到75%以上。

2.3 方案評價

根據各水平年各方案水資源配置成果計算區域各個行業的供水公平性和供水缺水率目標值(無量綱)，結果見表3，對比分析規劃水平年各方案水系連通工程對水資源系統的供水公平性及供水風險的影響。

表2 流域各方案水資源供需平衡成果(多年平均) 萬m3

表3 各水平年各行業配置指標 無量綱

由表3知，方案一各行業的缺水率指標及公平性指標較方案二基本均有增大，尤其是公平性指標顯著增大，主要是流域內水系連通工程加入配置后，再生水利用量大幅增加，各小區的缺水率均大幅減小，說明2020年流域內水系連通工程對解流域缺水、實現區域供水公平具有重要意義。2020年方案二與方案三只在濕地生態行業的目標值有差異，是由于牛欄江-滇池補水工程只對滇池流域進行生態補水，補水后濕地生態的缺水率指標及公平性指標顯著降低，因此方案三的總目標低于方案二，說明牛欄江-滇池補水工程對保障滇池流域濕地生態用水起到重要作用。

2030年方案三各行業的各項指標都明顯小于方案一及方案二，這是因為滇中引水工程向除盤龍松華以外的所有小區供給生產生活用水共8.76億m3，若滇中引水工程不供水，則各小區基本都會出現較大程度的缺水，導致公平性及缺水率指標均顯著增大，說明滇中引水工程是解決整個滇池流域未來水平年的缺水形勢、提高流域供水公平性的重要工程措施。對比方案一及方案二，方案二流域內水系連通工程，則各指標均有減小，說明2030年流域內水系連通工程對解決流域缺水、實現區域供水公平具有一定作用。

對比2020年及2030年的方案三，即各水平年的規劃水系連通工程全部發揮功能的情形，各行業的缺水率指標及公平性指標均減小，說明供水保障程度越來越高，區域間的供水公平性越來越好。2030年的總目標值較2020年減小，可以看出，在多目標、多水源、多用戶水資源分配，從缺水率最小和區域公平性最高兩個方面，水系連通工程對于空間的水資源均衡調控和時間的水資源均衡調控都具有獨特的優勢。

圖3、4、5為各規劃水平年總指標、缺水率指標及公平性指標的系列年趨勢。顯然，2020年在滇中引水工程未發揮作用之前，遭遇1962年、1990年、1992年、2010年等類似特枯水年時，缺水率指標就明顯增大，而公平性指標逐年數值也并不穩定，浮動較大。2030年滇中引水工程向流域供水后，各方案的缺水率指標及公平性指標的穩定性較2020年顯著提高，在特枯水年基本不會出現大幅波動，同時有滇中引水工程供水的方案三數據較2020年的數值顯著減小。因此，由圖對比進一步說明滇中引水工程對未來水平年滇池流域的供水保障性、區域供水公平性具有重要意義。

圖3 各方案總目標函數系列

圖4 各方案缺水率目標函數系列

圖5 各方案公平性目標函數系列

3 結 語

河湖水系連通工程是改善滇池水質的工程控制之關鍵，掌鳩河云龍水庫引水、清水海引水、牛欄江-滇池補水等一批鄰近流域調水工程的建成，為滇池流域城市生活、工農業生產和湖泊生態修復補水提供了水源保障。城市自來水、再生水收集處理、環湖截污干管及外排資源化利用工程等系統的逐步實施，構成了滇池流域復雜的水資源系統。為避免城市和工農業生產發展擠占河湖生態用水的問題再現，應將整個區域內的城鄉生活、工業、農業灌溉與河湖生態、濕地生態、湖泊生態修復等的“三生”用水統一優化配置，將牛欄江-滇池補水與寶象河、雙龍、柴河、大河等水庫進行生態用水替代調度，以及當地蓄引提、鄰近流域調水、城市再生水等多種水資源實行統一、跨區域調控，建立MIKE BASIN水資源優化配置模擬模型進行水資源統一優化配置，設置不同的水系連通工程供水方案組合，采用公平性最優和供水缺水率最小作為水資源優化配置的目標函數，對各水平年各方案配置結果進行評價。結果表明，2030年本區河湖水系連通工程加入后缺水率由51.63%降到48.6%，滇中引水工程加入后，缺水率進一步減小至0.8%，隨著流域內河湖水系連通工程的逐步完善，區域供水保障程度越來越高，區域間的供水公平性越來越好，河湖水系連通工程對減小區域缺水率、實現區域間、行業間的供水公平起到了重要作用。2030年滇中引水工程建成后，滇池流域形成較完善的河湖水系連通體系，在保障流域河湖生態用水的前提下，對流域水資源進行系統優化配置，城鄉生活、工業和農業灌溉供需基本平衡，各行業用水均能得到保障。

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