汾河下游生態基流調控方案研究

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

汾河中下游地區是山西省糧棉經濟作物主產區，流域多年平均水資源總量為33.6億m3，占山西省水資源總量的27.1%，地表水開發利用率為72.1%，屬于高度開發利用區。汾河流域是山西省水資源、水生態問題最突出的地區，地下水超采、泉水衰減、入河排污量大、沿河濕地萎縮、河流廊道生態系統脆弱等問題直接影響了區域社會經濟的可持續發展。研究區生態脆弱的原因主要為水量不足和水質惡化，其中水量嚴重不足，污染物排放超過納污能力，也是流域水質惡化的重要原因。

針對目前汾河流域水生態面臨的上述問題，迫切需要提出切實可行的水生態系統保護技術與生態修復方案。在水生態系統修復方面，國內外學者和有關部門已經進行了大量的研究和實踐，提出了多種生態修復技術，如河流廊道修復技術[1]、人工濕地修復技術[2-3]、地下(巖溶)水系統保護與修復技術[4-5]、采煤區水生態保護與修復技術[6]、水土流失區生態保護與修復技術[7-8]等。而對于北方河流，尤其是山西省的河流，水量不足是首要問題，如何將水留住，保證河道最小生態基流量，進而涵養水源，提高水資源承載力，是汾河下游水生態修復的主要目的。

本研究主要以解決水量不足的問題為目標，以汾河下游趙城斷面作為典型斷面進行了生態基流盈缺分析，制定了流域內部工農業及生活用水調控和跨流域調水相結合的汾河下游生態基流保障方案，用以保證河道生態基流量，以期為汾河下游水生態修復提供理論基礎和實踐參考。

1 生態基流量計算

生態基流量的計算選用Tennant法，Tennant法理論認為研究區的河道最小生態基流應不低于多年平均天然流量的10%[9]。選取趙城斷面1995—2015年天然徑流量資料，計算P=50%平水年(2009年)和P=75%枯水年(2000年)的月最小生態基流量，結果見表1。

表1 汾河下游趙城斷面平水年和枯水年月最小生態基流量 單位：萬m3

2 汾河下游工農業及生活用水調控

2.1 生態基流盈缺計算及分析

選用汾河下游趙城斷面平水年和枯水年的實測徑流量、最小生態基流量和2015年現狀地表水引水量資料進行生態基流盈缺計算，結果見表2。

表2 趙城斷面平水年和枯水年生態基流盈缺計算結果 單位：萬m3

注表中盈缺量數值為正表示實測徑流量與現狀引水量之和滿足生態基流后的盈余量，數值為負表示無法滿足生態基流的虧缺量。

由表2可以看出，平水年僅9月、10月的實測流量引水后能夠滿足生態基流，平水年的其余月份和枯水年各個月份均不能滿足生態基流需求。因此，需對引水量進行合理調控，調控原則以滿足生態基流為前提，同時對流域內工農業生產及居民生活不造成較大影響。

2010—2015年汾河下游平均用水總量為9.81億m3，其中農田灌溉用水量占總用水量的比例最高，為68.3%，城鎮工業用水和居民生活用水次之，分別占總用水量的12.3%和10.2%，其余用水所占比例相對較小。這一現狀表明汾河下游用水量主要集中在農田灌溉、城鎮工業、居民生活三方面，因此本研究主要對這3種用水進行調控以保障汾河下游河道生態基流。

2.2 生態基流調控模型的建立

汾河下游河道生態基流調控模型的構建以月為時間尺度。同時，由于生態基流的作用是保證河流生境健康發展，對流域水生態修復具有重要意義，調控模型的建立應首先保證基本的生態用水和生活用水，而非以用水部門的經濟效益最大化為目標，因此規劃目標設定為不同用水部門實際引水量與需水量之差平方和最小。

根據汾河下游實際情況，將農業灌溉、工業、生活及河道生態基流視為主要用水部門。首先確定各個用水部門的引水過程，根據來水總量過程分析以及生態基流量需求，給每個部門賦予不同的權重，構建以引水量與需水量之差平方和最小為目標的調控模型。

模型目標函數：

MinZ=λ1(X1-A)2+λ2

(X2-B)2+λ3(X3-C)2

模型約束條件：

X1+D1=X4(水量平衡約束)

X2+D2=X5(水量平衡約束)

X3+D3=X6(水量平衡約束)

X4+X5+X6=E(水量平衡約束)

X7+X8≥F(生態基流量約束)

X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8≥0(決策變量非負約束)

式中：Z為目標函數；X1、X2、X3分別為汾河下游農田灌溉、工業、生活引水量，為決策變量；X4、X5、X6分別為汾河下游農田灌溉、工業、生活實際配水量，為決策變量；X7為自汾河中游流入下游河道的量，為決策變量；X8為汾河下游干流閘壩對河道的調蓄補給量，為決策變量；A、B、C分別為水資源充分供給條件下，汾河下游農田灌溉、工業引水、生活引水需水量，為常變量；D1、D2、D3分別為農田灌溉、工業和生活引水渠道損失量，為常變量；E為汾河下游渠的出流量，為常變量；F為汾河下游的生態基流量，為常變量；λ1、λ2、λ3分別為汾河下游農田灌溉引水、工業引水、生活引水的優先度，為權重系數，λ1+λ2+λ3=1。

2.3 調控模型的簡化

權重λ1、λ2、λ3的取值取決于需水部門的優先度，在滿足不同保證程度的生態基流量前提下，首先滿足生活用水，其次兼顧工業、農業、生態環境等用水，權重系數取值擬定為λ1=0.3，λ2=0.3，λ3=0.4。為簡化計算，農田灌溉、工業和生活引水渠道損失量忽略不計，汾河下游干流閘壩對河道的調蓄補給量忽略不計，則模型可簡化如下：

模型目標函數：

MinZ=0.3(X1-A)2+0.3(X2-B)2+

0.4(X3-C)2

模型約束條件：

X1+X2+X3=E(水量平衡約束)

E+X7=G(水量平衡約束)

X7≥F(生態基流量約束)

X1,X2,X3,X7≥0 (決策變量非負約束)

式中：X7為汾河下游趙城斷面實測流量；G為汾河下游總來水量。

2.4 調控結果及分析

2.4.1 調控結果

采用生態基流調控模型對引水量進行調控，結果見表3。

表3 汾河下游水量調控結果

由表3可以看出，經調控后，不同月時間過程中農田灌溉、工業及生活用水量均減少。平水年農田灌溉用水量減少11.4%、工業用水量減少9.2%、生活用水量減少8.9%，年可減少水量分別為8202萬m3、1120萬m3、1023萬m3，年總減少水量10345萬m3；枯水年農田灌溉用水量減少12.7%、工業用水量減少11.9%、生活用水量減少11.3%，年可減少水量分別為9138萬m3、1448萬m3、1299萬m3，年總減少水量11885萬m3。從全年來看，枯水年引水減少量大于平水年；從不同用水部門角度看，農田灌溉作為汾河下游區域的用水大戶，其引水減少量最大，工業引水減少量次之，生活引水減少量最小。

2.4.2 調控目標實現的保障措施

調控后各用水部門的引水量將有不同程度地減少。以枯水年為例，調控后全年農田灌溉用水、工業用水、生活用水可減少量分別為9138萬m3、1448萬m3、1299萬m3。在實施過程中可采取以下保障措施，以實現各類用水的調控目標。

農田灌溉用水方面，可通過灌區渠道防滲，采用噴灌、滴灌等先進的節水灌溉技術來減少灌溉用水量實現調控目標；工業用水方面，可通過采用節水新技術、新工藝、新設備，推廣循環用水、串聯用水、再生水利用等措施提高工業用水重復利用率，通過提高工業企業節水意識促進工業企業用水效率的提高，鼓勵工業企業優先使用再生水、礦坑水排水等非常規水源來節約引水量，實現減少工業用水量10%左右的調控目標；生活用水方面，通過提高城市居民節水意識，完善用水計量監測系統，大力推廣普及節水器具，建設雨水收集利用系統和中水利用管網，提高再生水利用率等措施，可保障調控目標的實現。

3 跨流域調水方案

對工農業及生活用水的調控是在流域內部進行的，當流域內部調控仍不能滿足生態用水時，則需通過跨流域調水等措施來解決。目前汾河下游生態基流缺水已成事實，為改善河道生態環境、保證流域經濟的可持續發展，依據“先節水后調水”的原則，在節水的同時，可從水資源較為豐富的流域調引適當水量，以補充生態基流的不足。目前在建的引沁入汾和川取水輸水工程、禹門口提水東擴工程和汾河清水復流北趙連接段工程均可為汾河下游段提供生態用水。

3.1 引沁入汾和川取水輸水工程

臨汾市引沁入汾和川取水輸水工程是開發利用沁河上游水資源、解決臨汾盆地和汾河下游供水短缺的一項重要水源工程，年引水量為5900萬m3，其中工業供水2293萬m3，農業供水2074萬m3，非灌溉季節引水(生態用水)1533萬m3。

3.2 禹門口提水東擴工程

禹門口提水東擴工程位于山西省中南部，是向臨汾、運城六縣市(新絳、稷山、襄汾、侯馬、曲沃、翼城)工、農業以及農村生活供水的保障性給水工程。年農業供水量6649萬m3，工業供水8030萬m3，生態補水1446萬m3，總計1.61億m3。

3.3 汾河清水復流北趙連接段工程

汾河清水復流北趙連接段工程從黃河龍門段的禹門口提水東擴工程取水，利用渠道向西范灌區及其東擴工程、北趙灌區輸水，兼顧向汾河西范至入黃口段提供河道生態補水。汾河西范至廟前段河道內生態基流按5m3/s考慮，入黃河口段按1m3/s考慮，可提供生態補水量2922萬m3。

4 結 語

為解決汾河下游河道水量不足導致的生態環境惡化問題，本文選取汾河下游趙城斷面為典型斷面，在生態基流盈缺分析的基礎上，通過建立生態基流調控模型，對流域內部平水年和枯水年的工農業及生活用水進行了調控，可行性分析表明模型合理可靠，調控結果可行。同時，提出了跨流域調水方案：當流域內部用水量調控后仍無法滿足生態用水需求時，可采用跨流域調水方案作為保障措施。本研究提出的汾河下游生態基流保障方案結合了流域內部用水量調控和跨流域調水兩方面內容，可為汾河下游河道生態基流保障和水生態環境修復提供理論基礎和實踐參考。