贛撫平原灌區(qū)城市生態(tài)環(huán)境優(yōu)化調(diào)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(tài)經(jīng)濟區(qū)建設，響應江西省委省政府提出的“生態(tài)立省、綠色崛起”的發(fā)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(zhàn)略構(gòu)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(tài)文明城市建設，爭取在全省率先實現(xiàn)水利現(xiàn)代化，成為引領全省水利發(fā)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(tài)修復與保護、河湖濱水區(qū)水景觀的構(gòu)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(nèi)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(wǎng)較多，但是普遍水位較低，取水困難，并時常發(fā)生季節(jié)性干旱，給城市河湖生態(tài)環(huán)境供水帶來較大困難。在南昌市生態(tài)環(huán)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(tài)修復工程，但在城市河湖生態(tài)環(huán)境需水、河湖水質(zhì)、水量、水位演變規(guī)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(tài)環(huán)境用水的優(yōu)化調(diào)度和供水調(diào)度的科學性，使城市河湖連通工程和水生態(tài)修復與保護工程未發(fā)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(qū)城市生態(tài)環(huán)境供水資源優(yōu)化調(diào)度研究，通過灌區(qū)水資源調(diào)度，在保證農(nóng)業(yè)灌溉和生產(chǎn)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(wǎng)內(nèi)水體定向、有序流動，加快更新速度[2]。充分利用灌區(qū)水資源，改善城市河湖水質(zhì)，實現(xiàn)水生態(tài)、水景觀和水環(huán)境的修復、改善和保護。以確保水資源的可持續(xù)利用，保障社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。這不僅是提高現(xiàn)有河湖水環(huán)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(huán)境方案在中國的實踐，符合我國現(xiàn)階段社會經(jīng)濟發(fā)展和改善環(huán)境雙重目標的要求。

1 研究區(qū)域基本情況

1.1 研究區(qū)域水系情況

研究區(qū)域位于南昌市城區(qū)，水網(wǎng)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(diào)度進水口為贛撫平原灌區(qū)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(qū)域水系圖Fig.1 Water system map of the study area

1.2 城市河湖水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度研究成果

為了制定合理的調(diào)度方案，了解調(diào)水流量大小、水量多少以及在調(diào)水過程中湖泊水質(zhì)水動力條件的改善情況等，在制定調(diào)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(zhì)水量狀態(tài)，建立了城市二維水動力水質(zhì)耦合模型，并用實測數(shù)據(jù)進行了參數(shù)率定，模擬不同供水情況下不同污染程度的水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度過程[3]，模擬成果見表1。

2 生態(tài)調(diào)水流量優(yōu)化

2.1 調(diào)度方案多目標評價指標體系

調(diào)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(zhì)監(jiān)測點。當監(jiān)測點的水質(zhì)達標時繼續(xù)進行調(diào)水會極大地增加運行成本，所以當監(jiān)測點水質(zhì)達標(Ⅳ類水)時，停止調(diào)水[4]。考慮河湖此時的水動力條件、水質(zhì)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(tài)調(diào)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(tài)流量優(yōu)選過程

生態(tài)調(diào)水流量的優(yōu)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(tài)調(diào)水流量的優(yōu)選過程，在求解過程中以青山湖的中水位、初始狀態(tài)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(yōu)劣，將各指標將原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)矩陣A=(aij)m×n，對其歸一化后得到R=(xij)m×n，對值越大越優(yōu)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(shù)據(jù)歸一化后的值；aij為為第j個方案的第i個指標的數(shù)據(jù)。

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

(2)

青山湖生態(tài)環(huán)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(zhì)水量優(yōu)化調(diào)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(zhuǎn)化為單目標問題，常用的方法有約束法和權(quán)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(zhuǎn)化為不等式約束，通過求解約束問題生成非劣解。權(quán)重法的思想是通過賦予各個子目標一定的權(quán)重，將其按照線性組合的方式將多目標轉(zhuǎn)化為單個目標然后進行優(yōu)化求解[7]。由于約束法適合于求解兩個目標的優(yōu)化決策[8]，當優(yōu)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(quán)重法求解優(yōu)化模型，權(quán)重選定如下。

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

制約城市生態(tài)環(huán)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(jīng)不可或缺的今天，無論是從社會效益考慮，還是從經(jīng)濟效益上來考慮，關(guān)注城市生態(tài)環(huán)境的用水量，在達到相同的環(huán)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(tài)環(huán)境調(diào)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(quán)重w1=0.5。

經(jīng)統(tǒng)計分析，近年來南昌市內(nèi)各河湖的水環(huán)境都處于較差的狀態(tài)，嚴重影響了城市的形象與人們的生活。生態(tài)環(huán)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(zhì)，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(nèi)。湖泊中總磷濃度和總氮濃度的減少，是生態(tài)調(diào)水的目標的體現(xiàn)，賦予其較大的指標權(quán)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(tài)調(diào)水一定時間范圍內(nèi)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(huán)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(qū)平均流速同等的、較小的權(quán)重w4=w5=0.1。得出各指標的權(quán)重詳見表5。

2.2.3 計算綜合評價得分

將權(quán)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(quán)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(quán)重xij為第j個方案的第i個指標的數(shù)據(jù)歸一化后的值。

綜合評價得分計算結(jié)果見表6，比較各方案的計算結(jié)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(tài)為輕度污染這一工況最適宜的生態(tài)調(diào)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(tài)調(diào)水流量優(yōu)選結(jié)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(diào)水方案進行評價，優(yōu)選出了各湖泊不同水量水質(zhì)狀態(tài)下情況下的生態(tài)調(diào)水流量，見表7。

表7 各河湖生態(tài)調(diào)水流量優(yōu)選結(jié)果表Tab.7 Optimal results of ecological water transfer flow of each river and lake

通過觀察表7發(fā)現(xiàn)，在同一河湖水體、同一水位，污染程度越大，其生態(tài)調(diào)水流量越大，部分生態(tài)調(diào)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(tài)調(diào)水量與水位變化無明顯規(guī)律，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是主要與表1模擬結(jié)果有關(guān)，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(diào)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(diào)水流量和達標時間增大，產(chǎn)生兩種不同結(jié)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(chǎn)生影響；在同一湖泊，不同污染程度，隨著水位的降低，水質(zhì)達標時，TP和TN的平均濃度也無明顯規(guī)律。進而導致生態(tài)調(diào)水流量與水位無明顯規(guī)律。

3 灌區(qū)城市生態(tài)環(huán)境供水量分析

根據(jù)建立的方案評價指標體系，對不同的生態(tài)調(diào)水方案進行評價以后，優(yōu)選出了青山湖、象湖、艾溪湖、梅湖在不同水質(zhì)水量狀態(tài)下的生態(tài)調(diào)水流量，可為實際調(diào)水操作進行指導。但是在全年范圍內(nèi)，生態(tài)調(diào)水是一個需要長期反復進行的工作，可進行生態(tài)調(diào)水的次數(shù)也是有限的，調(diào)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(tài)調(diào)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(tài)調(diào)水水量為依據(jù)，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(zhì)狀態(tài)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(diào)水量作為計算的依據(jù)。通過《南昌市城區(qū)各河湖溝渠基本情況表》進行統(tǒng)計分析后，得出三湖蓄水量占城區(qū)的73.44%，反推求得南昌市全部河湖進行一次生態(tài)調(diào)水所需水量，根據(jù)《贛撫平原灌區(qū)現(xiàn)代化規(guī)劃》，贛撫平原灌區(qū)在50%、75%、90%頻率來水年分別對應的城市生態(tài)環(huán)境可供水量為32 700、27 400、22 900 萬m3[10]。全年生態(tài)調(diào)水次數(shù)計算結(jié)果見表8。

表8 生態(tài)調(diào)水水量優(yōu)選表Tab.8 Optimal ecological water meter

4 結(jié) 論

本文根據(jù)不同供水情況下不同污染程度的水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度成果以及南昌市中心城區(qū)現(xiàn)有水利工程現(xiàn)狀、河湖渠道水系情況，建立了包括水力條件、水質(zhì)改善、調(diào)水成本的多目標評價指標體系，采用權(quán)重法的形式進行求解，在城市河湖處于不同水位和水質(zhì)狀態(tài)時的多個不同生態(tài)調(diào)水流量方案進行比選，優(yōu)選出了青山湖、象湖、艾溪湖、梅湖在不同水位和水質(zhì)狀態(tài)下的生態(tài)調(diào)水流量。

在贛撫平原灌區(qū)水資源調(diào)度中，由不同水位狀態(tài)的南昌市河湖全年生態(tài)調(diào)水水量(表8)可知：在50%頻率來水年時，分配給城市生態(tài)環(huán)境的水量可進行生態(tài)調(diào)水13.4～15.4次；在75%頻率來水年時，分配給城市生態(tài)環(huán)境的水量可進行生態(tài)調(diào)水10.6～12.7次；在75%頻率來水年時，分配給城市生態(tài)環(huán)境的水量可進行生態(tài)調(diào)水7.7～9.4次。不同來水年的平均次數(shù)為11.5次，基本能夠?qū)崿F(xiàn)到每月南昌市進行一次全面的生態(tài)調(diào)水。

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