基于水質-水量-水源地耦合模型的生態補水量研究

潘若云 ，江 雪 ，潘 犖 ，黃曉榮

（1.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065；2.四川大學水力學與山區河流開發保護重點實驗室，四川 成都 610065；3.成都市郫都區綜合行政執法局，四川 成都 611730）

0 引 言

河流作為水資源的重要載體，已成為人類生產生活密不可分的一部分[1]，健康的河流能夠提供生活、工業、農業等用水[2]。然而由于人類對河流不合理的開發利用，導致出現河道斷流、泥沙淤積、生物多樣性受損等問題[3]；另一方面，大量的污染物排放不達標，由農業生產發展導致的農業面源污染逐年加重，河流的水質狀況也會出現問題[4]。河流生態環境的治理和改善受到國內外學者的廣泛關注，加強生態技術應用、推進污染物減排等可以有效改善水環境，但其所耗時間較長[5,6]，如何短期內改善河流水環境成為亟待解決的問題，生態補水應運而生[7-10]。生態補水是指為遏制受損生態系統的結構破壞和功能喪失，人為向其補充生態修復水量，從而恢復生態系統的自我調節功能，改善其水環境狀況[8]，已有研究證明生態補水能在短期內有效改善河流生態環境[11,12]。現階段大多通過水量或水質的單一目標來確定生態補水量，魏健等[13]以水量達標為目標，基于永定河的水文變異和需水水平改變制定了不同生態修復階段，按照環境需水量和生態需水量計算出不同修復階段所需的生態補水量，為永定河生態修復提供了參考。楊柳等[14]根據濕地最小生態水位計算濕地最小生態需水，從而確定洪河濕地補水方案。石成春等[15]以控制斷面水質達標為目標，通過水污染通量來計算所需生態補水量。但由于某些地區水量型缺水和水質型缺水并發[16]，單以水量或水質為目標無法滿足這類區域的生態需求，一些學者開始尋求水量和水質聯合進行補水調度。高曉琦等[17]基于四種常用生態需水計算方法，計算濁漳河各河段生態需水量，通過優化調度模型得到不同生態流量保障的水量水質聯合調度方案，有效改善了濁漳河的水質。王世強等[18]對星海湖主要污染物指標進行主成分分析，建立水量水質耦合模型，從而計算星海湖不同水質目標下的補水量。目前水量水質聯合模型計算生態補水量已經在多地進行了有效應用[19-21]，但鮮有研究考慮到當補水的受體河流和水源河流產生競爭時，水源河流對于補水量的限制性。由于補水水源自身水量是有限的，超額補水可能致使水源本身生態流量不足甚至斷流，也可能會壓縮其他供水對象的用水。如何確定合適的生態補水量是生態修復項目均需解決的難題，基于此，本研究在考慮水質和水量達標的基礎上，增加一項針對水源地影響最小的考慮，建立了以水質-水量-水源地為目標的耦合模型，應用于四川省某中小河流，計算其生態補水量，以期為跨區補水河流項目生態補水量的確定提供決策依據，為改善河流水環境提供一定科學參考。

1 模型建立

1.1 水質目標

1.1.1 現狀水質評價

原始水質監測數據因子眾多，逐個進行分析計算量繁重，因此需要篩選出對水環境影響較大的關鍵因子來代替原始水質數據中的大量評價因子，進行后續計算。根據《地表水環境質量標準》(GB3838－2002)[22]，采用單因子評價法[23]評價現狀水質，將各監測斷面的污染物組分與相應國家標準對比，確定各組分類別，并以最差因子的水質類別作為該斷面水體水質的總評類別，同時找出對水環境影響較大的因子來代替原始評價因子。

1.1.2 基于QUAL-2K模型模擬的控制斷面水質要求

各污染物組分在河道中隨水流流動應遵循質量守恒定律，包括污染物質量守恒和水量平衡[24]。QUAL-2K 模型常用于中小型河流的多組分水質模擬[25]，其基本水質方程是一維平流——擴散物質遷移方程，其不僅考慮了水體平流擴散、稀釋以及各物質組分自身反應的影響，還考慮了各個水質組分間的相互反應以及外部源匯項對于組分濃度所產生的影響[26-28]。QUAL-2K模型流量平衡和污染物質量守恒方程見下式。

式中：cj、cj-1和cj+1分別為單元j、單元j- 1和單元j+ 1的污染物組分濃度，mg/L；t為時間，d；E′j-1和E′j分別為單元j向上游相鄰單元和下游相鄰單元擴散的量，m3/d；Wj為單元j的外部污染物負荷輸入量，mg/d；Sj為反應和遷移過程中形成的源和匯，mg/（m3·d）；Qj-1、Qj分別為單元j- 1 流入單元j的流量和單元j流入單元j+ 1的流量，m3/d；Qin,j、Qout,j分別為流入和流出單元j的點源和非點源的總流量，m3/d。

通過式（1）可以求出各斷面的污染物組分濃度，當控制斷面水質不能達到要求時，需考慮生態補水，基于此，建立如下模型。

式中：W1為年補水總量，m3；wR,i為第i個月的補水量，m3；win,k,i、wout,k,i分別為第k個入流（出流）斷面第i個月的來水量（出流量），m3；cR,i為第i個月補水的污染物組分濃度，mg/L；cin,k,i、cout,k,i分別為第k個入流（出流）斷面第i個月的來水（出流）中的污染物組分濃度，mg/L；c控,i為補水后控制斷面第i個月的污染物組分濃度，mg/L；Pmax為某一標準下的污染物組分濃度限值。

1.2 生態流量目標

河道需保持一定流量來維持河流形態和基本生態功能，防止斷流，即生態流量[29]。采用Tennant 法來計算河道生態流量，從表1中選取擬達到生態環境狀況的流量百分比，作為河流生態流量的推薦值[30]。河道全年流量均應大于生態流量，若不滿足，則需考慮額外生態補水，補水量由式（3）模型來確定。

表1 Tennant法計算不同時段生態流量表 %Tab.1 Calculating the monthly ecological flow by Tennant method

式中：Q控,i、Q′控,i為補水前后控制斷面第i個月的流量；Qmin為河道基本生態流量，可由Tennant法得出。

1.3 對補水水源地影響最小目標

生態補水不應造成取水水源自身生態環境惡化，即應首先保證取水水源的生態流量，同時應盡量減小對水源地其他用水戶的影響。基于此，建立如下模型：

式中：QO,i、QOmin分別為補水水源來水量和生態流量；Qother,i為補水水源供給的其他用水戶總用水流量。

1.4 多目標決策模型

綜合式（2）~式（4）建立多目標決策模型，目標函數為

約束條件為式（2）~式（4）中的所有約束條件。技術路線見圖1。

圖1 技術路線圖Fig.1 Technical route

2 工程實例

2.1 研究區概況

以四川省某一中小河流部分河段為研究區，水系概化圖見圖2，河段干流全長33.2 km，中間有一支流匯入。沿河兩岸鄉村以養殖業為主，中小型養殖戶及散養戶禽畜養殖污染、種植業污染以及農村生活污水多隨地表徑流沿溝渠匯入河流或隨農田徑流沖刷進入河道，面源污染問題嚴重。同時沿河各鎮11 個污水廠的生活及工業污染物經處理后達到一級A 標或一級B 標后也排入河道，該河流水質較差。加上沿岸河道外工農業和生活引水量日益增加，豐、枯水期水量不平衡，致使枯期流量小，河道生態功能較弱，兩岸生態環境受損，導致全年部分時段無法維持河流規劃生態服務功能和兩岸生態環境良性發展。而該條河流出境斷面劃定了III 類水水質和生態流量目標，但僅依靠其天然來水無法滿足全年時段的管控要求，需考慮生態補水，補水來源為臨近灌區河流，于河源位置匯入主干流，水源河流來水充足、流量穩定、水質好。

圖2 研究河段概化圖Fig.2 Generalization of studying stream

2.2 現狀水質評價及水質因子分析

選取初始水質因子：溶解氧、CODMn、BOD5、氨氮、總磷，分別評價研究河段的入流斷面1~斷面4水質，斷面1和斷面3 為入流斷面，斷面2 和斷面4 為控制斷面。評價結果（圖3）表明，支流源頭斷面3 水質較好，全年水質均在III 類及以上，干流斷面均有一定時段不滿足管控要求，其中斷面1在2、4、8月水質相對較差（Ⅳ類），不達標污染物因子為氨氮、總磷。斷面2 在4 月超出管控要求，為Ⅳ類，不達標污染物因子為總磷；斷面4 在1-5 月水質均不達標，2 月和4 月尤為嚴重，為V 類，不達標污染物因子為氨氮、總磷。從斷面2 到斷面4水質變化較大，可能是由于污水廠8~11排污較多。

圖3 斷面1~4現狀水質評價Fig.3 Current water quality assessment at sections 1~4

分析對比各評價因子和總評等級，找出每月決定總評等級的因子作為后續計算的關鍵因子，即圖3 中的“√”所在因子，綜合各斷面的不達標指標，可知氨氮和總磷兩個指標對水環境影響較大，選取氨氮和總磷為關鍵因子。

2.3 考慮水質目標的生態補水量計算

以斷面4（出境斷面）為模擬斷面，采用2.2 節篩選出氨氮和總磷作為QUAL-2K 模型的模擬指標，采用相對誤差δ作為評價指標，1-8 月為率定期，9-12 月為驗證期，模擬結果（圖4）表明，率定期和驗證期的相對誤差均在20%以內，模擬精度較高。

圖4 QUAL-2K模擬結果圖Fig.4 QUAL-2K simulation results

按照斷面4 的III 類水控制目標，還需額外生態補水。分別對于氨氮和總磷指標計算生態補水流量，取二者最大值作為水質目標下的補水流量，得出各月補水流量，見表2。當斷面4 的水質達到地表水水質標準中規定的III 類水時，稀釋總磷污染物所需水量均超過稀釋氨氮污染物所需水量，氨氮和總磷全年所需補水量分別為1 791 萬m3和7 197 萬m3，綜合二者最終取年補水量為7 197 萬m3，其中5 月補水流量最大，為8.1 m3/s，6-12月水質已經達標，無需額外補水。

表2 斷面4水質達到III類水時各月補水流量計算結果 m3/sTab.2 Results of monthly water refill flow when the water quality of section 4 reaches Class III water

2.4 考慮生態流量目標的生態補水量計算

以斷面4（出境斷面）為控制斷面，選擇基本生態流量對應“非常好”的生態環境狀況，即非汛期占同時段（月）多年年均天然流量的30%，汛期占同時段多年年均天然流量的50%，Tennant 法計算每月生態流量及補水量見表3。4 月、7-12 月已滿足當月生態流量，不需額外補水，其他月份需要生態補水，全年補水總量為6 808 萬m3，其中，5 月補水流量最大，為8.23 m3/s。

表3 斷面4滿足生態流量目標時各月的補水流量計算結果 m3/sTab.3 Results of monthly water refill flow when section 4 meets the ecological flow target

2.5 對補水水源地影響最小目標的生態補水量計算

該河流補水水源為臨近灌區其他河流，因此補水量的確定還需考慮水源河流的生態流量，以及水源河流其他用水戶用水情況。經統計，水源河流多年平均來水流量為38.2 m3/s，生態基流為3.8 m3/s。扣除河流自身生態基流和其他用水戶后，可得出水源河流最多可提供的補水量，見表4。

表4 補水水源可引水量計算結果 m3/sTab.4 Calculation results of water diversion from water source

2.6 綜合生態補水量計算

綜合水質、水量、水源地影響最小三目標，按照式（5）計算出各月份補水流量，見表5 和圖5。計算結果表明，1 月可引水量無法滿足生態流量目標，只能按照不影響水源河流的目標來引水，除1 月外，其他月份均能同時滿足3 個目標，2 月、5 月、6 月按照水量目標補水，3 月和4 月按照水質目標來補水，7-12 月不需引水，年最大引水流量為8.23 m3/s，全年引水總量為1.01億m3。圖6為各月份最終補水流量。

表5 綜合補水流量計算結果 m3/s Tab.5 Calculation results of the comprehensive water refill flow

圖5 3種目標下補水流量對比圖Fig.5 Comparison diagram of water refill flow under three targets

圖6 各月份綜合補水流量柱狀圖Fig.6 Bar chart of comprehensive water refill flow in each month

3 結 論

（1）基于QUAL-2K水質模型模擬斷面水質，Tennant法確定河道生態流量，構建了以水質達標、生態水量達標、對水源地影響最小為目標的多目標決策模型。

（2）將模型應用于四川省某中小河流，該河流主要污染物因子氨氮和總磷達到III類水時，計算出全年引水量為7 197億m3；生態流量達到目標時，全年引水量為6 808萬m3；綜合水源地可引水量，確定補水月份為1-6月，全年引水量為1.01億m3，其中1月補水量略小于生態流量目標所需水量。

（3）生態補水可以在短期內改善水體水環境，但河流生態治理與修復是個長期的過程，若要使控制斷面水質達標，還需與源頭上減小污染物排放、面源污染治理等措施結合。