嚴(yán)子奇 ， 周祖昊 ， 王 浩 ，2， 賈仰文

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京;2.水安全與水科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，210098， 南京）

目前西方發(fā)達(dá)國家生態(tài)調(diào)度的做法是：在保證防洪安全和不顯著改變發(fā)電、灌溉等效益條件下，調(diào)節(jié)下泄流量的時(shí)間序列，盡可能恢復(fù)下游水流的自然節(jié)律過程，并通過人造洪峰等恢復(fù)自然水位漲落特征，調(diào)節(jié)水質(zhì)、水溫和泥沙沖於，進(jìn)行流域自然生態(tài)環(huán)境修復(fù)。 方子云等于20 世紀(jì)80年代在中國提出了水生態(tài)調(diào)度的雛形， 進(jìn)入21 世紀(jì)才逐漸引起學(xué)者的注意，并在引進(jìn)國外思想、方法和技術(shù)的范疇內(nèi)，先后對(duì)生態(tài)調(diào)度概念與內(nèi)涵、 河流生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算方法、水沙調(diào)度、水庫優(yōu)化運(yùn)行、生態(tài)調(diào)度方案等方面進(jìn)行研究和實(shí)踐。

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展， 坪山河流域工業(yè)、生活用水增長迅速，由于本地水資源供水能力有限，經(jīng)水資源供需平衡分析，僅靠本地蓄水工程，坪山街道缺水率在50%左右， 流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展主要依靠東部引外部水源， 大量的外部引水也使得本地豐富的水資源愈發(fā)珍貴。在當(dāng)?shù)厮畮爝\(yùn)行過程中，基本沒有設(shè)定生態(tài)流量， 上游所有清水資源都入庫作為城市用水的水源。 而其他大量無供水功能水庫由于功能不明確，目前多處于閑置狀態(tài)，一方面這些水庫基本不下泄生態(tài)流量， 另一方面所蓄存的清水資源未能得到有效利用。 在蓄水工程基本無生態(tài)流量下泄情況下， 坪山河流域干支流生態(tài)流量保障率較低。此外，坪山河流域還有部分可利用的再生水資源， 但其作為生態(tài)補(bǔ)水水源作用有待進(jìn)一步論證，補(bǔ)水方式也不明確。因此，坪山河流域一方面河道存在嚴(yán)重的缺水現(xiàn)象， 另一方面還有潛在的水源未能充分利用，需要通過系統(tǒng)的水資源綜合調(diào)配分析， 提出多水源的河道生態(tài)流量保障方案，全面支撐治水提質(zhì)的目標(biāo)要求。

本文基于精細(xì)化水資源配置模型（GWAS）開展坪山河流域生態(tài)補(bǔ)水研究，綜合考慮生態(tài)流量約束型模型和生態(tài)流量目標(biāo)型模型的特點(diǎn)，在流域?qū)用鎸?shí)現(xiàn)用水與河道生態(tài)流量統(tǒng)籌協(xié)調(diào)計(jì)算的生態(tài)調(diào)度，一方面發(fā)揮水資源配置模型的精細(xì)化和分布式的特點(diǎn)，另一方面統(tǒng)籌協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)的用水需求，進(jìn)行多水源調(diào)配滿足不同用水對(duì)象的需求。

一、精細(xì)化水資源配置模型（GWAS）

GWAS 模型的基礎(chǔ)是精細(xì)化水資源配置模型（WAS）和面向河道需水的水資源配置計(jì)算框架E-WAS。 WAS模型由水循環(huán)模擬模塊、 水資源配置模塊、再生水模塊、行業(yè)理論用水模塊和統(tǒng)計(jì)分析模塊組成。WAS 模型的運(yùn)算過程如下： 首先通過水循環(huán)模塊模擬區(qū)域的水資源變化， 結(jié)合行業(yè)用水模塊分析區(qū)域理論用水量及再生水模塊模擬循環(huán)利用量， 然后運(yùn)用配置策略及規(guī)則進(jìn)行水資源合理配置計(jì)算，同時(shí)將人工取、用、耗、排水?dāng)?shù)據(jù)反饋給水循環(huán)模塊， 進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬下一時(shí)段的區(qū)域水資源變化，以此往復(fù)，直到計(jì)算結(jié)束， 提出最終優(yōu)化方案。 EWAS 作為一個(gè)模擬計(jì)算框架，是對(duì)水資源配置模型功能的一個(gè)擴(kuò)充， 通常情況下， 它并不改變模型的內(nèi)部計(jì)算結(jié)構(gòu)， 僅是通過對(duì)斷面生態(tài)單元進(jìn)行精細(xì)化的概化， 借助虛擬水源和虛擬單元， 將河流斷面作為一個(gè)實(shí)體納入到傳統(tǒng)的水資源配置模型中， 實(shí)現(xiàn)面向河流生態(tài)流量的水資源綜合調(diào)配。

GWAS 模型在WAS 模型的基礎(chǔ)上， 將E-WAS 建模思路納入模型結(jié)構(gòu)中，在處理河道內(nèi)水量過程上有所改進(jìn)。這一改進(jìn)使得GWAS 模型不但能夠處理常規(guī)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水配置，還能夠靈活地處理涉及河道內(nèi)水量過程的生態(tài)調(diào)度和發(fā)電調(diào)度問題。 在計(jì)算方式方面，一方面可以將水庫運(yùn)行規(guī)則納入模型進(jìn)行模擬計(jì)算，形成基于規(guī)則的調(diào)度方案；另一方面可以設(shè)定優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)，通過優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化模擬，形成新的優(yōu)化方案。

二、坪山河生態(tài)補(bǔ)水

1.研究區(qū)及數(shù)據(jù)

坪山河流域地處深圳市東北部區(qū)域， 范圍包括坪山新區(qū)的坪山街道。 深圳境內(nèi)坪山河流域面積129.4 km2， 共有 19 條河流， 總河長 98.79 km。 坪山河流域地勢(shì)為東南部、南部和西北部較高， 主要為低山丘陵地區(qū)，為支流分布區(qū)域；中部和東北部較低，地勢(shì)相對(duì)平緩，為坪山河干流分布區(qū)域。截至2015 年年底， 坪山河流域共計(jì) 35.61 萬人，GDP 為 458.07億元，人均GDP 為 12.8 萬元，普遍處于全國非常高的水平。 依據(jù)目前普遍接受的錢納里工業(yè)化階段理論，流域處于后工業(yè)化階段，為工業(yè)階段的最高水平。 按照當(dāng)前粗放式的發(fā)展方式，必然帶來較高的污染負(fù)荷，是流域綜合治理過程中應(yīng)考慮的問題。

根據(jù) 《深圳市水務(wù)統(tǒng)計(jì)手冊(cè)》，坪山河流域共有中型水庫1 座，?。?）型水庫 9 座，?。?）型水庫 8 座。 根據(jù)《深圳市水庫功能優(yōu)化調(diào)整工作方案》，坪山河流域共8 座非供水功能水庫納入生態(tài)補(bǔ)水配置計(jì)算。 對(duì)于無供水功能水庫可作為河道生態(tài)補(bǔ)水優(yōu)先水源進(jìn)行計(jì)算， 具有供水功能的水庫應(yīng)考慮其汛期下泄流量對(duì)生態(tài)需水的補(bǔ)充作用。水文氣象數(shù)據(jù)選取《深圳市水文資料統(tǒng)計(jì)年鑒》中1985—2015 年水文氣象資料。 水系河網(wǎng)信息則基于SRTM 30 m 分辨率 DEM 提取。

2.生態(tài)補(bǔ)水節(jié)點(diǎn)及生態(tài)需水

坪山河流域共有一級(jí)支流10條，為了對(duì)坪山河流域開展精細(xì)化生態(tài)補(bǔ)水，補(bǔ)水節(jié)點(diǎn)確定原則為：①重點(diǎn)考慮有較大支流匯入導(dǎo)致河段流量等參數(shù)發(fā)生突變的斷面節(jié)點(diǎn)；②每個(gè)節(jié)點(diǎn)控制的集水區(qū)都可視為相對(duì)獨(dú)立的亞生態(tài)區(qū)域， 能夠發(fā)揮特定的生態(tài)功能； ③涵蓋所有黑臭河道斷面；④突出行政區(qū)交界斷面。

根據(jù)上述原則，坪山河共劃分生態(tài)配水?dāng)嗝?4 個(gè)，其中干流3 個(gè)（按上游、中游、下游劃分），支流 11 個(gè)（三洲田水、碧嶺水、湯坑水、飛西水、新河水、赤坳水、墩子河、石井排洪渠、麻雀坑水、田頭河、石溪河）。

生態(tài)環(huán)境需水量的確定： 河流生態(tài)環(huán)境需水量是在特定時(shí)間和空間為滿足特定服務(wù)目標(biāo)的變量， 是能夠在特定水平下滿足河流系統(tǒng)諸項(xiàng)功能所需水量的總稱。 計(jì)算河流生態(tài)流量的方法包括7Q10 法、濕周法、R2CROSS法、河道內(nèi)流量增加法（IFIM 法）以及Tennant 法等，根據(jù)以往學(xué)者對(duì)深圳市生態(tài)環(huán)境需水研究成果， 綜合7Q10法、Tennant 法等多種方法計(jì)算結(jié)果的外包線作為最小生態(tài)環(huán)境需水量，在此基礎(chǔ)上采用多年平均徑流的30%（非汛期）、40%（汛期） 作為適宜河道生態(tài)環(huán)境需水量。 根據(jù)坪山河具體情況，汛期及非汛期的劃分原則為：汛期4—10 月、非汛期 11 月—次年 3 月。

圖1 生態(tài)補(bǔ)水保障程度

3.坪山河流域水資源調(diào)配系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

在坪山河流域開展精細(xì)化河流生態(tài)調(diào)度， 首先就要根據(jù)水資源分區(qū)、行政區(qū)劃等情況，構(gòu)建坪山河流域水資源調(diào)配系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。 水資源調(diào)配過程一方面需要考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水，另一方面需要重點(diǎn)考慮河流生態(tài)斷面的生態(tài)補(bǔ)水。為此，在坪山河流域共劃分15 個(gè)計(jì)算單元，其中經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水單元1 個(gè)、生態(tài)環(huán)境需水單元14 個(gè)。

通過梳理坪山河流域內(nèi)水庫、污水處理廠、再生水廠，共設(shè)定供水節(jié)點(diǎn) 21 個(gè)，含 18 個(gè)水庫節(jié)點(diǎn)、5 個(gè)再生水供水節(jié)點(diǎn)。 另外需考慮外部水源兩個(gè): 東深引水和東部引水。 基于EWAS 框架的水資源系統(tǒng)，其中每一條支流視作一個(gè)生態(tài)需水控制單元，并在干流劃分上游、中游、下游三個(gè)生態(tài)需水控制單元。

三、結(jié)果與討論

1.補(bǔ)水方案

本次分析坪山河流域生態(tài)補(bǔ)水方案，需考慮多種措施不同運(yùn)營方案，以此來設(shè)定配置模型計(jì)算方案，在考慮再生水、水庫等多種組合狀態(tài)后，設(shè)定如下三種方案， 以識(shí)別基準(zhǔn)條件、再生水補(bǔ)水、水庫補(bǔ)水方案下，生態(tài)水量的問題和提升能力（表1）。

表1 方案設(shè)置

表2 推薦補(bǔ)水方案

本文選取適宜生態(tài)流量為生態(tài)調(diào)度目標(biāo)， 利用E-WAS 模型開展坪山河水資源優(yōu)化配置計(jì)算。 流域生態(tài)調(diào)度一方面需要考慮水量的滿足程度，另一方面還要考慮工程、經(jīng)濟(jì)等多方面因素。 為此本文提出生態(tài)補(bǔ)水方案優(yōu)選的原則：

一是供水水庫優(yōu)先保障坪山河社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水；

二是對(duì)于支流補(bǔ)水措施優(yōu)先級(jí)為：①支流上游的再生水，②非供水功能水庫，③支流下游再生水（需提水）；

三是在支流水質(zhì)得到提升的情況下，采用以支補(bǔ)干的方式進(jìn)行補(bǔ)水，先保證各個(gè)支流生態(tài)環(huán)境需水量， 從而間接保證干流生態(tài)環(huán)境需水量；

四是對(duì)于沒有再生水和水庫資源的單元，考慮從干流提水或水系連通進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。

基于上述原則，根據(jù)缺水量及補(bǔ)水能力，得到坪山河生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水優(yōu)化方案：三洲田水、飛西水、新和水、赤坳水、石溪河等支流依靠流域內(nèi)水質(zhì)凈化站再生水水源進(jìn)行補(bǔ)水，碧嶺水、墩子河、麻雀坑水、田頭河等支流依靠流域內(nèi)躍進(jìn)水庫等5 座非供水小型水庫進(jìn)行改善生態(tài)流量 （表2）。對(duì)于干流斷面，主要利用支流補(bǔ)水后的累積效應(yīng)，對(duì)生態(tài)流量進(jìn)行間接補(bǔ)充，達(dá)到“以支補(bǔ)干”的作用。

2.補(bǔ)水方案效果分析

為了進(jìn)一步分析精細(xì)化水資源配置模型對(duì)河流生態(tài)需水的保障作用，本文從時(shí)間和空間解析各個(gè)生態(tài)需水單元生態(tài)流量保障程度。

圖1 對(duì)比分析生態(tài)調(diào)度前后，各個(gè)生態(tài)需水單元枯水年（P=75%）內(nèi)各月生態(tài)流量滿足程度。 在沒有進(jìn)行生態(tài)調(diào)度的情況下，有6 個(gè)生態(tài)斷面的年內(nèi)生態(tài)流量保障月份不足6 個(gè)月，碧嶺水、赤坳水、石溪河、坪山河干流中游斷面和下游斷面生態(tài)流量保障程度較低。 開展生態(tài)調(diào)度后，各個(gè)斷面年內(nèi)生態(tài)流量保障程度明顯提高，月份均超過6 個(gè)月，上述幾個(gè)斷面生態(tài)流量滿足程度明顯提升。