黨曉戈，王世巖，劉 暢，朱長(zhǎng)軍，姚瑞華

（1.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北邯鄲056038；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038；3.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院，北京100012）

迄今為止，城市水系大多形成了多閘壩、人工操控的水利格局，此類水系人工化程度嚴(yán)重破壞了水系的結(jié)構(gòu)和功能［1］。為有效開發(fā)利用北運(yùn)河流域水資源，20 世紀(jì)50年代起，河道控制性水工建筑物大量興建［2］，致使流域水生態(tài)負(fù)面效應(yīng)顯著，引發(fā)了部分河段斷流、水體流動(dòng)性差（有水無(wú)流）、水質(zhì)污染嚴(yán)重等一系列生態(tài)受損問(wèn)題，其中水域魚類資源量減少、生態(tài)景觀水位降低、通航功能退化、河道兩岸蘆葦河灘濕地退化等生態(tài)問(wèn)題尤為突出?，F(xiàn)階段，為維系北運(yùn)河水域基本生態(tài)功能，同時(shí)保障河流水系健康生態(tài)，需要綜合考慮流域多水生態(tài)敏感目標(biāo)需求。目前，城市化半城市化河流多目標(biāo)生態(tài)流量保障研究體系尚不成熟，對(duì)于該類河流研究仍舊十分有限。鑒于此，本文以城市化半城市化河流為研究對(duì)象，選取沙河水庫(kù)下至屈家店斷面為模擬河段，建立一維水動(dòng)力模型，基于流域多目標(biāo)生態(tài)需求進(jìn)行生態(tài)流量調(diào)度模擬，分析北運(yùn)河流域多水生態(tài)目標(biāo)生態(tài)流量變化情況，對(duì)比不同情景工況下流域多水生態(tài)目標(biāo)生態(tài)流量需求保障效果，以期為類似的城市化河流生態(tài)流量保障提供參考。

1 研究區(qū)域基本概況

本研究選取沙河水庫(kù)至屈家店之間的北運(yùn)河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，地理位置位于東經(jīng)116°02'～117°06'，北緯39°39'～40°35'之間，控制流域面積達(dá)6 166 km2。北運(yùn)河是我國(guó)南北大運(yùn)河的起始段，自西北向東南，北起通縣北關(guān)閘（主流在北關(guān)閘以上始稱溫榆河），途經(jīng)武窯、沙古堆，于西集鎮(zhèn)牛牧屯東南出境，經(jīng)河北省香河縣、天津市武清縣至天津市大紅橋與子牙河匯合后匯入海河［3］。其起源于北京市昌平區(qū)軍都山南麓，地跨京津冀三省市，屬于海河水系［4］，是典型的多閘壩、城市化半城市化流域。本文研究分析中，自上而下選定典型斷面為通縣、甘棠船閘、榆林莊船閘、土門樓、筐兒港、屈家店。根據(jù)流域閘壩調(diào)研，北運(yùn)河干流共有防洪節(jié)制閘17 座，橡膠壩9 座。干流閘壩分布密度約為0.14個(gè)/km2，其中上中游段閘壩分布較多，閘壩密度為0.22個(gè)/km2，下游段0.12 個(gè)/km2。流域水系圖見圖1（a）所示，閘壩、支流分布概化圖見圖1（b）。

2 北運(yùn)河水動(dòng)力模型建立

2.1 MIKE11水動(dòng)力模型介紹

MIKE 11 HD（一維水動(dòng)力模塊）是AD 對(duì)流擴(kuò)散模塊、ST 模塊等其他模塊的計(jì)算基礎(chǔ)，是MIKE 11 軟件中的核心［5］。其中可控建筑物分析模塊（SO 模塊）中可以對(duì)水工建筑物進(jìn)行豐富的閘門操作設(shè)計(jì)［6］。本文應(yīng)用SO 模塊，設(shè)置多閘壩運(yùn)行策略，進(jìn)行生態(tài)目標(biāo)生態(tài)流量調(diào)度方案研究。

2.1.1 水動(dòng)力控制方程組

一維河網(wǎng)水流模型利用6 點(diǎn)隱式差分（Abbott-Ionescu）格式對(duì)圣維南（Saint-Venant）方程組進(jìn)行離散處理，求解方式為“追趕法”，也稱“雙掃算法”［7］。模型通過(guò)求解應(yīng)用一維非恒定流微分方程即圣維南（Saint-Venant）方程組對(duì)河流或河口的水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬分析［8-11］。一維水流數(shù)學(xué)模型控制方程組表達(dá)式為：

連續(xù)性方程：

運(yùn)動(dòng)性方程：

式中：t為計(jì)算點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)，s；x為沿程距離坐標(biāo)，m；h為斷面水位，m；Q為斷面流量，m3/s，其中Q=u A，u為斷面平均流速，m/s，A為斷面過(guò)流面積，m2；R為水力半徑，m；B為河道水面寬，m；q為旁側(cè)入流量，m3/s（流入為正，流出為負(fù)）；C為謝才系數(shù)；g為重力加速度，m/s2。

2.1.2 離散方法和網(wǎng)格劃分

MIKE 11 HD 利用6 點(diǎn)隱式差分（Abbott-Ionescu）格式對(duì)圣維南（Saint-Venant）方程組進(jìn)行離散求解。該格式對(duì)于在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)不同時(shí)計(jì)算水位和流量點(diǎn)，而是按順序交替計(jì)算水位或流量，分別稱為h 點(diǎn)和Q 點(diǎn)［12］，6 點(diǎn)隱式差分（Abbott-Ionescu）格式沿河道分布水位點(diǎn)和流量點(diǎn)交叉示意圖見圖2（a），計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)布置方式圖見圖2（b）。

圖2 6點(diǎn)隱式差分（Abbott-Ionescu）格式水位、流量計(jì)算點(diǎn)交叉布置示意圖Fig.2 6-point implicit difference（Abbott-lonescu）format water level and flow calculation point cross layout diagram

2.2 北運(yùn)河水系河網(wǎng)構(gòu)建

河網(wǎng)概化需要基本反映天然河流的水力特性，以達(dá)到概化后河網(wǎng)的輸水能力及調(diào)蓄能力與實(shí)際河網(wǎng)保持一致［13，14］。河網(wǎng)概化范圍為上游沙河水庫(kù)至下游屈家店。河網(wǎng)水系概化結(jié)果見圖3。河網(wǎng)模型構(gòu)建過(guò)程中，河道干流全長(zhǎng)約182.42 km，河道斷面共計(jì)261個(gè)，河道典型橫斷面通縣站斷面見圖4（a），土門樓斷面見圖4（b）。

圖3 北運(yùn)河流域干流研究區(qū)域河網(wǎng)水系概化圖Fig.3 A schematic diagram of the river network in the study area of the main stream of the North Canal Basin

圖4 典型大斷面形態(tài)特征Fig.4 Morphological characteristics of typical large section

2.3 模型參數(shù)確定

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)用相關(guān)參數(shù)的合理可靠性，本文參考《北運(yùn)河水系水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究》相關(guān)成果以及綜合考慮河道大斷面地形、典型大斷面實(shí)測(cè)流量水位關(guān)系、天然河道水力計(jì)算糙率表及查閱文獻(xiàn)［15，16］，利用典型斷面實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)反復(fù)調(diào)整模型參數(shù)，確定北運(yùn)河干流河道的灘、槽糙率取值見表1。

表1 北運(yùn)河干流河道糙率參數(shù)設(shè)置Tab.1 Setting of channel roughness parameters of the main stream of the North Canal Basin

2.4 邊界條件輸入

由水系河網(wǎng)分布情況，設(shè)定上游沙河水庫(kù)逐日下泄流量過(guò)程線作為上邊界，下游屈家店北閘下站逐日水位過(guò)程線作為下邊界，構(gòu)建的模型中對(duì)于河道支流用到的側(cè)向入流，以point source 入流的形式輸入到模型邊界條件中。正數(shù)代表入流，負(fù)數(shù)代表出流。

離聯(lián)考還有將近三個(gè)禮拜，為了確保我們這種準(zhǔn)考生會(huì)努力不懈，校方希望我們畢業(yè)后還是要來(lái)學(xué)校，老師也可以來(lái)幫我們復(fù)習(xí)功課。差別的只是可以比之前晚一個(gè)鐘頭到校。而夜間也開放一間閱覽室到晚上九點(diǎn)半，讓準(zhǔn)考生自由利用。

2.5 數(shù)學(xué)模型率定及驗(yàn)證

本文選取通縣站與土門樓站為率定驗(yàn)證斷面，擬采用2015年及2011年水文年鑒長(zhǎng)時(shí)間系列實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)資料，對(duì)建立的模型參數(shù)進(jìn)行率定驗(yàn)證。典型斷面流量率定驗(yàn)證結(jié)果見圖5。由率定驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比圖可知，典型斷面流量率定驗(yàn)證結(jié)果趨勢(shì)基本吻合，由表2可知，相關(guān)系數(shù)（r＞0.8），相關(guān)系數(shù)大于0.8，意味著實(shí)測(cè)值和模擬值之間有更好的相關(guān)性［17，18］，且納西效率系數(shù)均在0.8 左右，說(shuō)明模擬結(jié)果相對(duì)精確，可進(jìn)行下一步多情景、多閘壩、多目標(biāo)生態(tài)流量調(diào)度模擬分析。

圖5 典型水文站流量率定驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比圖Fig.5 Comparison chart of discharge calibration verification results for typical hydrological stations

表2 模型誤差估算結(jié)果Tab.2 The model comes with a small program error estimation result display

3 計(jì)算實(shí)例應(yīng)用

3.1 典型生態(tài)目標(biāo)生態(tài)流量調(diào)控方案情景設(shè)計(jì)

本文依據(jù)十一五水專項(xiàng)相關(guān)研究成果及現(xiàn)狀調(diào)研，系統(tǒng)分析了北運(yùn)河流域多水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的生態(tài)流量保障需求，通過(guò)仿真模型進(jìn)行多閘壩聯(lián)合調(diào)控，以滿足多目標(biāo)生態(tài)流量需求。其中，根據(jù)實(shí)地調(diào)研及北運(yùn)河城市化半城市化河流特征，確定以下目標(biāo)：①城市景觀水體維持，②魚類習(xí)性需求，③大運(yùn)河通航功能維持。此外，根據(jù)《北運(yùn)河水系水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究》相關(guān)成果，確定1-3月份景觀水位需維持在17.43 m左右，即可到達(dá)城市景觀水體功能需求。再者按照北運(yùn)河綜合治理總體規(guī)劃以及船閘建設(shè)工程的總體要求，確定7月份甘棠船閘閘上水位為17 m，榆林莊船閘閘上水位為16 m。最后以水專項(xiàng)《北運(yùn)河水系水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究》相關(guān)成果作為依據(jù)，整理得到通縣站、土門樓站、筐兒港站生態(tài)流量保障閾值過(guò)程線，典型斷面生態(tài)流量過(guò)程線見圖6。

圖6 典型斷面推薦生態(tài)流量過(guò)程線Fig.6 Recommended ecological flow process line for typical sections

綜上所述，本文模擬分析了城市景觀水體維持、魚類生態(tài)流量需求保障以及甘棠船閘和榆林莊船閘上水位需求情況，設(shè)置多個(gè)情景方案，通過(guò)MIKE11 中水工構(gòu)筑物分析模塊耦合多目標(biāo)生態(tài)流量需求進(jìn)行生態(tài)流量調(diào)控，旨在保障流域多個(gè)水生態(tài)目標(biāo)生態(tài)流量。

因此，本文重點(diǎn)考慮通縣站、土門樓站等典型斷面水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)生態(tài)流量、城市化河段生態(tài)景觀水位以及保障通航條件下的水位需求目標(biāo)。北運(yùn)河水系是北京市主要泄洪通道，其中，北關(guān)分洪樞紐是流域洪水調(diào)控的關(guān)鍵工程，北關(guān)閘作為北運(yùn)河流域重要的閘壩，通過(guò)流域閘壩分布發(fā)現(xiàn)北關(guān)閘調(diào)控具有承上啟下的作用，對(duì)整個(gè)流域具有較強(qiáng)的調(diào)控能力，因此，本文單閘調(diào)控方案模擬選定北關(guān)閘作為典型斷面進(jìn)行調(diào)控模擬。本研究主要針對(duì)北運(yùn)河流域枯水年情境下生態(tài)敏感目標(biāo)（魚類、通航、景觀）生態(tài)流量需求情況進(jìn)行模擬分析，具體調(diào)度方案擬定如下：

情景1（單閘調(diào)度方案），即天然來(lái)水條件下，選取典型閘北關(guān)閘進(jìn)行多目標(biāo)生態(tài)流量調(diào)控。

情景2（群閘優(yōu)化聯(lián)控方案，僅調(diào)控），即天然來(lái)水條件下，通過(guò)多次調(diào)試，科學(xué)設(shè)置閘壩運(yùn)行策略，以優(yōu)先滿足不同河段水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)生態(tài)流量（水位）需求為主，具體設(shè)置閘壩調(diào)度思路為蓄豐補(bǔ)枯，即關(guān)鍵斷面出現(xiàn)大流量情況時(shí)，在不超過(guò)閘前正常蓄水位的基礎(chǔ)上減小閘門開度，進(jìn)行閘前蓄水；小流量或者斷流情形，開大閘門，以保證關(guān)鍵斷面生態(tài)流量≥推薦目標(biāo)生態(tài)流量。

情景3（組合方案），流域內(nèi)水資源優(yōu)化調(diào)控方案，即多閘聯(lián)合調(diào)控、減河減水及農(nóng)業(yè)節(jié)水組合運(yùn)行方案，由于北運(yùn)河是典型多閘壩控制河流，閘壩對(duì)來(lái)水的攔截及減河減水（青龍灣減河、運(yùn)潮減河）以及農(nóng)業(yè)灌溉取水。當(dāng)天然來(lái)水不足以保證關(guān)鍵斷面生態(tài)流量時(shí)，需要考慮減河排放水量?jī)?yōu)化配置以及農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水等措施，以保證關(guān)鍵斷面生態(tài)流量≥推薦目標(biāo)生態(tài)流量。

3.2 河網(wǎng)閘群調(diào)度不同情景工況模擬結(jié)果與分析

由圖7 中景觀水位變化過(guò)程線可知，情景1 單閘調(diào)度方案情景下，由圖7 枯水年中游河段景觀水體生態(tài)水位需求模擬分析可知，3 種調(diào)度方案均能夠滿足中游景觀生態(tài)水位需求。具體的單閘調(diào)控景觀水位邏輯設(shè)置，通過(guò)閘壩水工建筑物模塊，計(jì)算模式為列表方式，判斷條件為具體的時(shí)間設(shè)置，目標(biāo)值設(shè)置相應(yīng)的閘門開度，控制值設(shè)置相應(yīng)的水位值。綜上分析，單閘情景方案調(diào)控可以滿足城市景觀水體需求。

圖7 景觀水位變化過(guò)程線Fig.7 Landscape water level change process line

由圖8 流量變化總體趨勢(shì)可以看出，上述閘壩多情景方案模擬條件下，典型斷面通縣站斷面生態(tài)流量模擬計(jì)算結(jié)果均能夠做到不低于該斷面在不同時(shí)段的最低生態(tài)流量需求；圖中顯示模擬的流量過(guò)程能夠較好的保持天然河道狀態(tài)下的豐枯流量變化特征，總體來(lái)講，可以基本滿足典型斷面生態(tài)目標(biāo)生態(tài)流量需求。

圖8 通縣站魚類生態(tài)流量變化過(guò)程線Fig.8 Process line of fish ecological flow change in Tongxian Station

對(duì)比圖9 中流量水位模擬變化過(guò)程線，可以發(fā)現(xiàn)，情景1 單閘調(diào)度方案情景下，兩船閘閘上通航水位7月份未達(dá)到規(guī)劃的水位需求，按照情景2 擬定方案思路，基于模型科學(xué)調(diào)控手段，具體控制方式為，模型中設(shè)置列表計(jì)算模式以及具體的判斷條件，通過(guò)情景2方案對(duì)兩個(gè)船閘工程上游水位進(jìn)行了調(diào)度模擬，模擬調(diào)算結(jié)果顯示，兩個(gè)船閘閘上水位可以達(dá)到工程需求，閘上通航要求基本可以得到滿足，能夠?qū)崿F(xiàn)大運(yùn)河通州段通航目標(biāo)需要。

圖9 多情景方案船閘水位調(diào)控變化過(guò)程線Fig.9 Process line of water level regulation and change of ship lock with Multiple scenarios

圖10 土門樓站魚類生態(tài)流量模擬結(jié)果顯示，情景1 單閘調(diào)控情景工況下，枯水年1-6月份斷流較明顯，其余部分月份也存在斷流現(xiàn)象，未達(dá)到一般用水期推薦的流量。按照情景2 對(duì)上游來(lái)水進(jìn)行調(diào)控，經(jīng)情景2進(jìn)行合理調(diào)度計(jì)算，遵循蓄豐補(bǔ)枯邏輯原則，若某時(shí)段出現(xiàn)大流量時(shí)，在不超過(guò)閘前正常蓄水位的情況及滿足正常生態(tài)目標(biāo)生態(tài)流量需求前提下通過(guò)減小大流量抬高閘前蓄水位，以保障河段斷流或低于某時(shí)段推薦生態(tài)流量值情況。由情景2 調(diào)度計(jì)算流量變化線可知，閘壩調(diào)度運(yùn)行策略對(duì)土門樓站生態(tài)流量改善效果不明顯，仍存在大部分月份未能達(dá)到一定的生態(tài)目標(biāo)生態(tài)流量推薦值，可能原因是由于模擬河段較長(zhǎng)，并涉及多個(gè)支流匯入或減河減水以及農(nóng)業(yè)灌溉用水等影響，導(dǎo)致通過(guò)閘壩聯(lián)合調(diào)度計(jì)算無(wú)法滿足多水生態(tài)目標(biāo)生態(tài)流量需求，經(jīng)過(guò)情景工況3 的多次試算調(diào)控，除了1月份部分天以外，其余基本上可以完全保障枯水年關(guān)鍵生態(tài)目標(biāo)不同時(shí)期推薦的生態(tài)流量需求，同時(shí)閘壩運(yùn)行期間閘壩蓄水能力也可以滿足下游河道的景觀功能需求。

圖10 土門樓站魚類生態(tài)流量變化過(guò)程線Fig.10 Process line of fish ecological flow change in Tumenlou Station

按照情景2、3 對(duì)筐爾港站生態(tài)流量進(jìn)行調(diào)度計(jì)算，圖11 筐兒港站魚類生態(tài)流量調(diào)控結(jié)果表明，與情景1模擬工況相比，情景2 方案非汛期（11月份）通過(guò)閘壩調(diào)控生態(tài)目標(biāo)流量有一定的改善，該時(shí)間段通過(guò)閘調(diào)控可以達(dá)到一般用水期流量需求；但在非汛期（2-5月份）調(diào)控效果不明顯，原因可能是枯水年上游來(lái)水較少、閘壩水利工程較多、閘壩群間蓄水量較大、農(nóng)業(yè)灌溉用水較多等，導(dǎo)致通過(guò)閘壩聯(lián)合調(diào)度計(jì)算無(wú)法滿足多水生態(tài)目標(biāo)生態(tài)流量需求；汛期，情景2閘壩調(diào)控可以完全保障汛期水生生境維持一定的生態(tài)流量。由情景3 方案模擬調(diào)控可知，通過(guò)設(shè)置減河減水、灌溉用水組合方案，典型斷面生態(tài)目標(biāo)需求基本可以得到滿足。

圖11 筐兒港站魚類生態(tài)流量變化過(guò)程線Fig.11 Process line of fish ecological flow change in Kuanger Port Station

4 結(jié) 語(yǔ)

為保障并改善研究區(qū)域范圍內(nèi)生態(tài)目標(biāo)生態(tài)流量需求效果，本文通過(guò)多情景方案生態(tài)流量調(diào)度研究，經(jīng)分析得到以下結(jié)論。

（1）針對(duì)北運(yùn)河流域關(guān)鍵目標(biāo)不同生活史階段需求不同構(gòu)建研究區(qū)一維河網(wǎng)水文水動(dòng)力閘壩調(diào)度模型，經(jīng)模型參數(shù)檢驗(yàn)，最終確定對(duì)模型糙率范圍為0.022 5～0.07（主槽糙率：0.022 5；灘地糙率：介于0.05～0.07之間），率定和驗(yàn)證結(jié)果較為理想，模型可進(jìn)行下一步閘壩生態(tài)調(diào)控研究分析。

（2）由模型調(diào)算結(jié)果可知：對(duì)比單閘和多閘情景工況的模擬情況，經(jīng)分析，單閘調(diào)度對(duì)多水生態(tài)目標(biāo)需求保障效果不佳，相比之下，多閘壩多情景設(shè)置能夠保障河道內(nèi)所有識(shí)別的水生態(tài)敏感保護(hù)目標(biāo)。情景3方案中，減河引水量越小、農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水量越大，下游河道魚類生態(tài)流量需求保障效果越明顯。由此表明，采用情景3 調(diào)度方案可為河道系統(tǒng)生態(tài)健康起到有利作用。

（3）本研究通過(guò)對(duì)北運(yùn)河多目標(biāo)生態(tài)流量需求的系統(tǒng)分析，揭示了北運(yùn)河流域水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)生態(tài)流量需求機(jī)制，克服了前人對(duì)北運(yùn)河流域單目標(biāo)生態(tài)基流需求的局限性，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)協(xié)調(diào)生態(tài)流量保障，通過(guò)閘壩聯(lián)合調(diào)控以及流域內(nèi)水資源優(yōu)化配置調(diào)控手段，使全流域多目標(biāo)生態(tài)流量需求得到最大程度的滿足，解決了流域多閘壩條件下多目標(biāo)枯水年部分時(shí)段生態(tài)流量不足的難題，模型模擬結(jié)果可為研究區(qū)范圍多目標(biāo)生態(tài)流量?jī)?yōu)化配置提供數(shù)據(jù)支撐。

（4）本文僅對(duì)研究區(qū)域內(nèi)多水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)生態(tài)流量進(jìn)行研究，未考慮多閘壩調(diào)控下典型斷面水質(zhì)變化情況，針對(duì)目前流域水生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)狀，下一步還需對(duì)研究區(qū)多目標(biāo)水質(zhì)水量綜合考慮進(jìn)行深入研究。