單敏爾,周銀軍,郭 超,劉 鑫,孫貴洲,李志晶

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所,武漢 430010; 2.長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,武漢 430040;3.長(zhǎng)江航道勘察設(shè)計(jì)院(武漢)有限公司,武漢 430040)

0 引 言

王甫洲水利樞紐是漢江中下游銜接丹江口水利樞紐的第一個(gè)梯級(jí)樞紐工程[1],2017年和2019年漢江秋汛期間,大量原本定根生長(zhǎng)的伊樂(lè)藻被水流沖斷,形成斷枝并隨水流漂浮至王甫洲電站壩前,壩前堆積了大量水草,一方面使發(fā)電水頭降低,極大地影響發(fā)電效率[2],另一方面,打撈水草也需持續(xù)性耗費(fèi)大量人力物力[3]。此外,未被水流沖斷的伊樂(lè)藻易阻塞航道,影響航運(yùn),也會(huì)影響汛期行洪[4]。研究表明王甫洲庫(kù)區(qū)出現(xiàn)水草災(zāi)害是多重因素疊加所致,庫(kù)區(qū)水體中的各營(yíng)養(yǎng)鹽濃度均能滿足伊樂(lè)藻生長(zhǎng)所需濃度,且?guī)靺^(qū)水質(zhì)好,透明度較高,對(duì)伊樂(lè)藻光合作用的進(jìn)行具有促進(jìn)作用,有利其生長(zhǎng)繁殖。除此之外水草災(zāi)害產(chǎn)生的另一個(gè)重要原因是庫(kù)區(qū)水流的水動(dòng)力強(qiáng)度并不足以對(duì)伊樂(lè)藻的生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生擾動(dòng)[5]。丹江口大壩加高蓄水以來(lái),調(diào)度運(yùn)行方式相較之前發(fā)生了極大的變化[6-8],壩下游流速趨緩且加之本身庫(kù)區(qū)水頭較低[9-10],水流的水動(dòng)力愈顯不足,同時(shí)庫(kù)區(qū)人工采沙等活動(dòng)使得地形變得散亂無(wú)序,人工挖沙產(chǎn)生的散亂洲灘區(qū)域內(nèi)水流以靜水為主,水深和流速都較小且過(guò)水能力較差,為伊樂(lè)藻大量生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的靜水生境條件。

另一方面,研究表明伊樂(lè)藻存在水深和流速的生長(zhǎng)閾值,在水深方面,長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所試驗(yàn)結(jié)果表明[11]:王甫洲庫(kù)區(qū)河道中的伊樂(lè)藻生長(zhǎng)分布存在光照限制,其在3 m以上水深因光照不足無(wú)法形成成片植物群落。在流速方面,Hussner等[12]的研究表明,伊樂(lè)藻在在平均流速為0.14 m/s(0.12～0.17 m/s)的河流中蓋度僅為7%。據(jù)此可初步認(rèn)為伊樂(lè)藻生長(zhǎng)的水深閾值為3 m,流速閾值為0.14 m/s。

根據(jù)閾值條件,為構(gòu)造不利于伊樂(lè)藻生長(zhǎng)的生境條件,同時(shí)因王甫洲水利樞紐無(wú)防洪任務(wù),水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)以不惡化下游防洪為原則,庫(kù)區(qū)水位常年變幅較小,因此對(duì)伊樂(lè)藻災(zāi)害重點(diǎn)區(qū)域通過(guò)“區(qū)段挖深-局部洲灘填高重塑”的地形改造方式進(jìn)行水動(dòng)力優(yōu)化可達(dá)到一定的災(zāi)害治理效果[5]。目前通過(guò)地形改造來(lái)進(jìn)行水草災(zāi)害治理的相關(guān)研究較少,并且具體改造方案的選定通常難以同時(shí)將水動(dòng)力優(yōu)化效果、對(duì)環(huán)境的影響和改造效益考慮在內(nèi),初步擬定改造方案1、方案2和方案3,將洲灘改造開(kāi)挖深度分別定為83.2、82.2、81.2 m,對(duì)應(yīng)王甫洲水庫(kù)正常蓄水位86.23 m時(shí)水深為分別為3、4、5 m,在塑造新的洲灘覆蓋范圍時(shí),按正常蓄水位將填高的高程確定為≥86.3m,提出水動(dòng)力提升率概念對(duì)地形改造后的水深和流速變化效果進(jìn)行定量描述,并構(gòu)建基于熵權(quán)-TOPSIS的地形改造方案優(yōu)選模型來(lái)確定各區(qū)域的最終改造方案,研究結(jié)論可為水庫(kù)庫(kù)區(qū)洲灘生境改造方案的綜合評(píng)價(jià)選取提供一定參考。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)榈そ趬蜗轮镣醺χ揠娬緷h江干流河段,包括王甫洲庫(kù)區(qū)及丹江口壩下河段,長(zhǎng)度約35 km,該河段流經(jīng)丘陵及河谷盆地,平均比降0.19‰,地形以平原為主[13],占51.6%,山地占25.4%,丘陵占23%。王甫洲水庫(kù)控制流域面積9.59萬(wàn)km2。水庫(kù)位于湖北省老河口市漢江干流上,上距丹江口樞紐約30 km,在老河口市市區(qū)下游約3 km處,是漢江干流上16級(jí)開(kāi)發(fā)中的第10級(jí)。王甫洲水庫(kù)無(wú)防洪任務(wù),庫(kù)水位在正常蓄水位86.23 m附近變動(dòng)不大,相應(yīng)庫(kù)容1.495億m3。

1.2 災(zāi)害重點(diǎn)分布區(qū)域和泥沙量數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)地調(diào)查,水草災(zāi)害主要分布于研究區(qū)域的3個(gè)較大的洲灘區(qū)域附近,依次由王甫洲電站向上至丹江口壩址劃分為區(qū)域A、區(qū)域B和區(qū)域C,洲灘改造范圍如圖1所示。對(duì)區(qū)域A、區(qū)域B和區(qū)域C進(jìn)行底質(zhì)取樣和顆粒分析試驗(yàn)以確定重點(diǎn)區(qū)域淤積泥沙粒徑組成,每個(gè)區(qū)域的分析結(jié)果按照細(xì)顆粒(<0.062 mm)、砂(0.062～2 mm)和石(>2 mm)平均含量的方式列出。通過(guò)泥沙粒徑組成含量占比、開(kāi)挖量與填土量計(jì)算每一區(qū)域各方案最后能夠得到的不同粒徑組凈剩余泥沙質(zhì)量,結(jié)果如表1所示。

圖1 王甫洲庫(kù)區(qū)水草災(zāi)害重點(diǎn)區(qū)域劃分和洲灘改造范圍Fig.1 Division of key areas suffering from aquatic plant disasters in Wangfuzhou Reservoir area and the scope of beach reconstruction

表1 每一區(qū)域各方案工程量及不同粒徑組凈剩余泥沙質(zhì)量Table 1 Engineering quantity and net residual sediment content of different particle sizes in each scheme for each area

1.3 水動(dòng)力提升效果數(shù)據(jù)

為定量分析對(duì)比各改造方案實(shí)施前后研究區(qū)域各重點(diǎn)區(qū)域水動(dòng)力變化情況,本文建立了平面二維水動(dòng)力模型對(duì)改造前后3個(gè)區(qū)域每一方案的水動(dòng)力變化進(jìn)行分析。采用MIKE21FM水動(dòng)力模塊進(jìn)行模擬,其建模過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[14]—文獻(xiàn)[15],其中高程和邊界線數(shù)據(jù)為2021年丹江口—王甫洲區(qū)間實(shí)測(cè)高程和邊界線數(shù)據(jù),水文數(shù)據(jù)包括水位和流量數(shù)據(jù),來(lái)自黃家港水文站和王甫洲電廠2019—2021年逐日實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),具有較高的可信度和準(zhǔn)確性。將2020年2月、3月和7月的黃家港站日平均流量565、745、1 526 m3/s作為枯水、中水和洪水的代表流量對(duì)改造前后流場(chǎng)的水動(dòng)力變化進(jìn)行分析。代表流量的主要選擇依據(jù)是2020年為平水年,庫(kù)區(qū)未出現(xiàn)較為極端的水情,且該年份所選取月份的日均流量與黃家港站枯水、中水和洪水時(shí)期的來(lái)流量多年日均值接近,故選擇作為代表流量。

在分析改造前后整體流場(chǎng)時(shí),將二維水流模型運(yùn)行結(jié)果文件轉(zhuǎn)換為矢量圖形格式文件,在3個(gè)重點(diǎn)區(qū)域附近選取特定范圍進(jìn)行水流模型模擬結(jié)果的水動(dòng)力分析。在進(jìn)行分析時(shí),主要將改造后每一矢量網(wǎng)格進(jìn)行過(guò)濾篩選,篩選依據(jù)是在改造后被篩選網(wǎng)格的水深或流速是否達(dá)到或超過(guò)伊樂(lè)藻生存的水動(dòng)力閾值,若超過(guò),則為有效治理網(wǎng)格,網(wǎng)格面積記為有效面積,反之則不記。算出有效網(wǎng)格面積的增量,并與改造前的有效網(wǎng)格面積相除,提出水動(dòng)力提升率概念,采用水動(dòng)力提升率T這一指標(biāo)對(duì)改造前后流場(chǎng)的水動(dòng)力變化效果進(jìn)行分析,即

(1)

周期(一個(gè)枯水、中水和洪水周期)流量下各區(qū)域每一改造方案下的水動(dòng)力提升率計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 各區(qū)域在每一改造方案周期流量下的水動(dòng)力提升率Table 2 Hydrodynamic improvement rate of each scheme for each area under periodic flow rate

周期流量下方案1在區(qū)域B和區(qū)域C的水動(dòng)力提升率均為負(fù)值,在區(qū)域A為正值但絕對(duì)值遠(yuǎn)小于其他2個(gè)方案。方案2和方案3在每一區(qū)域的水動(dòng)力提升率均為正值且在絕對(duì)值上每一區(qū)域均為方案3大于方案2。3個(gè)區(qū)域中方案2和方案3的水動(dòng)力提升率最小差值為4.17%,最大差值為6.52%。雖然方案3在各區(qū)域的水動(dòng)力提升率均為最大,但考慮到方案2和方案3在對(duì)環(huán)境擾動(dòng)和改造效益等方面存在較大差異,因此并不能單一地認(rèn)為方案3為最優(yōu)方案,還需進(jìn)一步建立改造方案優(yōu)選模型,考慮多方面指標(biāo),綜合評(píng)價(jià)選取每一區(qū)域的最優(yōu)改造方案。

2 研究方法

2.1 熵權(quán)法

熵的概念最初來(lái)源于熱力學(xué),后被引入信息論用于信息處理,其本質(zhì)是反映信息的無(wú)序程度。熵越大,那么系統(tǒng)的無(wú)序度就越高,熵越小,系統(tǒng)的無(wú)序度就越低,同時(shí)認(rèn)為某一指標(biāo)傳輸和攜帶的數(shù)據(jù)信息越多,那么在決策中起到的作用越大,故可用熵來(lái)評(píng)價(jià)已有信息的無(wú)序度及其效用,即采用所選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)所構(gòu)成的判斷矩陣對(duì)每一指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行確定[16-19]。其可較大程度消除主觀因素對(duì)權(quán)重計(jì)算的影響,使計(jì)算結(jié)果盡量保持客觀性,從而使評(píng)價(jià)結(jié)果更加接近實(shí)際,其計(jì)算步驟如下所示。

(2)

由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)在量綱、賦值標(biāo)準(zhǔn)等方面會(huì)有差異,故首先需要將各指標(biāo)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的尺度,即對(duì)初始評(píng)價(jià)矩陣R′進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)矩陣,每一具體指標(biāo)轉(zhuǎn)化過(guò)程如下。

若該指標(biāo)為正指標(biāo)(該指標(biāo)越大則對(duì)方案越好的指標(biāo)),其轉(zhuǎn)化過(guò)程為

x=1,2,…,i;y=1,2,…,j。

(3)

若該指標(biāo)為負(fù)指標(biāo)(該指標(biāo)越小則對(duì)方案越好的指標(biāo)),其轉(zhuǎn)化過(guò)程為

(4)

(5)

式中hy為第y個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵。其中:

(6)

(7)

式中fxy為指標(biāo)的特征比重。最后依據(jù)熵權(quán)公式依次計(jì)算y個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)βy,即

(8)

2.2 TOPSIS模型

TOPSIS模型的基本思路是定義某一決策問(wèn)題的正理想解和負(fù)理想解,然后計(jì)算每一方案的距離,最佳方案即要求與正理想解的距離最近,而與負(fù)理想解的距離最遠(yuǎn)[20-22]。正理想解通常是指每一指標(biāo)至少都達(dá)到現(xiàn)有可行方案中的最優(yōu)值時(shí)的解,負(fù)理想解是指該解中每一指標(biāo)都不優(yōu)于現(xiàn)有可行方案中的最劣解,其中現(xiàn)有可行方案與正負(fù)理想解之間的距離一般通過(guò)加權(quán)歐氏距離進(jìn)行計(jì)算得到,而加權(quán)歐式距離這一數(shù)據(jù)也是判斷方案優(yōu)劣的重要依據(jù)[23-25]。該模型幾何意義直觀,同時(shí)幾乎不受人為因素干擾,能夠較為全面合理地對(duì)現(xiàn)有可行方案按照優(yōu)劣進(jìn)行排序,其模型構(gòu)建主要包括如下步驟:

為了達(dá)到不同維度和類型的指標(biāo)能夠進(jìn)行量化比較,需要對(duì)每一具體指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理,初始矩陣參照式(2)中的R′,矩陣中每一元素的歸一化公式為

(9)

式中rxy為經(jīng)歸一化處理后的具體指標(biāo)。之后構(gòu)建經(jīng)加權(quán)和歸一化的規(guī)范決策矩陣B(式(10)),其權(quán)重來(lái)源于式(8)所計(jì)算熵權(quán)。

式中:βy為由式(8)所計(jì)算得指標(biāo)熵權(quán);wnm為經(jīng)加權(quán)和歸一化的規(guī)范決策矩陣B中指標(biāo)的具體取值。根據(jù)式(10)的加權(quán)決策矩陣對(duì)正理想解Z+和負(fù)理想解Z-進(jìn)行計(jì)算。

正理想解Z+的計(jì)算公式為

(11)

負(fù)理想解Z-的計(jì)算公式為

再采用歐氏距離計(jì)算現(xiàn)有可行方案與正負(fù)理想解之間的距離。

與正理想解之間的距離可由式(13)算得,即

x=1,2,…,i;y=1,2,…,j。

(13)

與負(fù)理想解之間的距離可由式(14)算得,即

x=1,2,…,i;y=1,2,…,j。

(14)

最后計(jì)算現(xiàn)有方案與正理想解的相對(duì)貼近度即各方案的綜合評(píng)價(jià)指數(shù),相對(duì)貼近度位于0～1之間,貼近度越趨近于1,說(shuō)明現(xiàn)有可行方案與正理想解的距離越近同時(shí)也越接近于最優(yōu)解,可依據(jù)相對(duì)貼近度(綜合評(píng)價(jià)指數(shù))大小對(duì)方案優(yōu)劣進(jìn)行排序,其中相對(duì)貼近度Px的計(jì)算公式為

(15)

3 模型構(gòu)建與結(jié)果分析

3.1 模型指標(biāo)選取

在1.3節(jié)中已經(jīng)對(duì)方案1、方案2和方案3周期流量下在各區(qū)域的水動(dòng)力提升率進(jìn)行了分析,但僅僅考慮水動(dòng)力提升率這一指標(biāo)過(guò)于片面,難以確定各區(qū)域的最終方案,故通過(guò)熵權(quán)-TOPSIS的地形改造方案優(yōu)選評(píng)價(jià)模型對(duì)各方案進(jìn)行得分高低排序,以期全面綜合評(píng)價(jià)各地形改造方案優(yōu)劣,為每一區(qū)域選定最合適的改造方案。

依據(jù)指標(biāo)所攜帶和傳輸?shù)男畔⒁M可能多的原則,選取的主要指標(biāo)有水動(dòng)力提升率、對(duì)環(huán)境的影響和改造效益等指標(biāo),指標(biāo)的類型、所包含信息和指標(biāo)初始數(shù)據(jù)來(lái)源如表3所示,每一區(qū)域3個(gè)方案的指標(biāo)初始數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 模型指標(biāo)選取Table 3 Selection of model indicators

表4 各方案在不同區(qū)域指標(biāo)初始數(shù)據(jù)Table 4 Initial data of indicators in each scheme for each area

3.2 模型計(jì)算結(jié)果及分析

將以上數(shù)據(jù)分為區(qū)域A、區(qū)域B和區(qū)域C分別進(jìn)行分析。首先通過(guò)熵權(quán)法對(duì)每一區(qū)域各方案指標(biāo)的熵權(quán)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 各區(qū)域指標(biāo)熵權(quán)Table 5 Entropy weight of indicators in different regions

同一指標(biāo)在不同區(qū)域的權(quán)重較為接近,說(shuō)明不同區(qū)域之間的初始數(shù)據(jù)都較為穩(wěn)定,未出現(xiàn)偏差較大的數(shù)據(jù),需進(jìn)一步采用評(píng)價(jià)模型進(jìn)行方案的優(yōu)選。

表6 各區(qū)域正理想解和負(fù)理想解Table 6 Positive ideal solution and negative ideal solution for each area

表7 各區(qū)域現(xiàn)有可行方案與正負(fù)理想解的距離及評(píng)價(jià)結(jié)果Table 7 Distances and evaluation results between the existing feasible solutions and the positive and negative ideal solutions for each area

根據(jù)所建立的基于熵權(quán)-TOPSIS的地形改造方案評(píng)價(jià)模型對(duì)不同區(qū)域各方案綜合評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算并據(jù)此排名, 結(jié)果顯示若綜合考慮水動(dòng)力提升率、 對(duì)環(huán)境的影響和改造效益等指標(biāo)因素, 在區(qū)域A、 區(qū)域B和區(qū)域C中方案1均是綜合評(píng)價(jià)指數(shù)最低的, 而方案3在3個(gè)區(qū)域的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)均為最高, 據(jù)此在3個(gè)區(qū)域均選擇方案3作為最終改造方案。

根據(jù)每個(gè)方案自身不同的特點(diǎn)和綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算結(jié)果可知,方案1雖然對(duì)環(huán)境的影響較小,但其水動(dòng)力提升率指標(biāo)并未表現(xiàn)出預(yù)期的提升效果,改造效益指標(biāo)也不及其他2個(gè)方案,故其在每個(gè)區(qū)域的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)均為最低;方案2在各區(qū)域的水動(dòng)力提升率雖與方案3接近,其相比方案3對(duì)環(huán)境的影響也更小,但在改造效益指標(biāo)方面沒(méi)有方案3顯著,故其綜合評(píng)價(jià)指數(shù)在各區(qū)域都略低于方案3;方案3雖對(duì)環(huán)境的影響在各區(qū)域都是最大的,但水動(dòng)力提升率指標(biāo)和改造效益指標(biāo)在所有區(qū)域中都是最高的。故在綜合考慮水動(dòng)力提升率、對(duì)環(huán)境的影響和改造效益時(shí),其綜合評(píng)價(jià)指數(shù)均高于其他2個(gè)方案,綜合考慮在3個(gè)區(qū)域均采用方案3作為最終地形改造方案。

4 結(jié) 論

為通過(guò)實(shí)施局部地形改造而塑造不利于伊樂(lè)藻生長(zhǎng)的水文環(huán)境,對(duì)伊樂(lè)藻災(zāi)害產(chǎn)生一定治理效果,并實(shí)現(xiàn)對(duì)改造方案實(shí)施前后水動(dòng)力變化的量化分析,綜合評(píng)價(jià)各地形改造方案在每一區(qū)域的水動(dòng)力提升效果、對(duì)環(huán)境的影響和改造效益,選取各區(qū)域最優(yōu)改造方案。本文提出了水動(dòng)力提升率概念,并建立了基于熵權(quán)-TOPSIS的地形改造方案優(yōu)選模型對(duì)各區(qū)域的每一方案進(jìn)行評(píng)價(jià)優(yōu)選,取得的主要結(jié)論如下:

(1)在周期流量下,方案1對(duì)區(qū)域B和區(qū)域C產(chǎn)生了水動(dòng)力強(qiáng)度減弱的效果,方案2和方案3對(duì)區(qū)域B的水動(dòng)力提升率分別為16.02%和20.19%,對(duì)區(qū)域C的水動(dòng)力提升率分別為45.47%和51.99%。在區(qū)域A,3個(gè)方案均有提升效果,方案1提升率為5.16%,方案2和方案3的提升率均在60%左右。

(2)熵權(quán)法得到3個(gè)區(qū)域各指標(biāo)的熵權(quán)均為改造效益>平均改造深度>水動(dòng)力提升率,TOPSIS模型計(jì)算結(jié)果表明每一區(qū)域的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)均為方案3>方案2>方案1,故在綜合考慮各改造方案的水動(dòng)力提升率、對(duì)環(huán)境的影響和改造效益時(shí),3個(gè)區(qū)域均選擇方案3作為最優(yōu)改造方案。