水量优化调度对水系连通性的影响分析

郭亚萍，李 丹，曹 滨，张 帅，林洪孝，王 刚(.山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 708；.泰安市大汶河闸坝管理所，山东 泰安 7000)

水系连通对于河流水质净化、防洪排涝以及增加区域调蓄和水生态环境承载能力等均具有至关重要的作用。水系连通性的影响因素较多，随着城市化进程不断加剧，人类高强度的活动使流域内河流出现不同程度的河床淤积、河道堵塞等问题，直接危害了河网水系结构，影响了河流连通性作用的发挥[1]。孟慧芳的研究中也表明城市化进程加剧导致河网水系中尤其是低等级河道的减少,可降低河流的连通性，此外相关研究[2]中还表明雨量特征、土地利用状况以及流域地形等均对水系连通性具有一定的影响。由于在河流的综合开发治理过程中，修建水库、闸坝是普遍采用且较为有效工程措施，人为调节了水流时间，改变了水量空间分布，而相关研究[3-5]也表明对水库、闸坝水量进行优化调度可以改善流域内河流的健康状况，因此探究水量调度对水系连通性的影响具有较强的实际意义。

本研究根据泗河流域水利工程规划建设项目中存在的水库、闸坝较多，为满足城市供水、农业灌溉、生态补水等要求，需对区域内水量进行调度的实际问题，拟探讨以上下游水资源损失最小、最大化拦蓄水量为目标，保证河流水流畅通的前提下，研究对库区及闸坝范围内水量进行优化调度时，能否对泗河流域内河流水系连通性起到一定的积极作用。

1 研究区概况

泗河流域发源于山东省新泰市太平顶，流经新泰、泗水、曲阜、兖州、邹城、高新区、太白湖新区、微山，入南阳湖，是南四湖湖东最大入湖河流。流域面积2 357 km2，全长159 km。流域内现有水利工程(图1)中大型水库1座，中型水库4座，拦河闸坝25座(现有闸坝11座，规划新建闸坝14座)。目前，泗河流域已修建了一系列以蓄、引、防洪等为目的水利工程，虽然发挥了巨大的社会和经济效益作用，但流域内河流遭受人工干扰严重，水质恶化，河流生态环境遭到破坏，降低了流域内河流水系的连通性，严重阻碍了泗河流域的可持续发展。

图1 泗河流域拦河闸坝分布图Fig.1 Distribution of Brake and dam on Sihe river basin

2 研究方法

2.1 水量优化调度方案

步骤一：基于泗河流域内主干流5库25闸的分布特点及断面状况等因素，设置目标函数，以期实现流域内梯级闸坝(水库)拦蓄水量最大化。目标函数为：

(1)

式中：g(i，t)表示第i个水利枢纽在t时段的拦蓄水量。

步骤二：在满足泗河流域实际用水量需求的前提下，通过水量平衡约束方程对流域内拦蓄水量进行调度概算。

水量平衡方程：

Vi,t+1=Vi,t+Ii,t+1-(WUi,t+1+WEi,t+1+WAi,t+1+

Wi其他,t+1)-Wi损,t+1-OUTi弃,t+1

(2)

式中：Vi,t+1，Vi,t分别为第i个水利枢纽在t时段初、末的蓄水容积，m3；Ii,t+1为t时段i水利枢纽的来水量，m3；WUi,t+1为t时段i水利枢纽的调出水量，m3；WEi,t+1为t时段i水利枢纽的生态补水量，m3；WAi,t+1为t时段i水利枢纽的农业灌溉用水量，m3；Wi其他,t+1为t时段i水利枢纽的其他用水量，m3；Wi损,t+1为t时段i水利枢纽的损失水量，m3；OUTi弃,t+1为t时段i水利枢纽的弃水量，m3。

在进行优化调度计算过程中需同时满足以下约束条件：变量非负、状态约束、水量连续。其中状态约束是指库坝时段末库容应大于或者等于死库容，并且小于或者等于兴利库容，以满足径流调节、水库供水量的要求；水量连续主要是保证河流水量流动的连续性，并将上一级水库(闸坝)的生态补水量及弃水量作为下一级闸坝的来水量。

2.2 连通性指标的选取

目前，对于水系连通性的内涵尚没有系统规范的定义，长江水利委员会编写的《维护健康长江，促进人水和谐研究报告》中[6]，将水系连通性定义为：河道干支流、湖泊及其他湿地等水系的连通情况，反应水流的连通性和水系的连通状况。在此基础上，张欧阳[7]等人认为水系连通性就是要满足两个基本因素：一是要有能满足一定需求的保持水流运动的水量；二是要有水流的连接通道。本研究在借鉴相关研究的基础上，按照河湖水系的功能和作用选取水资源开发利用率和本地水资源供需比来表示资源调配型连通性，选取水质指标和水质达标率来表示生态修复型连通性，选取特大洪水来水量与蓄水能力之比来表示灾害防御型连通性[8,9]，并根据山东省水利厅《山东省水资源保护规划技术大纲》选取纵向连通性指标和横向连通性指标作为评价泗河流域内河流结构连通性影响的依据。

(1)功能连通性指标。

①资源调配型指标：水资源开发利用率，反映研究区水资源开发利用程度，按照国际标准，若水资源开发利用率大于60%，则该地区的水资源开发利用程度较高，可进一步开发利用的潜力较小。本地水资源供需比，反映本地缺水程度。

(3)

(4)

②生态修复型指标：采用EC(电导率)、五日生化需氧量、化学需氧量和高锰酸钾指数来反映研究区水质状况。采用水质达标率来反映水功能区水质的总体状况。

(5)

③灾害防御型指标：特大洪水来水量与蓄水能力之比，反映区域内水库、分滞洪区等水利工程泄洪能力大小。指标越小，则抵御洪水的能力越强。

(6)

(2)结构连通性指标。纵向连通性是指在河流系统内生态元素在空间结构上的纵向联系，横向连通性指具有连通性的水面面积、长度占统计的水面总数之比。计算公式如下：

W=N/L

(7)

式中：W是指纵向连通性系数；N指河流的断点(或节点)等障碍物数量(如闸、坝等，已有过鱼设施的闸坝不在统计范围之列)；L指连续河流的有效长度，纵向连通性系数越大，河流连通性越差。

C=A2/A1

(8)

式中：C指横向连通性系数；A1指流域内河流水面总面积；A2指流域内连通性河流的水面有效面积，横向连通性指标越大，河流连通性状况越好。

3 结果分析与讨论

3.1 拦蓄水状况分析

根据方案，首先对各闸坝水库通过截流雨洪水量实现拦蓄水量最大化，然后对水量进行优化调度。结果表明，通过水量调度后蓄水情况(多年平均值)可知，丰水年各梯级闸坝年内完全蓄满的月份有7.3个月，占60.6%；部分蓄满为3.9个月，占32.2%，表明丰水年各级拦河闸坝蓄水状态均达到最佳。平水年内各梯级闸坝蓄水表现为年内完全蓄满的月份为5.5个月，占45.8%；部分蓄满为5.6个月，占46.6%，表明平水年各级拦河闸坝能够达到良好的蓄水状态。枯水年各梯级闸坝年内完全蓄满的月份为3.0个月，占25%；部分蓄满为9.0个月，占75%，表明枯水年各级拦河闸坝蓄水状况差；通过多年平均蓄水状况可知，总体年内完全蓄满的月份为5.3个月，占44.5%；部分蓄满为5.3个月，占44.5%，各闸坝蓄水状况不一，黄阴集闸蓄水状态最佳，完全蓄满的月份占8.3个月，书院坝作为非汛期外调水功用坝，完全蓄满的月份为1.8个月；金口坝承担城市供水任务，年内完全蓄满月份仅为0.4个月，但部分蓄满月份为9.9个月，占82.5%，表现为较好的蓄水状态。总体上，最大化拦蓄水量增加了流域内可用水资源量，泗河流域50%总可供水量增加了4 270 万m3，75%总可供水量增加了3 806 万m3，95%总可供水量增加了3 109 万m3，泗河流域内可用水资源总量明显增加(图2)。

3.2 水量优化调度对水系连通性的影响分析

(1)对功能连通性的影响分析。通过计算分析各功能性指标，得到研究区水量优化调度前后的功能性特性(表1)。

水资源开发利用率降低，本地水资源供需比提高。水资源总量由规划调度前的15 310 m3，增加到规划调度后的20 680m3。随着水资源总量的增加，水资源开发利用率也由原来的34.7%，减少到25.7%，水资源开发利用潜力较大。现状水平年75%频率的供需比为0.857，优化调度后，75%频率的供需比变为0.903，水资源短缺状况有所缓解。

图2 泗河流域水利工程供水量成果Fig.2 Water supply of water conservancy projects on Sihe river basin

表1 水量优化调度前后功能连通性特征变化Tab.1 Change of functional connectivity features before and after the water optimization of scheduling

水质状况有所改善。在我国，目前对于河流保护的主要工作是水质的恢复[10]。基于联合调度改善水质状况在我国大流域内也有成功的应用[11,12]。在泗河流域内进行水量优化调度可增加流域内河流的连通性，有助于增强水流的自净能力与纳污能力[13]，达到改善水质的效果。同时，通过对流域内相关库区闸坝进行水质指标监测表明(图4)，在丰水期各水质指标明显低于枯水期，这可能是由于河道内河水水量与流速增加[14]，在污染物数量稳定的前提下，由于水体的稀释作用，增加了水体的环境容量与自净能力[15]，降低水质的污染状况，郭巍[16]通过分析COD、NH3-N等与水量的相关关系得出，随着干流流量增加，河段中COD、NH3-N等污染物浓度会有一定程度的下降，与本研究结果相符。通过对水量调度前后泗河流域总可供水量进行比对表明，泗河流域50%总可供水量增加了4 270 万m3，75%总可供水量增加了3 806万m3，95%总可供水量增加了3 109 万m3，泗河流域内水用水资源总量明显增加。刘韬[17]在综述总结认为，资源具有质、量二重性，二者相互影响；徐斌等[15]研究表明，地表水资源量对水质具有决定性影响。因此可以认为，水量调度前后，泗河流域河流水质将得到改善，水质达标率也由优化调度前的90%预计达到规划调度后的100%。

图3 泗河流域水质监测成果Fig.3 Results of water quality monitoring on Sihe river basin

抵御洪水的能力大大增加。随着泗河流域水利枢纽的的规划与建设以及水量的优化调度，水利工程最大蓄水量由原来的45 301 万m3增加到49 447 万m3，所以特大洪水来水量与蓄水能力之比也由原来的8.39减少到了7.68，说明泗河流域对抵御洪水的能力有所增强。

(2)对结构连通性的影响分析。本研究在借鉴相关研究的基础上，从河流纵向连通性与横向连通性的角度，对泗河流域内通过水量优化调度后的河流连通性进行分析，结果表明：优化调度前泗河河流的断点(或节点)等障碍物数量为963座(如闸、坝等，已有过鱼设施的闸坝不在统计范围之列)，考虑到水量不足导致的个别小型支流断流，经计算统计不断流河流的长度384.6 km，由公式(7)计算得纵向连通性系数为2.50；优化调度调整后前泗河河流的断点或节点等障碍物数量为977座(规划新增14座橡胶坝)，经计算统计连续河流的长度387.3 km，泗河纵向连通性系数为2.52，而纵向连通性指标越大，连通性越差，由上述分析可以看出，新增闸坝降低了泗河流域内河流连通性，这与罗贤[18]、张欧阳[13]等的研究结果一致。同时，由济宁水文局调查可知，优化调度前泗河具有连通性的水面面积为918 km2，经统计的水面面积即泗河流域面积2 357 km2，由公式(8)计算得横向连通性指标为38.94%，水量优化调度后，保证流域内河流连续，使泗河具有连通性的水面面积增加，经济宁市水文局统计约为1 285 km2，优化调度后横向连通性指标约为54.52%，河流横向连通性系数越大，则河流连通性状况越好，因此，水量优化调度在一定程度上改善了由于修建水库、闸坝等对河流连通性造成的不利影响，使河流连通性提高(表2)。

表2 水量优化调度前后结构连通性特征变化Tab.2 Change of structure connectivity characteristics before and after the water optimization of scheduling

优化调度后相对于优化调度前，泗河连通性整体上有所改善，但相对于自然状况，人为修建的水库、闸坝等水工建筑物仍降低了河流本身的连通性。作为平原河网，泗河流域内河流连通性的降低主要是由于城市化过程中高强度的人类干扰，使廊道的连接率明显下降[19,20]。河流上修建水库与闸坝在一定程度上阻断了水流的连续性，降低了水体的自净能力，使同一断面下的流量减少[13]，然而河网连通状况还受到闸门与泵站的调度影响[19]，因此，可以通过对改进已建闸坝的调度运行方式作为非工程措施改进水系流通性[21]。

4 结 语

(1)水量优化调度可以改善水系的功能连通性。水量优化调度可以使得研究区水资源得到合理调配，改善研究区河流水质，增强研究区的灾害防御能力。从而使得研究区的功能连通性得到改善。

(2)水量优化调度后，可以弥补由于水利工程建设造成的水系格局连通性变差的状况，改善河流连通性，为流域水利工程建设规划和流域生态恢复提供依据。

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[1] 陈云霞, 许有鹏, 付维军.浙东沿海城镇化对河网水系的影响[J]. 水科学进展, 2007,18(1):68-73.

[2] Meerkerk A L, Wesemael B V, Bellin N. Application of connectivity theory to model the impact of terrace failure on runoff in semi-arid catchment[J]. Hydrological Processes, 2009,23(19):2 792-2 803.

[3] 刘玉年,施 勇,程绪水,等.淮河中游水量水质联合调度模型研究[J]. 水科学进展, 2009,20(2):177-183.

[4] 吴浩云. 大型平原河网地区水量水质耦合模拟及联合调度研究[D]. 南京：河海大学, 2006.

[5] 张松达, 温进化, 夏梦河. 水库群以及水库与河网联合调度实践与探讨[C]∥ 中国原水论坛专辑，2010.

[6] 蔡其华. 维护健康长江 促进人水和谐[J]. 水利建设与管理, 2005,25(8):55-57.

[7] 张欧阳, 熊 文, 丁洪亮. 长江流域水系连通特征及其影响因素分析[J]. 人民长江, 2010,41(1):1-5.

[8] 崔国韬, 左其亭, 李宗礼,等. 河湖水系连通功能及适应性分析[J]. 水电能源科学, 2012,30(2).

[9] 窦 明, 崔国韬, 左其亭,等. 河湖水系连通的特征分析[J]. 中国水利, 2011,(16):17-19.

[10] 董哲仁. 河流健康评估的原则和方法[J]. 中国水利, 2005,(10):17-19.

[11] 李考真, 任淑梅. 地表水水质水量联合调度研究——以徒骇河聊城段为例[J]. 聊城师院学报:自然科学版, 1999,(2):72-76.

[12] 程绪水, 沈哲松, 贾 利. 2001-2002年度淮河沙颍河水污染联防调度与经验[J]. 治淮, 2002,(12):3-4.

[13] 张欧阳, 卜惠峰, 王翠平,等. 长江流域水系连通性对河流健康的影响[J]. 人民长江, 2010, 41(2):1-5.

[14] 王锦旗, 王国祥, 郑建伟. 不同流速下溢流堰对河道水质的影响[J]. 人民黄河, 2014,(11):62-64.

[15] 徐 斌, 刘克岩, 时晓飞,等. 地表水资源水质水量结合评价方法研究[J]. 水利规划与设计, 2003,(2):25-30.

[16] 郭 巍. 水质水量结合评价渭河干流(陕西段)水资源变化[J]. 水资源与水工程学报, 2011,22(5):115-120.

[17] 刘 韬. 水资源水质水量联合评价综述[J]. 环境科学导刊, 2012,31(2):73-77.

[18] 罗 贤, 许有鹏, 徐光来,等. 水利工程对河网连通性的影响研究——以太湖西苕溪流域为例[J]. 水利水电技术, 2012,43(9):12-15.

[19] 韩龙飞, 许有鹏, 邵玉龙,等. 城市化对水系结构及其连通性的影响——以秦淮河中、下游为例[J]. 湖泊科学, 2013,(3):335-341.

[20] 孟慧芳, 许有鹏, 徐光来,等. 平原河网区河流连通性评价研究[J]. 长江流域资源与环境, 2014,23(5).

[21] 董哲仁, 王宏涛, 赵进勇,等. 恢复河湖水系连通性生态调查与规划方法[J]. 水利水电技术, 2013,44(11):8-13.