基于河湖水系连通的高原湖泊水资源优化模拟

杨 霄，陈 刚,2，桑学锋，顾世祥，周祖昊(.云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 65002；2.河海大学水文水资源学院，南京 20098；.中国水利水电科学研究院，北京 0008)

0 引 言

流域水循环“自然-人工”二元演变是导致近30年来各地水问题和水危机的本质原因，水资源科学调控的基础是对高强度人类活动干扰下流域水循环与水资源演变内在机理及其规律的认知[1]。进行水资源模拟时，由于水库群联合调度供水、分水规则的“二重性”，应将区域水资源时空配置与具体每个水库的调度统一起来[2-4]。如建立综合利用水库生态库容优化模型及水资源系统仿真模型，以各用户供水保证率最大且均衡为目标，采用自适应遗传算法、模拟调度等方法进行优化模拟[5,6]。在水资源紧缺地区，应积极发挥污水再利用及河湖水系连通工程对水资源系统的优化调整作用。将污水再利用纳入城市涉水单元体系，构建水量水质动态配置的水代谢系统，发挥水环境景观、再生水调节、水质稳定与改善作用[7]。当污水处理厂尾水补充城市湖泊时，要调整补水和用水途径、优化水体运行方案，既维持湖泊水量平衡，又大幅度削减主要污染物的积累[8]。河湖水系连通从最初被动的自然水系连通逐步发展到适应、局部开发的连通改造，到主动改造、区域开发的水系连通，直至影响加大、规模开发的复杂水系连通[9]。以自然河道、湖泊、水库和人工渠道等恢复水系的连通性，提高水资源统筹调配能力、改善水环境和维持水生态、增强水旱灾害抵御能力，促进人水和谐发展[10,11]。

滇池流域是云南省人口聚居区和经济核心区，也是水资源供需矛盾最为显著的区域，水环境污染严重，水生态脆弱。水少、水脏、水资源开发利用程度高已严重制约了区域经济和社会的发展。水资源条件差、水资源配置体系不适应社会经济的发展格局等已成为影响区域水资源可持续利用的主要因素。近50多年来，围湖造田、城市生活污水排放、农业面源流失等人类活动造成了滇池由贫营养向富营养的快速演替，生态系统由清水-草型向浊水-藻型的剧烈退化[12]。2003-2013年，滇池水污染问题逐渐被重视，阶段性水环境综合治理后水质恶化趋势基本被遏制，经济社会过度发展后应提高城市污水收集处理及回用率，实施人工引水入滇工程，通过水体交换减轻内源污染，恢复外海湿地生态系统，加强湖体的自净能力[13]。昆明市建设了一系列“引水济昆”工程，随着掌鸠河引水供水工程、清水海引水工程、牛栏江-滇池补水工程等外流域引调水工程相继投入运行，以滇池流域作为主要受水区的滇中引水工程也正在开展前期工作，滇池流域将逐步形成以滇池为核心，本区松华坝等大中型水库、地下水、滇池、城市再生水、外流域调水等多水源联合调度的河湖水系连通供水格局。基于以上供水格局，本文设置不同供水方案进行配置结果比较，探索水系连通工程对流域供水公平性及安全性提高的作用。

1 资料和方法

1.1 使用的数据

①松华坝等大型水库1953-2013年逐月入库径流、出库流量、水面蒸发等资料；②滇池流域、螳螂川区间及外调水源区的10多座中型水库，55座小型水库1956-2013年逐月入库径流、出库流量、水面蒸发等资料；③滇池1951～2013年逐月水面蒸发、出湖水量观测资料；④区域内18个水文站和雨量站1951-2013年的逐月径流、泥沙、降水量等观测资料；⑤1980、1993、2000、2004、2008、2012年等不同典型年各县(市、区)的城乡供水、工农业经济统计年报。⑥研究区内的城市、工业园区、农业、水利等发展规划。

研究范围涉及滇池流域、普渡河和牛栏江上等3个水资源四级区，其中滇池流域涉及计算单元有昆明主城、呈贡龙城、晋宁昆阳、盘龙松华、官渡小哨。普渡河流域涉及计算单元有西山海口、五华西翥、安宁连然和富民永定(仅为普渡河流域部分区域，下文无特别说明，专指安宁市、富民县和五华区部分)；牛栏江上涉及的计算单元有官渡小哨，即官渡小哨分属滇池流域和牛栏江上2个水资源四级区。

1.2 边界条件

为了揭示不同引调水供水工程在各来水频率下水资源配置成果之间的差异，研究选用2012年、2020年和2030年作为3个水平年。

2012年，以现状用水水平为基础，供水侧采用现状各类水源供水方案，需求侧基于现状年水平下各用水户用水需求。揭示现状的供水水平和滇池普渡河流域行业用水水平下的流域水资源供需缺额。

2020年，水源增加牛栏江-滇池补水工程、大营水库、马料河水库、箐门口水库及新建小型水库等规划新建工程。基于“清水入湖、中水回用、清污分流、系统配置”的基本原则，通过水系连通工程将牛栏江-滇池补水工程生态补水量直接输水或置换供水(水库生态调度)，分配到滇池主要入湖河流，实现“多口补滇”。在不影响滇池生态补水水量和水质的前提下，兼顾这些河流生态环境的改善，实现“河清湖美，水绕城转”。选取盘龙江、宝象河、洛龙河、马料河、捞鱼河、梁王河、东大河作为清水补水通道，将牛栏江补水滇池的生态用水通过水系连通工程提水输送，沿原松华坝水库东干渠自流进入东大沟，沿程兴建支渠经过宝象河、果林水库、洛龙河、捞鱼河、梁王河，达到改善各河流及滇池生态的目的。金汁河、大观河、船房河、运粮河等河流则利用污水处理厂尾水满足河流生态用水，同时兼作城市尾水的外排通道，通过环湖截污干管直接外排至滇池下游。

2030年滇中引水工程建成后，牛栏江-滇池补水工程调整为向曲靖城市年供水3.1亿m3，向滇池年补水量降至1.38亿m3，不足部分由滇中引水工程解决。滇中引水工程从盘龙江分水口将滇池所需生态用水输送至滇池流域水系连通工程，依次进入各清水通道，为各河流及滇池进行生态补水。为维护和修复滇池水生态环境，流域内的工矿企业已经向下游安宁富民工业走廊转移，布局发生根本性转变。滇池从保障昆明生产生活供水的水源地，向需要进行生态修复、改善水质的用水户转变。

1.3 水资源系统优化模拟方法

采用国际主流、国内引进和成熟应用的水资源配置管理工具MIKE BASIN建立滇池流域的水资源配置模型， MIKE BASIN在重大工程的水资源配置规划、规模论证及方案比较中得到广泛应用[14,15]，模型构建步骤如下：

(1)对流域内的河流水系、供用水户进行概化并绘制网络图，滇池流域2030年水资源系统概化网络图如图1所示。根据水力联系建立区域水资源系统网络模拟模型。模型中的河流节点分为汇流节点、分流节点等，供水户结点包括水库节点、引水节点、提水节点等,用水户节点可分为城镇生活、工业、农村生活、湿地生态、农业灌溉等。

(2)数据处理。对模型计算需要的径流过程、水库特征参数、水库调度规则、需水过程、供用水优先顺序等数据和参数进行处理,将数据转换成满足模型计算要求的格式。

(3)对相关参数进行率定，检验节点水量平衡，基于行业间用水公平性规则进行水资源系统模拟，各类用水户严格按供水水质要求进行配置，遵循“优水优用、高水高用”的基本原则。采用“三次供需平衡”方法得出滇池流域现状、2020水平年、2030水平年的水资源统一配置成果。

图1 2030年滇池流域水资源系统概化网络图

1.3.1目标函数

目前国内进行多目标水资源优化配置时，通常选取生活用水效益、农业用水效益、工业用水效益、第三产业用水效益和生态环境用水效益等目标进行多目标决策，以达到经济、社会、环境等各部门综合效益最大的目标[16,17]，较少从供水安全和区域间供水公平来考虑，而供水安全和公平性也应是水资源配置所关心的核心目标，因此，本次研究采用公平性最优和供水缺水率最小作为水资源优化配置的目标函数，综合考虑区域间及各用水部门的供水安全性和公平性。

(1)公平性最优目标。

minF(x)=∑myry=1∑12n=1∑mhh=1qhGP(Xh)

(1)

其中：

(2)

各行业城市生活、农村生活、工业、农业、湿地生态的用户惩罚系数分别为：10、10、10、0.1、0.1。

根据区域公平性目标的定义，差异越小说明各个单元之间公平程度越趋于一致。

(2)缺水率最小目标。

minYx=∑myry=1∑12n=1∑mhh=1qhSW(Xh)

(3)

其中：

(4)

式中：Y(x)为供水胁迫目标；SW(Xh)为供水胁迫函数；qh为行业用户惩罚函数；xuh为区域单元u中行业用户h的缺水率；Sobnh为区域行业用户h的各月供水胁迫目标理想值；myr为计算时段的年数；n为年内月值；mh为区域行业用水类型的数目；mu为区域单元数目。

根据缺水率目标的定义，缺水率越大说明供水保障率越小。

(3)总目标。为了将多目标问题转化为单目标求解，对配置模型中的公平性和缺水率两个目标函数进行加权求和，得到最终的总目标函数。总目标函数公式为：

Z(x)=f·F(x)+y·Y(x)

(5)

式中：Z(x)为总目标；f为公平指标系数；F(x)为公平指标；y为供水风险指标系数；Y(x)为供水胁迫目标，根据流域实际情况，选取公平性指标系数为0.50，供水风险指标系数为1.00。

根据总目标函数的定义，总目标函数越小说明配置结果越能满足全局优化。

1.3.2约束条件

约束条件涉及各级供水节点、各级用水单元的水量平衡及约束条件。

(1)水质约束条件。配置时应贯彻分质供水。在水资源供需平衡中，严格按照各部门的用水水质标准执行：城乡生活供水水质为地表水Ⅲ类及其以上，工业供水水质为Ⅳ类以上，农田灌溉和生态环境用水的水质标准为Ⅴ类以上。对于水质不达标的水量，将作为不合格供水，从原来的总供水量中予以扣除，不再参与供需平衡。规划水平年实施水资源保护治理措施后，达到水功能区划确定目标的水质，可纳入水资源配置。处理达标的再生水可用于供给农业灌溉、工业冷却用水等及河道外生态环境用水。

(2)湖泊、湿地、河道用水量约束条件。在长系列的配置模拟中，湖泊(或湿地)、河道水量下限采用以下几种约束： ①多年平均入湖泊(或湿地)水量下限满足湖泊(湿地)最小生态需水量； ②以湖泊(湿地)最小生态需水量的50%～80%作为年约束；③河道最小生态需水约束：未来水平年河道最小生态需水在汛期定为天然来流系列的30%，非汛期为天然来流系列的10%。研究区域缺水形势严峻，近期2020年暂不下泄生态流量，2030年则根据河道情况选择以上几种生态配水量约束方式。

(3)滇池水位约束条件。滇池运行调度及运行水位参照《云南省滇池保护条例》(2013年1月颁布)，汛期限制水位由1 887.0 m提高到1 887.2 m，正常高水位抬至1 887.5 m，最低工作水位为1 885.5 m，特枯水期对策水位1 885.2 m。

(4)其他约束条件。主要包括流域各单元供用耗排水量平衡方程，当地水节点水量平衡方程，计算单元用水量计算方程，当地可利用水量平衡方程及决策变量非负约束条件等。

1.4 配置方案组合

为研究河湖水系连通工程对区域水资源供水公平性、供水保障程度的影响，对规划水平年的供水情景设置多方案组合进行水资源系统模拟，如下表1。流域外水系连通工程主要包括牛栏江-滇池补水工程及滇中引水工程；流域内水系连通工程主要包括清水连通工程及中水连通工程，清水连通工程即盘龙江-宝象河-果林水库-洛龙河-捞鱼河-梁王河等清水通道连通工程，再生水连通工程即滇池南、北岸环湖截污干管，将滇池流域污水集中收集处理后排放至下游安宁，并沿途向部分工业、城市生态供水。

表1 不同水平年滇池流域水资源配置的水系连通情景组合

2 结果分析

2.1 现状年水资源系统模拟

采用MIKE BASIN配置模型，通过对现状年进行长系列仿真模拟，模拟结果与实际工程供水情况进行对比，针对结果差异进行模型参数调参，验证MIKE BASIN模型的合理性。由图2知，MIKE BASIN配置结果与实际供水情况拟合度高，从区域各单元供水总量来看，二者相关系数达到0.999，从行业供水来看，配置结果与现状各行业供水基本一致，从区域各行业供水总量来看，二者相关系数也达到了0.999。

图2 各计算单元和行业供水总量模拟结果对比

2.2 规划水平年水资源系统优化模拟

2020水平年需水量15.2亿m3，方案一为基本方案，供水方案为本地基本供水工程，各类水利供水量13.3亿m3，缺水19 100万m3，缺水率12.54%。方案二在基本方案的基础上增加流域内水系连通工程，大量增加再生水的利用量，供水量增加至15.0亿m3，缺水1 868万m3，缺水率1.23%。方案三在方案二的基础上增加流域外水系连通工程牛栏江-滇池引水工程，该工程不供生产生活用水，因此只对湿地生态用水产生影响，因此方案三较方案二大大提高了湿地生态用水保证率，方案三各类水利工程供水量15.1亿m3，缺水1325万m3，缺水率0.87%，各计算单元城镇生活、工业和农村生活供需基本平衡，农业灌溉保证率达到75%以上。

2030水平年需水量17.7亿m3，方案一为基本方案，由于下泄生态水量，各类水利供水量减少至8.54亿m3，缺水9.12亿m3，缺水率高达51.63%。方案二在基本方案的基础上增加流域内水系连通工程，大量增加再生水的利用量，供水量增加至9.08亿m3，缺水8.58亿m3，缺水率48.6%。方案二在方案三的基础上增加流域外水系连通工程牛栏江-滇池引水工程及滇中引水工程，流域外水系连通工程的加入大大地增加了供水量，湿地生态用水的保证率也大大提高，方案三各类水利工程供水量17.5亿m3，缺水1 352万m3，缺水率0.8%。各计算单元城镇生活、工业和农村生活供需基本平衡，农业灌溉保证率达到75%以上。

2.3 方案评价

根据各水平年各方案水资源配置成果计算区域各个行业的供水公平性和供水缺水率目标值(无量纲)，结果见表3，对比分析规划水平年各方案水系连通工程对水资源系统的供水公平性及供水风险的影响。

表2 流域各方案水资源供需平衡成果(多年平均) 万m3

表3 各水平年各行业配置指标 无量纲

由表3知，方案一各行业的缺水率指标及公平性指标较方案二基本均有增大，尤其是公平性指标显著增大，主要是流域内水系连通工程加入配置后，再生水利用量大幅增加，各小区的缺水率均大幅减小，说明2020年流域内水系连通工程对解流域缺水、实现区域供水公平具有重要意义。2020年方案二与方案三只在湿地生态行业的目标值有差异，是由于牛栏江-滇池补水工程只对滇池流域进行生态补水，补水后湿地生态的缺水率指标及公平性指标显著降低，因此方案三的总目标低于方案二，说明牛栏江-滇池补水工程对保障滇池流域湿地生态用水起到重要作用。

2030年方案三各行业的各项指标都明显小于方案一及方案二，这是因为滇中引水工程向除盘龙松华以外的所有小区供给生产生活用水共8.76亿m3，若滇中引水工程不供水，则各小区基本都会出现较大程度的缺水，导致公平性及缺水率指标均显著增大，说明滇中引水工程是解决整个滇池流域未来水平年的缺水形势、提高流域供水公平性的重要工程措施。对比方案一及方案二，方案二流域内水系连通工程，则各指标均有减小，说明2030年流域内水系连通工程对解决流域缺水、实现区域供水公平具有一定作用。

对比2020年及2030年的方案三，即各水平年的规划水系连通工程全部发挥功能的情形，各行业的缺水率指标及公平性指标均减小，说明供水保障程度越来越高，区域间的供水公平性越来越好。2030年的总目标值较2020年减小，可以看出，在多目标、多水源、多用户水资源分配，从缺水率最小和区域公平性最高两个方面，水系连通工程对于空间的水资源均衡调控和时间的水资源均衡调控都具有独特的优势。

图3、4、5为各规划水平年总指标、缺水率指标及公平性指标的系列年趋势。显然，2020年在滇中引水工程未发挥作用之前，遭遇1962年、1990年、1992年、2010年等类似特枯水年时，缺水率指标就明显增大，而公平性指标逐年数值也并不稳定，浮动较大。2030年滇中引水工程向流域供水后，各方案的缺水率指标及公平性指标的稳定性较2020年显著提高，在特枯水年基本不会出现大幅波动，同时有滇中引水工程供水的方案三数据较2020年的数值显著减小。因此，由图对比进一步说明滇中引水工程对未来水平年滇池流域的供水保障性、区域供水公平性具有重要意义。

图3 各方案总目标函数系列

图4 各方案缺水率目标函数系列

图5 各方案公平性目标函数系列

3 结 语

河湖水系连通工程是改善滇池水质的工程控制之关键，掌鸠河云龙水库引水、清水海引水、牛栏江-滇池补水等一批邻近流域调水工程的建成，为滇池流域城市生活、工农业生产和湖泊生态修复补水提供了水源保障。城市自来水、再生水收集处理、环湖截污干管及外排资源化利用工程等系统的逐步实施，构成了滇池流域复杂的水资源系统。为避免城市和工农业生产发展挤占河湖生态用水的问题再现，应将整个区域内的城乡生活、工业、农业灌溉与河湖生态、湿地生态、湖泊生态修复等的“三生”用水统一优化配置，将牛栏江-滇池补水与宝象河、双龙、柴河、大河等水库进行生态用水替代调度，以及当地蓄引提、邻近流域调水、城市再生水等多种水资源实行统一、跨区域调控，建立MIKE BASIN水资源优化配置模拟模型进行水资源统一优化配置，设置不同的水系连通工程供水方案组合，采用公平性最优和供水缺水率最小作为水资源优化配置的目标函数，对各水平年各方案配置结果进行评价。结果表明，2030年本区河湖水系连通工程加入后缺水率由51.63%降到48.6%，滇中引水工程加入后，缺水率进一步减小至0.8%，随着流域内河湖水系连通工程的逐步完善，区域供水保障程度越来越高，区域间的供水公平性越来越好，河湖水系连通工程对减小区域缺水率、实现区域间、行业间的供水公平起到了重要作用。2030年滇中引水工程建成后，滇池流域形成较完善的河湖水系连通体系，在保障流域河湖生态用水的前提下，对流域水资源进行系统优化配置，城乡生活、工业和农业灌溉供需基本平衡，各行业用水均能得到保障。

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