洮儿河河湖连通系统洪水资源利用边界阈值研究

张灿　刘建卫

摘要：河湖连通工程的实施为洪水资源的引蓄利用提供了有力保障。洪水引蓄过程中，安全与效益并重。基于洪水的双重属性，文章利用MIKE11一维水动力学模型及相关的流量、水量计算方法对洮儿河白城境内的河湖连通系统洪水引蓄的安全值以及各受水单元（湖泡、湿地、灌区）的需水量进行了界定。结果表明：20年一遇及以下量级洪水可保证河道全线安全引水，河道最大安全流量为2 140 m3/s；河道三个区间的生态基流分别为479 m3/s、319 m3/s、297 m3/s；河道外受水单元需水量上限值为 938×108 m3，需水量下限值为560×108 m3。河湖连通系统加强了河道内外的水力联系且河道内外供需水相互影响，边界阈值的确定将为洪水资源利用过程中的调度决策提供重要参考。

关键词：洪水引蓄；流量阈值；需水量阈值；河湖连通系统；洮儿河

中图分类号：TV2139文献标识码：A文章编号：

16721683（2018）04006608

Study on the boundary threshold of flood resources utilization in riverlake interconnected system of Taoerhe River

ZHANG Can，LIU Jianwei

（

School of Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Abstract：

The riverlake interconnection project provides strong support for floodwater diversion and storage.In this process，security and benefits are equally important.Based on the double attributes of the flood，we used MIKE11 onedimensional hydrodynamic model and the related calculation methods to calculate the safe value of flood storage in the riverlake interconnected system and the water demand of wetlands，ponds，and irrigated areas.The results indicated that the gate can open for diversion when the return period of flood events is 20 years or below.The maximum safe flow of the river is 2 140 m3/s，and the ecological base flow of different segments of the river is 479 m3/s，319 m3/s，and 297 m3/s respectively.The water demand of wetlands，ponds，and irrigated areas is 560×108 m3 to 938×108 m3.The riverlake interconnected system has strengthened the hydraulic connection inside and outside the river，and the boundary threshold will provide important reference for the dispatching decisionmaking in the process of flood resources utilization.

Key words：

floodwater diversion and storage；discharge threshold；water demand threshold；riverlake interconnected system；Taoerhe River

洪水資源利用是通过规划设计，借助相应工程措施，将汛期雨水引蓄起来作为一种可用水源的过程[1]。其可在一定程度上缓解区域水资源短缺，改善生态环境，减轻河道防洪压力，规避洪水风险。在干旱与半干旱区的河流中下游平原，往往通过河系连通补偿控制来实现洪水资源利用[2]，河湖连通工程正是这种利用方式的真实体现。河湖连通工程通过渠系使河道内外建立起水力联系，主河道与河道外的湖泡、湿地、农田共同构成了河湖连通供需水系统[35]（见图1）。然而，该系统中各影响因子相互作用、相互制约，且随时空变化而变化[6]；当这些因子的变化超过一定阈限，整个系统将受到影响，甚至失去稳定。这种反映系统由量变到质变或由渐变到突变转折点的指标值，称为边界阈值[7]。

为使洪水资源最大程度发挥效益，进行洪水引蓄时必须对河道内外有关边界阈值进行界定。在河道内，要以保障防洪安全与河道健康为前提[2]，即应确定洪水量级的上限值，保证河道发生此量级及以下量级洪水时堤防不受威胁，并确定不同量级洪水的可引水量，从而进行安全引水；同时，确定河道生态基流值，保证引水后河道流量不低于此值，从而维持河道生态稳定[8]。在河道外，既要确保受水单元（湖泡、湿地、灌区）所纳洪水可满足其基本蓄用水需求，又要防止水量过剩，以免带来风险，即应确定受水单元的最大蓄用水量，保证湖泡蓄满，湿地生态系统达到最佳状态，灌区农田得到全面灌溉；同时，确定其最小蓄用水量，保证湖泡水量损失得到补偿，湿地生态系统不失稳，灌区水田得以灌溉。以上阈值的确定，不仅可以增加洪水引蓄的安全性，也使各单元的用水需求得以明确。另外，河道外需水量相对稳定，而河道内由于来水的不确定性致使引水节点的可引水量也具有不确定性。不同频率来水的可引水量直接关系到河道外需水能否得到满足，反过来，由于受水单元退水能力有限，河道外需水又对河道引水形成制约。因此，也应分析河道内外边界阈值是如何相互影响的。

1研究区域概况

白城市位于吉林省西北部，现辖一区（洮北区）、两县（通榆县、镇赉县）、两市（洮南市、大安市）。此地属于干旱与半干旱区，多年平均降水量4088 mm，降水主要集中在夏季，约占全年降水量的80%，区域年平均蒸发量约为1 840 mm，是降水量的45倍[9]。洮儿河是嫩江的一条支流，自镇西水文站进入白城境内，至月亮泡水库汇入嫩江。蛟流河为洮儿河的一条支流，在洮南城北汇入洮儿河。洮儿河沿线有多处可用于引水的闸坝枢纽，两岸分布有众多湖泡、湿地、农田。由此形成以洮儿河为主干，各闸坝枢纽为控制节点，两岸渠系为分支，湖泡、湿地、农田为受水单元的洮儿河河湖连通系统（见图2）。

系统中，河道内以洮儿河上游来水为主要水源，

河道洪水受闸坝控制经由渠道引向两岸；河道外根据各闸坝枢纽的引水去向，將所有受水单元划分几个片区，分别为引洮入向片区（包括引洮入向干渠沿线片区和向海湿地片区）、洮北片区、二龙渔场片区、幸福片区（包括牛心套保湿地片区和幸福干渠片区）、新洮片区、洮儿河末端片区（包括黑鱼泡片区和新荒泡片区）。系统中有6处引水建筑物，分别为龙华吐枢纽、满洲岱枢纽、哈拉查干引水闸、庆有枢纽（包括幸福干渠引水口和新洮干渠引水口）、黑鱼泡引水口、新荒泡引水口；两处湿地和一处灌区，分别为向海国家级自然保护区、牛心套保国家湿地公园、洮儿河灌区。其中向海湿地多年平均水域面积6058 km2，多年平均沼泽面积3119 km2；牛心套保湿地多年平均水域面积1914 km2，多年平均沼泽面积32 km2；洮儿河灌区设计灌溉面积37933 km2，有效灌溉面积13333 km2，包括水田11810 km2，旱田1523 km2，水田主要作物为水稻，旱田主要作物为玉米。

2数据与方法

2.1数据说明

流量数据来源于洮儿河流域主要水文站（镇西、务本、洮南、黑帝庙）1958-2010年的实测流量；降水和蒸发数据来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）通榆气象站和大安气象站1955-2012年的实测逐日降水量及蒸发量；地形数据来源于洮儿河2011年实测河道横断面资料。

2.2河道内边界阈值计算方法

2.2.1河道洪水引蓄安全值的确定

本文采用MIKE11一维水动力学模型模拟洪水在河道内的演进。其中，水动力模块（HD）为核心模块[10]；水工建筑物操作模块可为闸坝枢纽调度的实现提供支持[11]。本研究选取洮儿河白城境内的镇西水文站至月亮泡水库区间作为目标河段进行洪水演进模拟。模型以镇西水文站（里程0 km）流量过程为上边界条件，以月亮泡水库上游入库断面（里程1824 km）自动计算的水位流量关系（Q/h）为下边界条件；以目标河段实测横断面数据来反映河道地形；将所有引水建筑物的参数存入河网文件，闸门类型设置为流量类型，控制策略设定为当闸前水位达到某一阈值时，闸门开启引水。建模完成后，分别模拟目标河段不同频率设计洪水。分析河道全线引水情况下，不同频率设计洪水在河道内的演进变化情况，各断面水位流量变化是否会对堤防造成威胁，从而得出洪水引蓄的安全值以及不同频率设计洪水的引洪结果。

2.2.2河道生态基流计算方法

河道生态基流是指在特定时间和空间条件下，为最大限度保证河流健康所预留的满足一定水质要求的最小流量[12]。河道生态基流的计算方法在我国应用较多的是水文学法。水文学法中Tennant法可以更好地反映汛期与非汛期的径流变化过程[13]，计算结果较为合理。文中采用该方法计算河道生态基流。

Tennant法将多年平均流量的百分比作为基流量，具有宏观性指导意义[14]。研究表明，多年平均径流量的10%是保持河流生态健康的最小流量，多年平均径流量的30%能为大多数水生生物提供较好的栖息条件[15]。

2.3河道外边界阈值计算方法

2.3.1湖泡需水计算方法

对于一般的泡塘，需水的上限值为其最大蓄量减去多年平均蓄量，其需水的下限至少应保证补足多年平均蒸发和渗漏的水量。具体到白城地区，湖泡蒸发损失水量根据多年平均湖泡水面面积及当地蒸发增损分析计算，湖泡渗漏损失量按多年平均库容的5%～15%计算[16]。

2.3.2湿地生态需水计算方法

对于沼泽湿地，可将其视为独立的自然综合体[17]。其水量平衡表达式为：

ΔW=P+R-D-E+ΔWg[JY]（1）

式中：ΔW为沼泽湿地蓄水量的变化量（mm）；P为降水量（mm）；R为入湿地水量（mm）；D为出湿地水量（mm）；E为湿地水面蒸发量（mm）；ΔWg为湿地地下水变化量（mm）。公式（1）表示湿地蓄水量的变化量等于进出其水量的代数和。对于一个相对闭合的洼地来讲，进出洼地的水量可视为零，即公式（1）中R=0，D=0。在地下水位保持动态平衡的条件下，ΔWg=0，则公式（1）可以简化为：

ΔW=P-E[JY]（2）

W=（P-E）×A×103[JY]（3）

为维持湿地的生态环境功能，要求洼地蓄水量不发生变化，即ΔW=0。公式（3）中A表示面积（km2）； W表示沼泽湿地生态需水量（m3）。

2.3.3农田灌区需水计算方法

研究区域内农田灌溉需水包括水田和旱田灌溉需水。考虑田间水利用系数和渠系水利用系数，提出作物的灌溉毛[HJ2.05mm]定额[18]，从而得到农田灌溉需水量计算公式。

m*=m/η[JY]（4）

W*=ωm*×100[JY]（5）

式中：m*为毛灌溉定额（m3/hm2）；m为净灌溉定额（m3/hm2）；η为灌溉水利用系数；W*为毛灌溉用水量（m3）；ω为灌溉面积（km2）。

3结果讨论

3.1河道洪水安全值分析

利用MIKE11模型分别对镇西月亮泡河段不同频率设计洪水进行模拟，在洪水演进过程中河道沿线的引水建筑物根据相应的控制策略相继开启引水。模拟结果显示，河道全线引水情况下，20年一遇（2 140 m3/s）及以下量级洪水可在河道内安全运行；洪水量级在30年一遇（2 630 m3/s）时，河道堤防有5处涉险；洪水量级在50年一遇（3 107 m3/s）时，河道堤防有11处涉险，所在断面最高水位超过左岸或右岸堤防高程（表1）。以30年一遇洪水为例，涉险堤防均位于研究河段的后半段（图3），究其原因，一方面是由于下游堤防存在薄弱环节，另一方面在洮南有蛟流河汇入，增大了河道洪水流量。

3.2河道生态基流变化分析

文中选取镇西、黑帝庙、洮南三个水文站1958-1989年（该时段人类活动影响较小）的径流数据分段计算河道生态基流，计算结果分别作为镇西-满洲岱段，满洲岱-[HJ2.1mm]庆有段，庆有-月亮泡段的生态基流。考虑到该地区对生态恢复的要求，Tennant法计算生态基流时选用多年平均流量的30%。计算结果见表2，图4。

由表2、图4可知，Tennant方法计算出的生态基流年内变化趋势与天然水文形势变化一致，合理地反映了汛期与非汛期径流变化过程。镇西、洮南、黑帝庙非汛期（11月-次年5月）最小生态流量分别为035 m3/s、013 m3/s、003 m3/s；汛期（6月-10月）最小生态流量分别为479 m3/s、319 m3/s、297 m3/s。因此，在汛期河道引蓄洪水时，为满足整个河段的生态用水需求，应保证镇西满洲岱段河道生态流量在479 m3/s以上，满洲岱庆有段河道生态流量在319 m3/s以上，庆有月亮泡段河道生态流量在297 m3/s以上。

3.3湖泡需水分析

湖泡需水按照前述的河道外受水单元分区进行计算。所涉及到的片区有引洮入向干渠沿线片区，洮北片区（洮儿河灌区除外），二龙渔场片区，新洮片区，幸福干渠片区，洮儿河末端片区（图2）。根据231节方法依次计算出各湖泡的需水量上下限，所有湖泊需水量上限值为396亿 m3，下限值为086亿m3，见表3。

3.4湿地生态需水分析

本研究中所涉及的湿地为向海湿地与牛心套保湿地。选取与二者临近的通榆气象站和大安气象站的降水、蒸发数据为源数据，利用232节方法分别计算湿地枯水年与丰水年的生态需水量，以此作为湿地不同年份的生态需水量参考值。由于篇幅限制，仅以向海湿地的生态需水计算为例进行分析。

3.4.1降水蒸发特性分析

分析通榆气象站1955-2012年58年的降水序列可知，降水主集中在6月-10月份。丰水年（25%）全年降水量50795 mm，6月-10月份降水量占全年的85%；枯水年（75%）全年降水量19959 mm，6月-10月份降水量占全年的93%（图5）。

根據联合国粮农组织推荐的PenmanMonteith公式，把E601型蒸发器的实测值乘以系数098即可作为大水体水面蒸发[JP+1]量[19]。参照附近扎龙湿地不同水生植物的蒸散系数[20]，结合通榆地区的蒸发量，核算出了向海湿地内植物全年逐月的蒸散发量。在此认为植物非生长期的蒸散发量为0，生长期（4月-9月）蒸散发量为水面蒸散发量的114倍，以植物生长期的蒸散发量作为沼泽的蒸散发量（图6）。

3.4.2湿地需水特性分析

丰水年（25%）向海湿地总的需水量为242亿m3， 4月-9月份需水量约占全年需水量的96%。其中，水域需水量为048亿m3，1月-5月份需水量逐渐增大，5月份达到最大，之后逐渐减小；沼泽需水量为195亿m3，总体呈现波动变化，4月-9月份需水量较大，这一时期为植物生长期，5月份需水量最大，这是由于降水与蒸发的变化不同步造成的，7月份沼泽需水量在4月-9月份中最低，因为同期降水量最大。丰水年向海湿地需水过程见图7。

枯水年（75%）向海湿地总的需水量为298亿m3，4月-9月份需水量约占全年需水量的96%。其中，水域需水量为058亿m3，其变化趋势与丰水年基本一致；沼泽需水量为240亿m3，需水过程大致可分为几个阶段：3月-5月份逐渐增大，5月-6月份小幅降低，6月-8月份又上升，8月份达到最大，之后逐渐下降。枯水年向海湿地需水过程见图8。

同样地，对于牛心套保湿地，丰水年全年需水量为032亿m3，枯水年全年需水量为041亿m3。[HJ1]

3.5农田灌区需水分析

本研究中涉及到的灌区为洮儿河灌区，其有效灌溉面积为13333 km2，包括水田11810 km2，旱田1523 km2，水田主要作物为水稻，旱田主要作物为玉米。水稻和玉米的灌溉定额由《吉林省地方标准DB 22/T 3389-2014》[21]查得，灌区渠系水利用系数为065。在此认为灌区需水的上限值以满足全部灌溉需水为目标，下限值以满足水田灌溉为目标。经计算，灌区需水量上限值为203亿m3，下限值为199亿m3。

3.6河道内外供需水相互影响分析

经过以上分析计算，分别得出了河道引洪的安全量级及流量阈值、河道生态基流值、河道外各受水单元的需水阈值。而就整个系统来讲，河道内外供需水又是相互影响的。河道内各引水口在安全流量以下按照设计标准进行引水的同时应保证河道生态基流，由此计算出不同频率来水条件下各引水口的可引水量。结果显示：3年一遇及5年一遇洪水的可引水量无法完全满足引洮入向片区及洮北片区的需水，其余情况各受水单元的需水完全可以得到满足（表4）。再者，基于河道外各受水单元的需水量上下限值，结合引水时长，计算出了与受水片区对应的各引水口的最大、最小引水流量（表5）。结果显示：计算出的流量值均低于各引水口的设计引水流量，各引水口具备相应的引水能力。

4结论

河湖连通系统洪水资源利用涉及供需双方，河道内洪水运行安全值决定其能否实现安全引水，不同频率洪水的可引水量决定了各受水单元需水的满足程度，河道外受水单元需水能力的确定又是对河道引水决策的重要反馈。

（1）河道内，镇西-月亮泡河段在所有引水口均[JP+1]开启进行全线引水的情况下，发生30年一遇洪水时，部分堤防涉险，发生20年一遇洪水时，河道内可安全行洪，镇西断面入流的安全流量值为2140 m3/s；河道汛期引水时，为维持河道生态，应保证镇西-满洲岱段，满洲岱-庆有段，庆有-月亮泡段的生态流量分别在479 m3/s、319 m3/s、297 m3/s以上。

（2）河道外，所有湖泡需水量上限值为396亿m3，下限值为086亿m3；湿地生态需水量的上限值为339亿m3，下限值为275亿m3；灌区需水量的上限值为203亿m3，下限值为199亿m3。综上，河道外所有受水单元需水量上限值为938亿m3，下限值为560亿m3。

（3） 河湖连通系统中，主河道与河道外的受水单元均为洪水的承载体，二者之间相互影响。研究区河道内可引水量基本可满足河道外受水单元的用水需求，河道外需水量对河道引水能力的要求也均在可实现的范围内。

以上边界阈值是在河湖连通系统规划条件下确定的，其对区域洪水资源利用方案的制定，不同目标下的调度决策具有指导意义。未来工程运行阶段，还应根据系统的实时动态变化对这些阈值做出相应调整，以便使河湖连通系统更好地发挥作用。

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