汾河下游生态基流调控方案研究

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

汾河中下游地区是山西省粮棉经济作物主产区，流域多年平均水资源总量为33.6亿m3，占山西省水资源总量的27.1%，地表水开发利用率为72.1%，属于高度开发利用区。汾河流域是山西省水资源、水生态问题最突出的地区，地下水超采、泉水衰减、入河排污量大、沿河湿地萎缩、河流廊道生态系统脆弱等问题直接影响了区域社会经济的可持续发展。研究区生态脆弱的原因主要为水量不足和水质恶化，其中水量严重不足，污染物排放超过纳污能力，也是流域水质恶化的重要原因。

针对目前汾河流域水生态面临的上述问题，迫切需要提出切实可行的水生态系统保护技术与生态修复方案。在水生态系统修复方面，国内外学者和有关部门已经进行了大量的研究和实践，提出了多种生态修复技术，如河流廊道修复技术[1]、人工湿地修复技术[2-3]、地下(岩溶)水系统保护与修复技术[4-5]、采煤区水生态保护与修复技术[6]、水土流失区生态保护与修复技术[7-8]等。而对于北方河流，尤其是山西省的河流，水量不足是首要问题，如何将水留住，保证河道最小生态基流量，进而涵养水源，提高水资源承载力，是汾河下游水生态修复的主要目的。

本研究主要以解决水量不足的问题为目标，以汾河下游赵城断面作为典型断面进行了生态基流盈缺分析，制定了流域内部工农业及生活用水调控和跨流域调水相结合的汾河下游生态基流保障方案，用以保证河道生态基流量，以期为汾河下游水生态修复提供理论基础和实践参考。

1 生态基流量计算

生态基流量的计算选用Tennant法，Tennant法理论认为研究区的河道最小生态基流应不低于多年平均天然流量的10%[9]。选取赵城断面1995—2015年天然径流量资料，计算P=50%平水年(2009年)和P=75%枯水年(2000年)的月最小生态基流量，结果见表1。

表1 汾河下游赵城断面平水年和枯水年月最小生态基流量 单位：万m3

2 汾河下游工农业及生活用水调控

2.1 生态基流盈缺计算及分析

选用汾河下游赵城断面平水年和枯水年的实测径流量、最小生态基流量和2015年现状地表水引水量资料进行生态基流盈缺计算，结果见表2。

表2 赵城断面平水年和枯水年生态基流盈缺计算结果 单位：万m3

注表中盈缺量数值为正表示实测径流量与现状引水量之和满足生态基流后的盈余量，数值为负表示无法满足生态基流的亏缺量。

由表2可以看出，平水年仅9月、10月的实测流量引水后能够满足生态基流，平水年的其余月份和枯水年各个月份均不能满足生态基流需求。因此，需对引水量进行合理调控，调控原则以满足生态基流为前提，同时对流域内工农业生产及居民生活不造成较大影响。

2010—2015年汾河下游平均用水总量为9.81亿m3，其中农田灌溉用水量占总用水量的比例最高，为68.3%，城镇工业用水和居民生活用水次之，分别占总用水量的12.3%和10.2%，其余用水所占比例相对较小。这一现状表明汾河下游用水量主要集中在农田灌溉、城镇工业、居民生活三方面，因此本研究主要对这3种用水进行调控以保障汾河下游河道生态基流。

2.2 生态基流调控模型的建立

汾河下游河道生态基流调控模型的构建以月为时间尺度。同时，由于生态基流的作用是保证河流生境健康发展，对流域水生态修复具有重要意义，调控模型的建立应首先保证基本的生态用水和生活用水，而非以用水部门的经济效益最大化为目标，因此规划目标设定为不同用水部门实际引水量与需水量之差平方和最小。

根据汾河下游实际情况，将农业灌溉、工业、生活及河道生态基流视为主要用水部门。首先确定各个用水部门的引水过程，根据来水总量过程分析以及生态基流量需求，给每个部门赋予不同的权重，构建以引水量与需水量之差平方和最小为目标的调控模型。

模型目标函数：

MinZ=λ1(X1-A)2+λ2

(X2-B)2+λ3(X3-C)2

模型约束条件：

X1+D1=X4(水量平衡约束)

X2+D2=X5(水量平衡约束)

X3+D3=X6(水量平衡约束)

X4+X5+X6=E(水量平衡约束)

X7+X8≥F(生态基流量约束)

X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8≥0(决策变量非负约束)

式中：Z为目标函数；X1、X2、X3分别为汾河下游农田灌溉、工业、生活引水量，为决策变量；X4、X5、X6分别为汾河下游农田灌溉、工业、生活实际配水量，为决策变量；X7为自汾河中游流入下游河道的量，为决策变量；X8为汾河下游干流闸坝对河道的调蓄补给量，为决策变量；A、B、C分别为水资源充分供给条件下，汾河下游农田灌溉、工业引水、生活引水需水量，为常变量；D1、D2、D3分别为农田灌溉、工业和生活引水渠道损失量，为常变量；E为汾河下游渠的出流量，为常变量；F为汾河下游的生态基流量，为常变量；λ1、λ2、λ3分别为汾河下游农田灌溉引水、工业引水、生活引水的优先度，为权重系数，λ1+λ2+λ3=1。

2.3 调控模型的简化

权重λ1、λ2、λ3的取值取决于需水部门的优先度，在满足不同保证程度的生态基流量前提下，首先满足生活用水，其次兼顾工业、农业、生态环境等用水，权重系数取值拟定为λ1=0.3，λ2=0.3，λ3=0.4。为简化计算，农田灌溉、工业和生活引水渠道损失量忽略不计，汾河下游干流闸坝对河道的调蓄补给量忽略不计，则模型可简化如下：

模型目标函数：

MinZ=0.3(X1-A)2+0.3(X2-B)2+

0.4(X3-C)2

模型约束条件：

X1+X2+X3=E(水量平衡约束)

E+X7=G(水量平衡约束)

X7≥F(生态基流量约束)

X1,X2,X3,X7≥0 (决策变量非负约束)

式中：X7为汾河下游赵城断面实测流量；G为汾河下游总来水量。

2.4 调控结果及分析

2.4.1 调控结果

采用生态基流调控模型对引水量进行调控，结果见表3。

表3 汾河下游水量调控结果

由表3可以看出，经调控后，不同月时间过程中农田灌溉、工业及生活用水量均减少。平水年农田灌溉用水量减少11.4%、工业用水量减少9.2%、生活用水量减少8.9%，年可减少水量分别为8202万m3、1120万m3、1023万m3，年总减少水量10345万m3；枯水年农田灌溉用水量减少12.7%、工业用水量减少11.9%、生活用水量减少11.3%，年可减少水量分别为9138万m3、1448万m3、1299万m3，年总减少水量11885万m3。从全年来看，枯水年引水减少量大于平水年；从不同用水部门角度看，农田灌溉作为汾河下游区域的用水大户，其引水减少量最大，工业引水减少量次之，生活引水减少量最小。

2.4.2 调控目标实现的保障措施

调控后各用水部门的引水量将有不同程度地减少。以枯水年为例，调控后全年农田灌溉用水、工业用水、生活用水可减少量分别为9138万m3、1448万m3、1299万m3。在实施过程中可采取以下保障措施，以实现各类用水的调控目标。

农田灌溉用水方面，可通过灌区渠道防渗，采用喷灌、滴灌等先进的节水灌溉技术来减少灌溉用水量实现调控目标；工业用水方面，可通过采用节水新技术、新工艺、新设备，推广循环用水、串联用水、再生水利用等措施提高工业用水重复利用率，通过提高工业企业节水意识促进工业企业用水效率的提高，鼓励工业企业优先使用再生水、矿坑水排水等非常规水源来节约引水量，实现减少工业用水量10%左右的调控目标；生活用水方面，通过提高城市居民节水意识，完善用水计量监测系统，大力推广普及节水器具，建设雨水收集利用系统和中水利用管网，提高再生水利用率等措施，可保障调控目标的实现。

3 跨流域调水方案

对工农业及生活用水的调控是在流域内部进行的，当流域内部调控仍不能满足生态用水时，则需通过跨流域调水等措施来解决。目前汾河下游生态基流缺水已成事实，为改善河道生态环境、保证流域经济的可持续发展，依据“先节水后调水”的原则，在节水的同时，可从水资源较为丰富的流域调引适当水量，以补充生态基流的不足。目前在建的引沁入汾和川取水输水工程、禹门口提水东扩工程和汾河清水复流北赵连接段工程均可为汾河下游段提供生态用水。

3.1 引沁入汾和川取水输水工程

临汾市引沁入汾和川取水输水工程是开发利用沁河上游水资源、解决临汾盆地和汾河下游供水短缺的一项重要水源工程，年引水量为5900万m3，其中工业供水2293万m3，农业供水2074万m3，非灌溉季节引水(生态用水)1533万m3。

3.2 禹门口提水东扩工程

禹门口提水东扩工程位于山西省中南部，是向临汾、运城六县市(新绛、稷山、襄汾、侯马、曲沃、翼城)工、农业以及农村生活供水的保障性给水工程。年农业供水量6649万m3，工业供水8030万m3，生态补水1446万m3，总计1.61亿m3。

3.3 汾河清水复流北赵连接段工程

汾河清水复流北赵连接段工程从黄河龙门段的禹门口提水东扩工程取水，利用渠道向西范灌区及其东扩工程、北赵灌区输水，兼顾向汾河西范至入黄口段提供河道生态补水。汾河西范至庙前段河道内生态基流按5m3/s考虑，入黄河口段按1m3/s考虑，可提供生态补水量2922万m3。

4 结 语

为解决汾河下游河道水量不足导致的生态环境恶化问题，本文选取汾河下游赵城断面为典型断面，在生态基流盈缺分析的基础上，通过建立生态基流调控模型，对流域内部平水年和枯水年的工农业及生活用水进行了调控，可行性分析表明模型合理可靠，调控结果可行。同时，提出了跨流域调水方案：当流域内部用水量调控后仍无法满足生态用水需求时，可采用跨流域调水方案作为保障措施。本研究提出的汾河下游生态基流保障方案结合了流域内部用水量调控和跨流域调水两方面内容，可为汾河下游河道生态基流保障和水生态环境修复提供理论基础和实践参考。