基于精细化水资源配置模型的坪山河流域生态补水研究

严子奇 ， 周祖昊 ， 王 浩 ，2， 贾仰文

（1.中国水利水电科学研究院，流域水循环模拟与调控国家重点实验室，100038，北京;2.水安全与水科学协同创新中心，210098， 南京）

目前西方发达国家生态调度的做法是：在保证防洪安全和不显著改变发电、灌溉等效益条件下，调节下泄流量的时间序列，尽可能恢复下游水流的自然节律过程，并通过人造洪峰等恢复自然水位涨落特征，调节水质、水温和泥沙冲於，进行流域自然生态环境修复。 方子云等于20 世纪80年代在中国提出了水生态调度的雏形， 进入21 世纪才逐渐引起学者的注意，并在引进国外思想、方法和技术的范畴内，先后对生态调度概念与内涵、 河流生态环境需水计算方法、水沙调度、水库优化运行、生态调度方案等方面进行研究和实践。

随着经济快速发展， 坪山河流域工业、生活用水增长迅速，由于本地水资源供水能力有限，经水资源供需平衡分析，仅靠本地蓄水工程，坪山街道缺水率在50%左右， 流域经济社会发展主要依靠东部引外部水源， 大量的外部引水也使得本地丰富的水资源愈发珍贵。在当地水库运行过程中，基本没有设定生态流量， 上游所有清水资源都入库作为城市用水的水源。 而其他大量无供水功能水库由于功能不明确，目前多处于闲置状态，一方面这些水库基本不下泄生态流量， 另一方面所蓄存的清水资源未能得到有效利用。 在蓄水工程基本无生态流量下泄情况下， 坪山河流域干支流生态流量保障率较低。此外，坪山河流域还有部分可利用的再生水资源， 但其作为生态补水水源作用有待进一步论证，补水方式也不明确。因此，坪山河流域一方面河道存在严重的缺水现象， 另一方面还有潜在的水源未能充分利用，需要通过系统的水资源综合调配分析， 提出多水源的河道生态流量保障方案，全面支撑治水提质的目标要求。

本文基于精细化水资源配置模型（GWAS）开展坪山河流域生态补水研究，综合考虑生态流量约束型模型和生态流量目标型模型的特点，在流域层面实现用水与河道生态流量统筹协调计算的生态调度，一方面发挥水资源配置模型的精细化和分布式的特点，另一方面统筹协调经济社会与生态的用水需求，进行多水源调配满足不同用水对象的需求。

一、精细化水资源配置模型（GWAS）

GWAS 模型的基础是精细化水资源配置模型（WAS）和面向河道需水的水资源配置计算框架E-WAS。 WAS模型由水循环模拟模块、 水资源配置模块、再生水模块、行业理论用水模块和统计分析模块组成。WAS 模型的运算过程如下： 首先通过水循环模块模拟区域的水资源变化， 结合行业用水模块分析区域理论用水量及再生水模块模拟循环利用量， 然后运用配置策略及规则进行水资源合理配置计算，同时将人工取、用、耗、排水数据反馈给水循环模块， 进行实时模拟下一时段的区域水资源变化，以此往复，直到计算结束， 提出最终优化方案。 EWAS 作为一个模拟计算框架，是对水资源配置模型功能的一个扩充， 通常情况下， 它并不改变模型的内部计算结构， 仅是通过对断面生态单元进行精细化的概化， 借助虚拟水源和虚拟单元， 将河流断面作为一个实体纳入到传统的水资源配置模型中， 实现面向河流生态流量的水资源综合调配。

GWAS 模型在WAS 模型的基础上， 将E-WAS 建模思路纳入模型结构中，在处理河道内水量过程上有所改进。这一改进使得GWAS 模型不但能够处理常规的经济社会用水配置，还能够灵活地处理涉及河道内水量过程的生态调度和发电调度问题。 在计算方式方面，一方面可以将水库运行规则纳入模型进行模拟计算，形成基于规则的调度方案；另一方面可以设定优化调度目标，通过优化算法进行优化模拟，形成新的优化方案。

二、坪山河生态补水

1.研究区及数据

坪山河流域地处深圳市东北部区域， 范围包括坪山新区的坪山街道。 深圳境内坪山河流域面积129.4 km2， 共有 19 条河流， 总河长 98.79 km。 坪山河流域地势为东南部、南部和西北部较高， 主要为低山丘陵地区，为支流分布区域；中部和东北部较低，地势相对平缓，为坪山河干流分布区域。截至2015 年年底， 坪山河流域共计 35.61 万人，GDP 为 458.07亿元，人均GDP 为 12.8 万元，普遍处于全国非常高的水平。 依据目前普遍接受的钱纳里工业化阶段理论，流域处于后工业化阶段，为工业阶段的最高水平。 按照当前粗放式的发展方式，必然带来较高的污染负荷，是流域综合治理过程中应考虑的问题。

根据 《深圳市水务统计手册》，坪山河流域共有中型水库1 座，小（1）型水库 9 座，小（2）型水库 8 座。 根据《深圳市水库功能优化调整工作方案》，坪山河流域共8 座非供水功能水库纳入生态补水配置计算。 对于无供水功能水库可作为河道生态补水优先水源进行计算， 具有供水功能的水库应考虑其汛期下泄流量对生态需水的补充作用。水文气象数据选取《深圳市水文资料统计年鉴》中1985—2015 年水文气象资料。 水系河网信息则基于SRTM 30 m 分辨率 DEM 提取。

2.生态补水节点及生态需水

坪山河流域共有一级支流10条，为了对坪山河流域开展精细化生态补水，补水节点确定原则为：①重点考虑有较大支流汇入导致河段流量等参数发生突变的断面节点；②每个节点控制的集水区都可视为相对独立的亚生态区域， 能够发挥特定的生态功能； ③涵盖所有黑臭河道断面；④突出行政区交界断面。

根据上述原则，坪山河共划分生态配水断面14 个，其中干流3 个（按上游、中游、下游划分），支流 11 个（三洲田水、碧岭水、汤坑水、飞西水、新河水、赤坳水、墩子河、石井排洪渠、麻雀坑水、田头河、石溪河）。

生态环境需水量的确定： 河流生态环境需水量是在特定时间和空间为满足特定服务目标的变量， 是能够在特定水平下满足河流系统诸项功能所需水量的总称。 计算河流生态流量的方法包括7Q10 法、湿周法、R2CROSS法、河道内流量增加法（IFIM 法）以及Tennant 法等，根据以往学者对深圳市生态环境需水研究成果， 综合7Q10法、Tennant 法等多种方法计算结果的外包线作为最小生态环境需水量，在此基础上采用多年平均径流的30%（非汛期）、40%（汛期） 作为适宜河道生态环境需水量。 根据坪山河具体情况，汛期及非汛期的划分原则为：汛期4—10 月、非汛期 11 月—次年 3 月。

图1 生态补水保障程度

3.坪山河流域水资源调配系统网络

在坪山河流域开展精细化河流生态调度， 首先就要根据水资源分区、行政区划等情况，构建坪山河流域水资源调配系统网络。 水资源调配过程一方面需要考虑经济社会用水，另一方面需要重点考虑河流生态断面的生态补水。为此，在坪山河流域共划分15 个计算单元，其中经济社会用水单元1 个、生态环境需水单元14 个。

通过梳理坪山河流域内水库、污水处理厂、再生水厂，共设定供水节点 21 个，含 18 个水库节点、5 个再生水供水节点。 另外需考虑外部水源两个: 东深引水和东部引水。 基于EWAS 框架的水资源系统，其中每一条支流视作一个生态需水控制单元，并在干流划分上游、中游、下游三个生态需水控制单元。

三、结果与讨论

1.补水方案

本次分析坪山河流域生态补水方案，需考虑多种措施不同运营方案，以此来设定配置模型计算方案，在考虑再生水、水库等多种组合状态后，设定如下三种方案， 以识别基准条件、再生水补水、水库补水方案下，生态水量的问题和提升能力（表1）。

表1 方案设置

表2 推荐补水方案

本文选取适宜生态流量为生态调度目标， 利用E-WAS 模型开展坪山河水资源优化配置计算。 流域生态调度一方面需要考虑水量的满足程度，另一方面还要考虑工程、经济等多方面因素。 为此本文提出生态补水方案优选的原则：

一是供水水库优先保障坪山河社会经济用水；

二是对于支流补水措施优先级为：①支流上游的再生水，②非供水功能水库，③支流下游再生水（需提水）；

三是在支流水质得到提升的情况下，采用以支补干的方式进行补水，先保证各个支流生态环境需水量， 从而间接保证干流生态环境需水量；

四是对于没有再生水和水库资源的单元，考虑从干流提水或水系连通进行生态补水。

基于上述原则，根据缺水量及补水能力，得到坪山河生态环境补水优化方案：三洲田水、飞西水、新和水、赤坳水、石溪河等支流依靠流域内水质净化站再生水水源进行补水，碧岭水、墩子河、麻雀坑水、田头河等支流依靠流域内跃进水库等5 座非供水小型水库进行改善生态流量 （表2）。对于干流断面，主要利用支流补水后的累积效应，对生态流量进行间接补充，达到“以支补干”的作用。

2.补水方案效果分析

为了进一步分析精细化水资源配置模型对河流生态需水的保障作用，本文从时间和空间解析各个生态需水单元生态流量保障程度。

图1 对比分析生态调度前后，各个生态需水单元枯水年（P=75%）内各月生态流量满足程度。 在没有进行生态调度的情况下，有6 个生态断面的年内生态流量保障月份不足6 个月，碧岭水、赤坳水、石溪河、坪山河干流中游断面和下游断面生态流量保障程度较低。 开展生态调度后，各个断面年内生态流量保障程度明显提高，月份均超过6 个月，上述几个断面生态流量满足程度明显提升。