多水源补给的宿迁市黄河故道水量－水质耦合优化调控

王文琪 王思如 罗嘉西 陆毅 胡继成 赵士文 孙金华

摘 要：为了实现黄河故道水量和水质双重保障目标下的耦合优化调控，需要综合考虑水量补给渠道、水质改善目标、经济成本和技术难度等多重因素。研究基于黄河故道１１ 级梯级蓄水工程和骆马湖、中运河、洪泽湖对黄河故道的补给关系，充分利用和优化分配周边水系水源，通过建立水量－水质耦合模型，开展多种水资源配置方案的数值模拟与方案比选，提出多水源补给的黄河故道优化调度方案。结果表明：在“高水高用、低水低用”的基础上每月增加小额生态补水量（０．４２ 亿～０．５２ 亿ｍ３ ），成本適中、技术难度低，且水质改善效果较好，２０１８ 年（现状年） 和２０２５ 年（ 规划水平年） 水质综合改善率分别为２２％和９％，水质总体达标率分别为８２％和９３％，调水成本分别比单一水源（“高水”）成本降低１６％和２４％。

关键词：水量－水质耦合模型；多水源补给；多目标调控；黄河故道

中图分类号：ＴＶ２１３．４；ＴＶ８８２．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０１３

引用格式：王文琪，王思如，罗嘉西，等．多水源补给的宿迁市黄河故道水量－水质耦合优化调控［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（７）：６８－７２，７８．

０ 引言

河流是陆地与水生态系统之间物质循环的重要通道，也是水生态系统的重要组成部分，河流水量（水位、流量）和水质应满足维持人类与水生态系统良性发展的基本需求。受人类活动影响，许多河流出现水资源短缺、水环境恶化与水生态退化等问题，严重制约了河流生态系统服务功能的可持续性发展［１－３］ 。水生态调控是指基于河流水生态健康的需要，通过一系列工程措施（如污染源治理、河道清淤疏浚、鱼类洄游保护与曝气增氧等）和非工程措施（如水利工程调度、水管理制度建设等），达到水生态环境综合治理的目标［４－６］ 。

国内学者围绕水利工程调控改善水体水质和水生态环境开展了大量研究工作［７－１０］ ，认为通过科学合理调度水利工程，能够实现水体良性循环及有序流动，提高河湖生态水量保障程度，有效改善区域水环境质量［１１－１３］ 。杨芳丽等［１４］ 综合考虑水库发电、防洪与生态调度功能，以浙江滩坑水库为例进行多目标调度研究；陈炼钢等［１５－１６］ 针对闸控河网水环境管理需求，构建水文－水动力－水质耦合数学模型，以淮河中游为例开展闸控河网水流及污染物演进规律和调度方案研究；杨志峰等［１７］ 运用ＧＩＳ 技术和水量－水质－水生态联合监测与模拟技术，研发了白洋淀水生态综合调控决策支持系统。已有研究在水量、水质与水生态多目标调控方面取得了大量成果，但对多水源调水方案及经济成本要素考虑较少，尤其对于多水源水量－水质优化调度缺少考虑水资源配置和社会经济成本的综合评价方法与体系。

江苏省宿迁市境内的黄河故道是该市的主要河流之一，承担着区域排涝、供水与生态服务功能［１８］ 。然而，黄河故道在水资源和水生态方面存在因上游被截断而成为“无源之河”、河道自然汇水面积小使得自身产流不足以及水质不良等问题。针对上述问题，本文综合考虑环境效益和经济效益，开展多水源与多方案条件下黄河故道水量－水质耦合优化调控研究，以期为黄河故道水资源优化配置与水环境保护提供参考。

１ 研究区概况

宿迁市境内的黄河故道西起徐洪河、东至新袁闸，经淮安张福河入洪泽湖，流经宿城区、湖滨新区、经济开发区、洋河新区及泗阳县，全长１１４．３ ｋｍ，流域面积为２９６．９ ｋｍ２。研究区多年平均降水量为８９３．５ ｍｍ，汛期（５—９ 月）降水量占全年降水量的６５．９％。黄河故道沿线地势较高，是淮河与沂沭泗水系的分水岭，河床高出两侧地面４～６ ｍ，有些河段河床甚至高于两侧地面８ ｍ。自２０１５ 年以来，有关部门在黄河故道实施了两期整治工程，沿线建成１１ 级梯级控制建筑物，形成可容纳１ ０８０万ｍ３ 水量的河槽，这些梯级控制建筑物将黄河故道分为１２ 个河段，水体泄放主要由人工控制。为便于分析研究，将黄河故道从上游到下游依次分为Ａ～Ｆ 共６ 段，其中Ａ段及Ｅ 段仅有生态流量而无供水功能。黄河故道沿线梯级控制建筑物位置和河段划分见图１。

骆马湖、洪泽湖和中运河是黄河故道补水的主要水源地，其中：骆马湖与黄河故道的连通工程位于皂河地涵与蔡支闸之间，洪泽湖与黄河故道在成子河船闸处连通，中运河河道与黄河故道基本平行而上下游存在多处连通通道。黄河故道供水范围为宿迁市中心城区与皂河、船行、运南（宿城片）、运南（泗阳片）４ 个灌区，共１ ６６７ ｋｍ２。

２ 研究方法

２．１ 技术路线

鉴于沿程水源在取水高程、取水成本与取水许可等方面存在差异，从水量目标、水质目标、经济成本与技术难度４ 个方面进行调度方案评价。考虑未来节水水平、产业发展与基础设施等对需水量和排污量的影响，分别对２０１８ 年（现状年）和２０２５ 年（规划水平年）进行调控方案优化研究，其中２０２５ 年按照最不利来水条件（枯水年）考虑。

２．３ 模型概化和验证

宿迁市境内的黄河故道水流自西北向东南方向流动，沿程分别有５ 个取水口门和５ 个配水口门。由于黄河故道在成子河分洪闸以下断流，且下游泗阳段有独立的供配水系统，因此从水量调控的角度，本研究仅进行上游河段（成子河分洪闸以上，河长８８．１７５ ｋｍ）的模拟，将上游河段概化为复式河槽，河网及断面概化见图２。黄河故道的水流受到产汇流过程、人工河道取水及闸门调度的影响。本研究中，产汇流过程利用水文模块模拟，人工河道取水根据边界条件和取水量直接设置，闸门调度按照控制构筑物运行规则进行逻辑语句编程设置。

经过测试发现，河道初始水位对水量－水质耦合模型的模拟结果影响不大，故取河道常水位作为初始水位；河道污染物浓度初始值对模拟结果有直接影响，根据２０１８—２０２０ 年黄河故道水质监测数据，取污染物浓度平均值作为河道初始污染物浓度。由于黄河故道上游被徐洪河截断，因此模型将上游水位边界设为闭边界；下游水位边界为设计常水位（１６ ｍ）。

黄河故道目前未设置水文站，缺乏径流监测数据。本研究采用瞬时单位线法进行降雨—径流计算，依据《江苏省水文手册》计算平原区最大３ ｄ 设计暴雨（１０ ａ一遇），并进行６ ｈ 时段分配，得到降雨及净雨数据，进而计算地表径流，并据此对ＭＩＫＥ１１ 水文模块进行参数率定和验证，率定的主要参数有初损参数、填洼参数、初渗参数、稳渗参数、霍顿参数、曼宁参数。ＭＩＫＥ１１ 水文模块模拟结果与瞬时单位线法计算结果的相关系数为０．９０９，二者峰值出现的时间与量值吻合较好（见图３），说明降雨—径流模块参数较为合理。水动力模块的主要参数为河道糙率，根据经验将黄河故道糙率设置为０．０３５，得到河道水位模拟结果（见图４）。可见，模拟结果能够反映河道多梯级运行模式，且各段水位基本在设计水位区间内，符合河道多梯级运行的实际水位要求。水质模块主要参数有ＣＯＤ、ＮＨ３ －Ｎ 和ＴＰ 降解系数，将考核断面模拟水质按照月尺度进行统计，并将结果与实测数据进行比对，经不断调试得到降解系数率定结果，ＣＯＤ、ＮＨ３ －Ｎ 和ＴＰ 降解系数分别为０．０１２、０．０２１、０．０２／ ｄ。２．４ 优化目标及调度规则黄河故道生态优化调控的目标是在满足区域用水需求和河道水质要求的情况下，达到用水成本最低，暂不考虑取水许可总量的行政制约因素及其在空间上的分配。

３ 结果与讨论

３．１ 方案设计

２０１８ 年为平水年，２０２５ 年按最不利来水条件（枯水年）模拟预测，因此２０２５ 年的水质指标值（污染物初始浓度）较２０１８ 年的大。綜合考虑不同水源高程、取水许可、提水成本等因素，在污染物排放总量控制的前提下，设置６ 种不同取水方案：方案一（单一水源方案），仅从龙岗枢纽（ＱＢ１）引水；方案二（双水源方案），从龙岗枢纽（ＱＢ１ ）、船行枢纽（ＱＣ１ ）各引一半水；方案三（多水源高水高用、低水低用方案，即从地势较高／较低处水源取水供给较高／ 较低处引水枢纽），从龙岗枢纽（ＱＢ１）、船行枢纽（ＱＣ１）、洋河站（ＱＤ１）按本段实际需水量引水；方案四（取水受限、极端保障方案），在中运河取水受限时，主要从洋河站（ＱＤ１）引水，满足Ｃ、Ｄ段用水需求；方案五（生态补水方案），在方案三基础上，水质不达标月份从龙岗枢纽（ＱＢ１）增加小额生态补水量；方案六（尾水补水方案），在方案三基础上，利用城南污水厂经过处理达标后的尾水补水（以１ 万ｔ／ ｄ 计，每天补水２ ｈ）。因此，在水量供需平衡前提下，方案五和方案六取水量大于实际用水量。２０１８ 年不同取水方案示意见图５（图中红色数字为取水量）。

对比６ 种方案，其中方案一和方案四为均匀持续性供水，而多个水源供水情况下（方案三、方案五、方案六），各水源月度调水的持续时间相对较短，因此供水成本相对较低。

３．２ 方案比选

分别将２０１８ 年的６ 种方案水质改善率、调水总量、经济成本和技术难度计算结果进行对比，见表１。由表１ 可知， 方案一对水质改善效果最好， ＣＯＤ、ＮＨ３ －Ｎ和ＴＰ 改善率都最高，但方案一的成本和技术难度也是最高的；方案二和方案五的水质改善效果次之；方案三、方案四、方案六３ 种情况下均无法实现水质改善目标。总体而言，优先使用“高水”（地势较高处的水源）能减少下游的生态需水量，但“高水”成本高（水源越高用水单价越高），而方案二比方案一成本降低１８％，且水质达标，因此不考虑取水许可的条件下推荐方案二，可称其为“水资源最节约利用”方案。受水源取水许可的限制，实际操作中高水高用、低水低用更方便，在方案三“高水高用、低水低用”基础上每月增加小额补水（方案五），调水成本适中，比方案一成本降低１６％，水质改善效果较好，技术难度低，因此方案五（高水高用、低水低用＋生态补水）最优，既兼顾取水许可等限制条件，又可实现水质改善目标。

２０１８ 年不同方案的上、中、下游水质达标率见图６。由图６ 可知，方案三、方案四、方案六对上游水质改善率较差，原因是这３ 种方案对上游供水量较少；而方案五增加了生态补水，对上游水质改善效果较好，水质总体达标率为８２％。从水质目标考虑，方案一对上游水质改善效果最好，方案一与方案二对水质改善效果相近（水源越高对水质的改善效果越好，但缺点是用水成本高），方案四对上游水质无改善效果而对下游水质改善效果较好。

２０２５ 年取水方案比选见表２，可知方案一的水质综合改善率最高，调水成本也最高。由图７ 可知，方案三、方案四和方案六对上游水质改善效果不佳，方案五因增加了生态补水而对河道总体水质达标率较高（９３％），调水成本比方案一降低２４％。随着城市基础设施不断完善，污水处理能力不断提升，２０２５ 年水质达标率比２０１８ 年的高。值得注意的是，２０１８ 年方案二达标、２０２５ 年方案二不达标，原因是２０２５ 年（枯水年）１０ 月污染物浓度大且补水少，生产用水主要集中在农业灌溉时期，而枯水季节的生态需水量无法用生产用水量补偿。随着经济社会的发展，需水总量将不断上升，因此２０２５年的调水总量和调水成本相应提高。

考虑实际取水许可与调度情况，方案三（“高水高用、低水低用”）调水成本最低。利用水量－水质耦合模型进行数值模拟测算，得出仅满足黄河故道水质目标时，河道生态补水量为０．７７ 亿ｍ３；生产用水与生态用水联合调度时，由于生产用水通过黄河故道一定程度上改善了河道水质，因此满足河道水质目标要求的生态补水量２０１８ 年（平水年）和２０２５ 年（枯水年）将分别减少０．３５ 亿、０．２５ 亿ｍ３，即２０１８ 年、２０２５ 年分别需要在河道生态补水量０．７７ 亿ｍ３ 的基础上增加０．４２亿、０．５２ 亿ｍ３，说明生产用水通过黄河故道产生了附加的生态环境效益。

４ 结论

１）水源越高对黄河故道水质的改善效果越好，但缺点是用水成本高、用水高峰时会出现调度拥挤状况。

２）方案五（在“高水高用、低水低用”基础上增加生态补水）成本适中、技术难度低，２０１８ 年（现状年）和２０２５ 年（规划水平年）水质综合改善率分别为２２％和９％，水质总体达标率分别为８２％和９３％，调水成本比单一水源成本分别降低１６％ 和２４％，可作为推荐方案。

３）将宿迁市黄河故道生产用水与生态用水联合调度，在２０１８ 年（现状年）和２０２５ 年（规划水平年）可分别减少生态补水量０．３５ 亿ｍ３和０．２５ 亿ｍ３。

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【责任编辑 张华兴】