贛撫平原灌區(qū)城市生態(tài)環(huán)境優(yōu)化調(diào)度研究

靳偉榮，謝亨旺，付 湘，徐 丹

(1.江西省灌溉試驗(yàn)中心站，南昌 330201；2.武漢大學(xué)，武漢 430072)

0 引 言

為策應(yīng)鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)，響應(yīng)江西省委省政府提出的“生態(tài)立省、綠色崛起”的發(fā)展理念，2012年，南昌市提出打造核心增長(zhǎng)極，建設(shè)“鄱湖明珠、中國(guó)水都”戰(zhàn)略構(gòu)想，為此，江西省水利廳與南昌市政府簽署了《共同推進(jìn)南昌打造核心增長(zhǎng)極暨建設(shè)“鄱湖明珠、中國(guó)水都”合作備忘錄》，積極開(kāi)展水生態(tài)文明城市建設(shè)，爭(zhēng)取在全省率先實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化，成為引領(lǐng)全省水利發(fā)展的核心和樣板為此，南昌市大力推進(jìn)河湖水系連通、水生態(tài)修復(fù)與保護(hù)、河湖濱水區(qū)水景觀的構(gòu)建等工作，做好城市水文章，實(shí)施截污、清淤等整治措施。然而，南昌市內(nèi)河湖眾多，分布較散，河湖輸水線路長(zhǎng)，需水量較大。雖然城市周邊河網(wǎng)較多，但是普遍水位較低，取水困難，并時(shí)常發(fā)生季節(jié)性干旱，給城市河湖生態(tài)環(huán)境供水帶來(lái)較大困難。在南昌市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理方面，以往只注重采用工程措施，如河湖水系連通工程、水生態(tài)修復(fù)工程，但在城市河湖生態(tài)環(huán)境需水、河湖水質(zhì)、水量、水位演變規(guī)律以及流速、水力停留時(shí)間等方面缺乏研究[1]，嚴(yán)重影響了城市河湖生態(tài)環(huán)境用水的優(yōu)化調(diào)度和供水調(diào)度的科學(xué)性，使城市河湖連通工程和水生態(tài)修復(fù)與保護(hù)工程未發(fā)揮應(yīng)有的效應(yīng)，城市水景觀黯然失色。

因此，開(kāi)展贛撫平原灌區(qū)城市生態(tài)環(huán)境供水資源優(yōu)化調(diào)度研究，通過(guò)灌區(qū)水資源調(diào)度，在保證農(nóng)業(yè)灌溉和生產(chǎn)生活用水的前提下，在不違背最嚴(yán)格水資源管理制度的情況下，使城市水體活化，使河網(wǎng)內(nèi)水體定向、有序流動(dòng)，加快更新速度[2]。充分利用灌區(qū)水資源，改善城市河湖水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)、水景觀和水環(huán)境的修復(fù)、改善和保護(hù)。以確保水資源的可持續(xù)利用，保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。這不僅是提高現(xiàn)有河湖水環(huán)境承載能力的重要手段之一，也是國(guó)際上流行的最佳實(shí)用環(huán)境方案在中國(guó)的實(shí)踐，符合我國(guó)現(xiàn)階段社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和改善環(huán)境雙重目標(biāo)的要求。

1 研究區(qū)域基本情況

1.1 研究區(qū)域水系情況

研究區(qū)域位于南昌市城區(qū)，水網(wǎng)密布，水系復(fù)雜，主要涉及贛撫平原五干渠、五干新一支、五干二支渠等供水渠道以及南昌市梅湖、象湖、青山湖、艾溪湖、撫河故道、玉帶河等城市景觀水域。水體流動(dòng)方向自南向北，引清調(diào)度進(jìn)水口為贛撫平原灌區(qū)五干渠，通過(guò)南昌市城市河湖置換后進(jìn)入贛江。具體水系圖見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域水系圖Fig.1 Water system map of the study area

1.2 城市河湖水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度研究成果

為了制定合理的調(diào)度方案，了解調(diào)水流量大小、水量多少以及在調(diào)水過(guò)程中湖泊水質(zhì)水動(dòng)力條件的改善情況等，在制定調(diào)水方案之前，本文采用MIKE 21模型，針對(duì)城市河湖不同來(lái)水年不同水質(zhì)水量狀態(tài)，建立了城市二維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型，并用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)率定，模擬不同供水情況下不同污染程度的水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度過(guò)程[3]，模擬成果見(jiàn)表1。

2 生態(tài)調(diào)水流量?jī)?yōu)化

2.1 調(diào)度方案多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

調(diào)度方案的比選需要一個(gè)科學(xué)合理的評(píng)價(jià)體系，為了能夠定量比較不同模擬工況下，不同引水流量對(duì)城市河湖的影響，在模型出口設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)繼續(xù)進(jìn)行調(diào)水會(huì)極大地增加運(yùn)行成本，所以當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)達(dá)標(biāo)(Ⅳ類水)時(shí)，停止調(diào)水[4]?？紤]河湖此時(shí)的水動(dòng)力條件、水質(zhì)改善情況、引水成本等，建立引水方案評(píng)價(jià)體系見(jiàn)表2。

表1 生態(tài)調(diào)水模擬成果表Tab.1 Ecological water transfer simulation results table

表2 湖泊引水方案評(píng)價(jià)體系Tab.2 Lake water diversion scheme evaluation system

2.2 生態(tài)流量?jī)?yōu)選過(guò)程

生態(tài)調(diào)水流量的優(yōu)選過(guò)程包括對(duì)需要評(píng)價(jià)的方案的指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理[5]、確定求解方法、計(jì)算方案綜合評(píng)價(jià)得分。為充分說(shuō)明生態(tài)調(diào)水流量的優(yōu)選過(guò)程，在求解過(guò)程中以青山湖的中水位、初始狀態(tài)為輕度污染(TP=0.2 mg/L，TN=2.0 mg/L)作為對(duì)象，進(jìn)行計(jì)算與分析。

2.2.1 指標(biāo)歸一化處理

首先，為便于綜合比較不同方案中各個(gè)指標(biāo)的優(yōu)劣，將各指標(biāo)將原始數(shù)據(jù)陣歸一化處理，歸一化處理的原理如下。

設(shè)m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的原始數(shù)據(jù)矩陣A=(aij)m×n，對(duì)其歸一化后得到R=(xij)m×n，對(duì)值越大越優(yōu)的指標(biāo)(如平均流速)而言，歸一化公式為：

(1)

式中：xij為第j個(gè)方案的第i個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)歸一化后的值；aij為為第j個(gè)方案的第i個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)。

而對(duì)于值越小越優(yōu)的指標(biāo)(如總調(diào)水量、污染物濃度、調(diào)水時(shí)間等)而言，歸一化公式為：

(2)

青山湖生態(tài)環(huán)境供水各方案的各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表3，歸一化后的指標(biāo)值見(jiàn)表4。

表3 各方案的五項(xiàng)指標(biāo)值Tab.3 Five indicator values for each programme

2.2.2 確定求解方法

通過(guò)建立的多目標(biāo)評(píng)價(jià)體系可知，各河湖水質(zhì)水量?jī)?yōu)化調(diào)度方案選取是一個(gè)多目標(biāo)問(wèn)題。一般求解多目標(biāo)問(wèn)題是通過(guò)一定的方法，將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題，常用的方法有約束法和權(quán)重法[6]。約束法求解多目標(biāo)問(wèn)題的思想是在多個(gè)目標(biāo)中，選擇其中的一個(gè)目標(biāo)作為基本目標(biāo)，而將其余的目標(biāo)轉(zhuǎn)化為不等式約束，通過(guò)求解約束問(wèn)題生成非劣解。權(quán)重法的思想是通過(guò)賦予各個(gè)子目標(biāo)一定的權(quán)重，將其按照線性組合的方式將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單個(gè)目標(biāo)然后進(jìn)行優(yōu)化求解[7]。由于約束法適合于求解兩個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化決策[8]，當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)多于3個(gè)時(shí)，用約束法較為繁雜，由于本研究有四個(gè)目標(biāo)，且各指標(biāo)之間的重要性相對(duì)較明確，因而選取權(quán)重法求解優(yōu)化模型，權(quán)重選定如下。

表4 各方案的五項(xiàng)指標(biāo)值歸一化結(jié)果Tab.4 Normalized results of five indicator values for each program

制約城市生態(tài)環(huán)境供水的主要因素是水量。在最嚴(yán)格的水資源制度實(shí)施的大背景下，在水已經(jīng)不可或缺的今天，無(wú)論是從社會(huì)效益考慮，還是從經(jīng)濟(jì)效益上來(lái)考慮，關(guān)注城市生態(tài)環(huán)境的用水量，在達(dá)到相同的環(huán)境目標(biāo)的條件下，用更少的水，是我們不斷追求的目標(biāo)。因此，生態(tài)環(huán)境調(diào)水水量是整個(gè)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的前提，所以這一指標(biāo)賦予最大的權(quán)重w1=0.5。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，近年來(lái)南昌市內(nèi)各河湖的水環(huán)境都處于較差的狀態(tài)，嚴(yán)重影響了城市的形象與人們的生活。生態(tài)環(huán)境用水最迫切，也是最直觀的目標(biāo)就是改善城市河湖的水質(zhì)，使原本達(dá)標(biāo)的水體的各項(xiàng)污染物濃度，恢復(fù)到湖泊管理的目標(biāo)范圍以內(nèi)。湖泊中總磷濃度和總氮濃度的減少，是生態(tài)調(diào)水的目標(biāo)的體現(xiàn)，賦予其較大的指標(biāo)權(quán)重0.3，即總磷和總氮分別為w2=w3=0.15。

治理城市河湖污染，改善被污染的水體是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，所以生態(tài)調(diào)水一定時(shí)間范圍內(nèi)的變動(dòng)并不會(huì)帶來(lái)太大的影響。而湖泊的水動(dòng)力條件，在一定程度上能增加復(fù)氧，提升水環(huán)境容量，但具體的指標(biāo)難以量化。綜合考慮，賦予出口水體濃度達(dá)標(biāo)時(shí)間與達(dá)標(biāo)時(shí)的湖區(qū)平均流速同等的、較小的權(quán)重w4=w5=0.1。得出各指標(biāo)的權(quán)重詳見(jiàn)表5。

2.2.3 計(jì)算綜合評(píng)價(jià)得分

將權(quán)重值分別與各方案對(duì)應(yīng)的指標(biāo)求積，然后再求和，得到各方案的綜合評(píng)價(jià)值并將其化為百分制，第j個(gè)方案的綜合評(píng)分yj的計(jì)算方法為：

(3)

表5 方案評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)權(quán)重Tab.5 Weights of indicators in the program evaluation system

式中：yj為第j個(gè)方案的綜合評(píng)價(jià)得分；wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重xij為第j個(gè)方案的第i個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)歸一化后的值。

綜合評(píng)價(jià)得分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，比較各方案的計(jì)算結(jié)果，方案三的綜合評(píng)價(jià)得分最高，所以青山湖的中水位、初始狀態(tài)為輕度污染這一工況最適宜的生態(tài)調(diào)水流量為3 m3/s。

表6 各方案綜合評(píng)價(jià)得分Tab.6 Comprehensive evaluation scores of each program

2.3 各河湖生態(tài)調(diào)水流量?jī)?yōu)選結(jié)果

采用建立的方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分別對(duì)青山湖、象湖、艾溪湖多個(gè)的調(diào)水方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)選出了各湖泊不同水量水質(zhì)狀態(tài)下情況下的生態(tài)調(diào)水流量，見(jiàn)表7。

表7 各河湖生態(tài)調(diào)水流量?jī)?yōu)選結(jié)果表Tab.7 Optimal results of ecological water transfer flow of each river and lake

通過(guò)觀察表7發(fā)現(xiàn)，在同一河湖水體、同一水位，污染程度越大，其生態(tài)調(diào)水流量越大，部分生態(tài)調(diào)水流量相等是由于本文選擇的流量密度不足所致；同一湖泊，相同污染程度，生態(tài)調(diào)水量與水位變化無(wú)明顯規(guī)律，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是主要與表1模擬結(jié)果有關(guān)，通過(guò)觀察表1，在同一湖泊、相同流量和污染程度下，艾溪湖和梅湖，隨著水位的降低，調(diào)水流量和達(dá)標(biāo)時(shí)間降低，而青山湖和象湖，隨著水位的降低，調(diào)水流量和達(dá)標(biāo)時(shí)間增大，產(chǎn)生兩種不同結(jié)果主要是由于湖泊形狀和湖泊基礎(chǔ)深度對(duì)模擬過(guò)程中的水力條件產(chǎn)生影響；在同一湖泊，不同污染程度，隨著水位的降低，水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)，TP和TN的平均濃度也無(wú)明顯規(guī)律。進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)調(diào)水流量與水位無(wú)明顯規(guī)律。

3 灌區(qū)城市生態(tài)環(huán)境供水量分析

根據(jù)建立的方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)不同的生態(tài)調(diào)水方案進(jìn)行評(píng)價(jià)以后，優(yōu)選出了青山湖、象湖、艾溪湖、梅湖在不同水質(zhì)水量狀態(tài)下的生態(tài)調(diào)水流量，可為實(shí)際調(diào)水操作進(jìn)行指導(dǎo)。但是在全年范圍內(nèi)，生態(tài)調(diào)水是一個(gè)需要長(zhǎng)期反復(fù)進(jìn)行的工作，可進(jìn)行生態(tài)調(diào)水的次數(shù)也是有限的，調(diào)水必須考慮全年用水總量的限制[9]。

為得出南昌市全年生態(tài)調(diào)水需水量，本次研究以青山湖、象湖與艾溪湖3個(gè)湖泊的生態(tài)調(diào)水水量為依據(jù)，采用三湖的蓄水量占南昌市八湖二河河湖蓄水總量的比例進(jìn)行類推。假設(shè)三個(gè)湖泊的水質(zhì)狀態(tài)相同(輕度污染、重度污染)，針對(duì)高水位、中水位、低水位3種情況，將3個(gè)湖泊的平均調(diào)水量作為計(jì)算的依據(jù)。通過(guò)《南昌市城區(qū)各河湖溝渠基本情況表》進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，得出三湖蓄水量占城區(qū)的73.44%，反推求得南昌市全部河湖進(jìn)行一次生態(tài)調(diào)水所需水量，根據(jù)《贛撫平原灌區(qū)現(xiàn)代化規(guī)劃》，贛撫平原灌區(qū)在50%、75%、90%頻率來(lái)水年分別對(duì)應(yīng)的城市生態(tài)環(huán)境可供水量為32 700、27 400、22 900 萬(wàn)m3[10]。全年生態(tài)調(diào)水次數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 生態(tài)調(diào)水水量?jī)?yōu)選表Tab.8 Optimal ecological water meter

4 結(jié) 論

本文根據(jù)不同供水情況下不同污染程度的水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度成果以及南昌市中心城區(qū)現(xiàn)有水利工程現(xiàn)狀、河湖渠道水系情況，建立了包括水力條件、水質(zhì)改善、調(diào)水成本的多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用權(quán)重法的形式進(jìn)行求解，在城市河湖處于不同水位和水質(zhì)狀態(tài)時(shí)的多個(gè)不同生態(tài)調(diào)水流量方案進(jìn)行比選，優(yōu)選出了青山湖、象湖、艾溪湖、梅湖在不同水位和水質(zhì)狀態(tài)下的生態(tài)調(diào)水流量。

在贛撫平原灌區(qū)水資源調(diào)度中，由不同水位狀態(tài)的南昌市河湖全年生態(tài)調(diào)水水量(表8)可知：在50%頻率來(lái)水年時(shí)，分配給城市生態(tài)環(huán)境的水量可進(jìn)行生態(tài)調(diào)水13.4～15.4次；在75%頻率來(lái)水年時(shí)，分配給城市生態(tài)環(huán)境的水量可進(jìn)行生態(tài)調(diào)水10.6～12.7次；在75%頻率來(lái)水年時(shí)，分配給城市生態(tài)環(huán)境的水量可進(jìn)行生態(tài)調(diào)水7.7～9.4次。不同來(lái)水年的平均次數(shù)為11.5次，基本能夠?qū)崿F(xiàn)到每月南昌市進(jìn)行一次全面的生態(tài)調(diào)水。

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