王立明，徐 寧，高金強

(水利部海河水利委員會水資源保護科學研究所，天津 300170)

基于干旱河道生態(tài)修復的岳城水庫生態(tài)調度

王立明，徐 寧，高金強

(水利部海河水利委員會水資源保護科學研究所，天津 300170)

根據(jù)干旱風沙河道生態(tài)修復目標，結合水庫的防洪、興利、生態(tài)調度，建立了多目標水庫生態(tài)調度模型，研究漳河岳城水庫的生態(tài)調度。結果表明：枯水年岳城水庫向下游河道生態(tài)供水0.277×108m3，平水年岳城水庫向下游河道生態(tài)供水0.327×108m3，豐水年可以滿足下游生態(tài)需水量2.66×108m3。

岳城水庫；生態(tài)修復；生態(tài)調度

海河流域是我國水資源嚴重短缺的地區(qū)之一。海河流域山前水群帶建成運行之前10年(1952—1961年)的年平均徑流為132.7×108m3，水庫群運行后，平均年徑流減少至2.3×108m3，徑流減少了98.3%。2000年以后，海河流域平原區(qū)的23條主要河流平均斷流216 d，年均斷流天數(shù)大于300 d的河流(河段)有11條，年均干涸長度1 721 km，占主要河流總河長度的44%[1]。長期的干涸引發(fā)了山前平原地區(qū)河流逐步沙化，2000年以后沙化面積不斷擴大，從冀西地區(qū)發(fā)展到冀南衡水-邢臺一帶，并向京津地區(qū)逐步擴展，永定河、大清河、子牙河、滏陽河及漳河在山前平原河段沙化趨勢明顯，河漫灘部分被開墾，草地遭到嚴重破壞，林草地明顯減少。20世紀80年代后，隨著城市建設的發(fā)展，對砂石料的需求量不斷增大，采砂點開始遍布永定河、潮白河、滹沱河、南拒馬河、漳河等河流山前平原河段。人為采砂活動對河床的擾動致使河漫灘植被破壞，進一步加劇了河道沙化。

生態(tài)修復是在一定的區(qū)域背景條件下，為解決生態(tài)系統(tǒng)退化和生態(tài)環(huán)境破壞的問題，對受損的生態(tài)系統(tǒng)進行修復，使生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復到健康狀態(tài)并保持長期穩(wěn)定的過程[2-3]。近年來，針對海河流域干旱風沙河道的生態(tài)修復進行了大量的研究與實踐，這些研究在分析海河流域特點和河流生態(tài)現(xiàn)狀的基礎上，基于河流水體連通、水質凈化、景觀環(huán)境、生境維持等生態(tài)功能，提出生態(tài)供水、水質改善、生境修復等生態(tài)修復基本模式，并依據(jù)河流生態(tài)功能，計算了河流生態(tài)需水量，提出了河道植物景觀營造方案[4-8]。筆者試圖研究漳河岳城水庫下游河道生態(tài)需水量，構建岳城水庫生態(tài)調度優(yōu)化模型，改進水庫調度方式，保證漳河岳城水庫下游河道的生態(tài)安全。

1 研究區(qū)概況

漳河是海河流域漳衛(wèi)南運河系的重要支流之一，發(fā)源于太行山南部山西省境內，流經(jīng)山西、河南和河北3個省，河道全長460 km，流域總面積19 537 km2。漳河在河北省磁縣與河南省安陽縣交界處入岳城水庫，在岳城水庫以下進入平原區(qū)，流經(jīng)河北省磁縣、臨漳等縣，于館陶縣徐萬倉村匯入衛(wèi)運河。漳河岳城水庫以下平原河道長119 km，為沙質河床，以“擅淤、擅決”而聞名，屬于游蕩性河道。圖1為漳衛(wèi)南河系示意圖。

圖1 漳衛(wèi)南河系示意圖

岳城水庫興建于1958年8月，控制流域面積18 100 km2，總庫容13.0×108m3，興利庫容6.8×108m3，是一個以防洪為主、兼顧城市生活和農(nóng)業(yè)灌溉供水等的水庫。岳城水庫于1962年開始向下游民有渠、漳南渠兩大灌區(qū)供水，民有渠灌區(qū)引漳灌溉面積8.47×104hm2，漳南渠灌區(qū)引漳灌溉面積4.27×104hm2。1981年和1985年，分別通過民有渠、漳南渠向河北省邯鄲市和河南省安陽市提供城市居民用水和工業(yè)用水。至2010年，岳城水庫累計供水量達179.52×108m3，其中向河北供水124.36×108m3，年均供水量2.61×108m3；向河南供水54.97×108m3，年均供水量1.19×108m3。1981—2010年岳城水庫向邯鄲市和安陽市實際供水48.63×108m3，年均供水水量為1.62×108m3[9-11]。

2 漳河下游生態(tài)需水量確定

漳河岳城水庫以下河道1990年以后處于斷流或干涸狀態(tài)，加之人類活動影響，河床沙化嚴重，部分河段演變成兩岸的風沙源。根據(jù)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對比分析，下游平原河道1990年的水面面積為7 414 hm2，2010年減少至4 068 hm2，減少了約45%；1990年的植被面積為3 772 hm2，2010年減少至2 564 hm2，減少了約32%。針對漳河的水資源條件和河道生態(tài)現(xiàn)狀，《海河流域綜合規(guī)劃(2012—2030年)》制定了“濕潤漳河，綠色漳河”的生態(tài)修復目標，提出“以綠代水”的生態(tài)修復模式[12]。濕潤漳河，是指通過岳城水庫生態(tài)調度，達到促進河道植被生長、改善河道生態(tài)環(huán)境的目的。漳河“以綠代水”的修復模式是指采取人工干預措施恢復河道灘地植被，增加植被覆蓋率，利用植被的根系穩(wěn)定河床、防治風沙。

2.1 漳河岳城水庫下游河道生態(tài)需水量

利用漳河觀臺水文站1981—2010年逐月水文數(shù)據(jù)，采用Tennant方法計算漳河岳城水庫下游河道的生態(tài)需水量，取各月水量的10%作為最小基流，確定漳河下游年生態(tài)最小基流量為1.32×108m3。除了考慮生態(tài)基流外，還考慮河道生態(tài)水量的蒸發(fā)滲漏損失，根據(jù)漳河蔡小莊水文站多年實測資料分析，確定漳河下游河道年蒸發(fā)損失0.38×108m3，年滲漏損失0.98×108m3。由此得到漳河岳城水庫下游生態(tài)需水量為2.66×108m3，見表1。

表1漳河岳城水庫下游河道各月生態(tài)需水量108m3

月份蒸發(fā)損失滲漏損失生態(tài)基流生態(tài)需水量10.020.030.060.1120.020.030.060.1130.010.040.070.1240.010.020.050.0850.020.010.060.0860.020.040.070.1270.030.180.170.3880.090.300.330.7290.060.150.170.38100.040.080.120.24110.030.060.090.18120.030.040.070.14合計0.380.981.322.66

2.2 漳河平原河段濕潤狀態(tài)時最小生態(tài)需水量

在漳河現(xiàn)有的水資源條件下，為保障經(jīng)濟社會正常發(fā)展，難以通過大量削減生活用水、生產(chǎn)用水來滿足漳河下游生態(tài)需水量。根據(jù)“濕潤漳河，綠色漳河”的生態(tài)修復目標，本文采用岳城水庫2008年6月和7月向下游河道輸水實測數(shù)據(jù)，分析漳河平原河段處于濕潤狀態(tài)時的最小生態(tài)需水量。

2008年6月，岳城水庫向下游河道放水，出庫流量53 m3/s，水頭至漳河穿漳涵洞斷面歷時82.5 h，水庫出庫水量為1 574.1×104m3；水頭至漳河和衛(wèi)河交匯口的徐萬倉斷面歷時114 h，水庫出庫水量為2 175.1×104m3。同年7月，岳城水庫再次向下游河道放水，水頭至漳河穿漳涵洞斷面時，水庫出庫水量為652.5×104m3，至徐萬倉斷面時，水庫出庫水量為1 068.3×104m3[13]。根據(jù)河道管理部門實際觀測，9月1日前岳城水庫以下河道水面基本呈連續(xù)狀態(tài)；9月10日以后，岳城水庫至京廣橋斷面之間河道水面基本呈現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)，京廣橋到三臺橋斷面之間有3個面積較大的水面，三臺橋斷面以下河道僅在部分低洼地段尚存部分余水。根據(jù)這兩次河道過水過程判斷，漳河岳城水庫平原河道過水后，河道內積水使河道保持濕潤時間約為2個月。分析岳城水庫出庫水量、河道過水過程及水面維持時間可知，岳城水庫向下游河道進行生態(tài)供水，河道處于干旱狀態(tài)時至穿漳涵洞斷面每次需水1 500×104m3，河道處于濕潤狀態(tài)時至穿漳涵洞斷面需水650×104m3，河道水面通過蒸發(fā)滲漏損失可自然維持時間約2個月。

3 岳城水庫生態(tài)調度研究

水庫生態(tài)調度是在水量調度過程中兼顧下游河道生態(tài)環(huán)境用水，在生態(tài)環(huán)境用水與社會經(jīng)濟用水之間尋求平衡點，從而形成促進下游河流生態(tài)恢復和改善的水庫生態(tài)調度規(guī)則和方式[14]。水庫多目標生態(tài)調度是當前國內外河流生態(tài)修復的一項重要舉措，許多學者開展了大量的相關研究[15-16]。美國在康涅狄格河流域水庫調度過程中，綜合考慮了水庫的防洪、供水、發(fā)電、娛樂、河流生態(tài)流量等目標，構建了水庫生態(tài)調度優(yōu)化模型，通過改進水庫調度方式，保證了防洪和下游生態(tài)安全。

3.1 生態(tài)調度模型和約束條件

3.1.1 模型

根據(jù)水庫生態(tài)調度基本理論，筆者考慮岳城水庫防洪、供水功能的同時，根據(jù)下游河道年內不同時期生態(tài)需水情況，采用多目標優(yōu)化技術，構建了岳城水庫多目標生態(tài)調度模型：

min(a·f(x1,x2,…,xm)+b·g(y1,y2,…,ym))

(1)

其中

式中：f(x1,x2,…,xm)為岳城水庫供水目標，表示年內不同時段供水不足對經(jīng)濟社會用水的影響程度；g(y1,y2,…,ym)為岳城水庫下游河道生態(tài)需水目標，表示年內不同時段生態(tài)供水不足對河流生態(tài)的影響程度；xi為岳城水庫不同時段河道外供水量，108m3；m=18，表示年內供水時段數(shù)，每年汛期7月至9月按旬計算，非汛期按月計算，即x1為7月上旬供水量，x2為7月中旬供水量，依此類推；wi為第i個時段河道外需水量，108m3；yi為岳城水庫不同時段向下游河道出庫水量，108m3(y1為7月上旬水庫向河道生態(tài)供水量，y2為7月中旬水庫向河道生態(tài)供水量，依此類推)；si為第i個時段的下游河道生態(tài)需水，108m3，當yigt;si，計算取yi=si；a,b分別為不同供水目標權重，a+b=1，當a=b=0.5時，表示供水目標權重相等。

3.1.2 約束條件

a. 水位約束

Zmin,i≤Zi≤Zmax,i

(2)

式中：Zi為年內不同時段的岳城水庫水位，m；Zmin,i為水庫死水位(或最低供水位)，m；Zmax,i為水庫汛限水位(或正常蓄水位)，m。

b. 水量約束

0≤xi≤wi

(3)

0≤yi≤qmax

式中，qmax為不同時段水庫最大可下泄水量，汛期根據(jù)水庫防洪運行安全泄量(或水庫泄流能力)確定，非汛期根據(jù)下游河道生態(tài)需水量確定，108m3。

c. 水量平衡約束

(4)

d. 調度約束

調度約束指岳城水庫汛期的運行調度規(guī)則。根據(jù)1981—2010年岳城水庫運行調度情況[17]，在求解過程中，將岳城水庫全年調度過程分成汛期和非汛期兩大部分。汛期按照水庫調度原則進行水量調度，汛期末的水庫蓄水水位作為非汛期水量調度的初始條件。非汛期水量調度采用粒子群算法進行優(yōu)化調度，變量的維數(shù)為18維，前1至9維為10月至翌年6月的河道生態(tài)供水量，10至18維為10月至翌年6月的河道外生活生產(chǎn)供水。

3.2 入庫水量與水量調度

3.2.1 不同保證率下的入庫水量

根據(jù)岳城水庫入庫控制站觀臺水文站多年觀測資料統(tǒng)計，岳城水庫最大入庫水量為1963年48.20×108m3，最小入庫水量為1999年0.33×108m3，多年平均入庫水量為7.60×108m3，其中1962—1970年入庫水量為18.27×108m3，1971—1980年入庫水量為8.82×108m3，1981—1990年入庫水量為4.21×108m3，1991—2000年入庫水量為3.15×108m3，2000—2010年入庫水量為3.36×108m3。本文根據(jù)觀臺水文站1981—2010年水文資料分析不同保證率下岳城水庫各月入庫水量見表2。枯水年、平水年、豐水年分別取1998年7月—1999年6月(75%頻率)，2007年7月—2008年6月(50%頻率)，2010年7月—2011年6月(25%頻率)。

3.2.2 枯水年水量調度

根據(jù)岳城水庫運行調度規(guī)則，每年7月1日—8月10日以汛限水位134 m作為起調水位，8月11—20日汛限水位逐步抬蓄至141 m，8月21日至9月30日汛限水位為145 m，汛期以水庫汛限水位作為生態(tài)調度的最低控制水位。河道外供水目標權重取0.9，下游河道生態(tài)需水目標權重取0.1?？菟暝莱撬畮焖空{度曲線見圖2。

根據(jù)岳城水庫入庫站1981—2010年水文資料，枯水年(75%頻率)入庫水量為1.02×108m3，水庫供水總量為1.62×108m3，庫區(qū)蒸發(fā)滲漏損失水量為0.23×108m3，為保障生活生產(chǎn)用水量，岳城水庫需要利用原有蓄水0.83×108m3。岳城水庫在9月底達到年最大需水量2.06×108m3，對應水位134.4 m，隨后數(shù)月水位逐步下降，翌年6月底水位降至129.8 m。根據(jù)上游來水情況和水庫調度規(guī)則，7月1日至8月10日，水庫向下游漳河生態(tài)供水0.277×108m3，不能滿足下游對應時段生態(tài)需水量要求，但可以滿足下游風沙河段漳河鐵路橋至穿漳涵洞的濕潤用水。

3.2.3 平水年水量調度

平水年(50%頻率)岳城水庫入庫水量為2.18×108m3，年供水總量為1.62×108m3，可以保障全年生活生產(chǎn)用水。平水年岳城水庫水量調度曲線見圖3。

由于汛期7月來水量較少，為保障生活生產(chǎn)用水，岳城水庫需要利用原有蓄水0.076×108m3，7月底水庫水位降至133.67 m，低于汛限水位。8月上旬，水庫上游來水量增大，滿足生活供水的同時，水庫水位升高至134 m后，水庫可向下游漳河生態(tài)供水0.073×108m3，這不能滿足下游風沙河段河道保持濕潤的用水量。8月中旬至9下旬，水庫上游來水量0.72×108m3，滿足生活供水要求。由于水庫汛限水位抬高至141 m(蓄水量4.0×108m3)和145 m(蓄水量5.3×108m3)，水庫不能向下游漳河生態(tài)供水，9月底水庫蓄水量2.68×108m3。10月份至翌年6月，岳城水庫進入興利蓄水期，水庫控制蓄水位148.5 m，對應蓄水量6.8×108m3。根據(jù)預測，10月份至翌年6月岳城水庫生活生產(chǎn)供水量1.38×108m3，上游來水量1.23×108m3，扣除水庫年蒸發(fā)滲漏損失水量，在6月底水庫降至汛限水位134 m前，可向下游漳河生態(tài)供水0.327×108m3。根據(jù)濕潤漳河生態(tài)需水量的計算結果和當?shù)貧夂蛱攸c，選擇在11月份向下游生態(tài)供水0.15×108m3，有效抑制下游河道風沙。在翌年3月份向下游生態(tài)供水0.177×108m3，抑制下游河道風沙的同時，保持河道濕潤，促進下游植被萌發(fā)，進行以綠代水生態(tài)修復。

3.2.4 豐水年水量調度

豐水年(25%頻率)岳城水庫年來水總量為4.66×108m3，年供水總量為1.62×108m3，來水量可以保障全年生活生產(chǎn)用水。豐水年岳城水庫水量調度曲線見圖4。

由于汛期7月來水量較少，為保障生活生產(chǎn)用水，岳城水庫需要利用原有蓄水0.812×108m3，7月底水庫水位降至133 m，低于汛限水位。8月上旬至9中旬，水庫上游來水量1.58×108m3，水庫蓄水量3.40×108m3。根據(jù)預測至翌年6月底水庫降至汛限水位134 m前，扣除水庫年蒸發(fā)滲漏損失水量，可以滿足生活生產(chǎn)供水要求。同期來水可向下游進行生態(tài)供水，在6月底水庫降至汛限水位134 m前，可向下游漳河生態(tài)供水2.81×108m3。

豐水年岳城水庫向漳河下游生態(tài)供水2.81×108m3，理論上完全可以滿足下游年最小生態(tài)需水量

表2 岳城水庫不同保證率下各月入庫水量

圖2 枯水年岳城水庫水量調度曲線

圖3 平水年岳城水庫水量調度曲線

圖4 豐水年岳城水庫水量調度曲線

2.66×108m3的需求，但是，由于岳城水庫上游流域全年水資源量60%以上集中在汛期，汛期80%的水量集中在一次或幾次降雨過程，暴漲暴落是漳河洪水的顯著特點之一，受流域內水資源特點和降雨預測困難的限制，岳城水庫生態(tài)調度預測過程中很難控制7月上旬至9月中旬的下游生態(tài)用水調配，這是今后海河流域洪水資源化研究的難點和重點。因此，建議適當抬高岳城水庫7月上旬至8月上旬的汛限水位至136 m，目的是豐水年后可以保障翌年該時間段下游生態(tài)用水。

4 結 語

漳河下游河道長期干涸斷流，生態(tài)系統(tǒng)嚴重退化，如何進一步優(yōu)化流域水資源配置，建立長期有效的生態(tài)用水保障機制，是流域生態(tài)修復的關鍵。本研究結合河流生態(tài)修復的目標，根據(jù)漳河岳城水庫1981—2010年來水和供水情況，在考慮水庫防洪、供水的同時，對有限的水量進行了優(yōu)化配置，但尚未考慮上游地區(qū)水庫的聯(lián)合調度，這在今后工作中有待進一步深入。此外，如何合理調整岳城水庫汛限水位的問題有待進一步研究。

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EcologicaloperationofYuechengReservoirbasedonecologicalrestorationofaridriver

WANGLiming,XUNing,GAOJinqiang

(ScientificResearchInstituteofWaterResourcesProtection,HaiheRiverWaterConservancyCommission,MWR,Tianjing300170,China)

According to the ecological restoration goal of arid aeolian sand channel, combined with the flood control, benefit and ecological regulation of reservoir, a multi-objective reservoir ecological operation model was established for studying the ecological operation of Yuecheng Reservoir. The study results show that Yuecheng Reservoir provides ecological water supply of 0.277×108m3to downstream rivers in the low flow year, 0.327×108m3in the normal year and 2.66×108m3in the high flow year.

Yuecheng Reservoir; ecological restoration; ecological regulation

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.06.05

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07203008)

王立明(1973—)，男，高級工程師，主要從事水資源保護規(guī)劃研究。E-mai1：wangliming@hwcc.gov.cn

TV213.4

A

1004-6933(2017)06-0032-06

2017-05-08 編輯：彭桃英)