呂繼強(qiáng) 劉俊 沈冰 孫夏利 侯志強(qiáng) 慕登春 張媛 聶啟陽(yáng)
摘要:以秦嶺北麓半干旱區(qū)城市河流為例,構(gòu)建分布式水文模型與河段水量平衡模型,分析區(qū)域氣候變化、河流上游水利工程蓄水運(yùn)行及下游城市段橡膠壩蓄水調(diào)度對(duì)河流水量水質(zhì)的影響,并依據(jù)不同水平年的水文模擬計(jì)算結(jié)果,制定變化環(huán)境下河流下游閘壩水量水質(zhì)調(diào)控方案。研究結(jié)果表明:通過(guò)構(gòu)建分布式水文模型,研究流域水文與氣象要素、水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行與灌溉取水等人類活動(dòng)對(duì)河流水文過(guò)程的綜合影響,是降低河流水資源管理風(fēng)險(xiǎn)及不確定性的有效途徑之一;以下游河段水量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),開展變化環(huán)境下橡膠壩水量水質(zhì)隨機(jī)模擬與調(diào)控,制定的水量水質(zhì)優(yōu)化調(diào)控方案可以有效緩解河流水污染狀況。
關(guān)鍵詞:水文學(xué);GBHM模型;城市河流;景觀水體;水質(zhì)與水量調(diào)控
中圖分類號(hào):TV213.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A Doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.09.015
受全球氣候變化以及人類活動(dòng)的影響,流域水循環(huán)發(fā)生了顯著變化,許多地區(qū)面臨洪水、干旱、環(huán)境污染等嚴(yán)重問(wèn)題。半干旱區(qū)水資源不足,長(zhǎng)期存在水資源時(shí)空分布與流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展布局不協(xié)調(diào)問(wèn)題。城市河流水生態(tài)系統(tǒng)受人類活動(dòng)影響強(qiáng)烈,河流自然水文演化過(guò)程逐漸被改變,半干旱區(qū)河流下游城市段不合理的閘壩調(diào)控模式加劇了水資源緊張與水生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題。研究閘壩工程對(duì)河流環(huán)境的影響、減少閘壩蓄水引起的河流生態(tài)系統(tǒng)退化或破壞問(wèn)題,對(duì)流域水環(huán)境保護(hù)具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)河流水文情勢(shì)[1-2]、水環(huán)境的影響[2-5],開展了很多有意義的研究。夏軍等[6]探討了淮河流域人類活動(dòng)影響下河流生態(tài)需水量難以保障問(wèn)題,定量評(píng)估了閘壩工程對(duì)河流水生態(tài)系統(tǒng)的影響程度;Hayes等[7]、Burke等[8]探討了閘壩調(diào)度運(yùn)行對(duì)河流水質(zhì)、水量演變所起的作用;左其亭等[9]通過(guò)實(shí)地閘壩調(diào)控試驗(yàn),確定重污染河流閘壩最優(yōu)下泄流量,以提高河流水體的自凈作用。上述研究多以定性分析、數(shù)值模型模擬預(yù)測(cè)閘壩工程對(duì)河流水環(huán)境的影響,缺乏氣候變化與人類活動(dòng)共同影響下,典型城市河流上游與下游不同類型閘壩工程調(diào)控、水資源利用對(duì)流域不同河段的水質(zhì)與水量研究。另外,由于水文觀測(cè)數(shù)據(jù)匱乏,已有研究在枯水期閘壩工程對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響認(rèn)識(shí)不充分,因此需要面向全流域探索城市河流閘壩蓄水運(yùn)行對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響。
筆者以典型城市河流灞河為研究對(duì)象,開展以下研究:①依據(jù)氣候變化及人為干擾(城市化、水利工程建設(shè)運(yùn)行)引起的氣象、下墊面條件變化、水文地質(zhì)條件變化,進(jìn)行分布式水文模型結(jié)構(gòu)調(diào)整和模型參數(shù)率定,反演不同水平年流域上中游的產(chǎn)匯流過(guò)程;②以下游河川徑流過(guò)程、下游城市段水體自凈能力、生態(tài)基流為約束條件,進(jìn)行河流橡膠壩水量水質(zhì)調(diào)控模擬計(jì)算,分析河段水循環(huán)規(guī)律,以確定河流下游城市段橡膠壩水質(zhì)水量?jī)?yōu)化調(diào)控方案,改善重度污染河流水生態(tài)環(huán)境,提升水功能價(jià)值與綜合效益。
1 資料與方法
1.1 流域特征
灞河是秦嶺北麓西安市東部渭河最大的一級(jí)支流,連接秦嶺、渭河兩大生態(tài)區(qū)域,是西安市的主要水源地之一,全長(zhǎng)104.1km,流域總面積2581.0km2。灞河流域地勢(shì)南高北低,從源頭到下游大致可以分為秦嶺山地、橫嶺丘陵、黃土臺(tái)源和川道平原等地貌類型區(qū)。灞河上游支流輞川河中段建有李家河水庫(kù),總庫(kù)容為5690萬(wàn)m3,是西安市重要的生活水源之一;下游平原區(qū)河道內(nèi)建有2座橡膠壩,承擔(dān)城市防洪調(diào)度與水景觀蓄水調(diào)控任務(wù)。灞河流域DEM、水系及站點(diǎn)分布如圖1所示。
目前,灞河流域水資源未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度,上游水庫(kù)與下游城市段橡膠壩蓄水使下游河道水量減少,水流緩慢,水體自凈能力下降,河流水生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。依據(jù)2011年《渭河流域水污染防治考核辦法》,灞河水質(zhì)的考核因子為化學(xué)需氧量(COD)和氨氮(NH:-N)。根據(jù)2013-2016年灞河下游污染調(diào)查與水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)結(jié)果,灞河下游全年水質(zhì)普遍低于Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。
1.2 資料及研究技術(shù)路線
采用1990-2010年灞河流域上中游10個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)與1個(gè)控制性水文站的徑流數(shù)據(jù)(站點(diǎn)位置見圖1),流域DEM高程、土地利用、植被覆蓋數(shù)據(jù),下游城市段河流景觀水體水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),建立流域上中游分布式水文模型及下游河道水量調(diào)控模型,開展流域產(chǎn)匯流模擬、下游河段橡膠壩調(diào)控情況下的河段水量、自凈流量、生態(tài)基流量等模擬計(jì)算。圖2為水量調(diào)控研究技術(shù)路線。
1.3 分布式水文模型選擇與改進(jìn)
YANG D.W.等[10]提出的流域分布式水文模型(GBHM)以山坡的坡面及其下墊面為基本計(jì)算單元,考慮地形、土壤、植被、氣象等信息的空間變化對(duì)水文過(guò)程的影響,具有較好的水文模擬效果。模型已在南方濕潤(rùn)、北方半干旱流域得到較多應(yīng)用,驗(yàn)證了模型的可靠性和合理性[10-11]。
1.3.1 GBHM基本原理
GBHM建立在DEM及GIS基礎(chǔ)上,由流域空間信息庫(kù)、水文計(jì)算模塊、輸入模塊與輸出模塊4個(gè)主要部分組成。模型利用網(wǎng)格型DEM提取河網(wǎng)水系、子流域范圍、坡度、坡向等網(wǎng)格特征,首先將流域劃分為許多較小的子流域,然后將子流域進(jìn)一步劃分為匯流區(qū)間和山坡產(chǎn)流單元[11]。GBHM水循環(huán)示意見圖3。
山坡產(chǎn)流單元的水文計(jì)算包括以下幾方面[10-11]。
(1)蒸發(fā)量估算。蒸發(fā)量通過(guò)潛在蒸發(fā)能力計(jì)算得到,計(jì)算考慮植被覆蓋率、冠層葉面積指數(shù)、土壤含水量及根系分布,包含植被冠層截留蓄水的蒸發(fā)率計(jì)算、根系吸水經(jīng)植被冠層葉面的蒸騰率計(jì)算、裸露土壤蒸發(fā)率計(jì)算。
植被冠層截留蓄水的蒸發(fā)率計(jì)算公式為
Ecanopy=KcEp(1)式中:Ecanopy為植被冠層截留蓄水蒸發(fā)率;Kc為參考作物系數(shù);Ep為潛在蒸發(fā)率。
根系吸水經(jīng)植被冠層葉面的蒸騰率計(jì)算公式為式中:Ktr(z)為土壤深度z處的蒸騰率;f1(z)為植被根系沿深度分布函數(shù);θ為土壤蓄水量;f2(θ)為土壤蓄水量函數(shù),土壤蓄水量大于等于田間持水量時(shí)f2(θ)=1,土壤蓄水量小于等于凋萎系數(shù)時(shí)f2(θ)=0,其間為線性變化;LAI為植物葉面積指數(shù);LAI0為植物在一年中的最大葉面積指數(shù)。
裸地蒸發(fā)率計(jì)算公式為
Es=Epf2(θ)(3)式中:Es為裸地土壤表面的蒸發(fā)率;在地表蓄水的情況下,f2(θ)取1。
(2)非飽和帶土壤水分運(yùn)動(dòng)。降雨入滲和蒸發(fā)蒸騰均通過(guò)非飽和帶,用一維Richards方程描述非飽和帶沿垂直方向的土壤水分運(yùn)動(dòng),并采用有限差分方法求解Richards方程,非飽和帶土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬時(shí)間步長(zhǎng)取1h。垂向土壤水分運(yùn)動(dòng)的一維Richards方程為式中:s(z,t)為源匯項(xiàng);qv為土壤水通量,可以由達(dá)西定理計(jì)算得到。式中:ψ(θ)為土壤吸水力;K(θ)為非飽和土壤的水力傳導(dǎo)系數(shù)。
(3)坡面匯流與河道匯流。首先假定匯流區(qū)間內(nèi)所有山坡單元的坡面匯流和地下水產(chǎn)流都可以直接進(jìn)入河道,采用一維波動(dòng)方程將子流域河網(wǎng)概化為一條主河道,然后依據(jù)匯流區(qū)間距河口距離,進(jìn)行匯流演進(jìn)計(jì)算。用一維Richards方程可以計(jì)算出山坡的超滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)量,坡面產(chǎn)流經(jīng)過(guò)地表截留后流入河道,在較短的時(shí)間間隔內(nèi)坡面流可以用Manning公式按恒定流來(lái)計(jì)算。模型基本計(jì)算單元為坡面流單元,減少了計(jì)算單元的數(shù)目,同時(shí)考慮土地利用類型、土壤狀況、氣象條件、地形地貌等流域空間特性,可以縮短計(jì)算時(shí)間,并且提高模擬精度。單寬流量計(jì)算公式為式中:qs為單寬流量;n為坡面的Manning系數(shù);β為河床坡度;h為扣除地面截留后的凈雨深。
(4)地下水與河流之間的交換。按達(dá)西定理計(jì)算飽和含水層與河道的水量交換,所有網(wǎng)格均由河道相連接,網(wǎng)格內(nèi)的地下水位可通過(guò)河道來(lái)調(diào)節(jié)。一般情況下,山區(qū)地下水會(huì)流入河道,平原區(qū)河水對(duì)地下水有補(bǔ)給作用。
1.3.2 主要參數(shù)及確定
模型描述水文過(guò)程物理機(jī)制明確,可根據(jù)流域具體情況增加模塊,調(diào)整模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)。模型參數(shù)均為物理參數(shù),一般源于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),包括植被和地表參數(shù)、土壤水分參數(shù)和河道參數(shù)等。GBHM所需參數(shù)類型以及參數(shù)獲取方法參見文獻(xiàn)[11]。
1.3.3 模型結(jié)構(gòu)調(diào)整與參數(shù)更新
人類活動(dòng)對(duì)降雨產(chǎn)流與匯流過(guò)程影響較大,如水庫(kù)運(yùn)行、灌溉及城市綠化取水等,均直接影響城市河流的徑流量及徑流過(guò)程,進(jìn)而影響下游城市段水環(huán)境。本文根據(jù)流域?qū)嶋H情況,通過(guò)對(duì)水庫(kù)運(yùn)行、灌溉與綠化取水等人類活動(dòng)引起的水文過(guò)程進(jìn)行概化,在GBHM計(jì)算單元中增加流域水庫(kù)運(yùn)行等模塊,以提高變化環(huán)境下流域水文模擬效果。模型結(jié)構(gòu)調(diào)整框架見圖4。
1.4 基于水量平衡法的河段水量調(diào)控模型
依據(jù)河段水量平衡原理,以分布式水文模型模擬的上游河道來(lái)水過(guò)程和斷面平均臨界流速為約束條件,構(gòu)建河段水量調(diào)控模型,模擬計(jì)算橡膠壩抬升不同高度情況下,庫(kù)區(qū)斷面平均流速、區(qū)間耗水量、滲漏量。路璐[12]開展的區(qū)域河段水環(huán)境試驗(yàn)表明:流量增大,水體流速加快,水體自凈能力增強(qiáng),水體污染物濃度降低;當(dāng)流量大于0.299m3/s(斷面平均流速大于0.01m/s)時(shí),河道水體中TP、COD、NH3-N濃度明顯降低。據(jù)此本文將橡膠壩庫(kù)區(qū)水體流速約束條件設(shè)置為斷面平均流速大于0.01m/s,以達(dá)到提升水體自凈能力的目的。
1.4.1 基于水量平衡法的河段水量計(jì)算
考慮橡膠壩庫(kù)區(qū)人流量、泄流量、庫(kù)區(qū)水面面積、降水量和水面蒸發(fā)量,建立水量平衡方程:
△W=W降+W入-W滲-W取-W取-W出(7)式中:ΔW為橡膠壩庫(kù)區(qū)的蓄水變化量;W降為研究時(shí)段的降水量;W入為橡膠壩庫(kù)區(qū)的人庫(kù)水量;W蒸為研究時(shí)段的水面蒸發(fā)量;W滲為橡膠壩庫(kù)區(qū)的滲漏水量;W取為橡膠壩庫(kù)區(qū)取水量;W出為流出橡膠壩庫(kù)區(qū)的水量。
1.4.2 隨機(jī)相關(guān)機(jī)會(huì)約束模型模擬與求解
模擬計(jì)算中各目標(biāo)按照優(yōu)先級(jí)依次為河段平均流速大于斷面平均臨界流速、流量大于生態(tài)基流、滲漏水量損失最小化、蓄水量最大化、水面面積滿足景觀要求。河段水量平衡模型模擬計(jì)算,在目標(biāo)保證率大于90%情況下,輸出河段平均流速、流量、各橡膠壩控制高度、滲漏水量、蒸發(fā)量,并采用Tennant法估算生態(tài)基流量,控制生態(tài)基流量大于上游入流量的10%。多目標(biāo)隨機(jī)相關(guān)機(jī)會(huì)約束模型及條件為式中:Pj為優(yōu)先因子,表示各個(gè)目標(biāo)的重要程度,Pj>Pj+1;uij為優(yōu)先級(jí)j的第i個(gè)目標(biāo)正偏差的權(quán)重因子;di+為目標(biāo)i偏離目標(biāo)值的正偏差;vij為優(yōu)先級(jí)j的第i個(gè)目標(biāo)負(fù)偏差的權(quán)重因子;di-為目標(biāo)i偏離目標(biāo)值的負(fù)偏差;Hik(y,ξ)為目標(biāo)約束中的實(shí)值函數(shù);Gj(y,ξ)為在不確定環(huán)境中的實(shí)值函數(shù);、‘為目標(biāo)i的實(shí)值;l為優(yōu)先級(jí)個(gè)數(shù);n為目標(biāo)約束個(gè)數(shù)。
基于隨機(jī)相關(guān)機(jī)會(huì)約束理論的多目標(biāo)優(yōu)化主要思想是在決策者給定優(yōu)化目標(biāo)后,在給定優(yōu)先級(jí)下極小化與此目標(biāo)的偏差,在給定保證率情況下得出隨機(jī)變量的合理解。采用智能優(yōu)化算法求解模型具體方法參見文獻(xiàn)[13]。
2 結(jié)果與分析
以分布式水文模型模擬計(jì)算的不同水平年河川徑流量為下游河道入庫(kù)徑流量,考慮水體自凈能力、生態(tài)基流要求等約束條件,建立河流橡膠壩水量水質(zhì)調(diào)控模型,通過(guò)隨機(jī)模擬與智能優(yōu)化算法求解,確定河流下游城市段橡膠壩的蓄水高度。
2.1 變化環(huán)境下流域水量模擬與水量變化分析
由于下游城市段內(nèi)無(wú)流量觀測(cè)站,缺乏水文資料驗(yàn)證模型,因此徑流模擬主要依據(jù)上游氣象、水文和地形資料進(jìn)行GBHM參數(shù)率定。模擬過(guò)程分為兩階段:
①上游(灞河馬渡王水文站以上,見圖1)水文模型構(gòu)建與參數(shù)率定;②應(yīng)用上游模型,開展下游城市段人流過(guò)程計(jì)算。
上游徑流過(guò)程模擬的率定期為1990-2000年,驗(yàn)證期為2001-2010年,模型率定期和驗(yàn)證期實(shí)測(cè)月徑流量和模擬月徑流量的確定系數(shù)分別為0.87和0.79,相對(duì)誤差分別為18.2%和12.6%,均符合《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(SL250-2000)實(shí)測(cè)徑流誤差小于20%的要求。模擬水庫(kù)運(yùn)行情況下1990-2010年下游河段的月徑流過(guò)程(見圖5),結(jié)果表明:水庫(kù)運(yùn)行后,灞河下游多年平均水量減少20%左右,汛期洪水總量減少30%。1990-2010年,遇水量較枯年份(2001年)下游水量減少比例最大為36%。根據(jù)橡膠壩庫(kù)區(qū)水量平衡計(jì)算結(jié)果,橡膠壩蓄水運(yùn)行后,河段天然河床滲漏量增大,增大水量約占河段徑流總量的4%。因此,流域上游水庫(kù)運(yùn)行與下游橡膠壩蓄水可能是河流下游河段徑流量減少、水污染加重的主要原因。
2.2 灞河下游城市段水量水質(zhì)調(diào)控方案優(yōu)化
灞河流域的徑流以降水補(bǔ)給為主。流域降水年際變化大,豐水年灞河下游水量水質(zhì)基本可以保證,但平水年及枯水年水污染現(xiàn)象易發(fā)多發(fā)??菟诤拥纴?lái)水量少,水質(zhì)較差,因此選擇平水年和枯水年的月徑流過(guò)程,開展灞河下游城市段水量水質(zhì)調(diào)控模擬計(jì)算,分別制定一般年份和枯水年份的橡膠壩調(diào)控方案。以年徑流總量為依據(jù),并參考年內(nèi)枯水期來(lái)水量變化,選擇易發(fā)生水量水質(zhì)問(wèn)題的典型枯水年2001年(發(fā)生頻率為90%)和典型平水年2005年(發(fā)生頻率為50%)進(jìn)行模擬計(jì)算。水量調(diào)控模擬計(jì)算以平均流速大于0.01m/s為約束條件、以提升水體自凈能力為目標(biāo),開展河段水量調(diào)控隨機(jī)模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果分別見表1和表2。
3 結(jié)語(yǔ)
(1)灞河上游李家河水庫(kù)位于流域降水集中區(qū)域,2015年水庫(kù)運(yùn)行后,流人下游城市段的汛期洪水總量減少30%,灞河下游多年月平均水量減少20%,水量較枯年份(2001年)下游水量減少比例最大為36%??菟谒枯^少,有可能加重下游河道水污染,因此有必要根據(jù)典型年水量變化,調(diào)整河道水量調(diào)控方案。
(2)針對(duì)來(lái)水過(guò)程的不確定性,建立基于多目標(biāo)調(diào)控的隨機(jī)相關(guān)機(jī)會(huì)約束模型,依次以河段平均流速大于斷面平均臨界流速、流量大于生態(tài)基流、滲漏水量損失最小化、蓄水量最大化、水面面積滿足景觀要求為目標(biāo),在保證率大于90%情況下,計(jì)算各橡膠壩調(diào)節(jié)高度、區(qū)間水量滲漏、蒸發(fā)量,可以提高水量水質(zhì)調(diào)控效果。
(3)在河流下游城市段長(zhǎng)系列水文監(jiān)測(cè)資料缺失情況下,可依據(jù)分布式水文模型模擬反演歷史時(shí)期氣候變化、水庫(kù)運(yùn)行、灌溉等人類活動(dòng)干擾情況下河道水量變化,并結(jié)合河段水質(zhì)調(diào)查與試驗(yàn)結(jié)果,制定下游河道水量調(diào)控方案,有效緩解河流水污染狀況。
(4)在河道閘壩調(diào)控方案制定過(guò)程中,由于缺乏水生態(tài)指標(biāo)和長(zhǎng)期水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),因此對(duì)水生態(tài)環(huán)境改善作用考慮有限。有必要結(jié)合流域地表、地下水量、水質(zhì)指標(biāo)、水生生物量數(shù)據(jù),進(jìn)一步改進(jìn)調(diào)控方案。
(5)半干旱區(qū)水資源緊缺情況下,城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展進(jìn)一步加劇了城市河流水污染。盡管采取了一些工程措施與非工程措施開展相關(guān)水生態(tài)修復(fù)與保護(hù)工作,使城市水生態(tài)環(huán)境得到一定程度的改善,但水資源承載力與不斷擴(kuò)大的水資源需求這一根本矛盾難以解決,因而水量水質(zhì)調(diào)控方案研究顯得尤為重要。
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