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.pdf

收稿日期:20221021基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(52109062);宿迁市黄河故道后续工程专项基金项目(Hj520079)作者简介:王文琪(1994)，女，江苏溧阳人，工程师，博士，主要从事水文水资源研究工作通信作者:王思如(1993)，女，黑龙江双鸭山人，工程师，博士，主要从事水文水资源研究工作E-mail:srwang nhricn【水资源】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1，王思如1，罗嘉西2，陆毅3，胡继成3，赵士文2，孙金华1(1南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029;2南京水科院瑞迪科技集团有限公司，江苏 南京 210029;3宿迁市水利局，江苏 宿迁 223800)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(042 亿052 亿 m3)，成本适中、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:TV2134;TV8821文献标志码:Adoi:103969/jissn10001379202307013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):6872，78Optimal egulation of Coupling Water Quantity and Water Quality in Old Yellow iver Channel inSuqian City with Multi Water SupplyWANG Wenqi1，WANG Siru1，LUO Jiaxi2，LU Yi3，HU Jicheng3，ZHAO Shiwen2，SUN Jinhua1(1State Key Laboratory of Hydrology-Water esources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic esearch Institute，Nanjing 210029，China;2NHI D Tech Group Co，Ltd，Nanjing 210029，China;3Suqian Water Conservancy Bureau，Suqian 223800，China)Abstract:In order to realize the coupled regulation of water quantity and water quality in the old Yellow iver channel，it requires compre-hensive consideration of multiple factors such as water supply channels，water quality improvement objectives，economic costs and technicaldifficulties According to the 11 steps water storage projects in the old Yellow iver channel and the supply relationship between Luoma Lake，Zhongyun iver，Hongze Lake and the old Yellow iver channel，this study made full use of and optimized the distribution of water sourcesin the surrounding water system The optimal operation scheme of the old Yellow iver channel under the background of multi-source watersupply was proposed through the establishment of a water quantity-quality coupling model and the numerical simulation and scenario compari-son between various water resources allocation schemes The results show that the scheme with“high water for high use，low water for lowuse”，and a small amount of ecological water replenishment(4252 million m3)every month is moderate in cost，low in technical difficultyand has a good effect on water quality improvement Under the current situation year 2018 and planning level year 2025，the comprehensiveimprovement rates of water quality are 22%and 9%respectively The overall compliance rates of water quality can reach to 82%and 93%re-spectively The costs of water transfer in this scheme are 16%and 24%lower than that of a single water source(“high water”)Key words:water quantity-quality coupling model;multi-water supply;multi-objective control;old Yellow iver channel0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13。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46。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710，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86第 45 卷第 7 期人民黄河Vol45，No72023 年 7 月YELLOWIVEJul，2023量1113。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1516 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 1143 km，流域面积为2969 km2。研究区多年平均降水量为 8935 mm，汛期(59 月)降水量占全年降水量的 659%。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46 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 AF 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。图1黄河故道沿线梯级控制建筑物位置和河段划分骆马湖、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21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。22水量水质耦合模型结合黄河故道水动力、水环境特性及梯级闸控条件，选择 MIKE11 软件对黄河故道进行水量水质耦合模拟分析。水量水质耦合模型由流域水文模块、水动力模块和水质模块组成，可用于模拟河网水流运动及污染物输移时空变化。其中，河道一维非恒定流水动力学模拟为圣维南方程:At+Qx=q(1)Qt+x(Q2A)+gA(yx)+gASfuq=0(2)式中:A 为河道断面过流面积，Q 为流量，u 为侧向来流沿河道方向的流速，t 为时间，x 为沿水流方向的水平坐标，q 为河道侧向来流量，为动量修正系数，g 为重力加速度，y 为水位，Sf为摩阻坡降。河道交汇处流量采用水量平衡方程计算:Qn+1m+L(m)j=1Qn+1m，j=V(m=1，2，M)(3)式中:Qn+1m为 n+1 时段通过节点 m 的流量，Qn+1m，j为 n+1时段通过河段 j 节点 m 的流量，L(m)为连接到节点 m的河段数，M 为节点总数，V 为河道交汇点蓄水量的变化量。23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 88175 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