在水资源配置模型中引入环境流量需求的新方法

［荷兰］K.S.梅耶尔 等

1 概 述

环境流量描述了维持淡水和河口生态系统所需水流的量、质以及发生时间，而人们的民生福祉依赖于这些生态系统。因此，在稀缺水资源配置的规划中，环境流量需求应该视为一种用水需求，与其他用水需求如灌溉以及公共供水等同等看待。为了在水资源规划和管理中合理考虑环境流量需求，水管理所使用的模型应能够适应环境流量的具体特点。全球人口增长以及社会经济活动的增加，导致了用水需求不断增加。同时，人们对维持河流生态系统及其服务的重要性的认识也在不断增强。流域规划涵盖所有用水，对于可用水资源在这些用户之间的平衡配置非常重要。例如，欧盟水框架指令特别要求制定流域层面的水资源规划，同时强调社会经济用水的环境用水。同时，《欧盟干旱通讯》(2007 年)要求制定更具效率的水资源分配制度，旨在重建可持续的平衡。

环境流量的前提是认为河流和湿地生态系统的类型和状态主要由河流流量的自然变化决定。河道流量变化决定了流速、河床形态以及堤坝和洪泛平原淹没的时间和历时。这些条件触发生态系统响应，如鱼类的迁徙和产卵。河流治理，例如水库建设和运行、抽取使用河水(咸海的大规模抽水就是一个极端的示例)，会改变河流的自然水文情势。环境流量描述了维持某一特定标准的河流生态系统的流量变化，或者是各种流量事件的频率、发生时间、量级、历时和变化率。这一标准可以是接近自然的标准，也可以是(某种程度)降低了的标准，这取决于社会的优先选择。为了达到合理的平衡，使用一种单独的工具对各个水用户的需求进行评估非常重要，而这也恰恰正是水资源配置模型的目标所在。最新文献显示，人们对在流域规划以及水分配决策中融入环境流量需求表现出越来越多的兴趣。

在过去的几十年中，人们提出了许多环境流量评估方法并进行了多种评估。这些方法的差异在于评估时所选用数据的类型，例如仅仅选用水文数据(“水文法”)、断面水力学数据(“水力学评价法”)、水文情势或者地貌动力学有关的生境特征(“生境模拟法”)，或者选用利用生态系统服务的物种及其种群(“整体法”)。环境流量取决于所研究的河流，与其他水用户相比，环境需水可能具有截然不同的特征。有学者将环境流量描述为水文情势的不同组分，即极地流量、低流量、高流量脉冲、小洪水和大洪水。所有组分都可以用量级、历时、频率、发生时间和变化率来描述。脉冲和洪水可以看作淹没河流部分断面(包括堤坝、泛滥平原和湿地)所需的事件。这些脉冲和洪水发生在一年中的某一特定时间段，但是，一般而言，其历时小于这些事件应该发生所在的时间窗。这就意味着管理者在环境流量分配方面具有一定的弹性。环境流量的分配可以延迟到事件发生时间窗的最后一刻。在相对湿润的年份，如果事件在该时间段内已经自然发生，则无需为生态系统分配额外的水量。

为了将环境流量需求作为水资源规划中的一个用水部门，在水资源配置方法中，将这种大自然对水的需求与其他水需求同等对待是很重要的。水资源规划模型中使用的大部分水配置模型，常常是“零维”模型，这些模型通过由节点和联结组成的网络确定水的路径。这些联结表示河流网络，通常不考虑水动力学。这些节点表示各种类型的用水，例如公共供水、灌溉以及水基础设施如水库。水配置模型特别适合于在流域层面分析各种用水情景和水利工程运行策略的影响。在全球范围应用的通用模型包RIBASIM(流域模拟)，就是这样的一种水配置模型。20 多年来，RIBASIM 通用模型包已经应用于各种研究。已有学者对各种可用于流域规划的、尤其是在非洲优先应用的决策支持工具做了概述。

规定每个时间步长的低流量需求这一传统的环境流量建模方法，不能代表环境流量的所有可能组分。将环境流量高脉冲组分作为一种用水需求在水配置模型中适当地加以反映，所面临的挑战是规定流量事件、监测事件的自然发生以及事件未在规定时间段发生时水资源的配置。本文讨论了一种新的具有弹性的建模概念，同时以一种更为实际、更为直接的方式引入环境需水，防止其他用户不必要的水损失。本文提出了这一新的建模概念，分析了将RIBASIM 模型应用于伊朗马哈巴德流域的一个假想案例的模拟结果，其中模拟分带有这种新功能和不带这种新功能两种情况。

2 方 法

2.1 RIBASIM 模型中的事件驱动环境流量概念

为了以一种弹性的方式将作为环境流量组分的高流量脉冲以及不同量级的洪水引入模型中，且不会导致对稀缺水资源的过度需求，提出了一种新的“事件驱动”环境流量概念并在RIBASIM 中实现。这一概念蕴含的意义是，为避免不必要的环境水分配及其对其他用户带来的损失，当要求的流量事件在规定时间段自然发生时，不强行进行环境需水配置。

在这一功能中，使用了大量参数对环境流量需求进行定义。“事件水需求”明确了“事件窗”每一时间步长所需的流量(事件流量)。“事件窗”明确了年内某一事件应该发生的时间步长，例如在春季。对于发生频率小于一年的事件，其重现期比如2 a一遇，可以在“事件发生窗”中定义。对于年内事件(每年都发生)，“事件发生窗”定义为1 a。图1 图解说明了“事件窗”和“事件发生窗”概念。

图1 “事件发生窗”和“事件窗”概念说明

目前，“事件水需求”规定为“事件窗”中流量的总和。这种情形对于要求在某一特定时段达到特定淹没标准的湿地非常有效。对该概念的一个补充是环境需水，作为峰值流量，该用水需求应该在很多时间步长中的某一特定时间段内被超过。

RIBASIM 模型检查每一个事件过程中事件水需求是否已经自然发生。如果已经自然发生，则不需要进行特殊配置。模型重启，计算自该事件发生起所经历的时间(时间步长的数量)。例如，湿地淹没应该每4 年发生一次。因此，对于每一个第4 年，确定一个需求。然而，在湿润年份，如果在第3 年已经自然发生淹没，在第4 年依然推动相同事件，则浪费水资源。此时，该事件可推迟到第7 年。如果该事件没有自然发生，“事件发生窗”的最后一年就变成“环境流量需水年”，也就是说，该事件水需求明确作为一种用水需求计入，且具有一定水资源配置优先级。作为“环境流量需水年”的标准有两个临界值要区分:需水年水配置临界值、自然年水配置临界值。这两个临界值规定了为计入事件而必须满足的事件流量需求的比例。第一个临界值用于“环境流量需水年”，另外一个临界值用于非需水年或者自然年。

区分这两个临界值的原因在于，在环境流量事件没有得到满足的自然湿润年之后，下一年环境流量事件得到满足的几率很高，因为水库可能已经蓄满。另一方面，在需求年为了满足环境流量事件而进行水配置之后，水库变空，下一年事件得到满足的几率变得很小。连续两个需水年都为环境流事件配置水资源，对于流域内其余水用户可能是不公平的。因此，应该分析流域内来水的自然变化特征、流量需求大小、蓄水容量的可能性，以及其余用户的需求，并据此确定临界值。

在环境需水年中，事件流量变成事件窗中每一时间步长的需求。在某一时间步长中，如果需求不能得到满足，不足部分计入事件窗中下一个时间步长的事件流量需求。另一方面，如果在某一时间步长中存在多余的水量(实际流量大于需求)，检查该时间步长之前配置的水量是否超过整个时间窗的总需求。如果超过，则从下一个时间步长的实际需求中减去该多余水量。环境流量需水通常由各种流量组分需求构成，例如基流、年内小洪水和年际大洪水等。在RIBASIM 模型中，每一种需求都明确在一个单独的节点中，它们都具有自己的“事件流量”、“事件窗”以及“事件发生窗”。

2.2 马哈巴德(Mahabad)流域

为了测试这一新的事件驱动环境流量功能，基于马哈巴德流域特征，对一个假想案例进行了模拟，该流域是伊朗西北部乌尔米湖流域的一部分。

乌尔米(Urmia)湖为高盐湖，位于伊朗西北部。乌尔米湖是11 个流域的终点，总流域面积51 000 km2。湖面面积约为5 000 km2。尽管乌尔米湖为高盐湖，但是其周围存在大量的淡水或微咸淡水“卫星”湿地。其中的5 个湿地以及乌尔米湖本身，被划定为国际重要湿地。流域的上游引水已经影响到这些湿地。两个国际重要湿地，即卡尼布瑞阿森(Kani Berazan)湿地与高皮巴比阿力(Goppy Babi Ali)湿地便位于乌尔米湖附近的冲积平原三角洲内的马哈巴德流域。

马哈巴德流域从南侧汇入乌尔米湖。马哈巴德河的河水来源于扎格罗斯(Zagros)高地的降水，河水流入马哈巴德水库。马哈巴德镇的饮用水、工业用水和城市用水直接从马哈巴德水库抽取。位于马哈巴德水库下游的是一片灌区，该灌区从一个含水层抽取地下水并从马哈巴德河引水灌溉。灌区排水部分退入该含水层，部分退入马哈巴德河。湿地中的水来源于灌区排水以及马哈巴德河干流。对于高皮巴比阿力湿地，直接地表径流比马哈巴德河来水更加重要。卡尼布瑞阿森湿地上的水来自于多种水源，其中灌区排水看起来占相当的比例。

马哈巴德流域可分为以下3 个子流域。

(1)马哈巴德水库以上的流域(上游)，年均径流量为31 020 万m3。

(2)马哈巴德水库与马哈巴德灌区取水口之间的流域(中游)，年均径流量为1 670 万m3。

(3)马哈巴德灌区取水口与流入卡尼布瑞阿森以及高皮巴比阿力这两个湿地的支流之间的流域(下游)，年均径流量为1 010 万m3。

2.3 简化的马哈巴德RIBASIM 模型的模拟应用

马哈巴德流域RIBASIM 模型是作为乌尔米湖管理研究的一个组成部分而研发的。与乌尔米湖研究使用的模型相比，对流域情况进行了大量调整，使之适合于测试。环境需水是假想的，但是具有自然化流域背景下的实际流量需求特征。

对流域情况进行了概化。

(1)流域被概化成一个简单的网络，在这一网络中，来水、灌区和湿地组合为一个来水节点、一个灌溉节点和一个联结蓄水节点。

(2)水库总库容为18 200 万m3。如果下游用户有用水需求，且水库有水，那么马哈巴德水库按照需水量放水。因此，对极端缺水的情况，水配置并没有限制措施。

(3)生活及城市用水总量假定为2 340 万m3。这一用量包括了需求量最大的马哈巴德市(人口大约14 万)的需求，当然也包括了流域内其他人口和工业的需求量。

(4)灌区总面积采用15 820 hm2。年灌溉需水量19 330 万m3。灌溉用水部分来源于地下水含水层，但是最主要的来源还是马哈巴德水库以及中游子流域的径流。

(5)卡尼布瑞阿森以及高皮巴比阿力湿地概化为“联结蓄水节点”，它们本身并非需求节点，而是为流量联结提供平台，容许降低流速、蒸发与下渗以代表湿地。

(6)河流向湿地供水概化为一个支流节点。部分河水进入湿地。只有减少上游公共供水和/或灌溉抽水或者增加水库放水，才能改变湿地的总来水量。周围地面直接来水进入湿地，在现实中是存在的，但是没有考虑。

(7)卡尼布瑞阿森以及高皮巴比阿力湿地没有进行过环境流量评估。对于该试验案例，假定需要定期淹没湿地，以排除咸水维持低盐度水平(冲刷流量)。出于测试模拟的需要，通过分析无人类活动影响(无城市、水库或者灌区)条件下的水文情势，确定年际事件。

(8)为了描述维持低盐度水平所需的湿地冲刷，在低需水的湿地下游增加一个环境流量节点。

(9)模拟期长度为33 a，从1948 年10 月至1980 年9 月逐月模拟。RIBASIM 也可以日为基础进行模拟，以获得更为详细的结果。

(10)在模拟环境流量需水时，赋予这一需求较其他水用户更高的优先度。

2.4 事件驱动环境流量需水功能的测试方法

马哈巴德案例应用，旨在说明并评估流域模拟模型RIBASIM 中环境流量需水的各种建模选项。这一新功能的目标是减少不必要的配置并缓解流域内所有水用户用水短缺问题。为了评估这一新功能，进行了下列模拟。

(1)基准情况。不包括人类需水、环境需水和水库。模拟经过湿地的自然水文情势。模拟的目的是确定“冲刷流量”之间的自然时间段长度。对于冲刷流量，选择一个临界值代表基准情况下定期发生的事件。由于确定湿地下游流量需求的主要目的是触发冲刷流量，该流量量级可以很小。在3、4、5 月中，所选择事件的平均流量为0.5 m3/s。在基准条件下，事件之间的最大时间段为4 a。

(2)基础情况。包括了水库、公共供水需求以及灌溉需求，但是未进行环境需水配置。公共供水配置的优先程度高于灌溉。湿地水源为满足人类使用后剩余的河水。模拟显示，相对于考虑环境流量需水的情况，通过河道流量调节可获得公共供水和灌溉的最大配置以及当前缺水量。模拟还显示，与基准情况相比，流量事件之间的时间长度增加。

(3)年时间序列环境流量需求情况。年时间序列描述了在水配置模型中考虑环境流量的常规方法，即规定一年中一个时间段的需求，然后应用到所有年份。在这一模拟中，每个模拟年为一个环境需水年，其3、4、5 月份的流量需求为0.5 m3/s。环境流量的配置优先级规定为1，而公共供水和灌溉的优先级为2。

(4)长时间序列环境流量需求情况。通过延长多个年份的需求序列，替代每年的重复需求。在这种长需求序列中，环境流量需水年及相关流量需求按照固定时间间隔进行确定。模拟了两种情况，环境需水年分别采用每4 a 和每6 a 的固定时间间隔。在基础情况模拟中，从事件自然发生的第一年起确定固定时间间隔。在每一个环境流量需求年中，3～5 月的流量需求为0.5 m3/s。除了4 a 的时间间隔外，还选择了6 a 的时间间隔，研究接受一定程度的生态系统退化给公共供水和灌溉带来的益处。

(5)事件驱动环境需水情况。利用事件驱动环境流量需求概念模拟了4 a 和6 a 两种时间间隔情况，确定了环境流量需求年。该事件被定义为在3、4、5 月中，湿地下游平均流量为0.5 m3/s。RIBASIM模型检查指定的3 个月时段后的总量，这一总量应该等于或者大于389 万m3。如果所需流量自然发生，那么该需求推迟到事件发生窗的最后时刻，该时刻从最近一次发生自然事件起算。事件发生窗的长度分别设置为4 a 和6 a。事件窗被定义为3～5 月期间，为卡尼布瑞阿森以及高皮巴比阿力湿地的出流量，出现0.5 m3/s 的月事件流量，此事件窗中必须发生冲刷。需求年水配置临界值设置为需求量的75%，自然年的水配置临界值为需求量的100%。

2.5 水配置模型评价指标

用3 个指标比较水配置模型中考虑环境流量需求的不同方法:

(1)湿地。在模拟的33 a 期间，事件之间的间隔最长。对于事件已经发生的年份，统计其年数。

(2)农业。供水可靠性，用所有时间步长的供水量平均值占每一个时间步长需水量的百分比表示。

(3)公共供水。供水可靠性的确定，与农业供水相同。

3 讨论和结论

环境流量需求是指生态系统的水需求，在水配置研究及相关的模型应用中应该将其视为用水户。用水需求的增加以及人们对淡水生态系统服务重要性认识的增强，都要求在水配置模型中适当地考虑环境流量。当前，在水配置模型中考虑环境流量需求的方法是，确定1 个固定的月流量需求，每年都重复使用这个数值;或者在模型中不规定需求量，仅分析模拟之后导致的水文情势变化情况。第1种方法容易导致环境需水的过度需求以及其他水用户不必要的缺水，而第2 种方法没有提供满意的方法测试各种环境流量策略的影响。

本文提出了一种新的配置概念，这一概念允许界定“事件驱动环境流量需求”，这一需求与其他需求如灌溉和公共供水完全不同。这一概念已经作为一种新功能在水配置模型包RIBASIM 中得到应用，它有助于研究各种管理方案以及环境水配置的调节。

这一新概念产生了相当好且更加实际的结果。与其他以前应用的环境流量建模方案(年序列和长时间序列)相比，不会产生过度水需求，环境需水按计划配置，这样使其他水用户受到的影响和损失最小化。测试模拟结果表明，对于某一规定的事件，“事件驱动环境流量需求”概念产生的结果更好，无论是对环境流量还是对流域内的其他用水户的需求。将该方法应用于一假想案例，找到了恢复水文情势到基准情况的水管理策略，同时与未考虑环境流量情况相比，不会加剧其他用水户的缺水。

通过调整自然发生事件、区分自然年和“环境流量需求年”之间事件接受的不同临界值，事件驱动法为流域管理提供了一种具逻辑性并更加实际的模拟。这有助于找到新的、更可能成功平衡不同利益的管理策略。