河流健康评价预警耦合模型在东苕溪流域的应用

柯斌樑，曾国熙，陈革强

（浙江省水文局，浙江杭州310009）

河流健康评价预警耦合模型在东苕溪流域的应用

柯斌樑，曾国熙，陈革强

（浙江省水文局，浙江杭州310009）

以河流健康评价理论为基础，针对东苕溪流域实际特点，提出建立东苕溪流域水动力学模型、水质模型，计算河流纳污能力；建立河流健康评价模型，在两者基础上构建河流健康预警耦合模型。通过模型计算得到定量化的评价指数，为后续的河流健康建设与管理提供数据支撑和决策依据。

河流健康；评价预警；耦合模型；东苕溪

1 前言

随着经济社会的快速发展，中国生态与环境形势日益严峻，改善生态环境，修复污染水体，恢复优美自然景观，协调水资源开发利用与生态保护之间关系，成为摆在各级政府部门面前的一项重要任务，也是浙江省“五水共治”治污水的重点内容之一。河流健康是社会经济可持续发展的标志，河流管理水平对城市生态功能的改善以及城市生活舒适度有重大影响。

东苕溪是杭州市境内的重要供水河道，其水质的好坏影响到杭州、湖州及杭嘉湖平原约500万人的生产生活用水，同时也在防洪、灌溉、航运等多方面直接影响着杭州市的可持续发展。因此，进行东苕溪河流健康评估及生态整治方面的研究，对杭州市经济社会的和谐发展有着十分重要的意义。

2 流域概况

2.1 自然地理

东苕溪发源于临安县东天目山北麓，东流经临安、余杭、德清，至湖州市西郊与西苕溪汇合后注入太湖，干流长151km，流域面积2 354.9 km2，平均坡降7.5‰。流域介于东经119°30′～120°10′、北纬30°08′～30°52′，地势自西南向东北倾斜，西南部为天目山区，山高坡陡，东北部为低山丘陵区。东苕溪以东为杭嘉湖平原，地势低平，河流纵横交错。

2.2 河流健康存在的主要问题

（1）东苕溪上游属于山区，源短流急，洪水暴涨暴落；下游太湖湖水倒灌，排水不畅。同时，人们对河流进行了各种方式的改造和利用，兴建各类水利工程，较大地改变了河流的自然属性，使河流生态系统发生变化，河流服务功能下降，威胁到人类供水、防洪等公共安全。

（2）城市化进程的加快使得东苕溪河道堤防部分被固化，破坏了河流生态系统的完整性，水生生物资源锐减，直接威胁到河流的永续利用，使河流净化、调蓄等功能减弱。

（3）东苕溪下游属于平原河网地带，本身水体流动性低，自净能力弱，再加上经济发达，水污染问题突出、湖水倒灌、运河水倒灌、东苕溪上游干流的工农业生活和养殖污染也加剧了下游水的污染状况。

3 体系构成

3.1 流域纳污能力计算

3.1.1 软件模块组成

MIKE11是动态模拟一维河流水力的一款应用软件，具有很强的模拟能力，为河流水动力和环境模拟提供功能强大和较全面的方法。经过国内外很多次成功的应用验证，运用MIKEl1可以设计、管理和运行河流系统。MIKEl1模块主要包括水动力模块、结构物操作模块、降雨径流模块、非黏性泥沙输运模块、污染负荷计算模块、对流扩散模块等[1，2]。MIKE21近年也有较多应用，但其属大范围平面二维数学模型，不适用于近区三维或急流等问题，对基础数据的要求也复杂得多[3]。本次采用MIKE11的HD水动力模块和AD对流扩散模块。

（1）HD模块（Hydrodynamic module）。其主要功能有：求解明渠流完全非线性圣维南方程；包括扩散波和动力波简化方程；包含一个准稳态程序用于长期模拟的快速计算；包含马斯京根法和改进马斯京根法，用于简化的河道演算自动匹配次临界流和超临界流计算；模拟多种水工建筑物，包括堰、箱涵、桥梁和自定义建筑物；运行洪水控制和闸、泵等水库构筑物。

（2）AD模块（Advection Dispersion module）。AD模块是依据溶解物或悬浮物的对流扩散方程建立起来的。其主要功能有：求解溶解物或悬浮物的一维对流扩散方程；精确计算较大浓度梯度；模拟黏性泥沙的侵蚀和沉积。

3.1.2 水质模拟分析

通过河网概化、断面选择、初始条件及边界条件设定、河网糙率参数率定等步骤建立河流水动力学模型。基于本文研究河段水流较长、断面复杂的特点，充分考虑河道沿程变化，在已有资料的基础上尽量取较多的河段，以准确地反映河道沿程变化和过水能力。选定水质模型的主要水质指标为BOD5、COD、DO、TP、TN5项，其生化反应按一级反应动力学方程描述。应用河道观测资料对模型进行率定和验证，使模拟结果能较好地反映河段的自然特性。

拟定几种典型的工程状况，应用建立的水动力学模型、水质模型，对东苕溪主要水质指标进行模拟分析，计算纳污能力。

3.2 河流健康评价

3.2.1 评价理论基础

河流与健康相结合是可持续发展和社会价值进步的必然结果，维持河流健康已成为河流管理的一个热点问题。河流健康概念寻求利用生物或生态评价方法来完善传统的物理-化学评价方法。河流具有完整的生态功能，这些功能和用途与水力学、水文学、水质、生态学等方面都有关，因此需要采用一定的指标和方法来监测河流的各个方面，即从多角度来评估河流的健康状况，从而提供对整治、管理有用的信息。河流管理的目标就是改善受损河流的健康状况，保护健康河流，从而满足人们持续的环境、社会和经济需要。建立指标体系进行河流健康状况评价，有助于提高河流管理质量，不仅可以揭示河流生态系统的现状，还提供了将不同河流进行比较的基准，同时还可以评估受损河流生态恢复的成效，从而提高管理决策能力[4-6]。

3.2.2 评价模型

在河流健康概念的基础上，结合东苕溪河流的功能和属性，分别对指标体系、指标权重、评价方法进行分析与研究[7，8]，并建立河流健康评价模型。运用评价模型对东苕溪流域河流进行健康评价，确定河流管理的目标和可能的瓶颈问题，为后续开展的河流健康实时预警提供基础数据和决策依据。

（1）指标体系构建。评价指标是综合评价的基础，指标确定的是否合理对于后续的评价工作有决定性的影响。本次评价指标体系分为3层，分别为目标层、准则层和指标层。在指标选取上，遵循系统性、典型性、可度量性和独立性的原则。在指标筛选上，选用主成分分析方法。东苕溪河流健康评价指标确定为自然功能和社会功能两个方面，含生态基流量、基础水位、水体质量、输沙量、生态环境影响因子、水源地水质达标率、河体演变、城镇供水保证率8个指标。

（2）指标权重赋值。指标的权重分主观权重和客观权重，主观权重是决策分析者对指标的重视程度，客观权重是指标本身所包含信息的大小。各种赋权方法都有不同的特点和适用范围，在对指标重要性缺乏深入了解的情况下，应优先选用客观权重法。本次选取的权重赋值方法为熵值法。

（3）评价方法选择。由于评价方法各有优点，笔者对灰色关联度法、模糊物元评价法、投影法等进行比较分析选取合适的评价方法。

（4）模型建立及应用。评价模型的建立坚持系统性与层次性相结合的原则。流域河流的健康是一个复杂系统，它由不同层次、不同要素组成，根据各层次、各要素之间的特点及相互关系，可以把流域复合系统划分为若干个相互联系又相互独立的子系统。这些具体体现在不同河段计算分区、不同评价准则指标的设定上。同时，评价模型的建立坚持动态性与静态性相结合的原则。作为一个系统，河流健康是不断变化的，这要求对不同工况、不同时期河流健康状况也要进行评价。

3.3 河流健康实时预警系统建设

3.3.1 系统总体设计

河流健康的预警包含3层含义：①整体健康预警。在河流健康评价基础上，确定河流健康等级，以此建立河流开发利用阀值和河流生态系统退化阀值，前者约束人类开发利用河流的行为，后者为人们保护河流生态提供预警。②水功能区的“面”预警。在水质评价的基础上，对超出目标水质的水功能区进行报警。③突发水污染事件的“点”预警。当发生污染事件时，某处点源或面源污染浓度加大，如超出纳污能力进行报警。

东苕溪河流健康实时预警系统主要分为两大部分，一是数据采集系统，二是数据应用平台。

（1）利用现有可能影响河流健康的水利、供水、环保等各部门所有的监测站网并加以优化，在最大程度上实现流量、水位、水质等监测资料共享，实现真正意义上的水资源质量同步监测，建立水量、水质信息采集系统。

（2）数据应用平台展现的是从数据平台接收到数据以后进行解码入库，同时应用系统提供各种系统服务，一般有Web服务、GIS服务、预警服务等。

3.3.2 系统功能模块设计与实现

东苕溪河流健康实时预警系统主要包括预警展示平台和短信平台2个子系统，从功能上设计为6大主要模块，分别为首页信息展示模块、查询分析模块、地图监视预警模块、移动短信发送模块、水量水质参数过程表达模块和系统后台管理维护模块。系统功能框架，如图1所示。

该系统在保证水雨情数据的实时性和有效性的前提下，能够提供可视化的GIS图形操作界面，实现水量、水质信息的分级显示与标注，能查询各个不同时段不同站点的水量、水质信息，实现水量、水质信息的图形化表达等功能，并采用三维虚拟仿真技术，结合水质模拟和河流健康评价，最终为相关部门提供决策依据。

图1 系统功能框架

3.4 耦合技术路线

本研究以河流健康理论为指导，主要内容包括东苕溪流域纳污能力研究、东苕溪河流健康评价体系研究、东苕溪河流健康实时预警系统建设。在对水量、水质、河道地形、污染源分布和排放等信息全面调查、监测的基础上，建立东苕溪流域水动力学模型、水质模型，计算得到符合实际的、科学合理的东苕溪流域纳污能力；建立包括指标体系、指标权重、评价方法的河流健康评价体系，评价得到定量化的东苕溪健康评价指数；河流健康实时预警系统通过采集信息数据，结合纳污能力计算和健康评价计算，运用三维虚拟仿真技术，提供实时预警，为流域水资源管理提供先进的管理方法和管理工具。耦合模型各部分研究任务及相互关系，如图2所示。

图2 耦合模型各部分研究任务及相互关系

4 结语

河流健康反映的是在河流生命存在期人类对其功能发挥的认可程度，因此健康河流是指在相应时期内自然功能与社会功能均衡发挥的河流。当前河流生态系统不断受到人类活动的干扰和损害，在河流治理、开发利用和保护的同时，开展河流健康评价、预警和河流生态系统修复研究，变河流治理为河流修复是非常必要的。笔者对东苕溪的河流健康评价预警体系建设进行了初步探索，对恢复和维持东苕溪流域健康的河流生态系统做了某些尝试，将有助于提高河流管理能力以及有效性，对区域生态环境建设和河流的可持续管理发挥有助推作用。

[1]陈栋.三峡水库非汛期水动力及水质模拟研究[D].济南：山东大学，2008.

[2]劳国民.纳污能力计算一维模型中各参数的敏感性分析[J].浙江水利科技，2003，（2）：18-19.

[3]袁雄燕，徐德龙.丹麦MIKE21模型在桥渡壅水计算中的应用研究[J].人民长江，2006，（4）：31-32，52.

[4]王健，王生云.浙江省河流健康现状与成因研究[J].经济研究导刊，2012，（1）：137-139.

[5]高永胜，王浩，王芳.河流健康生命评价指标体系的构建[J].水科学进展，2007，（2）：252-257.

[6]单媛媛，李瑞，张骏芳，等.平原河网地区河流健康评价指标体系构建[J].水科学与工程技术，2010，（4）：17-19.

[7]曾国熙，裴源生，梁川.流域水资源合理配置评价理论及评价指标体系研究[J].海河水利，2006，（4）：35-39，46.

[8]孙雪岚，胡春宏.河流健康评价指标体系初探[J].泥沙研究，2008，（4）：21-27.

Study on the Coupled Model of River Health Evaluation and Early Warning in Dongtiaoxi Basin

KE Bin-liang，ZENG Guo-xi，CHEN Ge-qiang
（Hydrology bureau of Zhejiang Province，Hangzhou 310009，China）

The river health evaluation theory as the theoretical basis，according to the actual characteristics of the Dongtiaoxi River，proposed the establishment of the Dongtiaoxi river hydrodynamic model and water quality model，for calculating the river water environmental capacity；establishment of river health evaluation model，then we build the river health warning coupled model based on the two aspects.Quantitative evaluation index is calculated by the model，provides the data support and decision-making basis for the construction and management of the river health.

river health；evaluation and early warning；coupled model；Dongtiaoxi Basin

TV213.4；X824

A

1004-7328（2014）04-0050-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.04.018

2014-05-09

柯斌樑（1966-），男，高级工程师，主要从事水文水资源研究与管理工作。