赣抚平原灌区城市生态环境优化调度研究

靳伟荣，谢亨旺，付 湘，徐 丹

(1.江西省灌溉试验中心站，南昌 330201；2.武汉大学，武汉 430072)

0 引 言

为策应鄱阳湖生态经济区建设，响应江西省委省政府提出的“生态立省、绿色崛起”的发展理念，2012年，南昌市提出打造核心增长极，建设“鄱湖明珠、中国水都”战略构想，为此，江西省水利厅与南昌市政府签署了《共同推进南昌打造核心增长极暨建设“鄱湖明珠、中国水都”合作备忘录》，积极开展水生态文明城市建设，争取在全省率先实现水利现代化，成为引领全省水利发展的核心和样板为此，南昌市大力推进河湖水系连通、水生态修复与保护、河湖滨水区水景观的构建等工作，做好城市水文章，实施截污、清淤等整治措施。然而，南昌市内河湖众多，分布较散，河湖输水线路长，需水量较大。虽然城市周边河网较多，但是普遍水位较低，取水困难，并时常发生季节性干旱，给城市河湖生态环境供水带来较大困难。在南昌市生态环境保护和治理方面，以往只注重采用工程措施，如河湖水系连通工程、水生态修复工程，但在城市河湖生态环境需水、河湖水质、水量、水位演变规律以及流速、水力停留时间等方面缺乏研究[1]，严重影响了城市河湖生态环境用水的优化调度和供水调度的科学性，使城市河湖连通工程和水生态修复与保护工程未发挥应有的效应，城市水景观黯然失色。

因此，开展赣抚平原灌区城市生态环境供水资源优化调度研究，通过灌区水资源调度，在保证农业灌溉和生产生活用水的前提下，在不违背最严格水资源管理制度的情况下，使城市水体活化，使河网内水体定向、有序流动，加快更新速度[2]。充分利用灌区水资源，改善城市河湖水质，实现水生态、水景观和水环境的修复、改善和保护。以确保水资源的可持续利用，保障社会经济的可持续发展。这不仅是提高现有河湖水环境承载能力的重要手段之一，也是国际上流行的最佳实用环境方案在中国的实践，符合我国现阶段社会经济发展和改善环境双重目标的要求。

1 研究区域基本情况

1.1 研究区域水系情况

研究区域位于南昌市城区，水网密布，水系复杂，主要涉及赣抚平原五干渠、五干新一支、五干二支渠等供水渠道以及南昌市梅湖、象湖、青山湖、艾溪湖、抚河故道、玉带河等城市景观水域。水体流动方向自南向北，引清调度进水口为赣抚平原灌区五干渠，通过南昌市城市河湖置换后进入赣江。具体水系图见图1。

图1 研究区域水系图Fig.1 Water system map of the study area

1.2 城市河湖水质水量联合调度研究成果

为了制定合理的调度方案，了解调水流量大小、水量多少以及在调水过程中湖泊水质水动力条件的改善情况等，在制定调水方案之前，本文采用MIKE 21模型，针对城市河湖不同来水年不同水质水量状态，建立了城市二维水动力水质耦合模型，并用实测数据进行了参数率定，模拟不同供水情况下不同污染程度的水质水量联合调度过程[3]，模拟成果见表1。

2 生态调水流量优化

2.1 调度方案多目标评价指标体系

调度方案的比选需要一个科学合理的评价体系，为了能够定量比较不同模拟工况下，不同引水流量对城市河湖的影响，在模型出口设置水质监测点。当监测点的水质达标时继续进行调水会极大地增加运行成本，所以当监测点水质达标(Ⅳ类水)时，停止调水[4]。考虑河湖此时的水动力条件、水质改善情况、引水成本等，建立引水方案评价体系见表2。

表1 生态调水模拟成果表Tab.1 Ecological water transfer simulation results table

表2 湖泊引水方案评价体系Tab.2 Lake water diversion scheme evaluation system

2.2 生态流量优选过程

生态调水流量的优选过程包括对需要评价的方案的指标进行归一化处理[5]、确定求解方法、计算方案综合评价得分。为充分说明生态调水流量的优选过程，在求解过程中以青山湖的中水位、初始状态为轻度污染(TP=0.2 mg/L，TN=2.0 mg/L)作为对象，进行计算与分析。

2.2.1 指标归一化处理

首先，为便于综合比较不同方案中各个指标的优劣，将各指标将原始数据阵归一化处理，归一化处理的原理如下。

设m个评价指标n个评价对象的原始数据矩阵A=(aij)m×n，对其归一化后得到R=(xij)m×n，对值越大越优的指标(如平均流速)而言，归一化公式为：

(1)

式中：xij为第j个方案的第i个指标的数据归一化后的值；aij为为第j个方案的第i个指标的数据。

而对于值越小越优的指标(如总调水量、污染物浓度、调水时间等)而言，归一化公式为：

(2)

青山湖生态环境供水各方案的各项指标见表3，归一化后的指标值见表4。

表3 各方案的五项指标值Tab.3 Five indicator values for each programme

2.2.2 确定求解方法

通过建立的多目标评价体系可知，各河湖水质水量优化调度方案选取是一个多目标问题。一般求解多目标问题是通过一定的方法，将多目标问题转化为单目标问题，常用的方法有约束法和权重法[6]。约束法求解多目标问题的思想是在多个目标中，选择其中的一个目标作为基本目标，而将其余的目标转化为不等式约束，通过求解约束问题生成非劣解。权重法的思想是通过赋予各个子目标一定的权重，将其按照线性组合的方式将多目标转化为单个目标然后进行优化求解[7]。由于约束法适合于求解两个目标的优化决策[8]，当优化目标多于3个时，用约束法较为繁杂，由于本研究有四个目标，且各指标之间的重要性相对较明确，因而选取权重法求解优化模型，权重选定如下。

表4 各方案的五项指标值归一化结果Tab.4 Normalized results of five indicator values for each program

制约城市生态环境供水的主要因素是水量。在最严格的水资源制度实施的大背景下，在水已经不可或缺的今天，无论是从社会效益考虑，还是从经济效益上来考虑，关注城市生态环境的用水量，在达到相同的环境目标的条件下，用更少的水，是我们不断追求的目标。因此，生态环境调水水量是整个方案评价指标体系的前提，所以这一指标赋予最大的权重w1=0.5。

经统计分析，近年来南昌市内各河湖的水环境都处于较差的状态，严重影响了城市的形象与人们的生活。生态环境用水最迫切，也是最直观的目标就是改善城市河湖的水质，使原本达标的水体的各项污染物浓度，恢复到湖泊管理的目标范围以内。湖泊中总磷浓度和总氮浓度的减少，是生态调水的目标的体现，赋予其较大的指标权重0.3，即总磷和总氮分别为w2=w3=0.15。

治理城市河湖污染，改善被污染的水体是一个长期的过程，所以生态调水一定时间范围内的变动并不会带来太大的影响。而湖泊的水动力条件，在一定程度上能增加复氧，提升水环境容量，但具体的指标难以量化。综合考虑，赋予出口水体浓度达标时间与达标时的湖区平均流速同等的、较小的权重w4=w5=0.1。得出各指标的权重详见表5。

2.2.3 计算综合评价得分

将权重值分别与各方案对应的指标求积，然后再求和，得到各方案的综合评价值并将其化为百分制，第j个方案的综合评分yj的计算方法为：

(3)

表5 方案评价体系中各指标权重Tab.5 Weights of indicators in the program evaluation system

式中：yj为第j个方案的综合评价得分；wi为第i个指标的权重xij为第j个方案的第i个指标的数据归一化后的值。

综合评价得分计算结果见表6，比较各方案的计算结果，方案三的综合评价得分最高，所以青山湖的中水位、初始状态为轻度污染这一工况最适宜的生态调水流量为3 m3/s。

表6 各方案综合评价得分Tab.6 Comprehensive evaluation scores of each program

2.3 各河湖生态调水流量优选结果

采用建立的方案评价指标体系，分别对青山湖、象湖、艾溪湖多个的调水方案进行评价，优选出了各湖泊不同水量水质状态下情况下的生态调水流量，见表7。

表7 各河湖生态调水流量优选结果表Tab.7 Optimal results of ecological water transfer flow of each river and lake

通过观察表7发现，在同一河湖水体、同一水位，污染程度越大，其生态调水流量越大，部分生态调水流量相等是由于本文选择的流量密度不足所致；同一湖泊，相同污染程度，生态调水量与水位变化无明显规律，产生这一现象的原因是主要与表1模拟结果有关，通过观察表1，在同一湖泊、相同流量和污染程度下，艾溪湖和梅湖，随着水位的降低，调水流量和达标时间降低，而青山湖和象湖，随着水位的降低，调水流量和达标时间增大，产生两种不同结果主要是由于湖泊形状和湖泊基础深度对模拟过程中的水力条件产生影响；在同一湖泊，不同污染程度，随着水位的降低，水质达标时，TP和TN的平均浓度也无明显规律。进而导致生态调水流量与水位无明显规律。

3 灌区城市生态环境供水量分析

根据建立的方案评价指标体系，对不同的生态调水方案进行评价以后，优选出了青山湖、象湖、艾溪湖、梅湖在不同水质水量状态下的生态调水流量，可为实际调水操作进行指导。但是在全年范围内，生态调水是一个需要长期反复进行的工作，可进行生态调水的次数也是有限的，调水必须考虑全年用水总量的限制[9]。

为得出南昌市全年生态调水需水量，本次研究以青山湖、象湖与艾溪湖3个湖泊的生态调水水量为依据，采用三湖的蓄水量占南昌市八湖二河河湖蓄水总量的比例进行类推。假设三个湖泊的水质状态相同(轻度污染、重度污染)，针对高水位、中水位、低水位3种情况，将3个湖泊的平均调水量作为计算的依据。通过《南昌市城区各河湖沟渠基本情况表》进行统计分析后，得出三湖蓄水量占城区的73.44%，反推求得南昌市全部河湖进行一次生态调水所需水量，根据《赣抚平原灌区现代化规划》，赣抚平原灌区在50%、75%、90%频率来水年分别对应的城市生态环境可供水量为32 700、27 400、22 900 万m3[10]。全年生态调水次数计算结果见表8。

表8 生态调水水量优选表Tab.8 Optimal ecological water meter

4 结 论

本文根据不同供水情况下不同污染程度的水质水量联合调度成果以及南昌市中心城区现有水利工程现状、河湖渠道水系情况，建立了包括水力条件、水质改善、调水成本的多目标评价指标体系，采用权重法的形式进行求解，在城市河湖处于不同水位和水质状态时的多个不同生态调水流量方案进行比选，优选出了青山湖、象湖、艾溪湖、梅湖在不同水位和水质状态下的生态调水流量。

在赣抚平原灌区水资源调度中，由不同水位状态的南昌市河湖全年生态调水水量(表8)可知：在50%频率来水年时，分配给城市生态环境的水量可进行生态调水13.4～15.4次；在75%频率来水年时，分配给城市生态环境的水量可进行生态调水10.6～12.7次；在75%频率来水年时，分配给城市生态环境的水量可进行生态调水7.7～9.4次。不同来水年的平均次数为11.5次，基本能够实现到每月南昌市进行一次全面的生态调水。

□