二层结构的流域生态调度研究Ⅱ：松花江流域生态调度实践与应用

游进军，薛志春，林鹏飞，3，魏 娜，牛存稳

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.北京市水科学技术研究院 北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，北京 100038；3.河海大学，江苏 南京 210098；4.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西 西安 710048）

1 研究背景

随着国家对水生态的日渐重视，生态调度成为缓解区域生态恶化和实现生态修复的必要手段，如永定河生态补水、白洋淀生态补水［1-2］、引江济太［3］、小浪底水沙调度、长江鱼类产卵繁殖［4］等均通过工程生态调度实现生态保护目标，黑河［5］、塔里木河［6］、渭河［7］等通过流域层面水资源统筹与调度管理提高了总体生态效益。综合节水、配置、调度等不同措施来提高生态保障的要求越来越迫切。生态调度方法［8］、模型［9］以及多因子关系分析［10］成为水利工程建设与管理的目标之一［11-12］。

流域水生态系统是一个整体，与水资源的供用耗排存在密切关系，必须点面结合、上下联动、多目标协调实现生态和经济均衡。基于现有实践工作和研究成果，有机结合水资源供需调节与工程调度形成流域整体生态调度体系十分必要。

松花江流域水利工程众多，对保障城市供水和粮食安全起到了不可替代的作用。但长期以来水利工程运行以“兴利除害”为导向，对维持生态、改善环境等方面的作用考虑不足［13］。由于在生态调度方面缺乏成熟的运行协调机制，存在联合调度能力不足、管理方式与手段落后等问题［14］。综合分析，生态调度进度缓慢、效果不佳的主要原因在于缺乏顶层设计，难以实现流域与工程协调、经济与生态兼顾的调度模式。针对松花江流域生态调度面临的问题和需求，本文基于二层结构流域生态调度模型理论与方法［15］，构建二层结构生态调度模型，分析流域生态调度方案的构建模式和效果，探索符合松花江实际情况的生态调度与管理决策，为实际工作和相关流域生态调度研究提供参考。

2 流域概况与现有生态问题

松花江流域位于东北地区北部，流域面积55.68 万km2，按照全国水资源综合规划评价结果，松花江流域地表径流量818 亿m3。流域内大中型水库180 多座，总库容约488 亿m3，其中大型水库38座，大型引水工程10 处、大型提水工程3 处。其中大型水库占蓄水工程总库容的80%以上，对改变河道径流过程具有决定性作用。

松花江流域是我国重要的粮食基地，也是推进老工业基地振兴的重要地区。同时，松花江流域湖沼发育，大小湖泊共有600 多个，包括扎龙湿地、向海、莫莫格等国家级自然保护区，生态安全至关重要；流域内有19 个国家级水产种质资源保护区，需要考虑保护区内重要保护物种的生存、繁殖、过冬、洄游等的水力条件需求。随着流域水资源开发强度逐步提高，经济与生态的竞争加剧，生态退化明显，河流断流、湖泊湿地萎缩、草地沙化，水生态环境问题突出，扎龙湿地、莫莫格、向海和查干湖等重要湿地均受河道水量衰减和断流影响，导致了湖泊湿地的萎缩衰退，对水生态环境及生物多样性产生了重要影响，水生生物多样性显著降低。从区域发展定位看，松花江流域未来用水需求还会持续增加，水利工程建设必不可少，在提高水资源调控能力的同时，对自然水循环的扰动也将增强。因此，确保生态保护和经济社会发展多重目标，协调经济用水与生态用水矛盾是流域管理的焦点问题，基于流域实施生态调度是必然选择。

3 模型构建与结果分析

3.1 模型构建按照文献［15］的方法建立上层流域模拟调控模型。考虑天然河流水系、水利工程、水量配置和生态断面设置、各用水户供排水线路等，概化出松花江流域水质水量联合调控网络节点图，其中的松花江干流段如图1所示。全流域共划分水资源四级区套地市的基本计算单元99 个，38个已建大型水库、10 个大型引水工程、3 个大型提水工程，以及规划大型水库和跨流域调水工程，包含200 多条天然河道、420 条供水线路、180 条退水线路、5 个调水工程线路的水量传输关系，建立包括供用水、生态、发电等不同目标在内的流域模拟调控模型。

图1 松花江流域（松干段）水量调控模拟系统概化图

根据松花江流域水文气候特征以及水生生物特性，按汛期、非汛期、鱼类产卵期划分不同时段，设定不同的生态调度目标，选择代表性控制断面57 个。根据概化的网络节点图构建松花江流域生态断面与主要水利工程的水量对应关系，其中松花江干流二级区关系如图2所示。

图2 松花江干流生态断面与骨干水利工程对应关系图（松花江干流部分）

采用水资源系统配置模型ROWAS［16］进行全流域水量模拟调控。考虑不同因素对整个水量过程的扰动，如用水需求增加、水利工程建设、非常规水源利用等，将各类影响因素相互组合形成不同侧重的水量配置方案。根据二层结构生态调度模型和方案设置技术，先构建现状为基础的基本方案（B），再分析发展优先（PD）和生态优先（ED）的两个方案，进而分析发展均衡（PE）和生态均衡（EE）方案，根据不同区域的情况调整后提出综合发展（C）方案，分析不同用水模式下的水量供、用、耗、排关系，对全流域的水量传递与转换关系进行总体调配，确定主要工程的实际入流。6 个流域生态调度典型方案的主要设置如表1所示。6 个方案的设置方式如下：基本方案（B）为现状工程体系和供用水模式；发展优先（PD）为优先经济社会发展、需水大幅增加、尽可能建设供水工程下的方案；生态优先（ED）为尽可能控制社会经济增长与灌溉面积增加，并采用全面强化节水（用水效率提升）来减少社会经济用水和耗水总量的方案，从而使河道内径流总量过程增加；发展均衡（PE）和生态均衡（EE）是在发展优先（PD）和生态优先（ED）方案基础上分别增加对生态保护和经济发展的考虑；最后综合发展均衡（PE）和生态均衡（EE）并根据方案结果针对性的调整局部区域措施形成综合协调（C）方案。

表1 松花江流域生态调度上层水量调控方案设置

上述方案信息是针对全流域总体状况的描述，实际需要按照总体要求对各个计算单元分别设置。方案中一般节水模式参照水资源综合规划的基本方案用水效率，按照正常发展实现节水控制，75%来水频率下的亩均灌溉用水由现状的540 m3/亩降低到500 m3/亩，万元工业增加值用水量由181 m3降低到60 m3。强化节水为水资源综合规划的推荐方案基础上，进一步提高节水强度，亩均综合灌溉用水量降低至450 m3/亩，万元增加值用水量在一般节水方案基础上降低40%，达到36 m3。局部强化节水是针对生态流量不达标的断面上游区域采用强化节水方案，其他区域沿用一般节水方案。大型水利工程建设是指系统网络图中的规划大型水库建设方案，生态优先方案中采用现状工程模式，经济优先方案建设全部规划工程，均衡方案和综合方案中根据供需平衡和生态流量满足状况提出必要的规划工程建设。本地中小型地表水利工程开发利用强度指大型地表工程（系统图中单列）外的地表水工程控制本地径流的能力，针对每个单元采用概化的利用系数表达，计算中为本地径流可被纳入本单元概化工程控制调蓄利用的比例，该系数提升表明对本地地表径流利用的加强。工程调度中的最小下泄流量是指水库是否控制泄流满足其下游断面的最小生态流量，生态优先方案中优先下泄满足该需求，方案中设置为“不考虑”则不下泄该水量，“考虑”是指在满足优先级更高的经济用水后根据调度线下泄该水量。57 个代表性控制断面的生态流量选用松花江流域水资源保护规划的生态基流值，规划中没有的断面采用Tennant 法计算最小生态流量。发电设置为针对具有发电功能的水库，是否按照其发电调度规则调度，“电调优先”即为优先考虑发电调度要求，之后再按照调度线规则控制供水，“水调优先”即为按照供水调度后考虑发电规则调度。

3.2 上层模拟：流域水量综合调控以水资源综合规划评价的1956—2000年月系列地表水资源量作为上层模拟的入流输入，以评价的地下水可开采量作为计算单元地下水利用控制条件输入。采用上层调控模型开展全流域层面水量配置，按照月过程模拟计算，得出不同方案下松花江流域的供需平衡状况，结果如表2所示。其中，城镇生态主要为城市环境用水，农村生态主要为农村的生态防护林建设、水土保持用水以及部分重点湿地补水。

表2 流域河道外水量供需平衡分析表（单位：亿m3）

从结果可以看出，现状基本方案流域缺水量约16 亿m3，缺水率接近4%。经济发展优先的方案PD 充分考虑未来发展需求并实施规划工程建设，允许地下水保持现状水平开采，未来的缺水接近12亿m3。在此基础上考虑生态保护要求得出发展均衡方案PE，适当降低经济增速，加强节水并控制地下水开采，同时考虑规划水利工程及引调水工程建设，未来缺水降低至6.09 亿m3。严格控制经济发展且不考虑水利工程及引调水工程建设的生态优先方案ED 缺水为5.58 亿m3，在此基础上对部分区域适当考虑经济发展需求，增加水源开发后的生态均衡方案EE 缺水降低至3 亿m3。进一步融合PE 和EE 两个均衡方案，针对生态达标状况较差的区域选用EE 方案需水，生态达标较好的区域选择PE 方案需水，对河道外需水增量较大的区域强化水源工程开发措施，形成C 方案，全流域缺水量为8 亿m3。缺水主要存在于嫩江流域的农业灌溉用水，说明随着未来灌溉面积的进一步发展，嫩江流域供水压力较为明显，需要强化相应的调控措施。

6 个方案的供水结构如表3所示，选择对下游生态断面具有较大影响的10 座大型水库，其最小生态流量目标和不同方案设置下水库下泄水量如表4所示。结果表明，通过调控增加非常规水源利用、控制地下水开采，可以实现供水结构的优化，减少河道水源取用，增加河道径流总量并适当调节年内过程。

表3 流域供水水源结构（单位：亿m3）

表4 主要工程对应生态断面最小生态流量目标和不同方案多年平均下泄水量值（单位：m3/s）

由上表可见，生态优先的ED 方案水库下泄水量均值最大，而偏经济的PD 方案下泄水量最小，说明流域层面用水量控制和水源配置组合对工程下泄和河道径流总量具有明显影响。从结果可以看出，径流深越小、用水强度越大，也即开发强度越大的区域，用水对河道径流的影响作用越大。二松上游由于人类活动小、用水少，水量调控效果并不明显，不同方案下白山的泄流变化幅度不到3%，丰满仅5%。嫩江二级区由于河道引水量较大，水量调控对径流影响的作用明显高于二松，干流上游的尼尔基径流变化幅度达到13%，支流均在20%以上。松花江干流的不同径流变化幅度介于二松和嫩江之间，略高于10%，说明松花江干流的径流状况是上游二松、嫩江以及干流的综合结果。通过流域水量配置，可以根据区域用水特征调整供水方案，在总体保证经济社会发展用水的前提下协调水源供给关系，增加河道径流总量，为进一步提高工程调度效果奠定基础。

在全流域水量调控的基础上，得到6 个方案的断面生态流量总体满足状况如图3，枯水期与非枯水期重点断面的平均生态流量过程如图4，反映了不同方案流域生态流量总体状况。

图3 重点断面年均生态流量的满足程度

图4 重点断面枯水期、非枯水期年均生态流量

上述结果表明，松花江流域水资源供需形势总体比较紧张，重点断面生态水量满足状况不理想。虽然控制社会经济发展和需水可以局部改善断面生态水量状况，但部分区域用水强度仍然较大，另外还有一些断面难以通过工程调控径流，河道径流提升幅度有限。即使是生态优先方案最严格压减需求，断面生态流量保证率均值相对现状只能提高9%。因此，有针对性的协调经济生态关系保障发展需求、优先满足重点断面的生态需求是必然选择。流域水量调控主要是通过节水增加径流总量、多水源多工程联合配置调度调整径流过程，尽可能将汛期弃水转化为有效的生态流量，从总量和过程两方面改善河流生态状况。通过方案设置对社会经济和生态用水关系多次协调均衡，综合方案C 在较好满足流域经济发展需求、用水量增加的前提下，与现状B 方案相比全年的生态流量能增加5%，其关键在于落实从水量配置到重点工程调控的水量，提高生态效益。

从年内水量过程看，控制断面非枯水期径流量显著大于枯水期，方案设置对枯水期的生态断面流量均值影响不明显。其原因一方面是受气候特征影响，松花江流域最大的农业用户需水高度集中在5—9月，因此需水调控增加枯季径流效果有限；另一方面，部分位于流域上游和支流的断面缺乏工程调控手段，流域具备多年调节能力的蓄水工程非常少且承担发电任务，现状调度一定程度上已经实现了丰枯间的径流调节，因此进一步增强流域丰枯调控的空间有限。

在完成上层调控模拟后，根据综合方案结果优化重点水库工程调度线，分析符合供水和生态保障预期目标的实际调度依据。

3.3 下层模拟：重点工程优化调度根据流域水量调控结果，选择具有较强调控能力的丰满水库开展下层水利工程优化调度分析。不同流域水量调控方案下的丰满水库出入流水量平衡如表5所示。从水库下泄水量结果看，经济优先的PD 方案总出流量最小，生态优先的ED 方案总出流量最大，而C方案总体在上述方案之间。

表5 丰满水库入流以及供水量分析表（单位：亿m3）

以综合方案C 结果为基础，按照文献［15］提出的调度线优化计算原则，以表5 中上层模拟得出的入库水量，按照满足丰满水库生态流量下泄要求150 m3/s 为约束，尽可能满足供水目标并提高供水量的要求，对丰满水库建立生态调度线优化模型。采用粒子群算法（PSO）优化调度线，实现满足生态流量约束供水计算，以现状为基础设定初始调度线，通过多次反复迭代寻找最优值。按照长系列入流优化得出符合综合方案C 总体目标下的水库生态调度线结果如图5所示。

图5 丰满水库生态调度线优化结果

从调度线优化结果可以看出，考虑天然径流大，汛期对生态流量控制要求较低，生态调度线取值由低至高，以保障供水目标为主。汛后初期阶段，径流减少、水库蓄水较多，保障生态流量的能力强，为了确保后续供水期的重要供水目标，生态调度线进一步提高。随着蓄水量逐步降低，生态调度线逐步下降。到次年3月水库蓄水量进一步降低，经济生态竞争关系加剧，生态调度线调整至最低，在保障生活需水的条件下尽可能满足生态泄流要求。4月进入桃花汛阶段，河道径流相对较大，生态流量压力减小，生态调度线适度提高，为后续用水高峰期囤蓄水量，提高供水满足程度。5月进入农业灌溉泡田用水高峰期，供水压力增大，根据农业和生态优先级关系，生态调度线再度提高，确保农业不大规模缺水。总体而言，优化调度线后，可以使调度规则能适应不同来水条件，满足总体水量调控目标，实现经济和生态的均衡协调。

选择2006年实际来水，采用优化后的调度线实施水库年内日尺度过程调度，结果如图6所示。从过程看，春季到汛前时期是调度难度最大的时期。5月是松花江流域生态调度的关键期，经济生态难以兼顾；而4月由于有桃花汛来水比较稳定，同时农业需水非常低，保障压力较小。因此，正常调度会出现4月生态流量满足程度高而5月破坏较大且供水不足的情况。本次通过流域整体水量调控，3、4月提前加大地下水、本地径流以及再生水利用，尽可能提高水库蓄水。通过提高调度线降低4月补充下泄生态流量的几率，同时降低调度线增加5月补充下泄生态流量的几率，提高关键期生态流量保障程度。降低5月调度线可以提前降低蓄水库容，提高汛期拦蓄水量，总体上提高了生态调度效果，代价是相对降低了3、4月的保障程度。

图6 丰满水库日运行库容曲线（2006年）

4 结论与展望

松花江流域生态调度结果表明，依托二层结构流域生态调度模型可以从流域和工程两个层次支撑生态调度。在流域层面，可以通过协调控制社会经济发展需求、优化调整水源结构增加断面径流总量，为工程调度预留潜在空间。在工程层面，根据流域水量配置控制目标优化生态调度规则，实现协调经济生态的调度效果。应用表明，通过二层结构生态调度模型可以统筹多目标用水需求，建立流域水量调控和工程调度的协调关系，验证了流域尺度开展生态调度的技术可行性，可为流域生态调度实践以及生态补偿方案的制定提供技术参考，具有较好的研究和应用前景。

研究发现，二层结构的流域生态调度仍存在一些技术难点需要继续深入研究。模型框架上，目前方案基于长系列水资源计算，可以反映流域水文特征，但实际调度中来水、用水需求与长系列调控方案存在差异，还需分析合理的应用方式；在上下层的调度衔接关系上，需研究供水目标在下层调度中不能完全满足后的调整方向和反馈方式，提高实际操作可行性。模型研发上，需要进一步剖析强化上下层的联动关系，实现上下层在参数和计算过程的全面耦合，形成一体化的生态调度模型；模型未对不同生态断面和生态需水进行重要性分级与区划，优化重点不够突出，考虑断面的重要性以及生态流量本身的分级保障需求也是实际需求，需要更深入的构建计算方法。模型应用上，考虑枯水期调度效果不明显，除流域用水特征与工程调控能力带来的影响外，需要探讨在工程能力有限的情况下如何提升生态流量的保障水平；流域生态调度方案中不同措施的成本效益分析十分重要，目前还缺乏规范标准，有待结合流域区域实际进行专门的分析探讨。针对这些问题，还需要进行更多实践应用，才能形成可行的流域生态调度技术体系。

综上，流域生态调度十分重要也具有可行性，二层调度模型是一个值得探索的方向。同时，流域生态调度受多方面因素影响，具有较大的不确定性，需要大量的数据支撑以及多部门合作关系，增加调度方案的综合性和可行性，促进生态调度的深入应用。