繆萍萍

（海河水利委員會水資源保護科學研究所，天津 300170）

流域水資源生態(tài)配置與調度研究綜述

繆萍萍

（海河水利委員會水資源保護科學研究所，天津 300170）

水資源是人與自然共同依賴的關鍵資源，水資源配置與調度在水利工作中具有重要地位。傳統(tǒng)的水資源配置與調度注重區(qū)域間和行業(yè)間的水量分配，存在擠占生態(tài)用水的現(xiàn)象。流域水資源生態(tài)配置與調度是以流域重要生態(tài)保護目標為核心，通過工程措施和非工程措施，統(tǒng)一調配各種水源，協(xié)調社會經濟與生態(tài)環(huán)境之間的水矛盾，促進流域生態(tài)健康和可持續(xù)發(fā)展。在開展流域水資源生態(tài)調度時，要科學計算生態(tài)需水以及可供水量，制定合理的水利工程生態(tài)調度規(guī)則，同時注重發(fā)揮各種非工程措施的作用。

水資源；生態(tài)環(huán)境；配置；調度；流域

水是生命之源、生產之要、生態(tài)之基，是人與自然共同依賴的關鍵資源。水資源配置和調度在水利工作中具有重要地位，在水利規(guī)劃、工程運行、水資源管理等方面發(fā)揮著重要的支撐作用。傳統(tǒng)的水資源配置主要考慮區(qū)域間、行業(yè)間的水量分配，改變了水的天然循環(huán)規(guī)律[1]，改變了人類社會與生態(tài)環(huán)境共享水資源的格局，引發(fā)了河道斷流、濕地萎縮、生態(tài)退化等水生態(tài)問題[2]。1971年，Bishop[3]提出基于水資源、生態(tài)環(huán)境、經濟社會協(xié)調發(fā)展的流域水資源管理理念。2003年，董哲仁[4]提出人與自然和諧相處的生態(tài)水工學。水資源生態(tài)配置與調度逐漸發(fā)展成為水文學、水資源學、生態(tài)學、運籌學等多學科交叉的新領域[5]。流域水資源生態(tài)配置與調度是以流域重要生態(tài)保護目標為核心，通過工程措施和非工程措施，統(tǒng)一調配各種水源，協(xié)調社會經濟與生態(tài)環(huán)境之間的水矛盾，促進流域生態(tài)健康和可持續(xù)發(fā)展[6]。流域水資源生態(tài)配置與調度需要解決四大問題：一是全面考慮流域內各個生態(tài)保護目標，提出適宜的生態(tài)需水；二是聯(lián)合調度控制性骨干工程，制定合理的生態(tài)調度方案；三是建立健全流域生態(tài)調度體制機制，發(fā)揮非工程措施作用；四是積極探索分布式水文模型，算清水賬摸清家底。

1 全面考慮生態(tài)要素和保護目標

傳統(tǒng)的水資源配置與調度優(yōu)先考慮生活和生產用水，生態(tài)需水方面往往只考慮保留河道生態(tài)基流，普遍存在擠占生態(tài)需水的現(xiàn)象[7]。充分考慮各類生態(tài)要素，準確計算生態(tài)需水量，是流域水資源生態(tài)配置和調度的前提。一般認為，河道內生態(tài)需水包括河流、河口、湖泊生態(tài)補水，河道外生態(tài)需水包括維持植被、濕地以及水生態(tài)系統(tǒng)不退化所需要的水量。定額法是進行需水預測普遍采用的方法，但要對流域經濟社會發(fā)展特點和生態(tài)環(huán)境形勢有科學的預判[8]。左其亭等[9]對生態(tài)需水進行了歸納，劃分為需要配置的部分和不需要配置的部分，其中需要配置的部分又進一步劃分為直接配置和間接配置兩類，在合理分類的基礎上確定流域生態(tài)水量。張洪波等[10]從生態(tài)系統(tǒng)整體性的角度提出生態(tài)水量的確定方法，建立生態(tài)保護目標與水文要素之間的響應關系，即生態(tài)水文概念模型，將生態(tài)保護目標的水文需求通過水力學方法演算為生態(tài)水量。馬真臻等[11]在識別黃河下游河段生態(tài)保護目標的實踐中，建立了地形地貌、鳥類、魚類、大型無脊椎動物、植被等與水文要素的概念模型，確定了各個保護目標的水力學條件，并由此演算出花園口、利津斷面的生態(tài)水量。

2 科學調度控制性水利工程

生態(tài)調度是水利工程運行調度的新階段，其目標是滿足流域生態(tài)需水和河流健康[12]。流域控制性水利工程的生態(tài)調度應當注重短期利益與長期利益的權衡、上游利益與下游利益的權衡、生態(tài)目標與非生態(tài)目標的權衡，上述三組利益間的權衡增加了流域水資源生態(tài)配置和調度決策的復雜性。張琦等[13]梳理了遼河流域的農業(yè)供水工程，從改善流域水生態(tài)狀況的角度增加了水庫生態(tài)調度任務，確定了水庫群聯(lián)合生態(tài)調度方案。胡和平等[14]認為生態(tài)流量過程線是實施水庫生態(tài)調度的基礎，針對下游河道生態(tài)問題，演算出其相應的生態(tài)流量過程，水庫生態(tài)調度的任務即滿足該生態(tài)流量過程，解決或緩解下游生態(tài)問題，維持河流健康?？盗岬萚15]建立了水庫生態(tài)調度的最優(yōu)化模型，提出采用逐步優(yōu)化算法進行求解，得到實用性、操作性較強的水庫調度方案。隨著計算機技術的發(fā)展，機器學習或人工智能算法也在水庫生態(tài)調度方面進行了應用，周李智等[16]采用數據預處理與篩選技術修復水文系列中的奇異值，提高了小水電群生態(tài)徑流的合理性，采用基于動態(tài)鄰域結構的PSO算法建立并求解了水庫群生態(tài)調度模型。呂巍等[17]分析了烏江主要生態(tài)斷面的最小生態(tài)水量、適宜生態(tài)水量和理想生態(tài)水量，構建了梯級水電站多目標生態(tài)調度模型，采用智能優(yōu)化算法進行了求解。李志輝等[18]針對水利工程建設影響生物多樣性的現(xiàn)象，提出在水庫建設和調度的過程中要準確掌握影響區(qū)域內的生物現(xiàn)象，在此基礎上開展生態(tài)調度。

3 合理安排節(jié)水護水非工程措施

高效利用有限的水資源，保障生態(tài)需水，可以采用的非工程措施包括節(jié)水措施與激勵政策機制、生態(tài)調度管理機制、水生態(tài)補償機制、水權交易機制等方面的措施。農業(yè)生產過程中的輸水損失、儲水損失、無效蒸騰等是造成水資源消耗的關鍵環(huán)節(jié)，具有較大的節(jié)水潛力。陳克強等[19]認為除了渠道防滲、管道輸水等工程措施外，推廣節(jié)水灌溉技術和制度、實施灌區(qū)水資源優(yōu)化配置和調度、改革農業(yè)水價形成機制等非工程措施對提高農業(yè)水利用效率十分有效。王雁林等[20]指出傳統(tǒng)的水資源配置與調度方式是造成陜西渭河流域生態(tài)惡化的重要原因，要解決這些問題，需要嚴格控制人口過快增長、加強流域水源區(qū)的涵養(yǎng)和保護，在節(jié)水、治污的同時增加非常規(guī)水資源的使用量。尹正杰等[21]分析了目前長江流域水庫群生態(tài)調度存在的問題，認為在技術上生態(tài)調度已有一些成果，但在管理上還需健全生態(tài)調度管理體制機制，建議設立流域層面的生態(tài)調度管理機構，負責制定生態(tài)調度規(guī)程，提出敏感區(qū)域生態(tài)監(jiān)測需求，發(fā)布生態(tài)調度信息等事務；在出現(xiàn)重大生態(tài)需水虧缺時，流域生態(tài)調度機構可以直接干預流域內的水庫調度，保障生態(tài)用水。任世芳和馬義娟[22]將生態(tài)基流引入水生態(tài)補償中，認為受損的生態(tài)系統(tǒng)是水生態(tài)補償的首要客體，為了引導生態(tài)補償真正用于生態(tài)恢復，應根據生態(tài)基流確定補償額度，補償的方式可以是貨幣形式或者生態(tài)水量的形式。陸文聰等[23]研究了水權交易中的效率問題，對比了無交易機制條件下和政府主導水權交易機制下的水資源配置和利用效率，認為水權交易能提高參與者的收益，促進水資源優(yōu)化配置。

4 深入刻畫流域水循環(huán)過程

準確計算水資源可利用量，是實施流域水資源生態(tài)配置和調度的前提。通常水資源評價需要將取水還原到實測系列中再作分析，但是人類劇烈活動、下墊面劇烈變化等因素對水資源形成產生較大影響，導致水文一致性喪失，動搖了基于歷史長系列分析方法的理論基礎。王忠靜等[24]指出下墊面變化劇烈條件下傳統(tǒng)水文序列分析中可能存在的“還原失真”和“還原失效”的問題，認為應當采用分布式水文模型從機理上解決上述問題，并在永定河山區(qū)采用基于坡面流的分布式水文模型對不同下墊面條件下官廳水庫以上流域多年平均地表水資源量進行了評價。李亞平等[25]考慮到生態(tài)需水受季節(jié)、氣候等多因素影響，從生態(tài)系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)相互作用入手，采用分布式水文模型分析了各種生態(tài)措施對生態(tài)需水的影響，計算了不同保護目標下不同保證率的流域生態(tài)需水。郝彩蓮等[26]利用中國水利水電科學研究院開發(fā)的WEP模型，結合生態(tài)需水情況，模擬了雙峰寺水庫的調度對下游武烈河水文過程的影響，指出現(xiàn)階段雙峰寺水庫調度問題，提出基于下游生態(tài)需水的修正調度方案。陳剛等[27]采用MIKE Basin工具[28-30]，將流域生態(tài)需水和區(qū)域經濟社會發(fā)展以及產業(yè)布局調整相結合，研究了滇池流域多水源水質水量聯(lián)合調度的水資源配置方案，提出相應的水系連通工程方案，構建了“清水入湖、中水回用、清污分流”的水循環(huán)模式。在西北干旱地區(qū)，石敏俊等[31]基于農業(yè)調查，構建了石羊河流域GBEM模型，將農業(yè)用水量作為約束條件，研究了生態(tài)重建目標下石羊河流域水資源優(yōu)化配置和調度方案。

[1]Davijani M H，Banihabib M E，Anvar A N，et al.Multi-objec?tive optimization model for the allocation of water resources in arid regions based on the maximization of socioeconomic effi?ciency[J].Water Resources Management，2016，30（3）:1-20.

[2]Chen，Y N，Li，et al.Impact of human activities on water re?sources and ecological problems in the Tarim River Basin，China[J].Journal of Experimental Botany，2004，54（s）:61-61.

[3]Bishop A B，Hendricks D W.Water reuse systems analysis[J].Journal of the Sanitary Engineering Division，1971，97（4）:51-62.

[4]董哲仁.生態(tài)水工學的理論框架[J].水利學報，2003，34（1）:1-6.

[5]Abbaspour M，Sabetraftar A.Review of cycles and indices of drought and their effect on water resources，ecological，bio?logical，agricultural，social and economical issues in Iran[J].International Journal of Environmental Studies，2005，62（6）:709-724.

[6]Falkenmark M，Rockstr?m J，F(xiàn)alkenmark M，et al.Balancing water for humans and nature:the new approach in ecohydrolo?gy[J].Natural Resources Forum，2004（2）:185.

[7]Leauthaud C，Duvail S，Hamerlynck O，et al.Floods and live?lihoods:The impact of changing water resources on wetland agro-ecological production systems in the Tana River Delta，Kenya[J].Global Environmental Change，2013，23（1）:252-263.

[8]孫甜，董增川，蘇明珍.面向生態(tài)的陜西省渭河流域水資源合理配置[J].人民黃河，2015，37（2）:65-69.

[9]左其亭.論生態(tài)環(huán)境用水與生態(tài)環(huán)境需水的區(qū)別與計算問題[J].生態(tài)環(huán)境學報，2005，14（4）:611-615.

[10]張洪波，王義民，蔣曉輝，等.基于生態(tài)流量恢復的黃河干流水庫生態(tài)調度研究[J].水力發(fā)電學報，2011，30（3）:17-23，35.

[11]馬真臻，王忠靜，鄭航，等.基于低風險生態(tài)流量的黃河生態(tài)用水調度研究[J].水力發(fā)電學報，2012，31（5）:63-70.

[12]Herricks E E，Suen J P.Integrative analysis of water quality and physical habitat in the ecological design of water re?sources projects[J].Journal of Environmental Scienceamp;Health Part A，2006，41（7）:1303.

[13]張琦，李偉，王國利.面向生態(tài)的流域水庫群與引水工程聯(lián)合調度研究[J].中國農村水利水電，2015，5（9）:129-133.

[14]胡和平，劉登峰，田富強，等.基于生態(tài)流量過程線的水庫生態(tài)調度方法研究[J].水科學進展，2008，19（3）:27-34.

[15]康玲，黃云燕，楊正祥，等.水庫生態(tài)調度模型及其應用[J].水利學報，2010，41（2）：12-19.

[16]周李智，王萬良，徐新黎，等.基于生態(tài)懲罰的混聯(lián)梯級小水電群優(yōu)化調度[J].水力發(fā)電學報，2015，34（7）:45-56.

[17]呂巍，王浩，殷峻暹，等.貴州境內烏江水電梯級開發(fā)聯(lián)合生態(tài)調度[J].水科學進展，2016，27（6）：918-927.

[18]李志輝.基于流域生物資源保護的水庫生態(tài)調度[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2015（2）:171-171.

[19]陳克強，張建豐，白丹，等.北方灌區(qū)非工程節(jié)水措施綜議[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究，2005，23（3）:150-153.

[20]王雁林，王文科，楊澤元，等.渭河流域面向生態(tài)的水資源合理配置與調控模式探討[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2005，19（1）:14-21.

[21]尹正杰，黃薇，陳進.長江流域梯級水庫生態(tài)調度管理體制探討[J].人民長江，2008，39（20）:19-21.

[22]任世芳，馬義娟.基于生態(tài)基流的汾河流域水資源生態(tài)修復補償研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2017，31（7）:66-70.

[23]陸文聰，覃瓊霞.以節(jié)水和水資源優(yōu)化配置為目標的水權交易機制設計[J].水利學報，2012，43（3）:323-332.

[24]王忠靜，楊芬，趙建世，等.基于分布式水文模型的水資源評價新方法[J].水利學報，2008，39（12）:4-10.

[25]李亞平，陳友媛，胡廣鑫，等.基于分布式水文模型的徒駭河河流生態(tài)需水量預測研究[J].環(huán)境科學學報，2013，33（9）:2619-2625.

[26]郝彩蓮，金鑫，嚴登華，等.基于分布式水文模型的水庫生態(tài)調度方案修正研究[J].水利水電技術，2013，44（12）:95-98，102.

[27]陳剛，楊霄，顧世祥，等.基于河湖生態(tài)健康的滇池流域水資源總體配置[J].水利水電技術，2016，47（2）:5-12.

[28]Manoj K J，Ashim D G.Application of MIKE basin for water managementstrategiesinawatershed[J].WaterInternational，2003，28（1）:27-35.

[29]Kaiglová J，Langhammer J.Analysis of efficiency of pollu?tion reduction measures in rural basin using MIKE Basin model.Case study：Ol?ava River Basin[J].Journal of Hydrol?ogyamp;Hydromechanics，2014，62（1）:43-54.

[30]Ireson A，Makropoulos C，Maksimovic C.Water resources modelling under data scarcity：Coupling MIKE Basin and ASM groundwater model[J].Water Resources Management，2006，20（4）:567-590.

[31]石敏俊，陶衛(wèi)春，趙學濤，等.生態(tài)重建目標下石羊河流域水資源[J].自然資源學報，2009，24（7）:3-15.

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1004-7328（2017）05-0008-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.003

2017—05—20

繆萍萍（1986—），女，碩士，工程師，主要從事水資源保護、水量調度工作。