基于分布式水文模型的水庫(kù)調(diào)度生態(tài)問(wèn)題研究

水庫(kù)生態(tài)規(guī)劃研究是我國(guó)當(dāng)前河流生態(tài)恢復(fù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。這是減少新時(shí)期水庫(kù)建設(shè)造成的損害，促進(jìn)河流健康，促進(jìn)人類協(xié)調(diào)發(fā)展，維護(hù)水資源可持續(xù)發(fā)展的有效措施。水庫(kù)生態(tài)調(diào)度在國(guó)外相關(guān)實(shí)踐較多,并以美國(guó)、澳大利亞、日本、德國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家水平較高,而國(guó)內(nèi)生態(tài)調(diào)度整體上還處于理論研究和探索的階段,我國(guó)現(xiàn)行的水庫(kù)調(diào)度方式普遍是依據(jù)水庫(kù)承擔(dān)的防洪及興利任務(wù)來(lái)制定調(diào)度規(guī)則,對(duì)生態(tài)要求考慮較少,給庫(kù)區(qū)及下游生態(tài)系統(tǒng)造成諸多不利影響。1生態(tài)保護(hù)及設(shè)計(jì)雙峰寺水庫(kù)小廟子壩址距承德市區(qū)12km;距入灤河河口約24km,控制武烈河流域面積2303km2,多年天然平均流量7.71m3/s,設(shè)計(jì)洪水流量3200m3/s。75%保證率下每年為承德市供水5600萬(wàn)m3,其中承德市工業(yè)、生活用水4800萬(wàn)m3,景觀用水800萬(wàn)m3。同時(shí),為保障非供水或發(fā)電時(shí)段下游生態(tài)與環(huán)境用水,特設(shè)置專門(mén)生態(tài)放水洞。工程開(kāi)發(fā)任務(wù)以解決武烈河流域及承德市區(qū)防洪為主,結(jié)合城市供水,兼顧生態(tài)環(huán)境及發(fā)電等。水庫(kù)總庫(kù)容為1.373億m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容、興利調(diào)節(jié)庫(kù)容和死庫(kù)容分別為0.738億m3、0.451億m3、0.335億m3;正常蓄水位、汛限水位和死水位分別為389m、387m、382m。2網(wǎng)絡(luò)游戲模型的介紹2.1水分與能量過(guò)程模型WEP模型(WaterandEnergytransferProcessmodel,水分與能量過(guò)程模型)是由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自主開(kāi)發(fā),該模型綜合了分布式流域水文模型和陸面地表過(guò)程模型的各自優(yōu)勢(shì),具備明確的物理機(jī)制并且可以模擬水文循環(huán)的各要素過(guò)程,在國(guó)內(nèi)外許多流域都得到了較好的實(shí)踐應(yīng)用。2.2模型校正和模型驗(yàn)證在本研究中,采用人—機(jī)交互的方式對(duì)1976~1990年進(jìn)行模型校正(見(jiàn)圖1),然后取1991~2000年作為模型驗(yàn)證期(見(jiàn)圖2),采用同一套參數(shù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。整體擬合程度較好。3小生態(tài)流量結(jié)合我國(guó)水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行的實(shí)際情況以及武烈河河流的生態(tài)需求,本次河流生態(tài)需水量重點(diǎn)考慮最小生態(tài)流量。根據(jù)雙峰寺水庫(kù)取水方式,河流生態(tài)基流計(jì)算以“小廟子壩址”、“承德水文站”、“武烈河入灤斷面”三個(gè)控制斷面多年平均天然流量的10%計(jì)算。小廟子壩址、承德水文站、武烈河入灤河口的生態(tài)基流量分別為0.77m3/s、0.82m3/s和0.86m3/s。4水庫(kù)規(guī)劃方案及其對(duì)烈河下游水文條件和生態(tài)環(huán)境的影響4.1水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)工程雙峰寺水庫(kù)在規(guī)劃階段的調(diào)度方案如下。水庫(kù)防洪調(diào)度:水庫(kù)汛期采用滯洪運(yùn)用方式,汛限水位為387.0m,汛期8月15日前水庫(kù)蓄水以汛限水位控制,超過(guò)汛限水位水庫(kù)開(kāi)始泄洪;主汛期后過(guò)渡至以正常蓄水位為控制,超過(guò)正常蓄水位水庫(kù)開(kāi)始泄洪。水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)起調(diào)水位為387m,水庫(kù)水位低于100年一遇設(shè)計(jì)洪水位392.5m,水庫(kù)限泄流量1520m3/s,超過(guò)該水位水庫(kù)不實(shí)行控泄,但控制泄量不大于同標(biāo)準(zhǔn)最大入庫(kù)流量。水庫(kù)興利調(diào)度:重點(diǎn)考慮水庫(kù)的供水調(diào)度方案———水庫(kù)水位在死水位382.0m至正常蓄水位389m之間,按均勻過(guò)程為承德市區(qū)供水,其中環(huán)境用水冬季三月不供。遇枯水年份可適當(dāng)挖取死庫(kù)容。水庫(kù)建成后,武烈河水源井關(guān)閉,由水庫(kù)代替地表水。市區(qū)規(guī)劃到2020年的6400萬(wàn)m3的需水量由水庫(kù)與灤河灘地水源地共同解決,其中城市工業(yè)生活供水量4800萬(wàn)m3,河道環(huán)境供水量800萬(wàn)m3,引灤河灘地水800萬(wàn)m3,灤河維持現(xiàn)狀供水能力。4.2生態(tài)基流量不足規(guī)劃方案下水庫(kù)建成后,武烈河水源井將關(guān)閉,75%保證率下每年向河道環(huán)境供水量800萬(wàn)m3。而小廟子壩址、承德水文站、武烈河入灤河口的生態(tài)基流量分別為0.77m3/s、0.82m3/s和0.86m3/s,三個(gè)典型斷面的生態(tài)基流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能得到滿足。武烈河干流地下水含水層較薄,僅為10m左右,所有武烈河水源井的關(guān)閉,使城區(qū)地下水位在枯水年下降。5修訂后的計(jì)劃對(duì)武烈河下游水文情勢(shì)和水生態(tài)環(huán)境的影響5.1修正方案論證否定規(guī)劃方案中水庫(kù)建成后即關(guān)閉武烈河傍河水源地,城市生活工業(yè)用水直接從水庫(kù)抽取的措施。為保證水庫(kù)建成后武烈河的生態(tài)基流及下游生態(tài)與環(huán)境用水,修正方案中在利用下游現(xiàn)有4處傍河取水水源地的基礎(chǔ)上,尚需在武烈河入灤河口新建水源(傍河水源井,簡(jiǎn)稱河口水源井)以實(shí)現(xiàn)城市供水目標(biāo)。水庫(kù)正常供水時(shí),每年分別從現(xiàn)有水源地、河口水源地取水2100萬(wàn)m3、2700萬(wàn)m3供承德市工業(yè)生活用水,并且保證河道環(huán)境用水量,從而可實(shí)現(xiàn)“一水多用”的水源調(diào)度。5.2影響下游水文條件以及水庫(kù)下游河流生態(tài)環(huán)境的水體壓力5.2.1水庫(kù)水位現(xiàn)狀雙峰寺水庫(kù)建庫(kù)后,由于水庫(kù)蓄水運(yùn)行,庫(kù)區(qū)段水位將明顯高于天然河道狀態(tài)。圖3是雙峰寺水庫(kù)1956~2007年水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算逐月(末)庫(kù)水位過(guò)程。其中壩前最低水位381.7m,平均水位387.0m,流速明顯減小。水庫(kù)水深從庫(kù)尾至壩前斷面不斷增加,水庫(kù)流速?gòu)膸?kù)尾至壩前斷面不斷減小。5.2.2調(diào)度對(duì)武烈河徑流過(guò)程的影響選取小廟子壩址、承德水文站、武烈河入灤河口作為代表斷面,對(duì)水庫(kù)初期蓄水期50%、75%及90%典型年份壩址下游河道徑流過(guò)程的變化規(guī)律進(jìn)行分析,并對(duì)生態(tài)與環(huán)境用水的滿足情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。在水庫(kù)初期蓄水階段50%典型年份下,水庫(kù)運(yùn)行將導(dǎo)致豐水期流量消減,但對(duì)枯水期河道流量影響相對(duì)較小,能夠維持河流生態(tài)基流。此外,水庫(kù)初期蓄水階段50%典型年承德站月均流量最低值出現(xiàn)在1月,為0.92m3/s,下游生態(tài)與環(huán)境需水可得到滿足。在水庫(kù)初期蓄水階段75%典型年份下,雙峰寺水庫(kù)調(diào)度對(duì)武烈河徑流過(guò)程的影響主要表現(xiàn)為豐水期流量減少及枯水期流量增加。計(jì)算表明:若無(wú)雙峰寺水庫(kù)調(diào)節(jié)時(shí),承德水文站斷面有7個(gè)月生態(tài)基流得不到滿足、武烈河入灤河口斷面處有2個(gè)月生態(tài)基流得不到滿足。雙峰寺水庫(kù)建成后,在初期蓄水階段,每年分別從現(xiàn)有水源及河口水源井取水1030萬(wàn)m3和2700萬(wàn)m3供承德市工業(yè)、生活使用,承德站和武烈河口站的生態(tài)基流均可得到滿足。水庫(kù)初期蓄水階段75%典型年承德站月均流量最低值出現(xiàn)在1月,為0.97m3/s,下游生態(tài)與環(huán)境用水可得到滿足。在水庫(kù)初期蓄水階段90%典型年份下,雙峰寺水庫(kù)調(diào)度對(duì)武烈河徑流過(guò)程的影響主要表現(xiàn)為豐水期流量減少及枯水期流量增加。計(jì)算表明:若無(wú)雙峰寺水庫(kù)調(diào)節(jié)時(shí),承德站及武烈河入灤河口處的生態(tài)基流均有數(shù)月得不到滿足。5.2.3武烈河徑流過(guò)程選取小廟子壩址、承德水文站、武烈河入灤河口作為代表斷面,對(duì)水庫(kù)運(yùn)行后多年平均、75%保證率及95%保證率典型年份壩址下游河道徑流過(guò)程的變化規(guī)律進(jìn)行分析,并對(duì)生態(tài)與環(huán)境用水的滿足情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:在多年平均情況下,水庫(kù)運(yùn)行導(dǎo)致豐水期流量消減,但對(duì)枯水期河道流量影響相對(duì)較小,能夠維持河流生態(tài)基流。此外,水庫(kù)調(diào)度后,承德站多年平均月流量最低值出現(xiàn)在1月,為0.95m3/s,下游生態(tài)與環(huán)境需水可得到滿足。在75%保證率條件下,雙峰寺水庫(kù)調(diào)度對(duì)武烈河徑流過(guò)程的影響主要表現(xiàn)為豐水期流量減少及枯水期流量增加。計(jì)算表明:若無(wú)雙峰寺水庫(kù)調(diào)節(jié)時(shí),承德水文站斷面有7個(gè)月生態(tài)基流得不到滿足、武烈河入灤河口斷面處有2個(gè)月生態(tài)基流得不到滿足。雙峰寺水庫(kù)建成運(yùn)行后,通過(guò)雙峰寺水庫(kù)調(diào)節(jié),從現(xiàn)有水源及河口水源井取水供承德市工業(yè)、生活使用,承德站和武烈河口站的生態(tài)基流均可得到滿足。承德站月均流量最低值出現(xiàn)在1月,為0.97m3/s,下游生態(tài)與環(huán)境用水可得到滿足。在95%保證率年份,雙峰寺水庫(kù)調(diào)度對(duì)武烈河徑流過(guò)程的影響主要表現(xiàn)為提高河道流量。計(jì)算表明:若無(wú)雙峰寺水庫(kù)調(diào)節(jié)時(shí),承德站及武烈河入灤河口處的生態(tài)基流全年多數(shù)月份得不到滿足。雙峰寺水庫(kù)建成運(yùn)行后,通過(guò)水庫(kù)調(diào)節(jié)及水源井聯(lián)合調(diào)度,可有效改善河道徑流過(guò)程。需要說(shuō)明的是,95%保證率年份水庫(kù)運(yùn)行后武烈河入灤河口流量在部分月份較調(diào)度前有所降低,這是由于水庫(kù)運(yùn)行后,承德市區(qū)污水集中排放到灤河,從而對(duì)武烈河入灤徑流過(guò)程造成一定影響。5.2.4水庫(kù)的防洪任務(wù)雙峰寺水庫(kù)為大(2)型水庫(kù),設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇;校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇;水庫(kù)承擔(dān)的防洪任務(wù)是將水庫(kù)下游及承德市區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到100年一遇。雙峰寺水庫(kù)防洪調(diào)度時(shí),100年一遇調(diào)洪過(guò)程中(見(jiàn)圖4),武烈河洪水峰值流量降低了53%,持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)了一倍,承德市防洪標(biāo)準(zhǔn)可提高到100年一遇。5.2.5年生基于水源入水雙峰寺水庫(kù)建成運(yùn)行后,由于水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用,壩址下游河流徑流過(guò)程趨于坦化,河道枯水期流量增加。75%保證率年份,水庫(kù)泄水在滿足沿河水源井取水的基礎(chǔ)上能夠維持河道生態(tài)基流,可使地下水得到有效補(bǔ)充,地下水位有所抬高。在特枯年份,水庫(kù)下泄水量不足,通過(guò)水庫(kù)、沿河水源井、河口水源井的聯(lián)合調(diào)度,適當(dāng)削減沿河水源井取水量,可在一定程度上降低承德市地下水開(kāi)采量,從而保證地下水位。6生態(tài)基流得到滿足小廟子壩址、承德水文站、武烈河入灤河口的生態(tài)基流量分別為0.77m3/s、0.82m3/s和0.86m3/s;規(guī)劃階段水庫(kù)調(diào)度下,小廟子壩址、承德水文站、