(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

汾河中下游地區(qū)是山西省糧棉經(jīng)濟(jì)作物主產(chǎn)區(qū)，流域多年平均水資源總量為33.6億m3，占山西省水資源總量的27.1%，地表水開(kāi)發(fā)利用率為72.1%，屬于高度開(kāi)發(fā)利用區(qū)。汾河流域是山西省水資源、水生態(tài)問(wèn)題最突出的地區(qū)，地下水超采、泉水衰減、入河排污量大、沿河濕地萎縮、河流廊道生態(tài)系統(tǒng)脆弱等問(wèn)題直接影響了區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。研究區(qū)生態(tài)脆弱的原因主要為水量不足和水質(zhì)惡化，其中水量嚴(yán)重不足，污染物排放超過(guò)納污能力，也是流域水質(zhì)惡化的重要原因。

針對(duì)目前汾河流域水生態(tài)面臨的上述問(wèn)題，迫切需要提出切實(shí)可行的水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)與生態(tài)修復(fù)方案。在水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和有關(guān)部門(mén)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，提出了多種生態(tài)修復(fù)技術(shù)，如河流廊道修復(fù)技術(shù)[1]、人工濕地修復(fù)技術(shù)[2-3]、地下(巖溶)水系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)技術(shù)[4-5]、采煤區(qū)水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)技術(shù)[6]、水土流失區(qū)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)技術(shù)[7-8]等。而對(duì)于北方河流，尤其是山西省的河流，水量不足是首要問(wèn)題，如何將水留住，保證河道最小生態(tài)基流量，進(jìn)而涵養(yǎng)水源，提高水資源承載力，是汾河下游水生態(tài)修復(fù)的主要目的。

本研究主要以解決水量不足的問(wèn)題為目標(biāo)，以汾河下游趙城斷面作為典型斷面進(jìn)行了生態(tài)基流盈缺分析，制定了流域內(nèi)部工農(nóng)業(yè)及生活用水調(diào)控和跨流域調(diào)水相結(jié)合的汾河下游生態(tài)基流保障方案，用以保證河道生態(tài)基流量，以期為汾河下游水生態(tài)修復(fù)提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐參考。

1 生態(tài)基流量計(jì)算

生態(tài)基流量的計(jì)算選用Tennant法，Tennant法理論認(rèn)為研究區(qū)的河道最小生態(tài)基流應(yīng)不低于多年平均天然流量的10%[9]。選取趙城斷面1995—2015年天然徑流量資料，計(jì)算P=50%平水年(2009年)和P=75%枯水年(2000年)的月最小生態(tài)基流量，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 汾河下游趙城斷面平水年和枯水年月最小生態(tài)基流量 單位：萬(wàn)m3

2 汾河下游工農(nóng)業(yè)及生活用水調(diào)控

2.1 生態(tài)基流盈缺計(jì)算及分析

選用汾河下游趙城斷面平水年和枯水年的實(shí)測(cè)徑流量、最小生態(tài)基流量和2015年現(xiàn)狀地表水引水量資料進(jìn)行生態(tài)基流盈缺計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 趙城斷面平水年和枯水年生態(tài)基流盈缺計(jì)算結(jié)果 單位：萬(wàn)m3

注表中盈缺量數(shù)值為正表示實(shí)測(cè)徑流量與現(xiàn)狀引水量之和滿足生態(tài)基流后的盈余量，數(shù)值為負(fù)表示無(wú)法滿足生態(tài)基流的虧缺量。

由表2可以看出，平水年僅9月、10月的實(shí)測(cè)流量引水后能夠滿足生態(tài)基流，平水年的其余月份和枯水年各個(gè)月份均不能滿足生態(tài)基流需求。因此，需對(duì)引水量進(jìn)行合理調(diào)控，調(diào)控原則以滿足生態(tài)基流為前提，同時(shí)對(duì)流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民生活不造成較大影響。

2010—2015年汾河下游平均用水總量為9.81億m3，其中農(nóng)田灌溉用水量占總用水量的比例最高，為68.3%，城鎮(zhèn)工業(yè)用水和居民生活用水次之，分別占總用水量的12.3%和10.2%，其余用水所占比例相對(duì)較小。這一現(xiàn)狀表明汾河下游用水量主要集中在農(nóng)田灌溉、城鎮(zhèn)工業(yè)、居民生活三方面，因此本研究主要對(duì)這3種用水進(jìn)行調(diào)控以保障汾河下游河道生態(tài)基流。

2.2 生態(tài)基流調(diào)控模型的建立

汾河下游河道生態(tài)基流調(diào)控模型的構(gòu)建以月為時(shí)間尺度。同時(shí)，由于生態(tài)基流的作用是保證河流生境健康發(fā)展，對(duì)流域水生態(tài)修復(fù)具有重要意義，調(diào)控模型的建立應(yīng)首先保證基本的生態(tài)用水和生活用水，而非以用水部門(mén)的經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，因此規(guī)劃目標(biāo)設(shè)定為不同用水部門(mén)實(shí)際引水量與需水量之差平方和最小。

根據(jù)汾河下游實(shí)際情況，將農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)、生活及河道生態(tài)基流視為主要用水部門(mén)。首先確定各個(gè)用水部門(mén)的引水過(guò)程，根據(jù)來(lái)水總量過(guò)程分析以及生態(tài)基流量需求，給每個(gè)部門(mén)賦予不同的權(quán)重，構(gòu)建以引水量與需水量之差平方和最小為目標(biāo)的調(diào)控模型。

模型目標(biāo)函數(shù)：

MinZ=λ1(X1-A)2+λ2

(X2-B)2+λ3(X3-C)2

模型約束條件：

X1+D1=X4(水量平衡約束)

X2+D2=X5(水量平衡約束)

X3+D3=X6(水量平衡約束)

X4+X5+X6=E(水量平衡約束)

X7+X8≥F(生態(tài)基流量約束)

X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8≥0(決策變量非負(fù)約束)

式中：Z為目標(biāo)函數(shù)；X1、X2、X3分別為汾河下游農(nóng)田灌溉、工業(yè)、生活引水量，為決策變量；X4、X5、X6分別為汾河下游農(nóng)田灌溉、工業(yè)、生活實(shí)際配水量，為決策變量；X7為自汾河中游流入下游河道的量，為決策變量；X8為汾河下游干流閘壩對(duì)河道的調(diào)蓄補(bǔ)給量，為決策變量；A、B、C分別為水資源充分供給條件下，汾河下游農(nóng)田灌溉、工業(yè)引水、生活引水需水量，為常變量；D1、D2、D3分別為農(nóng)田灌溉、工業(yè)和生活引水渠道損失量，為常變量；E為汾河下游渠的出流量，為常變量；F為汾河下游的生態(tài)基流量，為常變量；λ1、λ2、λ3分別為汾河下游農(nóng)田灌溉引水、工業(yè)引水、生活引水的優(yōu)先度，為權(quán)重系數(shù)，λ1+λ2+λ3=1。

2.3 調(diào)控模型的簡(jiǎn)化

權(quán)重λ1、λ2、λ3的取值取決于需水部門(mén)的優(yōu)先度，在滿足不同保證程度的生態(tài)基流量前提下，首先滿足生活用水，其次兼顧工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等用水，權(quán)重系數(shù)取值擬定為λ1=0.3，λ2=0.3，λ3=0.4。為簡(jiǎn)化計(jì)算，農(nóng)田灌溉、工業(yè)和生活引水渠道損失量忽略不計(jì)，汾河下游干流閘壩對(duì)河道的調(diào)蓄補(bǔ)給量忽略不計(jì)，則模型可簡(jiǎn)化如下：

模型目標(biāo)函數(shù)：

MinZ=0.3(X1-A)2+0.3(X2-B)2+

0.4(X3-C)2

模型約束條件：

X1+X2+X3=E(水量平衡約束)

E+X7=G(水量平衡約束)

X7≥F(生態(tài)基流量約束)

X1,X2,X3,X7≥0 (決策變量非負(fù)約束)

式中：X7為汾河下游趙城斷面實(shí)測(cè)流量；G為汾河下游總來(lái)水量。

2.4 調(diào)控結(jié)果及分析

2.4.1 調(diào)控結(jié)果

采用生態(tài)基流調(diào)控模型對(duì)引水量進(jìn)行調(diào)控，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 汾河下游水量調(diào)控結(jié)果

由表3可以看出，經(jīng)調(diào)控后，不同月時(shí)間過(guò)程中農(nóng)田灌溉、工業(yè)及生活用水量均減少。平水年農(nóng)田灌溉用水量減少11.4%、工業(yè)用水量減少9.2%、生活用水量減少8.9%，年可減少水量分別為8202萬(wàn)m3、1120萬(wàn)m3、1023萬(wàn)m3，年總減少水量10345萬(wàn)m3；枯水年農(nóng)田灌溉用水量減少12.7%、工業(yè)用水量減少11.9%、生活用水量減少11.3%，年可減少水量分別為9138萬(wàn)m3、1448萬(wàn)m3、1299萬(wàn)m3，年總減少水量11885萬(wàn)m3。從全年來(lái)看，枯水年引水減少量大于平水年；從不同用水部門(mén)角度看，農(nóng)田灌溉作為汾河下游區(qū)域的用水大戶，其引水減少量最大，工業(yè)引水減少量次之，生活引水減少量最小。

2.4.2 調(diào)控目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的保障措施

調(diào)控后各用水部門(mén)的引水量將有不同程度地減少。以枯水年為例，調(diào)控后全年農(nóng)田灌溉用水、工業(yè)用水、生活用水可減少量分別為9138萬(wàn)m3、1448萬(wàn)m3、1299萬(wàn)m3。在實(shí)施過(guò)程中可采取以下保障措施，以實(shí)現(xiàn)各類用水的調(diào)控目標(biāo)。

農(nóng)田灌溉用水方面，可通過(guò)灌區(qū)渠道防滲，采用噴灌、滴灌等先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)來(lái)減少灌溉用水量實(shí)現(xiàn)調(diào)控目標(biāo)；工業(yè)用水方面，可通過(guò)采用節(jié)水新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備，推廣循環(huán)用水、串聯(lián)用水、再生水利用等措施提高工業(yè)用水重復(fù)利用率，通過(guò)提高工業(yè)企業(yè)節(jié)水意識(shí)促進(jìn)工業(yè)企業(yè)用水效率的提高，鼓勵(lì)工業(yè)企業(yè)優(yōu)先使用再生水、礦坑水排水等非常規(guī)水源來(lái)節(jié)約引水量，實(shí)現(xiàn)減少工業(yè)用水量10%左右的調(diào)控目標(biāo)；生活用水方面，通過(guò)提高城市居民節(jié)水意識(shí)，完善用水計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大力推廣普及節(jié)水器具，建設(shè)雨水收集利用系統(tǒng)和中水利用管網(wǎng)，提高再生水利用率等措施，可保障調(diào)控目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3 跨流域調(diào)水方案

對(duì)工農(nóng)業(yè)及生活用水的調(diào)控是在流域內(nèi)部進(jìn)行的，當(dāng)流域內(nèi)部調(diào)控仍不能滿足生態(tài)用水時(shí)，則需通過(guò)跨流域調(diào)水等措施來(lái)解決。目前汾河下游生態(tài)基流缺水已成事實(shí)，為改善河道生態(tài)環(huán)境、保證流域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，依據(jù)“先節(jié)水后調(diào)水”的原則，在節(jié)水的同時(shí)，可從水資源較為豐富的流域調(diào)引適當(dāng)水量，以補(bǔ)充生態(tài)基流的不足。目前在建的引沁入汾和川取水輸水工程、禹門(mén)口提水東擴(kuò)工程和汾河清水復(fù)流北趙連接段工程均可為汾河下游段提供生態(tài)用水。

3.1 引沁入汾和川取水輸水工程

臨汾市引沁入汾和川取水輸水工程是開(kāi)發(fā)利用沁河上游水資源、解決臨汾盆地和汾河下游供水短缺的一項(xiàng)重要水源工程，年引水量為5900萬(wàn)m3，其中工業(yè)供水2293萬(wàn)m3，農(nóng)業(yè)供水2074萬(wàn)m3，非灌溉季節(jié)引水(生態(tài)用水)1533萬(wàn)m3。

3.2 禹門(mén)口提水東擴(kuò)工程

禹門(mén)口提水東擴(kuò)工程位于山西省中南部，是向臨汾、運(yùn)城六縣市(新絳、稷山、襄汾、侯馬、曲沃、翼城)工、農(nóng)業(yè)以及農(nóng)村生活供水的保障性給水工程。年農(nóng)業(yè)供水量6649萬(wàn)m3，工業(yè)供水8030萬(wàn)m3，生態(tài)補(bǔ)水1446萬(wàn)m3，總計(jì)1.61億m3。

3.3 汾河清水復(fù)流北趙連接段工程

汾河清水復(fù)流北趙連接段工程從黃河龍門(mén)段的禹門(mén)口提水東擴(kuò)工程取水，利用渠道向西范灌區(qū)及其東擴(kuò)工程、北趙灌區(qū)輸水，兼顧向汾河西范至入黃口段提供河道生態(tài)補(bǔ)水。汾河西范至廟前段河道內(nèi)生態(tài)基流按5m3/s考慮，入黃河口段按1m3/s考慮，可提供生態(tài)補(bǔ)水量2922萬(wàn)m3。

4 結(jié) 語(yǔ)

為解決汾河下游河道水量不足導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題，本文選取汾河下游趙城斷面為典型斷面，在生態(tài)基流盈缺分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立生態(tài)基流調(diào)控模型，對(duì)流域內(nèi)部平水年和枯水年的工農(nóng)業(yè)及生活用水進(jìn)行了調(diào)控，可行性分析表明模型合理可靠，調(diào)控結(jié)果可行。同時(shí)，提出了跨流域調(diào)水方案：當(dāng)流域內(nèi)部用水量調(diào)控后仍無(wú)法滿足生態(tài)用水需求時(shí)，可采用跨流域調(diào)水方案作為保障措施。本研究提出的汾河下游生態(tài)基流保障方案結(jié)合了流域內(nèi)部用水量調(diào)控和跨流域調(diào)水兩方面內(nèi)容，可為汾河下游河道生態(tài)基流保障和水生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐參考。