基于一维水动力-水环境耦合模型的长兴港生态流量研究(长兴汛期流量水环境生态)

【目的】长兴港是太湖流域重要的城市河流，对其开展生态流量研究并确定合理的生态流量管控值，对保障长兴港水生态环境健康、提高当地人民群众幸福指数具有重要意义。
【方法】以长兴港新塘断面2016—2020年的逐月水生态监测数据为对象，明确了长兴港非汛期、汛期的水环境约束指标；并基于MIKE 11软件，构建了一维水动力-水环境耦合模型；从保障水生态环境质量、缓解水华爆发的营养条件的角度出发进行了生态流量研究。
【结果】结果显示：长兴港非汛期约束指标为NH3-N、CODMn和BOD,汛期约束指标为NH3-N、TP和CODMn;通过对比实测数据与模拟数据可知，水位、流量的模拟值与实测值间的Re¯¯¯¯Re¯均小于10%,R2和Nash-Suttcliffe系数分别大于0.6和0.9,各时期的水环境主要管控指标的模拟值与实测值间的Re¯¯¯¯Re¯均小于17%;最终计算得到长兴港非汛期和汛期合理的生态流量管控值分别为2.59 m3/s和2.63 m3/s。
【结论】结果表明：研究构建的一维水动力-水环境耦合模型符合长兴港的实际情况，能够应用于长兴港生态流量研究，可以解决水动力和水环境模块单独使用不能表征河流特点的问题，为河流生态流量的研究和管控提供了更为科学、高效的工具；研究提出的生态流量管控值具有可达性，可切实有效地改善长兴港水生态环境、抑制水华爆发并为长兴港的生态流量管控和“幸福河”构建等工作提供理论与技术支撑。

关键词：

环境科学;生态流量管控;水动力-水环境耦合模型;MIKE 11;长兴港;

作者简介：

张祖鹏(1984—),男，水资源管理科科长，高级工程师，硕士，主要从事水资源管理与规划。

张泽贤(1998—),男，硕士研究生，主要从事水生态环境保护、流域综合管理。

桑静(1995—),女，博士研究生，主要从事能源环境模拟与管理研究。

基金：

国家自然科学基金项目(52122902);

水利部水资源管理中心省级重点项目“典型水利工程取放水过程分析评估”(KH21010234);

引用：

张祖鹏, 张泽贤, 刘思远, 等. 基于一维水动力-水环境耦合模型的长兴港生态流量研究[J]. 水利水电技术(中英文), 2023, 54 (10): 160- 169.

ZHANG Zupeng, ZHANG Zexian, LIU Siyuan, et al. Study on ecological flow of Changxinggang River based on one-dimensional hydrodynamic-water environment coupling model[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2023, 54(10): 160- 169.

生态流量是指保证河流水量、质量和水流过程以维持地球淡水生态系统健康和周边人居环境适宜的流量值,是维持河流生态功能，控制水资源开发利用，进行水资源优化配置的重要依据，确定并保障必要的生态流量事关生态环境恢复、生态文明建设和高质量发展，具有重要意义。
目前，关于生态流量的计算方法有200余种,大致可分为水文学法、水力学法、栖息地法、综合法等。
其中，水文学法使用最广泛，计算便捷但精度相对较低；水力学法通过水力参数来计算生态流量，但受河道断面选取的影响较大；栖息地法需通过综合分析指示生物来确定生态流量，但其数据获取难度较大；综合法计算精度最高，但需要多个领域的专家共同研究。
综上，现有的生态流量计算方法均各自有其优缺点，在实际计算过程中，需结合河流实际情况与水文水力资料需求选择合适的计算方法。

丹麦水资源研究所(DHI)开发的MIKE系列软件可反映水动力学条件和水生态环境的变化，能够用于水动力、水资源和水生态等方面的模拟研究,其中MIKE 11模型被广泛应用于国内外水生态环境研究。
BU等采用MIKE 11对不同来水量和河流连通性情景下的常州市水生态承载力进行了模拟；JESSICA等使用MIKE 11比较了不同水资源管理方案对Blairfindy集水区流量及地下水补给的影响；AHMED等运用MIKE 11构建了Rideau河谷流域模型，量化计算了湿地功能和生态流量；王孟飞等运用MIKE 11分析了沙颍河主要河段生态调度流量传播过程，得出了主要水文站间生态调度流量传播时间；党晓戈等运用MIKE 11构建了以生态敏感目标流量需求为调度基础的水文水动力模型，并研究了不同情境下流域多目标生态需求保障效果。

长兴港兼有防洪、调水、景观和航运等功能，是长兴县重要的城市河流,也是太湖流域典型的河网河流。
由于水系坡度较小，水动力不足，水体流速迟缓等原因，存在着水质偶有超标、水华和水体透明度低等问题;同时长兴港水动力、水环境相互制约，加之其河道状况、水文水环境资料不够充分，在计算生态流量时，仅考虑水动力或水环境均不能很好地表征河流特征。
因此本研究基于MIKE 11模型，针对长兴港河流实际，构建了适用于该河流的MIKE 11一维水动力-水环境耦合模型，实现了对河流水动力条件和水环境状况的综合考虑，且该模型对数据需求合理、运行较为便捷，能够更加客观地反映河流特征，可为河流生态流量的研究和管控提供更为科学、高效的工具。
此外，以保障水生态环境质量为目标开展长兴港生态流量研究及管控工作，不仅可以改善长兴港水动力学条件，保障长兴港水生态环境健康，还能进一步落实河湖长工作，打造当地居民心目中的“幸福河”,也可为相关河流的生态流量管控研究提供借鉴。

1.1 研究区概况

浙江省湖州市长兴县(119°33′—120°06′ E,30°43′—31°11′ N)地处长江三角洲杭嘉湖平原，紧靠太湖西南岸。
县域气候为亚热带海洋性季风气候，年均降水量1 347.7 mm, 主要集中于每年的4—10月，多年平均降水天数为144 d, 占全年的39.45%。
长兴县属于太湖平原河网地区，水系众多，县域重要水系分布如图1所示。
长兴县是我国探索和建立河长制的先驱，也是浙江省率先建立“河湖长+检察长”制度的区县，这些制度的实施在改善区域河湖水生态环境质量的同时，也为区域生态流量管控奠定了良好基础。

图1 长兴县重要水系分布

长兴港位于长兴县北部，流经中部平原区和城区后汇入太湖，全长约31.58 km。
受降水量时间差异的影响，每年的5—10月被划定为汛期，其中7月15日之前为梅汛期，之后为台汛期；每年的1—4月和11—12月被划定为非汛期。
目前，长兴港上有国控新塘断面、省控下莘桥断面以及3个市县级控制断面。
平原河网地区地势平缓、河流坡降小，水动力学条件不足，污染物易在水体中累积，加之航运扰动河道底泥释放污染物引发内源污染以及偶发性的太湖蓝藻倒灌现象，共同导致了长兴港仍存在水质超标和水华等问题。

1.2 水环境约束指标确定

研究所使用的流量、水位数据来源于长兴(二)水文站的水文监测数据，水环境数据来源于国控新塘断面的水质监测数据。

通过对比2016—2020年长兴港水环境数据与《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水标准，得到新塘断面的水环境超标指标为高锰酸盐指数(CODMn)、生化需氧量(BOD)、氨氮(NH3-N)、化学需氧量(CODCr)和总磷(TP),其逐月水环境指标达标情况如图2所示。
由图2可知：2016—2020年，CODMn超标3次，非汛期污染相对较重；BOD超标3次，汛期污染相对较重；NH3-N及COD超标5次，非汛期污染相对较重；TP超标1次，在5个水质指标中污染情况相对较轻。

图2 长兴港国控新塘断面逐月水环境指标达标情况

为确定管控目标，研究运用主成分分析法，对上述五项指标进行分析，得到长兴港非汛期和汛期主成分载荷值，如表1、表2所列。

由表1可知，与主成分1相关性较高的指标有CODMn、CODCr和BOD,与主成分2相关性较高的指标为NH3-N和TP;由表2可知，CODMn、CODCr和TP对主成分1的贡献度较高，NH3-N则对主成分2的贡献度较高。
考虑到CODMn和CODCr高度相关，且由图2可知TP在非汛期并不存在超标问题，故研究确定NH3-N、CODMn和BOD作为非汛期的水环境约束指标，确定CODMn、TP和NH3-N作为汛期的水环境约束指标，此外，由于长兴港存在水华问题，本研究也将NH3-N设定为蓝藻爆发营养指标，对蓝藻爆发时的营养物条件进行考虑。

2.1 模型构建

MIKE 11主要用于如细长型河流、河网等一维水域的模拟，其包含多个基础模块，具有易于运行、精确度高、所需参数少等特点。
长兴港属于细长型河流，且水质数据观测年份相对较短、河段不长，同时长兴港生态流量管控值的确定需从改善水动力学条件、保障水环境质量、避免水华爆发等角度考虑，故需考虑水动力、水环境两方面的因素。
鉴于此，研究选用MIKE 11中的水动力和水环境2个模块作为基础模块，考虑垂向上的物质和动量守恒，基于一维非恒定流Saint-Venant方程组和一维对流扩散模型，构建了MIKE 11一维水动力-水环境耦合模型，实现了对河流水动力条件和水环境状况的综合考虑，可更加客观地反映河流特征。
所构建的模型公式如下

式中，Q为断面过流流量(m2/s);S为断面面积(m2);x为沿水流方向的距离变化量(m);t为计算点位的时间变量(s);q为旁侧入流流量(m/s);h为河流水位(m);g为重力加速度(m/s2);R为河道水力半径(m);α、U分别为动量校正系数、谢才系数；C为指标浓度(mg/L);u为水体平均流动速率(m/s);Ex为纵向扩散系数(m2/s);K为综合衰减系数(mg/d);s为空间坐标(m);v为时间坐标(s)。

模型利用Abbott-Ionescu六点隐式差分格式进行求解，即依次计算不同点位的水位(h)和流量(Q);耦合后的模型可实现对水域流动参数如流量、水位等的模拟，并可进一步得到各水环境约束指标的浓度结果。

2.2 模拟范围及边界条件

河网概化需基本反映天然河流的水力特性，以使概化后河网的输水能力及调蓄能力与河网实际保持一致。
研究对长兴(二)水文站到长兴港入湖口河段进行了概化，如图3所示。

图3 长兴(二)水文站至长兴港入湖口河段河网概化

水动力模块的外部边界条件设定为长兴(二)水文站流量和长兴港入湖口水位，内部条件主要为研究河段入河污水量；水环境模块的边界条件设定为对应研究河段边界水环境及入河排污数据。

2.3 参数率定与结果验证

为确保模拟结果的准确性，模型需对河段糙度系数、污染物纵向扩散系数和污染物综合衰减系数进行率定。

对于河段糙度系数，研究以2018—2019年为率定期，利用经验法,先将全河段初始糙度系数设定为0.033,以省控下莘桥断面逐日水位和流量作为对照数据，利用人工试错法对糙度系数进行率定，直至模拟结果的精准度符合要求。
最终得到的河段糙度系数为0.037。
对于河段的纵向扩散系数，考虑到长兴港为太湖流域典型河流，因此研究运用经验法，以太湖流域的纵向扩散系数典型取值8.00 m2/s,作为长兴港的污染物纵向扩散系数。

综合衰减系数可反映水体中的污染物降解能力，受到水体温度、水文条件和河道状况等多个因素的影响，故研究以2018年5月—2019年10月为率定期，采用分析借用法分非汛期和汛期对NH3-N、TP、CODMn和BOD的综合衰减系数进行率定。
研究基于我国部分河流的水环境约束指标综合衰减系数取值,通过调整综合衰减系数的取值，将对应水期各取值下的水环境约束指标模拟结果与新塘断面的实际监测数据进行比对，选取相对误差平均值较小时的取值为对应水期各管控指标的综合衰减系数。
各水环境约束指标综合衰减系数的率定结果如表3所列。

基于以上参数率定结果，对比了下莘桥断面水位、流量模拟结果与实测资料的拟合程度，其相对误差平均值(Re¯)、相关系数(R2)和Nash-Suttcliffe系数如表4所列。

由表4可知，水位拟合的Re¯小于10%,R2大于0.6,Nash-Suttcliffe系数大于0.9;流量拟合的Re¯小于10%,R2大于0.6,Nash-Suttcliffe系数大于0.9。
可见，研究构建的模型和率定出的参数能够较好地反映长兴港的水位和流量情况。

此外，基于前文率定出的参数取值，新塘断面水环境约束指标的模拟结果与实测资料的相对误差平均值如表5所列。

由表5可知，基于前文率定出的参数取值，长兴港新塘断面确定的非汛期和汛期水环境约束指标模拟结果与实测资料的相对误差平均值均小于17%,水环境模块具有较好的模型模拟精度，可反映水环境约束指标的实际情况。
可见，本研究率定出的参数取值合理，可用于长兴港生态流量管控值的研究。

3.1 非汛期生态流量管控值

通过频数分布统计，近10 a长兴港非汛期日均流量集中分布在0.00～5.00 m3/s之间，相对频率达到了63.76%,故研究选定1.50 m3/s、3.00 m3/s和4.50 m3/s作为长兴港在非汛期的3个流量拟定值，并设定为上游边界流量；下游边界水位设定为2018—2019年非汛期平均水位3.21 m; 将来水中非汛期水环境约束指标NH3-N、CODMn和BOD的初始浓度设定在《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅱ类—Ⅲ类标准之间，其中NH3-N为0.750 mg/L;CODMn为4.400 mg/L;BOD为3.300 mg/L。
以2018年11月—2019年4月为模拟期，利用MIKE 11一维水动力-水环境耦合模型对长兴港非汛期水环境约束指标进行模拟，模拟结果如图4所示。

图4 非汛期NH3-N、CODMn和BOD浓度变化情况

由图4可知，BOD在三个拟定值下均可稳定达到新塘断面水环境管控标准，NH3-N和CODMn在拟定值1条件下均存在浓度超标问题，但在拟定值2、3条件下可稳定达到新塘断面水环境管控标准。
因此，研究进一步以拟定值1(1.50 m3/s)至拟定值2(3.00 m3/s)为区间，以新塘断面NH3-N和CODMn浓度达标为约束，运用试错法确定长兴(二)水文站流量，各流量拟定值条件下NH3-N和CODMn的最大浓度变化情况如表6所列。

由表6可知，随着流量拟定值的逐步增大，NH3-N和CODMn的最大浓度逐步降低，水华爆发营养物条件有所缓解；当流量拟定值为2.33 m3/s时，NH3-N最大浓度首次达到新塘断面水环境标准；当流量拟定值为2.54 m3/s时，CODMn最大浓度为6.000 mg/L,首次达到新塘断面水环境标准。
综上所述，从保障水环境质量、缓解水华爆发营养物条件角度出发，长兴港非汛期适宜生态流量管控值应为2.54 m3/s。

3.2 汛期生态流量管控值

频数分布统计显示近10 a长兴港汛期日均流量数据集中分布在0.00～10.00 m3/s范围内，相对频率达到了65.82%。
故研究选取2.50 m3/s、4.00 m3/s和5.50 m3/s作为长兴港在汛期的3个流量拟定值，并设定为上游边界流量；下游边界水位设定为2018—2019年汛期平均水位3.43 m, 其余条件与非汛期相同。
根据所获取数据资料条件，研究以2018年5月—10月为NH3-N在汛期的模拟期，2019年5月—10月为TP和CODMn在汛期的模拟期，利用MIKE 11一维水动力-水环境耦合模型对长兴港汛期水环境约束指标进行模拟，模拟结果如图5所示。

图5 汛期NH3-N、TP和CODMn浓度变化情况

通过图5可知，NH3-N和CODMn在3个拟定值条件下均可稳定满足新塘断面水环境标准要求，且蓝藻水华爆发营养物质条件得到缓解；TP在拟定值1条件下存在浓度超标问题，但在拟定值2、3条件下均可稳定达到新塘断面水环境管控标准。
因此研究以拟定值1(2.50 m3/s)至拟定值2(4.00 m3/s)为区间，以新塘断面TP浓度达标为约束，运用试错法确定长兴港汛期适宜生态流量管控值。
各流量拟定值条件下的TP最大浓度变化情况如表7所列。

由表7可知，随着流量拟定值不断增大，新塘断面TP浓度逐步下降。
当上游边界长兴(二)水文站流量设定为2.63 m3/s时，新塘断面TP浓度下降至0.200 mg/L,首次达到新塘断面水环境管控标准。
综上所述，从保障水环境质量角度出发，长兴港汛期适宜生态流量管控值应为2.63 m3/s。

3.3 结果讨论

研究构建了MIKE 11一维水动力-水环境耦合模型，并借助该模型，从保障水生态环境质量并抑制水华发生的角度出发，以长兴(二)水文站为代表断面，确定长兴港生态流量管控值为：非汛期2.54 m3/s, 汛期2.63 m3/s。

通过梳理和对比2018—2021年长兴港新塘断面的水生态环境监测数据和长兴(二)水文站流量数据，可知：非汛期新塘断面出现水环境问题时的日均流量都小于建议管控值2.54 m3/s, 汛期出现水环境问题时的日均流量都小于建议值2.63 m3/s。
此外，当流量增大时，NH3-N的浓度逐渐降低，长兴港水华爆发的营养物质条件得到了一定的缓解。

基于对各管控指标最大浓度的对比分析可知，通过增大流量的方式提高水动力学条件，增强污染物的扩散稀释能力是一种切实可行的改善长兴港水生态环境的方法。
此外，研究将近10 a长兴港非蓝藻爆发期的日均流量数据与本研究推荐的生态流量管控值进行了比对。
结果表明：60.89%的非汛期日均流量数据及76.36%的汛期日均流量可达到生态流量管控值2.54 m3/s、2.63 m3/s。
可见，本研究得到的生态流量管控值在实际管控工作中具有可达性。

研究通过主成分分析法明确了长兴港非汛期水环境约束指标为NH3-N、CODMn和BOD,汛期水环境约束指标为NH3-N、TP和CODMn。
根据长兴港实际情况以及基础数据资料，综合考虑河流水动力条件和水环境状况，构建了MIKE 11一维水动力-水环境耦合模型，从而解决了水动力或水环境模块单独使用时不能很好地表征河流特征的问题。
利用试错法和分析借用法对模型参数进行了率定，验证率定结果可知：水位、流量的模拟值与实测值间的Re¯均小于10%,R2和Nash-Suttcliffe系数分别大于0.6和0.9;各水期的水环境主要管控指标的模拟值与实测值间的Re¯均小于17%,表明模型的模拟精度较好，能够有效模拟长兴港水文水环境，能够用于生态流量控制的计算与分析。

基于构建的MIKE 11一维水动力-水环境耦合模型，从改善水体动力学条件、保障水生态环境质量、控制水华3个目标出发，以长兴(二)水文站为代表断面并分非汛期和汛期对长兴港生态流量进行了计算，最终确定生态流量建议管控值为非汛期2.54 m3/s、汛期2.63 m3/s。
同时，研究进一步表明：当流量增大时，长兴港的营养物质浓度降低，抑制了水华爆发的条件，水生态环境也有一定改善，水环境约束指标皆能达到管控标准。
因此研究确定的生态流量管控建议值对长兴港水生态环境质量保障工作具有科学价值和参考意义，可为打造当地居民心目中的“幸福河”、持续提升河湖治理能力和水平提供科学参考。
此外，由于蓝藻爆发期的生态流量计算所涉及的机理相对复杂，需考虑的因素较多，建议在今后的研究中再进一步讨论。

水利水电技术（中英文）

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