湖泊流域水量调控

第1章 绪论 1.1 研 究 背 景 兴水利、除水害历来是治国安邦的大事，也是水利学科的根本目的（Anderson，1992）。水资源调控是指通过调节地面水利工程、地下蓄水空间和人类用水行为，使水资源时空分配与人类和生态环境需求尽可能相适应的过程，是实现“兴水利、除水害”国家目标的重要手段。然而，水资源时空分布受气候、降水和地形影响，呈现高度随机性；人类和生态环境对水的需求受人口增长、经济社会发展及人们追求高品质生活的驱动，居高不下，并具有高度不确定性（刘国纬，1995；张建云和陈洁云，1995）。因此，水资源调控是一个需要供需双侧联动、多层次多目标协调的复杂性科学问题。尽管自20世纪40年代Masse提出水库优化调度、开启水资源调控定量化研究，至今已有近80年的历史，但是由于人们尚未完全确知降水、径流，以及人类开发利用过程中的全部信息和运动规律，加之气候和下垫面动态变化中蕴含诸多不确定性，水资源调控仍然是当前水利学科的重要前沿（夏军和石卫，2016）。 我国湖泊数量众多，湖泊水面总面积约占国土总面积的1%，主要集中于青藏高原、东北平原和东部平原。排名前10的湖泊中，东部平原有5个，包括洞庭湖、鄱阳湖、太湖、洪泽湖、南四湖。它们均处于长江和淮河下游。与一般河流流域相比，这些湖泊流域，均以湖泊为集中的流域受纳水体，其水安全状态面临如下挑战：①经济社会发展迅猛，河道外用水需求大，水资源短缺问题突出；②湖泊入流众多，源短流急，滨湖地区洪涝灾害严峻；③湖泊平浅，较小的水量扰动就可能引起较大的水面变化，生态系统脆弱性与水量的响应关系敏感；④人水关系密切复杂，水环境负荷大，水质恶化威胁严重。因此，湖泊流域作为一类特殊的地貌单元和流域类型，其水问题治理的复杂性和难度，早已引起了科学家和工程师的密切关注和高度重视。例如，有关洞庭湖、鄱阳湖的研究，历来是研究长江江湖关系的重点，受到广泛关注（王凤等，2008；Li et al.，2014；Wagner et al.，2016）；自20世纪80年代，就有学者针对太湖复杂的河网地形特点，着手建立“太湖流域模型”，近年来随着蓝藻暴发等水环境事件的发生，社会各界给予了更多的关注，也形成了一大批研究成果（王腊春等，2000；程文辉等，2006；Zhai et al.，2010）。相比较而言，隶属淮河流域的洪泽湖、南四湖被关注程度则少了很多，但随着2014年我国南水北调东线工程的全线贯通，洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖这四颗“珍珠”被串了起来，因此这些湖泊的水安全问题也由区域问题跃升到国家战略，逐步受到社会各界的重视（刘昌明和杜伟，1986；赵世新等，2012）。 南水北调东线工程跨越长江、淮河、黄河和海河四大流域，旨在从长江下游取水，向黄淮海平原东部和山东半岛补充水源，与引黄工程和南水北调中线工程一起，共同解决我国华北地区水资源短缺问题。它通过13级泵站逐级提水，连通洪泽湖、骆马湖、南四湖和东平湖等天然湖泊，并作为重要调蓄场所，将长江水送至黄河以北和山东半岛（刘恒和耿雷华，2011）（图1-1）。作为跨流域调水的调蓄节点，沿线的各个湖泊既是受水区又是输水区。工程调水期间调入水成为受水区水体的一部分，直接参与湖泊流域水循环过程。显然，外调水增加改变湖体水量的同时，势必影响湖内水位、流向、流速及流域蒸发、下渗等水文学参数。根据南水北调总体规划，南四湖作为南水北调东线工程的调蓄场所，一期工程计划年调水量88亿m3，工程运行期间南四湖下级湖水位将达到32.8 m，相较于同期多年平均水位提升1 m左右，上级湖水位保持在34 m运行，相较于同期多年平均水位提升了0.48 m左右（刘昌明和杜伟，1986；Wang et al.，2019a）。调水期间，若遭遇强暴雨天气，可能会增加防洪风险。 南水北调东线一期工程自2013年试验通水，截至2020年底已完成了7个年度的调水计划，累计调入山东省水量达46.16亿m3，在缓解山东半岛近年来的极端连续干旱事件中发挥了至关重要的作用。为此，近期正在规划实施南水北调东线二期工程，以进一步扩大调水规模。仅山东省多年平均调水规模将从南水北调东线一期工程的13.53亿m3增大到37.75亿m3，新增引江水量24.22亿m3，调入、调出南四湖水量分别为97.60亿m3、80.40亿m3，这意味着在南四湖流域将消耗水量17.20亿m3，相当于该流域水资源总量的1/3（http：）。南水北调东线工程不是一个利用渠道、涵洞封闭输水的调水工程，而是一个利用沿途自然湖泊调蓄、水量逐级分配耗散的大型工程，大规模外调水直接参与受水流域水文循环，通过人-水系统的相互作用，对生态环境和区域用水行为产生重要影响。因此，南水北调东线工程沿线湖泊流域面临水安全的新挑战。 自2009年以来，作者以南四湖流域为对象，力图站在全流域角度以寻求调水扰动条件下湖泊流域水安全有效途径为出发点，以“面向水安全的湖泊流域水系统优化调控”为主线，从服务防洪除涝能力与供水能力提升两方面，重点开展湖泊流域水文模拟、湖泊流域洪涝模拟、湖泊流域洪水资源利用、农业需水结构优化与供需协调水资源调控等方面的研究，旨在一方面服务南四湖流域科学管理，另一方面为南水北调东线的洪泽湖、骆马湖、东平湖等沿线湖泊及其他类似湖泊流域水安全管理提供借鉴和参考。诚然对南四湖而言水环境、水生态也是非常重要的方面，但限于时间和篇幅，本书尚未涉及有关内容，这也正是本书取名为《湖泊流域水量调控》的原因。 图1-1 南水北调东线工程概化图 受季风气候的影响，南四湖流域降水年内分布很不均匀，高度集中于汛期（6～9月），其降水量占年降水量的72%。滨湖区排涝标准较低（3～5年一遇），洪涝灾害严重频繁，平均每3～5年就发生一次大的涝灾。2003年，滨湖洼地内受灾面积达192.63万亩 ，成灾面积159.49万亩，绝产面积77.08万亩。南四湖入流众多，地形复杂，洪水易涨难消，与滨湖区涝水交换频繁。由于滨湖区地势低洼，河道坡降小，滨湖区高程在36.79 m以下地区基本失去自排能力，涝水全部依靠泵站提排入河再入湖。平原湖区排涝除了受降雨量、排涝工程标准影响，湖泊水位对入湖河道水位的顶托，也会显著影响滨湖区排涝过程。根据地形、地势和洪水特性，研发适合湖泊自身特点、兼顾精度和效率的洪水演算数值模型，是湖泊流域建设规划与洪水实时管理的基础性工作，也是全面掌握南四湖洪水演进情形、提出洪涝治理科学方案的关键（王友贞，2015）。 另外，按照规划，南水北调东线工程在非汛期调水，但若受水区汛期旱情严重，也会启动调水活动，如山东半岛2014～2018年遭遇超过50年一遇的严重干旱，汛期多日调水东送至山东半岛，以缓解水资源短缺形势（李素，2015）。随着经济社会的发展，山东省尤其是半岛地区水资源紧张态势将进一步加剧，南水北调东线工程只按规划在非汛期进行调水，已远不能满足山东省用水需求，汛期调水有望成为常态。为此，应急调水在为山东半岛提供水量的同时，将提高南四湖水位，此时若发生类似2003年的旱涝急转现象，滨湖区洪涝情景将会怎样？这是目前南水北调工程运行及南四湖流域水资源、水生态与防洪排涝管理中亟待回答的科学问题。 此外，作为全国重要的粮棉生产基地，农业是南四湖流域*大的用水户（魏宁宁等，2014），其用水量占总用水量的80%以上。随着城市化进程加快，第二产业和第三产业用水呈刚性增长，这为农业用水结构适应性调整提出了迫切需求。湖库工程作为连接天然来水与用水户之间的枢纽，是水资源调控的重要载体，科学调度水库（湖泊）等蓄水工程是实现水资源合理分配的重要手段，在水资源调控与防洪减灾中发挥着越来越重要的作用（中华人民共和国水利部，2013）。水库优化调度是水资源利用领域历久弥新的研究问题，它能在不改变水库工程规模的前提下，显著增加防洪与兴利效益，在工程界受到高度关注和广泛应用。如何通过水资源优化配置与工程调度联合缓解水资源紧缺、水环境恶化等复杂水问题，实现社会、经济、生态等多方面效益的可持续发展，成为当前水库调度研究中的热点问题。以往水库调度多是根据长系列来水和供水资料，结合地区人口、经济发展情况给定河道外用水，采用以需定供的原则给出水库调度策略，供水侧与需水侧之间的交互是单向的，其结合是相对松散的。全面落实*严格水资源管理制度等新时期治水理念，为水库调度提出了新要求，强化供水侧与需水侧协同调控，提出双侧适应、紧密结合的调度模式已成为必然。 本书以受调水严重扰动的典型湖泊流域—南四湖流域为研究试点，以探寻保障水安全的有效途径为着眼点，紧密围绕防洪排涝能力和供水能力提升为目标，在系统梳理国内外相关研究进展、深入剖析实践需求的基础上，指出应解决的关键问题如下。 （1）如何建立适宜的水文模型，模拟揭示大型浅水湖泊流域洪水和径流的时空演变与数量特征，为洪涝灾害过程模拟和水资源配置调度提供可靠的边界条件。 （2）如何精确模拟不同水文条件下湖泊-洼地-河网间的洪涝交互作用，解析调水期间，遭遇湖泊高水位、暴雨极端条件下的洪涝情景，为南水北调工程运行提供借鉴和参考。 （3）如何充分挖掘流域洪水资源利用潜力，在不增加洪涝风险和保障河湖生态健康的前提下，尽可能多地提供河道外供水，减少南水北调东线的输水压力。 （4）如何协同优化农业种植结构和水利工程调度规则，实现农业用水主导区水资源的集约化利用，既能有效控制用水需求，又能让水资源宏观配置策略落实落地。 本书围绕上述湖泊流域水量调控关键问题展开研究的意义如下。 （1）针对入流繁多、地形复杂、边界受控的特殊性，把湖泊“三湖两河”洪水演算数值模型，与入湖支流控制流域分布式水文模型结合起来，建立兼顾模拟精度与计算效率的湖泊流域水文模型，而不是盲目追求模拟精度而忽视计算效率的水动力学模型的做法，是值得借鉴推广和倡导的。 （2）模拟解析汛期调水在湖泊高水位遭遇暴雨洪水时可能造成的洪涝影响范围，从而为南水北调东线工程调水规则调整和区域防洪排涝应对提供科学依据，是当前南水北调东线工程沿线湖泊共同关注的问题。 （3）基于流域水利工程组成与布局，在阐明洪水资源适度利用理论的基础上，通过因地制宜地选择洪水资源利用方式，充分挖掘利用洪水资源，实现防洪安全、供水可靠和降低调水的多重目标，对含有人工入流控制的湖泊流域管理意义重大。 （4）通过农业种植结构优化，在实现种植效益不降低的前提下，尽可能地压缩用水需求，与流域控制工程优化调度紧密结合起来，通过供需双侧联合调控，推动流域水资源供需松散管理向严格管理的转变。 1.2 国内外研究进展 1.2.1 调水引起的水文效应 调水扰动的水文效应主要指由跨流域调水活动所引起的地下水、径流、水位、水质，以及洪涝灾害等水文参数和特征的变化。早期国内外关于水文效应的研究主要聚焦在土地利用/覆被变化引起的水文效应、城市化引起的水文效应以及水库建设水文效应等典型人类活动引起的水文效应等方面（Legesse et al.，2003；Niedda et al.，2014；张建云等，2014）。跨流域调水作为一种解决水资源时空分布不均的大型工程，由水量调出流域、输水沿线和受水流域三个部分组成（邵东国，2001）。调水对供水区*直接的影响体现为减少供水区可用水量，进而减小供水区水体消纳污染物的能力，影响供水区湿地及生态系统的健康；对受水区而言，大量的调入水增加了受水区的可用水量，在为受水区补充水源、造福人类的同时，也显著改变了输水区与受水区的水文特性（Aron et al.，1977；Kundell，1988）。 相对于城市化和土地利用改变的水文效应研究来说，跨流域调水的水文效应研究起步较晚。Lindsey（1957）对跨流域调水所造成的影响进行了研究，但直到20世纪90年代，研究仍较少。从1992年起，国内外学者对跨流域调水的研究