（水文学及水资源专业论文）黄河下游水量水质与生态联合调度系统研究.pdf

摘要 随着我国经济的快速发展，水资源的供需矛盾和水污染问题愈加突出。解 决好水生态和水环境问题，协调好经济一社会一生态与环境的关系，已经成为我 国经济社会可持续发展战略最重要的内容。 本文首先对黄河下游生态环境需水量进行了研究，界定了黄河下游生态环 境需水量的概念及内涵，将黄河下游生态环境需水量分为河流生态需水量、河流 输沙需水量、河流水污染防治需水量、河口区生态环境需水量四个方面进行研究， 求出了各河段的生态环境需水量；在生态环境需水量研究的基础上，论文建立了 考虑生态环境影响的黄河下游水库群优化调度模型，并对计算结果与常规水库群 优化调度模型的计算结果进行了比较和分析：针对黄河水流含沙量高的特点，论 文运用以圣维南方程组为基础与考虑泥沙因素的黄河下游水质传播经验公式相 耦合的方法，初步研究了适用于黄河下游的水量水质模拟模型。 同时，在以上研究的基础上，论文初步开发了黄河下游水量水质与生态联 合调度系统。系统分为数据库系统、模型库系统、人机交互系统三部分。主要功 能包括：( 1 ) 黄河下游常规水量优化调度；( 2 ) 基于生态的黄河下游水量优化 调度；( 3 ) 黄河下游河段水量水质联合模拟；( 4 ) 黄河下游水系图g i s 信息 查询四个部分。论文结合实例验证了该软件系统的实用性，该系统能为决策层提 供可选择的黄河下游水量水质调度方案及其相关的各种信息。 关键词：黄河下游生态环境需水量水库群优化调度水量水质模拟联 合调度系统 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m yi no u rc o u n t r y , t h ec o n t r a d i c t i o no f w a t e rs u p p l ya n dd e m a n da n dt h ep r o b l e mo fw a t e rp o l l u t i o nb e c o m em o r ea n dm o r e s e r i o i l s i ti sn o wt h em o s ti m p o r t a n tt h i n go fe c o n o m i ca n ds o c i a ls u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ss t r a t a g e mi no u rc o u n t r yt h a th o wt os o l v et h ep r o b l e m so fa q u a t i c e c o s y s t e ma n dw a t e re n v i r o n m e n t ，c o r r e s p o n d i n gw i t he c o n o m y s o c i e t y - e c o l o g y e n v i r o n m e n tr e l a t i o n s h i p i nt h i sp a p e rw es t u d i e de c o l c l 西c a la n de n v i r o n m e n t a lw a t e rd e m a n di nt h el o w c r y e l l o wr i v e r , a n dt h e no r d e r e di t sd e f i n i t i o na n dm e a n i n g w jd i v i d e de c o l o g i c a la n d e n v i r o n m e n t a lw a t e rd e m a n di n t of o u rp a r t s ：e c o l o g i c a lw a t e rd e m a n d ，w a t e rd e m a n d f o rs e d i m e n tt r a n s p o r t ，w a t e rd e m a n df o rp o l l u t i o np r e v e n t i o n , w a t e rd e m a n df o r e s t u a r i n ee c o s y s t e mp r o t e c t i o n ，a n dc a l c u l a t e de c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a lw a t e r d e m a n do f e v e r yr e a c hi nt h el o w e ry e l l o wr i v e r b a s e do nt h er e s e a r c ho f e c o l o g i c a l a n de n v i r o n m e n t a lw a t e rd e m a n d am u l t i r e s e r v o i r o p t i m a lo p e r a t i o nm o d e l c o n s i d e r i n ge c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a li n f l u e n c e si nt h el o w e ry e i l o wr i v e rw a s f o a n d e d ，t h e nw ec o m p a r e da n da n a l y z e dt h er e s u l t sb e t w e e nt h em o d e l st h a t c o n s i d e r i n ge c o l o g i c a l a n de n v i r o n m e n t a li n f l u e n c e sa n dn o t ：a i m i n ga tt h e c h a r a c t e r i s t i co fh e a v ys e d i m e n tl o a di ny j l l o wr i v e r , w ea d o p t e dam e t h o dt h a t c o u p l i n gs a i n t v e n a n te q u a t i o n sw i t hw a t e rq u a l i t yt r a n s m i t t i n ge m p i r i c a lf o r m u l a c o n s i d e r i n gs e d i m e n tf a c t o ri nt h el o w e ry e l l o wr i v e rt or e s e a r c he l e m e n t a r i l yo n w a t e rq u a n t i t ya n dw a t e rq u a l i t ym o d e lt h a tc a nb ea p p l i e dt ot h el o w e ry e l l o wr i v e r m e a n w h i l e ，o i lt h eb a s i so fb e f o r er e s e a r c h e s ，t h ep a p e rd e v e l o p e daw a t e rq u a n t i t y a n dw a t e rq u a i l t yu n i t e d - o p e r a t i o ns y s t e mb a s e do ne c o s y s t e mi nt h el o w e ry e t l o w r i v e r t h es y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：d a t a b a s es y s t e m ，m o d e l b a s es y s t e ma n d h u m a n m a c h i n ei n t e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e r ea r ef o n rm a i nf u n c t i o n si nt h e s y s t e m ：( 1 ) g e n e r a lw a t e rv o l u m eo p t i m a lo p e r a t i o ni nt h el o w e ry e l l o wr i v e r , ( 2 ) w a t e rv o l u m eo p t i m a lo p e r a t i o nb a s e do ne c o l o g ya n de n v i r o n m e n ti nt h el o w e r y e l l o wr i v e r , ( 3 ) w a t e rq u a n t i t ya n dw a t e rq u a l i t yu n i t es i m u l a t i o ni nt h el o w e r y e l l o wr i v e rr e a c h e s ( 4 ) g i si n f o r m a t i o ns e a r c h i n gi nw a t e rs y s t e mm a po ft h e l o w e ry e l l o wr i v e r t h es v s t e mc a np r o v i d eo p e r a t i o ns c h e m e so fw a t e rq u a n t i t ya n d w a t e rq u a l i t yi nt h el o w e ry e l l o wr i v e r , a sw e l la so t h e rr a l a t e di n f o r m a t i o nf o r d e c i s i o n m a k i n gp e r s o n s t h e nac a s ew a sg i v e nt ov a l i d a t et h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h e s y s t e m k e y w o r d s ：t h el o w e ry e l l o w m u l t i r e s e r v o i r s ；0 p t i m a lo p e r a t i o n ； u n i t e do p t e r a t i o ns y s t e m r i v e r ；e e o - e n v i o n m e n t a l w s t e rd e m a n d ； w a t e rq u a n t i t ya n dw a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o n ； 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 盏查坠 加- 7 年 月f 日 ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 垒圭堡勘。7 年 月 1 1 日 ( 注：手写亲笔签名) 1 1 问题的提出 第一章绪论 水是人类社会赖以生存和发展不可替代的自然资源，具有可再生性、社会性、 经济性和重复利用性，也是一种区域性和时问性很强的资源，过量开发利用或污 染水体就破坏水生态系统，带来负面效应，威胁着区域的经济社会发展和地球生 命系统的健康i l l 。而长期以来，我国水资源的管理模式大都从水资源与人类社会 两大系统的相互作用来考虑，未考虑到人类活动和水资源配置对自然生态系统造 成的影响，形成了城市用水和工业用水挤占农业用水，农业用水挤占生态用水的 格局。结果，导致了河水断流、水生生物多样性减少、河口生态环境恶化、自然 植被退化、地下水超量开采、海水倒灌等严重的生态问题。资源短缺和环境恶化 的压力迫使人类重新面对自然界，也就是说，人们在水资源利用时，除了考虑经 济和生活需水外，还必须考虑生态环境需水量。解决好水生态和水环境问题，协 调好经济一社会一生态与环境的关系，已经成为我国经济社会可持续发展战略最 重要的内容，迫切需要实践和探索，并提供相关理论、方法和技术的支持。 破解水问题，最核心的理念是人与自然和谐相处。新的思维模式，放弃了以 人类为中心的水资源管理观念，强调水资源、生态系统和人类社会的相互协调， 重视生态系统和水资源管理的内在关系，重视水资源的配嚣和高效利用，重视河 流生态系统健康和水利工程长期的生态学效应，并将此作为水资源、水环境和水 生态管理的基础，把水量、水质统一考虑、统一管理、统一调配，以期实现防洪 安全、水资源可持续利用、水生态环境有效保护的目标。如何定量描述水量、水 质和水生态系统之间的复杂关系，是当前可持续水资源管理量化研究的基础内容 之_ ( 2 1 - ( 7 j 。实际上，它所需要建立的模型，在时间和空间上是一个反映水量循环 和调控配置为主的水量模型、以反映水质变化和输移为主的水质模型、以反映生 态系统状态和演变的生态系统模型以及三者之间的耦合模型；这拓展了水资源研 究的内涵，也将在水资源基础研究和应用研究层面形成一些前沿问题和热点、难 点问题。这些问题的研究不仅是国家宏观决策不可缺少的依据，而且有望创建和 发展流域水资源研究新理论和新方法，构建和拓展流域管理新方向和新体制i s 】。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 生态环境需水研究进展 2 0 世纪4 0 年代，美国鱼类和野生动物保护协会开始研究河道内流量，并于 1 9 7 1 年出台河道内流量法，用以确定自然和景观河流的基本流量【9 1 。2 0 世纪6 0 7 0 年代，印度、巴基斯坦、埃及等国也进行了相关的研究。美国于1 9 7 8 年完成了 第二次全国水资源评价( t h es e c o n dn a t i o n a lw a t e r a s s e s s m e n t ) 。在这次评价中， 既考虑了河道外用水，也估计了鱼和野生生物、游览、水力发电、航运等河道内 用水，其中，把生态环境用水作为主要的河道内控制用水。8 0 年代初期，美国全 面调整流域的开发和管理目标，这是生态和环境需水分配研究的雏形，已形成较 为完善的河道内流量计算方法，但此时并没有明确地提出生态需水量和环境需水 量的概念：英国、澳大利亚等国也在8 0 年代起开始接受河流生态流量的概念，并 广泛开展研究。 9 0 年代以来，许多研究者开展了水资源和生态环境方面的相关性研究，生态 系统需水量问题成为全球关注的热点问题。g l e i e k 于1 9 9 5 年提出了基本生态需水 量( b a s i ce c o l o g i c a lw a t e rr e q u i r e m e n t ) l 撇t 。0 j ，即提供一定质量和数量的水给天 然生态环境，以求最大程度地改变天然生态系统的过程，并保护物种多样性和生 态整合性。f a l k e n m a r k 1 ( 1 9 9 6 ) 将“绿水”的概念从其他水资源中分离出来， r a s h i n 等 1 2 1 ( 1 9 9 6 ) 也提出了可持续水利用要求保证足够的水量来保护河流、湖泊 和湿地生态系统，人类所使用的作为娱乐、航运和水力的河流和湖泊要保持最小 流量。1 9 9 9 年，w h i p p l e l l 3 等提出了相类似的观点，他认为，水资源的规划和管 理需要更多地考虑环境需求。指出国家对河流航运、水电的需求不断增长，相应 地对水供给、洪水控制和人类娱乐利用的需求也在增加。其中水供给，包括城市、 工业、农业利用，还有河道内的环境利用。同年，b a i r d i h l 等针对各类型生态系 统的基本结构和功能，较详细的分析了植物和水文过程的相互关系，强调了水作 为环境因子对自然的保护和恢复所起到的巨大作用。近l o 年来，国际之间加强了 水文水资源研究的合作，其中就包括河道低流量的研究，f r i e n d 组织研究了欧 洲西北部1 3 5 0 条河流的低流量状况。 在我国，生态环境需水的研究尚处于起步阶段，对生态环境需水的概念、内 2 涵与外延等没有统一的定义，对其计算方法的研究也并不深入和完善，多以定性 分析和宏观定量相结合的方法为主。 1 9 8 8 年在方子云主编的水资源保护工作手册中【1 5 1 ，已经涉及到了流域 生态用水方面的内容，但未明确使用生态用水这一术语。“生态用水”概念是我 国学者汤奇成在分析了塔里木绿洲生态环境时首次明确提出的，他认为必须在水 资源总量中划分出部分作为生态用水【1 6 1 。1 9 9 3 年水利部正式将生态用水作为 环境脆弱地区水资源规划中必须予以保证的用水类型。2 0 世纪9 0 年代后，随着国 际地圈生物圈计划( i g b p ) 和国家“九五”科技攻关项目有关课题开展，对生态环 境需水也做如了初步的估算，取得了一些进展。但总体而言，有关生态环境需水 的研究仍处在初级阶段。从研究尺度上来看，国内的一些学者已从早期关注河道 内生态环境需水扩展到与之关系密切的河岸植被生态系统、洪泛平原、湿地、湖 泊、地下水等陆地淡水生态系统的生态环境需水搐1 。 目前，关于生态环境需水的研究成果主要集中在河道外生态环境需水和河道 内生态环境需水两方面，对于将水资源与生态环境作为整体研究其生态环境需 水，虽然有所涉及，但大多为定性描述【嘲。 对河流生态环境需水的研究，总体上可以归结为 2 0 1 ：针对具体的河流生态 系统，在保持目标要求的生态系统功能的前提下，以地带性理论、水文循环、水 量平衡、水质污染控制、水沙平衡等为基础，依据各项功能和环境对水量和水质 的要求进行计算，在一定范围内存在和变化的、构成河流生态系统的各项需水量 的广义和( 包括重叠需水量) 。 i 2 2 水库群优化调度研究进展 水库群一般有串联、并联和混联三种排列形式。随着水资源和水电的不断开 发利用，水库群已成为最常见的水利水电系统。水库群优化调度虽以单一水库优 化调度的理论和方法为基础，但也不断有新的方法出现。 国外关于水库群优化调度的研究大约在6 0 年代末起步，随着系统理论在水库 优化调度领域的不断发展，大量的研究成果不断问世，针对不同问题的各种形式 的模型也相继出现，尤其是7 0 、8 0 年代研究成果极为丰富。水库优化调度最基本 的模型是线性规划模型l p ( m a n n o s1 9 5 5 ，l o u c k1 9 6 8 ，r o e f se t c 1 9 7 0 ) 和动态规划 模型d p ( h a l le t c 1 9 6 1 ，y o u n 9 1 9 6 7 ，c o l l i n s l 9 7 7 ) 。针对不同的问题，尤其是为了克 服在水电站水库群优化调度中由于水库数目增加所引起的“维数灾”，研究者在 l p 、d p 模型的基础上又提出了一系列改进模型及其求解方法，主要有：机遇约 束线性规划模型( r e v e l l e1 9 6 9 ，h o u c k1 9 7 9 ) ：增量动态规划模型i d p 及离散微分 动态规划模型d d d p ( b e m h o l t z1 9 6 0 h a l l1 9 6 9 ，y a k o w i t ze r e 1 9 8 0 ；随机动态规 划模型s d p ( b e t c h e r1 9 6 8 ，t e h1 9 7 3 ) ：机遇约束动态规划模型c c d p ( a s k e w1 9 7 4 ， s n i e d o v i c h1 9 8 0 ) ；逐步优化法p o a ( t u r g e o n1 9 8 1 ) ；非线性规划模型n l p ( l e e1 9 7 0 ， h i c k s1 9 7 4 c h e & y e h1 9 7 8 ) 等【”】。h a l l & s h e p h a r d ( 1 9 6 7 ) 、b e c h e r ( 1 9 7 6 ) 和y e h ( 1 9 7 9 ) 等还开发提出了线性规划与动态规划相结合的l p - d p 混合模型，w i l l i a n w g y e h 等人1 9 8 2 年将其应用在了美国加州c p v i 程的实时调度，并实时考虑了 5 个目标。s v e d u l a 等1 9 9 6 年将l p 与s d p 模型结合，提出了考虑时段入流和下游配 水效益的优化水库放水策略的聚合模型1 2 2 1 。除了上述一些模型外还有诸如聚合 分解法、大系统分解协调法等，从而形成了一套比较完善的水库群优化调度理论 和方法【2 3 ，2 4 , 2 5 1 。针对水库调度中的风险，s i m o c v i c 和m a r i n o 在1 9 8 0 年研究了水 库调度的可靠性；h o g a n 将可靠性以决策变量形式考虑，并引进风险损失函数， 定量地表示了目标偏离期望的代价，提出了水库可靠性规划理论，之后s l o b o d a n p 将其扩展到了多用途水库系统，并提出了可靠性规划模型的两层算法1 2 6 1 ；1 9 7 9 年，h o u c k 提出了一个包含与未来径流预报有关的风险模型，该模型以预报可靠 性作为输入，是一个有机遇约束的线性规划模型，1 9 8 4 年h a s a ny a z i c i g i l 等利用 该模型研究了风险及可靠性对水库设计的影响【2 7 ，2 引。 我国关于水库群优化调度的研究开始于8 0 年代初。当时谭维炎、刘健民等i 刎 在研究四川水电站水库群优化调度图和计算方法时，提出了考虑保证率约束的优 化调度图的递推计算方法。1 9 8 1 年，张勇传删利用大系统分解协调的观点，对 两并联水电站水库的联合优化调度问题进行了研究。1 9 8 2 年，熊斯毅、邴风山p 根据系统分析思想，提出了水库群优化调度的偏离损失系数法，并在湖南柘溪一 风滩水电站水库群的最优调度中得到了应用。1 9 8 2 9 ，叶秉如等p 2 1 提出了并联 水电站水库群年最优调度的动态解析法，该法在闽北水电站水库群优化调度的模 拟计算中，该法可增加发电量6 6 。1 9 8 2 年，黄守信、方淑秀等【3 3 1 提出了以单 4 库优化为基础的两库轮流寻优法，用于并联水库群的优化调度计算。1 9 8 3 年，鲁 子林 h i 将网络分析中最小费用算法，用于水电站水库群的优化调度。1 9 8 6 年， 董子敖等嗍提出了计入径流时空相关关系的多目标多层次优化法，该法的基本 思想是：采用分区推求条件频率曲线和隐相关相结合的方法计入径流的时空相关 关系，把一维动态规划逐步逼近法用于二维状态，并采用参数迭代法实现降维求 单目标次优解，以克服“维数灾”障碍。1 9 8 8 年，叶秉如掣硒l 提出了一种空间 分解算法，并将多次动态规划法和空问分解法分别用于研究红水河梯级水电站水 库群的优化调度问题。同年，胡振鹏、冯尚友d 7 】提出了动态大系统多目标递阶 分析的分解聚合方法，该法为解决跨流域供水水库群联合运行中多库、多目标、 多层次、调节周期长和计算时段多等复杂情况提供了有效方法，在解决丹江口水 库防洪与兴利两个目标的优化调度时也应用了该法。1 9 9 1 年，吴保生等1 3 8 1 提出 了并联防洪系统优化调度的多阶段逐次优化算法，成功地解决了河道水流状态的 滞后影响。1 9 9 4 年，都金康等p q 针对上述吴保生等提出的方法寻优速度较慢的 缺点，提出了一种简便高效的水库群防洪调度逐次优化方法。模糊优化调度理论 的发展历史虽然不长，但在水电站水库群的优化调度中也得到了许多应用。1 9 9 4 年，王本德等( 柏1 提出了梯级水库群防洪系统多目标洪水调度的模糊优选模型。 该模型分别在丰满一自山梯级防洪系统和清河一南城子一柴河串并联水库群防 洪系统的优化调度中得到应用l 。 纵观水库群优化调度研究历史，在早、中期主要是针对模型与算法，侧重于 调度理论研究。近十多年来，随着理论研究的日渐成熟和完善，水库群优化调度 研究也更注重于与生产实际相结合，注重研究成果向生产的转化，以弥补理论研 究与实际应用的“鸿沟”。尤其是随着计算机及人工智能技术的发展，引入新的 理论( 如人工神经网络、专家系统、遗传算法等) 与计算机及人工智能技术相结 合，成为水库群优化调度研究的一个热点和发展趋势。目前这一热点主要表现在： 一是依靠计算机的快速运算及大容量存储能力研究探讨快速、准确求解水库群优 化调度模型的方法及算法，以提高模型效率；二是用先进的计算机可视化编程语 言开发直观易读、方便易行、交互能力强的水库群调度应用软件，以提高模型的 实用性 4 2 1 。 1 2 , 3 水量水质模拟研究进展 水动力数学模型大体可以分为节点一河道模型、单元划分模型、混合模型以 及人工神经网络模型4 类l , t 3 1 。目前，水动力模型仍然以节点一河道模型为主，对 s a i n t - v o m u t 方程组离散求解，寻求一种更能真实有效反映河流水动力特性的数 学模型和高效的求解方法仍将是今后水动力模型数值模拟的主要发展方向。 s a i n t v e n a n t 方程组是s a i n t v e n a n t 在前人l a p l a c e ( 1 7 7 6 ) 、n e w t o n ( 1 8 6 7 ) 等开 创性研究的基础上建立的一维非恒定水流运动规律的理论基础。由于s a i n t - v e n a n t 方程组属于二元一阶双曲型拟线性方程组，无法直接求得解析解，只能求 解各种简化形式的方程组，因此在实际应用中受到很大的限制。到了2 0 世纪中期， 由于计算机技术的迅猛发展，对完整s a i n t - v e n a n t 方程组的求解才变为现实。 水质模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学 描述，它既是水环境科学研究的内容之一，又是水环境研究的重要工具。自1 9 2 5 年斯特里特费尔普斯( s t r e e t e r - p h e l p s ) 在对o h i o 河流污染源及其对生活污水造成 的可度量影响的研究中，第一次建立水质模型以来，水质模型的开发与研究经历 了五个阶段1 4 4 1 ： 第一阶段( 1 9 2 5 1 9 6 0 年) ：这一阶段s t r e e t e r - p h e l p s 水质模型( s p 模型) 为代 表，后来科学家在其基础上成功地发展t b o d d o 耦合模型，并应用于水质预测 等方面； 第二阶段( 1 9 6 0 1 9 6 5 年) ：在s - p 模型的基础上又有了新的发展，引进了空 间变量、物理的、动力学系数，温度作为状态变量也被引入到一维河流和水库( 湖 泊) 模型，同时考虑了空气和水表面的热交换，并将其用于比较复杂的系统； 第三阶段( 1 9 6 5 1 9 7 0 年) ：其他输入源和漏源包括氮化合物好氧( n o d ) 、光 合作用、藻类的呼吸以及沉降、再悬浮等，计算机的成功应用使水质数学模型的 研究取得了突破性的进展； 第四阶段( 1 9 7 0 1 9 7 5 年) ：水质模型已发展成相互作用的线性化体系、生态 水质模型的研究初见端倪，有限元模型用于两维体系，有限差分技术应用于水质 模型的计算； 6 第五阶段( 近2 0 多年) ：科学家的注意力已逐渐地转移到改善模型的可靠性和 评价能力的研究上。 前人对水质模型数值模拟进行了很多开创性的工作，并且卓有成效。目前开 发较为成熟、运用较为广泛的水质模拟软件是美国国家环保局( u s e p a ) 于1 9 7 3 年 开发的q u a l 2 e 模型及1 9 8 3 年开发、后经多次扩充与修币的w a s p 系列模型。 其他还有美国陆军工程兵团研究开发的c e q u a l r i v i t 4 s l 、w q r r s t 4 6 1 、h e c 5 q i 4 ：q 、s e l e c t l 4 射、c e - q u a l r l l 4 9 1 等模型酬。 1 3 研究内容 本文以黄河下游( 潼关以下) 为研究对象，主要研究了四个方面的内容：黄 河下游生态环境需水量研究、基于生态的黄河下游水库群优化调度模型研究、黄 河下游水量水质模型研究、黄河下游水量水质与生态联合调度系统研究。 l 、论文中界定了黄河下游生态环境需水量的概念及内涵，把生态环境需水 量分为河流生态需水量、河流输沙需水量、河流水污染防治需水量、河口区生态 环境需水量四个方面【瓠1 分别进行研究。研究中耦合求出了黄河下游各河段不同 时段的生态环境需水量。论文中把时间段分为汛期和非汛期，汛期的生态环境需 水量主要考虑输沙水量，非汛期的生态环境需水量主要用于维持河流基本的生态 环境功能。 2 、常规的水库群优化调度中没有考虑流域内生态环境对水量的要求。论文 中结合已计算出的黄河下游生态环境需水量研究成果，尝试构建基于生态的黄河 下游水库群优化调度模型，使计算时段各断面流量尽可能满足该时段的生态环境 需水量要求。 3 、由于黄河水流含沙量高，传统的水质模型无法应用于黄河流域。论文中 尝试运用以圣维南方程组为基础与考虑泥沙因素的黄河下游水质传播经验公式 相耦合的方法，构建适用于黄河下游的水量水质模型。 4 、论文在已有研究成果基础上，初步建立了黄河下游水量水质与生态联合 调度系统。论文并结合实例对系统的实用性进行验证，模拟计算结果较为合理a 1 4 技术路线 图1 1 技术路线图 第二章黄河下游研究河段概况 2 1 黄河流域概况 黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓的约古宗列盆地，流经青海、四川、 甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东九省( 区) ，于山东省垦利县注 入渤海。黄河流域( 包括黄河内流区) 总面积7 9 5 万k m 2 ，干流河道全长5 4 6 4k m 。 全河划分为龙羊峡以上、龙羊峡至兰州、兰州至头道拐、头道拐至龙门、龙门至 三门峡、- - f l 峡至花园口、花园口以下、黄河内流区等流域分区。黄河流域行政 和流域分区面积示意图分别见图2 i 和图2 - 2 。 理 s 氍 阻 青海 讹 四川甘肃宁夏内蒙古山西 陕西河南 图2 - l黄河流域行政分区面积柱状图 图2 - 2 黄河流域分区面积比例图 口 山东 内蒙古托克托县河1 3 镇以上为黄河上游，汇入的较大支流( 流域面积l o 万 f a n 2 以上) 有4 3 条，径流量占全河的6 0 0 , 4 。龙羊峡至宁夏下河沿的干流河段是 9 黄河水力资源的“富矿”区，也是全国重点开发建设的水电基地之一。下河沿至 河口镇的黄河两岸为宁蒙灌区，是黄河流域重要的农业基地。由于该地区降水少、 蒸发大，加上灌溉引水和河道渗漏损失，致使黄河水量沿程减少。沿河平原不同 程度地存在洪水和凌汛灾害。 河口镇至河南郑州桃花峪为黄河中游，是黄河洪水和泥沙的主要来源区汇 入的较大支流有3 0 条。河口镇至禹门口是黄河干流上最长的一段连续峡谷，河 段内支流绝大部分流经水土流失严重的黄土丘陵沟堑区，是黄河泥沙特别是粗泥 沙的主要来源，全河多年年平均输沙量1 6 亿吨，其中9 亿吨来源于此区间；尤 其是黄河河口镇至潼关这一河段，黄河在穿越这一段黄土高原的过程中，众多支 流汇入，把黄河“染成”了黄色。该河段水力资源也很丰富，是黄河上第二大水电 基地，峡谷下段有著名的壶口瀑布。禹门口至三门峡区问，黄河流经汾渭地踅， 河谷展宽，其中禹门口至渣关( 简称小北干流) ，河长1 3 2 5 k m ，河道宽浅散乱， 冲淤变化剧烈：河段内有汾河、渭河两大支流相继汇入，是黄河下游泥沙主要来 源区之一，多年年平均来沙量5 5 亿吨。- - f 7 峡至桃花峪区间，小浪底以上是黄 河的最后一段峡谷，出峡谷后逐步进入平原地区。 黄河干流自桃花峪以下为黄河下游。下游河道为地上悬河，支流很少。目前 黄河下游河床已商出大堤背河地面3 - 5 m ，比两岸平原商出更多。除南岸东平湖 至济南区间为低山丘陵外，其余全靠堤防挡水。历史上决口泛滥频繁，给中华民 族来了沉重的灾难。黄河入海口因泥沙淤积，不断延伸、摆动，近4 0 年倒，黄 河年平均输送到河口地区的泥沙约1 0 亿吨，年平均净造陆面积2 5 3 0 k i n 2 。黄河 下游冲积平原，是我国的第二大平原华北平原的重要组成部分。它包括豫东、豫 北、鲁西、鲁北、冀南、冀北、皖北、苏北等地区，面积达2 5 万k m 2 。冲积扇 的顶部，位于沁河口带，海拔i o o m 左右。平原地势大体以黄河大堤为分水岭， 地面坡降平缓，微向海洋倾斜。大堤以北为黄河平原，属海河流域；大堤以南为 黄淮平原，属淮河流域【掰。由于泥沙淤积，黄河河床高出于两岸土地，形成“地 上悬河”，完全依靠堤防来约束河道。临黄大堤全长1 4 0 0 余k m ，两岸堤防已高 于背河地面l o m 1 4 m ，形成了堤防越加越高，越高越险的被动局面，这是黄河 的重要特点之一，也是下游灾害严重的原因之一1 5 3 l 。 0 2 2 黄河下游研究河段概况 本文的研究河段为潼关至黄河入海口，重点研究潼关一三门峡、三门峡一小 浪底、小浪底一花园口、花园口一高村、高村孙口、孙口利津、利津以下7 个河段。除了潼关一小浪底位于黄河中游，其余河段均位于黄河下游地区，故我 们通称研究河段为黄河下游。 2 2 1 黄河下游自然环境概况 ( 1 ) 潼三河段 潼关一三门峡河段范围自潼关水文站至三门峡水库大坝，河段长度为 1 2 5 2 k m 。该区间横跨晋、陕、豫三省，区内有三门峡和小浪底水利枢纽工程。 区域内除汾渭盆地外，多属于黄土高原及黄土丘陵沟壑区。该区域属于暖温带季 风型气候，年平均气温1 3 2 ，多年平均降水量6 2 3 9 m m ，年内分布不均，夏季 降水约占全年总量的5 0 ，且主要以暴雨形式出现，是黄河下游洪水主要来源之 一 该河段潼关上游汇入的较大支流有3 0 条，有对黄河干流输污量最大的渭河 及居第二位的汾河，另外还有污染严重的涑水河、双桥河、宏农涧河、青龙涧河 等支流加入，对黄河潼关以下水环境质量影响极大。据潼关水文站1 9 7 0 1 9 9 8 年资料统计，- - f 峡河段多年平均径流量3 2 8 6 亿m 3 ，多年平均流量1 0 4 0 m 3 s ， 最大流量1 5 4 0 0 m 3 s ( 1 9 7 7 年) ，最小流量2 9 o m 3 s ( 1 9 9 7 年) 。 潼三河段有河南- - i 峡库区省级湿地自然保护区，该湿地西接陕西省，东 至三门峡水库大坝，北与山西隔河相望，南依- - i 峡黄土塬地，湿地主要保护对 象为大、小天鹅等珍稀鸟类瞰1 。 ( 2 ) 小浪底以下河段 小浪底以下河段位于小浪底大坝至入海口，全长8 9 5 7 k m ，地跨河南、山东 两省，流经1 5 个地( 市) 区，4 3 个县。河段两岸土地肥沃，人口稠密，主要城 市有郑州、新乡、开封、淮阳、菏泽、济南、滨州、东营等，是沿黄经济较为发 达地区。该研究河段属温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，春季多风而干早， 夏、秋季炎热多雨而湿润，冬季寒冷少雪。年平均气温为1 l 1 5 c ，最高气温 在7 月8 月份，平均为2 5 ( 2 - 2 7 ( 2 ，最低气温在1 月份，平均为- l 至_ 4 ，土 壤冻结深度在o 3 7 m 0 5 0 m 。多年平均蒸发量1 0 0 0 - 1 2 0 0 m m ，多年平均降水量 5 8 0 7 0 0 r a m 之间，多集中在7 9 月份，年内分配不均，有三分之二的雨量集中 于7 9 月份，经常出现春早秋涝。年际变化很大，多次出现连续干旱年”j 。 该区间主要有伊洛河、沁河、汜水河、蟒河、天然文岩渠、会堤河等支流 汇入。其中伊洛河、沁河和新，老蟒河水污染严重，排污量较大，枯水期对花园 口河段水环境影响严重。同时伊洛河、沁河又是黄河下游洪水的来源之一。 目前研究河段重要的湿地有河南黄河国家级湿地自然保护区的孟津、洛阳吉 利湿地、开封柳园口省级湿地自然保护区等。河南黄河湿地有国家级保护动物 有白鹤、丹顶鹤、白头鹤等l o 种，二级保护动物有大天鹅、小天鹅、黄嘴白鹭、 鹊鹞等3 1 种。景观主要有小浪底水库旅游区、郑州邙山、花园口黄河游览区、 东营黄河口旅游区等f 矧。 2 2 2 黄河下游社会经济概况 ( 1 ) 潼三河段 潼三河段地处豫、陕、晋三省交界地带，社会经济比较发达，工业主要以煤 炭、电力、有色金属为主。该河段流经潼关、芮城、灵宝、陕县和三门峡市。2 0 0 0 年汇流区域内总人1 3 4 8 8 1 万人，其中城镇人口1 3 5 6 万人；耕地面积8 6 4 6 万亩，粮 食总产量1 3 9 5 万吨，农业总产值5 7 8 亿元，工业总产值2 9 3 9 亿元，国内生产总值 2 3 9 1 亿元。 该河段水资源开发利用程度较高，三门峡、义马、河滓、韩城及山西铝厂、 三门峡西电厂均以黄河为生活和工业供水水源。洛阳、新安、吉利等城镇办规划 由小浪底水库取水。东雷、浪店、大禹渡等大型提水工程位于潼关一三门峡河段， 是陕西渭南、山西运城地区重要的农灌供水工程。 ( 2 ) 小浪底以下河段 黄河小浪底以下河段是沿黄郑州、新乡、开封、濮阳、济南、滨州、东营等 重要城市生活及工农业的供水水源，并承担了向河北、天津、青岛、淄博等流域 外调水的重要任务，该河段水资源开发利用程度较高。区间工农业较为发达，工 业以石油、化工、机械、电子、纺织等为主，沿黄平原是我国主要的商品稂基地。 城市生活对水资源量和质的需求及农业用水对水资源量的需求，构成了该河 段水体功能需求的特点。区域内人口密度较大，2 0 0 0 年汇流区域内总人1 2 1 2 5 4 2 万 人，其中城镇人1 2 1 7 7 7 万人：耕地面积3 1 6 7 万亩，粮食总产量1 1 1 4 万吨，农业总 产值4 5 6 亿元，工业总产值2 5 0 2 亿元，国内生产总值1 8 8 9 亿元。该区间水资源量 和质的供需矛盾都很突出。9 0 年代以来，黄河下游断流情况十分严重( 白1 9 9 9 年 2 黄河水利委员会实施全河统一调水后，断流情况得以缓解) ，水质状况较差，更 加剧了水资源的供需矛盾。合理配置、利用和保护水资源，保证两岸社会经济的 可持续发展，将是今后长期的任务i s 4 。 2 3 研究河段特点 研究河段地理地貌特点、河道水文特征、水污染及河段纳污特点唧i ，具体见 表2 1 。 表2 - 1 研究河段特征一览表 名河段河长 称区问( k m ) 河段特征戈注点 地理位置敏感。三门峡河段地处陕西、山西、河三门峡河段 南三省交界处，受到中央和三省政府及社会公众地理位置敏 的关注感，纳污量 河道宽浅。潼关至三门峡河谷较为宽阔，两岸为大，水质较 黄土塬地或台地 差，经常发生 = 水派条件受三门峡水厍运用影响。受= i 】峡水厍 高浓度污水 门潼关 运用方式影响，该河段河道状态随运用方式不同 连续输入的 峡 1 2 5 2 出现明流、蓄水、蓄水明流共存等 污染事件如 河门峡2 0 0 0 年年初、 段 纳污量最大，污染严重。渭河、汾河、辣水河等 2 0 0 3 年1 月、5 1 9 条污染严重支流先后汇入二门峡河段，井接纳 月发生的潼 了三fj 峡、河津、韩城等市县的商接入黄排污口 芙污染事故， 1 9 个。由于该河段接纳了大量污染物，使得该河 对卜蝣取水 段成为黄河干流污染最为严重的河段，水质常年 安全造成很 处于v 类或劣v 类 大的威胁 典型的游荡性河段。花园口河段地处黄河中游与 下游的接壤处，由山区进入平原的过渡河段。为 小浪底以下 宽浅性游荡性河段，两岸由大堤约束 河段为典型 纳污量较大，主要来自小浪底至花园口区间的支 的游荡性河 小流。洛河、沁河、新蟒河、老蟒河、汜水河等污 段，小一花间 染严重支流汇入致使该河段水污染严重 纳污量较大， 浪 小浪 造成局部河 水沙受小浪底水库影响较大。该河段位- f - , l , 浪底 段水质较差 底 底 8 9 5 7 水库下游，小浪底水库运行，对该河段水流泥沙、以 入海 该河段取水 下河道边界条件产生影响 河 口口较多，水功 水质季节性明显。花园口河段水质季节性变化明 能要求高，应 段显，一般丰水高温期水质相对较好，枯水低温期 保证取水安 水质最差 全。伊洛河是 花园口以下河段两岸大堤约束，两岸没有排污， 水污染事件 为自净降解河段，水质主要取决于小浪底f 泄水 多发支流 质及小一花间排污状况 2 4 黄河下游主要水利工程 黄河下游已建成两座大型水利枢纽，总库容1 4 4 5 亿m 3 ，调节库容6 5 亿 m 3 ，装机容量2 0 5 万k w ，设计年发电量5 2 亿k w h 。论文选择两库作为模型中 的控制性工程。 l 。三门峡水库 三门峡水利枢纽位于河南省，距刘家峡水库2 5 0 0 k m ，控制流域面积6 9 8 4 万k m 2 ，是黄河上兴建的第一座以防洪为主兼有防凌，灌溉，发电等综合利用的 大型水利枢纽工程。安装了5 台机组，总装机容量为2 5 万k w 。多年平均天然 径流量4 9 8 亿m 3 ，水库现采取蓄清排泄方式运用，汛期水位在3 0 0 3 0 5 m 高程， 春灌限制水位3 2 4 m