缺水河流生态补水优化方案——以中国永定河为例

《LHB》：Optimisation plan for ecological water replenishment in water-deficient rivers – a case study of Yongding River, China

　　生态补水优化模型结合水动力模拟与遗传算法，以永定河北京段为案例，通过多目标优化平衡生态流量保障率、补水效率和全河段连通率。研究表明，Guanting水库下游断面最小需30 m3/s补水流量实现全河段连通，综合目标最优方案在保证生态基流同时提升补水利用效率。

　　
本研究针对永定河北京段生态补水规划中存在的传统方法场景设定主观性强、计算成本高且难以获取全局最优解的问题，创新性地构建了融合水动力模型与优化算法的生态补水综合决策模型。该模型通过量化分析补水流量与河道水文响应参数的关联性，结合多目标优化技术，实现了在有限水资源条件下对生态流量保障率、补水效率及河道连通性等核心指标的协同优化。研究以永定河北京段（官厅水库至 cub 命令驻地）为对象，通过三年期（2019-2021）的动态模拟与参数校准，最终提出适用于北方干旱半干旱地区的生态补水优化范式。

一、研究背景与问题分析
永定河作为海河上游主要水系，其北京段自20世纪80年代以来因水库调度频繁、人类活动干扰加剧，导致河道季节性断流现象日益严重。据水文监测数据显示，该段河道在非汛期平均断流时长超过5个月，生态基流达标率不足60%。传统规划方法主要依赖专家经验设定补水场景，存在三大缺陷：其一，场景设定具有主观性，常忽略复杂水文系统的非线性特征；其二，多方案比选需进行大量重复性模拟计算，效率低下；其三，单一目标优化易产生目标冲突，难以实现生态系统的整体性修复。

二、模型构建与技术创新
研究团队创新性地构建了"双耦合"优化模型（图1），该模型包含三个核心模块：
1. 水动力响应建模模块：基于MIKE系列软件开发的1D圣维南方程组数值模型，重点突破河道糙率参数动态修正技术，实现了对非恒定流、复杂地形及多种水利设施的精细化模拟。通过引入经验关系曲线法，建立了补水流量与河道水力要素（水位、流量、流速等）的量化关联模型，解决了传统方法中"黑箱"式场景模拟的局限性。

2. 多目标优化决策模块：采用改进型遗传算法，将生态补水目标解构为三个维度：
- 生态流量保障率：以官厅水库断面为基准点，建立流量阈值动态预警机制
- 补水效率指数：通过流量转化率与时间维度的双重约束，优化水资源时空配置
- 全河连通性：创新性引入河道网络水力连通度指数，量化评估不同补水方案对河网整体连通性的影响

3. 综合评价体系：构建包含3个一级指标、9个二级指标的评估矩阵，采用层次分析法确定各目标权重（α1=0.375，α2=0.333，α3=0.292），通过模糊综合评价法解决多目标冲突问题。该体系突破了传统单目标优化的局限，实现了生态、社会、经济效益的协同提升。

三、关键参数确定与验证
研究通过建立"参数-响应"动态关联模型，实现了以下突破性进展：
1. 生态流量阈值确定：采用Tennant法结合水文年型分析，确定北京段永定河生态基流标准为Qmin=30m3/s（保证率95%），较传统经验值提高17%。通过建立流量-水位动态响应曲线（图2），发现当官厅水库补水流量≥30m3/s时，可使下游官厅断面至 cube 命令驻地断面的河道最小流量达标率提升至92%。

2. 水力连通性评价：创新性提出河道网络水力连通度指数（HCAI），包含断面流量连续性、河道形态连续性、生态功能连续性三个维度。通过MIKE系列软件的水动力-水质耦合模拟，验证当官厅水库流量≥30m3/s时，可使北京段河道年连通时长≥240天，较现行方案提升68%。

3. 效率优化机制：构建补水流量-生态流量转化效率动态模型，发现当官厅水库流量在30-50m3/s区间时，下游生态流量转化效率达到峰值0.78（图3）。通过建立效率-成本关联曲线，明确了在有限水资源条件下，25%-75%流量区间可兼顾生态效益与水资源可持续利用。

四、应用效果与工程实践
1. 方案对比分析（表1）：
- 方案A（单一流量保障）：官厅水库最低流量30m3/s，河道连通度达标率100%，但补水效率仅0.65
- 方案B（效率优先）：采用动态调节策略，平均流量达38m3/s时效率提升至0.72，但连通度达标率下降至78%
- 方案C（综合优化）：通过遗传算法迭代求解，在保证连通度≥80%的前提下，平均流量优化至35m3/s，效率达0.71
- 方案D（多目标均衡）：采用综合目标函数，在保证生态流量达标率≥85%、连通度达标率≥60%条件下，平均流量降至32m3/s，较方案A节约水资源12%

2. 工程验证数据：
- 2021年实施方案D后，官厅水库至 cube 命令驻地断面连续12个月保持≥20m3/s的生态流量
- 河道断面流速波动系数从0.83降至0.61，证明流量稳定性提升37%
- 生态补水利用效率达0.69，较传统方案提高22%
- 水力连通指数（HCAI）从0.54提升至0.82，河道生态服务功能恢复至2010年前水平

五、创新机制与推广价值
1. 动态阈值调控机制：根据水文年型（丰/平/枯）自动调整生态流量阈值，使补水计划适应气候变化带来的水文变异（年际流量波动系数从0.41降至0.27）。

2. 水资源梯级配置模型：构建"库群-河道-湿地"三级补水网络，实现官厅水库补水在河道生态基流（30m3/s）、灌溉需求（50-80m3/s）、防洪调度（>100m3/s）间的智能分配，水资源利用效率提升40%。

3. 预警-响应系统：建立流量异常波动预警模型（图4），当监测到官厅水库流量低于设定阈值时，自动触发补水机制，确保河道最小生态基流连续达标。

该研究成果已应用于永定河生态补水工程2022-2025年规划，预计可减少无效补水12%，延长河道连通周期至每年9个月以上，为北方河流生态修复提供了可复制的技术范式。研究团队正在开发基于物联网的水文实时监测系统，计划2024年完成30个关键断面的智能感知网络建设，实现补水方案的动态优化。未来研究将重点突破跨流域协同调度、气候变化情景模拟等关键技术，构建适应不同水文地质条件的通用型生态补水决策模型。