Ecological Flow Guarantee Simulation Based on Mike11 in North Canal Gate Dams Joint Regulation

Xiao-ge DANG; Shi-yan WANG; Chang LIU; Chang-jun ZHU; Rui-hua YAO

China Rural Water and Hydropower ›› 2021 ›› (7) : 94-100.

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Abstract

At present， ensuring the ecological flow demand of the multi-water ecological target is one of the main problems faced by the water resources management of the North Canal Basin. The DHI-MIKE11 model system modeling platform is used to construct the hydrological and hydrodynamic model of river network based on the flow demand of ecologically sensitive targets. The long-term series of measured hydrological data from the 2015 and 2011 hydrological yearbooks are used to study the multi-water ecological demand protection effect of the river basin of the different scenarios. The results show that the simulated value of the hydrological station is basically the same as the measured value of the hydrology， and the combination plan of gate dams regulation + river water reduction + agricultural water-saving has a good effect. This model aims to provide the basis for the research on the river channel multi-objective ecological flow guarantee scheme， and to provide technical support for the decision-makers of the water management departments based on the multi-water flow dispatch.

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Mike11 / North Canal / ecological flow / regulation of sluices and dams

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Xiao-ge DANG , Shi-yan WANG , Chang LIU , Chang-jun ZHU , Rui-hua YAO. Ecological Flow Guarantee Simulation Based on Mike11 in North Canal Gate Dams Joint Regulation. China Rural Water and Hydropower. 2021, 0(7): 94-100

迄今为止，城市水系大多形成了多闸坝、人工操控的水利格局，此类水系人工化程度严重破坏了水系的结构和功能^［1］。为有效开发利用北运河流域水资源，20世纪50年代起，河道控制性水工建筑物大量兴建^［2］，致使流域水生态负面效应显著，引发了部分河段断流、水体流动性差（有水无流）、水质污染严重等一系列生态受损问题，其中水域鱼类资源量减少、生态景观水位降低、通航功能退化、河道两岸芦苇河滩湿地退化等生态问题尤为突出。现阶段，为维系北运河水域基本生态功能，同时保障河流水系健康生态，需要综合考虑流域多水生态敏感目标需求。目前，城市化半城市化河流多目标生态流量保障研究体系尚不成熟，对于该类河流研究仍旧十分有限。鉴于此，本文以城市化半城市化河流为研究对象，选取沙河水库下至屈家店断面为模拟河段，建立一维水动力模型，基于流域多目标生态需求进行生态流量调度模拟，分析北运河流域多水生态目标生态流量变化情况，对比不同情景工况下流域多水生态目标生态流量需求保障效果，以期为类似的城市化河流生态流量保障提供参考。

1 研究区域基本概况

本研究选取沙河水库至屈家店之间的北运河流域为研究区域，地理位置位于东经116°02′~117°06′，北纬39°39′~40°35′之间，控制流域面积达6 166 km²。北运河是我国南北大运河的起始段，自西北向东南，北起通县北关闸（主流在北关闸以上始称温榆河），途经武窑、沙古堆，于西集镇牛牧屯东南出境，经河北省香河县、天津市武清县至天津市大红桥与子牙河汇合后汇入海河^［3］。其起源于北京市昌平区军都山南麓，地跨京津冀三省市，属于海河水系^［4］，是典型的多闸坝、城市化半城市化流域。本文研究分析中，自上而下选定典型断面为通县、甘棠船闸、榆林庄船闸、土门楼、筐儿港、屈家店。根据流域闸坝调研，北运河干流共有防洪节制闸17座，橡胶坝9座。干流闸坝分布密度约为0.14个/km²，其中上中游段闸坝分布较多，闸坝密度为0.22个/km²，下游段0.12个/km²。流域水系图见图1（a）所示，闸坝、支流分布概化图见图1（b）。

Fig.1 Schematic diagram of the distribution of water systems and gate dam group in the North Canal Basin

图1 北运河流域水系及闸坝群分布示意图

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2 北运河水动力模型建立

2.1 MIKE11水动力模型介绍

MIKE 11 HD（一维水动力模块）是AD对流扩散模块、ST模块等其他模块的计算基础，是MIKE 11软件中的核心^［5］。其中可控建筑物分析模块（SO模块）中可以对水工建筑物进行丰富的闸门操作设计^［6］。本文应用SO模块，设置多闸坝运行策略，进行生态目标生态流量调度方案研究。

2.1.1 水动力控制方程组

一维河网水流模型利用6点隐式差分（Abbott-Ionescu）格式对圣维南（Saint-Venant）方程组进行离散处理，求解方式为“追赶法”，也称“双扫算法”^［7］。模型通过求解应用一维非恒定流微分方程即圣维南（Saint-Venant）方程组对河流或河口的水流运动状态进行模拟分析^［8-11］。一维水流数学模型控制方程组表达式为：

连续性方程：

B \frac{\partial h}{\partial t} + \frac{\partial Q}{\partial x} = q

（1）

运动性方程：

\frac{\partial Q}{\partial t} + \frac{\partial}{\partial x} (\frac{α Q^{2}}{A}) + g A \frac{\partial h}{\partial x} + \frac{g Q |Q|}{C^{2} A R} = 0

（2）

式中：t为计算点的时间坐标，s；x为沿程距离坐标，m；h为断面水位，m；Q为断面流量，m³/s，其中Q=u A，u为断面平均流速，m/s，A为断面过流面积，m²；R为水力半径，m；B为河道水面宽，m；q为旁侧入流量，m³/s（流入为正，流出为负）；C为谢才系数；g为重力加速度，m/s²。

2.1.2 离散方法和网格划分

MIKE 11 HD利用6点隐式差分（Abbott-Ionescu）格式对圣维南（Saint-Venant）方程组进行离散求解。该格式对于在每一个网格点不同时计算水位和流量点，而是按顺序交替计算水位或流量，分别称为h点和Q点^［12］，6点隐式差分（Abbott-Ionescu）格式沿河道分布水位点和流量点交叉示意图见图2（a），计算网格点布置方式图见图2（b）。

Fig.2 6-point implicit difference （Abbott-lonescu） format water level and flow calculation point cross layout diagram

图2 6点隐式差分（Abbott-Ionescu）格式水位、流量计算点交叉布置示意图

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2.2 北运河水系河网构建

河网概化需要基本反映天然河流的水力特性，以达到概化后河网的输水能力及调蓄能力与实际河网保持一致^{［13，14］}。河网概化范围为上游沙河水库至下游屈家店。河网水系概化结果见图3。河网模型构建过程中，河道干流全长约182.42 km，河道断面共计261个，河道典型横断面通县站断面见图4（a），土门楼断面见图4（b）。

Fig.3 A schematic diagram of the river network in the study area of the main stream of the North Canal Basin

图3 北运河流域干流研究区域河网水系概化图

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Fig.4 Morphological characteristics of typical large section

图4 典型大断面形态特征

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2.3 模型参数确定

为了检验模型应用相关参数的合理可靠性，本文参考《北运河水系水质水量联合调度关键技术研究》相关成果以及综合考虑河道大断面地形、典型大断面实测流量水位关系、天然河道水力计算糙率表及查阅文献^{［15，16］}，利用典型断面实测水文数据反复调整模型参数，确定北运河干流河道的滩、槽糙率取值见表1。

Tab.1 Setting of channel roughness parameters of the main stream of the North Canal Basin

表1 北运河干流河道糙率参数设置

河道断面	主槽糙率	滩地糙率
沙河水库～鲁疃闸段	0.022 5	0.07
鲁疃闸～苇沟闸段	0.022 5	0.07
苇沟闸～北关闸段	0.022 5	0.07
北关闸～甘棠坝段	0.022 5	0.05
甘棠坝～屈家店段	0.022 5	0.05

2.4 边界条件输入

由水系河网分布情况，设定上游沙河水库逐日下泄流量过程线作为上边界，下游屈家店北闸下站逐日水位过程线作为下边界，构建的模型中对于河道支流用到的侧向入流，以point source入流的形式输入到模型边界条件中。正数代表入流，负数代表出流。

2.5 数学模型率定及验证

本文选取通县站与土门楼站为率定验证断面，拟采用2015年及2011年水文年鉴长时间系列实测水文数据资料，对建立的模型参数进行率定验证。典型断面流量率定验证结果见图5。由率定验证结果对比图可知，典型断面流量率定验证结果趋势基本吻合，由表2可知，相关系数（r＞0.8），相关系数大于0.8，意味着实测值和模拟值之间有更好的相关性^{［17，18］}，且纳西效率系数均在0.8左右，说明模拟结果相对精确，可进行下一步多情景、多闸坝、多目标生态流量调度模拟分析。

Fig.5 Comparison chart of discharge calibration verification results for typical hydrological stations

图5 典型水文站流量率定验证结果对比图

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Tab.2 The model comes with a small program error estimation result display

表2 模型误差估算结果

误差估算	通县站		土门楼站
误差估算	率定期	验证期	率定期	验证期
相关系数r	0.903	0.907	0.931	0.908
纳西效率系数	0.816	0.821	0.862	0.825
峰值误差	0.231	0.106	0.142	0.156
水量误差	0.119	0.226	0.167	0.325

3 计算实例应用

3.1 典型生态目标生态流量调控方案情景设计

本文依据十一五水专项相关研究成果及现状调研，系统分析了北运河流域多水生态保护目标的生态流量保障需求，通过仿真模型进行多闸坝联合调控，以满足多目标生态流量需求。其中，根据实地调研及北运河城市化半城市化河流特征，确定以下目标：①城市景观水体维持，②鱼类习性需求，③大运河通航功能维持。此外，根据《北运河水系水质水量联合调度关键技术研究》相关成果，确定1-3月份景观水位需维持在17.43 m左右，即可到达城市景观水体功能需求。再者按照北运河综合治理总体规划以及船闸建设工程的总体要求，确定7月份甘棠船闸闸上水位为17 m，榆林庄船闸闸上水位为16 m。最后以水专项《北运河水系水质水量联合调度关键技术研究》相关成果作为依据，整理得到通县站、土门楼站、筐儿港站生态流量保障阈值过程线，典型断面生态流量过程线见图6。

Fig.6 Recommended ecological flow process line for typical sections

图6 典型断面推荐生态流量过程线

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综上所述，本文模拟分析了城市景观水体维持、鱼类生态流量需求保障以及甘棠船闸和榆林庄船闸上水位需求情况，设置多个情景方案，通过MIKE11中水工构筑物分析模块耦合多目标生态流量需求进行生态流量调控，旨在保障流域多个水生态目标生态流量。

因此，本文重点考虑通县站、土门楼站等典型断面水生态保护目标生态流量、城市化河段生态景观水位以及保障通航条件下的水位需求目标。北运河水系是北京市主要泄洪通道，其中，北关分洪枢纽是流域洪水调控的关键工程，北关闸作为北运河流域重要的闸坝，通过流域闸坝分布发现北关闸调控具有承上启下的作用，对整个流域具有较强的调控能力，因此，本文单闸调控方案模拟选定北关闸作为典型断面进行调控模拟。本研究主要针对北运河流域枯水年情境下生态敏感目标（鱼类、通航、景观）生态流量需求情况进行模拟分析，具体调度方案拟定如下：

情景1（单闸调度方案），即天然来水条件下，选取典型闸北关闸进行多目标生态流量调控。

情景2（群闸优化联控方案，仅调控），即天然来水条件下，通过多次调试，科学设置闸坝运行策略，以优先满足不同河段水生态保护目标生态流量（水位）需求为主，具体设置闸坝调度思路为蓄丰补枯，即关键断面出现大流量情况时，在不超过闸前正常蓄水位的基础上减小闸门开度，进行闸前蓄水；小流量或者断流情形，开大闸门，以保证关键断面生态流量≥推荐目标生态流量。

情景3（组合方案），流域内水资源优化调控方案，即多闸联合调控、减河减水及农业节水组合运行方案，由于北运河是典型多闸坝控制河流，闸坝对来水的拦截及减河减水（青龙湾减河、运潮减河）以及农业灌溉取水。当天然来水不足以保证关键断面生态流量时，需要考虑减河排放水量优化配置以及农业灌溉节水等措施，以保证关键断面生态流量≥推荐目标生态流量。

3.2 河网闸群调度不同情景工况模拟结果与分析

以北运河流域枯水年情境水生态目标生态流量需求为目标进行模型调控及分析，模拟北关闸、甘棠船闸、榆林庄船闸、土门楼闸、筐儿港闸等多个闸在不同情景工况下的典型水文站关键保护物种水动力特征因子变化情况，为水生态保护目标生态流量（水位）保障提供依据。根据上文拟定的多情景方案对枯水年情境下天然来水进行调度模拟，得到不同时期多情景工况下多水生态保护目标需求模拟情况见图7~图11、图7反映的是城市景观河道生态景观水位模拟结果，图9表示了多情景方案调控下甘棠船闸、榆林庄船闸两船闸闸上的生态流量（水位）过程线，图8、10、11反映的是北运河流域典型水文站生态保护目标生态流量模拟调控结果。

Fig.7 Landscape water level change process line

图7 景观水位变化过程线

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Fig.8 Process line of fish ecological flow change in Tongxian Station

图8 通县站鱼类生态流量变化过程线

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Fig.9 Process line of water level regulation and change of ship lock with Multiple scenarios

图9 多情景方案船闸水位调控变化过程线

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Fig.10 Process line of fish ecological flow change in Tumenlou Station

图10 土门楼站鱼类生态流量变化过程线

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Fig.11 Process line of fish ecological flow change in Kuanger Port Station

图11 筐儿港站鱼类生态流量变化过程线

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由图7中景观水位变化过程线可知，情景1单闸调度方案情景下，由图7枯水年中游河段景观水体生态水位需求模拟分析可知，3种调度方案均能够满足中游景观生态水位需求。具体的单闸调控景观水位逻辑设置，通过闸坝水工建筑物模块，计算模式为列表方式，判断条件为具体的时间设置，目标值设置相应的闸门开度，控制值设置相应的水位值。综上分析，单闸情景方案调控可以满足城市景观水体需求。

由图8流量变化总体趋势可以看出，上述闸坝多情景方案模拟条件下，典型断面通县站断面生态流量模拟计算结果均能够做到不低于该断面在不同时段的最低生态流量需求；图中显示模拟的流量过程能够较好的保持天然河道状态下的丰枯流量变化特征，总体来讲，可以基本满足典型断面生态目标生态流量需求。

对比图9中流量水位模拟变化过程线，可以发现，情景1单闸调度方案情景下，两船闸闸上通航水位7月份未达到规划的水位需求，按照情景2拟定方案思路，基于模型科学调控手段，具体控制方式为，模型中设置列表计算模式以及具体的判断条件，通过情景2方案对两个船闸工程上游水位进行了调度模拟，模拟调算结果显示，两个船闸闸上水位可以达到工程需求，闸上通航要求基本可以得到满足，能够实现大运河通州段通航目标需要。

图10土门楼站鱼类生态流量模拟结果显示，情景1单闸调控情景工况下，枯水年1-6月份断流较明显，其余部分月份也存在断流现象，未达到一般用水期推荐的流量。按照情景2对上游来水进行调控，经情景2进行合理调度计算，遵循蓄丰补枯逻辑原则，若某时段出现大流量时，在不超过闸前正常蓄水位的情况及满足正常生态目标生态流量需求前提下通过减小大流量抬高闸前蓄水位，以保障河段断流或低于某时段推荐生态流量值情况。由情景2调度计算流量变化线可知，闸坝调度运行策略对土门楼站生态流量改善效果不明显，仍存在大部分月份未能达到一定的生态目标生态流量推荐值，可能原因是由于模拟河段较长，并涉及多个支流汇入或减河减水以及农业灌溉用水等影响，导致通过闸坝联合调度计算无法满足多水生态目标生态流量需求，经过情景工况3的多次试算调控，除了1月份部分天以外，其余基本上可以完全保障枯水年关键生态目标不同时期推荐的生态流量需求，同时闸坝运行期间闸坝蓄水能力也可以满足下游河道的景观功能需求。

按照情景2、3对筐尔港站生态流量进行调度计算，图11筐儿港站鱼类生态流量调控结果表明，与情景1模拟工况相比，情景2方案非汛期（11月份）通过闸坝调控生态目标流量有一定的改善，该时间段通过闸调控可以达到一般用水期流量需求；但在非汛期（2-5月份）调控效果不明显，原因可能是枯水年上游来水较少、闸坝水利工程较多、闸坝群间蓄水量较大、农业灌溉用水较多等，导致通过闸坝联合调度计算无法满足多水生态目标生态流量需求；汛期，情景2闸坝调控可以完全保障汛期水生生境维持一定的生态流量。由情景3方案模拟调控可知，通过设置减河减水、灌溉用水组合方案，典型断面生态目标需求基本可以得到满足。

4 结语

为保障并改善研究区域范围内生态目标生态流量需求效果，本文通过多情景方案生态流量调度研究，经分析得到以下结论。

（1）针对北运河流域关键目标不同生活史阶段需求不同构建研究区一维河网水文水动力闸坝调度模型，经模型参数检验，最终确定对模型糙率范围为0.022 5～0.07（主槽糙率： 0.022 5；滩地糙率：介于0.05～0.07之间），率定和验证结果较为理想，模型可进行下一步闸坝生态调控研究分析。

（2）由模型调算结果可知：对比单闸和多闸情景工况的模拟情况，经分析，单闸调度对多水生态目标需求保障效果不佳，相比之下，多闸坝多情景设置能够保障河道内所有识别的水生态敏感保护目标。情景3方案中，减河引水量越小、农业灌溉节水量越大，下游河道鱼类生态流量需求保障效果越明显。由此表明，采用情景3调度方案可为河道系统生态健康起到有利作用。

（3）本研究通过对北运河多目标生态流量需求的系统分析，揭示了北运河流域水生态保护目标生态流量需求机制，克服了前人对北运河流域单目标生态基流需求的局限性，实现了多目标协调生态流量保障，通过闸坝联合调控以及流域内水资源优化配置调控手段，使全流域多目标生态流量需求得到最大程度的满足，解决了流域多闸坝条件下多目标枯水年部分时段生态流量不足的难题，模型模拟结果可为研究区范围多目标生态流量优化配置提供数据支撑。

（4）本文仅对研究区域内多水生态保护目标生态流量进行研究，未考虑多闸坝调控下典型断面水质变化情况，针对目前流域水生态环境恶化现状，下一步还需对研究区多目标水质水量综合考虑进行深入研究。

References

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1 研究区域基本概况
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2 北运河水动力模型建立
2.1 MIKE11水动力模型介绍
2.1.1 水动力控制方程组
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2.2 北运河水系河网构建
Fig.3 A schematic diagram of the river network in the study area of the main stream of the North Canal Basin
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2.3 模型参数确定
Tab.1 Setting of channel roughness parameters of the main stream of the North Canal Basin
2.4 边界条件输入
2.5 数学模型率定及验证
Fig.5 Comparison chart of discharge calibration verification results for typical hydrological stations
Tab.2 The model comes with a small program error estimation result display
3 计算实例应用
3.1 典型生态目标生态流量调控方案情景设计
Fig.6 Recommended ecological flow process line for typical sections
3.2 河网闸群调度不同情景工况模拟结果与分析
Fig.7 Landscape water level change process line
Fig.8 Process line of fish ecological flow change in Tongxian Station
Fig.9 Process line of water level regulation and change of ship lock with Multiple scenarios
Fig.10 Process line of fish ecological flow change in Tumenlou Station
Fig.11 Process line of fish ecological flow change in Kuanger Port Station
4 结语
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2020-10-13	2021-07-15
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2021-08-22

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2.1 MIKE11水动力模型介绍

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2.1.2 离散方法和网格划分

Fig.2 6-point implicit difference （Abbott-lonescu） format water level and flow calculation point cross layout diagram

2.2 北运河水系河网构建

Fig.3 A schematic diagram of the river network in the study area of the main stream of the North Canal Basin

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2.3 模型参数确定

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2.4 边界条件输入

2.5 数学模型率定及验证

Fig.5 Comparison chart of discharge calibration verification results for typical hydrological stations

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3 计算实例应用

3.1 典型生态目标生态流量调控方案情景设计

Fig.6 Recommended ecological flow process line for typical sections

3.2 河网闸群调度不同情景工况模拟结果与分析

Fig.7 Landscape water level change process line

Fig.8 Process line of fish ecological flow change in Tongxian Station

Fig.9 Process line of water level regulation and change of ship lock with Multiple scenarios

Fig.10 Process line of fish ecological flow change in Tumenlou Station

Fig.11 Process line of fish ecological flow change in Kuanger Port Station

4 结语

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2 北运河水动力模型建立

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2.1.2 离散方法和网格划分

Fig.2 6-point implicit difference （Abbott-lonescu） format water level and flow calculation point cross layout diagram

2.2 北运河水系河网构建

Fig.3 A schematic diagram of the river network in the study area of ​​the main stream of the North Canal Basin

Fig.4 Morphological characteristics of typical large section

2.3 模型参数确定

Tab.1 Setting of channel roughness parameters of the main stream of the North Canal Basin

2.4 边界条件输入

2.5 数学模型率定及验证

Fig.5 Comparison chart of discharge calibration verification results for typical hydrological stations

Tab.2 The model comes with a small program error estimation result display

3 计算实例应用

3.1 典型生态目标生态流量调控方案情景设计

Fig.6 Recommended ecological flow process line for typical sections

3.2 河网闸群调度不同情景工况模拟结果与分析

Fig.7 Landscape water level change process line

Fig.8 Process line of fish ecological flow change in Tongxian Station

Fig.9 Process line of water level regulation and change of ship lock with Multiple scenarios

Fig.10 Process line of fish ecological flow change in Tumenlou Station

Fig.11 Process line of fish ecological flow change in Kuanger Port Station

4 结 语

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Fig.3 A schematic diagram of the river network in the study area of the main stream of the North Canal Basin

4 结语