基于生态基流保障的河流水资源优化配置模型构建与应用

引言

河流作为自然生态系统的重要组成部分，对区域水资源供给、生态环境稳定和社会经济发展具有不可替代的作用。然而在水资源开发利用过程中，过度取水与不合理调度导致河道基流衰减、生态系统退化，成为制约流域可持续发展的突出问题。生态基流保障是指维持河流基本生态功能和生态系统健康所需的最小径流，是保障水生生物生存、水质自净和河流自我修复等多重生态过程的基础。近年来，生态基流的刚性保障已逐渐纳入我国流域管理和水资源配置的法规与政策体系，但实际落实过程中依然面临水量分配矛盾突出、科学调度机制不健全等挑战。构建科学合理、动态适应的河流水资源优化配置模型，统筹生产、生活与生态用水利益，成为流域管理转型升级的重要方向。本文以生态基流为核心约束，系统探究优化配置模型的理论基础、参数设定、模型求解与实际应用，并结合典型案例提出科学化管理建议。

一、生态基流的理论内涵与流域管理意义

生态基流是指维持河流生态系统结构与功能完整性所需的基本水量，是河流系统实现良性循环和生态服务功能的重要基础。生态基流的合理保障不仅能够维持河道生物多样性、促进湿地健康、维持地下水补给和水环境净化，还能保障下游用水安全和区域水生态安全格局。长期以来，传统水资源配置过于强调经济和社会效益，忽视了生态系统需水刚性，造成了河道断流、水生生物锐减、湿地退化、水质污染等严重生态问题。随着国家生态文明建设的推进，生态基流保障逐步成为流域水资源管理的新理念和新要求。合理设定生态基流标准，并将其作为水资源调度和配置的底线约束，对于实现经济社会与生态环境协调发展、提升流域综合治理能力具有重要意义。

二、河流水资源优化配置的理论基础与方法体系

河流水资源优化配置旨在综合考虑水资源总量、用水需求、生态基流、调蓄工程等多种因素，通过科学分配和动态调度，实现流域生产、生活和生态多元用水目标的最大化。优化配置的理论基础包括水量平衡原理、生态优先原则、用水公平性原则及系统效益最大化原则。常见的水资源配置模型包括线性规划、动态规划、多目标规划、遗传算法、模糊优化等。实际配置时需要将生态基流作为不可削减的约束条件，优先满足生态用水，其余水量再按照经济效益和社会公平性分配给农业、工业、城市生活等用水对象。模型设计需明确目标函数（如用水效益最大化、水资源浪费最小化、用水公平最大化等）、变量（不同用户取用水量）、约束（总水量、基流阈值、用水优先顺序等）及各项参数（用水需求、工程能力、生态需水指标等），确保结果科学合理、动态可调。

三、基于生态基流保障的河流水资源优化配置模型构建

（一）模型结构及目标函数设定

基于生态基流的河流水资源优化配置模型，应以生态需水刚性约束为基础，采用多目标函数设计。第一目标为保障生态基流不被削减，确保河流生态系统健康运行；第二目标为最大化经济社会效益，实现流域整体水资源利用效率最优。模型通常采用分层次求解方式，首先锁定生态基流，剩余水量分配给生产和生活用水，综合考虑优先顺序、用水弹性等因素。目标函数可表达为：最大化∑（各用户用水效益） + 最小化水资源短缺率等。

（二）参数选取与约束条件明确

生态基流参数可通过水文频率分析、生物需水法、历史径流法等多种方法确定，应综合考虑生态敏感物种、生境连通性、最小需水量和河道断面流量等。其余参数包括多年平均径流、区域用水结构、调蓄设施能力等。约束条件包含：1. 生态基流 ⩾ 最小生态需水标准；2. 各用水对象总量≤水资源可用总量；3. 用水上下限；4. 调蓄工程调节范围；5. 水质指标不低于生态安全标准等。通过这些约束条件，确保配置方案可实施性和生态安全底线。

（三）模型求解与多情景模拟

在模型求解过程中，可采用线性规划、模糊优化或多目标遗传算法等方法，根据不同水文情景（丰水、平水、枯水）及不同用水需求模拟，得到最优或满意配置方案。通过多情景模拟分析，可以比较不同情形下生态基流和社会经济用水的协调情况，为流域管理决策提供科学依据。

四、模型应用的实证分析与成效评价

以某典型流域为例，结合多年水文、用水和生态监测数据，按年际、季节变化分别设定生态基流标准，构建河流水资源优化配置模型。仿真结果表明，模型运行后，生态基流能够得到严格保障，河道断流和生态退化现象明显改善。与此同时，合理调配生产和生活用水，提升了水资源利用效率和用水公平性。与传统配置方式对比，基于生态基流保障的模型能够显著提升流域整体水安全水平和生态服务能力。实地调查发现，流域湿地面积恢复、水质指标改善、水生生物多样性提升，生态和社会效益同步增强。模型的科学性和可操作性得到实践验证，适用于不同类型河流及区域的水资源管理与生态保护工作。

五、基于生态基流保障的流域管理对策与未来展望

为进一步发挥生态基流在河流水资源配置中的基础作用，建议从以下方面强化流域综合管理。一是将生态基流刚性纳入流域用水总量控制指标，建立动态调整和定期评估机制，防止因极端气候或用水需求波动导致生态系统风险。二是完善多源水资源联合调度体系，加强水库、蓄滞洪区、再生水等多元水源协同，提升抗旱减灾能力。三是推进水资源管理信息化、智能化，利用大数据、遥感监测和水资源调度平台，实现生态基流的动态监控与科学调度。四是加强法律、政策和财政保障，推动生态基流标准法定化，完善生态补偿、用水价格等激励机制，引导各利益相关方积极参与。五是强化科普宣传和公众参与，提升全社会对生态用水和河流保护的认知水平，为生态文明建设营造良好氛围。未来还需开展跨流域联合调度、极端干旱条件下的弹性管理、生态基流恢复与补偿机制等多元化应用与机制创新研究。

结论

基于生态基流保障的河流水资源优化配置模型，是实现流域生态环境保护与经济社会协调发展的核心技术路径。模型将生态需水作为刚性约束，结合流域实际用水结构和调蓄工程，实现了生产、生活和生态多目标用水的动态优化。案例分析表明，该模型可有效缓解人水矛盾、提升生态安全和用水效率，对我国水资源可持续管理具有重要现实意义。今后需加强模型动态适应能力、智能化应用水平和综合管理机制创新，持续提升河流生态健康与流域管理科学化水平。

参考文献：

[1] 徐宗学 , 汪一鸣 , 赵志刚 . 生态基流保障下的河流水资源优化配置研究 [J]. 水资源保护 , 2022, 38(5): 80-85.

[2] 李志国 , 赵丽霞 . 基于生态需水的水资源配置模型构建与应用 [J].水利学报 , 2021, 52(9): 1068-1076.

[3] 许勇, 刘江华. 流域生态基流保障与优化配置技术研究进展[J]. 中国水利 , 2023, 22(6): 66-69.