第1章 绪论
1.1 研究背景
淮河流域面积为27万km2，占国土面积的3.5%，水资源量占全国的3.4%，耕地却占到全国的15.2%，人口占全国的16.2%，水资源利用率超过60%。由于独特的气候条件、水系形态、地形地貌，淮河流域成为我国水旱灾害发生最为严重和频繁的地区之一。淮河是我国第一条全面治理的大河，为了解决淮河的洪水问题和水资源短缺问题，截至2000年流域修建了约1.1万座蓄水水库和拦河节制闸蓄水工程，形成了集防洪、除涝、灌溉、供水为一体的综合性水利工程体系。淮河流域水利工程建设后引起了天然径流过程的大幅度改变，同时未经过处理的大量工业废水和生活污水直接排入，排放总量远远超过了水环境容量，对河流生态与环境造成了重大影响。近年来出现的排污负荷控制、闸坝工程的调度与水环境修复、保护之间的协调与矛盾问题日益突出，淮河水污染事件频繁发生。
淮河流域水污染始于20世纪70年代后期，进入20世纪80年代，随着流域经济快速发展和城市化进度加快，流域水体污染日趋严重，水污染事件时有发生。历史资料显示，1975年淮河发生首次污染，1982年发生第二次污染。进入20世纪90年代，污染事件频繁发生。1992年、1994年、1995年沙颍河、淮河连续发生大面积水污染事故，对沿淮广大地区工农业生产和城镇供水安全造成严重威胁。其中，影响较大的一次污染事件发生在1994年7月，当时沿淮各自来水厂被迫停水达54天，150万人没水喝，直接经济损失上亿元，成为震惊中外的“淮河水污染事件”。2004年7月16—20日，淮河支流沙颍河、洪河、涡河上游局部地区普降暴雨，上游5.4亿t高浓度污水顺流而下，形成长130～140km的污水团。这次污染事件大大突破1994年7月污水团总长90km的“历史纪录”。
淮河流域现有水闸5400余座，这些闸坝的存在破坏了水系的连通性，导致淮河纳污能力大幅度下降。为了保证灌溉等经济用水，淮河流域大多数闸坝在整个枯水期基本关闭，排入河道的工业废水和生活污水在闸坝前大量集聚，当汛期首次开闸泄洪时，这些被称作“死亡之水”的高浓度污水集中下泄，极易造成突发污染事故，致使淮河干流沿线城镇供水中断、洪泽湖等水域鱼虾大量死亡。这种因污水团集中下泄而出现的大面积污染事故在1994年、2001年、2002年、2004年相继发生，直接威胁沿岸城镇居民饮用水安全。近年来，由于河南省多次下泄污水团导致蚌埠市、淮南市城市居民饮用水困难，严重影响淮河流域下游城镇的经济发展和社会稳定。有些学者指责闸坝过多是导致淮河污染的主要原因之一，流域的水资源被几千个闸坝分割控制，调控能力极弱，生态环境用水缺乏，水体自净能力基本丧失，闸坝分割控制加剧河流水质污染。
2006年3月，针对淮河水污染成因的国内激烈争论问题和治理目标的紧迫性，淮河水资源保护局和淮河水利委员会设计院联合开展“淮河流域闸坝对河流生态与环境影响评估研究”，这是专门针对淮河闸坝群对水环境和生态影响评价的专项技术研究，重点是闸坝工程建设对河流生态与环境影响的监测与调查分析，重点研究内容包括：闸坝对河流水环境影响的评价；闸坝对河流生态影响的评价；改善闸坝对河流生态与环境影响的对策建议。采用多学科交叉研究手段，根据淮河流域的环境状况，通过调研确定闸坝系统主要影响的生态与环境问题。基于资料收集和实际调查研究，建立能够描述河网闸坝水系统的水量、水质、生态相互联系的模型和水环境及生态质量评价模型。研究中建立了淮河流域分布式SWAT模型，用于描述淮河流域水循环过程，运用水量水质联合评价模型、水环境及生态质量评价的多因子关联评价模型，结合闸坝群的分段水功能区划和系统分析，开展现状条件闸坝群河流系统的水环境质量评价，计算河段纳污能力，识别污染源状况，评价闸坝群建设与运行对河流水环境的影响。基于闸坝系统的水文-生态模型与方法，评价现状条件闸坝群河流水生态的影响。依据河流功能和生态保护目标，分析计算河流生态需水。基于淮河水系统的模型，模拟与评价无闸坝和有闸坝等多情景条件下的河流系统水环境与生态状况的变化。通过分析与综合比较，提出闸坝对淮河河流生态与环境影响的分析结论、水生态与水环境保护的对策建议。对“闸坝与河流健康关系求解”（科学时报，2007年1月31日）问题提出了定量化的评价体系和方法。
闸坝建设并不产生污染负荷，只是改变了水质浓度的时空分布（“搬家”），而位于河流上不同地理位置的闸坝正是可以通过合理的调度方式改变污水团峰值的到达时间（“错峰”），尽量减小上游污水下泄对淮河干流水质浓度的影响，是一个“时程”的概念，闸坝与污染源对水质浓度的影响不是同一个概念，不能等同。
淮河流域的“闸污”规律是在枯水期污水蓄积，第一场洪水来临前小流量下泄一部分，对第一场洪水“蓄一部分，放一部分”。“汛前闸坝调度以维持生态用水和水环境区划功能要求为目标，开展水量水质联合调度，保持河道适当流量下泄，维持水体一定的自净能力，若干支流水体达不到功能区划要求，则通过增加淮南淮北支流水库的下泄流量稀释污水，以期在汛期来临时各支流泄入淮河干流的污染物质浓度有所减少。汛期来临时，则以充分利用汛期第一场洪水资源稀释污水为目的，降低水体污染浓度，延长污染水下泄时间，在保证防汛安全的前提下，通过闸坝调度，减轻对下游的污染”。
在枯水期闸上污水蓄积，通过一段时间内的沉淀和降解作用，污染物浓度值有所降低，第一场洪水来临前和形成时，下泄一部分流量，会造成下游浓度值的升高，汛期内大量水体下泄，下流浓度值有所降低。可见，在枯水期闸坝上游拦蓄作用和汛期的冲刷稀释作用，减轻了下游污染（正效应）；汛期前期下泄一定水量，对下游水质造成了一定的污染（负效应），闸坝对水质的影响效应不能一概否定。
党中央、国务院高度重视淮河流域水资源保护与水污染防治工作，淮河水污染被列入国家“九五”、“十五”重点治理的“三河三湖”之首。1994年5月，淮河流域环保执法检查现场会在安徽省蚌埠召开，从此拉开了国家全面治理淮河流域水污染的序幕。1995年8月8日，国务院颁布了我国第一部流域水污染防治法规《淮河流域水污染防治暂行条例》，该条例的颁布为淮河流域水污染防治提供了法律依据。1996年6月29日，国务院批复了《淮河流域水污染防治规划及“九五”计划》。2003年1月11日，国务院又批复了《淮河流域水污染防治“十五”计划》。国务院环境保护委员会先后在淮河流域召开了3次环保执法检查现场会，流域各省和国家相关部委领导参加，共同研究部署淮河流域水污染防治工作。
为加强淮河流域水资源保护与水污染防治工作的组织领导，国家先后成立了以水利部和国家环境保护局为组长单位的淮河流域水资源保护领导小组和淮河流域水资源保护机构，负责协调解决流域水资源保护和水污染防治工作。流域各省也相应采取了一系列治理措施，有效遏制了淮河水污染的加剧。1994—2003年间，淮河流域35个城市国内生产总值（GDP）增加了135%，而主要污染物排放量没有相应增长。
据统计，近10年来，通过“关、停、禁、改、转”等措施，对重点污染企业实行限期治理成效明显，全流域入河排污量明显下降，主要污染物质COD排放量已从1995年的150万t，削减到1998年的116.7万t和2000年的94.7万t，削减率分别为22.2%和36.9%；淮河干流高锰酸盐指数（CODMn）浓度值总体呈好转趋势，由1994年的6.78mg/L降至2003年的4.91mg/L；重大水污染事故明显减少。
2004年10月国务院在蚌埠召开淮河流域水污染防治现场会，2004年12月，国务院办公厅发出了《关于加强淮河流域水污染防治工作的通知》（国办发［2004］93号），进一步明确要“抓紧对淮河流域现有闸坝运行管理进行评估，正确处理闸坝调度、水资源利用和生态保护的关系”。淮河流域成为中国江河水环境重点整治与生态可持续性重点研究的对象之一。
淮河流域处于我国南北气候过渡带，属于温带半湿润季风气候区，流域平均降水量883mm。淮河以南降水较大，为900～1400mm，淮河以北降水较小，为600～900mm，年内降水分布不均。夏季6—8月降水约占全年40%～70%。因此，在非汛期，淮河以北地区主要靠水库和河道闸坝蓄水灌溉农田。由于淮河以北地区大量污水排入河道，导致闸前水体污染严重，不仅影响农业灌溉，而且使得在闸门开启初期，高浓度的污水团就会集中下泻，对下游极易形成水污染事故。
《水污染防治法》及实施细则明确规定，水资源在开发利用和调节、调度的时候，应当统筹兼顾，维护江河的合理流量和湖泊、水库以及地下水体的合理水位，维持水体的自然净化能力。淮河流域闸坝成群，干支流总长2900多km，修建大大小小闸坝5000多座。水库和闸坝调度在承担防洪、发电、航运和灌溉任务的同时需要兼顾改善水环境的任务。
根据国内外实践证明，利用闸坝加大泄水流量改善水质是可行的，但不能代替污水处理。如美国俄勒冈州的威拉米特河流治理就充分利用水库调度，改变下泄流量，改善了水质。在我国，利用闸坝调度来改善水质也有很好的例子，如上海市苏州河发黑发臭问题得以解决，主要是通过闸坝调度。有关专家调查分析认为，官厅水库库存水少于3亿m3时，水中的各种污染物质含量远远超标，专家呼吁除加大周边治理外，应增强水库闸坝的调度。因此，淮河流域通过河网水体优化调度改善河道水质污染是可行的治理策略。
淮河流域水库、湖泊、节制闸和分蓄洪区垸等水利工程比较完善，具备了利用洪水资源冲污、释污和净污的水利工程条件。利用水库、闸坝调度，将水库、湖泊和淮河干支流河网有机地联系起来，通过水量水质的联合优化、合理调度，确保在枯水期和干旱期河道内正常的生态基流，增大河道水体流动，增强河流的净化功能；在汛期充分利用洪水资源稀释污水后，开启闸坝泄洪，避免污水团下泄引起水污染事件的发生，减轻淮河干流及主要支流重要用水水域的水污染程度，减轻闸坝以上污水下泄对下游河道水质影响。因此，充分利用淮河流域洪水资源，通过水库闸坝群的水量水质联合优化调度改善淮河干支流水质，成为亟待解决的问题。
淮河干支流水量水质联合调度数值模拟的复杂性不仅体现在洪水演进复杂，而且还体现在众多闸坝群的多目标联合调度及其调控模式的数值仿真上。淮河流域洪水行为复杂是由于淮河流域水系结构的复杂：一是支流多，淮河上中游水系呈不对称的扇形分布，南岸支流众多，均发源于山区和丘陵区，源短流急，较大的支流有史灌河、淠河、东淝河、池河等。北岸主要支流有洪汝河、沙颍河、涡河、浍河等。沙颍河为淮河最大的支流，发源于伏牛山区。二是落差大，淮河发源于河南省桐柏山，流经河南、安徽，至江苏扬州的三江营入长江，全长约1000km，总落差200m。而从淮河源头到洪河口的上游364km河段，落差就有178m，占总落差的89%。三是“卡脖子”，在上中游的许多河段，由于河道弯曲狭窄，支流洪水迅猛汇集后，极易造成行洪不畅。四是“两头翘”，上游基本上是山区丘陵地带，坡大流急，而淮河水系最大的湖泊洪泽湖由于多年泥沙淤积、加高加固，湖底已高于淮河河床，形成“地上湖”，情形类似黄河下游。再加上从洪泽湖中渡以下全长150km的下游，落差只有6m，致使淮河洪水越到下游越缓慢，往往一次洪水过程长达30天甚至更长。淮河流域洪水行为复杂也取决于洪水组合：淮河流域每降暴雨，常常在淮北各支流洪水缓慢汇入淮河的同时，淮河干流上游与淮南山区各河又接连发生洪水，这种洪水组合对淮河干流的威胁最大，同时，干流和河网区也极易产生倒流、往复流和水面负坡，流态极为复杂。
淮河流域水库、湖泊和闸坝群之间有很强的耦合作用，相互影响和相互制约，加之系统与外界（引、排水）之间的水量交换，使淮河水系具有显著的复杂开放系统的特征。以往的闸坝调度研究以防洪、航运及灌溉调度为主，主要采用依赖于实测资料和个体经验的定性或半定量的描述和推理，以及局部的水力数值模拟和缺乏细节的宏观水文概算。由于缺乏合适的试验手段，难以开展水量水质联合调度方案的整体性试验、多方案重复性试验、蓄洪净污临界性试验以及特大洪水泄污方案的破坏性试验，在很大程度上制约了淮河水系水量水质联合调度研究的深入和发展，这迫切需要建立集水量水质于一体的整体模拟模型。
利用集洪水预报、水量水质调度于一体的整体模拟模型，进行湖泊、河网、闸坝和蓄滞洪区洪水行进、污水稀释降解模拟，探讨洪水资源冲污、释污和净污安全利用的技术途径、实施方案和联合调度方案的优选，从而达到洪水资源水环境安全利用的认识和宏观把握，为洪水资源水环境安全利用量的确定、水量水质联合调度方案的制定和实施，提供科学依据和技术支撑。