《Environmental Challenges》：Operational Losses and Environmental Flow Recovery in a Multi-Irrigation Districts River Basin, Evidence from Iran’s Arid Central Plateau
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本研究针对多灌区流域环境流量（EFR）长期亏缺问题，构建了一个技术-环境耦合评估框架。通过将积分-延迟水力模型与标准操作程序（SOP）逻辑相结合，量化了伊朗扎因代河（ZayandehRud）流域6个灌区的运行损失。研究发现，在正常至严重缺水情景下，运行损失占供水量的6.5%至31.1%。通过改进运行效率，每年可恢复高达61 MCM的水量，相当于满足F类环境流量所需缺口的45.16%，为流域水资源管理提供了关键的技术证据。
在气候变化和人口增长的双重压力下，全球淡水资源正面临前所未有的挑战，尤其是在发展中国家，确保居民用水安全与保护水生生态系统之间的平衡变得愈发困难。农业作为全球淡水消耗的大户，其低效的用水方式不仅加剧了水资源短缺，更对河流生态系统造成了严重威胁。在众多水资源管理难题中，如何确定维持生态系统健康所需的最小流量，即环境流量（Environmental Flow, EFR），并找到切实可行的恢复途径，是当前研究的焦点。
以往的研究多集中于农场内的灌溉效率提升，例如推广加压灌溉系统，但往往忽略了农场外（off-farm）输配水系统存在的巨大浪费。在伊朗干旱的中央高原，扎因代河（ZayandehRud River）流域的六个灌区（Irrigation Districts, IDs）长期存在环境水权被侵犯的问题，这主要与农业取水有关。这些灌区普遍采用人工操作（Manual Operating System）的明渠输水系统，由于缺乏实时反馈和集中控制，导致运行效率低下，大量水资源在输送过程中被浪费。然而，这些因运行低效而损失的水量究竟有多大？如果通过现代化改造回收这些损失，又能为恢复河流环境流量做出多大贡献？这些问题尚未得到系统性的量化评估。
为了回答这些问题，来自德黑兰大学的研究团队Farhad Behzadi和Seied Mehdy Hashemy Shahdany在《Environmental Challenges》上发表了一项开创性研究。他们开发了一个系统的技术-环境评估框架，首次将农场外输水系统的运行效率与环境流量恢复潜力直接联系起来。该研究通过构建一个结合了积分-延迟（Integrator-Delay）水力模拟模型和灌区标准操作程序（Standard Operating Procedures, SOP）逻辑的耦合模型，精确量化了六个灌区在不同缺水情景下的运行损失。研究结果令人震惊：在正常至严重缺水情景下，因运行故障和低效造成的日损失水量占供水量的比例高达6.5%至31.1%。更重要的是，研究指出，通过改进运行效率，每年最多可回收61 MCM的水量并返还给河流，这相当于满足F类环境流量所需缺口的45.16%。即使在最严重的缺水情景下，仍有13 MCM（占F类缺口的9.63%）的水量可以被回收。这项研究不仅为多灌区流域的水资源管理提供了强有力的技术证据，也为决策者支持农场外系统自动化和现代化改造的许可决策提供了科学依据。
关键技术方法
本研究采用了一个多步骤的混合方法框架，核心是将水力模拟与运行逻辑相结合。首先，研究人员通过实地调查收集了六个灌区的水力结构和运行数据，并利用积分-延迟（Integrator-Delay）模型构建了每个灌区的水力-运行模拟模型。该模型通过状态空间矩阵（State-Space Matrix）表示渠道的输水动力学和运行响应，能够模拟在人工操作制度下，水力状态与运行决策之间的相互作用。模型经过校准和验证，确保了其模拟结果的可靠性。随后，研究将灌区当前的人工标准操作程序（SOP）整合到模型中，模拟了从正常到严重缺水共七种情景下的表面水分配情况。最后，利用流量历时曲线（Flow-Duration-Curve, FDC）平移法（FDC-shifting method）和全球环境流量计算器（Global Environmental Flow Calculator, GEFC），将模拟得到的可回收运行损失量转化为环境流量恢复潜力，并评估其对满足生态需水的贡献。
研究结果
1. 水力模拟结果：运行情景
研究首先对六个灌区30年（1992-2022年）的引水坝流量数据进行了历史分析，以确定常见的运行模式，并将其作为水力模拟的边界条件。分析结果将运行情景分为五类：I类（正常运行，流量为总需求的100-110%）、II类（轻度缺水，90-100%）、III类（缺水，85-90%）、IV类（严重缺水，80-85%）以及V-VII类（临界缺水，缺水程度分别为20-30%、30-40%和小于40%）。这些情景为后续的损失量化和恢复潜力评估奠定了基础。
2. 水力/运行模拟结果：校准-验证
研究构建的六个水力-运行积分-延迟模型在低流量（<50%容量）和高流量（50-100%容量）运行状态下均表现出优异的性能。对于旅行时间（Td）和输送流量（Qd）的模拟，均方根误差（RMSE）保持在较低水平，纳什效率系数（NSE）和克林-古普塔效率（KGE）均接近1，表明模型能够准确捕捉渠道的水力动力学行为。参数敏感性分析显示，模型对±20%的参数扰动具有鲁棒性，性能指标的恶化程度有限，证实了模型结构的稳定性和预测技能的可靠性。
3. 水力/运行模拟结果：表面水分配评估
模拟结果显示，人工操作系统的性能随着缺水程度的加剧而显著下降。充足性（Adequacy）指标，即输送流量满足需求的能力，在缺水加剧时迅速恶化。在III类（缺水）情景下，大多数灌区的充足性开始崩溃，而在IV-V类（严重缺水）情景下，五个灌区的充足性指数接近零，表明系统无法提供最低限度的供水。可靠性（Dependability）指标，即输送流量的时间一致性，在缺水条件下也变得更加不稳定，反映了系统在压力下运行的不规则性。统计检验证实，充足性和可靠性在不同灌区和不同情景之间存在显著差异，且缺水程度是影响充足性恶化的主要驱动因素。
4. 环境流量恢复的启示
研究量化了运行损失和渗漏损失在总损失中的相对贡献。结果表明，在所有灌区和情景下，运行损失（由闸门误时、过度输水和溢流造成）都远远超过了渗漏损失，是农场外输水系统低效的主要原因。随着流入量的减少，运行损失在总损失中所占的比例趋于上升，凸显了改进运行控制的重要性。研究将可回收的运行损失转化为环境流量恢复潜力，发现即使在正常供水条件下，通过现代化改造，每年也可恢复约61 MCM的水量。这一体积相当于满足F类环境流量所需缺口的45.16%，是缩小生态需水缺口的关键来源。然而，随着缺水程度的加剧，可回收的绝对水量会减少，表明运行效率改进在干旱年份的贡献有限，需要结合其他需求管理措施。
结论与讨论
本研究通过一个创新的技术-环境耦合框架，系统评估了多灌区流域的运行损失及其环境流量恢复潜力。研究结论明确指出，在扎因代河流域，人工操作的农场外输水系统存在巨大的运行效率损失，这些损失是当前环境流量亏缺的重要组成部分。通过改进运行效率，例如采用自动化和更好的调度，可以回收大量被浪费的水资源，并将其直接返还给河流，从而在不减少名义农业分配的情况下，显著改善下游生态系统的健康状况。
研究的重要意义在于，它为水资源管理者提供了一个量化的、可操作的决策支持工具。该框架不仅能够审计灌区的运行损失，还能为引水坝的取水减少目标提供依据，并为环境流量释放的合规性监测提供技术支持。此外，该研究强调了在干旱和半干旱地区，农场外输水系统的现代化改造应被视为恢复环境流量的优先策略，因为它能够以相对较低的成本和较小的社会阻力，实现显著的水资源节约和生态效益。该框架具有可移植性，可应用于其他类似的多灌区流域，为全球范围内的水资源可持续管理提供借鉴。
