基于生態(tài)流量區(qū)間的多目標水庫生態(tài)調(diào)度模型及應用

張召++張偉廖衛(wèi)紅王旭

摘要：傳統(tǒng)的水庫調(diào)度以興利調(diào)度和防洪調(diào)度為主，常忽視生態(tài)環(huán)境問題，導致河流生態(tài)水文系統(tǒng)的健康狀況不斷惡化。相對傳統(tǒng)的以水電站年發(fā)電量最大，發(fā)電保證率最高為目標函數(shù)，本研究還引入了生態(tài)保證率最高的目標函數(shù)，構建基于生態(tài)流量區(qū)間的多目標水庫生態(tài)調(diào)度模型，并采用NSGAⅡ算法對模型進行優(yōu)化求解。利用該模型對天生橋一級水庫1956年-2008年的來水過程進行優(yōu)化調(diào)度，結果表明：經(jīng)濟效益最大的調(diào)度方案會對天然徑流過程產(chǎn)生顯著的改變，而兼顧經(jīng)濟效益和生態(tài)目標的建議調(diào)度方案對水庫的經(jīng)濟效益產(chǎn)生影響較少的同時能保證生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關鍵詞：水庫生態(tài)調(diào)度；多目標；生態(tài)流量區(qū)間；生態(tài)目標

中圖分類號：TV213 文獻標志碼：A 文章編號：150829

16721683（2016）05009606

Model of multipurpose reservoir ecological operation based on ecological flow range and its application

ZHANG Zhao1，2，3，ZHANG Wei3，LIAO Weihong3，WANG Xu3

（1.State Key Laboratory of HydrologyWater Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing 210098，China；

2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；

3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：Useful operation and flood control operation predominate the traditional reservoir operation，which usually ignores Ecoenvironmental problems and leads to the continuous deterioration of river Ecohydrological systems.Comparing with the traditional researches which set hydropower stations′ utmost annual energy output and highest power guarantee rate as objective functions，this paper also introduced maximum Ecoguaranteed rate as an objective function to build a model of multipurpose reservoir ecological operation based on ecological flow range，and used NSGAⅡ algorithm to optimize the model.This model was used to optimize the operation of TianshengqiaoⅠreservoir′s inflow process in 1956～2008，and the results showed that：the operation scheme of utmost economic benefits would significantly change natural runoff process，and the operation scheme of combining both economic benefits and ecological purposes would have little impact on economic benefits while at the same time guarantee the ecosystem′s stability.

Key words：reservoir ecological operation；multipurpose；ecological flow range；ecological purpose

水庫的建設和運行在實現(xiàn)其經(jīng)濟效益的同時，也改變了河流天然徑流情勢和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由此可能會引發(fā)一系列的流域生態(tài)和環(huán)境問題。因此，有必要合理調(diào)整水庫的調(diào)度運行方式，對水庫實施

[HJ1.9mm]生態(tài)調(diào)度。水庫生態(tài)調(diào)度就是將生態(tài)因素納入到現(xiàn)行的水庫調(diào)度中去，作為水庫的核心功能，與其他水庫功能進行耦合共同指導水庫調(diào)度實踐[1]。國內(nèi)外學者在水庫生態(tài)調(diào)度方法方面的研究可歸納為兩類：一類是將生態(tài)需求作為模型的約束條件，另一類是將被量化的生態(tài)因子納入模型的目標函數(shù)中。前者如Castelletti[2]等介紹了以最小生態(tài)流量為約束的河流生態(tài)保護常用方法；Lencce Barbara J[3]等構建了以水庫蓄量和發(fā)電量為目標、水質(zhì)條件為約束的水庫調(diào)度模型，并在加拿大謝爾茅斯水庫生態(tài)調(diào)度中得到應用；胡和平[4]等以發(fā)電量最大為目標，構建了以生態(tài)流量過程線為約束的水庫優(yōu)化調(diào)度模型；陳端[5]等以裂腹魚棲息地模型建議的適宜生態(tài)流量過程作為約束條件，研究了雅礱江錦屏梯級水庫優(yōu)化調(diào)度問題。后者如王加全[6]、雍婷[7]等分別將生態(tài)目標納入水庫綜合效益中，構建了以不同權重衡量生態(tài)和經(jīng)濟等用水目標的單目標生態(tài)調(diào)度模型，為生態(tài)友好型水庫調(diào)度理論的應用提供了理論基礎；王霞[8]等以河道生態(tài)需水量為依據(jù)，采用分層序列法將多目標模型轉化為單目標優(yōu)化模型，提出了避免各目標相互沖突的水庫生態(tài)調(diào)度最佳方案；葉季平[9]等建立了兼顧經(jīng)濟和環(huán)境效益的多目標水庫優(yōu)化模型，并應用約束法將多目標轉換成多個單目標問題，采用動態(tài)規(guī)劃法分別求解。由此可見，當前的水庫生態(tài)調(diào)度模型大多是將生態(tài)需求作為約束條件或將生態(tài)目標納入綜合效益中的單目標模型。不過，為突出各目標之間的博弈關系，比較不同調(diào)度方案的優(yōu)劣，將生態(tài)需求作為獨立目標函數(shù)與經(jīng)濟目標共同求解的多目標生態(tài)調(diào)度模型有待進一步研究。鑒于此，本文引入生態(tài)流量區(qū)間的概念，將生態(tài)保證率作為被量化的生態(tài)目標，構建考慮生態(tài)的多目標水庫優(yōu)化調(diào)度模型，并用于天生橋一級水庫予以驗證。

1 生態(tài)流量區(qū)間的確定

河流健康需要模擬天然流量組成的自然節(jié)律，水庫生態(tài)調(diào)度研究中，河流生態(tài)要素對水的需求規(guī)律歸根于對河道生態(tài)流量過程的需求[1011]。生態(tài)需水量是一個閾值范圍，具有極大值和極小值[12]。絕大多數(shù)生態(tài)調(diào)度僅考慮流量的下限值，但是，對于豐水期雨量大、來水多的河流，水庫短時間出流過高會對河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。在枯水期，水庫出流高于天然徑流狀態(tài)時，會導致河流生態(tài)驅動力的改變，進而影響河道內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的重新分布。特別的，對于多沙河流枯水期流量加大，壩下游河道將發(fā)生沿程沖刷，河勢會發(fā)生不同程度地調(diào)整[4，19]。因此，有必要確定天然河道生態(tài)流量的上限值。各時段生態(tài)流量的上、下限值共同構成了生態(tài)流量區(qū)間。

[HJ2.15mm]生態(tài)流量的確定有多種方法如水文學方法、水力定額法、棲息地法等，各方法均有其適用條件和范圍[13]。水文學法僅需利用水文資料中的歷史流量數(shù)據(jù)即可確定河道生態(tài)需水。我國大部分地區(qū)具有較長的歷史流量資料，具備使用該方法的條件[14]?？紤]到生態(tài)徑流過程的連續(xù)變化特征和過程性，逐月最小生態(tài)徑流計算法為計算河流最小生態(tài)徑流量的最恰當方法[15]。本文采用該方法確定河道生態(tài)流量的最小值，即在盡可能長的天然月徑流系列中取最小值作為該月的最小生態(tài)徑流量[16]，同理可確定該月最大生態(tài)流量。為排除偶然性的影響，河道天然生態(tài)流量區(qū)間采用逐月次最大流量、次最小流量作為其上、下限值。具體過程：根據(jù)電站壩址處多年天然流量資料，將相同月份的多年月徑流系列按由大到小排序，從序列中選取次最大值和次最小值，依此類推，最終形成年次最大、次最小生態(tài)徑流過程。

以天生橋一級水電站為例，根據(jù)其1956年-2008年共53年的入庫流量過程資料，按上述方法，統(tǒng)計計算月平均生態(tài)流量區(qū)間結果見表1。當計算時間尺度為旬尺度或日尺度時，采用與月尺度相同的生態(tài)流量區(qū)間。

2 基于生態(tài)流量區(qū)間的水庫生態(tài)調(diào)度模型

基于生態(tài)流量區(qū)間的多目標水庫生態(tài)調(diào)度是針對下游河道的生態(tài)環(huán)境問題，以生態(tài)流量區(qū)間為依據(jù)，通過水庫優(yōu)化調(diào)度提供滿足生態(tài)環(huán)境需求的出流過程，從而緩解生態(tài)壓力，恢復河道的生態(tài)功能。基于生態(tài)流量區(qū)間的水庫調(diào)度需要構建多目標水庫生態(tài)調(diào)度模型。

傳統(tǒng)的多目標水庫調(diào)度通常給予每個目標不同的權重值，并將多目標用一個綜合目標表示。為了體現(xiàn)各個目標之間的相互博弈關系，本模型設置發(fā)電量最大、發(fā)電保證率最高、生態(tài)保證率最高三個目標函數(shù)，并用優(yōu)化算法求解。

2.1 目標函數(shù)

（1）發(fā)電量最大。

（2）發(fā)電保證率最高。

（3）生態(tài)保證率最高。

生態(tài)保證率是指水庫下泄流量滿足河道天然生態(tài)流量區(qū)間的時段數(shù)占總時段數(shù)的百分比，它能很好地反映河道流量與生態(tài)需求之間的關系。

需要說明的是：此處生態(tài)和發(fā)電保證率均為旬保證率。

2.2 約束條件

2.3 優(yōu)化算法

水庫生態(tài)調(diào)度是一個多目標、多約束問題，需要用多目標算法求解。帶精英策略的快速非支配排序遺傳算法（NSGAⅡ）是一種新型的多目標遺傳算法，該算法求得的pareto最優(yōu)解分布均勻，收斂性和魯棒性好[17]，其在水庫多目標優(yōu)化問題中有良好的適應性。因此，本文采用NSGAⅡ算法對模型進行優(yōu)化求解。NSGAⅡ算法計算流程見圖1，NSGAⅡ算法詳見文獻[18]。

3.1 天生橋一級水庫概況

將建立的多目標水庫生態(tài)調(diào)度模型應用于天生橋一級水電站，該電站水庫為多年調(diào)節(jié)水庫，總庫容102.6億m3，調(diào)節(jié)庫容57.96億m3，水庫正常蓄水位780.00 m，汛期限制水位776.40 m（19旬-27旬）。天生橋一級水電站是紅水河梯級電站的第一級，工程以發(fā)電為主，電站裝機容量120萬kW（4×30萬kW），保證出力40.52萬kW，年發(fā)電量52.26億（kW·h），水輪機最大過流能力1 248.00 m3/s。

天生橋一級水電站是珠江流域西江上的龍頭電站，對其實施生態(tài)調(diào)度，有助于恢復河流的徑流規(guī)律以及河流生態(tài)驅動力的變化規(guī)律[19]。這對改善珠江西江流域的生態(tài)環(huán)境狀況，保持生物的棲息環(huán)境，減小下游河段河流廊道的生態(tài)壓力，具有重要的現(xiàn)實意義。

3.2 模型構建

以天生橋一級水庫1956年-2008年的入庫流量資料為依據(jù)，以壩址出流斷面為生態(tài)流量控制點，計算得到生態(tài)流量區(qū)間見表1。以年發(fā)電量最大、發(fā)電保證率最高、生態(tài)保證率最高為目標函數(shù)，將電站及水庫的相關參數(shù)代入模型約束條件中，以時間、水位、出力區(qū)系數(shù)為三組決策變量，用NSGAⅡ算法對水庫調(diào)度圖進行優(yōu)化，得到一組最優(yōu)解。限于篇幅，天生橋一級多目標水庫生態(tài)調(diào)度模型的構建過程不再贅述。

3.3 水庫生態(tài)調(diào)度結果及分析

3.3.1 典型年調(diào)度結果

對天生橋一級水庫1956年-2008年的年平均入庫流量進行頻率計算，選取1969年、1981年、1982年分別作為設計豐水年、平水年、枯水年。為比較不同調(diào)度方案對天然來水過程的改變程度，用發(fā)電量最大、發(fā)電保證率最高、生態(tài)保證率最高三個方案分別對三個典型年來水過程進行模擬調(diào)度，調(diào)度結果見圖2（1969年）、圖3（1981年）、圖4（1982年）。

不同頻率來水過程在不同運行方案下的調(diào)度結果表明如下結果。

（1）經(jīng)濟效益占優(yōu)的調(diào)度方案對天然來水的改變十分顯著，特別是發(fā)電量最大調(diào)度方案，對豐、平、枯三類典型年的徑流調(diào)節(jié)均尤為明顯。

（2）生態(tài)保證率最高方案水庫出流過程與天然來水過程趨勢基本一致，豐枯期流量差異顯著。由于豐水年來水較多，水庫按照生態(tài)流量區(qū)間調(diào)度的可能性增加。豐水年生態(tài)保證率最高方案調(diào)度下，出流過程與天然來水過程吻合較好。為提高生態(tài)保證率，水電站的出流過程應當趨于天然流量過程。

（3）發(fā)電量最大方案調(diào)度下，豐水期基本保持水電站最大引用流量1 248 m3/s發(fā)電；枯水期充分利用水庫水位，將出庫流量控制在360 m3/s左右。為增加水電站發(fā)電量，在水庫調(diào)度運行時，會盡量提高枯水期電站的運行水位，同時在豐水期利用較大流量發(fā)電。由此，導致水文流量過程均一化，改變了自然水文情勢的年內(nèi)豐枯周期變化規(guī)律，這些變化無疑影響了生態(tài)過程[20]。

（4）發(fā)電保證率最高時，流量過程均存在兩個明顯的峰值。第一個峰值出現(xiàn)在前汛期開始，第二個峰值出現(xiàn)在主汛期后段。由此分析，為增加水電站處于保證出力區(qū)的時段數(shù)，在汛期開始前，來水相對較少，此時加大引用流量，可降低汛期水庫起調(diào)水位。汛期到來時，水庫水位升高后仍會穩(wěn)定在保證出力區(qū)。水庫在汛期不會盲目加大出力，為提高枯水期發(fā)電保證率創(chuàng)造了條件。

（5）基于生態(tài)流量區(qū)間的多目標水庫調(diào)度模型能夠體現(xiàn)不同頻率來水的水庫調(diào)度規(guī)律，能夠很好地適應有多個目標需求的水庫調(diào)度。

3.3.2 調(diào)度結果分析

為了說明各目標函數(shù)之間的博弈關系，比較不同調(diào)度方案下調(diào)度結果的差異，同時為天生橋一級水電站的生態(tài)調(diào)度提供指導方案，本文選取下列五種調(diào)度運行方案結果進行分析比較：（1） 設計調(diào)度圖方案；（2）發(fā)電量最大方案；（3）發(fā)電保證率最高方案；（4）生態(tài)保證率最高方案：（5）[HJ2.1mm]建議調(diào)度方案。其中，從pareto解集中選擇經(jīng)濟目標量值與設計調(diào)度圖方案相當，且生態(tài)保證率較高的方案作為建議調(diào)度方案。五種方案的調(diào)度結果見表2，表中調(diào)度結果表示按照選定水庫調(diào)度方案對天生橋一級水電站1956年-2008年的來水過程進行模擬調(diào)度得到的多年平均年發(fā)電量、發(fā)電保證率和生態(tài)保證率；變幅表示選定水庫調(diào)度方案的調(diào)度結果相對于設計調(diào)度圖方案調(diào)度結果的改變程度，以百分數(shù)表示。

不同方案調(diào)度結果對比表明：（1）不同調(diào)度方案各有側重，各目標函數(shù)呈現(xiàn)此消彼漲的態(tài)勢，即經(jīng)濟目標的最優(yōu)化和生態(tài)目標的最優(yōu)化不可能同時實現(xiàn)，需要根據(jù)電站的需要選擇相應的調(diào)度方案；（2）各目標函數(shù)間相互制約影響的程度不同，生態(tài)保證率對經(jīng)濟目標的變化更為敏感，例如與設計調(diào)度圖方案相比，生態(tài)保證率最高方案在年發(fā)電量和發(fā)電保證率變幅分別為-262%和055%的情況下，生態(tài)保證率變幅達到了6258%；（3）從最優(yōu)解集中選擇發(fā)電量、發(fā)電保證率與設計調(diào)度圖方案調(diào)度結果相差不大的方案作為電站建議調(diào)度方案，可以發(fā)現(xiàn)建議調(diào)度方案的生態(tài)保證率達到了95.70%，遠高于設計方案的生態(tài)目標量值，由此可見側重考慮生態(tài)需求的調(diào)度方案不會對水電站的經(jīng)濟效益產(chǎn)生太大的影響。

生態(tài)不滿足時段即水電站出流不滿足相應生態(tài)流量區(qū)間的旬時段。在不同的調(diào)度方案下，不同月份的生態(tài)不滿足時段各不相同，并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。生態(tài)不滿足時段統(tǒng)計結果見表3，表中數(shù)值表示天生橋一級水電站1956年-2008年共53年來水在相應調(diào)度方案下各月份生態(tài)不滿足時段個數(shù)。其最大值為159（53*3），即完全不滿足；最小值0，即完全滿足。

由表3分析可見：（1）設計調(diào)度圖方案生態(tài)不滿足時段主要集中枯水期1月-4月和主汛期7月-8月，設計調(diào)度圖主要考慮電站的發(fā)電效益，枯水期出流大部分高于生態(tài)流量區(qū)間的最大值；（2）發(fā)電量最大方案生態(tài)不滿足時段持續(xù)整個非主汛期，這是電站為提高發(fā)電量，枯水期出流較天然狀態(tài)偏高的必然結果；（3）發(fā)電保證率最高方案4月份生態(tài)不滿足時段最為集中，4月份水庫進入前汛期，水庫為騰空水庫加大出流，為主汛期水庫接納洪水創(chuàng)造條件；（4）生態(tài)保證率最高方案和建議調(diào)度方案生態(tài)不滿足時段較少且分布較為平均；（5）在枯水期天然徑流過程流量較小，生態(tài)流量區(qū)間的變化范圍也較小，導致河道枯水期對電站出流變化更為敏感。因此，為了提高水電站的生態(tài)保證率，應當盡可能減少其枯水期的生態(tài)不滿足時段個數(shù)。

4 結論

本文用生態(tài)流量區(qū)間反映河流的生態(tài)需求，將生態(tài)保證率作為目標函數(shù)，構建了多目標水庫生態(tài)調(diào)度模型，并用NSGAⅡ算法對模型進行優(yōu)化求解，得到水庫調(diào)度圖最優(yōu)解集。決策者可以根據(jù)電站和流域規(guī)劃的需要，在解集中有側重地選擇一組調(diào)度圖用于實際調(diào)度。對天生橋一級水庫的實例研究表明：（1）經(jīng)濟效益占優(yōu)的調(diào)度方案通常會使水庫出庫流量呈現(xiàn)均一化特點，對水文情勢改變顯著；（2）調(diào)度結果與天然狀態(tài)徑流的吻合度隨生態(tài)保證率的提高而增加，為了減少水庫調(diào)度對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的負面影響，電站實際使用的水庫調(diào)度方案應盡量提高生態(tài)保證率；（3）基于生態(tài)流量區(qū)間的調(diào)度模型可以模擬并驗證水庫調(diào)度的基本規(guī)律，能夠很好地應用于水庫生態(tài)優(yōu)化調(diào)度；（4）采取合適的調(diào)度方案以實現(xiàn)生態(tài)目標的最大化不會對水庫的經(jīng)濟效益產(chǎn)生很大影響，因此具有生態(tài)要求的水庫可適當調(diào)整調(diào)度運行方案。

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