兼顧生態(tài)與發(fā)電的水庫綜合調(diào)度圖研究及應(yīng)用

李天慶，周鵬程，楊開斌，盧 鵬，，陳 平，胡一帆

（1.中國電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051； 2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引 言

“十四五”期間，水利部提出了小水電“綠色、安全、智慧、惠民”的總體發(fā)展目標(biāo)，在對(duì)小水電的生態(tài)保護(hù)提出了更嚴(yán)格要求的同時(shí)，對(duì)小水電的運(yùn)行調(diào)度帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。水庫運(yùn)行調(diào)度方式主要包括優(yōu)化調(diào)度和常規(guī)調(diào)度［1］。優(yōu)化調(diào)度以水文預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)，采用一定的優(yōu)化準(zhǔn)則，將水庫運(yùn)行調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)優(yōu)化問題，對(duì)于水文預(yù)報(bào)精度較高的短期運(yùn)行調(diào)度，運(yùn)用優(yōu)化調(diào)度的方式能夠很好地提高水庫的運(yùn)行效益［2-4］。對(duì)于中長(zhǎng)期運(yùn)行調(diào)度，受限于水文預(yù)報(bào)的精度，優(yōu)化調(diào)度存在明顯不足。因此，目前基于調(diào)度圖和調(diào)度規(guī)則的常規(guī)調(diào)度，仍是指導(dǎo)水庫中長(zhǎng)期運(yùn)行調(diào)度的有效方式［5］。為了減少歷史典型代表徑流對(duì)調(diào)度圖繪制的局限，提高調(diào)度圖的運(yùn)行效益，許多專家學(xué)者對(duì)常規(guī)發(fā)電調(diào)度圖進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。徐敏等［6］以發(fā)電量最大為目標(biāo)，兼顧蓄末蓄滿率提出了傳統(tǒng)調(diào)度圖的優(yōu)化方法；解陽陽［7］、李雅琴［8］等考慮豐水年、平水年和枯水年的徑流差異，提出了分級(jí)發(fā)電調(diào)度圖；李銀銀［9］、程春田［10］等對(duì)梯級(jí)水電站群聯(lián)合調(diào)度圖進(jìn)行了研究。水電開發(fā)在帶來發(fā)電、防洪等興利效益的同時(shí)，也不可避免地會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定影響。大壩建成后會(huì)改變河道的徑流過程，對(duì)下游的水生、陸生物種帶來了生存挑戰(zhàn)，近些年來水電工程對(duì)生態(tài)保護(hù)的運(yùn)行要求也越來越嚴(yán)格，生態(tài)調(diào)度也納入了水庫調(diào)度研究中［11］。雍婷等［12］等定義了生態(tài)限制供水線和生態(tài)庫容，以丹江口水庫為例，在繪制供水調(diào)度圖考慮生態(tài)調(diào)度線；吳貞暉等［13］考慮生態(tài)流量的上下閾值，提出一種模擬和優(yōu)化相結(jié)合的水庫調(diào)度圖優(yōu)化方法。王娟［14］等以發(fā)電效益最大為目標(biāo)，將生態(tài)流量轉(zhuǎn)化為硬性約束條件，研究了梯級(jí)水電站多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度。由此可見，現(xiàn)有研究方法主要是將生態(tài)流量或生態(tài)限制水位作為水庫發(fā)電調(diào)度的邊界條件，無法反映水庫生態(tài)調(diào)度與發(fā)電調(diào)度存在的用水沖突關(guān)系。針對(duì)這一問題，提出一種兼顧生態(tài)與發(fā)電的水庫綜合調(diào)度圖，在保障生態(tài)調(diào)度需求的基礎(chǔ)上，減小生態(tài)調(diào)度對(duì)發(fā)電調(diào)度的影響，盡可能提高水庫的發(fā)電效益。以云南迪慶藏族自治州小中甸水庫為對(duì)象，并以梯級(jí)水庫群發(fā)電量最大為目標(biāo)，優(yōu)化小中甸水庫的綜合調(diào)度圖，以便在保障魚類產(chǎn)卵期的特定生態(tài)流量需求的基礎(chǔ)上，更好地協(xié)調(diào)發(fā)電調(diào)度與生態(tài)調(diào)度的用水關(guān)系，以及小中甸水庫與下游梯級(jí)水電站的徑流補(bǔ)償關(guān)系。

1 水庫綜合調(diào)度圖的組成及繪制方法

1.1 水庫綜合調(diào)度圖的組成

常規(guī)水庫發(fā)電調(diào)度圖由一組表征水庫發(fā)電特征水位的調(diào)度線組成，基于歷史徑流繪制得到的常規(guī)發(fā)電調(diào)度圖，能夠協(xié)調(diào)好水庫汛期和枯期的發(fā)電用水關(guān)系，但無法反映生態(tài)與發(fā)電之間的用水關(guān)系和調(diào)度方式的差異。

生態(tài)用水包括最小生態(tài)流量、適宜生態(tài)流量和魚類產(chǎn)卵“洪水脈沖”過程等，最小生態(tài)流量也稱為生態(tài)基流，是保護(hù)河流水生態(tài)系統(tǒng)可恢復(fù)的最基本要求，防止河道生態(tài)功能退化；適宜生態(tài)流量是維持河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定及保持物種多樣性所需要的流量；魚類產(chǎn)卵“洪水脈沖”是為了保障河道水生生物繁殖和生長(zhǎng)提供所需的洪水脈沖過程［15］。

在枯期，發(fā)電調(diào)度與生態(tài)調(diào)度的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系表現(xiàn)在流量控制上，尤其對(duì)于中小水電站而言，魚類產(chǎn)卵洪水脈沖流量要求較大，生態(tài)用水與發(fā)電用水存在較大的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。為協(xié)調(diào)好枯期生態(tài)與發(fā)電之間的用水關(guān)系，以常規(guī)發(fā)電調(diào)度圖為基礎(chǔ)，提出兼顧生態(tài)與發(fā)電的水庫綜合調(diào)度圖（簡(jiǎn)稱“綜合調(diào)度圖”），如圖1所示。綜合調(diào)度圖縱坐標(biāo)表示水位，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，以年為周期，起始時(shí)間為汛期（蓄水期）的開始時(shí)間，終止時(shí)間為枯期（供水期）的結(jié)束時(shí)間（如圖1假定6月初汛期開始，5月末枯期結(jié)束）。綜合調(diào)度圖分為發(fā)電調(diào)度期（圖中除生態(tài)調(diào)度期外的時(shí)間）和生態(tài)調(diào)度期（圖1中3月和4月），生態(tài)調(diào)度期以水庫嚴(yán)格的生態(tài)流量調(diào)度需求為運(yùn)行方式；發(fā)電調(diào)度期以出力控制為運(yùn)行方式，水庫水位介于上、下基本調(diào)度線時(shí)，按保證出力運(yùn)行，水庫水位超過上基本調(diào)度線時(shí)，加大出力，水庫水位低于下基本調(diào)度線時(shí)，降低出力。發(fā)電調(diào)度期，汛期最高運(yùn)行水位為汛期運(yùn)行限制水位，生態(tài)調(diào)度期之前的枯期最低運(yùn)行水位為枯期生態(tài)控制水位。

圖1 水庫生態(tài)-發(fā)電綜合調(diào)度圖Fig.1 Reservoir comprehensive operation chart considering ecology and power generation

1.2 枯期生態(tài)控制水位計(jì)算方法

枯期生態(tài)控制水位指的是保障枯期生態(tài)流量需求的水庫最低運(yùn)行水位，枯期生態(tài)控制水位設(shè)置時(shí)期為枯期開始時(shí)間至生態(tài)調(diào)度期開始時(shí)間。計(jì)算枯期生態(tài)控制水位時(shí)，首先推算生態(tài)調(diào)度期生態(tài)流量需要的“生態(tài)庫容”，若歷史天然徑流均大于生態(tài)流量，則“生態(tài)庫容”為0，枯期生態(tài)控制水位為死水位；若歷史天然徑流存在小于生態(tài)流量的情況，則需要為生態(tài)流量預(yù)留足夠的“生態(tài)庫容”，“生態(tài)庫容”對(duì)應(yīng)的水位為枯期生態(tài)控制水位?！吧鷳B(tài)庫容”和枯期生態(tài)控制水位的計(jì)算方法如下：

（1）遍歷歷史天然徑流過程，以枯期（供水期）期末為起始時(shí)間，按式（1）逆時(shí)序推求各年歷史徑流下的枯期“生態(tài)庫容”。

式中：T表示枯期最后一個(gè)月；L表示枯期月數(shù)；T-L表示枯期第一個(gè)月；m表示第m年歷史徑流系列；表示第m年歷史徑流序列下第T月份生態(tài)流量所需的庫容；表示第m年歷史徑流序列下枯期“生態(tài)庫容”；Vdead為水庫死庫容；Qeco，T為第T月份生態(tài)流量為第m年歷史徑流序列下第T月份的入庫流量；Δt為月時(shí)間轉(zhuǎn)換單位。

（2）按式（2）或（3），取歷史徑流得到的歷年枯期“生態(tài)庫容”的最大值或取某一保證率（如90%年保證率）對(duì)應(yīng)的值為水庫枯期“生態(tài)庫容”，然后按式（4），根據(jù)水庫水位-庫容關(guān)系曲線得到水庫枯期生態(tài)控制水位。

式中：Veco表示水庫枯期生態(tài)庫容；Heco表示枯期生態(tài)控制水位；M表示歷史徑流的總年數(shù)；Fp表示P保證率對(duì)應(yīng)的水庫枯期生態(tài)庫容；f(Veco)表示水庫庫容-水位關(guān)系曲線。

1.3 水庫綜合調(diào)度圖的繪制步驟

水庫綜合調(diào)度圖的繪制步驟如下：

（1）考慮汛期防洪限制水位，采用等出力控制方式，繪制出力控制模式的發(fā)電調(diào)度圖，繪制流程如圖2所示。

圖2 等出力調(diào)度線和出力計(jì)算流程圖Fig.2 Equal output dispatching line and output calculation process

（2）根據(jù)1.2節(jié)所述的方法，計(jì)算枯期生態(tài)控制水位；

（3）在發(fā)電調(diào)度圖上，添加生態(tài)控制水位和生態(tài)調(diào)度期，繪制綜合調(diào)度圖。

2 水庫綜合調(diào)度圖的優(yōu)化

2.1 綜合調(diào)度圖優(yōu)化模型的構(gòu)建

1.3節(jié)得到的綜合調(diào)度圖，在發(fā)電調(diào)度圖上直接添加生態(tài)控制水位，簡(jiǎn)單化地考慮生態(tài)與發(fā)電的用水關(guān)系，對(duì)水庫的發(fā)電，尤其枯期發(fā)電將產(chǎn)生很大影響，不符合水庫綜合效益最大化的運(yùn)行目標(biāo)。為進(jìn)一步協(xié)調(diào)好生態(tài)與發(fā)電的用水關(guān)系，提高水資源利用效率，以綜合調(diào)度圖的調(diào)度線對(duì)應(yīng)的水位為優(yōu)化對(duì)象，以多年平均發(fā)電量最大為優(yōu)化準(zhǔn)則，構(gòu)建綜合調(diào)度圖優(yōu)化模型，模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件如下：

（1）目標(biāo)函數(shù)。

（2）約束條件：

式中：P表示多年平均發(fā)電量；M表示歷史徑流的年數(shù)；T表示枯期最后一個(gè)月；表示第m年第t月的發(fā)電量；表示第m年第t月的初庫容；分別表示第m年第t月的入庫流量、發(fā)電流量和其他出庫流量（包括通過泄洪設(shè)施下泄的流量、通過生態(tài)管道下泄的生態(tài)流量等）；Δt為月時(shí)間轉(zhuǎn)換單位表示第m年第t月的出力；表示第m年第t月的月初水位；Ht，min、Ht，max分別表示第t月的最低允許運(yùn)行水位和最高允許運(yùn)行水位；Qt，min、Qt，max分別表示第t月的最小允許出庫流量和最大允許出庫流量；Nt，min、Nt，max分別表示第t月的最小允許出力和最大允許出力；ΔHk，t表示k調(diào)度線t時(shí)段對(duì)應(yīng)的水位變幅表示k調(diào)度線t時(shí)段對(duì)應(yīng)的水位最大尋優(yōu)變幅；Hk，t表示k調(diào)度線t時(shí)段對(duì)應(yīng)的水位，k∈[0，K]，0調(diào)度線表示最低調(diào)度線，K調(diào)度線為最高調(diào)度線；NB表示保證出力；αk表示k與k+1調(diào)度線的出力倍數(shù)；β表示高于K調(diào)度線的出力倍數(shù)；γ表示低于0調(diào)度線的出力倍數(shù)；η表示水庫的出力系數(shù)表示第m年第t月的凈水頭。

2.2 綜合調(diào)度圖優(yōu)化模型的求解

粒子群算法（PSO）是一種基于鳥類覓食的啟發(fā)式智能搜索算法，個(gè)體通過參考個(gè)體歷史最優(yōu)位置和種群最優(yōu)位置來更新位置，粒子群算法具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)，在水庫調(diào)度領(lǐng)域被廣泛使用。因此，采用粒子群算法進(jìn)行綜合調(diào)度圖優(yōu)化，計(jì)算步驟如下：

（1）設(shè)置算法參數(shù)，粒子個(gè)數(shù)設(shè)置為I=40，最大迭代次數(shù)設(shè)置為J=300。

（2）初始化粒子的位置和速度，初始化方式如下：

（3）對(duì)第0代粒子進(jìn)行約束檢查，然后采用長(zhǎng)序列歷史徑流進(jìn)行模擬運(yùn)行，模擬運(yùn)行結(jié)束后計(jì)算適應(yīng)度，即多年平均發(fā)電量，設(shè)置粒子i的歷史最優(yōu)解為粒子i的第0代解，設(shè)置粒子全局最優(yōu)解為適應(yīng)度最大的粒子對(duì)應(yīng)的解。

（4）更新粒子速度和位置，更新方式如下：

式中：wj=0.4(1-j/J)；c1=c2=2.0；表示第i個(gè)粒子k調(diào)度線第t月對(duì)應(yīng)水位的速度表示為第i個(gè)粒子第j代k調(diào)度線第t月對(duì)應(yīng)水位；表示第i個(gè)粒子歷史最優(yōu)解的k調(diào)度線第t月對(duì)應(yīng)水位表示全局最優(yōu)解的k調(diào)度線第t月對(duì)應(yīng)水位。

（5）對(duì)新粒子位置進(jìn)行約束檢查和適應(yīng)度求解，并更新粒子歷史最優(yōu)解和粒子全局最優(yōu)解。

（6）判斷是否否達(dá)到最大迭代次數(shù)J，若達(dá)到最大迭代次數(shù)則轉(zhuǎn)到（7），否則j=j+1，并轉(zhuǎn)到（4），進(jìn)行下一代求解。

（7）輸出全局最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的調(diào)度線水位及梯級(jí)水電站的歷年模擬運(yùn)行結(jié)果。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 應(yīng)用對(duì)象

小中甸水庫所在河流為碩多崗河，碩多崗河發(fā)源于云南省迪慶藏族自治州香格里拉市城東北約30 km的楚力措，河流自北流向東南，從左岸匯入金沙江，河流全長(zhǎng)153.2 km，流域面積1 966 km2。小中甸水庫距香格里拉縣城約32 km，是云南迪慶州唯一一座大型水庫，是國家重點(diǎn)扶貧工程和全國大型水庫建設(shè)規(guī)劃項(xiàng)目。水庫正常蓄水位3 235 m，主壩最大壩高52.7 m，總庫容1.55億m3，調(diào)節(jié)庫容1.27 億m3，具有年調(diào)節(jié)性能。工程以發(fā)電、生態(tài)環(huán)境保護(hù)為主，結(jié)合防洪和灌溉等綜合利用為開發(fā)任務(wù)。發(fā)電調(diào)度方面，小中甸水庫作為碩多崗河流域梯級(jí)水電工程的龍頭水庫，需要對(duì)下游吉沙水電站、沖江河水電站和螺絲灣水電站三個(gè)梯級(jí)水電站進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)和補(bǔ)償。防洪調(diào)度方面，水庫防洪任務(wù)是確保樞紐工程安全和保障下游虎跳峽鎮(zhèn)和沿河村莊人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，汛期設(shè)置防洪汛限水位為3 233 m，控制時(shí)間為7月1日-9月30日。生態(tài)調(diào)度方面，水庫具有河道生態(tài)流量、下游景觀生態(tài)流量和魚類產(chǎn)卵期生態(tài)流量的運(yùn)行要求，其中河道生態(tài)基流不小于1.42 m3/s，魚類產(chǎn)卵期4月20日-5月20日，連續(xù)下泄生態(tài)流量不小于17.72 m3/s，并每周人造洪峰一次，每次不小于2 h，人造洪峰期間連續(xù)下泄生態(tài)流量不小于30 m3/s，重點(diǎn)旅游時(shí)段7月15日-9月15日，連續(xù)下泄景觀生態(tài)流量不小于3.55 m3/s。

3.2 結(jié)果分析

碩多崗河徑流汛期（6-10月）主要由降水補(bǔ)給，枯期（11月-次年5月）主要由深層地下水及融雪補(bǔ)給，汛期水量占全年水量的72%，根據(jù)流域降雨徑流特性，小中甸水庫以汛期6-10月為蓄水期、枯期11月-次年5月為供水期。以7月-次年6月作為調(diào)節(jié)年度，按設(shè)計(jì)保證率90%分別進(jìn)行蓄水期和供水期典型流量過程選擇與設(shè)計(jì)。根據(jù)魚類產(chǎn)卵期時(shí)間（4月20日-5月20日）及所需生態(tài)流量，取歷年枯期“生態(tài)庫容”的最大值為小中甸水庫枯期“生態(tài)庫容”，得到4月20日之前枯期生態(tài)控制水位為3 222.5 m。

選擇典型徑流過程，采用傳統(tǒng)等出力計(jì)算方法直接繪制得到的小中甸發(fā)電調(diào)度圖（未經(jīng)優(yōu)化）如圖3所示。采用1959年7月-2014年6月共55年徑流資料，7月-次年3月按月尺度調(diào)度，次年4月-次年5月按旬尺度調(diào)度，4月20日-5月20日按生態(tài)流量調(diào)度，以碩多崗河梯級(jí)水電站發(fā)電量最大對(duì)綜合調(diào)度圖進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化得到的小中甸水庫綜合調(diào)度圖如圖4所示。與傳統(tǒng)的發(fā)電調(diào)度圖相比，經(jīng)過優(yōu)化后的小中甸水庫綜合調(diào)度圖，4月20日-5月20日為魚類產(chǎn)卵調(diào)度期，蓄水期2.0倍/供水期1.2倍加大出力線對(duì)應(yīng)的水位整體降低；上基本調(diào)度線和下基本調(diào)度線，蓄水期對(duì)應(yīng)水位整體增加，供水期對(duì)應(yīng)的水位整體降低；0.8倍降低出力線，除8月份對(duì)應(yīng)的水位降低了0.94 m外，其他月份對(duì)應(yīng)的水位均不同程度增加。

圖3 小中甸水庫發(fā)電調(diào)度圖Fig.3 Power generation operation chart of Xiaozhongdian reservoir

圖4 小中甸水庫綜合調(diào)度圖Fig.4 Comprehensive operation chart of Xiaozhongdian reservoir

采用傳統(tǒng)的發(fā)電調(diào)度圖，碩多崗河梯級(jí)水電站的多年平均運(yùn)行指標(biāo)如表1所示，梯級(jí)平均年發(fā)電量為13.45 億kWh，小中甸水庫的水量利用率為99.43%，生態(tài)流量的滿足率為93%（51 a/55 a）。

表1 基于傳統(tǒng)發(fā)電調(diào)度圖的梯級(jí)水電站多年平均運(yùn)行指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Operation statistics index of cascade hydropower station based on power generation operation chart

采用優(yōu)化后的小中甸水庫綜合調(diào)度圖，碩多崗河梯級(jí)水電站的多年平均運(yùn)行指標(biāo)如表2所示，生態(tài)流量的滿足率為100%，在滿足小中甸水庫防洪調(diào)度任務(wù)和生態(tài)調(diào)度任務(wù)，以及在小中甸水庫蓄滿率不變的情況下，梯級(jí)水電站的多年平均發(fā)電量提高了1.64%，水量利用率平均提高1.11%。采用綜合調(diào)度圖，小中甸水庫的生態(tài)調(diào)度與發(fā)電調(diào)度的用水關(guān)系得到了很好地解決。

表2 基于綜合調(diào)度圖的梯級(jí)水電站運(yùn)行指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Operation statistics index of cascade hydropower station based on comprehensive operation chart

4 結(jié) 論

通過分析發(fā)電調(diào)度與生態(tài)調(diào)度的用水關(guān)系，引入枯期生態(tài)控制水位，對(duì)常規(guī)發(fā)電調(diào)度圖進(jìn)行改進(jìn)，提出了兼顧生態(tài)與發(fā)電的水庫綜合調(diào)度圖，并以發(fā)電量最大的優(yōu)化準(zhǔn)則構(gòu)建了綜合調(diào)度圖優(yōu)化模型。以云南迪慶藏族自治州小中甸水庫為例來驗(yàn)證綜合調(diào)度圖的有效性。結(jié)果表明，通過設(shè)置枯期生態(tài)控制水位和預(yù)留生態(tài)庫容的方式，小中甸水庫的生態(tài)流量滿足率由93%提高至100%，解決了遭遇特枯來水時(shí)，小中甸水庫無法保障魚類產(chǎn)卵所需生態(tài)流量的問題；通過以梯級(jí)水電站發(fā)電量最大為目標(biāo)，優(yōu)化綜合調(diào)度圖，提高了小中甸水庫對(duì)下游吉沙水電站、沖江河水電站和螺絲灣水電站三個(gè)日調(diào)節(jié)水電站的徑流補(bǔ)償效益，梯級(jí)水電站的多年平均發(fā)電量提高了1.64%，水量利用率平均提高1.11%。目前研究成果也納入《迪慶州小中甸水利樞紐水庫調(diào)度規(guī)程（試行）》，為小中甸水庫的運(yùn)行調(diào)度提供了技術(shù)支撐。