基于人造洪峰的三峽梯級(jí)生態(tài)調(diào)度仿真分析

李清清，覃 暉，陳廣才，楊春花

（長(zhǎng)江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

基于人造洪峰的三峽梯級(jí)生態(tài)調(diào)度仿真分析

李清清，覃 暉，陳廣才，楊春花

（長(zhǎng)江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

為分析三峽-葛洲壩梯級(jí)電站（三峽梯級(jí)）生態(tài)調(diào)度效果及其影響，從保證三峽梯級(jí)下游河道生態(tài)流量、改善江湖連通和保護(hù)生物多樣性等方面出發(fā)，制定了三峽梯級(jí)的生態(tài)調(diào)度目標(biāo)，并在常規(guī)調(diào)度的基礎(chǔ)上提出基于人工造峰的生態(tài)調(diào)度方法，通過多種調(diào)度方式的仿真結(jié)果，分析了不同來水條件下三峽梯級(jí)生態(tài)調(diào)度的效果，揭示了不同生態(tài)調(diào)度目標(biāo)之間的影響以及人工造峰對(duì)防洪調(diào)度和發(fā)電效益的影響。研究成果可為開展三峽梯級(jí)生態(tài)調(diào)度實(shí)踐提供借鑒。

三峽梯級(jí)；水庫(kù)生態(tài)調(diào)度；生態(tài)流量；江湖關(guān)系；人造洪峰

1 概 述

三峽水庫(kù)作為長(zhǎng)江干流的重要水利樞紐工程，其建成運(yùn)行改變了河道的天然水文情勢(shì)，成為影響下游水生生境的重要原因之一。為消除或減少水庫(kù)調(diào)度對(duì)下游水生生境的不利影響，需要采取有效的生態(tài)調(diào)控措施。

水庫(kù)生態(tài)調(diào)度作為一種非工程生態(tài)修復(fù)措施，在國(guó)外得到了廣泛研究和應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)尚處于研究階段。文獻(xiàn)［1］指出，可以通過改變大壩運(yùn)行規(guī)則來恢復(fù)河流生態(tài)流量，并針對(duì)不同用途的大壩制定了相應(yīng)的生態(tài)調(diào)度規(guī)則。文獻(xiàn)［2］從生態(tài)足跡和生態(tài)承載能力的角度分析三峽工程的影響，指出大壩建成運(yùn)行可能破壞下游魚類的產(chǎn)卵場(chǎng)，對(duì)魚類產(chǎn)卵繁殖造成影響。文獻(xiàn)［3－6］分別從不同角度得出了滿足魚類產(chǎn)卵的水文水力學(xué)條件，為制定面向魚類保護(hù)的生態(tài)調(diào)度方案提供了依據(jù)。文獻(xiàn)［7］考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，建立并求解了多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度模型，該模型沒有考慮水生生物的生態(tài)水文需求。文獻(xiàn)［8］提出了生態(tài)流量上下限的時(shí)間過程線和以之為基礎(chǔ)的生態(tài)調(diào)度模型，這種方式通過在常規(guī)調(diào)度中設(shè)置流量約束即可實(shí)現(xiàn)，可行性好。文獻(xiàn)［9］以錦屏梯級(jí)電站為例，考慮下游河道魚類生態(tài)需水，建立了梯級(jí)生態(tài)調(diào)度模型，為三峽梯級(jí)生態(tài)調(diào)度提供了借鑒。文獻(xiàn)［10］考慮河流生態(tài)蓄水量和生態(tài)洪水模擬，建立并求解了水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型，但缺乏對(duì)人工造峰方式及其影響的分析。文獻(xiàn)［11］根據(jù)四大家魚產(chǎn)卵需求提出了三峽梯級(jí)人造洪峰的調(diào)度方式，但由于其調(diào)度時(shí)段長(zhǎng)度為月，無法在調(diào)度模型中考慮人工造峰。

本文基于三峽水庫(kù)建成后制定的三峽梯級(jí)生態(tài)調(diào)度目標(biāo)，確定了三峽梯級(jí)生態(tài)調(diào)度約束和人工造峰需求，據(jù)此提出了三峽梯級(jí)生態(tài)調(diào)度方式，并對(duì)不同來水條件下多種調(diào)度方式進(jìn)行仿真分析，揭示三峽梯級(jí)生態(tài)調(diào)度的效果及其影響，為三峽梯級(jí)開展生態(tài)調(diào)度提供借鑒。

2 生態(tài)調(diào)度目標(biāo)

三峽梯級(jí)生態(tài)調(diào)度實(shí)施方式，是通過修改水庫(kù)調(diào)度方案減少工程投運(yùn)引發(fā)的流域生態(tài)問題，為此，首先需要確定生態(tài)調(diào)度目標(biāo)。

從保證河道基本生態(tài)流量、改善江湖連通和保護(hù)魚類產(chǎn)卵繁殖3個(gè)生態(tài)目標(biāo)出發(fā)，制定三峽梯級(jí)生態(tài)調(diào)度目標(biāo)。根據(jù)文獻(xiàn)［2－6］，四大家魚產(chǎn)卵繁殖期為5－6月份，本文主要考慮利用長(zhǎng)江干流和洞庭湖水系汛期不同步的特性改善江湖連通，重點(diǎn)關(guān)注洞庭湖水系洪水期4－6月。為此，三峽梯級(jí)生態(tài)調(diào)度的研究時(shí)段為4－6月。

2.1 基本生態(tài)流量

以三峽建壩前1950－2002年的宜昌站水文資料為例，采用逐日最小生態(tài)流量法，確定4－6月三峽水庫(kù)壩下河道基本生態(tài)流量，如圖1所示。

圖1 三峽梯級(jí)下游河道4－6月份基本生態(tài)流量Fig.1 Basic ecologic flow in the downstream channel of Three Gorges Cascades from April to June

2.2 改善江湖連通

利用洞庭湖水系洪水期（4－6月份）早于長(zhǎng)江干流汛期的特點(diǎn)，減小長(zhǎng)江干流水利工程的下泄流量，可以減輕對(duì)洞庭湖水系出流的頂托作用。根據(jù)三峽建壩前宜昌水文站1962－1996年共計(jì)35 a的4－6月份歷史日徑流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，求解出歷史同期流量最大值，作為水庫(kù)調(diào)度的最大生態(tài)流量約束，結(jié)果如圖2。

圖2 三峽梯級(jí)下游河道4－6月份最大日均流量Fig.2 Maximum average daily flow in the downstream channel of Three Gorges Cascades from April to June

2.3 保護(hù)魚類產(chǎn)卵繁殖

《意見稿》強(qiáng)調(diào)，智能快件箱運(yùn)營(yíng)企業(yè)對(duì)其運(yùn)營(yíng)的智能快件箱，應(yīng)當(dāng)自智能快件箱運(yùn)營(yíng)之日起二十日內(nèi)向所在地省級(jí)以下郵政管理機(jī)構(gòu)辦理末端網(wǎng)點(diǎn)備案手續(xù)。智能快件箱運(yùn)營(yíng)企業(yè)對(duì)其設(shè)立的智能快件箱應(yīng)當(dāng)按照其地理位置和服務(wù)區(qū)域明確其具體名址，并在智能快件箱顯著位置標(biāo)明以供辨識(shí)。

三峽水庫(kù)每年5－6月的放水方式對(duì)長(zhǎng)江中游四大家魚的產(chǎn)卵繁殖規(guī)模具有明顯影響。文獻(xiàn)［3－6］指出四大家魚繁殖的生態(tài)水文條件之一是特定的洪峰條件，并提出了相關(guān)的造峰方式，具體如表1所示。

綜合考慮上述人工造峰調(diào)度方式，制定人工造峰調(diào)度方案如下：在5月至6月期間設(shè)置2次洪水，2次洪水開始時(shí)間隨機(jī)產(chǎn)生；每次洪水期間，8～10 d漲水，8～10 d落水，漲水規(guī)模（流量）逐日增加，落水與漲水相對(duì)稱，形成人造洪峰；2次洪水開始時(shí)間相隔20～25 d。

3 三峽梯級(jí)生態(tài)調(diào)度方式

以4月至6月為調(diào)度期，以日為調(diào)度時(shí)段，在三峽電站調(diào)度規(guī)則的基礎(chǔ)上進(jìn)行人工造峰。調(diào)度規(guī)則以調(diào)度圖為基礎(chǔ)，具體如圖3所示。三峽梯級(jí)電站特征參數(shù)如表2所示。

表1 相關(guān)文獻(xiàn)提出的人工造峰調(diào)度方式Table 1 M an-made flood operation methods from different references

圖3 三峽電站調(diào)度圖Fig.3 Operation of Three Gorges hydropower plant

表2 三峽梯級(jí)電站特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of Three Gorges hydropower plant

調(diào)度約束條件如下：

（1）水位（庫(kù)容）約束Zi，t≤Zi，t≤Zˉi，t。其中，i為電站編號(hào)；i＝1代表三峽；i＝2代表葛洲壩；Zi，t為第i個(gè)電站第t時(shí)段的水庫(kù)水位；Zi，t和Zˉi，t分別為水位上下限。

（2）出力約束Ni，t≤Ni，t≤ˉNi，t。其中，Ni，t，Ni，t和ˉNi，t為第i個(gè)電站第t時(shí)段的電站出力及出力上限和下限。

（3）過流流量約束Qi，t≤Qi，t≤ˉQi，t。其中，Qi，t，Qi，t和ˉQi，t分別為第i個(gè)電站第t時(shí)段下泄流量及下泄流量上限和下限。

（5）水庫(kù)間的水力聯(lián)系Ii，t＝Qi－1，t－τi－1＋qi，t。其中，Qi－1，t－τi－1為上游電站的出庫(kù)流量，τi－1為第i－1個(gè)電站到第i個(gè)電站的水流流達(dá)時(shí)間，qi，t為電站i在時(shí)段t的區(qū)間入流。

（6）生態(tài)流量約束Qs，t≤Qs，t≤ˉQs，t。其中，Qs，t和ˉQs，t分別為生態(tài)流量上下限約束。

（7）水庫(kù)水位變幅約束和流量約束。三峽水庫(kù)和葛洲壩水庫(kù)水位日變幅約束為0.6 m，流量日變幅約束為10 000 m3／s；在約束條件中，過流流量約束和不同的生態(tài)流量約束的交集為生態(tài)調(diào)度的流量約束。

綜合考慮上述約束和造峰方案，制定生態(tài)調(diào)度方式如下：4－6月期間整體上按照常規(guī)方式進(jìn)行調(diào)度，在不違反各種約束的基礎(chǔ)上，造峰期間按照流量控制方式進(jìn)行調(diào)度，第一次洪峰開始時(shí)間在5月5日和5月10日之間隨機(jī)產(chǎn)生，相隔20～25 d之后產(chǎn)生第二次洪峰。

4 模型求解及仿真

對(duì)宜昌站1962－1996年共計(jì)35 a的4－6月總徑流量系列進(jìn)行頻率分析，分別選取頻率為25%，50%，75%的來水作為豐水年（典型年1968年）、平水年（典型年1995年）和枯水年（典型年1982年）三峽水庫(kù)的入庫(kù)流量。

為分析不同生態(tài)約束方案的效果和影響，分別對(duì)4種不同調(diào)度方式進(jìn)行仿真計(jì)算，具體如下：方式1，不考慮生態(tài)約束；方式2，考慮生態(tài)流量約束；方式3，考慮生態(tài)流量約束和改善江湖連通；方式4，考慮人工造峰，造峰時(shí)不考慮水位變幅約束和流量變幅約束，不考慮生態(tài)流量約束和改善江湖連通需求；方式5，考慮生態(tài)流量約束、改善江湖連通和人工造峰，造峰時(shí)不考慮水位變幅和流量變幅約束。

在VS2008平臺(tái)上采用C＃語言實(shí)現(xiàn)程序仿真，數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序采用SQL Server 2000。

5 調(diào)度結(jié)果分析

為分析不同調(diào)度方式的效果，計(jì)算出豐水年、平水年和枯水年3種不同來水條件下三峽梯級(jí)4種調(diào)度方式的結(jié)果，具體如圖4至圖6所示。

5.1 生態(tài)流量約束的影響

根據(jù)圖4至圖6可知，不同水平年來水條件下，調(diào)度方式1和方式2的三峽水庫(kù)水位過程和下泄流量過程均相同，這說明本文考慮的河道生態(tài)流量對(duì)常規(guī)調(diào)度影響很小。平水年和枯水年條件下調(diào)度方式1和方式3的結(jié)果相同，而豐水年時(shí)調(diào)度方式3與方式1的結(jié)果略有不同，主要體現(xiàn)在代表江湖連通需求的歷史最大流量對(duì)來水豐沛時(shí)下泄流量的限制。從另一個(gè)角度來看，現(xiàn)有常規(guī)調(diào)度基本滿足了這兩方面的生態(tài)約束或僅需要少量調(diào)整即可滿足。由于河道生態(tài)流量確定方法很多、江湖連通需求需要進(jìn)一步明確，這兩方面的生態(tài)約束與常規(guī)調(diào)度方式的結(jié)合及其相互影響需要進(jìn)一步研究。

5.2 生態(tài)調(diào)度目標(biāo)之間的影響

圖4 豐水年三峽梯級(jí)不同調(diào)度方式的結(jié)果Fig.4 Operation resu lts of Three Gorges Cascades by different operation methods in high flow year

圖5 平水年三峽梯級(jí)不同調(diào)度方式的結(jié)果Fig.5 Operation results of Three Gorges Cascades by different operation methods in median flow year

對(duì)比調(diào)度方式4和方式5，分析生態(tài)調(diào)度目標(biāo)的相互影響。通過分析，河道基本生態(tài)流量約束和改善江湖連通約束構(gòu)成的流量約束區(qū)間序列可視為水庫(kù)最大最小流量約束序列的子集。該子集對(duì)人工造峰的影響主要體現(xiàn)在起始時(shí)間的邊界條件上。方式4在人工造峰前最大水量約束為水庫(kù)下泄流量約束，遠(yuǎn)大于最大歷史流量約束，容易下泄過多的水量，導(dǎo)致造峰時(shí)水庫(kù)水位更快下降到防洪限制水位，從而影響造峰效果。

5.3 人工造峰效果

從人工造峰效果來看，不同水平年入庫(kù)流量漲落過程明顯，而常規(guī)調(diào)度結(jié)果雖然存在流量的上下波動(dòng)，但漲落特征不明顯，流量上漲過程和下落過程持續(xù)時(shí)間很短，不滿足魚類產(chǎn)卵需求。豐水年調(diào)度方式4、方式5和平水年調(diào)度方式4的人造洪峰與預(yù)期效果有所差別，主要體現(xiàn)在流量上漲過程中出現(xiàn)小幅度的下降過程。而平水年調(diào)度方式5和枯水年調(diào)度方式4、方式5的人造洪峰與預(yù)期效果相符合。究其原因，是因?yàn)閬硭^豐沛時(shí)人工造峰開始時(shí)段的前一個(gè)時(shí)段下泄流量較大，在此基礎(chǔ)上疊加相同程度的漲幅時(shí)，容易違反水庫(kù)防洪限制水位約束，導(dǎo)致下泄流量出現(xiàn)下降。

5.4 人工造峰對(duì)防洪調(diào)度的影響

從人工造峰與汛期防洪調(diào)度的銜接方面分析其對(duì)防洪調(diào)度影響。三峽水庫(kù)防汛期開始時(shí)間為6月10日（圖4至圖6中的71 d時(shí)間點(diǎn)），從人工造峰結(jié)果來看，第二次造峰結(jié)束時(shí)間均超過了這個(gè)時(shí)間點(diǎn)。因?yàn)樵旆遄詈箅A段為下泄流量減小過程，會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)水位的上升，在6月10日往往超過防洪限制水位，需要一段時(shí)間的消落才能回到該水位，使水庫(kù)防洪風(fēng)險(xiǎn)增大。此時(shí)，如果快速消落到防洪限制水位，容易破壞日水位變幅約束，使大壩本身安全受到影響。

5.5 生態(tài)調(diào)度對(duì)梯級(jí)發(fā)電效益的影響

針對(duì)生態(tài)調(diào)度對(duì)三峽梯級(jí)發(fā)電效益的影響，計(jì)算出5種調(diào)度方式下三峽梯級(jí)的總發(fā)電量，如表3所示。其中，發(fā)電量變幅是指各種調(diào)度方式的發(fā)電量相對(duì)調(diào)度方式1發(fā)電量的變化幅度。

圖6 枯水年三峽梯級(jí)不同調(diào)度方式的結(jié)果Fig.6 Operation results of Three Gorges Cascades by different operation methods in low flow year

表3 三峽梯級(jí)不同調(diào)度方式的結(jié)果Table 3 Operation results of Three Gorges Cascades by different operation methods

根據(jù)表3可知：豐水年、平水年和枯水年調(diào)度方式1和方式2對(duì)應(yīng)的梯級(jí)總發(fā)電量相同，表明本文設(shè)置的河道基本生態(tài)流量約束對(duì)發(fā)電效益沒有影響；調(diào)度方式1和方式3對(duì)應(yīng)的三峽梯級(jí)發(fā)電量?jī)H在豐水年相差0.54%；不同來水條件下調(diào)度方式4對(duì)應(yīng)的總發(fā)電量均小于調(diào)度方式5，主要原因是代表江湖連通需求的歷史最大流量影響了下泄水量在時(shí)段上的分配過程。

以調(diào)度方式4為例，相比調(diào)度方式1，豐水年、平水年和枯水年三峽梯級(jí)的發(fā)電量減幅分別為2.1%，2.25%，2.51%，表明考慮人工造峰的生態(tài)調(diào)度方式對(duì)三峽梯級(jí)發(fā)電量影響較大，需要制定相應(yīng)的對(duì)策減少這種影響或進(jìn)行補(bǔ)償。

綜上所述，生態(tài)調(diào)度中，本文設(shè)置的河道基本生態(tài)流量約束和改善江湖連通需求約束對(duì)常規(guī)調(diào)度方式影響較小。在同時(shí)考慮河道基本生態(tài)流量約束、改善江湖連通需求和人工造峰時(shí)，前兩者會(huì)對(duì)非造峰時(shí)段的水量分配過程產(chǎn)生影響，繼而影響造峰效果。三峽梯級(jí)人工造峰預(yù)期效果在平水年和枯水年相比豐水年更容易實(shí)現(xiàn)，主要原因是造峰起始時(shí)刻的水位影響。人工造峰對(duì)三峽梯級(jí)防洪調(diào)度的影響主要體現(xiàn)在延遲了三峽水庫(kù)水位消落到防洪限制水位的時(shí)間，從細(xì)化魚類產(chǎn)卵繁殖對(duì)造峰的要求及調(diào)整造峰期約束等方面考慮，可通過限制造峰時(shí)間長(zhǎng)度、盡量提前造峰時(shí)間來減少這種影響。人工造峰對(duì)三峽梯級(jí)發(fā)電效益存在較大的影響，需要采用相關(guān)的措施減少影響或進(jìn)行補(bǔ)償。

6 結(jié) 語

本文從保護(hù)長(zhǎng)江中游河道水生生境的角度出發(fā)，分析了三峽梯級(jí)生態(tài)調(diào)度目標(biāo)，提出了基于人工造峰的三峽梯級(jí)生態(tài)調(diào)度方式，據(jù)此對(duì)不同來水條件下生態(tài)調(diào)度效果及其影響進(jìn)行了分析，相關(guān)結(jié)論可為三峽梯級(jí)開展生態(tài)調(diào)度實(shí)踐、制定生態(tài)調(diào)度協(xié)調(diào)和補(bǔ)償機(jī)制提供技術(shù)支撐。不足之處在于河流基本生態(tài)流量、江湖連通和魚類產(chǎn)卵繁殖對(duì)水文條件的需求需要進(jìn)一步明確；生態(tài)調(diào)度效果缺乏檢驗(yàn)措施等。

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（編輯：周曉雁）

Simulation of Eco-operation of Three Gorges Cascade Hydropower Plants Based on M an-made Flood

LIQing-qing，QIN Hui，CHEN Guang-cai，YANG Chun-hua
（Water Resources Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

To analyze the efficacy of eco-operation of Three Gorges-Gezhouba cascade hydropower plants（so calledThree Gorges Cascades）and its impact，the objects for the ecological operation of Three Gorges Cascadeswere designed to ensure the basic ecologic flow in the downstream channel，improve river-lake connection and protect biodiversity.In light of these objects，an eco-operation approach via man-made flood based on regular operation was presented.The eco-operation by differentmethods were simulated to investigate the efficacy of eco-operation under typical inflow conditions.The simulation results also revealed the interaction among different objects as well as the impact ofman-made flood on flood regulation and power generation.The study would be referential for the practice of eco-operation of Three Gorges Cascades.

Three Gorges cascade hydropower plants；ecological operation of reservoir；ecologic flow；river-lake relationship；man-made flood

TV213.9

A

1001－5485（2011）12－0112－06

2011-10-20

長(zhǎng)江科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（CKSF2010001）；科技部國(guó)家軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（KJB0909／ZY02）

李清清（1983-），男，湖北仙桃人，工程師，博士，主要從事水資源管理和水庫(kù)調(diào)度研究，（電話）027-82926456（電子信箱）kaiser＿lee＠163.com。