皂市水庫生態(tài)友好型優(yōu)化調(diào)度

張 寒，陳啟慧，陳 敏，王銀麗

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

大壩工程建設(shè)在防洪、發(fā)電、灌溉、供水、航運(yùn)等方面起著重要作用，推動著人類社會進(jìn)步，然而同時也可對河流生態(tài)系統(tǒng)健康造成不利影響[1]。水庫生態(tài)調(diào)度作為一種對筑壩河流的生態(tài)補(bǔ)償方式，已經(jīng)成為當(dāng)前國際上恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)健康的重要舉措之一[2-4]。筆者通過建立水庫生態(tài)調(diào)度模型，并利用該模型采用動態(tài)規(guī)劃法對皂市水庫進(jìn)行生態(tài)調(diào)度計(jì)算，成果可為綜合協(xié)調(diào)皂市水庫的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益，加強(qiáng)皂市水庫的科學(xué)調(diào)度提供依據(jù)。

1 工程概況及對下游河道水生生物的影響

皂市水利樞紐位于湖南省石門縣皂市鎮(zhèn)上游約2 km的渫水上，下游距石門縣城19 km，控制流域面積3000 km2，占渫水流域面積的93.7%。工程開發(fā)的主要任務(wù)是防洪，同時兼顧發(fā)電、灌溉、航運(yùn)等其他綜合利用要求。皂市水庫總庫容14.39億m3，防洪庫容7.83億m3，正常蓄水位140 m，相應(yīng)庫容12億m3，死水位112 m，死庫容2.71億 m3，有效庫容11.68億m3，庫容系數(shù)0.3，為年調(diào)節(jié)水庫。

根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果，水庫對下游河道水生生物的影響主要表現(xiàn)在:建庫后，由于下游河道流速、水位改變較頻繁，對浮游生物生長繁殖不利，壩下江段浮游生物主要依靠庫區(qū)補(bǔ)給;在電站發(fā)電期間，水位的快速變化形成不穩(wěn)定環(huán)境，還導(dǎo)致壩下附近江段內(nèi)一些底棲生物擱淺或突然遭受急流沖擊，影響底棲動物的豐度和組成，并導(dǎo)致生物量減少;對魚類資源的影響主要表現(xiàn)為由于皂市水庫水溫呈穩(wěn)定分層結(jié)構(gòu)，春夏期間下泄水溫比天然河道水溫低，升溫期下泄水溫降低對壩下游魚類產(chǎn)卵的影響較為顯著。

2 皂市水庫生態(tài)調(diào)度目標(biāo)

2.1 生態(tài)調(diào)度目標(biāo)的確定

目前國內(nèi)外水利管理部門及研究人員愈來愈重視關(guān)于水庫生態(tài)調(diào)度的實(shí)踐及研究工作[5]，隨著相關(guān)工作的深入開展，水庫生態(tài)調(diào)度目標(biāo)也呈多元化趨勢，包括滿足水庫中下游綜合性生態(tài)流量需求、指示性水生生物保護(hù)需求、庫區(qū)水環(huán)境保護(hù)需求等[6]。由于目前研究收集的生物資料有限，皂市水庫的生態(tài)調(diào)度設(shè)定為以維持水庫下游河道生態(tài)徑流過程為目標(biāo)。生態(tài)徑流過程的計(jì)算采用夏自強(qiáng)等[7]提出的逐月頻率計(jì)算法，該方法屬于水文學(xué)方法范疇，以恢復(fù)河流天然徑流過程特征為目標(biāo)，具有綜合考慮包括河流兩岸在內(nèi)的整個河流生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以避免運(yùn)用水文-生物分析法、生境模擬法等其他河流生態(tài)流量計(jì)算方法時需要定量化生物資料，且僅將其重點(diǎn)放在一二種河流生物物種的保護(hù)上等的缺點(diǎn)[8]。

2.2 渫水生態(tài)流量過程

采用夏自強(qiáng)等[7]提出的逐月頻率計(jì)算法對最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量進(jìn)行計(jì)算，并采用Tennant法[9]對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評價。

利用皂市水庫建庫前皂市站1964—2003年(缺1977年)的日平均流量資料，采用逐月頻率法計(jì)算皂市水庫下游河道內(nèi)生態(tài)徑流過程。筆者取逐月頻率P=90%為推薦最小生態(tài)流量;P=75%～25%為推薦適宜生態(tài)流量，計(jì)算結(jié)果見表1。對最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量用Tennant方法評價得到結(jié)論:適宜生態(tài)流量的下限最為理想，因此選擇適宜生態(tài)流量下限作為水庫調(diào)度下泄流量的生態(tài)約束條件。

表1 皂市站河道內(nèi)生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果 m3/s

3 生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型

以皂市水電站年發(fā)電量最大為優(yōu)化目標(biāo)，以滿足水庫下游生態(tài)流量為約束，構(gòu)建皂市水庫生態(tài)友好型優(yōu)化調(diào)度模型。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

選擇水庫在整個調(diào)度期內(nèi)總發(fā)電量最大作為目標(biāo)函數(shù)，其表達(dá)式如下:

式中:f為整個調(diào)度期內(nèi)的總發(fā)電量;T為總調(diào)度期時長，取T=12;K為皂市電站發(fā)電綜合系數(shù)，取K=8.75;Qt為t時段皂市電站發(fā)電流量;Ht為t時段皂市電站發(fā)電凈水頭;Δt為計(jì)算時間長度，以月為計(jì)算時段。

3.2 約束條件

a.皂市水庫水量平衡方程:

式中:Vt+1、Vt分別為皂市水庫t時段末和時段始的庫容;It為t時段皂市水庫平均天然入庫流量;St為t時段皂市水庫棄水流量。

b.皂市水庫蓄水位約束:

式中:Zt為皂市水庫t時段的水位;Zmin和Zmax分別為皂市水庫t時段的允許最低水位和最高水位，其中汛期(4—7月)允許最高水位為防洪限制水位125 m，非汛期(8月至翌年3月)允許最高水位為正常蓄水位140 m，最低水位為死水位112 m。

c.皂市水庫下泄流量約束:

式中:qt為皂市水庫t時段的下泄流量;qmin和qmax分別為皂市水庫t時段的最小下泄流量和最大下泄流量，分別為30 m3/s和12526 m3/s。

d.皂市發(fā)電流量限制:

式中，Qmax為皂市水庫兩臺機(jī)組的t時段的最大引用流量，為 273.6 m3/s。

e.皂市電站出力限制:

式中:Nt為皂市電站t時段的發(fā)電出力;Nmin和Nmax分別為皂市電站t時段的最小發(fā)電出力和最大發(fā)電出力，也即保證出力18.3 MW和裝機(jī)容量120 MW。

f.生態(tài)約束。要求水庫下泄流量滿足下游河道適宜生態(tài)流量下限的要求。

3.3 模型求解方法

皂市水庫優(yōu)化調(diào)度模型采用動態(tài)規(guī)劃法逐段遞推求解。對水庫蓄水量進(jìn)行離散作為狀態(tài)變量，把放水量作為決策變量，把水庫水量平衡方程作為模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程。每一時段的放水量使整個周期內(nèi)的目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最大為最優(yōu)調(diào)度方案。

4 皂市水庫生態(tài)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

考慮3種水庫調(diào)度運(yùn)行方式:①按水庫調(diào)度圖進(jìn)行的常規(guī)調(diào)度;②不考慮生態(tài)流量的優(yōu)化調(diào)度;③考慮適宜生態(tài)流量約束的生態(tài)優(yōu)化調(diào)度。由于皂市水庫運(yùn)行年限較短，入庫徑流資料長度不足，選擇皂市水庫蓄水前皂市站流量資料作為皂市水庫入庫流量進(jìn)行分析。對1964—2003年(缺1977年數(shù)據(jù))皂市站年平均流量進(jìn)行頻率計(jì)算，選擇豐、平、枯典型年進(jìn)行分析，其中豐水年選取1980年(P=5%)、平水年選取1988年(P=50%)，枯水年選取1978年(P=95%)。對選取的豐、平、枯3個典型年按上述方案進(jìn)行調(diào)度，常規(guī)調(diào)度與生態(tài)優(yōu)化調(diào)度的下泄流量結(jié)果如圖1所示，不同調(diào)度方式對水庫發(fā)電量影響的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

圖1 不同調(diào)度方式典型代表年水庫下泄流量逐月變化

表2 典型代表年不同調(diào)度方式的年發(fā)電量影響

在優(yōu)先考慮防洪任務(wù)，滿足防洪限制水位并保證出力的條件下，生態(tài)優(yōu)化調(diào)度的結(jié)果表明典型豐水年(1980年)、平水年(1988年)、枯水年(1978年)均能滿足適宜生態(tài)流量下限的要求，比常規(guī)調(diào)度有很大的改善。但是為滿足生態(tài)流量的要求，在平水年生態(tài)優(yōu)化調(diào)度的年末水位比常規(guī)調(diào)度降低0.02 m，枯水年降低了0.63 m。

鑒于在平水年與枯水年生態(tài)優(yōu)化調(diào)度與常規(guī)調(diào)度年末消落水位不同，在比較不同調(diào)度方式對發(fā)電效益的影響時，常規(guī)調(diào)度與生態(tài)優(yōu)化調(diào)度分別和與之降至相同水位的優(yōu)化調(diào)度相比較。通過比較常規(guī)調(diào)度和與之降至相同水位的優(yōu)化調(diào)度(優(yōu)化1)發(fā)現(xiàn)在豐水年由于棄水的存在，優(yōu)化調(diào)度提高的發(fā)電效益較大;而在平水年與枯水年較小。通過比較生態(tài)優(yōu)化調(diào)度和與之降至相同水位的優(yōu)化調(diào)度(優(yōu)化2)的發(fā)電效益可知，生態(tài)約束會對水庫的發(fā)電效益產(chǎn)生影響。在豐水年1980年，由于來水充足，緩解了生態(tài)約束與發(fā)電的沖突，考慮下游生態(tài)流量的生態(tài)優(yōu)化調(diào)度對發(fā)電的影響非常小;平水年(1988年)和枯水年(1978年)，由于來水較少，生態(tài)需水與發(fā)電效益的矛盾會凸顯，考慮下游生態(tài)流量的生態(tài)優(yōu)化調(diào)度對發(fā)電的影響較大?？傮w平均而言，皂市水庫優(yōu)化調(diào)度比常規(guī)調(diào)度年發(fā)電量可增加1.8%，基于保障下游河段生態(tài)徑流過程的皂市水庫生態(tài)優(yōu)化調(diào)度比優(yōu)化調(diào)度年發(fā)電量減少0.95%。

5 結(jié)語

通過構(gòu)建皂市水庫生態(tài)友好型優(yōu)化調(diào)度模型，選取豐、平、枯3個典型水平年，并采用動態(tài)規(guī)劃法對皂市水庫進(jìn)行常規(guī)調(diào)度與優(yōu)化調(diào)度的發(fā)電效益對比以及優(yōu)化調(diào)度與生態(tài)優(yōu)化調(diào)度的發(fā)電效益對比研究。總體平均而言，皂市水庫優(yōu)化調(diào)度比常規(guī)調(diào)度年發(fā)電量可增加1.8%，基于保障下游河段生態(tài)徑流過程的皂市水庫生態(tài)優(yōu)化調(diào)度比優(yōu)化調(diào)度年發(fā)電量減少0.95%。成果可為綜合協(xié)調(diào)皂市水庫的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益，加強(qiáng)皂市水庫的科學(xué)調(diào)度提供依據(jù)。

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