淮河流域大型水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度模型研究

孫 克 胡承超 顏 慶

（江蘇省水文水資源勘測(cè)局淮安分局，江蘇淮安 223005）

隨著水資源開(kāi)發(fā)利用程度和效率的不斷提高，為滿(mǎn)足社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)?；l(fā)展對(duì)水資源的迫切需求，壩庫(kù)等水利工程越來(lái)越多地改變著原始流域水資源的時(shí)空分布和能態(tài)轉(zhuǎn)換［1，2］，也很大程度上改變了原有生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，嚴(yán)重制約了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的良性循環(huán)和持續(xù)發(fā)展。在淮河流域，水問(wèn)題日顯突出，水庫(kù)原有調(diào)度方式已凸顯弊端，庫(kù)區(qū)水質(zhì)惡化、洪泛區(qū)面積萎縮、秋旱頻發(fā)、水質(zhì)性缺水范圍擴(kuò)大、急流生境嚴(yán)重萎縮等生態(tài)問(wèn)題亟需水庫(kù)調(diào)運(yùn)模式的轉(zhuǎn)變。

相關(guān)研究表明，水庫(kù)對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的消極干擾，可以通過(guò)工程措施、生物措施和管理措施在一定程度上加以補(bǔ)償，從而得以減輕甚至避免［3］。其中，水庫(kù)生態(tài)調(diào)度是在基本保障人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的前提下，以水庫(kù)生態(tài)效益的最優(yōu)產(chǎn)出來(lái)實(shí)現(xiàn)流域健康的新興水庫(kù)管理理念和調(diào)度方式。然而，水庫(kù)供水、發(fā)電、灌溉等社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)往往影響甚至制約了其生態(tài)效益的最優(yōu)產(chǎn)出［4］。因此，水庫(kù)生態(tài)調(diào)度是流域水資源在庫(kù)區(qū)、供水區(qū)及下游區(qū)“三生用水”（即生活、生態(tài)、生產(chǎn)用水）均衡配置的優(yōu)化模式。筆者將從流域整體水資源供需情況出發(fā)，分析討論生態(tài)調(diào)度的內(nèi)涵和準(zhǔn)則，對(duì)淮河流域大型水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度模型的目標(biāo)及調(diào)度模式進(jìn)行研究，以期為本流域水資源的生態(tài)管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

淮河流域（111°55′～121°25′ E，30°55′～36°36′ N）地處我國(guó)東部，流域面積27×104km2，位于黃河和長(zhǎng)江兩大流域之間。以廢黃河為界限，淮河流域又分為淮河水系（面積19×104km2）和沂沭泗河水系（面積8×104km2），淮沭新河及大運(yùn)河貫通其間?；春恿饔蛱幱谖覈?guó)南北氣候過(guò)渡帶，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫11℃～16℃，年平均降水量約920 mm，年平均蒸發(fā)量900～1500 mm，無(wú)霜期200～240 d。流域內(nèi)有洪澤湖、南灣湖、高郵湖、寶應(yīng)湖、城東湖等幾大湖泊，總水域面積達(dá)3229.67 km2。

目前，淮河流域已建成大、中、小型水庫(kù)5700 余座，總庫(kù)容270 億m3。其中，大型水庫(kù)38 座，總庫(kù)容達(dá)202.61 億m3，約占流域水庫(kù)總庫(kù)容的75%?？梢?jiàn)，大型水庫(kù)對(duì)整個(gè)淮河流域水庫(kù)調(diào)運(yùn)管理具有決定性意義。水庫(kù)的修建為流域內(nèi)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了水源保障，使灌區(qū)得到快速發(fā)展，淮河流域耕地面積達(dá)1332×104hm2，糧食產(chǎn)量約占全國(guó)的18%。但是，目前本流域水資源已嚴(yán)重不足，人均水資源量488 m3，僅為全國(guó)人均水平的1/5，加之水污染、浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，流域整體水壞境及其承載力已不堪重負(fù)，供水安全及生態(tài)安全正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)［5］。

2 淮河流域大型水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度模型

2.1 水庫(kù)生態(tài)調(diào)度內(nèi)涵與準(zhǔn)則

水庫(kù)生態(tài)調(diào)度是實(shí)施環(huán)境友好型流域管理的重要舉措，是水庫(kù)調(diào)度進(jìn)入新戰(zhàn)略時(shí)期后實(shí)現(xiàn)流域健康的最新手段。在現(xiàn)行水利工程調(diào)度中，自始至終將生態(tài)因素納入其中，并將其提升到一定高度，以達(dá)到流域生態(tài)健康的目的。以流域整體水資源規(guī)劃管理為出發(fā)點(diǎn)，水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度則是在庫(kù)區(qū)、供水區(qū)及下游區(qū)需水分析和補(bǔ)水目標(biāo)的基礎(chǔ)上，以水量分配及供水過(guò)程相對(duì)均衡為目標(biāo)，有效調(diào)度區(qū)域內(nèi)各水庫(kù)群及水庫(kù)自身，用以滿(mǎn)足庫(kù)區(qū)、供水區(qū)及下游區(qū)各供水片區(qū)的生態(tài)用水需求。

水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度準(zhǔn)則主要有兩方面內(nèi)容：（1）以“三生用水”為調(diào)度優(yōu)先級(jí)。在水資源供需矛盾尖銳或配置失衡條件下，“三生用水”優(yōu)先權(quán)順序應(yīng)確定為：生活用水→生態(tài)用水→生產(chǎn)用水，即首先保障生活和生態(tài)用水，再壓縮生產(chǎn)用水或通過(guò)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來(lái)降低生產(chǎn)損失。（2）調(diào)節(jié)雨洪資源適應(yīng)庫(kù)區(qū)及下游需要。在防洪和生態(tài)調(diào)度的矛盾中，充分發(fā)揮水庫(kù)群的聯(lián)合運(yùn)作模式，嚴(yán)格控制下泄流量，盡量延長(zhǎng)泛洪濕地、河灘地等流量過(guò)程以達(dá)到補(bǔ)水目的。同時(shí)，當(dāng)雨洪資源處于可控狀態(tài)時(shí)，下泄流量控制還應(yīng)考慮庫(kù)區(qū)及下游河道的“三生用水”需求。

2.2 淮河流域水資源系統(tǒng)概化

根據(jù)淮河流域的水系特點(diǎn)，可以將整個(gè)流域劃分為淮河和沂沭泗河兩大子流域，子流域各自獨(dú)立，不存在地表及地下水資源的交流?；春幼恿饔蛴写笮退畮?kù)20 座，總庫(kù)容155.43 億m3，控制面積1.78×104km2；沂沭泗河子流域有大型水庫(kù)18 座，總庫(kù)容47.18 億m3，控制面積0.92×104km2。將各子流域水庫(kù)所轄的多個(gè)服務(wù)區(qū)聚合為一個(gè)虛擬供水片區(qū)作為計(jì)算單元，再根據(jù)淮河流域水資源系統(tǒng)的特點(diǎn)［6］，將流域的水資源系統(tǒng)概化成由河流、湖泊、水庫(kù)、地下水、外來(lái)水、需水區(qū)等組成的概化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 淮河流域水資源系統(tǒng)概化節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)

淮河流域水力關(guān)系概化節(jié)點(diǎn)由河流、水庫(kù)、湖泊、需水區(qū)、地下水、外來(lái)水、回流、徑流連接、輸送連接構(gòu)成。概化的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)共有36 座大型水庫(kù)（其中淮河、沂沭泗河子流域各18 座），湖泊5 處（洪澤湖、駱馬湖、南四湖、高郵湖、南灣湖），需水區(qū)（農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活需水區(qū)）和地下水儲(chǔ)存4 處（江蘇區(qū)、山東區(qū)、安徽區(qū)、河南區(qū)），2條外來(lái)水源（黃河路那里村和長(zhǎng)江江都水利樞紐調(diào)水），根據(jù)流域水資源供給特點(diǎn)對(duì)各單元用水、輸水、補(bǔ)水關(guān)系進(jìn)行概化。

2.3 計(jì)算單元的概化

子流域內(nèi)一座獨(dú)立的水庫(kù)系統(tǒng)，所轄供水片區(qū)數(shù)為i，對(duì)應(yīng)編號(hào)為n（n=1，2，3，…，i）的水源包括三部分：本地水為L(zhǎng)kt、水庫(kù)供水為Skt和需水為rkt。對(duì)于一個(gè)虛擬的供水片區(qū)（將水庫(kù)所轄的服務(wù)區(qū)聚合為虛擬供水片區(qū)）而言，聚合不僅包括各虛擬片區(qū)之間的聚合，還包括同一虛擬片區(qū)內(nèi)生產(chǎn)生活用水部門(mén)和生態(tài)用水部門(mén)之間的聚合。將當(dāng)?shù)氐木酆纤Y源量表示為L(zhǎng)0t、聚合需水量表示為Rt。計(jì)算單元的概化如圖2 所示（以響洪甸水庫(kù)為例）。

響洪甸水庫(kù)狀態(tài)描述方程如式（1）所示：

式中：

Vt-1、Vt—t 時(shí)段始、末水庫(kù)庫(kù)容；

It—t 時(shí)段水庫(kù)外部水源入流量；

圖2 計(jì)算單元概化示意圖

Nt—t 時(shí)段天然入流量；

St—t 時(shí)段水庫(kù)對(duì)供水片區(qū)的聚合供水量；

Dt—t 時(shí)段水庫(kù)損水量；

T—供水總時(shí)段數(shù)。

為保證不同供水片區(qū)（同一水庫(kù)所轄）分配到各區(qū)的水量公平合理，需要引入相對(duì)重要度Ψi（n），各聚合供水片區(qū)的供水量可以通過(guò)供水片區(qū)之間Ψi（n）的排序來(lái)均衡分配，而Ψi（n）則通過(guò)多目標(biāo)模糊評(píng)價(jià)模型來(lái)評(píng)價(jià)［7］。流域內(nèi)同一供水片區(qū)水資源配置情況見(jiàn)表1。當(dāng)同一時(shí)段內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)缺水和棄水時(shí)應(yīng)予以責(zé)罰，即可引入責(zé)罰系數(shù)φn（m），φn（m）=C（T－t）2/T2，其中，C 為責(zé)罰因子，一般取較大正值。最后可得流域內(nèi)各水庫(kù)對(duì)其所轄供水片區(qū)的聚合供水量，表示為式（2）：

式中：

Skt（m）—水庫(kù)所轄的第k 個(gè)供水片區(qū)t 時(shí)段第m 項(xiàng)供水量；

M—供水片區(qū)的總供水項(xiàng)數(shù)，M=1，2，3（1-生活用水，2-生態(tài)用水，3-生產(chǎn)用水）。

2.4 淮河流域大型水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度模型建立

將流域內(nèi)供水過(guò)程相對(duì)均衡作為大型水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度模型建立的目標(biāo)，在雨洪資源處于可控條件下，將滿(mǎn)足各虛擬供水片區(qū)“三生用水”需求及下游生態(tài)補(bǔ)水量作為主要約束條件。同時(shí)，對(duì)各虛擬供水片區(qū)“三生用水”的供水量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)配，最大限度地降低庫(kù)區(qū)、供水區(qū)及下游區(qū)生態(tài)用水“缺口”，保證流域內(nèi)最小生態(tài)用水量及其供水過(guò)程持續(xù)均衡，以使水庫(kù)群調(diào)度所產(chǎn)生的生態(tài)效益最大化。

2.4.1 目標(biāo)函數(shù)

將淮河流域大型水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度模型描述為式（3）：

表1 淮河流域同一供水片區(qū)水資源配置情況

式中：

Rjt-L0jt-Sjt—t 時(shí)段j 水庫(kù)所轄供水片區(qū)缺水量；

（Rjt-L0jt-Sjt）/Rjt—缺水率，用來(lái)衡量供水片區(qū)內(nèi)水量供需情況；

Rjt—t 時(shí)段j 水庫(kù)所轄供水片區(qū)聚合需水量；

L0jt—t 時(shí)段j 水庫(kù)所轄供水片區(qū)當(dāng)?shù)鼐酆纤Y源量；

Sjt—t 時(shí)段j 水庫(kù)對(duì)其所轄供水片區(qū)的聚合供水量；

J—組成水庫(kù)群的水庫(kù)數(shù)目。

2.4.2 約束條件

（1）水量平衡約束

式中：

Vjt-1、Vjt—t 時(shí)段始、末j 水庫(kù)庫(kù)容；

Ijt—t 時(shí)段j 水庫(kù)外部水源入流量；

Njt—t 時(shí)段j 水庫(kù)天然入流量；

Sjt—t 時(shí)段j 水庫(kù)對(duì)供水片區(qū)的聚合供水量；

Djt—t 時(shí)段j 水庫(kù)損水量。

（2）流量約束

式中：

Qjt—t 時(shí)段j 水庫(kù)泄流量，m3/s；

Djt—t 時(shí)段j 水庫(kù)損水流量，m3/s；

Qjmint—t 時(shí)段j 水庫(kù)應(yīng)保證的最小下泄流量（滿(mǎn)足下游“三生用水”需求），m3/s；

Qjmaxt—t 時(shí)段j 水庫(kù)允許最大下泄流量，m3/s；

Qjbt—t 時(shí)段j 水庫(kù)下游河流生態(tài)基流（可由Montana 法或相關(guān)規(guī)定確定），m3/s。

（3）水位約束

式中：

Zjt、Zjt+1—t、t+1 時(shí)段j 水庫(kù)水位，m；

△Zjt—j 水庫(kù)水位變幅，m；

ε—設(shè)定誤差；

π—設(shè)定時(shí)段數(shù)。

在水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度中，為保障水庫(kù)本身及下游庫(kù)區(qū)安全，水庫(kù)水位還應(yīng)滿(mǎn)足：

式中：

Zjt，low、Zjt，up分別—t 時(shí)段j 水庫(kù)最低、最高限制水位，m。

（4）非負(fù)條件約束

以上所述變量均為非負(fù)數(shù)。

2.5 模型求解方法

2.5.1 求解算法

本模型采用FS-DDDP 算法［8］求解，從第1 設(shè)定時(shí)段（即r=1 時(shí)）開(kāi)始，按順時(shí)序盡可能尋找水庫(kù)調(diào)度期間整個(gè)調(diào)度過(guò)程的可行性策略，以最小目標(biāo)函數(shù)作為水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度的最優(yōu)解。此外，也可以選取若干個(gè)目標(biāo)函數(shù)較小的策略，通過(guò)篩選確定滿(mǎn)意解。

2.5.2 計(jì)算思路

首先，以初始水位為計(jì)算起點(diǎn)，按照減少供水片區(qū)虧水要求的約束，計(jì)算本時(shí)段最小下泄流量和允許最大下泄流量。根據(jù)水位約束條件進(jìn)行計(jì)算，得出該時(shí)段末水庫(kù)擬達(dá)到的水位上（下）限，再根據(jù)此水位上（下）限推算出下一時(shí)段末水庫(kù)擬達(dá)到的水位上（下）限。同時(shí)，因計(jì)算時(shí)段末（即π 時(shí)段末）水庫(kù)水位應(yīng)達(dá)到設(shè)定值，這就要求在滿(mǎn)足時(shí)段約束條件下，按逆時(shí)序確定前一時(shí)段（即π-1時(shí)段末）水庫(kù)的水位上（下）限，并據(jù)此推算再前時(shí)段末（即π-2 時(shí)段末）水庫(kù)的水位上（下）限，以此類(lèi)推，直到初始時(shí)段末。然后，由順時(shí)序和逆時(shí)序推算結(jié)果得出各時(shí)段水庫(kù)水位上（下）限過(guò)程線(xiàn)。

其次，設(shè)水庫(kù)水位在第一時(shí)段初為Zt（給定初始水位），根據(jù)該時(shí)段水庫(kù)最小、最大下泄流量要求推算，并根據(jù)水位變幅要求調(diào)整，得到該時(shí)段末水庫(kù)擬達(dá)到的最高水位Zt+1，up和最低水位Zt+1，low。

在（Zt+1，low，Zt+1，up）區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選取一水位，作為下一時(shí)段的初始水位。

最后，以此類(lèi)推直至?xí)r段末，即可確定N（N＞1）條水庫(kù)運(yùn)行的可行軌跡，這N條可行軌跡便是所計(jì)算水庫(kù)運(yùn)行的可行軌跡組。從該可行軌跡組中任選一條作為初始軌跡，通過(guò)DDDP 法逐步尋優(yōu)即可得到整個(gè)水庫(kù)群運(yùn)行的最優(yōu)軌跡。

3 結(jié)語(yǔ)

淮河流域是我國(guó)東部重要的“生態(tài)經(jīng)濟(jì)”走廊，筆者從淮河流域整體水資源供需情況出發(fā)，提出了本流域水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度準(zhǔn)則，初步建立了解決當(dāng)前大型水庫(kù)對(duì)淮河流域庫(kù)區(qū)、供水區(qū)及下游區(qū)生態(tài)健康消極干擾的生態(tài)調(diào)度模型，并提出了該模型以FS-DDDP 算法為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)求解方法，用以實(shí)現(xiàn)多生態(tài)目標(biāo)的水庫(kù)群調(diào)度模式的建立。大型水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度模型體現(xiàn)了流域水資源開(kāi)發(fā)利用進(jìn)程中，人與自然和諧發(fā)展的理念，可為淮河流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展提供支撐和保障。

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