基于洪水脈沖歷時(shí)的三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度研究

梁鵬騰，李繼清

(華北電力大學(xué) 可再生能源學(xué)院，北京 102206)

0 引 言

三峽工程是當(dāng)今世界上最大的綜合性水利樞紐工程，具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水和節(jié)能減排等巨大的綜合效益。但是水庫(kù)的運(yùn)行調(diào)度改變了上下游的天然水文情勢(shì)，下泄流量均一化，洪水脈沖漲落過(guò)程不明顯、次數(shù)偏少[1]，嚴(yán)重影響了長(zhǎng)江主要經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)“四大家魚(yú)”在每年5-7月產(chǎn)卵期的繁殖活動(dòng)。據(jù)《長(zhǎng)江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測(cè)公報(bào)》數(shù)據(jù)表明，三峽庫(kù)區(qū)四大家魚(yú)捕撈量由1998年的2 299 t下降至2013年的352 t，年捕撈量最少的2009年僅有95 t，壩下監(jiān)利斷面監(jiān)測(cè)到的四大家魚(yú)魚(yú)苗徑流量也呈嚴(yán)重的下降趨勢(shì)。盡管洪水脈沖與生物生命周期的相關(guān)關(guān)系機(jī)理還沒(méi)有完全被人們所掌握,但許多研究資料已顯示了這種相關(guān)性，如王俊娜等[2]研究發(fā)現(xiàn)某些洪水脈沖指標(biāo)對(duì)漁業(yè)產(chǎn)量具有正相關(guān)的促進(jìn)作用；三峽水庫(kù)也曾在2011-2014年先后開(kāi)展了5次試驗(yàn)性生態(tài)調(diào)度工作，人工創(chuàng)造出適合四大家魚(yú)產(chǎn)卵繁殖的洪水脈沖過(guò)程，有效監(jiān)測(cè)到產(chǎn)卵活動(dòng)。因此，為探究三峽水庫(kù)運(yùn)行后洪水脈沖過(guò)程在四大家魚(yú)產(chǎn)卵期的變化情況，本文根據(jù)洪水脈沖相關(guān)理論提出若干個(gè)水文指標(biāo)并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，基于檢驗(yàn)結(jié)果建立水庫(kù)多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度模型，論述延長(zhǎng)洪水脈沖歷時(shí)的可行性，并對(duì)開(kāi)展此類(lèi)生態(tài)調(diào)度對(duì)水庫(kù)發(fā)電效益造成的影響進(jìn)行分析，以供水庫(kù)調(diào)度決策人員參考。

1 相關(guān)理論和方法

1.1 洪水脈沖理論

洪水脈沖理論(Flood pulse concept，F(xiàn)PC)是Junk等人[3]基于在亞馬遜河和密西西比河的長(zhǎng)期觀測(cè)和數(shù)據(jù)積累，于1989年提出的河流生態(tài)理論，該理論認(rèn)為每年的洪水淹沒(méi)是河流～河漫灘區(qū)系統(tǒng)生物生存、生產(chǎn)力和交互作用的主要驅(qū)動(dòng)力，河流徑流的脈沖式變化是河流洪泛區(qū)生物區(qū)系最主要的控制因子[4]。洪水脈沖帶來(lái)的水位漲落會(huì)引發(fā)不同生物的特定行為，例如鳥(niǎo)類(lèi)遷徙、魚(yú)類(lèi)的產(chǎn)卵繁殖和洄游、無(wú)脊椎動(dòng)物的繁殖和遷徙等。特定的河流攜帶著既成的生物生命節(jié)律信息，洪水期間的脈沖過(guò)程將這種信息更加豐富和強(qiáng)烈地傳達(dá)給生物，助其完成生命活動(dòng)。魚(yú)類(lèi)是一種依靠水文情勢(shì)的豐枯變化來(lái)完成產(chǎn)卵、孵化和生長(zhǎng)的生物。在巴西的Pantanal河，多種魚(yú)類(lèi)已適應(yīng)在洪水脈沖高峰期進(jìn)行產(chǎn)卵[5]；長(zhǎng)江鱘則在汛期開(kāi)始時(shí)感受到脈沖信息流的傳遞，進(jìn)入支流活動(dòng)。洪水脈沖理論在生態(tài)系統(tǒng)的改善方面也有廣泛應(yīng)用：美國(guó)基西米河針對(duì)歷史洪水脈沖特點(diǎn)，應(yīng)用河流～洪泛灘區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)管理，經(jīng)過(guò)近20年的實(shí)踐和摸索，該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)得到改善，生物豐富度提升明顯[6]；Bruce R等[7]對(duì)亞馬遜河洪泛區(qū)湖泊進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)洪水脈沖改變了洪泛區(qū)湖泊的顆粒態(tài)和可溶態(tài)氮磷的濃度；Robertson等[8]提出重建更多的天然春季洪水脈沖來(lái)維持洪泛區(qū)林木產(chǎn)量和濕地價(jià)值。本文所涉及的與三峽水庫(kù)下泄洪水脈沖特點(diǎn)相關(guān)的水文指標(biāo)主要有流量、歷時(shí)、變化率、發(fā)生頻率等方面，將在2.2節(jié)中提出并進(jìn)行詳細(xì)研究。

1.2 Mann-Whitney U兩個(gè)獨(dú)立樣本檢驗(yàn)

以三峽水庫(kù)為研究對(duì)象，對(duì)其運(yùn)行前后下泄洪水過(guò)程的各水文指標(biāo)做顯著性檢驗(yàn)，以判斷是否產(chǎn)生顯著性變化。水文指標(biāo)序列樣本所屬的總體分布類(lèi)型往往是未知的，因此，若想判斷這種情況下兩個(gè)獨(dú)立樣本是否來(lái)自相同分布的總體，Mann-Whitney U非參數(shù)檢驗(yàn)是處理此類(lèi)問(wèn)題的有效方法。Mann-Whitney U檢驗(yàn)又稱(chēng)秩和檢驗(yàn)，是比較沒(méi)有配對(duì)的兩個(gè)獨(dú)立樣本的非參數(shù)檢驗(yàn)，它不依賴(lài)于總體的分布形式，不考慮被研究對(duì)象為何種分布及分布類(lèi)型是否已知[9]，以中位數(shù)為測(cè)度，檢驗(yàn)獨(dú)立非成對(duì)樣本總體之間是否存在顯著差異，具體檢驗(yàn)步驟如下：①?gòu)目傮wA、B中分別獨(dú)立抽取樣本nA和nB，將(nA+nB)個(gè)觀察值從小到大編序；②分別計(jì)算兩個(gè)樣本的秩和TA和TB；③建立假設(shè)。H0：兩總體A和B相對(duì)次數(shù)分布相同；H1：兩總體相對(duì)次數(shù)分布不相同；④計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，如式(1)，式(2)。⑤設(shè)定顯著性水平，查U表得到臨界值U臨；⑥取統(tǒng)計(jì)量中較小值與臨界值進(jìn)行比較，做出判斷：U≤U臨，拒絕H0，U>U臨，接受H0。

(2)

2 實(shí)例研究

2.1 水庫(kù)概況

三峽水庫(kù)是長(zhǎng)江中上游干流的大型水庫(kù)，大壩為千年一遇設(shè)計(jì)，萬(wàn)年一遇校核，正常蓄水位175 m，汛期防洪限制水位145 m，枯水期最低消落水位155 m，防洪庫(kù)容221.5 億m3，保證出力500 萬(wàn)kW，裝機(jī)容量2 250 萬(wàn)kW。為滿(mǎn)足防洪需要，水庫(kù)一般在每年5月下旬開(kāi)始降低庫(kù)水位，在6月10日左右將水位降至145 m并維持低水位運(yùn)行直至九月底開(kāi)始蓄水。長(zhǎng)江中游主要控制水文站宜昌站位于三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)下游，葛洲壩屬于徑流式調(diào)節(jié)電站，對(duì)下游徑流特性影響極為有限，因此本文僅探討改善三峽水庫(kù)的調(diào)度過(guò)程對(duì)四大家魚(yú)產(chǎn)卵的促進(jìn)作用。

2.2 三峽水庫(kù)水文指標(biāo)樣本檢驗(yàn)

以宜昌站作為研究站點(diǎn)，獲取該站點(diǎn)1877-2013年的日流量資料，并將這137年劃分為兩個(gè)階段，即三峽運(yùn)行前的1877-2003年和運(yùn)行后的2004-2013年。本文重點(diǎn)研究水庫(kù)運(yùn)行前后洪水過(guò)程在四大家魚(yú)產(chǎn)卵期的5-7月的變化情況，因此以每年的這三個(gè)月為研究時(shí)段，提出具體水文指標(biāo)如下：①5、6、7月的日平均流量；②每次洪水平均漲水歷時(shí)、平均落水歷時(shí)；③日漲水率、日落水率范圍分別在0～2 000、2 000～4 000和4 000～6 000 m3/(s·d)的漲、落水天數(shù)； ④最大累積漲水流量；⑤最長(zhǎng)連續(xù)漲水歷時(shí)；⑥次均累積漲水流量。對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，生成每年的樣本數(shù)據(jù)，并使用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)水庫(kù)運(yùn)行前后兩個(gè)階段的獨(dú)立樣本進(jìn)行Mann-Whitney U非參數(shù)檢驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)表1，平均漲水歷時(shí)、平均落水歷時(shí)兩項(xiàng)指標(biāo)的漸近顯著性(雙尾)取值均小于0.05，說(shuō)明這兩項(xiàng)指標(biāo)的樣本值在三峽水庫(kù)運(yùn)行前后不服從同一分布，已發(fā)生顯著性變化，統(tǒng)計(jì)值相比于運(yùn)行前有所減小。其他指標(biāo)的顯著性取值均大于0.05，并未發(fā)生顯著性變化。上述檢驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明三峽水庫(kù)的運(yùn)行調(diào)度雖然在洪水脈沖的峰、量等方面并未對(duì)河流水文情勢(shì)造成太大影響，但洪水脈沖漲落歷時(shí)由于受水庫(kù)防洪要求、調(diào)峰需求等而有下降，造成四大家魚(yú)對(duì)洪水變化的感知不夠充分，阻礙了其產(chǎn)卵、繁殖和其他生命活動(dòng)。

2.3 水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度建模

本文基于表1的檢驗(yàn)結(jié)果，建立兼顧生態(tài)的三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型，由于洪水過(guò)程無(wú)非漲水和落水兩種情況，平均漲水歷時(shí)的增加勢(shì)必也會(huì)帶來(lái)平均落水歷時(shí)的增加，因此目標(biāo)函數(shù)中只將漲水歷時(shí)代入計(jì)算，將發(fā)電量最大和平均漲水歷時(shí)最大耦合作為目標(biāo)函數(shù)。計(jì)算時(shí)間范圍從2004-2013年，其中每年5-7月為日調(diào)度，其他月份為月調(diào)度。

表1 水文指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果表Tab.1 The results of hydrological index test

(1)目標(biāo)函數(shù)：

(3)

其中：

(4)

式中：T為時(shí)段數(shù)；Em為時(shí)段m的發(fā)電量；K為出力系數(shù)；qm為時(shí)段i平均發(fā)電流量；Hm為時(shí)段i平均發(fā)電水頭；Δt為時(shí)段長(zhǎng)；Ei等同理；w1、w2分別為目標(biāo)函數(shù)中總發(fā)電量和平均漲水天數(shù)的權(quán)重；常數(shù)4 000用于消除兩個(gè)目標(biāo)間的數(shù)量級(jí)差別，由試算得知；CY為該年5-7月的漲水次數(shù)；avg()為平均數(shù)函數(shù)；Durj表示第Y年第j場(chǎng)漲水的歷時(shí)。當(dāng)面臨時(shí)段為5-7月份時(shí)，ξ1=0，ξ2=1，其他月份ξ1=1，ξ2=0。

(2)約束條件：

水位約束：

Zi,min≤Zi≤Zi,max

(5)

發(fā)電流量約束：

qmin≤qi≤qmax

(6)

下泄流量約束：

Qi,min≤Qi≤Qi,max

(7)

生態(tài)約束：

Qst≤Qi

(8)

出力約束：

Nbz≤Ni≤Nyx

(9)

水量平衡約束：

Vi=Vi-1+(Qi,rk-qi-qi,qi)Δt

(10)

日水位最大變幅約束：

-ZBF≤Zi-Zi-1≤ZBF

(11)

式中：Zi,min，Zi，Zi,max分別為水庫(kù)在時(shí)段i允許最低水位，當(dāng)前水位和允許最高水位；qmin，qi，qmax分別為水輪機(jī)最小發(fā)電流量、當(dāng)前時(shí)段發(fā)電流量、最大發(fā)電流量；Qi,min，Qi，Qi,max分別為時(shí)段i允許最小下泄流量、當(dāng)前下泄流量、允許最大下泄流量；Qst為河流生態(tài)需水量，采用逐月90%保證率下的流量；Nbz，Ni，Nyx分別為水電站保證出力、當(dāng)前時(shí)段出力、水電站預(yù)想出力；qi,qi為棄水流量；ZBF為單日庫(kù)水位最大變幅。

(3)洪水脈沖歷時(shí)控制方法：統(tǒng)計(jì)宜昌站1877-2003年不同漲落歷時(shí)的歷史洪水次數(shù)和1877-2013年歷史洪水中不同日漲、落水率的天數(shù)，分別見(jiàn)表2、表3。分別將漲水歷時(shí)、落水歷時(shí)、漲水率、落水率的頻率累加，形成4個(gè)頻率區(qū)間。在模型中使程序生成一個(gè)介于0～1的隨機(jī)小數(shù)，根據(jù)此隨機(jī)數(shù)的大小落在漲水歷時(shí)的某個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)，則決定當(dāng)前一次的漲水歷時(shí)；在此階段的漲水過(guò)程中，再每日生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，根據(jù)隨機(jī)數(shù)大小落在漲水率的某個(gè)區(qū)間內(nèi)，確定當(dāng)日的漲水率。當(dāng)前一次漲水完成后，即進(jìn)入落水階段，同理生成每次的落水歷時(shí)和每日的落水率。一次落水完成后又回到漲水階段，如此循環(huán)，直至完成5-7月的日調(diào)度。需要說(shuō)明的是，洪水脈沖歷時(shí)約束雖然以隨機(jī)方法確定洪水漲落歷時(shí)及漲落水率，但由于受模型中其他約束條件的共同限制作用(如水位約束、單日庫(kù)水位最大變幅約束)，且程序計(jì)算過(guò)程中的解均要符合所有約束條件，否則棄之重新生成狀態(tài)變量(時(shí)段末水位值)，因此模型實(shí)際上考慮了上游來(lái)水條件、水庫(kù)防洪、下游生態(tài)等要求，不會(huì)出現(xiàn)下泄流量不合理的跳躍，對(duì)下游防護(hù)對(duì)象造成威脅。

表2 不同漲、落水歷時(shí)的歷史洪水次數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Counts of different rise and fall duration of historical floods

表3 歷史洪水日漲、落水率天數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.3 The statistics of the numbers of days of rise andfall rate of historical floods

以上模型采用狼群算法進(jìn)行求解，狼群算法是一種新型的群體智能優(yōu)化算法，它模仿野生狼群捕食行為及其獵物分配方式，將尋優(yōu)過(guò)程分成3個(gè)步驟：①狼群在捕獵過(guò)程中，首先派出少數(shù)精壯的狼在各自活動(dòng)范圍內(nèi)進(jìn)行游獵搜索；②發(fā)現(xiàn)獵物的狼通過(guò)嚎叫召喚同伴向之奔襲、包圍獵物；③通過(guò)優(yōu)勝劣汰原則分配食物。狼群算法具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠有效求解水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題。為驗(yàn)證其尋優(yōu)能力，本文以狼群算法求解三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題，引用2004-2013年三峽月平均入庫(kù)流量數(shù)據(jù)，以月為調(diào)度時(shí)段計(jì)算10年最大發(fā)電量，并以動(dòng)態(tài)規(guī)劃法優(yōu)化結(jié)果作為比較，設(shè)置水位離散點(diǎn)數(shù)為500，兩種算法各運(yùn)行10次，由表4的計(jì)算結(jié)果可知，狼群算法的優(yōu)化結(jié)果要稍?xún)?yōu)于傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，證明了該智能算法的全局尋優(yōu)能力。

表4 兩種算法計(jì)算結(jié)果比較Tab.4 Comparision between two algorithms

3 模型結(jié)果分析

3.1 發(fā)電量?jī)?yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)中不同的權(quán)重分配得到的2004-2013年三峽電站總發(fā)電量和洪水歷時(shí)優(yōu)化解如表5所示?？梢?jiàn)，對(duì)三峽水庫(kù)下泄洪水的漲落水歷時(shí)進(jìn)行約束時(shí)，電站的發(fā)電效益下降，且洪水歷時(shí)目標(biāo)所占權(quán)重越大，發(fā)電量下降越多。主要原因是在四大家魚(yú)產(chǎn)卵密集的5-7月份，為了讓洪水漲落歷時(shí)延長(zhǎng)到水庫(kù)運(yùn)行之前的天然狀態(tài)，水庫(kù)需提前加大下泄流量并且加大出力，造成發(fā)電流量有時(shí)會(huì)超過(guò)三峽機(jī)組的最大過(guò)流能力，引起水庫(kù)棄水，發(fā)電效益無(wú)法達(dá)到以發(fā)電量最大作為單一目標(biāo)時(shí)的優(yōu)化調(diào)度水平。但總體來(lái)看，優(yōu)化洪水漲落歷時(shí)對(duì)發(fā)電量的影響并不大，在四大家魚(yú)產(chǎn)卵期的5-7月完全優(yōu)化發(fā)電效益和完全優(yōu)化洪水脈沖歷時(shí)的發(fā)電量之差為62.6 億kWh，減少率約為0.7%。而在對(duì)兩個(gè)目標(biāo)均有側(cè)重時(shí)差值會(huì)更小，這一結(jié)果說(shuō)明生態(tài)調(diào)度無(wú)需犧牲太多經(jīng)濟(jì)效益即可有效提高洪水脈沖的漲落歷時(shí)。

表5 不同權(quán)重下的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果表Tab.5 The optimal results of multi-objects withdifferent weight distributions

3.2 洪水漲落歷時(shí)優(yōu)化結(jié)果分析

由表5可知，控制漲水歷時(shí)的權(quán)重w2越大，平均漲落歷時(shí)也越大。繪制不同權(quán)重分配下的歷時(shí)-發(fā)電量關(guān)系如圖1所示，圖中數(shù)字代表w1，直線(xiàn)分別表示三峽水庫(kù)下泄洪水、宜昌站徑流實(shí)際平均漲落歷時(shí)，可見(jiàn)優(yōu)化模型有效地重新分配了下泄流量，提升了洪水脈沖的持續(xù)時(shí)間。洪水漲落歷時(shí)對(duì)四大家魚(yú)的影響，除了文獻(xiàn)[2]中的結(jié)論外，李翀、彭靜等[11]也通過(guò)分析1964-2001年的野外監(jiān)測(cè)四大家魚(yú)魚(yú)苗發(fā)江量與宜昌站每年月的洪水過(guò)程關(guān)系，認(rèn)為每年的5-6月總漲水日數(shù)以及平均每次漲水過(guò)程日數(shù)是決定家魚(yú)苗發(fā)江量多寡的一個(gè)重要的環(huán)境因子。四大家魚(yú)只在漲水期進(jìn)行產(chǎn)卵活動(dòng)，漲水歷時(shí)的延長(zhǎng)有助于增加四大家魚(yú)的產(chǎn)卵時(shí)間和產(chǎn)卵量。另外，其魚(yú)卵屬于“半漂浮性”卵[12,13]，喜好多變的洪水脈沖，一旦沉入水底過(guò)久會(huì)導(dǎo)致魚(yú)卵死亡，漲水歷時(shí)的延長(zhǎng)使魚(yú)卵更不容易沉底，孵化率提升。研究發(fā)現(xiàn)，5-7月總漲水日數(shù)達(dá)到22 d左右，每次漲水3～5 d，漲水水位上漲達(dá)3～5 m，日上漲率達(dá)0.3 m，有助于四大家魚(yú)出現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)卵活動(dòng)。緩慢、延長(zhǎng)的落水過(guò)程對(duì)四大家魚(yú)的繁殖也有重要的作用，它給水體帶來(lái)充足的營(yíng)養(yǎng)供魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)，并促進(jìn)幼魚(yú)在洄游過(guò)程中獲得性腺成熟。實(shí)際上，在水庫(kù)調(diào)度中考慮延長(zhǎng)下泄洪水的漲落歷時(shí)需結(jié)合水文預(yù)報(bào)技術(shù)、當(dāng)前來(lái)水條件以及整個(gè)四大家魚(yú)產(chǎn)卵期的洪水脈沖次數(shù)和歷時(shí)：如預(yù)報(bào)入庫(kù)徑流已然是一個(gè)歷時(shí)較長(zhǎng)的漲水過(guò)程，則下泄流量只需保持或稍微延長(zhǎng)該漲水過(guò)程即可；如預(yù)報(bào)入庫(kù)流量歷時(shí)和漲水幅度較小，而前期已有一個(gè)理想的洪水脈沖過(guò)程，則無(wú)需在當(dāng)前再進(jìn)行生態(tài)調(diào)度。

圖1 不同權(quán)重下的漲落歷時(shí)優(yōu)化結(jié)果示意圖Fig.1 The optimal results of flood rise and fall duration with different weights

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)宜昌站徑流資料對(duì)三峽水庫(kù)下泄洪水的若干個(gè)水文指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和非參數(shù)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)洪水漲落歷時(shí)較水庫(kù)運(yùn)行前顯著減小?；诖私⑺畮?kù)多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度模型，運(yùn)用狼群算法求解，結(jié)果顯示不同的目標(biāo)分配權(quán)重對(duì)發(fā)電量影響不大，但洪水脈沖歷時(shí)可隨其權(quán)重的增加有明顯增加。本文的調(diào)度方法為現(xiàn)階段的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度提供了一種新的思路，可用于促進(jìn)四大家魚(yú)產(chǎn)卵的實(shí)踐探索。漁業(yè)資源的養(yǎng)護(hù)與修復(fù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，三峽下游漁業(yè)資源下降的原因復(fù)雜多樣，流域中其他因素的影響也不可忽視，例如：漁民的過(guò)度捕撈行為、魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵場(chǎng)受到破壞、河流連通性降低、水質(zhì)下降等，需要更多的專(zhuān)家學(xué)者關(guān)注并采取系統(tǒng)性措施，來(lái)拯救瀕危的長(zhǎng)江漁業(yè)。

□

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