額爾齊斯河水庫(kù)群多尺度耦合的生態(tài)調(diào)度研究

鄧銘江，黃 強(qiáng)，張 巖，張連鵬

（1.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.西安理工大學(xué) 教育部西北水資源與環(huán)境生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048）

1 研究背景

我國(guó)有江河5萬(wàn)多條、已建水庫(kù)近9萬(wàn)座，幾乎所有的江河都建設(shè)了水庫(kù)，形成了以水庫(kù)群為核心的水資源綜合利用系統(tǒng)。江河水資源維系著生態(tài)系統(tǒng)，形成了河道內(nèi)外生態(tài)的多樣性。但是，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用水量日益增加，加之水庫(kù)不斷增多，使其河流生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了改變，生態(tài)退化、生物多樣性減少等問(wèn)題日益嚴(yán)重，大部分江河出現(xiàn)不同程度的生態(tài)問(wèn)題。因此，為進(jìn)一步保障河流的生態(tài)安全，水庫(kù)的生態(tài)調(diào)度成為目前研究的熱點(diǎn)和前沿問(wèn)題。

國(guó)外水庫(kù)生態(tài)調(diào)度研究始于20世紀(jì)70年代，我國(guó)于21世紀(jì)初開始研究，起步較晚。水庫(kù)生態(tài)調(diào)度可分為河流、湖泊生態(tài)需水量調(diào)度，模擬生態(tài)洪水調(diào)度、防治水污染調(diào)度、控制泥沙調(diào)度、水系連通性調(diào)度、生態(tài)因子調(diào)度等。水庫(kù)生態(tài)調(diào)度主要是通過(guò)改變傳統(tǒng)的水庫(kù)控制運(yùn)行方式解決生態(tài)問(wèn)題，發(fā)揮如下作用：維持河流的生物多樣性；改善河道的水質(zhì)；防治河道泥沙淤積；調(diào)控下泄水量的溫度；滿足下游湖泊濕地生態(tài)耗水等。

1946年，美國(guó)學(xué)者M(jìn)asse［1］首先提出了水庫(kù)調(diào)度問(wèn)題，隨后有許多學(xué)者研究了發(fā)電、灌溉、供水、防洪等優(yōu)化調(diào)度模型和方法。水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的相關(guān)研究相對(duì)滯后，最早由Schlueter等［2］（1971年）提出水庫(kù)調(diào)度應(yīng)維持河流多樣性問(wèn)題；1984年，Petts等［3］系統(tǒng)地分析了水庫(kù)對(duì)河流生態(tài)的影響；1998年，Hughes等［4］研究了水生生物習(xí)性，建立了基于河流生態(tài)流量的水庫(kù)調(diào)度模型，并應(yīng)用于水庫(kù)調(diào)度方式的調(diào)整；2000年以后，許多學(xué)者相繼提出了生態(tài)可持續(xù)水資源管理規(guī)程及平衡人與生態(tài)需水的水庫(kù)管理辦法，以及水庫(kù)營(yíng)造洪水過(guò)程進(jìn)行生態(tài)調(diào)度的概念。近幾年來(lái)，把評(píng)價(jià)生態(tài)影響的變化范圍法（RVA）［5-6］引入了生態(tài)調(diào)度，建立了水庫(kù)生態(tài)調(diào)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。2003年，李國(guó)英［7］等研究了小浪底水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙調(diào)度，采用人造洪水過(guò)程輸沙入海，效果良好；2005年，彭虹等［8］研究了丹江口水庫(kù)加大枯水季下泄流量，控制漢江下游富營(yíng)養(yǎng)化；2007年，董哲仁等［9］研究了水庫(kù)生態(tài)調(diào)度理論及方法；2008年，胡和平等［10］提出基于生態(tài)過(guò)程線的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法；近幾年，康玲等［11］以漢江適宜生態(tài)流量及魚類產(chǎn)卵所需的洪水脈沖過(guò)程為約束條件建立生態(tài)調(diào)度模型；尹心安等［12］提出生態(tài)調(diào)度規(guī)則優(yōu)化；張洪波等［13］提出生態(tài)調(diào)度內(nèi)涵并建立了黃河上游水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型；黃強(qiáng)等［14］對(duì)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度研究新進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

上述研究成果大都集中在個(gè)別水庫(kù)、河段，研究重點(diǎn)比較具體、深入，如通過(guò)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度解決河流基流、生態(tài)流量過(guò)程、洪水脈沖過(guò)程、調(diào)水調(diào)沙人工洪水過(guò)程等。但是，缺少對(duì)河流水庫(kù)群整體研究，從河流全局考慮的較少。因此，本文針對(duì)新疆額爾齊斯河，在水資源綜合利用的原則指導(dǎo)下，構(gòu)建多尺度耦合的水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度體系，旨在揭示水庫(kù)生態(tài)調(diào)度規(guī)律，為流域水資源科學(xué)管理，尤其是水庫(kù)生態(tài)調(diào)度提供科技支撐。同時(shí)，研究額爾齊斯河流域復(fù)雜水庫(kù)群的多尺度、高維、多目標(biāo)、非線性生態(tài)調(diào)度，對(duì)維持河流健康、保障生態(tài)安全，解決國(guó)際河流的水資源綜合利用問(wèn)題，發(fā)展水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度的理論和方法，具有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

鄂畢河是世界十大河流之一，河流長(zhǎng)5 410 km、流域面積298萬(wàn)km2，最后注入北冰洋，入?？诙嗄昶骄? 967億m3。額爾齊斯河是其主要支流，發(fā)源于我國(guó)阿爾泰山東南坡，穿越中國(guó)、哈薩克斯坦和俄羅斯。在中國(guó)境內(nèi)，河流長(zhǎng)633 km，流域面積4.5萬(wàn)km2，多年平均水量111億m3，由阿爾泰山南坡匯入額爾齊斯河的支流主要有喀臘額爾齊斯河、克蘭河、布爾津河、哈巴河等。隨著新疆北部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)額爾齊斯河流域水資源的開發(fā)力度和規(guī)模的需求也在不斷加大。目前，流域水資源綜合利用矛盾突出，已建山區(qū)、平原水庫(kù)40多座，過(guò)去這些水庫(kù)僅注重傳統(tǒng)的水量調(diào)度，而忽略了生態(tài)調(diào)度，造成河流生態(tài)系統(tǒng)需水長(zhǎng)期得不到滿足，魚類、鳥類等動(dòng)物的棲息地環(huán)境惡化，河谷植被、草場(chǎng)退化等生態(tài)問(wèn)題突出。額爾齊斯河流域的生態(tài)問(wèn)題是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題，必須綜合考慮，為了破解這一難題，亟待研究額爾齊斯河骨干水庫(kù)群的生態(tài)調(diào)度，維持河谷林草、濕地、湖泊等生態(tài)功能，適度恢復(fù)退化的生態(tài)系統(tǒng)，保障河谷林草濕地的生態(tài)安全。

2 水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度體系構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)

水庫(kù)群按其分布形式可分為梯級(jí)水庫(kù)群、并聯(lián)水庫(kù)群、混聯(lián)水庫(kù)群和跨流域水庫(kù)群。水庫(kù)生態(tài)調(diào)度分為以月為時(shí)段的多年長(zhǎng)期調(diào)度；以旬為時(shí)段的關(guān)鍵生態(tài)季中期調(diào)度；以日為時(shí)段的關(guān)鍵生態(tài)月短期調(diào)度；以小時(shí)為時(shí)段的關(guān)鍵生態(tài)期實(shí)時(shí)調(diào)度等。在水庫(kù)調(diào)度中，一般把中期與長(zhǎng)期合并，稱為水庫(kù)中長(zhǎng)期調(diào)度。下面主要對(duì)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的定義、水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度體系構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

2.1 水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度定義從國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的定義來(lái)看，所謂水庫(kù)生態(tài)調(diào)度，是指兼顧生態(tài)的水庫(kù)綜合調(diào)度方式。Symphorian等［15］指出，生態(tài)調(diào)度是指水庫(kù)調(diào)度時(shí)既要滿足人類社會(huì)對(duì)水資源的各項(xiàng)需求又要滿足河流生態(tài)系統(tǒng)的需要。董哲仁等［9］定義的多目標(biāo)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度，是指水庫(kù)在滿足發(fā)電、灌溉、供水、航運(yùn)、防洪等多種社會(huì)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的前提條件下，同時(shí)兼顧河流生態(tài)需水的一種調(diào)度手段。張洪波［13］定義的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度，是指在水庫(kù)運(yùn)行與管理過(guò)程中兼顧考慮生態(tài)因素，在河流生態(tài)需水規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整水庫(kù)調(diào)度和運(yùn)行方式，從而盡量滿足河流生態(tài)系統(tǒng)的需水要求。蔡其華［16］定義的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度，是指在滿足大壩下游生態(tài)保護(hù)和庫(kù)區(qū)水環(huán)境保護(hù)要求的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮水庫(kù)的防洪、發(fā)電、灌溉、供水、航運(yùn)、旅游等各項(xiàng)功能，使水庫(kù)對(duì)大壩下游生態(tài)和庫(kù)區(qū)水環(huán)境造成的負(fù)面影響控制在可承受的范圍內(nèi)，并逐步修復(fù)生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)。以上水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的定義大都是單庫(kù)、局部河段，雖然考慮了生態(tài)需求，但忽略了生態(tài)的灌溉用水方式。因此，為了全面反映水庫(kù)群在流域水資源綜合利用的作用，以水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度為核心，考慮生態(tài)灌溉方式，本文給出了如下水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度定義。

水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度定義：根據(jù)流域水資源特性和綜合利用原則，通過(guò)水庫(kù)協(xié)調(diào)各部門需水要求，在滿足人類社會(huì)對(duì)生活、生產(chǎn)用水的前提下，尋求維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的水庫(kù)蓄水與放水、攔洪與泄洪等合理的調(diào)度方案，采用合理的生態(tài)灌溉方式實(shí)現(xiàn)生態(tài)調(diào)度目標(biāo)，發(fā)揮水庫(kù)群綜合利用效益，保障生態(tài)系統(tǒng)安全的水庫(kù)控制運(yùn)用技術(shù)。

2.2 水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度體系構(gòu)建思路額爾齊斯河水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度體系構(gòu)建的總體思路是（如圖1所示）：以水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度模型和河谷生態(tài)系統(tǒng)漓漫灌溉為主線，通過(guò)建立水文過(guò)程與生態(tài)過(guò)程的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)保障河流健康、河谷生態(tài)系統(tǒng)安全的調(diào)度目標(biāo)。

圖1 額爾齊斯河水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度體系構(gòu)建框架圖

2.3 宏觀、中觀、微觀相互嵌套多尺度耦合的水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度體系構(gòu)建水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度研究的尺度分為宏觀、中觀和微觀調(diào)度。宏觀尺度上，通過(guò)建立水庫(kù)群中長(zhǎng)期生態(tài)調(diào)度模型，在戰(zhàn)略上揭示水庫(kù)群多年生態(tài)調(diào)度規(guī)律，制定水庫(kù)生態(tài)調(diào)度規(guī)則，獲得不同水文年各生態(tài)供水期的可供生態(tài)水量，并作為中觀尺度調(diào)度的邊界條件，保證水庫(kù)在多年運(yùn)行期間的生態(tài)調(diào)度策略的科學(xué)和合理性；中觀尺度上，建立水庫(kù)群短期生態(tài)調(diào)度模型，利用中長(zhǎng)期調(diào)度結(jié)果作為邊界條件，旨在揭示水庫(kù)群年內(nèi)生態(tài)供水期的調(diào)度規(guī)律，得出水庫(kù)生態(tài)關(guān)鍵生態(tài)期可供生態(tài)水量及過(guò)程作為微觀尺度調(diào)度的邊界條件，保證水庫(kù)在年內(nèi)生態(tài)調(diào)度策略的科學(xué)和合理性；微觀尺度上，建立水庫(kù)群實(shí)時(shí)生態(tài)調(diào)度模型，旨在揭示水庫(kù)關(guān)鍵生態(tài)期調(diào)度規(guī)律，營(yíng)造適宜生態(tài)系統(tǒng)的水庫(kù)實(shí)時(shí)人工生態(tài)洪水過(guò)程，保證水庫(kù)在生態(tài)關(guān)鍵期的生態(tài)調(diào)度方案的科學(xué)和合理性?；谏鲜隹紤]，本文構(gòu)建了如圖2所示的宏觀、中觀、微觀相互嵌套多尺度耦合的水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度體系。

圖2 水庫(kù)群多尺度耦合的生態(tài)調(diào)度三層體系結(jié)構(gòu)圖

2.4 水庫(kù)生態(tài)調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)在額爾齊斯河水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度體系中，可凝練如下3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：多時(shí)間尺度耦合的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度技術(shù)、多目標(biāo)非線性水庫(kù)調(diào)度模型求解技術(shù)和生態(tài)系統(tǒng)的漓漫灌溉技術(shù)，如圖3所示。

圖3 額爾齊斯河水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度技術(shù)

（1）多時(shí)間尺度耦合的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度技術(shù)。多時(shí)間尺度耦合的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度技術(shù)主要是將宏觀、中觀、微觀尺度的調(diào)度策略與生態(tài)效益監(jiān)測(cè)結(jié)果耦合為一個(gè)整體的技術(shù)，旨在解決流域生態(tài)問(wèn)題。水庫(kù)群中長(zhǎng)期生態(tài)調(diào)度是宏觀尺度、短期生態(tài)調(diào)度是中觀尺度、實(shí)時(shí)生態(tài)調(diào)度是微觀尺度。宏觀尺度的調(diào)度策略可提供不同水文年各生態(tài)供水期的水庫(kù)可供生態(tài)水量以及水庫(kù)控制水位，中觀尺度的調(diào)度策略可提供水庫(kù)生態(tài)關(guān)鍵生態(tài)期可供生態(tài)水量及過(guò)程，微觀尺度調(diào)度策略可營(yíng)造適宜生態(tài)系統(tǒng)的水庫(kù)實(shí)時(shí)人工生態(tài)洪水過(guò)程。因此，宏觀、中觀與微觀尺度是相互嵌套結(jié)構(gòu)，并存在互動(dòng)和互饋機(jī)制。最終，評(píng)價(jià)調(diào)度效果好壞取決于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。把監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)效果反饋給宏觀、中觀與微觀尺度的生態(tài)調(diào)度模型，然后進(jìn)行不斷修正、迭代求解獲得水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度規(guī)律。

（2）多目標(biāo)非線性水庫(kù)調(diào)度模型求解技術(shù)。水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度模型具有復(fù)雜高維、多目標(biāo)、動(dòng)態(tài)、多階段、非線性等特點(diǎn)，該模型的求解是目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。水庫(kù)群調(diào)度模型常用的求解方法包括常規(guī)法、模擬法、優(yōu)化法和模擬優(yōu)化法。多目標(biāo)非線性水庫(kù)調(diào)度模型求解技術(shù)是，首先采用主次目標(biāo)法處理多目標(biāo)，然后基于大系統(tǒng)協(xié)調(diào)思路將水庫(kù)群分解為單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型，采用較成熟的非線性優(yōu)化算法求解單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型，再通過(guò)協(xié)調(diào)各水庫(kù)的水量平衡方程等，經(jīng)過(guò)多輪迭代求解水庫(kù)群多目標(biāo)調(diào)度模型的技術(shù)。

（3）生態(tài)系統(tǒng)的漓漫灌溉技術(shù)。生態(tài)的灌溉與農(nóng)業(yè)的灌溉非常相似，但又有不同。農(nóng)業(yè)灌溉已從傳統(tǒng)的大水漫灌發(fā)展到了噴灌、滴灌等高效節(jié)水灌溉，而生態(tài)灌溉研究相對(duì)滯后，目前主要是大水漫灌，或稱淹灌。其缺點(diǎn)是耗水量較大，不能做到精細(xì)灌溉。因此，本文提出了一種新的生態(tài)灌溉方式。

生態(tài)系統(tǒng)的漓漫灌溉概念是本文的一個(gè)創(chuàng)新。首先解釋漓漫的含義（經(jīng)查閱康熙大字典）：漓為淺、薄，浮薄，水滲入地之意，亦有通達(dá)、暢快之意；漫常做漫溢講，水滿向外流，水面廣闊，微微動(dòng)蕩。漓漫灌溉定義：根據(jù)河谷生態(tài)系統(tǒng)需水要求及生態(tài)分區(qū)，利用水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度所營(yíng)造的人造洪峰過(guò)程，通過(guò)生態(tài)水利工程調(diào)控，耦合生態(tài)與水文過(guò)程，形成適時(shí)、適量、精細(xì)化的生態(tài)灌溉方式，稱之為漓漫灌溉。漓漫灌溉的核心在三個(gè)字上：一是阻，在下游減水河段修建生態(tài)閘、阻水堤、溢流口等工程措施；二是引，疏通河汊，建設(shè)林草灌溉渠道；三是漫，形成水網(wǎng)通達(dá)，水勢(shì)漫溢，浸沒(méi)林草濕地的生態(tài)灌溉系統(tǒng)。漓漫灌溉系統(tǒng)則是在河谷生態(tài)區(qū)修建生態(tài)閘、壅水壩等生態(tài)水利工程，形成水網(wǎng)通達(dá)，水勢(shì)漫溢，浸沒(méi)林草濕地的生態(tài)灌溉系統(tǒng)，如圖4所示。

生態(tài)系統(tǒng)的漓漫灌溉技術(shù)就是在河谷林草區(qū)、濕地，建立生態(tài)漓漫灌溉系統(tǒng)，采用漓漫灌溉的方式塑造有利于生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的生態(tài)水文過(guò)程，保證河谷林草能最大程度地吸納水分，達(dá)到最佳的生態(tài)效果。

圖4 漓漫灌溉技術(shù)

3 水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度模型建立及求解方法

宏觀、中觀、微觀相互嵌套多尺度耦合的水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度體系的數(shù)學(xué)表達(dá)，本文簡(jiǎn)化為水庫(kù)群中長(zhǎng)期、生態(tài)關(guān)鍵期實(shí)時(shí)生態(tài)調(diào)度模型，下面分別論述。

3.1 水庫(kù)群中長(zhǎng)期生態(tài)調(diào)度優(yōu)化模型在滿足流域生活工業(yè)供水、北疆供水、農(nóng)業(yè)灌溉等綜合用水的前提下，以保障河流健康、河谷生態(tài)系統(tǒng)安全為目標(biāo)，建立多目標(biāo)水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)。

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

①缺水量最小

②可調(diào)水量最大

③綜合效益最大

④水電站群發(fā)電量最大

式中：ΔW1,ΔW2分別表示生態(tài)缺水量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)缺水量；XSQ，GSQ為生態(tài)需水量和生態(tài)供水量；XZQ，GZQ為社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量和供水量；J，j分別表示生態(tài)供水項(xiàng)目總數(shù)及編號(hào)；M，m分別表示用水單元總數(shù)及編號(hào)；T，t分別表示調(diào)度時(shí)期內(nèi)總時(shí)段數(shù)以及編號(hào)；C為供水單價(jià)；N，n分別表示水庫(kù)（或水電站）總數(shù)及相應(yīng)編號(hào)，N(n,t)為第n個(gè)電站t時(shí)段內(nèi)出力；Δt為時(shí)段長(zhǎng)度；W為水量。

試驗(yàn)地于上一年秋收后旋耕，當(dāng)年春季南北起壟，壟寬0.60米。田間管理按照農(nóng)民的習(xí)慣，苗前用旱田除草劑進(jìn)行封閉，生育中期不進(jìn)行鏟趟作業(yè)。在6月中旬施放赤眼蜂防治玉米螟。

3.1.2 約束條件

（1）全局約束包括：

①保證率約束

②水量約束

（2）局部約束包括：

①水量平衡約束

②水位約束

③供水約束

④出力約束

⑤庫(kù)容約束

式中：Pm，Pm0分別為供水保證率和要求的供水保證率；W為水量；Z為水位；GSQ，XSQ分別為生態(tài)供水量和需水量；N為出力；k為出力系數(shù)；Q為發(fā)電流量；H為水頭；V為庫(kù)容。

多目標(biāo)函數(shù)一般可表達(dá)為：

上述多目標(biāo)模型的求解思路是，以生態(tài)和各部門的缺水量最小為主目標(biāo)，將其他目標(biāo)作約束條件處理，即將多目標(biāo)模型轉(zhuǎn)換為如下單目標(biāo)模型進(jìn)行求解：

其他約束條件同上，不予列出。

3.1.3 模型求解方法 由于模型的復(fù)雜性，本文采用大系統(tǒng)協(xié)調(diào)分解法的思路將水庫(kù)群調(diào)度分解為單庫(kù)調(diào)度問(wèn)題，將多庫(kù)轉(zhuǎn)化為相互有水利聯(lián)系的單庫(kù)子系統(tǒng)，對(duì)單一水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度用動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DP）法分別進(jìn)行求解，再通過(guò)協(xié)調(diào)器經(jīng)過(guò)多輪迭代進(jìn)行求解。

3.2 水庫(kù)群短期生態(tài)調(diào)度優(yōu)化模型生態(tài)調(diào)度關(guān)鍵期是指6月2日至6月14日的河谷林草生長(zhǎng)的關(guān)鍵期。在生態(tài)調(diào)度關(guān)鍵期，應(yīng)在滿足北疆供水、生活工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等條件下，以生態(tài)缺水量最

小為目標(biāo)，以日為計(jì)算時(shí)段，建立水庫(kù)群短期調(diào)度模型。

（1）目標(biāo)函數(shù)

（2）約束條件

約束條件同上，不予列出。

3.3 水庫(kù)群實(shí)時(shí)生態(tài)調(diào)度優(yōu)化模型水庫(kù)群實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度的核心是考慮河道一維水動(dòng)力模型，以水文過(guò)程與生態(tài)過(guò)程的耦合關(guān)系為依據(jù)，推求適宜于河谷林草生長(zhǎng)的人工生態(tài)洪水過(guò)程。

3.3.1 關(guān)鍵生態(tài)期的水庫(kù)群實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型建立 以河谷林草生長(zhǎng)關(guān)鍵期缺水量最小為目標(biāo)，建立水庫(kù)群實(shí)時(shí)生態(tài)調(diào)度優(yōu)化調(diào)度模型如下：

式中：WT為生態(tài)供水量，由中長(zhǎng)期或短期調(diào)度模型計(jì)算得出；T、t分別表示調(diào)度時(shí)期內(nèi)總時(shí)段數(shù)及編號(hào)；m為水庫(kù)編號(hào)；q為出庫(kù)流量；Δt為時(shí)段時(shí)長(zhǎng)度；Q為入庫(kù)流量。

模型包括水庫(kù)、生態(tài)閘和生態(tài)單元的約束條件以及一維河流演進(jìn)水動(dòng)力方程等，限于篇幅所限，在此忽略。

圖5 額爾齊斯流水資源系統(tǒng)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

3.3.2 模型求解方法 水庫(kù)群實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型采用快速非支配排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）求解，具體原理是，定義了一個(gè)約束主導(dǎo)原則，將優(yōu)化問(wèn)題區(qū)分為不可行解與可行解，對(duì)群體中任意兩個(gè)個(gè)體優(yōu)劣采用非支配原則進(jìn)行判斷，求解思路如下：①解a是可行解而解b不是可行解，那么解a支配b；②解a與b都不可行，但解a的總體約束沖突值小于解b，那么解a支配b；③解a與b都是可行解，且a優(yōu)于b，那么解a支配b。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

我國(guó)的額爾齊斯河流域已建水庫(kù)達(dá)40多座。本文在水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度中，不考慮流域中的平原水庫(kù)和小水庫(kù)，僅考慮干支流中的大中型和生態(tài)水利工程，包括7座水庫(kù)、25座生態(tài)閘、7條牧業(yè)大渠等。

流域內(nèi)主要水庫(kù)KLSK、LSW水庫(kù)任務(wù)有防洪、北疆供水、工業(yè)生活用水、農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)供水和發(fā)電等；布爾津山口水庫(kù)任務(wù)為防洪、流域內(nèi)調(diào)水、工業(yè)生活用水、農(nóng)業(yè)用水和發(fā)電等；克孜加爾水庫(kù)任務(wù)是防洪、工業(yè)生活用水、農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)供水和發(fā)電等。

水庫(kù)的調(diào)度規(guī)程是在汛期嚴(yán)格遵守防洪限制水位，汛末盡可能蓄滿水庫(kù)；按照調(diào)水、供水任務(wù)放水，同時(shí)兼顧發(fā)電，發(fā)電是“以水定電”。生態(tài)閘在生態(tài)供水期時(shí)開啟，在非生態(tài)供水期時(shí)關(guān)閉。

按照水庫(kù)、水電站、湖泊、濕地、灌區(qū)、取水點(diǎn)、補(bǔ)水點(diǎn)等，設(shè)置控制節(jié)點(diǎn)及控制斷面，構(gòu)造水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖，如圖5所示。

4.1 基本資料額爾齊斯河水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度采用的基本資料有工程資料、徑流資料和需水資料等。工程資料包括7座水庫(kù)水電站特征參數(shù)，25座生態(tài)閘、7條牧業(yè)大渠、北疆供水工程資料。徑流資料包括KLSK、LSW、克孜加爾、山口等7座水庫(kù)的入庫(kù)徑流，主要支流的徑流資料等。需水資料包括生活工業(yè)、北疆供水、農(nóng)業(yè)、生態(tài)、出區(qū)水量、烏倫古湖、發(fā)電用水資料等。其中，需水資料主要有各單元用水戶的需水量、調(diào)水過(guò)程、灌溉用水過(guò)程、河道外生態(tài)用水、河道內(nèi)生態(tài)用水等。河谷林草、濕地、湖泊生態(tài)耗水量為18億m3。

表1 中長(zhǎng)期優(yōu)化方案各用水單元保證率

表2 中長(zhǎng)期優(yōu)化方案引調(diào)水供水結(jié)果

4.2 水庫(kù)生態(tài)調(diào)度依據(jù)《額爾齊斯河流域綜合規(guī)劃》成果：額河河谷林草生態(tài)需水3.42億m3、濕地生態(tài)需水4.08億m3，額河向?yàn)鮽惞藕a(bǔ)水6.5億m3。其中額河中游生態(tài)調(diào)度重點(diǎn)關(guān)注區(qū)生態(tài)需水5.16億m3。綜合考慮河谷林草生態(tài)需水、河道生態(tài)基流和農(nóng)業(yè)灌溉補(bǔ)給地下水等因素，滿足生態(tài)調(diào)度重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域河谷林草生態(tài)需水，需要上游水庫(kù)泄水5.2億m3。其中，需額河干流LSW水庫(kù)供水4.46億m3，克蘭河克孜加爾水庫(kù)供水0.74億m3。在供水方式上，要求KLSK與LSW水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度用人造洪水（最大洪峰大于800 m3/s）的方式下泄1～2次，對(duì)河谷林草進(jìn)行漓漫灌溉。

表3 中長(zhǎng)期優(yōu)化方案灌區(qū)供水結(jié)果

表4 中長(zhǎng)期優(yōu)化方案河谷生態(tài)與烏倫古湖供水結(jié)果

圖6 不同供水頻率下濕地、湖泊的供水量頻率曲線

根據(jù)各用水單元的重要程度及保證率要求，確定供水優(yōu)先次序?yàn)椋汗I(yè)生活、生態(tài)基流、北疆供水、灌溉用水、河谷生態(tài)、烏倫古湖；對(duì)應(yīng)各供水部門的保證率分別為：95%、90%、90%、75%、50%、50%。中長(zhǎng)期以1959.5—2012.4共53年為調(diào)度期，其中5—7月為汛期，以旬為計(jì)算時(shí)段，8月—翌年4月為非汛期，以月為計(jì)算時(shí)段；短期即關(guān)鍵生態(tài)月調(diào)度，以日為計(jì)算時(shí)段；實(shí)時(shí)調(diào)度即關(guān)鍵生態(tài)期調(diào)度，為河谷林草關(guān)鍵期，以小時(shí)為時(shí)段。

4.3 水庫(kù)群中長(zhǎng)期生態(tài)調(diào)度結(jié)果分析采用本文建立的水庫(kù)群中長(zhǎng)期生態(tài)調(diào)度優(yōu)化模型求解獲得的結(jié)果，如表1所示?？傮w上看，各用水單元在各節(jié)點(diǎn)和斷面處的供水量均達(dá)到保證率要求。其中，工業(yè)生活由于需水量較少，保證率較高。

圖7 水庫(kù)群實(shí)時(shí)人工生態(tài)洪水過(guò)程（2015年6月）

作為用水大戶的北疆供水和流域內(nèi)引水，保證率均達(dá)到要求的90%，破壞深度為20%，連續(xù)缺水年不超過(guò)4年，如表2所示。說(shuō)明通過(guò)水庫(kù)群中長(zhǎng)期調(diào)度，可以滿足北疆供水和流域內(nèi)綜合用水要求。

各斷面灌區(qū)的供水結(jié)果見表3，其中灌溉保證率達(dá)到供水要求，破壞深度都在20%以內(nèi)，連續(xù)缺水年不超過(guò)4年。對(duì)于需水量相對(duì)較大的農(nóng)業(yè)灌區(qū)，通過(guò)水庫(kù)群中長(zhǎng)期水庫(kù)調(diào)度，可以滿足其用水要求。

表4是生態(tài)調(diào)度的主要結(jié)果，即河谷林草、濕地和烏倫古湖的生態(tài)調(diào)度結(jié)果。從總體上看，林草、濕地和湖泊的供水保證率達(dá)到50%的要求，最大連續(xù)缺水年數(shù)為4年，破壞深度為23.5%。

對(duì)濕地和湖泊的供水量繪制了如圖7所示的生態(tài)供水頻率曲線。圖6結(jié)果表明，林草、濕地和湖泊的供水頻率小于50%的供水量滿足供水要求；供水頻率50%～75%的供水量滿足破壞20%深度的要求，供水頻率大于75%的供水量破壞較為嚴(yán)重。

圖8 河谷林草地自動(dòng)水位記錄儀位置示意圖

圖9 科克蘇濕地漓漫灌溉面積與水深

綜上所述，水資源綜合利用各部門的供水量及保證率均達(dá)到要求，其破壞深度、連續(xù)缺水年份也符合實(shí)際情況。本次中長(zhǎng)期生態(tài)調(diào)度，調(diào)水量與設(shè)計(jì)相比，保證率沒(méi)有變化；供水都達(dá)到了設(shè)計(jì)保證率；主要4座電站發(fā)電量設(shè)計(jì)值為117.93 kW·h，經(jīng)過(guò)生態(tài)調(diào)度，發(fā)電量為119.51億kW·h，增加了5%。

4.4 水庫(kù)群實(shí)時(shí)生態(tài)調(diào)度結(jié)果分析生態(tài)關(guān)鍵期為2015年6月2—14日，由水庫(kù)群中長(zhǎng)期生態(tài)調(diào)度模型提供的可供漓漫灌溉的水量為5.20億m3。通過(guò)水庫(kù)群實(shí)時(shí)生態(tài)調(diào)度模型和一維水動(dòng)力模型HECRAS計(jì)算可知，在林草、濕地的水庫(kù)實(shí)時(shí)人工生態(tài)洪水過(guò)程如圖7所示?？梢钥闯?，模型計(jì)算與實(shí)測(cè)值比較接近，相對(duì)誤差為0.04%，說(shuō)明模型計(jì)算結(jié)果合理。

4.5 河谷林草、濕地生態(tài)漓漫灌溉效果監(jiān)測(cè)漓漫灌溉過(guò)程中，25座生態(tài)閘控制了180個(gè)控制單元，每個(gè)單元設(shè)置1～2個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，針對(duì)其中的20個(gè)主要觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，如圖8所示。河谷林草生態(tài)漓漫灌溉效果監(jiān)測(cè)時(shí)間為2016年6月5—14日，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括范圍、面積、水深等。其中，科克蘇濕地實(shí)測(cè)的漓漫灌溉面積：6月8日為108.88萬(wàn)畝，6月9日為110.82萬(wàn)畝，6月14日為113.28萬(wàn)畝，水深從0.5 m到0.9 m，如圖9所示。生態(tài)灌溉總面積為215.69萬(wàn)畝，說(shuō)明水庫(kù)實(shí)時(shí)人工生態(tài)洪水過(guò)程基本滿足了230萬(wàn)畝河谷林草漓漫灌溉面積、水深等生態(tài)需水要求。本次生態(tài)調(diào)度對(duì)河谷林草的生長(zhǎng)起到很大作用，經(jīng)后期觀察、調(diào)研可知，通過(guò)這次生態(tài)漓漫灌溉，河谷林草長(zhǎng)勢(shì)良好，一改在自然狀態(tài)下林草的長(zhǎng)勢(shì)。

5 結(jié)論

隨著新疆北部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，額爾齊斯河水資源綜合利用矛盾十分突出，造成河流生態(tài)系統(tǒng)需水長(zhǎng)期得不到滿足，河谷林草、濕地退化等生態(tài)問(wèn)題突出。本文為了解決額爾齊斯河流域生態(tài)和水資源綜合利用問(wèn)題，進(jìn)行了水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度研究，得到結(jié)論如下：（1）以保障河流健康、河谷生態(tài)系統(tǒng)安全為目標(biāo)，構(gòu)建了宏觀、中觀、微觀相互嵌套多尺度耦合的水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度體系，定義了水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度，論述了其內(nèi)涵，發(fā)展了水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的理論和方法。（2）構(gòu)建了流域生態(tài)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖，按照生態(tài)調(diào)度的原則和依據(jù)，建立了水庫(kù)群多尺度、多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度模型，以及水庫(kù)群中長(zhǎng)期和實(shí)時(shí)生態(tài)調(diào)度模型。（3）針對(duì)水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度模型，提出了多時(shí)間尺度耦合的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度技術(shù)、多目標(biāo)非線性水庫(kù)調(diào)度模型求解技術(shù)和生態(tài)系統(tǒng)漓漫灌溉技術(shù)。其中，定義了漓漫灌溉、表述了其內(nèi)涵，構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)漓漫灌溉系統(tǒng)。（4）通過(guò)水庫(kù)群中長(zhǎng)期生態(tài)調(diào)度模型長(zhǎng)系列計(jì)算，結(jié)果表明：流域水資源綜合利用各部門的供水量及保證率均達(dá)到要求，尤其是河谷林草、烏倫古湖補(bǔ)水均滿足設(shè)計(jì)保證率要求，其破壞深度、最大連續(xù)缺水年數(shù)比較符合實(shí)際情況。（5）應(yīng)用水庫(kù)群實(shí)時(shí)生態(tài)調(diào)度模型進(jìn)行了生態(tài)關(guān)鍵期的調(diào)度計(jì)算，結(jié)果表明：模型計(jì)算的河谷林草、濕地的水庫(kù)人工生態(tài)洪水過(guò)程與實(shí)測(cè)值比較接近，相對(duì)誤差為0.04%，說(shuō)明模型計(jì)算結(jié)果合理；監(jiān)測(cè)了河谷林草的漓漫灌溉效果，包括范圍、面積、水深等，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：水庫(kù)人工生態(tài)洪水過(guò)程基本滿足河谷林草漓漫灌溉面積、水深等生態(tài)需水要求。經(jīng)后期觀察、調(diào)研可知，通過(guò)這次生態(tài)漓漫灌溉，河谷林草長(zhǎng)勢(shì)良好。

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