基于物理棲息地模型的梯級水庫優(yōu)化調(diào)度研究

蔣任飛，王麗影，喬睿至，付意成

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣州 510610；2.珠江水利委員會水生態(tài)工程中心，廣州 510610；3.湖南省水利水電勘測設計研究總院，長沙 410007；4.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

水電站梯級開發(fā)通常以發(fā)電作為主要目標，部分水庫兼有灌溉、防洪、供水、航運等綜合利用要求，流域生態(tài)環(huán)境保護具有與這些目標既協(xié)調(diào)一致，也相互矛盾的特性。生態(tài)調(diào)度是通過調(diào)整水電站的運行方式，使其能夠在盡量滿足綜合利用要求的同時降低對流域生態(tài)環(huán)境的不利影響，保護流域特有、珍稀、瀕危物種，維持河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[1]。水庫進行生態(tài)調(diào)度是國家大力推行水生態(tài)文明建設的基本要求，也是我國保護生態(tài)環(huán)境基本國策的具體體現(xiàn)。

Schlueter于1971年提出水利工程不應該僅為滿足人類對河流的利用要求，同時還應具有維護或創(chuàng)造河流的生態(tài)多樣性的功能[2]。董哲仁于2007年提出水庫多目標生態(tài)調(diào)度是指在實現(xiàn)防洪、發(fā)電、供水、灌溉、航運等社會經(jīng)濟多種目標的前提下，兼顧河流生態(tài)系統(tǒng)需求的水庫調(diào)度方法[3]。在生態(tài)調(diào)度模型的研究方面，DA Hughe于1998年建立了滿足生態(tài)需水的水庫調(diào)度模型[4]。葉季平、王麗萍針對大型水庫的運行方式特點，建立了大型水庫生態(tài)調(diào)度模型[5]。隨后，張洪波、錢會等提出了基于結(jié)構(gòu)目標的水庫生態(tài)調(diào)度模型，并采用遺傳算法進行了求解[6]。在生態(tài)調(diào)度實踐方面，我國已有部分案例。為保證黃河不斷流，同時滿足下游生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水需求，小浪底水庫2000年枯水期棄電放水12.2 億m3。黑河流域中游8處取水口在2001年 “全線閉口，集中下泄”，滋潤林草地，挽救胡楊樹[7]。塔里木河自2001-2006年，先后8次向下游進行生態(tài)應急輸水。尹正杰、黃薇等2008年對長江流域梯級水庫生態(tài)調(diào)度管理體制進行探討，提出建立科學合理的管理體制和機制是實施流域內(nèi)水庫生態(tài)調(diào)度管理的關(guān)鍵[8]。

總體來說，我國生態(tài)調(diào)度理論的提出相對于國外較晚，但隨著生態(tài)文明建設理念的加強，當前我國對于生態(tài)調(diào)度的研究也已取得較多的理論成果，并應用于指導水庫運行調(diào)度的實踐中。但我國的生態(tài)調(diào)度實踐大多著重于解決水環(huán)境惡化等問題，主要目的仍是為了滿足人類的生產(chǎn)、生活需求，對于魚類等水生生物的生存需求等考慮不多。鑒于此，本文將水生生態(tài)系統(tǒng)中最重要的一類生物——魚類的生存需求作為梯級水庫調(diào)度時需要考慮的因素，對梯級水庫生態(tài)調(diào)度進行研究。

1 研究方法

1.1 物理棲息地模型

物理棲息地模型(Physical Habital Simulation Model，PHABSIM 模型)是關(guān)于河道內(nèi)物理棲息地水力變量(深度、流速、底質(zhì)和覆蓋度)、棲息地指示物種參數(shù)及其變化的一種概念模型，是根據(jù)指示物種所需的物理生境條件，評價不同流量下的棲息地適宜度，從而得出適宜生物生存的流量條件[9]。與其他方法相比，該模型考慮了生物本身對物理生境的要求，被認為是目前生態(tài)需水計算方法中最復雜和最具科學依據(jù)的方法之一。模型的計算流程如下[10]。

(1)選定研究區(qū)域具有代表性的物種作為目標物種，詳細調(diào)查該物種的生活情況，將棲息地適宜性指標與物種生境的影響因子(水深、流速、底質(zhì)、水溫等)關(guān)聯(lián)，繪制該物種不同生命周期的生境適宜性曲線。

(2)根據(jù)生物調(diào)查情況選擇目標物種較為敏感的河段作為研究河段，在各個研究河段設定幾個代表性斷面來控制河段的水力學特性。在距離最近的水文站測定至少3個高、中、低流量，作為校正流量。采集每個斷面的河底高程及校正流量下的水深、流速等數(shù)據(jù)。

(3)輸入研究河段的各個代表性斷面的相對距離、大斷面資料及校正流量對應的水位和流速，建立PHABSIM水力學模型，以一維水力學公式為基礎(chǔ)進行水力學模擬，選擇合適的方法進行模擬得到斷面各分區(qū)的水深、流速。

(4)根據(jù)適宜生境調(diào)查及相關(guān)研究成果繪制目標物種生境適宜性曲線并輸入PHABSIM物理棲息地模型，結(jié)合水力學模型模擬的水深、流速進行物理棲息地模擬，計算研究河段不同流量下的加權(quán)可利用面積(WUA)，其計算方法如下：

WUA=∑CSF(Vi,Di,Ci,Ti)Ai/河段長度

(1)

式中:WUA為研究河段每單位長度的生境適宜性；CSF(Vi，Di，Ci，Ti)為每個單元影響因子的組合適宜性(Combined Suitability Factor,CSF)；Vi為流速；Di為水深；Ci為河道指標(包括基質(zhì)和覆蓋物)；Ti為溫度；Ai為長度為有效斷面距離的每個單元水平面積。

1.2 梯級水庫生態(tài)調(diào)度模型

梯級水庫生態(tài)調(diào)度模型的目標函數(shù)與傳統(tǒng)水庫優(yōu)化調(diào)度模型一致，以發(fā)電收入最大化為目標，且將需要保護的典型水生生物最適宜生態(tài)流量作為約束之一進行考慮。

1.2.1 目標函數(shù)

以梯級電站發(fā)電收入最大化體現(xiàn)，即：

(2)

式中：E為梯級電站發(fā)電收入，元；ki為第i個電站出力系數(shù)；Qi,t為第i個電站第t時段發(fā)電流量，m3/s；Hi,t為第i個電站在第t時段平均發(fā)電凈水頭，m；Mt為第t時段小時數(shù)，h；ηt為第t時段梯級電站上網(wǎng)電價，元/MWh。

1.2.2 約束條件

(1)生態(tài)流量約束：即電站下泄流量不應小于生態(tài)流量。

Qi,t+Si,t-Qdmin≥0

(3)

式中：Si,t為第i個電站第t時段棄水流量，m3/s；Qdmin為該時段適宜生物生存的電站的最小下泄生態(tài)流量限制，m3/s(若不考慮生態(tài)調(diào)度，則可設置為最小生態(tài)基流，一般為壩址多年平均流量的10%)。

(2)水量平衡約束：對于單個電站來說，入庫與出庫的水量之差應等于蓄水量的變化量，計算公式為：

Vi,t+1=Vi,t+(qi,t-Qi,t-Si,t)Δt-Zi,t?t∈T

(4)

式中：Vi,t、Vi,t+1分別為第i個電站第t時段初、末水庫蓄水量，m3；qi,t為第i個電站第t時段入庫流量，m3/s；Zi,t為第i個電站第t時段因蒸發(fā)、滲漏導致的水量損失，m3；Δt為該時段時長，s。

(3)上下游水力聯(lián)系：即上游水電站的下泄流量加上下游電站之間的區(qū)間流量成為下游水電站的來水：

qi,t=Qi-1,t+Si-1,t+qi-1,i,t

(5)

式中：qi-1,i,t為第i-1個水庫與第i個水庫間在第t時段的區(qū)間來水流量，m3/s。

(4)水庫蓄水量約束：

Vi,t,min≤Vi,t≤Vi,t,max?t∈T

(6)

式中：Vi,t,min為第i個電站第t時段應保證的水庫最小蓄水量，m3(通常與水庫興利目標相關(guān))；Vi,t,max為第i個電站第t時段允許的水庫最大蓄水量，m3(通常與水庫防洪限制水位相關(guān))。

(5)電站過機流量約束：

qi,t,min≤Qi,t≤qi,t,max?t∈T

(7)

式中：qi,t,min為第i個電站第t時段最小允許過機流量，m3/s；qi,t,max為第i個電站第t時段最大允許過機流量，m3/s。

(6)電站出力約束：

Ni,min≤kiQi,tHi,t≤Ni,max?t∈T

(8)

式中：Ni,min為第i個電站的允許的最小出力，kW(取決于水輪機的種類與特性)；Ni,max為第i個電站允許的最大出力，kW(當某電站無機組檢修計劃時，最大出力等于其裝機容量)。

(7)非負條件約束：上述所有變量均為非負變量(≥0)。

1.2.3 模型求解

目前，求解梯級水電站優(yōu)化問題的方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡方法、逐步優(yōu)化算法(POA算法)、遺傳算法和動態(tài)規(guī)劃算法等[11]。其中POA算法適合于解決由數(shù)個有調(diào)節(jié)能力水庫組成的串聯(lián)電站群的優(yōu)化調(diào)度問題，且已在我國許多水電站優(yōu)化調(diào)度中進行了成功的應用，因此本文模擬生態(tài)調(diào)度采用POA算法進行求解。

2 實例應用

為了說明水庫考慮生態(tài)效益進行調(diào)度對魚類生境的影響，本文以我國西南某流域為例，采用梯級水庫生態(tài)調(diào)度模型對該流域4座梯級電站進行生態(tài)調(diào)度計算。電站按照自上而下的順序，以電站α、β、γ、δ表示，其中電站α為龍頭電站，具有年調(diào)節(jié)能力，電站β、δ具備季調(diào)節(jié)能力，γ為徑流式電站，無調(diào)節(jié)能力。

根據(jù)實際調(diào)查，魚類A、B均為該流域內(nèi)重要經(jīng)濟魚類，且B為該流域特有物種，本次模擬以這兩種魚類作為本流域的典型指示物種。魚類A屬非洄游性魚類，電站β下游有魚類A的產(chǎn)卵場；魚類B屬洄游性魚類，洄游范圍為δ電站下游至河口。魚類A、B對電站β、δ下游河段的流量較為敏感，模型選定這兩個河段作為研究河段，以河段a、b表示。

2.1 物理棲息地模型確定生態(tài)流量

考慮到水溫不僅與流量相關(guān)，更主要的是與氣溫以及天氣情況關(guān)系密切，且變化規(guī)律十分復雜，因此，本文僅考慮魚類對水深、流速的喜好，其生境適宜性指數(shù)表及曲線圖如表1、圖1和圖2所示。

本文將A和B產(chǎn)卵期、育幼期、成長期的流速、水深適宜性曲線輸入到PHABSIM模型中，計算目標魚類在各研究河段代表性斷面的棲息地加權(quán)可利用面積(WUA)，結(jié)果見圖3和圖4。

表1 魚類A、B生境適宜性指數(shù)表Tab.1 Physical habitat suitability data of fish A & B

查閱相關(guān)參考文獻可知，根據(jù)流量-WUA關(guān)系圖確定生態(tài)流量的判別方式有許多種，不同的學者有不同的看法，大多數(shù)專家學者建議可依據(jù)當?shù)氐暮恿餍螒B(tài)來選擇適宜的評估方法和數(shù)值基準。當以某種生物生態(tài)需水量需求作為下泄流量的唯一目標時，可選擇該物種在不同流量條件下生境模擬結(jié)果表中的WUA(加權(quán)可利用面積)最大值所對應的流量[10]。但是這樣得出的結(jié)果僅僅是理論意義上的一種數(shù)值，會與現(xiàn)實的情況存在一定的偏差：根據(jù)物理棲息地模型的計算原理可知，WUA最大值所對應的流量代表的是該物種的最適宜流量值，當流量繼續(xù)增大時，其生境適宜度反而降低，即使是在天然來水情況下，其流量也是在“最適宜流量”的上下一定范圍內(nèi)進行波動，很難保證總是能滿足理論計算最大數(shù)值的要求的。

圖1 魚類A生境適宜性曲線Fig.1 Physical habitat suitability curve of fish A

圖2 魚類B生境適宜性曲線Fig.2 Physical habitat suitability curve of fish B

圖3 研究河段a中魚類A各生長階段流量-WUA關(guān)系圖Fig.3 The relationship between weighted usable area and flux of fish A in segment a

圖4 研究河段b中魚類B各生長階段流量-WUA關(guān)系圖Fig.4 The relationship between weighted usable area and flux of fish B in segment b

考慮到以上實際情況，一些學者[9,12]提出以流量-WUA曲線圖第一個明顯轉(zhuǎn)折點對應的流量作為生態(tài)流量。根據(jù)實際應用中的實用性和可操作性，本文在確定生態(tài)流量時，選取研究河段流量-WUA曲線圖的第一個明顯轉(zhuǎn)折點(根據(jù)斜率變化選取)，以此所對應的流量當做生態(tài)所需的基本流量，即最小生態(tài)流量。本文結(jié)合研究河段的目標魚類及生命周期，擬定的各研究河段的最小生態(tài)流量見表2。

2.2 生態(tài)調(diào)度優(yōu)化計算結(jié)果

在各梯級電站壩址處1953年6月-2009年5月共56 a的徑流資料中選取25%、50%、75% 3個典型頻率水平年進行生態(tài)調(diào)度計算，并與無生態(tài)流量約束下的常規(guī)調(diào)度計算結(jié)果進行對比分析。生態(tài)調(diào)度計算時，生態(tài)流量約束設置按照2.1物理棲息地模型計算得到的生態(tài)流量；常規(guī)調(diào)度時，則只考慮下放生態(tài)基流(壩址處多年平均流量的10%)，并按調(diào)度圖運行。計算結(jié)果見表3、表4、圖5～圖7。

表2 研究河段目標魚類最小生態(tài)流量Tab.2 Minimum ecological flux of indicator fishes in study segments

表3 生態(tài)調(diào)度與常規(guī)調(diào)度對比表(一)Tab.3 The comparison of results between the ecological operation model and the regular operation model(1)

表4 生態(tài)調(diào)度與常規(guī)調(diào)度對比表(二)Tab.4 The comparison of results between the ecological operation model and the regular operation model(2)

圖5 25%頻率豐水年下泄流量過程與生態(tài)流量對比圖Fig.5 Comparison of flux discharge and ecological flux demand in wet year ( 25% frequency)

圖7 75%頻率枯水年下泄流量過程與生態(tài)流量對比圖Fig.7 Comparison of flux discharge and ecological flux Ldemand in dry year ( 75% frequency)

從上述梯級電站生態(tài)調(diào)度模擬結(jié)果可以看出：①梯級電站實行生態(tài)調(diào)度的生態(tài)環(huán)境效益巨大。常規(guī)調(diào)度時，不同典型年河段a生態(tài)流量保證率為100%、100%、72.2%，河段b生態(tài)流量保證率為88.9%、91.7%、72.2%；實行生態(tài)調(diào)度后，河段a和河段b生態(tài)流量保證率均可提高到100%、100%、100%，且各典型年生境適宜面積指數(shù)有較大增加，說明適于魚類生存的棲息地面積增加，具有較大的生態(tài)環(huán)境效益。常規(guī)調(diào)度時，魚類A的產(chǎn)卵期生態(tài)流量受到破壞，魚類B的產(chǎn)卵期、育幼期的生態(tài)流量均有不同程度的破壞，這與梯級電站投產(chǎn)后，魚類A、B的種群數(shù)量大幅減少的實際情況相符。若實行生態(tài)調(diào)度，則可較好地滿足這兩種魚類各生命周期的適宜生態(tài)因子，對于這兩種典型魚類的保護意義巨大。②實行生態(tài)調(diào)度會對經(jīng)濟效益產(chǎn)生一定的影響。實行生態(tài)調(diào)度會對梯級電站的發(fā)電收入造成一定的影響，由表3可得，各頻率典型年發(fā)電收入分別減少了200、1 500、1 400 萬元，減少比例分別為0.2%、1.4%、1.6%。

3 結(jié) 語

梯級水庫實行生態(tài)調(diào)度是我國貫徹水生態(tài)文明建設理念的基本要求與體現(xiàn)。本文針對目前我國的生態(tài)調(diào)度實踐對于水生生物的生存需求等考慮不多的實際情況，用物理棲息地模型計算了流域內(nèi)典型魚類的生態(tài)流量需求，將其作為梯級水庫生態(tài)調(diào)度的生態(tài)流量約束，并建立了梯級水庫優(yōu)化調(diào)度模型，采用POA算法進行求解，結(jié)果表明：梯級水庫實行生態(tài)調(diào)度具有巨大的生態(tài)環(huán)境效益，對于保護水生生物意義重大，但會輕微影響發(fā)電效益。未來若要將生態(tài)調(diào)度推廣應用，需進一步研究對生態(tài)調(diào)度的保障措施及補償機制，并完善相關(guān)法律、法規(guī)，對生態(tài)調(diào)度提出明確的制度要求。

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