考慮生態(tài)需水量的汾河梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度研究

周濤 董增川 武婕 林夢(mèng)然

摘要：采用濕周法、Tennant法、頻率曲線法等生態(tài)需水計(jì)算方法，計(jì)算汾河的生態(tài)基流量，綜合考慮河道下滲、植被需水等因素，提出合理的汾河上中游的生態(tài)需水要求。在此基礎(chǔ)上，建立汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)聯(lián)合調(diào)度模型，制定合理的、考慮生態(tài)的水庫(kù)調(diào)度規(guī)則。考慮近年來(lái)引黃水量增加，運(yùn)用遺傳算法對(duì)調(diào)度線進(jìn)行優(yōu)化，以提高水資源利用率。

關(guān)鍵詞：生態(tài)需水；遺傳算法；水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度；汾河

中圖分類(lèi)號(hào)：TV697.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.015

水資源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源，近年來(lái)人們逐漸意識(shí)到水資源在河流生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用，提出了在保證河流生態(tài)需水量的情況下合理安排社會(huì)發(fā)展用水量的用水理念，一系列河道內(nèi)生態(tài)需水量計(jì)算方法應(yīng)運(yùn)而生。河道內(nèi)生態(tài)需水量計(jì)算方法分為水文學(xué)方法和水力學(xué)方法，水文學(xué)方法以徑流的水文特性及水文參數(shù)的頻率作為依據(jù)來(lái)計(jì)算河流的生態(tài)需水量：水力學(xué)方法則是將保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的要求與傳統(tǒng)的水力學(xué)物理量聯(lián)系起來(lái)，并從這些物理量出發(fā)提出河流的生態(tài)需水量。

本文采用水文學(xué)和水力學(xué)兩種方法，分別計(jì)算汾河上中游河段的生態(tài)需水量，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水資源優(yōu)化調(diào)度研究，運(yùn)用遺傳算法得到水資源利用效率更高的水庫(kù)調(diào)度規(guī)則。

1 研究區(qū)概況

選取汾河流域上中游地區(qū)汾河太原段為研究區(qū)域。汾河長(zhǎng)約323km，流域面積14030km2，上游建有多年調(diào)節(jié)水庫(kù)汾河水庫(kù)和年調(diào)節(jié)水庫(kù)汾河二庫(kù)。汾河水庫(kù)承擔(dān)著下游調(diào)洪錯(cuò)峰、農(nóng)田灌溉、工業(yè)及城市生活供水任務(wù)，是太原市最重要的飲用水水源。汾河二庫(kù)位于汾河上游末端，距上游的汾河水庫(kù)80km，距太原市中心30km，是汾河干流上一座以防洪為主、兼有生態(tài)供水等綜合任務(wù)的水利樞紐工程。研究區(qū)水資源概化見(jiàn)圖1。

1.1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水

根據(jù)《山西統(tǒng)計(jì)年鑒》人口數(shù)據(jù)和《城市居民生活用水量標(biāo)準(zhǔn)》各行業(yè)、居民生活用水量數(shù)據(jù)，采用定額法計(jì)算太原市城市生活需水量。農(nóng)業(yè)需水主要為汾河灌區(qū)的灌溉需水，根據(jù)《山西統(tǒng)計(jì)年鑒》和汾河灌區(qū)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，考慮汾河灌區(qū)的主要種植作物，確定用水定額。工業(yè)需水量采用《太原市計(jì)劃用水方案編制與實(shí)施研究報(bào)告》和《山西經(jīng)濟(jì)年鑒》提供的數(shù)據(jù)。經(jīng)計(jì)算，汾河水庫(kù)承擔(dān)的供水任務(wù)中，生活需水量0.62億m3，工業(yè)需水量1.03億m3，農(nóng)業(yè)需水量3.10億m3。

1.2 汾河上中游生態(tài)狀況

汾河流域是山西省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、人口密度最大的區(qū)域。黃河水調(diào)入之前，汾河上中游的水資源開(kāi)發(fā)利用率為85.1%，下游的為62.8%，過(guò)度開(kāi)發(fā)使汾河的生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，2000年汾河上中游的二壩水文站斷流天數(shù)達(dá)180d。黃河水調(diào)入之后，在滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水的同時(shí)，兼顧河流生態(tài)需水，實(shí)現(xiàn)汾河干流河道每年不少于290d的長(zhǎng)流水、上中游河道流量不低于1.0m3/s的生態(tài)保護(hù)目標(biāo)。

2 生態(tài)需水計(jì)算模型

2.1 河道內(nèi)生態(tài)需水計(jì)算

采用水文學(xué)和水力學(xué)兩種方法研究河道內(nèi)生態(tài)需水，通過(guò)綜合分析，取流量過(guò)程的外包線作為推薦的河道生態(tài)需水量。

2.1.1 水文學(xué)方法

河道內(nèi)生態(tài)保護(hù)目標(biāo)中生態(tài)環(huán)境功能對(duì)水量的需求分別用基本生態(tài)需水量和目標(biāo)生態(tài)需水量表示?；旧鷳B(tài)需水量是生態(tài)需水要求的下限值，目標(biāo)生態(tài)需水量是河流、湖泊、沼澤生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)中為保證生態(tài)環(huán)境功能正常發(fā)揮而需要保留在河道內(nèi)的水量。

采用Qp法、頻率曲線法、Tennant法和流量歷時(shí)曲線法分別計(jì)算河道內(nèi)基本生態(tài)需水量。選取汾河水庫(kù)、蘭村、二壩3個(gè)斷面計(jì)算生態(tài)基流，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可靠性分析，排除誤差較大的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)《河湖生態(tài)需水計(jì)算規(guī)范》，采用Tennant法和逐月頻率法，計(jì)算河道內(nèi)目標(biāo)生態(tài)需水量。

2.1.2 水力學(xué)方法

水力學(xué)方法選取濕周法計(jì)算。濕周法假設(shè)濕周和水生生物柄息地的有效性有直接的聯(lián)系，保證一定水生生物柄息地的濕周，也就滿足了水生生物正常生存的要求。首先，利用實(shí)測(cè)斷面資料繪制濕周和水深關(guān)系曲線，據(jù)此確定該斷面的水位一流量關(guān)系，估算基本生態(tài)需水量。

水文學(xué)方法是利用排頻計(jì)算對(duì)徑流系列進(jìn)行分析，水力學(xué)方法是將生態(tài)流量和具體的物理量建立聯(lián)系，從而給出推薦的基本生態(tài)流量。本文將兩者結(jié)合，將濕周法的計(jì)算結(jié)果作為基本生態(tài)流量進(jìn)行控制，對(duì)水文學(xué)方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性分析，選取合適值作為當(dāng)月的生態(tài)需水量推薦值，從而給出同時(shí)考慮經(jīng)驗(yàn)頻率和河道斷面具體情況的生態(tài)流量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

2.2 蒸發(fā)量和滲漏量計(jì)算

汾河流域降水量較少、蒸發(fā)量較大，時(shí)空分布不均，降水多集中在6-9月?；诤恿飨到y(tǒng)水量平衡原理，凈蒸發(fā)損失量計(jì)算公式為式中：We為計(jì)算時(shí)段內(nèi)水體的凈蒸發(fā)損失量，m3；A為水體平均水面面積，m2：E為計(jì)算時(shí)段內(nèi)水體蒸發(fā)量，mm；P為計(jì)算時(shí)段內(nèi)的降水量，mm。

采用黨躍軍在晉祠泉域汾河干流古交段河道滲漏研究中得出的河道滲漏系數(shù)，結(jié)合汾河上游的天然徑流量，可以計(jì)算出上游河道蒸發(fā)量和滲漏量（見(jiàn)表3）。

3 水量供需平衡計(jì)算

采用1960-2000年的天然徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。若按照目標(biāo)生態(tài)需水量供水，則水庫(kù)平均每年需對(duì)農(nóng)業(yè)供水2.00億m3（其中：位于汾河二庫(kù)下游的一壩取水口供水0.53億m3，位于太原城區(qū)段下游的二壩和三壩取水口供水1.47億m3），對(duì)生態(tài)供水2.92億m3（其中：汾河水庫(kù)至蘭村河段供水1.60億m3，蘭村至二壩河段供水1.32億m3），城市生活和工業(yè)供水合計(jì)1.62億m3。若按照基本生態(tài)需水量供水，則水庫(kù)平均每年需對(duì)農(nóng)業(yè)供水2.00億m3，對(duì)生態(tài)供水1.46億m3（其中：汾河水庫(kù)至蘭村河段供水0.78億m3，蘭村至二壩河段供水0.68億m3），城市生活和工業(yè)供水合計(jì)1.62億m3。

蘭村水文站多年平均天然徑流量為3.83億m3，引黃水量從2003年的0.07億m3到2014年的2.64億mi，逐年遞增。以2014年為例，研究區(qū)的可利用水資源量為6.47億m3，能夠滿足生態(tài)供水目標(biāo)要求。

4 考慮生態(tài)的梯級(jí)水庫(kù)水資源優(yōu)化調(diào)度

考慮生態(tài)的水資源優(yōu)化調(diào)度是一個(gè)多約束條件下的多目標(biāo)復(fù)雜尋優(yōu)過(guò)程，在優(yōu)化過(guò)程中既要考慮各個(gè)用水戶之間的協(xié)調(diào)，又要考慮水庫(kù)在水資源時(shí)空分配不均時(shí)的調(diào)蓄作用。將生態(tài)系統(tǒng)視為一個(gè)獨(dú)立的用水戶，其特征有兩個(gè)：一是該用水戶的優(yōu)先級(jí)分為基本生態(tài)用水和目標(biāo)生態(tài)用水兩個(gè)等級(jí)：二是供給該用水戶的水量可以再次供給下游的其他用水戶。通常運(yùn)用長(zhǎng)系列時(shí)歷法，繪制多年調(diào)節(jié)水庫(kù)灌溉防破壞線、灌溉降低線和城市供水防破壞線，作為水庫(kù)調(diào)度的依據(jù)。根據(jù)《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》，將調(diào)度圖分為4個(gè)區(qū)：①加大供水區(qū)，上限為防洪限制水位線或正常蓄水位線，下限為灌溉防破壞線；②保證供水區(qū)，上限為灌溉防破壞線，下限為灌溉降低線：③降低供水區(qū)，上限為灌溉降低線，下限為城市供水防破壞線：④防破壞區(qū)，上限為城市供水防破壞線，下限為死水位線。

長(zhǎng)系列時(shí)歷法繪制調(diào)度圖中采取外包線的做法容易受到個(gè)別枯水年的影響，在來(lái)水量充足的情況下不能充分發(fā)揮水庫(kù)蓄水的效益。本文采用遺傳算法對(duì)灌溉降低線進(jìn)行優(yōu)化，尋找聯(lián)合調(diào)度規(guī)則的全局最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的綜合效益最大化。各用水戶的優(yōu)先級(jí)別依次為生活用水、工業(yè)用水、基本生態(tài)用水、農(nóng)業(yè)用水和目標(biāo)生態(tài)用水，其中目標(biāo)生態(tài)用水和農(nóng)業(yè)用水享有同等優(yōu)先級(jí)，在供水不足時(shí)兩者會(huì)保持同樣的缺水率。

由于汾河二庫(kù)的興利庫(kù)容較小，僅為汾河水庫(kù)的1/5，主要承擔(dān)防洪、旅游和生態(tài)供水任務(wù)，因此在模型計(jì)算中，汾河二庫(kù)主要調(diào)蓄區(qū)間來(lái)水和上游汾河水庫(kù)的下泄水量，以滿足下游的生態(tài)需水，不再承擔(dān)其他供水任務(wù)。當(dāng)汾河水庫(kù)的下泄水量和區(qū)間來(lái)水不足以滿足下游生態(tài)需水要求時(shí)，汾河二庫(kù)會(huì)對(duì)汾河水庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

4.1 遺傳算法模型求解

遺傳算法使用群體搜索技術(shù)，對(duì)當(dāng)前群體進(jìn)行選擇、雜交和變異等操作，使群體進(jìn)化到包含或接近最優(yōu)解的狀態(tài)。遺傳算法具有抗干擾性強(qiáng)、搜索范圍大和不依賴初始解等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水庫(kù)調(diào)度和水資源優(yōu)化配置中。遺傳算法模型建立步驟如下。

（1）選擇灌溉降低線每個(gè)月對(duì)應(yīng)的庫(kù)容作為染色體，將長(zhǎng)系列時(shí)歷法的計(jì)算結(jié)果作為初始解代人模型，設(shè)置最大代數(shù)，選擇合適的種群數(shù)量并初始化種群。

（2）考慮水庫(kù)庫(kù)容約束，水庫(kù)t時(shí)刻的有效庫(kù)容應(yīng)在最大庫(kù)容和死庫(kù)容之間。

①水量平衡約束：式中：Vt+l和vt分別為t+l與t時(shí)刻的水庫(kù)蓄水量；Qi和qi分別為t時(shí)刻水庫(kù)的人流量和出流量。

②水庫(kù)蓄水量約束：式中：Vmax和Vmin分別為水庫(kù)蓄水量的上限、下限。

③染色體變幅約束，染色體的基因代表該月的灌溉降低線，其變化范圍應(yīng)在灌溉防破壞線到城市供水防破壞線之間：式中：qmax和qmin分別為水庫(kù)t時(shí)刻下泄流量的上、下限。

對(duì)于上述約束條件采用搜索空間限定法和罰函數(shù)法相結(jié)合的策略。

（3）建立水庫(kù)模擬調(diào)度模型，對(duì)每一代種群的每一條染色體對(duì)應(yīng)的調(diào)度規(guī)則進(jìn)行模擬調(diào)度，模擬調(diào)度模型依據(jù)水庫(kù)蓄水量確定當(dāng)月的供水準(zhǔn)則。水庫(kù)調(diào)度以相對(duì)缺水率最小為目標(biāo)函數(shù)：式中：ai（i=1，2，3）分別為生態(tài)、生活、生產(chǎn)的權(quán)重；Din為生態(tài)、生活、生產(chǎn)第n月的需水量；Qin為生態(tài)、生活、生產(chǎn)第n月的供水量。

（4）設(shè)置罰函數(shù)，對(duì)灌溉降低線設(shè)置過(guò)低導(dǎo)致城市供水或基本生態(tài)需水遭到破壞的現(xiàn)象進(jìn)行適應(yīng)度懲罰，保證水庫(kù)蓄放水過(guò)程在合理的范圍內(nèi)尋優(yōu)。

（5）采用比例選擇方法，從舊群體中選出適應(yīng)性強(qiáng)的染色體，為交叉和變異產(chǎn)生新種群做準(zhǔn)備，保持種群數(shù)量不變。

（6）運(yùn)用雙點(diǎn)交叉和均勻變異來(lái)全局搜索最優(yōu)解或次優(yōu)解。

（7）判斷是否達(dá)到最大代數(shù)來(lái)決定是否終止程序。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

以1960-2000年的天然徑流系列加上引黃水作為模型輸人，灌溉降低線每個(gè)月對(duì)應(yīng)的庫(kù)容作為決策變量，用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化得到的調(diào)度規(guī)則見(jiàn)圖2，對(duì)優(yōu)化前后的調(diào)度規(guī)則分別進(jìn)行模擬計(jì)算，得到多年平均缺水率（見(jiàn)圖3、圖4）。

由圖3、圖4可以看出，遺傳算法優(yōu)化后的結(jié)果可以降低非汛期的缺水率，并且在計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)生活用水和基本生態(tài)需水遭到破壞的情況，原因是優(yōu)化后的調(diào)度線消除了個(gè)別枯水年對(duì)調(diào)度線的影響。

由于生活需水和工業(yè)需水設(shè)計(jì)保證率相同，因此將生活供水和工業(yè)供水合并為城鎮(zhèn)供水。模擬計(jì)算結(jié)果表明，2014年引黃水量達(dá)到2.64億m3后，農(nóng)業(yè)多年平均月缺水率在15%以內(nèi)，并且計(jì)算中沒(méi)有發(fā)生城市用水和基本生態(tài)用水被破壞的情況。因此，在優(yōu)化后的調(diào)度規(guī)則下，可以在滿足城市用水和基本生態(tài)用水保證率的同時(shí)，降低灌溉用水的缺水率。

5 結(jié)語(yǔ)

采用水文學(xué)和水力學(xué)兩種方法計(jì)算汾河上中游流域的生態(tài)需水量，結(jié)合生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)需水，建立考慮生態(tài)需水量的水庫(kù)調(diào)度規(guī)則，并運(yùn)用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算結(jié)果表明：在2014年引黃水量達(dá)到2.64億m3/之后，基本可以在滿足供水的同時(shí)兼顧生態(tài)要求：在現(xiàn)狀水平年水量平衡狀態(tài)下，可以使用遺傳算法對(duì)調(diào)度規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化，提高水資源利用率。