考慮生態(tài)流量的小流域水庫群聯(lián)合調(diào)度研究

彭 輝，劉 圖，楊 洵，徐 煒

(1. 長江水利委員會 長江上游水文水資源勘測局，重慶 400020; 2.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶 400074; 3.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074)

水利工程的修建很大程度上實現(xiàn)了興水利、除水害的實際需求，但改變了河流上、下游的物質(zhì)場、能量場及生物場分布[1]。傳統(tǒng)的水庫調(diào)度方式側(cè)重于發(fā)揮防洪與興利效益，對生態(tài)環(huán)境考慮較少。將生態(tài)作為調(diào)度目標之一，保護和改善庫區(qū)及下游河道生態(tài)環(huán)境已成為水庫調(diào)度發(fā)展的重要趨勢[2-3]。

隨著國家重視程度的加大，水庫生態(tài)調(diào)度的研究內(nèi)容和研究方法取得了很大的進步。蔡其華[4]曾明確提出完善現(xiàn)有水庫調(diào)度方式的思路和方法，保護下游河道生態(tài)系統(tǒng)和庫區(qū)水環(huán)境。鈕新強[1]針對三峽工程提出了改善長江口咸潮入侵情況和有利于四大家魚產(chǎn)卵的調(diào)度方式。隨后，針對大中流域的水庫及水庫群生態(tài)調(diào)度及其對水生生物的影響研究得到了快速發(fā)展，并在不同流域針對不同的水生生物的生態(tài)流量計算及水庫調(diào)度方式取得了較多的研究成果[5-7]。大中流域的水庫群生態(tài)調(diào)度主要依靠干流主要控制水庫對生態(tài)流量進行調(diào)控[8-11]。相對小流域而言，大中流域受到的關(guān)注度更高，涉及的主要水庫數(shù)量有限。

小流域水資源總量十分有限，各部門之間的用水存在競爭性，興利、生態(tài)矛盾比較突出[12]，且多數(shù)水庫在以往的調(diào)度過程中沒有特別考慮下游河流生態(tài)系統(tǒng)的需求，生態(tài)流量的滿足長期得不到重視，造成部分河段生態(tài)需水要求長期得不到滿足，生態(tài)環(huán)境退化[13]。另外，小流域內(nèi)塘壩及小型蓄水工程數(shù)量眾多，其水力聯(lián)系復雜，影響因素眾多，增加了調(diào)度的復雜性[14]。

開展水庫群生態(tài)流量調(diào)度研究，可為流域生態(tài)調(diào)度提供方案，實現(xiàn)改善小流域河道生態(tài)環(huán)境的目的。為此，本文以重慶市龍溪河流域為研究實例，結(jié)合龍溪河流域徑流特點及生態(tài)調(diào)度實際需求，建立考慮生態(tài)需求的水庫群多目標聯(lián)合調(diào)度模式，研究成果可為龍溪河流域以及重慶市區(qū)域內(nèi)水庫群聯(lián)合生態(tài)調(diào)度提供理論與技術(shù)支撐。

1 流域水庫群調(diào)度模型

在明確水庫群拓撲結(jié)構(gòu)、來水及用水基礎(chǔ)上，構(gòu)建小流域水庫群供水、發(fā)電及生態(tài)調(diào)度多目標模型，包括調(diào)度規(guī)則形式的確定、目標函數(shù)構(gòu)建、決策變量聲明以及約束條件的確定。

1.1 水庫群調(diào)度目標優(yōu)先原則

為了實現(xiàn)小流域水庫群的綜合調(diào)度，發(fā)揮全流域水資源最大效益，必須綜合考慮發(fā)電、供水及生態(tài)的需求[15]。從實際情況出發(fā)，結(jié)合流域生態(tài)需水過程、聯(lián)合調(diào)度模型，確定流域內(nèi)水資源的配置優(yōu)先順序。

(1) 城鎮(zhèn)生活及工業(yè)用水為優(yōu)先供水，屬于區(qū)域內(nèi)的最高供水等級，具有較高的供水保證率；

(2) 優(yōu)先供給城鎮(zhèn)生活及工業(yè)用水后，視水庫蓄水情況而定，只要水庫蓄水水位不低于死水位，則可繼續(xù)滿足生態(tài)用水；

(3) 灌溉、發(fā)電和生態(tài)用水的優(yōu)先順序低于城鎮(zhèn)及工業(yè)用水，發(fā)電和灌溉用水按照調(diào)度圖進行供水；

(4) 發(fā)電和灌溉用水目標供水等級相同，二者用水之間存在競爭關(guān)系，即某一個供水目標供水增加，則另一個目標供水減少。當供水量較大，流域水資源缺乏時，水庫蓄水水位跌至死水位，城鎮(zhèn)生活及工業(yè)、生態(tài)供水將會被破壞[16-17]。

1.2 供水調(diào)度規(guī)則

調(diào)度圖以操作簡便、直觀等優(yōu)點，在我國的水庫調(diào)度中得到廣泛運用，是指導水庫運行的重要工具，其合理與否直接決定水庫效益的好壞。本文針對水庫供水和發(fā)電分別建立調(diào)度圖，采用調(diào)度線將水庫運行區(qū)間劃分成多個區(qū)域，根據(jù)水庫蓄水狀態(tài)實現(xiàn)不同用水目標的調(diào)度[17]。根據(jù)不同用水目標的優(yōu)先級高低和保證率要求，確定各條限制線的相對位置。如圖1所示，2條調(diào)度線將水庫庫容劃分為3個調(diào)度區(qū)，按照表1的規(guī)則進行調(diào)度運行。

調(diào)度區(qū)供水調(diào)度城鎮(zhèn)工業(yè)農(nóng)業(yè)發(fā)電調(diào)度Ⅰ區(qū)正常正常正常Ⅱ區(qū)正常限制ψ1μ1倍保證出力Ⅲ區(qū)限制β1限制ψ2μ2倍保證出力

注：表中β1，ψ1，ψ2，μ1和μ2分別為限制系數(shù)。

調(diào)度圖中，限制系數(shù)需要根據(jù)不同水庫的供水特點選擇。本文在城鎮(zhèn)工業(yè)供水中限制系數(shù)β1取值為0.8；農(nóng)業(yè)供水限制系數(shù)ψ1和ψ2分別為0.7和0.5；發(fā)電調(diào)度的限制系數(shù)μ1和μ2分別為1.5和0.8。

1.3 多目標調(diào)度函數(shù)

通過流域水庫群聯(lián)合調(diào)度發(fā)揮水庫間的補償作用，在滿足用水目標保證率約束的基礎(chǔ)上，使流域內(nèi)水資源利用率最大，供水缺水量最小。為此，本文將城鎮(zhèn)供水量、農(nóng)業(yè)供水量、發(fā)電量作為目標函數(shù)?？紤]到缺水量不僅體現(xiàn)在總量上，還體現(xiàn)在時段分布上，因此將供水保證率作為懲罰，加入到多目標調(diào)度的求解中。目標函數(shù)的具體表達式如下。

(1) 農(nóng)業(yè)灌溉供水量最大。

maxf1(x)=

(1)

(2) 城鎮(zhèn)生活及工業(yè)供水量最大。

maxf2(x)=

(2)

(3) 水電站群發(fā)電量最大。

maxf3(x)=

(3)

(4) 生態(tài)流量缺水量最小。

(4)

判斷農(nóng)業(yè)灌溉供水、城鎮(zhèn)生活工業(yè)供水、發(fā)電等是否滿足保證率要求,若不滿足保證率條件，則采用式(5)對目標函數(shù)進行懲罰。

Punish(Qagr,i,t,Qind,i,t,Ehypow,i,t)=

(5)

上述各式中，N為長系列調(diào)度總年數(shù)；Qagr,i,t、Pe,agr,i,t分別為水庫i在第j時段的農(nóng)業(yè)供水量和保證率要求；Qind,i,t,Pe,ind,i,t分別為水庫i在第j時段的工業(yè)供水量和保證率要求；Ehypow,i,t,Pe,hypow,i,t分別為水庫i在第t時段的水庫群發(fā)電量和發(fā)電保證率；Qeco,i,t為水庫i在第t時段的生態(tài)供水量；Punish(·)為供水目標不滿足保證率的時候，賦予的懲罰函數(shù)；αi，βi分別為懲罰系數(shù)。

1.4 聯(lián)合調(diào)度模型求解

本文采用多目標遺傳算法(NSGA-II)繪制水庫群聯(lián)合調(diào)度的調(diào)度圖。NSGA-II因其具有全局并行搜索、原理簡單、操作方便、占用內(nèi)存少、魯棒性強等優(yōu)點，在制定水庫優(yōu)化調(diào)度規(guī)則的過程中展現(xiàn)出良好的性能，在水庫群的多目標優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用較為廣泛。

2 實例分析

2.1 流域概況

龍溪河位于重慶市北部，是長江上游干流左岸一級支流，河長約229.8 km，流域面積3 280 km2，河口多年平均流量54 m3/s。流域上游開闊、地勢平坦、農(nóng)業(yè)發(fā)達，下游陡峻、多急灘和瀑布，水能資源豐富。流域內(nèi)暴雨集中在5～8月，尤其以7月份出現(xiàn)最多。流域流經(jīng)重慶境內(nèi)梁平、墊江、長壽3個區(qū)縣，受人類活動影響明顯。

2.2 水庫群調(diào)度模式構(gòu)建

本文以龍溪河流域內(nèi)115座水庫及水電站為基礎(chǔ)，開展流域水庫群的聯(lián)合調(diào)度研究。115座水庫和水電站中，小(二)型水庫占據(jù)絕大多數(shù),見圖2。

圖2 龍溪河流域水系與電站位置Fig.2 Water system and power station location in Longxi river

為了使研究成果更具有可操作性，將水庫分3類：① 調(diào)節(jié)能力差，處于流域支流上游，主要以村鎮(zhèn)供水和農(nóng)業(yè)灌溉供水為主的水庫；② 調(diào)節(jié)能力差，處于干支流，主要以發(fā)電為主的攔河壩等小型水庫；③ 具有較大庫容，且調(diào)節(jié)能力較強，以供水、灌溉和發(fā)電等為主的綜合性水庫。

(1) 第1類。水庫調(diào)節(jié)不采用調(diào)度圖控制，供水按照城鎮(zhèn)供水、灌溉的需水過程進行調(diào)節(jié)，供水至死庫容則供水破壞。調(diào)度過程和水庫實際調(diào)度情況具有較強的耦合性，基本能反映此類水庫的調(diào)度方式(分類原則：興利庫容小于300萬m3的水庫)。

(2) 第2類。水庫發(fā)電不以調(diào)度圖控制，發(fā)電按照徑流式水電站發(fā)電過程進行調(diào)節(jié)計算，基本處于來多少水發(fā)多少電的調(diào)度方式(分類原則：興利庫容小于300萬m3的水庫)。

(3) 第3類。水庫具有較強調(diào)節(jié)能力，建立供水和發(fā)電調(diào)度，指導城鎮(zhèn)和灌溉供水以及發(fā)電調(diào)度。

2.3 水庫群調(diào)度效益對比分析

將生態(tài)作為供水目標考慮到水庫調(diào)度中，需明確生態(tài)供水目標，計算河道生態(tài)需水量。生態(tài)需水量的計算模型較多[18-20]，本文采用Tennant法制定出3種下游河道的生態(tài)流量需水過程，如表2所示。以不考慮生態(tài)流量的調(diào)度方案(R)為基礎(chǔ)，對比分析A1,A2和A3生態(tài)需水方案條件下，龍溪河水庫群在生活工業(yè)、農(nóng)業(yè)及發(fā)電等方面的影響程度。

表2 龍溪河生態(tài)需水量設(shè)置方案Tab.2 Longxi river ecological water demand schemes

對1961～2015年龍溪河的水庫群進行模擬調(diào)度，并以多目標等權(quán)重的方式選擇方案進行對比分析。分析調(diào)度期內(nèi)的農(nóng)業(yè)、生活供水、發(fā)電和生態(tài)缺水4個指標平均值，見表3。該指標可以明確地表現(xiàn)各目標隨生態(tài)需水流量增加的變化過程。農(nóng)業(yè)供水和生活工業(yè)供水隨生態(tài)需水流量增加而不斷降低，尤其方案A3最為明顯，降低幅度較大。

由于發(fā)電流量可以替代一部分生態(tài)流量，隨著生態(tài)需水量的增加，為了滿足生態(tài)用水需求，需要加大下泄流量，即意味著可以采用增加發(fā)電量、加大下泄流量的方式來達到目的。因此，本研究建立的模型計算結(jié)果表現(xiàn)為隨著生態(tài)流量的增加，發(fā)電量不斷提高。

表3 不同調(diào)度方案調(diào)節(jié)計算的多目標水庫群多年累積平均效益Tab.3 The performances of multi-objective reservoirs operation in different scheduling schemes

通過對比各水庫的農(nóng)業(yè)供水保證率，發(fā)現(xiàn)其保證率總體呈現(xiàn)隨生態(tài)需水量增加而減少的趨勢，見圖3。R方案中115座水庫的平均供水保證率為82.05%；A1方案平均供水保證率為80.72%；A2方案為76.87%；A3方案為72.71%。統(tǒng)計保證率大于85%的水庫，方案A1有92座，A2有72座，A3有58座。

圖3 不同方案條件下水庫群農(nóng)業(yè)供水保證率分布Fig.3 The distribution of water supply guarantee rate of reservoir farming in different schemes

3 結(jié) 論

本文以小流域水庫群為研究對象，通過對流域內(nèi)水庫群進行分類，對調(diào)節(jié)能力較強的水庫建立調(diào)度圖，并針對不同的生態(tài)需水流量方案進行模擬調(diào)度，通過對調(diào)度結(jié)果的對比與分析，可初步得到以下結(jié)論。

(1) 通過對比各水庫的農(nóng)業(yè)供水保證率，其保證率值總體呈現(xiàn)隨生態(tài)需水量增加而減少的趨勢。生態(tài)流量與農(nóng)業(yè)具有較強的競爭性，影響程度隨水庫大小呈反比關(guān)系，小水庫由于調(diào)節(jié)能力差，增加生態(tài)流量后，水量恢復能力弱，后期農(nóng)業(yè)和生活供水容易破壞。

(2) 由于發(fā)電流量可以作為生態(tài)流量，隨著生態(tài)需水量的增加，為了滿足生態(tài)用水需求，模型以增加發(fā)電量的方式，加大下泄流量來達到目的。因此計算結(jié)果表現(xiàn)為，隨著生態(tài)流量的增加，發(fā)電量不斷提高。