基于天然水文情勢的水庫調(diào)度規(guī)則研究

尚文繡　王遠(yuǎn)見　賈冬梅

摘要：為了在水庫生態(tài)調(diào)度中模擬天然水文情勢，基于水文情勢的主要特征設(shè)計了15個水文情勢評價指標(biāo)，并將某應(yīng)用于水庫生態(tài)調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)中;基于水文分期特征將水文年劃分為不同時段，提出了參考各時段實(shí)時可利用水量的水庫生態(tài)供水規(guī)則;通過分層分解水庫不同供水任務(wù)，降低了水庫生態(tài)調(diào)度模型求解的復(fù)雜程度，并將模型應(yīng)用于萬家寨水庫。結(jié)果顯示：①本文設(shè)計的水文情勢評價指標(biāo)及其在水庫生態(tài)調(diào)度模型中的應(yīng)用減少了生態(tài)供水與天然水文情勢間的差異;②基于水文分期和實(shí)時水情的水庫生態(tài)供水規(guī)則有效挖掘了生態(tài)供水潛力;③為了維護(hù)河流健康，萬家寨水庫上游水資源開發(fā)利用率不宜超過40a-/o，而水資源開發(fā)利用率長期高于60%則會造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞。

關(guān)鍵詞：水文情勢;生態(tài)調(diào)度;調(diào)度規(guī)則;生態(tài)供水;萬家寨水庫

中圖分類號：TV697

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.008

生態(tài)調(diào)度是在水利工程調(diào)度中考慮河流生態(tài)系統(tǒng)需求的一種調(diào)度手段，是維護(hù)河流生態(tài)健康的重要途徑。水庫生態(tài)調(diào)度中，通常將預(yù)設(shè)的生態(tài)需水過程作為水庫調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)或約束條件[1-3]。盡管生態(tài)需水的計算方法繁多[4]，但得到的生態(tài)需水過程與天然水文情勢間存在較大差異，常忽略天然水文情勢的關(guān)鍵特征，例如水文學(xué)法一般僅考慮固定的最小生態(tài)需水量，缺少短時間內(nèi)迅速漲落的高流量脈沖、洪水等關(guān)鍵流量事件，即使是面向生物的物理?xiàng)⒌啬M也難以全面反映天然流量的豐枯變化[5]。水文情勢評價指標(biāo)表征了水文情勢的主要特征，近年來已在水庫生態(tài)調(diào)度中得到了初步應(yīng)用。由于水文情勢評價指標(biāo)存在非線性、不連續(xù)的特征，因此多數(shù)研究將水文情勢評價指標(biāo)應(yīng)用于調(diào)度方案的后評估[6]，僅有少數(shù)研究將水文情勢評價指標(biāo)直接應(yīng)用于生態(tài)調(diào)度模型中，但需要通過減少指標(biāo)數(shù)量或簡化調(diào)度規(guī)則以提高模型求解效率[7-9]，導(dǎo)致調(diào)度結(jié)果無法有效反映天然水文情勢或缺乏可行性。

針對現(xiàn)有研究中存在的問題，本文開展了基于天然水文情勢的水庫調(diào)度規(guī)則研究，旨在建立刻畫水文情勢主要特征的評價指標(biāo)體系、設(shè)計面向?qū)崟r可利用水量的水庫生態(tài)供水規(guī)則、建立和求解以模擬天然水文情勢為目標(biāo)的水庫生態(tài)調(diào)度模型。

1 水文情勢評價方法設(shè)計

1.1 天然水文情勢的作用

水文情勢是河流各水文特征隨時間的變化情況，對河流生態(tài)系統(tǒng)的生物及非生物因素具有重要影響[10]。水文情勢決定了水生生物的生活模式，通過特定的流量事件驅(qū)動生物洄游、繁殖等生命活動，且能夠清除不適應(yīng)本地水文情勢的外來物種。同時，水文情勢可以影響水質(zhì)、地貌、底質(zhì)等非生物因素，是水生生物棲息環(huán)境的主要決定因素。相關(guān)研究多采用流量、頻率、發(fā)生時機(jī)、持續(xù)時間和變化率來反映水文情勢的變化特征[11-13]。

1.2 水文情勢評價指標(biāo)設(shè)計

目前，已經(jīng)形成了IHA（Indicators of Hydrologic Al-teration）、HHA（Hydrograph-based Hydrologic Alteration）等水文情勢評價指標(biāo)體系，但已有指標(biāo)體系指標(biāo)數(shù)量較多，直接應(yīng)用于水庫生態(tài)調(diào)度模型中求解難度大。本文在IHA評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上設(shè)計了15個評價指標(biāo)（見表1）。該指標(biāo)體系突出了水文分期特征，將全年劃分為漲水期、洪水期和枯水期3個時段，各時段內(nèi)的關(guān)鍵流量事件分別為脈沖、洪水和極端小流量。水文分期體現(xiàn)了流量事件的發(fā)生時機(jī).15個指標(biāo)刻畫了流量、頻率、持續(xù)時間和變化率。

將天然狀態(tài)作為水文情勢最佳狀態(tài)，用評價時段內(nèi)的指標(biāo)值除以天然狀態(tài)下的指標(biāo)值，然后進(jìn)行歸一化處理，使指標(biāo)值的變化范圍為0-1，1代表與天然狀態(tài)相同，0代表嚴(yán)重偏離天然狀態(tài)。為了直觀反映水文情勢總體狀態(tài)，通過模糊邏輯法對15個評價指標(biāo)進(jìn)行整合，生成變化范圍為0 - 100的水文評分[14]。將評分從小到大等分為5個等級，分別為差、較差、一般、較好和好。

2.2 水庫供水任務(wù)層次分解

水庫擔(dān)負(fù)著供水、發(fā)電等多種任務(wù)。本文將供水作為優(yōu)化對象，將其他任務(wù)作為調(diào)度模型的約束條件。鑒于社會經(jīng)濟(jì)供水與生態(tài)供水的競爭關(guān)系和不可公度性，水庫調(diào)度中需要進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得到社會經(jīng)濟(jì)供水目標(biāo)與生態(tài)供水目標(biāo)間的帕累托前沿。

雖然向量遺傳算法、非支配排序遺傳算法等多目標(biāo)求解算法已得到廣泛應(yīng)用，但存在競爭關(guān)系的多個目標(biāo)會加劇計算的復(fù)雜程度，甚至出現(xiàn)不收斂的問題。本文通過對水庫供水任務(wù)進(jìn)行層次分解，將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)。如圖2所示，帕累托前沿上的每一個點(diǎn)都代表了特定的社會經(jīng)濟(jì)供水效益下的生態(tài)供水效益最優(yōu)值，因此可在水庫調(diào)度中設(shè)置固定的社會經(jīng)濟(jì)需水量并優(yōu)先滿足，然后對生態(tài)供水進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化，通過調(diào)整社會經(jīng)濟(jì)需水量得到帕累托前沿。如圖3所示，根據(jù)當(dāng)前可供水量的不同，將水庫供水劃分為4個階段：階段1，當(dāng)前的可供水量優(yōu)先滿足當(dāng)前的社會經(jīng)濟(jì)需水量;階段2，當(dāng)前的余水被用于滿足生態(tài)需水量;階段3，儲存剩余的水量以滿足未來的需水量;階段4，產(chǎn)生棄水。通過分解供水任務(wù)可以保證社會經(jīng)濟(jì)需水量得到優(yōu)先滿足，從而將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)。此外，同一優(yōu)先級下只有一個供水任務(wù)，通過減少供水任務(wù)間的競爭來提高水庫生態(tài)調(diào)度優(yōu)化模型的收斂速度。

3 算例分析

3.1 萬家寨水庫概況

萬家寨水庫位于黃河中游，總庫容8.96億m，是集供水、防洪、防凌于一體的水利樞紐工程。萬家寨水庫全年可以劃分為7個不同的運(yùn)行時期，分別為漲水期、前汛期、排沙期、后汛期、流凌封河期、穩(wěn)定封河期和開河期。模型需對14個生態(tài)供水參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 調(diào)度結(jié)果分析

運(yùn)用本文建立的水庫生態(tài)調(diào)度模型，計算不同社會經(jīng)濟(jì)需水量條件下的優(yōu)化結(jié)果，得到水文評分與取水比例（社會經(jīng)濟(jì)取水量/天然徑流量）間的關(guān)系曲線，見圖4。若取水量被控制在天然徑流量的25%以內(nèi)，則水文評分等級為好：若取水量被控制在天然徑流量的40%以內(nèi)，則水文評分等級為較好：若取水量超過天然徑流量的60%，則水文評分達(dá)到較差等級。

將社會經(jīng)濟(jì)缺水率定義為其缺水量和需水量之比。分析社會經(jīng)濟(jì)需水量增加對社會經(jīng)濟(jì)缺水率和水文情勢的影響。將水文改變度定義為

A=（100 -G）/100

（6）式中：A為水文改變度;G為水文評分。

隨著社會經(jīng)濟(jì)需水量比例（社會經(jīng)濟(jì)需水量/天然徑流量）的增大，社會經(jīng)濟(jì)缺水率和水文改變度均不斷增大，但社會經(jīng)濟(jì)缺水率始終小于水文改變度，說明當(dāng)水資源無法滿足需求時，生態(tài)利益的犧牲大于社會經(jīng)濟(jì)利益的。社會經(jīng)濟(jì)缺水率和水文改變度的變化可劃分為3個階段（見圖5）：當(dāng)社會經(jīng)濟(jì)需水量在天然徑流量的400-/0以內(nèi)時，可基本滿足社會經(jīng)濟(jì)需水量，但部分生態(tài)用水被擠占，導(dǎo)致水文改變度隨著社會經(jīng)濟(jì)需水量的增大而迅速增大（階段1）;隨后社會經(jīng)濟(jì)需水量雖然不超過水資源總量，但由于水庫調(diào)蓄能力不足，社會經(jīng)濟(jì)需水量在一些時段難以得到滿足，因此社會經(jīng)濟(jì)缺水率與水文改變度均隨著社會經(jīng)濟(jì)需水量的增大而迅速增大（階段2）;隨著社會經(jīng)濟(jì)需水量進(jìn)一步增長，社會經(jīng)濟(jì)需水量高于水資源總量，社會經(jīng)濟(jì)幾乎消耗了所有的可用水量，導(dǎo)致生態(tài)用水極少，水文改變度極大（階段3）。

4 結(jié)論

建立了基于天然水文情勢的水庫調(diào)度規(guī)則和生態(tài)調(diào)度模型，并以萬家寨水庫為例開展算例研究，主要結(jié)論：①面向水文情勢主要特征設(shè)計了15個水文情勢評價指標(biāo)，將評價指標(biāo)直接應(yīng)用于水庫生態(tài)調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)中，減少了生態(tài)供水與天然水文情勢間的差異：②設(shè)計了基于水文分期和實(shí)時水情的水庫生態(tài)供水規(guī)則，參考可供水量實(shí)時調(diào)整生態(tài)供水，有效挖掘了生態(tài)供水潛力;③為了保證水文情勢有利于河流健康，在本文設(shè)計的生態(tài)供水規(guī)則下，萬家寨水庫上游水資源開發(fā)利用率宜控制在40%以內(nèi)，而水資源開發(fā)利用率長期高于60%則會造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞。

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