梯級(jí)水庫(kù)多目標(biāo)生態(tài)優(yōu)化調(diào)度研究

官云飛，鄭芙蓉

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展伴隨著能源需求膨脹，導(dǎo)致常規(guī)化石能源儲(chǔ)量日漸枯竭，生態(tài)環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)重，開辟清潔可再生新能源已成為社會(huì)各界共識(shí)。水電是一種清潔可再生能源，進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)水電總裝機(jī)容量日增猛進(jìn)[1]。目前我國(guó)水電裝機(jī)容量已具較大規(guī)模，水電站水庫(kù)調(diào)度作用也日益突出。但是我國(guó)現(xiàn)行水庫(kù)調(diào)度方式側(cè)重于發(fā)揮水庫(kù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)功能，對(duì)水庫(kù)下游河流生態(tài)環(huán)境功能發(fā)揮沒有提到應(yīng)有的高度，導(dǎo)致水生態(tài)環(huán)境問題逐漸突出[2]。綜上所述，構(gòu)建考慮生態(tài)目標(biāo)的調(diào)度模型以及開展梯級(jí)水庫(kù)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度具有現(xiàn)實(shí)的意義。

1 多目標(biāo)生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型

1.1 建模思路

將河流生態(tài)需水要求納入水庫(kù)調(diào)度的重要目標(biāo)中，根據(jù)河流兩岸生態(tài)系統(tǒng)特征分析下游河道對(duì)下泄流量及過程的需求，明確影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定的生態(tài)因子，界定上游水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的內(nèi)涵、準(zhǔn)則、調(diào)度因子等，明確水庫(kù)生態(tài)調(diào)度表征形式為下泄流量及流量過程，并以適宜生態(tài)流量作為非約束性目標(biāo)，將最小生態(tài)流量作為約束性目標(biāo)，從而構(gòu)建考慮河流生態(tài)需水目標(biāo)的梯級(jí)水庫(kù)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型[3]。

1.2 河流生態(tài)需水估算

估算河道最小生態(tài)流量的方法很多，其中水文學(xué)法以歷史水文資料為基礎(chǔ)，認(rèn)為歷史流量資料是生物生存繁衍過程中原有存在的棲息條件，能夠滿足河流生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水要求，方法簡(jiǎn)單直接，普適性強(qiáng)。最小連續(xù)30d平均流量法[4]根據(jù)不同時(shí)期上游水庫(kù)調(diào)節(jié)、來水條件、時(shí)段等，將河道內(nèi)一定保證率條件下最小連續(xù)30d的平均流量當(dāng)成最小生態(tài)徑流。7Q10法[5]以控制污染源排放為目的，將河道內(nèi)具有90%保證率條件下的最枯連續(xù)7d平均流量當(dāng)成最小生態(tài)徑流。7Q10法的要求一般較高，但是我國(guó)各地區(qū)水資源情況及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異較大，因此對(duì)于一般河流最小生態(tài)流量可以采用近10年來的最枯月平均流量或90%保證率條件下的最枯月平均流量[6]。逐月最小生態(tài)徑流量法[7]認(rèn)為在天然情況下，如果歷史上該月實(shí)際發(fā)生最小月平均徑流沒有使生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重不可逆破壞，可以該流量作為最小生態(tài)徑流，同時(shí)在該流量下水生生物能夠適應(yīng)并且安全度過。

一般認(rèn)為最小生態(tài)流量能夠基本維持河流生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物種最低生存條件，如果長(zhǎng)期處于此種極限環(huán)境，勢(shì)必影響河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定健康發(fā)展。因此在水量允許前提下，應(yīng)適當(dāng)提高河流流量，營(yíng)造近自然水流情勢(shì)[8]，以創(chuàng)造更加適宜的棲息地環(huán)境。本文采用逐月頻率計(jì)算法[9]估算河道適宜生態(tài)流量。逐月頻率計(jì)算法的基本思路是響應(yīng)不同時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)互有差異的生態(tài)需水要求，將生態(tài)徑流當(dāng)成是一個(gè)年內(nèi)有豐枯變化的徑流過程。具體可按下述過程進(jìn)行計(jì)算：首先以汛期對(duì)應(yīng)頻率≥75%、非汛期對(duì)應(yīng)頻率≤25%的流量作為劃分豐水期、平水期、枯水期的臨界流量；然后收集盡可能長(zhǎng)的天然月(或日)徑流系列并進(jìn)行頻率分析，枯水期、平水期、豐水期可分別采用90%、70%、50%保證率下的月平均徑流過程當(dāng)做適宜生態(tài)徑流過程。各水期保證率的大小還可根據(jù)河流形態(tài)、區(qū)域氣候、生物物種等不同對(duì)象需求適當(dāng)進(jìn)行修改加以確定。

1.3 模型構(gòu)建

水庫(kù)調(diào)度以調(diào)度期內(nèi)產(chǎn)生的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境綜合效益最大為目標(biāo)。社會(huì)效益是指水庫(kù)在調(diào)度期內(nèi)保證防洪安全、保障供水水量等為社會(huì)所作的貢獻(xiàn)；經(jīng)濟(jì)效益是指水庫(kù)在調(diào)度期內(nèi)產(chǎn)生的包括防洪、發(fā)電、供水、航運(yùn)、灌溉、旅游等效益；生態(tài)環(huán)境效益是指水庫(kù)在調(diào)度期內(nèi)對(duì)維護(hù)河流水文情勢(shì)、改善水體水質(zhì)、提供生態(tài)需水保障等方面作出的貢獻(xiàn)。

為更好地保障河流生態(tài)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，將適宜生態(tài)流量與其他目標(biāo)一樣當(dāng)做非約束性目標(biāo)，而將最小生態(tài)流量作為約束性目標(biāo)滿足河流生態(tài)基本保障，從而梯級(jí)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型就具有多個(gè)非約束性目標(biāo)。在構(gòu)建模型時(shí)重點(diǎn)考慮梯級(jí)水庫(kù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益的綜合最大化，以調(diào)度期內(nèi)梯級(jí)水庫(kù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益最大和最接近適宜生態(tài)流量作為非約束性目標(biāo)，而將其他目標(biāo)轉(zhuǎn)化為約束條件構(gòu)建模型。

1.3.1目標(biāo)函數(shù)

以調(diào)度期內(nèi)產(chǎn)生的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境總體效益最大作為模型目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)為：

maxE(x)=[E1(x)，E2(x)]

(1)

式中，E1—社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于以發(fā)電為主的水電站水庫(kù)，以調(diào)度期內(nèi)梯級(jí)水庫(kù)總發(fā)電量最大作為目標(biāo)函數(shù)：

(2)

式中，A—電站出力系數(shù)；Qi，t—第i個(gè)水庫(kù)第t時(shí)段內(nèi)的發(fā)電引用流量，m3/s；Hi，t—第i個(gè)水庫(kù)第t時(shí)段內(nèi)的平均水位，m；ΔTt—t時(shí)段長(zhǎng)度。

E2為生態(tài)環(huán)境效益。河流生態(tài)需水不僅意味著水量，還包括一定的水量過程[10]，即在滿足下游河道生活、生產(chǎn)、最小生態(tài)流量的基礎(chǔ)上，盡可能貼近適宜生態(tài)流量變化過程，以避免河道下泄流量出現(xiàn)均一化趨勢(shì)，因此以最接近適宜生態(tài)流量作為目標(biāo)函數(shù)，以歐幾里得范數(shù)作為距離測(cè)度。

(3)

式中，qi，t—第i個(gè)水庫(kù)t時(shí)段內(nèi)的下泄流量，包括發(fā)電流量，m3/s；qi，t，epro—第i個(gè)水庫(kù)t時(shí)段內(nèi)的適宜生態(tài)流量，m3/s。

1.3.2約束條件

梯級(jí)水庫(kù)多目標(biāo)生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型約束條件包括水庫(kù)水量平衡約束、水庫(kù)水位或庫(kù)容約束、水庫(kù)出力約束、下泄流量約束(取水輪機(jī)允許過水流量、下游河道最小生態(tài)流量、保證航運(yùn)最小流量、下游河道防洪安全流量等的交集部分)、水庫(kù)供水流量約束、變量非負(fù)約束等。

1.4 模型求解

流域開發(fā)功能綜合化使得梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度決策必須全面考慮多個(gè)目標(biāo)，且目標(biāo)之間存在不可公度性的同時(shí)，往往也伴隨著矛盾性，因此采用多目標(biāo)優(yōu)化具有必要性和優(yōu)越性[11]。多目標(biāo)優(yōu)化算法通過非支配解排序思想，能夠獲得多目標(biāo)優(yōu)化問題的非劣解集，并通過一定條件決策得到多目標(biāo)優(yōu)化問題最佳均衡解，實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化。研究表明，基于矢量距濃度的多目標(biāo)免疫遺傳算法(MOVIGA)[12- 13]和基于精英保留策略的快速非支配排序方法(NSGA- 2)[14]均能較快地收斂到全局Pareto最優(yōu)解，同時(shí)還能保持解的良好分布度，具備求解梯級(jí)水庫(kù)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度的合理性和可行性。

2 實(shí)例研究

2.1 概況

汀江位于福建省西南部，廣東省東部。棉花灘水庫(kù)為汀江干流梯級(jí)第一級(jí)，位于福建省永定縣境內(nèi)，是一座以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運(yùn)等綜合效益的大(1)型不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)，下游距青溪水庫(kù)13km，于2001年底完工。永定河屬汀江支流，于棉花灘水庫(kù)壩址下游700m、青溪水庫(kù)上游的仙師鄉(xiāng)蘆下壩匯入汀江干流。青溪水電站位于廣東省大埔縣青溪鎮(zhèn)境內(nèi)，1994年5月4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)，是一座以發(fā)電為主，不承擔(dān)下游防洪任務(wù)的河床徑流式電站，其水庫(kù)來水量受棉花灘水庫(kù)下泄水量及永定河來水量的影響。棉花灘、青溪水庫(kù)主要特征參數(shù)見表1。

2.2 棉花灘-青溪梯級(jí)水庫(kù)多目標(biāo)生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建

2.2.1河流生態(tài)需水估算

(1)最小生態(tài)流量

青溪水庫(kù)有1951—2018年的長(zhǎng)系列入庫(kù)流量資料，棉花灘水庫(kù)2002年投入運(yùn)行在一定程度上影響了青溪水庫(kù)入庫(kù)流量資料的一致性，因此本次分析采用1951—2001年青溪水庫(kù)入庫(kù)流量資料。通過逐月最小流量法、最小連續(xù)30d平均流量法、7Q10法及近10a最枯月平均流量計(jì)算，取上述計(jì)算最大值作為河道最小生態(tài)需水流量，具體見表2，從而確定河道年最小生態(tài)需水量為23.29億m3。

表1 棉花灘、青溪水庫(kù)主要特征參數(shù)表

表2 青溪水庫(kù)下游逐月最小生態(tài)需水流量 單位：m3/s

表3 青溪水庫(kù)下游逐月適宜生態(tài)需水流量 單位：m3/s

(2)適宜生態(tài)流量

適宜生態(tài)流量計(jì)算需要?jiǎng)澐盅雌谂c非汛期。棉花灘和青溪汛期為5～8月，非汛期為9月—次年4月。以汛期、非汛期對(duì)應(yīng)頻率為≥75%、≤25%的流量作為劃分豐水期、平水期、枯水期的臨界流量?？菟凇⑵剿?、豐水期分別采用90%、70%、50%保證率下的月平均徑流作為河道適宜生態(tài)需水流量，見表3，從而確定河道年適宜生態(tài)需水量為60.87億m3。

2.2.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料

為合理準(zhǔn)確分析棉花灘-青溪梯級(jí)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度存在的潛力，不僅需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，對(duì)資料的完備性以及準(zhǔn)確性也有很高的要求。棉花灘-青溪梯級(jí)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)資料包括水庫(kù)水位-庫(kù)容曲線、水庫(kù)下游水位-下泄流量曲線、水電站水頭損失曲線、每月運(yùn)行水位變化范圍、長(zhǎng)系列徑流過程等，在此不一一列出。

2.2.3模型構(gòu)建

棉花灘水庫(kù)是一座以發(fā)電為主，兼顧防洪等綜合利用效益的不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)，青溪水庫(kù)是一座以發(fā)電為主的日調(diào)節(jié)水庫(kù)，不承擔(dān)下游防洪任務(wù)，因此在構(gòu)建棉花灘-青溪梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度模型是考慮以發(fā)電為主。同時(shí)為了兼顧河流下游生態(tài)環(huán)境效益，以調(diào)度期內(nèi)發(fā)電、生態(tài)環(huán)境綜合效益最大作為目標(biāo)，構(gòu)建考慮河流下游生態(tài)需水的梯級(jí)水庫(kù)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型：

目標(biāo)函數(shù)：

maxE(x)=[E1(x)，E2(x)]

(4)

式中，E1(x)—棉花灘-青溪梯級(jí)總發(fā)電量目標(biāo)函數(shù)。

(5)

式中，8.3、8.0—棉花灘、青溪水電站出力系數(shù)；Q1，t、Q2，t—棉花灘、青溪水庫(kù)第t時(shí)段內(nèi)的發(fā)電流量；

表4 棉花灘-青溪梯級(jí)水庫(kù)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方案集

棉花灘、青溪水庫(kù)第t時(shí)段內(nèi)庫(kù)水位；

棉花灘、青溪水庫(kù)第t時(shí)段內(nèi)下游平均水位；0.5—水頭損失；Δt為t時(shí)段長(zhǎng)度。

E2(x)—棉花灘- 青溪生態(tài)效益目標(biāo)函數(shù)：

(6)

式中，q2，t—青溪水庫(kù)t時(shí)段內(nèi)的下泄流量；qt，epro—青溪水庫(kù)下游t時(shí)段內(nèi)的適宜生態(tài)流量。

約束條件：

棉花灘-青溪梯級(jí)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度約束條件包括水庫(kù)水量平衡約束、庫(kù)水位約束、出力約束、下泄流量約束等，其他約束如下：

(7)

式中，N1，t—棉花灘水電站出力；N2，t—青溪水電站出力；q2，t—青溪水庫(kù)t時(shí)段內(nèi)的下泄流量；qt，emin—青溪水庫(kù)下游t時(shí)段內(nèi)的最小生態(tài)流量。

2.3 棉花灘-青溪梯級(jí)水庫(kù)多目標(biāo)生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型求解

根據(jù)棉花灘-青溪梯級(jí)水庫(kù)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，選取與設(shè)計(jì)代表年徑流相接近的實(shí)際代表年徑流，采用MOVIGA分別求解豐、平、枯水年多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，并與NSGA—2對(duì)比分析，設(shè)置算法參數(shù)為：種群規(guī)模200；進(jìn)化代數(shù)400；變量維數(shù)24；交叉率0.9；變異率0.1；記憶種群規(guī)模2。通過計(jì)算得到豐、平、枯水年各10組典型的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方案集，見表4。

從表4可以看出，梯級(jí)總發(fā)電量目標(biāo)和與適宜生態(tài)流量距離目標(biāo)是互相矛盾的，當(dāng)梯級(jí)總發(fā)電量越大，能夠充分發(fā)揮水庫(kù)發(fā)電效益，但同時(shí)與適宜生態(tài)流量距離也越大，有偏離適宜生態(tài)流量過程的趨勢(shì)，導(dǎo)致下泄流量趨于均一化，造成生物生境的改變；相反，當(dāng)梯級(jí)總發(fā)電量越小，水庫(kù)發(fā)電效益不能得到保障，但是徑流過程更接近適宜生態(tài)流量過程，營(yíng)造近自然的水文情勢(shì)，改善河流生態(tài)環(huán)境。因此為了更好地兼顧發(fā)電與生態(tài)環(huán)境效益，使綜合效益最大化，需要對(duì)各調(diào)度方案進(jìn)行權(quán)衡得到相對(duì)最優(yōu)的梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度方案。

3 結(jié)論

流域梯級(jí)水庫(kù)是一個(gè)與特定自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境緊密結(jié)合的開放式復(fù)雜系統(tǒng)，具有高維、非線性、時(shí)變、不確定性、多目標(biāo)等屬性[15]。隨著流域梯級(jí)大規(guī)模開發(fā)利用，梯級(jí)水庫(kù)目標(biāo)多元化，聯(lián)系復(fù)雜化已成為基本特征，傳統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度理論有所局限。本文對(duì)構(gòu)建梯級(jí)水庫(kù)多目標(biāo)生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型及模型求解做了初步探索，如何根據(jù)河流生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際需求更加合理地確定河道最小生態(tài)流量以及適宜生態(tài)流量值得進(jìn)一步研究。同時(shí)為了更好地兼顧發(fā)電與生態(tài)環(huán)境效益，使綜合效益最大化，應(yīng)對(duì)模型求解得到的調(diào)度方案集進(jìn)行多屬性決策研究，以便得到最佳均衡方案。