基于水資源配置的水庫群生態(tài)調(diào)度研究

高仕春，劉宇棟，程西方，李麗華

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.淮河水資源保護(hù)科學(xué)研究所，安徽 蚌埠 233001)

0 引 言

中國大部分流域水利工程密集，水資源開發(fā)利用程度高。由于對水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識不足，使得大部分水利工程的運(yùn)行調(diào)度規(guī)程中，沒有關(guān)于水環(huán)境保護(hù)的相關(guān)內(nèi)容，長期運(yùn)行的結(jié)果就是大部分地區(qū)天然基流缺乏，河湖水生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重。因此改善河流水生態(tài)狀況，實(shí)現(xiàn)流域水量合理調(diào)度，是當(dāng)前流域水資源管理關(guān)注的重點(diǎn)。

國內(nèi)外對于水資源優(yōu)化配置和水庫群生態(tài)調(diào)度開展了一系列研究，取得了豐富的成果。Salman等[1]以尋求農(nóng)業(yè)部門的最低成本為目標(biāo)，通過建立線性規(guī)劃模型，分析了農(nóng)業(yè)用水的季節(jié)配置對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。Babel等[2]綜合考慮社會經(jīng)濟(jì)，環(huán)境和技術(shù)等各個(gè)方面，以用水部門缺水量最小和凈經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，建立了線性交互式綜合水量配置模型。傅春等[1]首次提出了水資源持續(xù)利用(生態(tài)水利)的原理。在水庫群生態(tài)調(diào)度方面，郭文獻(xiàn)等[4]為三峽水庫引入了生態(tài)調(diào)度目標(biāo)，為三峽工程后續(xù)制定合理的調(diào)度運(yùn)用方案提供參考?？盗岬萚5]針對漢江中下游的主要生態(tài)問題，建立了丹江口水庫生態(tài)調(diào)度模型。郭旭寧等[6]將模擬和優(yōu)化方法結(jié)合，模擬水庫調(diào)度規(guī)則，優(yōu)化水庫供水方式，為水庫群聯(lián)合調(diào)度中復(fù)雜的多目標(biāo)問題提供了一種解決方案。萬芳等[7]擴(kuò)大了水庫聯(lián)合調(diào)度范圍，建立了跨流域水庫群供水調(diào)度規(guī)則的三層規(guī)劃模型,提出調(diào)水規(guī)則、引水規(guī)則和供水規(guī)則相結(jié)合的跨流域水庫群優(yōu)化調(diào)度規(guī)則。在水資源優(yōu)化配置方面，朱彩琳等[8]開展了面向空間均衡的水資源優(yōu)化配置研究，并以鹽城市沿海地區(qū)為例,構(gòu)建了鹽城市沿海地區(qū)面向空間均衡的水資源優(yōu)化配置模型。吳云等[9]運(yùn)用改進(jìn)飛蛾撲火算法，以區(qū)域缺水率最小和污染物排放量最小為目標(biāo)函數(shù)，以汾河下游谷地供水區(qū)為例,預(yù)測其在不同來水頻率下的供需水量。對于水庫群調(diào)度和水資源配置中的多目標(biāo)問題也已經(jīng)有了大量研究。Dai L等[10]采用混沌遺傳算法，開發(fā)了一種水庫優(yōu)化模型，以提高洞庭湖對最低生態(tài)需水量的滿足程度，同時(shí)提高三峽水庫的發(fā)電量。廖四輝等[11]在淮河生態(tài)用水調(diào)度平臺的搭建過程中，建立了供用水單元的拓?fù)潢P(guān)系，通過設(shè)置河道生態(tài)斷面，綜合考慮社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)用水，得到考慮生態(tài)用水的優(yōu)化調(diào)度方案。黃草等[12]通過設(shè)置目標(biāo)權(quán)重，將包含發(fā)電、河道外供水和河道內(nèi)生態(tài)用水等目標(biāo)的多目標(biāo)非線性優(yōu)化問題線性化求解。陳悅云等[14]采用多目標(biāo)粒子群算法進(jìn)行求解,建立面向發(fā)電、供水、生態(tài)要求的贛江流域水庫群優(yōu)化調(diào)度模型,得到不同來水頻率下發(fā)電、供水和生態(tài)3個(gè)目標(biāo)的非劣解集,并對各目標(biāo)之間的競爭關(guān)系進(jìn)行了剖析。黃志鴻等[15]提出一種利用分時(shí)段加權(quán)法處理水庫群多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度的方法。張連鵬等[16]針對水庫群中長期生態(tài)調(diào)度問題，采用自迭代和大系統(tǒng)協(xié)調(diào)的方法，建立了調(diào)度函數(shù)并通過合理性檢驗(yàn)。

以上研究成果大多針對水庫群調(diào)度過程中的單一對象的研究，如解決生態(tài)流量過程、改善水庫群調(diào)度算法、優(yōu)化水資源配置結(jié)果等。相對而言，對于生態(tài)環(huán)境要求、水資源配置、與水庫群聯(lián)合調(diào)度的相互影響，以及如何實(shí)現(xiàn)各目標(biāo)之間協(xié)同優(yōu)化的研究較為缺乏，弱化了各個(gè)目標(biāo)之間的有機(jī)聯(lián)系。同時(shí)，大多數(shù)研究只提出某種對于水庫生態(tài)調(diào)度的優(yōu)化方法，并未從優(yōu)化結(jié)果中總結(jié)出可供實(shí)際調(diào)度參考的生態(tài)調(diào)度圖。

沙潁河是淮河最大的支流，它是淮河流域歷史上航運(yùn)和農(nóng)業(yè)灌溉的重要水源，其水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概化如圖1。該流域由干流和一條支流組成，干流上建有5座有調(diào)節(jié)能力的水庫(包括白沙水庫、昭平臺水庫、白龜山水庫、孤石灘水庫、燕山水庫)，由于昭平臺和白龜山是梯級水庫，供水對象均為平頂山市，因此將二者簡化為一個(gè)聯(lián)合水庫，其有效庫容為兩個(gè)水庫興利庫容的疊加。全流域用水劃分為10個(gè)區(qū)域，河流上有8個(gè)控制斷面(主要包括賈魯河中牟站、潁河黃橋站、北汝河大陳站、沙河干流漯河站、沙潁河周口、沙潁河槐店站以及汾泉河沈丘站)，每個(gè)斷面處均有河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境流量要求。 沙潁河全流域總面積約40 萬km2，一直以來洪澇災(zāi)害嚴(yán)重，經(jīng)多年治理有所好轉(zhuǎn)，但近幾十年來，由于流域上游工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，使得沙潁河嚴(yán)重污染，成為淮河流域污染最嚴(yán)重的支流。為了減少水利工程對生態(tài)環(huán)境的不利影響，需要對水庫群進(jìn)行有序的控制，在滿足生活用水的前提下，以水資源可持續(xù)性利用為底線，達(dá)到社會經(jīng)濟(jì)生態(tài)環(huán)境綜合效益最大化。

圖1 沙潁河流域水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

1 水資源優(yōu)化系統(tǒng)模型

水庫群中長期生態(tài)調(diào)度模型需要解決河道內(nèi)生態(tài)保護(hù)長期用水要求，其目標(biāo)函數(shù)以綜合缺水損失最小來表達(dá)。為表達(dá)簡潔起見，設(shè)第t時(shí)段第i分區(qū)城鎮(zhèn)用戶的需水量為DIi,t、供水量為RIi,t，缺水水量的權(quán)重系數(shù)為αi1；第t時(shí)段第i分區(qū)農(nóng)業(yè)用戶的需水量為DAi,t、供水量為RAi,t，缺水水量的權(quán)重系數(shù)為αi2；第t時(shí)段第i分區(qū)河道內(nèi)生態(tài)需水量為DEi,t、用水量為REi,t，缺水水量的權(quán)重系數(shù)為αi3。表達(dá)式如下：

αi2(DAi,t-RAi,t)+αi3(DEi,t-REi,t)]}

(1)

式中：T為計(jì)算期，一般為季度或年；M為分區(qū)數(shù)。

約束條件有：

(1)水庫水量平衡約束。

Si,t+1=Si,t+(Ii,t-Ri,t-SUi,t)Δt

(2)

式中：Si,t為第i分區(qū)第t時(shí)段水庫初、末的蓄水狀態(tài)；Ii,t為第i分區(qū)第t時(shí)段入庫流量；Ri,t為第i分區(qū)第t時(shí)段從庫區(qū)的引水流量；SUi,t為第i分區(qū)第t時(shí)段水庫下泄流量;Δt為計(jì)算時(shí)段，一般為月、旬。

(2)水庫蓄水量約束。

Smin,i,t≤Si,t≤Smax,i,t

(3)

式中：Smin,i,t和Smax,i,t為第i分區(qū)第t時(shí)段水庫允許的最小、最大的蓄水狀態(tài)。

(3)泄流特性約束。

0≤SUi,t≤f(Zi,t)

(4)

式中：Zi,t為第i分區(qū)第t時(shí)段水庫水位；f(Zi,t)為水庫泄流函數(shù)。

(4)引水能力約束。

0≤Ri,t=RIi,t+RAi,t≤Rmax,i,t

(5)

式中：Rmaxi,t為第i分區(qū)第t時(shí)段水庫引水能力。

(5)匯流節(jié)點(diǎn)水量平衡方程

REi,t=Ii,t+i,tF-Ri,t

(6)

式中：Fi,t為第i分區(qū)第t時(shí)段節(jié)點(diǎn)區(qū)間匯入流量；Ri,t為第i分區(qū)第t時(shí)段節(jié)點(diǎn)取水流量。

(6)水庫邊界條件。

Zi,t=Zi,T=Z0

(7)

式中：Zi,1和Zi,T為第i分區(qū)水庫時(shí)段初和時(shí)段末的庫水位；Z0為水庫的死水位。

從以上數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)可以看出，它具有以下特點(diǎn)：一是表達(dá)式都是線性函數(shù)；二是部分約束方程在時(shí)段之間相互關(guān)聯(lián)；三是具有多階段梯階結(jié)構(gòu)形式，各時(shí)段的約束條件和變量有十分類似的形式。采用改進(jìn)的大規(guī)模線性規(guī)劃方法(PFI)求解。

2 水資源優(yōu)化配置結(jié)果分析

2.1 計(jì)算依據(jù)

2015年6月至2016年5月水利調(diào)度年的天然來水接近平水年，由于水文資料有限，以該年的實(shí)測徑流資料為典型年，設(shè)置5種來水條件：10%、25%、50%、75%、90%。計(jì)算時(shí)段為月。假設(shè)在各種節(jié)水措施維持現(xiàn)有水平情況下，用水戶需水預(yù)測都是在2017年的實(shí)際用水基礎(chǔ)上進(jìn)行。農(nóng)業(yè)用水則是按照水資源公報(bào)提供的資料，以降雨頻率與農(nóng)業(yè)用水量做頻率曲線進(jìn)行預(yù)測，其他用水戶的需水量維持基準(zhǔn)年的用水水平。水庫從庫空(死水位)起算。

遵循地表水資源取水量建議值約束，在保證河道生態(tài)用水的前提下，根據(jù)用水戶的重要程度，按照“生活、工業(yè)、其他、農(nóng)業(yè)”四類用戶，從“非常重要、很重要、重要、一般”賦予權(quán)重。

將以上資料，代入模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，對其優(yōu)化計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 配置結(jié)果分析

(1)河道內(nèi)生態(tài)水量保證率。從表1可以看出，除汾泉河沈丘斷面和北汝河大陳斷面由于河道上沒有控制性工程，在枯水年有不同程度的生態(tài)缺水外，其他河道都滿足生態(tài)用水要求。

表1 不同來水頻率下各斷面河道內(nèi)生態(tài)水量保證率情況 %

(2)用水戶缺水。從表2可以看出，盡管優(yōu)化配置是一個(gè)比較樂觀的配置結(jié)果，但還是需要通過引進(jìn)外來水源才能解決流域供水緊張的局面?？?cè)彼科谕禐?6 918 萬m3，總?cè)彼势谕禐?.46%。

表2 不同來水頻率下各城市缺水情況 萬m3

為了更加直觀了解缺水情況，分析50%平水年的計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)實(shí)際供水情況，并與用水計(jì)劃進(jìn)行比較，得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 缺水情況的時(shí)空分布

從缺水的空間分布來看，每個(gè)城市都存在不同程度的缺水。汝州和駐馬店由于取水河道天然流量小，且無控制工程調(diào)節(jié)，存在工程性缺水。而周口市農(nóng)業(yè)用水比值大，而用水優(yōu)先權(quán)最低，因此周口缺水量最大，占總?cè)彼康?3%，為自身計(jì)劃用水量的27.4%。從缺水的時(shí)間分布來看，11-翌年5月整個(gè)枯水期都有不同程度的缺水，其中，12-翌年4月份缺水最為嚴(yán)重，占總?cè)彼康?2%。

(3)地表水資源配置。從表3可以看出，所有指標(biāo)都在建議值以內(nèi)，期望總?cè)∷烤嚯x建議值尚有38%的余地。從水源來講，賈魯河和沙河的剩余可分配地表水量較大。從用戶來講，許昌在賈魯河的取水、周口在賈魯河和沙河的取水都已經(jīng)達(dá)到建議值。但是考慮到周口依然存在大量缺水，因此可以適當(dāng)調(diào)整用水戶在沙潁河各河道的取水比例。

表3 地表水資源配置期望值占常規(guī)建議值的比例 %

3 水庫生態(tài)調(diào)度方案擬定

3.1 水庫生態(tài)調(diào)度方案的生成

(1)地表水資源配置方案。以上結(jié)果表明，存在缺水的另外一個(gè)主因是地表水資源配置方式的不合理，因此取基于系統(tǒng)優(yōu)化情景下的用水戶地表水分配比例期望值作為生態(tài)調(diào)度的地表水分配比例，生成地表水資源配置方案，如表4。

表4 沙潁河流域地表水資源配置方案 %

從表4可以看出，基于系統(tǒng)優(yōu)化的地表水資源配置方案比常規(guī)建議值更具合理性。以鄭州和周口為例。相對于賈魯河而言，潁河的天然流量相對較小，且下游有生態(tài)斷面約束，因此鄭州完全從賈魯河取水，周口從賈魯河的取水比例提高了20%。周口在沙河的取水點(diǎn)位于最下游，該點(diǎn)匯集了賈魯河，北汝河，潁河等各支流，流量較大，因此周口在沙河下游的取水比例提高了59%，相對而言大大減少了在潁河的取水量。

(2)水庫生態(tài)調(diào)度方案。統(tǒng)計(jì)沙潁河流域上的4個(gè)大型水庫在不同來水條件以及地表水資源配置方案下，基于系統(tǒng)優(yōu)化情景的蓄水量變化過程?，F(xiàn)以白沙水庫為例，如圖3所示。

圖3 白沙水庫生態(tài)調(diào)度圖

由于以上水庫運(yùn)行過程考慮了河道生態(tài)用水要求，因此，可以以該過程線為基礎(chǔ)繪制水庫生態(tài)調(diào)度控制線，從而繪制各水庫的生態(tài)調(diào)度圖。其中90%(實(shí)線)為符合河道生態(tài)用水保證率要求的水庫生態(tài)調(diào)度基本控制線。

水庫按照生態(tài)調(diào)度圖進(jìn)行生態(tài)調(diào)度。當(dāng)水庫實(shí)際蓄水處于生態(tài)調(diào)度控制線以上時(shí)，為生態(tài)用水保證區(qū)，水庫應(yīng)該滿足河道生態(tài)用水要求；當(dāng)水庫實(shí)際蓄水處于生態(tài)調(diào)度控制以下時(shí)，為降低生態(tài)用水區(qū)，水庫減少生態(tài)流量的下泄，此時(shí)河道生態(tài)用水不能滿足。

3.2 基于水資源配置的水庫生態(tài)調(diào)度方案的檢驗(yàn)

由于水資源的有限性，水資源分配是一個(gè)多方參與的利益沖突問題。設(shè)置來水條件為85%，結(jié)合用水預(yù)報(bào)和給定多目標(biāo)權(quán)重情況下，進(jìn)行水庫生態(tài)調(diào)度方案和常規(guī)調(diào)度方案的對比計(jì)算，對生態(tài)調(diào)度方案的效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

(1)河道內(nèi)生態(tài)保證率對比。將兩種調(diào)度方案對于河道內(nèi)生態(tài)用水保證率的影響進(jìn)行對比，如圖4所示。結(jié)果表明，各斷面的河道內(nèi)生態(tài)用水保證率相對于常規(guī)調(diào)度方案可以得到顯著提高，各斷面河道內(nèi)共增加生態(tài)水量80 294 萬m3。

(2)用水戶缺水情況對比。將兩種調(diào)度方案對于各用戶缺水情況的影響進(jìn)行對比，如表4所示。

從表4可以看出，由于生態(tài)調(diào)度將河道內(nèi)生態(tài)用水的優(yōu)先級設(shè)置為第一位，減少了用水戶的河道外可用水量，導(dǎo)致用水戶的總?cè)彼吭黾? 225 萬m3，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于河道內(nèi)增加的80 294 萬m3生態(tài)水量。

圖4 生態(tài)調(diào)度和常規(guī)調(diào)度河道內(nèi)生態(tài)水量保證率對比

表4 生態(tài)調(diào)度和常規(guī)調(diào)度各用水戶缺水情況對比 萬m3

(3)水庫調(diào)蓄過程對比。將兩種調(diào)度方案對于水庫的調(diào)蓄過程的影響進(jìn)行對比，以“昭平臺-白龜山”聯(lián)合水庫為例，如圖5所示。

圖5 生態(tài)調(diào)度和常規(guī)調(diào)度“昭平臺-白龜山”聯(lián)合水庫調(diào)蓄過程對比

從圖5中可以看出，“昭平臺-白龜山”聯(lián)合水庫群在調(diào)度期末多動(dòng)用興利庫容17 235 萬m3，說明生態(tài)調(diào)度充分利用了水庫的興利庫容，較大程度發(fā)揮了水庫的調(diào)蓄作用。

從過程上來看，在枯水期末，生態(tài)調(diào)度的庫水位基本上降到了死水位，然后，利用汛期，再將水位蓄上來。相應(yīng)地，水庫在枯水期泄流(供水量)增加，在汛期泄流(供水量)會減少。這正好和缺水情況分析的時(shí)間段一致，有效地解決了供需矛盾。

4 結(jié) 論

(1)水資源優(yōu)化配置可以說是一個(gè)比較樂觀的配置結(jié)果，但沙潁河流域還是需要通過引進(jìn)外來水源才能解決流域供水緊張的局面。外調(diào)水大約在2.7 億m3，調(diào)水時(shí)間應(yīng)集中在枯水期。

(2)在保證河道生態(tài)流量的條件下，一般年份，各城市都有不同程度的缺水?？紤]來水的隨機(jī)因數(shù)，最終得到各城市地表水資源分配方案以及水庫生態(tài)調(diào)度方案。生態(tài)調(diào)度發(fā)揮了水庫的調(diào)蓄作用，能夠顯著提高沙潁河流域各斷面的生態(tài)流量保證率，不過同時(shí)會少量增加用水戶的總?cè)彼俊?/p>

(3)沙潁河水文資料不全，外調(diào)水源與用水區(qū)的水文頻率遭遇問題，將配置方案在水資源管理的具體工作中的應(yīng)用問題，以及如何改進(jìn)生態(tài)調(diào)度方案以減少缺水損失等問題待下一步進(jìn)行深入研究。

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