控制-反調(diào)節(jié)水庫(kù)協(xié)同生態(tài)調(diào)度的優(yōu)化策略：以三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)為例*

李游坤，林俊強(qiáng)，秦 鑫，劉 毅，任玉峰，張曉光

(1：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038) (2：華能瀾滄江水電股份有限公司，昆明 650214) (3：中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，智慧長(zhǎng)江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，宜昌 443133)

梯級(jí)水電開發(fā)是世界主要河流水能資源利用的主體形式. 梯級(jí)水電開發(fā)不可避免地改變了河流的天然水文情勢(shì)，直接或間接驅(qū)使河流地形、水動(dòng)力、水溫等生境條件發(fā)生變化，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)了一定負(fù)面影響. 尤其是梯級(jí)水電站群中的大型控制性工程，其形成的水庫(kù)對(duì)天然徑流的巨大調(diào)節(jié)能力，顯著改變了天然水文情勢(shì)，破壞了魚類等水生生物的正常生命節(jié)律，進(jìn)一步加劇了對(duì)下游河流生態(tài)系統(tǒng)的不利影響.

因此，如何改變水電站傳統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行方式，恢復(fù)筑壩河流的關(guān)鍵水文過(guò)程(如魚類繁殖所需的洪水脈沖過(guò)程)，減緩對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的不利影響，是河流管理者、水電企業(yè)和生態(tài)環(huán)境研究者廣泛關(guān)注的問(wèn)題. 自1970s以來(lái)，歐美國(guó)家開始關(guān)注水電站引起的負(fù)面生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，并陸續(xù)開展了改進(jìn)水庫(kù)傳統(tǒng)調(diào)度方式的研究和試驗(yàn)實(shí)踐. 例如，美國(guó)哥倫比亞河大古力水庫(kù)(Grand Coulee Dam)與約瑟夫酋長(zhǎng)水庫(kù)(Chief Joseph Dam)聯(lián)合調(diào)度重新優(yōu)化分配下泄流量，減緩泄洪氣體過(guò)飽和對(duì)鮭魚帶來(lái)的不利影響[1-2]；密西西比河加文斯角水庫(kù)(Gavins Point Dam)通過(guò)春季釋放2次高流量洪水脈沖，促進(jìn)下游的密蘇里鏟鱘產(chǎn)卵[3]；科羅拉多格倫峽水庫(kù)(Glen Canyon Dam)進(jìn)行了3次人造洪水試驗(yàn)保持虹鱒魚產(chǎn)卵期生境適宜性[4-6]. 澳大利亞墨累河休姆水庫(kù)(Hume Dam)通過(guò)恢復(fù)春季洪水脈沖，增加洪峰和洪水持續(xù)時(shí)間，刺激蟲紋鱈鱸、突吻鱈鱸等魚類產(chǎn)卵[7].

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)學(xué)者開始開展和重視水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方面的研究. Zhang等[8]采用系統(tǒng)重構(gòu)分析方法對(duì)影響四大家魚產(chǎn)卵的生態(tài)水文指標(biāo)進(jìn)行了分析，認(rèn)為適度的初始水位、初始流量、較大流量日增長(zhǎng)率、較高的水位日增長(zhǎng)率及較長(zhǎng)時(shí)間的水位上漲與四大家魚的產(chǎn)卵行為密切相關(guān). Wang等[9]通過(guò)采用遺傳規(guī)劃法識(shí)別出漲水的持續(xù)時(shí)間和日均漲水率為影響家魚產(chǎn)卵和魚苗豐度的關(guān)鍵環(huán)境因子. 李建等[10]將水力學(xué)模型和棲息地模型結(jié)合，通過(guò)物理?xiàng)⒌啬M計(jì)算得到了四大家魚產(chǎn)卵期的適宜生態(tài)流量. Yi等[11]認(rèn)為家魚產(chǎn)卵期不同的起漲流量需要不同的流量日漲幅.

為了緩解中國(guó)重要流域魚類資源的衰退趨勢(shì)，有關(guān)部門和水電企業(yè)積極開展梯級(jí)水庫(kù)的生態(tài)調(diào)度實(shí)踐工作. 其中備受關(guān)注和最具代表性的是三峽水庫(kù)于2011年起每年針對(duì)四大家魚開展促進(jìn)其繁殖的生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)，至今已實(shí)行了10余場(chǎng)次的人造洪水調(diào)度，改善了四大家魚繁殖期漲水條件減弱的問(wèn)題，有效刺激了葛洲壩下游河段四大家魚的產(chǎn)卵繁殖. 然而，在三峽生態(tài)調(diào)度的實(shí)踐過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了一些新問(wèn)題. 例如，三峽水庫(kù)開展的10余次生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)中，有的場(chǎng)次刺激魚類產(chǎn)卵的效果好，有的場(chǎng)次則未出現(xiàn)卵苗高峰[12-14]. 制約家魚產(chǎn)卵的主要因素，一是適宜的河道水溫，二是有效的漲水過(guò)程. 前者主要受生態(tài)調(diào)度啟動(dòng)時(shí)機(jī)的影響，后者則與水庫(kù)調(diào)度的策略相關(guān). 生態(tài)調(diào)度雖營(yíng)造了日間逐步漲水的人造洪水過(guò)程，但這個(gè)過(guò)程與天然漲水過(guò)程有所不同. 三峽水庫(kù)的人造洪水過(guò)程呈臺(tái)階式上漲，且受電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)峰的影響，日間漲水，夜間跌水，這有悖于四大家魚喜好凌晨產(chǎn)卵[15]和漲水刺激的習(xí)性，未能實(shí)現(xiàn)調(diào)度期小時(shí)尺度的連續(xù)漲水過(guò)程. 因此，能否利用上下游梯級(jí)水庫(kù)的協(xié)調(diào)作用，改善和營(yíng)造適宜下游河流重要魚類繁殖所需的近自然水文條件，是實(shí)踐中提出來(lái)的新科學(xué)問(wèn)題. 本文針對(duì)這一問(wèn)題，以三峽和葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)為案例，建立相應(yīng)的梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度模型，探討了梯級(jí)水庫(kù)協(xié)調(diào)運(yùn)行改善下游河道魚類繁殖條件的可行性與策略，希望為國(guó)內(nèi)外梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)用靈活多樣的方式開展和優(yōu)化生態(tài)調(diào)度提供思路和參考借鑒.

1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)江是亞洲和中國(guó)第一大河，世界第三大河. 長(zhǎng)江流域發(fā)源于青藏高原的唐古拉山脈，蜿蜒貫穿中國(guó)大陸地勢(shì)的三級(jí)階梯，地形地貌復(fù)雜、河網(wǎng)水系發(fā)達(dá)、沿程氣候多樣，孕育了極為豐富的魚類資源.

在當(dāng)前長(zhǎng)江干流的梯級(jí)水庫(kù)開發(fā)格局下，三峽水庫(kù)是長(zhǎng)江中游的控制性水庫(kù)，葛洲壩水庫(kù)是三峽水庫(kù)的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，也是長(zhǎng)江上中游梯級(jí)水庫(kù)群的末級(jí)水庫(kù)，葛洲壩下游至長(zhǎng)江入?？跒樽匀贿B通河道. 葛洲壩下游分布有許多魚類的產(chǎn)卵場(chǎng)，例如，葛洲壩下十里紅至胭脂壩、仙人橋至虎牙灘等江段是當(dāng)前四大家魚在長(zhǎng)江干流規(guī)模最大、且較為穩(wěn)定的產(chǎn)卵場(chǎng)[16].

因此，本文選擇長(zhǎng)江上中游梯級(jí)水庫(kù)群中較為代表性的三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)為案例水庫(kù)，以受三峽生態(tài)調(diào)度影響最直接、最強(qiáng)烈的葛洲壩下游數(shù)十千米河段為研究區(qū)域，研究和探討梯級(jí)水庫(kù)不同調(diào)度運(yùn)行方式下改善下游河道魚類繁殖條件的可行性與策略.

2 代表性魚類的生態(tài)水文需求

受大型水電工程建設(shè)運(yùn)行，加之過(guò)度捕撈、航道整治、水環(huán)境污染等人類活動(dòng)影響，長(zhǎng)江魚類資源嚴(yán)重衰退. 其中，中國(guó)最重要的經(jīng)濟(jì)魚類四大家魚，自1990s以后魚類資源開始衰退，三峽水庫(kù)建成運(yùn)行初期，四大家魚產(chǎn)卵繁殖所需的水文刺激減弱，四大家魚資源量持續(xù)下降，2009年監(jiān)利斷面卵苗徑流量達(dá)到谷值，僅為0.42億尾，相比1960s監(jiān)利卵苗量的403億尾，產(chǎn)卵規(guī)模萎縮嚴(yán)重[17-18].

四大家魚是長(zhǎng)江流域的經(jīng)濟(jì)物種，也是長(zhǎng)江梯級(jí)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度最為關(guān)注的目標(biāo)魚類. 另一方面，按魚類產(chǎn)卵特性劃分，四大家魚是產(chǎn)漂流性卵魚類. 因此，本文選擇四大家魚為代表性魚類，研究改善它們繁殖條件的梯級(jí)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度優(yōu)化策略.

長(zhǎng)江四大家魚的繁殖主要集中在每年的4月底至7月初，當(dāng)水溫上漲至18℃以上，在江水漲落的洪峰過(guò)程刺激下，可觸發(fā)家魚的產(chǎn)卵行為. 據(jù)魚卵漂流調(diào)查發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江干流各江段魚卵漂流存在晝夜差異，尤其是本文研究區(qū)域中的宜都江段，從魚卵漂流密度與發(fā)育期推算，四大家魚繁殖時(shí)間主要集中在夜間，高峰期在凌晨[15]. 家魚產(chǎn)卵與江水的流量和水位是密切相關(guān)的，產(chǎn)卵行為絕大多數(shù)發(fā)生在漲水期. 產(chǎn)卵規(guī)模取決于漲水持續(xù)時(shí)間和水位相對(duì)增長(zhǎng)幅度，而與起點(diǎn)水位無(wú)關(guān)[19]. 漲水持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，水位相對(duì)增長(zhǎng)幅度越大，產(chǎn)卵規(guī)模越大[9, 20]. 家魚產(chǎn)卵時(shí)的流速范圍較大，一般認(rèn)為在0.33～1.50 m/s之間[16]，江水流速越大，刺激家魚產(chǎn)卵所需要的時(shí)間越短. 四大家魚產(chǎn)卵條件略有所不同，草魚和鰱通常在漲水時(shí)產(chǎn)卵，鳙要在漲水至較高水位時(shí)才產(chǎn)卵，而青魚可以在平水、退水時(shí)產(chǎn)卵[8]. 郭文獻(xiàn)等[21]分析三峽水庫(kù)蓄水前四大家魚繁殖期的生態(tài)水文指標(biāo)，提出產(chǎn)卵的水文需求為每年5月漲水次數(shù)2～3次，漲水持續(xù)時(shí)間3～8 d，日流量上漲率為910～2208 m3/s，水位上漲率為0.41～0.85 m/d；6月份漲水次數(shù)2～4次，漲水持續(xù)時(shí)間3～8 d，日流量上漲率為1355～2931 m3/(s·d)，水位上漲率為0.41～0.74 m/d.

3 梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行的生態(tài)水文影響

葛洲壩水電站為徑流式電站，1981年1月大江截流，同年5月下閘蓄水，12月一期機(jī)組運(yùn)行發(fā)電. 葛洲壩水庫(kù)庫(kù)容小，單獨(dú)運(yùn)行對(duì)來(lái)水調(diào)蓄作用很小，具有枯季是水庫(kù)，汛期是河道的特征. 三峽水電站為目前世界上規(guī)模最大的巨型電站，2003年6月三峽進(jìn)入圍堰發(fā)電運(yùn)行期，與葛洲壩水電站開始聯(lián)合運(yùn)行. 三峽水電站運(yùn)行后，上游形成多年調(diào)節(jié)型水庫(kù)，總庫(kù)容為393.0億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為221.5億m3，而下游的葛洲壩水庫(kù)則變?yōu)閮蓧伍g水庫(kù)，庫(kù)容由原來(lái)的15.8億m3變?yōu)?.1億m3，僅相當(dāng)于原庫(kù)容的45%.

筆者研究團(tuán)隊(duì)及國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者基于50年以上長(zhǎng)序列的日水文數(shù)據(jù)，應(yīng)用IHA生態(tài)水文指標(biāo)法、RVA變動(dòng)范圍法等分析了天然情況下、葛洲壩單獨(dú)運(yùn)行和三峽-葛洲壩聯(lián)合運(yùn)行條件下的水文變化[22-24]. 研究表明，葛洲壩單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，對(duì)下游水文情勢(shì)的影響整體不大，與天然情況相比變化較明顯的指標(biāo)有3月平均流量增加，9、11月平均流量減小，年最小連續(xù)90日平均流量增加，年高流量脈沖事件平均歷時(shí)增加，漲落水逆轉(zhuǎn)次數(shù)增加，除上述指標(biāo)表現(xiàn)為中高度改變外，其余指標(biāo)均為低度改變. 三峽-葛洲壩聯(lián)合運(yùn)行后，對(duì)下游水文情勢(shì)產(chǎn)生了中度改變，主要表現(xiàn)為大多數(shù)月份月流量指標(biāo)中高度改變、年最小流量增加、年最大流量減小、年最小流量出現(xiàn)時(shí)間提前、低脈沖發(fā)生頻率消失、高脈沖發(fā)生次數(shù)和歷時(shí)下降、流量上漲率減小、漲落水變化更為頻繁等[25-27]. 對(duì)于四大家魚而言，三峽-葛洲壩聯(lián)合運(yùn)行后對(duì)其產(chǎn)生的不利生態(tài)影響主要表現(xiàn)為自然洪峰過(guò)程的減弱和漲落水逆轉(zhuǎn)次數(shù)頻繁帶來(lái)的漲水持續(xù)時(shí)間縮短.

梯級(jí)水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行中，除了產(chǎn)生上述日尺度的生態(tài)水文影響外，為了滿足發(fā)電、航運(yùn)等綜合功能，日內(nèi)對(duì)天然來(lái)流還會(huì)進(jìn)行小時(shí)尺度的調(diào)度，繼而進(jìn)一步改變天然徑流過(guò)程. 1982年葛洲壩水電站運(yùn)行初期，僅1號(hào)、2號(hào)機(jī)組發(fā)電(全部機(jī)組21臺(tái))，在四大家魚繁殖高峰期5-6月份，葛洲壩水庫(kù)日尺度和小時(shí)尺度的出入庫(kù)流量過(guò)程如圖1所示. 從圖中可以看出，葛洲壩運(yùn)行初期的日內(nèi)調(diào)度對(duì)天然來(lái)流幾乎沒(méi)有影響，漲落水過(guò)程在小時(shí)尺度內(nèi)平滑連續(xù)變化. 三峽-葛洲壩聯(lián)合運(yùn)行后，三峽水電站在日內(nèi)調(diào)度時(shí)需承擔(dān)電力系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)峰任務(wù)，葛洲壩水電站則配合三峽水電站進(jìn)行反調(diào)節(jié)運(yùn)用，以緩解三峽水電站負(fù)荷日調(diào)節(jié)產(chǎn)生的非恒定流對(duì)壩下航運(yùn)的影響. 然而，在常規(guī)運(yùn)行調(diào)度下，葛洲壩水庫(kù)水位在63.0～66.5 m間變動(dòng)，最大調(diào)節(jié)庫(kù)容為0.86億m3左右，僅為三峽水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容的0.39%，因此一般認(rèn)為葛洲壩水庫(kù)不具備多日調(diào)節(jié)三峽出庫(kù)流量的能力. 圖2為2017年葛洲壩水庫(kù)5-6月日尺度和小時(shí)尺度的出入庫(kù)流量過(guò)程，從圖中可以看出，受三峽水電站調(diào)峰影響，葛洲壩出入庫(kù)流量過(guò)程在日內(nèi)呈明顯的鋸齒狀波動(dòng)，可能對(duì)葛洲壩下游魚類產(chǎn)卵繁殖產(chǎn)生額外的不利生態(tài)效應(yīng).

圖1 1982年5-6月葛洲壩水庫(kù)日尺度和小時(shí)尺度的出入庫(kù)流量過(guò)程Fig.1 The daily and hourly scale discharge process of Gezhouba Reservoir in May and June, 1982

圖2 2017年5-6月葛洲壩水庫(kù)日尺度和小時(shí)尺度的出入庫(kù)流量過(guò)程Fig.2 The daily and hourly scale discharge process of Gezhouba Reservoir in May and June, 2017

4 梯級(jí)水庫(kù)協(xié)同生態(tài)調(diào)度的優(yōu)化模擬分析

為了減緩水庫(kù)運(yùn)行對(duì)魚類繁殖的不利生態(tài)影響，三峽水庫(kù)自2011年至今連續(xù)開展了10余場(chǎng)次的生態(tài)調(diào)度試驗(yàn). 當(dāng)前三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方案是在確保梯級(jí)樞紐安全的前提下，根據(jù)汛前騰空庫(kù)容的需要，結(jié)合上游來(lái)水過(guò)程，以四大家魚繁殖的生態(tài)水文需求為目標(biāo)，通過(guò)持續(xù)加大泄流流量形成人造洪峰，刺激下游四大家魚產(chǎn)卵繁殖. 根據(jù)2011-2018年實(shí)際生態(tài)調(diào)度的統(tǒng)計(jì)水文指標(biāo)，生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)在每年5-6月河道水溫穩(wěn)定在18℃以上時(shí)擇機(jī)開展，起漲流量6800～15300 m3/s，平均日流量上漲率1170～3140 m3/(s·d)，持續(xù)漲水時(shí)間為3～8 d. 實(shí)際生態(tài)調(diào)度過(guò)程中，雖然營(yíng)造了日尺度的連續(xù)漲水過(guò)程，但是受三峽水電站電力調(diào)峰影響，在夜間負(fù)荷低谷時(shí)段(一般為23:00至次日7:00)，三峽水庫(kù)減小出庫(kù)流量，葛洲壩水庫(kù)也跟隨減小出庫(kù)流量，由此營(yíng)造的人造漲水過(guò)程從小時(shí)尺度看來(lái)是呈鋸齒狀上升的(圖2紅色方框內(nèi)所示)，與天然情況下平滑的連續(xù)漲水過(guò)程差異較大. 對(duì)于四大家魚而言，在其繁殖高峰的凌晨時(shí)段跌水，可能會(huì)減弱對(duì)四大家魚產(chǎn)卵的刺激，影響生態(tài)調(diào)度效果.

為了優(yōu)化當(dāng)前生態(tài)調(diào)度方案，探討大型控制性水庫(kù)與下游反調(diào)節(jié)水庫(kù)這種庫(kù)容懸殊差距較大的梯級(jí)水庫(kù)組合模式下，如何通過(guò)梯級(jí)水庫(kù)的協(xié)同調(diào)度以營(yíng)造既滿足日尺度魚類生態(tài)水文需求、又滿足近自然的小時(shí)尺度連續(xù)漲水過(guò)程，本文結(jié)合三峽水庫(kù)促進(jìn)四大家魚繁殖的實(shí)際生態(tài)調(diào)度工況，應(yīng)用美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)的軟件Hec-ResSim3.1，構(gòu)建了三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度模型，設(shè)計(jì)了若干生態(tài)調(diào)度方案的優(yōu)化策略并模擬分析了其可行性.

4.1 聯(lián)合調(diào)度模型

4.1.1 優(yōu)化目標(biāo)與策略 生態(tài)調(diào)度的實(shí)施主要為控制水庫(kù)每日的出庫(kù)流量水平. 本研究以實(shí)現(xiàn)葛洲壩下游河道生態(tài)調(diào)度期全過(guò)程小時(shí)尺度的連續(xù)漲水為目標(biāo).

(1)

(2)

本研究設(shè)計(jì)了3個(gè)生態(tài)調(diào)度方案的優(yōu)化調(diào)整策略，調(diào)度方案優(yōu)先采用策略1，若策略1不滿足約束條件，則采用策略2. 若策略1、2均無(wú)法實(shí)現(xiàn)，則采用策略3. 具體策略描述和策略約束條件如表1所示.

表1 生態(tài)調(diào)度的優(yōu)化調(diào)整策略設(shè)計(jì)Tab.1 Optimization and adjustment strategies design of ecological operation

4.1.2 常規(guī)運(yùn)行約束 水庫(kù)常規(guī)調(diào)度運(yùn)行的約束條件包括了水量平衡約束、水庫(kù)水位約束、水庫(kù)蓄水量約束、水電站出力約束、水庫(kù)下泄流量約束等. 依據(jù)《三峽(正常運(yùn)行期)—葛洲壩水利樞紐梯級(jí)調(diào)度規(guī)程》，正常運(yùn)行的約束條件為：

①水量平衡約束:

Vt+1=Vt+(It-Qt)·Δt

(3)

式中，Vt、Vt+1分別為t、t+1時(shí)刻水庫(kù)的蓄水量，It為t時(shí)刻水庫(kù)的入庫(kù)流量，Qt為t時(shí)刻水庫(kù)的出庫(kù)流量，在水量平衡約束中忽略水庫(kù)蒸發(fā)損耗. 三峽的出庫(kù)流量與葛洲壩的入庫(kù)流量基本相等.

②水庫(kù)庫(kù)容約束:

Vmin≤Vt≤Vmax

(4)

式中，Vmin、Vmax分別為水庫(kù)最小和最大的庫(kù)容量.

③水庫(kù)下泄流量約束:

Qmin≤Qt≤Qmax

(5)

式中，Qmin、Qmax分別為水庫(kù)的最小和最大下泄能力.

④水電站出力約束:

Nmin≤Nt≤Nmax

(6)

式中，Nmin、Nmax分別為電站機(jī)組的最小和最大出力.

⑤水庫(kù)水位約束:

庫(kù)水位約束：

Zmin≤Zt≤Zmax

(7)

三峽水庫(kù)庫(kù)水位日降幅：

(8)

葛洲壩水庫(kù)庫(kù)水位日變幅、小時(shí)變幅：

(9)

4.1.3 模型求解方法 生態(tài)調(diào)度的實(shí)施主要為控制水庫(kù)每日的出庫(kù)流量水平，生態(tài)調(diào)度期全過(guò)程小時(shí)尺度的連續(xù)漲水可作為定值目標(biāo)，因此可將優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)換為葛洲壩水庫(kù)生態(tài)調(diào)度期運(yùn)行的約束條件，采用常規(guī)調(diào)度模型進(jìn)行模擬. 模型求解采用離散微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃(DDDP)法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 每次尋優(yōu)只是在某個(gè)狀態(tài)序列賦予增量形成的廊道范圍內(nèi)進(jìn)行，逐次向預(yù)定目標(biāo)迭代逼近[28]. 該方法能解決因狀態(tài)離散點(diǎn)較多而求解費(fèi)時(shí)的問(wèn)題, 有效地解決計(jì)算“維數(shù)災(zāi)”[29].

4.2 模擬結(jié)果

根據(jù)2011-2018年三峽水庫(kù)開展的12次生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)的實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)，以葛洲壩水庫(kù)生態(tài)調(diào)度期的實(shí)際入庫(kù)流量作為入流邊界條件，初始庫(kù)水位作為調(diào)度初始條件，以4.1.1中設(shè)計(jì)的調(diào)度策略，模擬計(jì)算不同年份不同入庫(kù)流量水平下優(yōu)化后的葛洲壩出庫(kù)流量過(guò)程，并與優(yōu)化前的出庫(kù)流量過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)計(jì)算了優(yōu)化后的葛洲壩電站出力變化情況. 圖3羅列了采用策略1對(duì)生態(tài)調(diào)度過(guò)程進(jìn)行小時(shí)尺度優(yōu)化調(diào)整后的計(jì)算結(jié)果，除2014年、2015年第1次與第2次、2018年第2次生態(tài)調(diào)度之外，其余年份采用策略1均能在常規(guī)約束條件下實(shí)現(xiàn)生態(tài)調(diào)度期全過(guò)程小時(shí)尺度的連續(xù)漲水，表明模擬的調(diào)度過(guò)程可行. 圖4羅列了采用策略1未能實(shí)現(xiàn)生態(tài)調(diào)度期全過(guò)程小時(shí)尺度的連續(xù)漲水，而采用策略2對(duì)生態(tài)調(diào)度過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后可行的調(diào)度過(guò)程. 圖5羅列了采用策略1和策略2無(wú)法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)，而采用策略3對(duì)生態(tài)調(diào)度過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整的可行調(diào)度過(guò)程. 不同調(diào)度策略下的水文和出力指標(biāo)如表2、表3和表4所示. 計(jì)算結(jié)果表明調(diào)整后的葛洲壩水庫(kù)日均出庫(kù)流量變化范圍為-3.42%～2.47%，變幅較原日均出庫(kù)流量變化大多在3%以內(nèi)；調(diào)整后生態(tài)調(diào)度期的流量累積漲幅與原漲水過(guò)程相當(dāng)，日流量上漲率較原日流量上漲率變化范圍為-10.97%～13.39%，變化大多在4%以內(nèi)；調(diào)整后下游水位上漲率變化范圍為-37.74%～25.58%，變化大多在7%以內(nèi). 策略1和策略2在不改變?nèi)龒{出庫(kù)流量的情況下，調(diào)整后的葛洲壩電站總出力多數(shù)年份有所增長(zhǎng)，出力變化范圍為-0.38%～5.91%. 策略3改變?nèi)龒{的出庫(kù)流量后，三峽電站生態(tài)調(diào)度期總出力變化較小，變化范圍為-0.52%～0.08%；葛洲壩電站總出力有所減少，變化范圍為-4.59%～-2.84%. 實(shí)際調(diào)度運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)實(shí)時(shí)工況和運(yùn)行條件，適當(dāng)調(diào)增或調(diào)減梯級(jí)的出力計(jì)劃，尤其是葛洲壩的出力計(jì)劃.

5 討論

5.1 三峽-葛洲壩梯級(jí)生態(tài)調(diào)度優(yōu)化策略

研究表明，漲水持續(xù)時(shí)間是四大家魚自然繁殖的關(guān)鍵環(huán)境因子[30-32]. 四大家魚產(chǎn)卵多數(shù)在漲水期間[33]，漲水后一定的高流量維持時(shí)間才能誘導(dǎo)產(chǎn)卵行為的發(fā)生[34]. 總漲水日數(shù)決定了家魚苗產(chǎn)卵量的多寡[35]，有效漲水次數(shù)較多時(shí)，家魚卵苗規(guī)模相對(duì)較大[36]，苗汛峰值與漲水持續(xù)時(shí)間呈顯著正相關(guān)[34]. 四大家魚屬產(chǎn)漂流性卵魚類，魚卵順?biāo)鞣趸痆37]，漲水歷時(shí)的延長(zhǎng)使魚卵更不容易沉底，可提升孵化率[38]. 因此，如何增加有效漲水持續(xù)時(shí)間對(duì)于優(yōu)化完善現(xiàn)有生態(tài)調(diào)度方案具有重要意義. 然而，生態(tài)調(diào)度增加漲水持續(xù)時(shí)間的同時(shí)也勢(shì)必增加了落水的時(shí)間[39]，對(duì)于處于繁殖季節(jié)的家魚產(chǎn)卵將受到后續(xù)的影響，加之三峽水庫(kù)防洪調(diào)度的約束，增加持續(xù)漲水時(shí)間將不利于汛期防洪安全. 本文在不改變?nèi)龒{水庫(kù)現(xiàn)有生態(tài)調(diào)度方案漲水時(shí)間的情況下，充分挖掘了葛洲壩水庫(kù)的反調(diào)節(jié)能力，維持原有的生態(tài)調(diào)度洪峰流量和流量累積漲幅一定，并盡可能模擬出自然情況下平滑的連續(xù)漲水過(guò)程，以此延長(zhǎng)下游河道的漲水持續(xù)時(shí)間，為四大家魚營(yíng)造更為適宜的水文水力學(xué)條件. 從模擬結(jié)果可以看出，通過(guò)葛洲壩水庫(kù)小時(shí)尺度的精細(xì)調(diào)度，可用僅有的微

圖3 策略1模擬的可行調(diào)度過(guò)程Fig.3 Viable operation process under the simulation of strategy 1

圖4 策略2模擬的可行調(diào)度過(guò)程Fig.4 Viable operation process under the simulation of strategy 2

圖5 策略3模擬的可行調(diào)度過(guò)程Fig.5 Viable operation process under the simulation of strategy 3

表2 策略1可行調(diào)度過(guò)程的水文指標(biāo)和出力變化Tab.2 Hydrological indicators generation of the viable operation process under strategy 1

表3 策略2可行調(diào)度過(guò)程的水文指標(biāo)和出力變化Tab.3 Hydrological indicators generation of the viable operation process under strategy 2

表4 策略3可行調(diào)度過(guò)程的水文指標(biāo)和出力變化Tab.4 Hydrological indicators generation of the viable operation process under strategy 3

小庫(kù)容實(shí)現(xiàn)出乎意料的效果. 在已執(zhí)行的大多數(shù)場(chǎng)次生態(tài)調(diào)度中，可不改變?nèi)龒{原有生態(tài)調(diào)度的出庫(kù)流量方式，僅通過(guò)葛洲壩水庫(kù)小時(shí)尺度的削峰填谷(策略1，圖3)或日間削峰填谷、夜間維持出庫(kù)流量不變(策略2，圖4)的方式，就可實(shí)現(xiàn)多日小時(shí)尺度的連續(xù)出庫(kù)流量上漲，使得下泄流量過(guò)程更符合天然河流特征，從而刺激四大家魚對(duì)漲水過(guò)程的產(chǎn)卵響應(yīng). 經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)整后，四大家魚在5月和6月的產(chǎn)卵生態(tài)水文需求指標(biāo)的改變幅度大多數(shù)不超過(guò)15%，并朝著有利的方向變化，同時(shí)大多數(shù)場(chǎng)次還可實(shí)現(xiàn)發(fā)電出力的增加，在葛洲壩日均入庫(kù)流量達(dá)到18000 m3/s的棄水邊界條件年份，如2012年第1次生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)(圖3b)和2018年第1次生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)(圖3h)，優(yōu)化后葛洲壩出庫(kù)流量在高峰時(shí)段減少，庫(kù)水位在滿足最大日變幅的前提下控制在較低水平，有效地減少了棄水風(fēng)險(xiǎn). 僅少數(shù)場(chǎng)次(持續(xù)時(shí)間超過(guò)8天)的生態(tài)調(diào)度，受三峽水庫(kù)夜間多日電網(wǎng)低谷負(fù)荷調(diào)度影響，難以僅憑葛洲壩水庫(kù)實(shí)現(xiàn)多日小時(shí)尺度的連續(xù)出流上漲，需在滿足三峽水庫(kù)日水位消落小于0.6 m和調(diào)峰量不超300萬(wàn)kW的約束條件下，采取小幅度改變當(dāng)前三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度出庫(kù)流量、聯(lián)合葛洲壩水庫(kù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)度的方式(策略3，圖5)，才能保證持續(xù)時(shí)間超過(guò)8 d的小時(shí)尺度連續(xù)出庫(kù)流量上漲. 這種方式，可能犧牲一部分三峽和葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)的發(fā)電出力. 如在2015年第二次生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)(圖5a、圖5b)中，調(diào)整后的三峽日均出庫(kù)流量超過(guò)了21000 m3/s導(dǎo)致葛洲壩電站開始棄水，但為了滿足持續(xù)漲水的優(yōu)化目標(biāo)葛洲壩水庫(kù)仍需持續(xù)的蓄泄流量，導(dǎo)致水庫(kù)運(yùn)行水位偏低，葛洲壩電站出力隨著出庫(kù)流量的增加而持續(xù)降低；而在2018年第2次生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)(圖5c、d)中，生態(tài)調(diào)度后期三峽的日均出庫(kù)流量超過(guò)了18000 m3/s，最大日流量變幅超過(guò)了3000 m3/(s·d)，為了匹配葛洲壩的反調(diào)節(jié)能力，調(diào)整削減了三峽出庫(kù)流量日內(nèi)變幅，使得生態(tài)調(diào)度全過(guò)程日均出庫(kù)流量有一定的減少，造成葛洲壩電站的出力隨水頭降低而減少. 可見當(dāng)三峽的出庫(kù)流量水平處于18000 m3/s以上時(shí)，葛洲壩存在較大棄水風(fēng)險(xiǎn)，需要犧牲梯級(jí)較少的發(fā)電量來(lái)維持生態(tài)效益.

影響四大家魚產(chǎn)卵繁殖的因素除了漲水條件，還與水溫、清水下泄帶來(lái)的產(chǎn)卵場(chǎng)地形改變，以及產(chǎn)卵場(chǎng)局部水動(dòng)力條件等息息相關(guān)，本文側(cè)重從水文角度，針對(duì)其中的漲水持續(xù)時(shí)間這一關(guān)鍵水文因子進(jìn)行調(diào)度策略的優(yōu)化研究，嘗試營(yíng)造近自然的小時(shí)尺度連續(xù)漲水過(guò)程，調(diào)度對(duì)刺激家魚自然繁殖可能具有一定的局限性，實(shí)際效果有待實(shí)踐檢驗(yàn). 未來(lái)研究中，除了考慮水文因素外，還需要開展相關(guān)機(jī)理研究，探索四大家魚自然繁殖與水溫、水文、水動(dòng)力因素的響應(yīng)機(jī)制，建立綜合考慮多重因素的優(yōu)化調(diào)度策略.

5.2 生態(tài)調(diào)度優(yōu)化策略的應(yīng)用前景

對(duì)于魚類而言，理想的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度是人工營(yíng)造滿足它們千百年進(jìn)化形成的關(guān)鍵生命期的自然生態(tài)條件. 例如，產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵繁殖期需要持續(xù)多日的連續(xù)漲水刺激、產(chǎn)粘沉性卵魚類產(chǎn)卵繁殖期需要河流水位相對(duì)穩(wěn)定. 以滿足魚類產(chǎn)卵的適宜水文過(guò)程為目標(biāo)的生態(tài)調(diào)度，對(duì)于水庫(kù)自身的調(diào)蓄能力有較高的要求，因此生態(tài)調(diào)度通常都以大型控制性水庫(kù)為主導(dǎo)調(diào)控出流. 目前的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度，受到水庫(kù)運(yùn)用方式影響，如水電站配合電網(wǎng)進(jìn)行的負(fù)荷調(diào)峰調(diào)度，以及水庫(kù)本身調(diào)節(jié)庫(kù)容、運(yùn)行水位、泄流能力等多種硬性約束條件制約，使得水庫(kù)生態(tài)調(diào)度在具體執(zhí)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)某些時(shí)段悖于魚類生態(tài)需求的出流方式，僅依靠單座控制性水庫(kù)的調(diào)度難以在調(diào)度期全時(shí)段滿足魚類生態(tài)水文要求.

梯級(jí)水庫(kù)開發(fā)中為了提高水利樞紐的綜合效益，在控制性水庫(kù)下游往往建有小型反調(diào)節(jié)水庫(kù). 反調(diào)節(jié)水庫(kù)一般為徑流式電站，庫(kù)容小，不承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)，主要通過(guò)下游水庫(kù)水位流量的調(diào)控反饋?zhàn)饔蒙嫌未笮涂刂菩运畮?kù)，對(duì)上游水庫(kù)調(diào)峰發(fā)電的不穩(wěn)定流進(jìn)行再調(diào)節(jié)，以改善下游河道的水流條件. 典型的“一庫(kù)兩級(jí)”梯級(jí)電站以三峽-葛洲壩為代表，還包括二灘-桐子林、豐滿-永慶、天生橋一級(jí)-天生橋二級(jí)、景洪-橄欖壩等. 充分發(fā)揮下游反調(diào)節(jié)水庫(kù)的庫(kù)容，通過(guò)精細(xì)化反調(diào)節(jié)調(diào)度，配合上游控制性水庫(kù)的協(xié)同聯(lián)合調(diào)度，為改善現(xiàn)有生態(tài)調(diào)度創(chuàng)造了可能，本文也論證了其可行性. 利用不同策略的梯級(jí)協(xié)同生態(tài)調(diào)度可以針對(duì)不同魚類產(chǎn)卵繁殖期的生態(tài)需求提供相應(yīng)的水文水動(dòng)力條件，例如營(yíng)造下游河道小時(shí)尺度的連續(xù)漲水過(guò)程，減緩河道水位日內(nèi)的陡漲陡落，優(yōu)化分配機(jī)組出力運(yùn)行方式改善產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力條件. 同時(shí)梯級(jí)協(xié)同調(diào)度也在一定程度上統(tǒng)籌了水庫(kù)綜合效益，有效協(xié)調(diào)了生態(tài)目標(biāo)與非生態(tài)目標(biāo)的矛盾關(guān)系，減少了出力高峰期反調(diào)節(jié)水庫(kù)的棄水風(fēng)險(xiǎn)，保證了反調(diào)節(jié)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度期的發(fā)電效益. 可見，梯級(jí)水庫(kù)中控制性水庫(kù)與下游反調(diào)節(jié)水庫(kù)這種上下游調(diào)節(jié)庫(kù)容相差懸殊的“一庫(kù)兩級(jí)”組合，二者緊密的水力聯(lián)系使得大多數(shù)情況下僅利用反調(diào)節(jié)水庫(kù)的微小庫(kù)容對(duì)現(xiàn)有生態(tài)調(diào)度進(jìn)行小時(shí)尺度的精細(xì)調(diào)整即可大為改善下游魚類生態(tài)水文條件，這突破了常規(guī)認(rèn)識(shí)，可在其他“一庫(kù)兩級(jí)”式梯級(jí)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度實(shí)踐中推廣應(yīng)用.

5.3 生態(tài)調(diào)度優(yōu)化策略的適應(yīng)性管理

由于水庫(kù)來(lái)水流量、生物響應(yīng)、電網(wǎng)出力需求的不確定性，梯級(jí)協(xié)同調(diào)度在具體操作層面上如何平衡生態(tài)效益與其他興利效益需要通過(guò)適應(yīng)性管理進(jìn)行不斷的改進(jìn)再優(yōu)化. 未來(lái)適應(yīng)性管理可關(guān)注以下幾個(gè)方面問(wèn)題：(1)當(dāng)前四大家魚自然繁殖的水流刺激機(jī)理與響應(yīng)閾值尚未明晰，通過(guò)生態(tài)調(diào)度修復(fù)水庫(kù)對(duì)魚類的不利生態(tài)影響是個(gè)典型的不確定性難題，實(shí)踐過(guò)程中應(yīng)通過(guò)魚類繁殖、水文、產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力條件等要素的跟蹤監(jiān)測(cè)，探索總結(jié)有效刺激魚類繁殖的調(diào)度策略. (2)考慮到梯級(jí)水庫(kù)間的水力聯(lián)系，反調(diào)節(jié)調(diào)度計(jì)劃要將反調(diào)節(jié)水庫(kù)庫(kù)尾的回水頂托影響納入約束條件，避免梯級(jí)電站的總發(fā)電效益受損. (3)對(duì)于需要較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的生態(tài)調(diào)度，則需要協(xié)調(diào)上游控制性水庫(kù)進(jìn)行梯級(jí)間的聯(lián)合調(diào)度，否則生態(tài)調(diào)度目標(biāo)難以持續(xù). (4)本文提出的生態(tài)調(diào)度優(yōu)化策略頻繁動(dòng)用到反調(diào)節(jié)水庫(kù)的庫(kù)容，將使其庫(kù)水位波動(dòng)頻率和幅度加劇. 因此，倘若反調(diào)節(jié)水庫(kù)的庫(kù)區(qū)具有航運(yùn)功能時(shí)，在生態(tài)調(diào)度期需要協(xié)調(diào)電網(wǎng)適當(dāng)減少上游大型控制性水庫(kù)的調(diào)峰容量，避免電網(wǎng)調(diào)峰與生態(tài)調(diào)度優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)生的不利非恒定流影響疊加，影響航運(yùn)安全.

6 結(jié)論

生態(tài)調(diào)度是減緩水庫(kù)不利生態(tài)影響的重要手段. 以葛洲壩—三峽梯級(jí)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)為代表的中國(guó)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度實(shí)踐已執(zhí)行了10年10余場(chǎng)次. 受水庫(kù)不同運(yùn)行方式影響，目前生態(tài)調(diào)度營(yíng)造的水流條件會(huì)在局部時(shí)段出現(xiàn)與魚類生態(tài)需求相悖的情況，有待優(yōu)化改進(jìn). 本文通過(guò)構(gòu)建三峽—葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度模型，研究分析了梯級(jí)水庫(kù)通過(guò)不同方式協(xié)調(diào)運(yùn)行改善下游魚類繁殖條件的可行性，并提出了如下生態(tài)調(diào)度的優(yōu)化調(diào)整策略：在當(dāng)前大多數(shù)三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度出庫(kù)流量控制方式下，可利用葛洲壩自身微小的反調(diào)節(jié)庫(kù)容，采用策略1：削峰填谷，或采用策略2：在夜間20:00-24:00三峽水庫(kù)調(diào)節(jié)電網(wǎng)谷時(shí)負(fù)荷減少出庫(kù)流量的時(shí)段，維持一定的流量水平不變，而后再增加出庫(kù)流量，可實(shí)現(xiàn)下游河道全生態(tài)調(diào)度期較為平滑的小時(shí)尺度連續(xù)漲水過(guò)程，同時(shí)可改善日流量上漲率、下游水位上漲率等四大家魚產(chǎn)卵的生態(tài)水文指標(biāo)，使?jié)q水過(guò)程更為貼近四大家魚產(chǎn)卵水文需求. 此外，該調(diào)度策略還可一定程度增加發(fā)電出力，獲得生態(tài)與經(jīng)濟(jì)共贏的良好成效. 建議未來(lái)葛洲壩水庫(kù)可積極采取這種調(diào)度策略優(yōu)化當(dāng)前生態(tài)調(diào)度方案. 對(duì)于三峽出庫(kù)流量偏大或者日內(nèi)出庫(kù)流量變幅劇烈的情況，由于葛洲壩調(diào)節(jié)庫(kù)容有限，通過(guò)葛洲壩水庫(kù)的反調(diào)節(jié)作用營(yíng)造適合于四大家魚產(chǎn)卵需求的連續(xù)漲水過(guò)程相對(duì)困難，需要三峽水庫(kù)配合調(diào)節(jié)出庫(kù)流量過(guò)程，可采取策略3：小幅度改變當(dāng)前三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度出庫(kù)流量、先形成三峽水庫(kù)日尺度的持續(xù)漲水過(guò)程，再聯(lián)合葛洲壩的反調(diào)節(jié)形成小時(shí)尺度的漲水過(guò)程. 本文提出的對(duì)當(dāng)前生態(tài)調(diào)度方式的優(yōu)化策略，對(duì)于其他控制性水庫(kù)與反調(diào)節(jié)水庫(kù)這種上下游調(diào)節(jié)庫(kù)容相差懸殊的“一庫(kù)兩級(jí)”式梯級(jí)水庫(kù)，具有較好的推廣應(yīng)用前景，未來(lái)可在實(shí)踐中檢驗(yàn)其效果，并通過(guò)適應(yīng)性管理進(jìn)一步再優(yōu)化.