基于WUA的戛灑江一級水庫生態(tài)調(diào)度研究

黃顯峰，朱曉茜，方國華，聞 昕

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

生態(tài)調(diào)度就是指將生態(tài)目標(biāo)納入到現(xiàn)行的水庫調(diào)度中，與水庫的供水、發(fā)電等功能進(jìn)行耦合，尋求生態(tài)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益綜合最大化，將保護(hù)生態(tài)環(huán)境作為水庫的核心任務(wù)之一共同指導(dǎo)水庫調(diào)度。

20世紀(jì)60年代，國外開始嘗試生態(tài)調(diào)度。1959年，前蘇聯(lián)對伏爾加河春季發(fā)生的洪水進(jìn)行模擬，促進(jìn)了下游魚類的產(chǎn)卵活動[1]。1991-1996年，美國為了改善水域下游生態(tài)環(huán)境，對水庫進(jìn)行生態(tài)調(diào)度，最終達(dá)到了目的[2]。近年來，國內(nèi)對生態(tài)調(diào)度也進(jìn)行了一些實(shí)踐。2015年，金鑫等人構(gòu)建多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度模型，并采用自適應(yīng)遺傳算法對承德雙峰寺水庫的生態(tài)調(diào)度問題進(jìn)行了優(yōu)化[3]；2015年，馬駿、余偉等進(jìn)行水庫生態(tài)調(diào)度模擬，通過改變支流庫灣水動力條件，能有效防控三峽水庫水華發(fā)生[4]。目前我國的生態(tài)調(diào)度實(shí)踐雖然取得了不少理論成果，但大多著重于滿足人類的生產(chǎn)、生活需求，對魚類等水生生物的生存需求等考慮較少，水庫生態(tài)調(diào)度理念并沒有推廣開來。因此本文提出對正在建設(shè)的戛灑江一級水庫進(jìn)行生態(tài)調(diào)度模擬，通過計算最小生態(tài)流量來判別水庫運(yùn)行是否滿足魚類的生存需求。

對于生態(tài)流量的判別方式，本文采用物理?xiàng)⒌啬Ｐ?，并通過WUA來進(jìn)行計算。WUA(Weighted Usable Area)是指棲息地加權(quán)可利用面積。2008年，張文鴿提出以流量～WUA曲線圖第一個明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的流量作為生態(tài)流量[5]。2012年，蔣紅霞提出當(dāng)以生物生態(tài)需水量需求作為下泄流量的唯一目標(biāo)時，可選擇該物種生境模擬結(jié)果表中的WUA最大值對應(yīng)的流量作為生態(tài)流量[6]。可以看出，基于WUA計算生態(tài)流量物理意義明確，只要繪出流量～WUA曲線圖便可以得知生態(tài)流量。因此，本文將基于WUA對戛灑江一級水庫進(jìn)行生態(tài)調(diào)度。

1 流域概況

圓河流域位于我國云南省中部、東南部和廣西壯族自治區(qū)西南部。戛灑江一級水電站是圓河流域綜合規(guī)劃的龍頭水庫，位于云南省新平縣水塘鄉(xiāng)。戛灑江一級水電站采用堤壩式開發(fā)，壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高167.5 m，水庫總庫容17.41億m3，正常蓄水位675 m時相應(yīng)庫容14.91億m3，死水位640 m，調(diào)節(jié)庫容8.22億m3，庫容系數(shù)0.196，具有年調(diào)節(jié)能力，電站裝機(jī)容量270 MW，保證出力78.3 MW，年發(fā)電量10.54 億kWh。戛灑江一級水庫的基本參數(shù)見表1。

表1 戛灑江一級水庫基本參數(shù)表Tab.1 The basic parameters of Gasajiang primary reservoir

戛灑江一級水庫的常規(guī)調(diào)度是以水庫調(diào)度圖[7](見圖1)為依據(jù)進(jìn)行定出力徑流調(diào)節(jié)。調(diào)度圖分為保證出力區(qū)、降低出力區(qū)、1.5倍保證出力區(qū)、2倍保證出力區(qū)、滿載區(qū)。由時段初始水位判斷出該時段應(yīng)出力值，由天然來水、出力值和時段初始水位等資料按定出力調(diào)節(jié)進(jìn)行計算得到水庫逐時段的初始水位、時段末水位、調(diào)節(jié)流量，下游平均水位、發(fā)電水頭等。本文選擇豐平枯3個典型年，戛灑江水庫起調(diào)水位為640 m，正常蓄水位為675 m。

圖1 戛灑江一級水庫調(diào)度圖Fig.1 The operation map of Gasajiang primary reservoir

在常規(guī)調(diào)度下戛灑江一級電站的豐平枯3個典型年的年平均水位分別為664.33、 661.82、653.06 m，平均下泄流量分別為195.84、 125.29、72.33 m3/s，平均出力分別為168.87、125.29、68.12 MW，年發(fā)電量分別為14.79、10.98、5.97億kWh。

2 基于WUA的生態(tài)調(diào)度模型構(gòu)建

2.1 WUA方法介紹

維持圓河干流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定實(shí)際上就是指從社會和生物多樣性的角度，保護(hù)最具生態(tài)價值的關(guān)鍵物種。而圓河干流關(guān)鍵物種的保護(hù)最重要的條件之一就是維持關(guān)鍵物種所需的適宜生態(tài)流量。結(jié)合河段近年的相關(guān)研究文獻(xiàn)資料，本文選取沅江鯉作為關(guān)鍵物種，河道生態(tài)流量本文采用物理?xiàng)⒌啬M模型(PHABSIM)進(jìn)行計算。

PHABSIM主要是根據(jù)不同流量下各斷面流速與水深分布，以及棲息地適宜性曲線(HSC)，從而計算出斷面各分區(qū)的流速及水深的棲息地適宜性指數(shù)。適宜性指數(shù)與水域平面面積相乘可求得WUA，也即研究河段目標(biāo)物種的棲息地加權(quán)可利用面積[5]。WUA計算公式如下：

(1)

式中：An為研究河段第n分區(qū)的水域面積；L為研究河段的總河長；f(Vn)為第n分區(qū)的流速適應(yīng)度值；f(Dn)為第n分區(qū)的水深適應(yīng)度值；f(Cn)分別為第n分區(qū)的河床底質(zhì)適應(yīng)度值；F[ ]代表第n分區(qū)的組合適應(yīng)度因子(CSF)。

其中CSF的計算方法采用加權(quán)平均法：

CSF=kVf(V)+kDf(D)+kCf(C)

(2)

式中：kV、kD、kC分別為流速、水深和底質(zhì)的適宜度指數(shù)的權(quán)重因子，kV+kD+kC=1。

利用物理?xiàng)⒌啬M模型進(jìn)行河流生態(tài)需水量計算步驟如下：①選定圓河流域目標(biāo)物種沅江鯉，將棲息地適宜性指標(biāo)與沅江鯉的水深、流速相關(guān)聯(lián)，繪制沅江鯉不同生命周期的生境適宜性曲線見圖2。②根據(jù)圖2并輸入物理?xiàng)⒌啬Ｐ?，結(jié)合水深、流速數(shù)據(jù)進(jìn)行物理?xiàng)⒌啬M，計算研究河段不同流量下的加權(quán)可利用面積(WUA)。③繪制河段加權(quán)可利用面積與模擬流量的關(guān)系曲線見圖3，選擇WUA第一個明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的流量作為沅江鯉生態(tài)需水量。

圖2 沅江鯉不同生命期生境適宜性曲線Fig.2 The HSC of the Ruanjiangli’s different life stage

圖3 研究河段沅江鯉各生長階段流量～WUA關(guān)系圖Fig.3 The flow～WUA map of the Ruanjiangli’s different life stage

將沅江鯉產(chǎn)卵期、育幼期、成長期的流速、水深適宜性曲線輸入到PHABSIM模型中，將底質(zhì)的適宜度值全部取為1，選用乘積法計算目標(biāo)魚類在各研究河段代表性斷面的WUA值并進(jìn)行算術(shù)平均，得到研究河段的加權(quán)可利用面積，如圖3所示。由圖3知，從整體上看，研究河段沅江鯉各生長階段的棲息地平均加權(quán)可利用面積在較低流量下隨流量的增加逐漸提高，并在某個流量下達(dá)到最大值，隨后加權(quán)可利用面積隨流量的增加而遞減，遞減趨勢逐步減小。選取圖3中第一個明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)(根據(jù)斜率變化選取)所對應(yīng)的流量作為最小生態(tài)流量值，如圖3所示黑線上標(biāo)出白點(diǎn)的A、B、C三點(diǎn)，三點(diǎn)分別對應(yīng)3個不同生長期，具體結(jié)果如表2所示。

表2 戛灑江一級水庫沅江鯉適宜生態(tài)流量Tab.2 The Optimal ecological flow of Ruanjiangli in Gasajiang

2.2 目標(biāo)函數(shù)

多目標(biāo)最優(yōu)化思想最早是由法國經(jīng)濟(jì)學(xué)家帕雷托提出來的，也即將不可比較的多個目標(biāo)轉(zhuǎn)化成單個目標(biāo)的最優(yōu)化問題。本文采用多目標(biāo)決策理論，以水庫調(diào)度所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益的綜合效益最大為目標(biāo)函數(shù)，戛灑江一級水庫多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度模型可描述為：

f(Z)=MinE1+nMaxE2

(3)

式中：n是權(quán)重系數(shù)。

(1)生態(tài)效益最大化。本文以生態(tài)需水缺水量最小為目標(biāo)進(jìn)行水庫調(diào)度，其調(diào)度方案可實(shí)現(xiàn)河道生態(tài)環(huán)境保護(hù)以達(dá)到生態(tài)環(huán)境效益最大化，即：

(4)

式中：E1為生態(tài)缺水量，m3；Qt、St分別為電站在第t時段發(fā)電流量和棄水流量，m3/s；Qdmin為某時段為滿足電站生態(tài)要求的最小下泄生態(tài)流量，m3/s；Δt為每個計算時段長度，s；T為年內(nèi)計算總時段數(shù)。

(2)經(jīng)濟(jì)效益最大化。經(jīng)濟(jì)效益最大化以梯級電站發(fā)電收入最大化體現(xiàn)，即：

(5)

式中：E2為電站發(fā)電收入，元；A為電站出力系數(shù)；Ht為電站在第t時段平均發(fā)電凈水頭，m；Mt為第t時段小時數(shù)，h；ηt為第t時段梯級電站上網(wǎng)電價，元/MWh。

2.3 約束條件

戛灑江一級水庫生態(tài)調(diào)度模型的約束條件如下。

(1)水量平衡約束。對于單個電站來說，入庫與出庫的水量之差等于蓄水量的變化量。

Vt+1=Vt+(qt-Qt-St)Δt?t∈T

(6)

式中：Vt+1、Vt分別為電站第t時段末和第t時段初水庫蓄水量，m3；qt為電站第t時段的入庫流量，m3/s。

(2)水庫蓄水量約束。

Vt,min≤Vt≤Vt,max?t∈T

(7)

式中：Vt,min和Vt,max分別為電站第t時段應(yīng)保證的水庫最小蓄水量和最大蓄水量，m3。

(3)電站出力約束。

Nmin≤AQtHt≤Nmax?t∈T

(8)

式中：Nmin、Nmax分別為電站的允許最小出力和允許最大出力，MW。

(4)電站過機(jī)流量約束。

qt,min≤Qt≤qt,max?t∈T

(9)

式中：qt,min和qt,max分別為電站第t時段最小允許過機(jī)流量和最大允許過機(jī)流量，m3/s。

(5)非負(fù)條件約束。上述所有變量均非負(fù)(≥0)。

3 生態(tài)調(diào)度模型求解分析

3.1 模型結(jié)果

利用遺傳算法對模型求解得到生態(tài)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，把生態(tài)調(diào)度與常規(guī)調(diào)度、常規(guī)優(yōu)化調(diào)度3種調(diào)度方式的結(jié)果按豐、平、枯3個典型年繪制如圖4所示，并把最小生態(tài)流量作為基準(zhǔn)線同時繪入圖4中。

圖4 豐平枯3個典型年下泄流量過程與生態(tài)流量對比圖Fig.4 The comparison chart of discharge in three typical year and ecological flow

通過圖4可以看出，豐水年3種調(diào)度方式均可以滿足最小生態(tài)流量要求，平水年常規(guī)優(yōu)化時的六七月份不滿足，常規(guī)調(diào)度時5月份不滿足；枯水年的常規(guī)調(diào)度時9-2月共6個月份不滿足，常規(guī)優(yōu)化時6、7、8、3、4月共5個月份不滿足，生態(tài)優(yōu)化的四五月份不滿足。

3.2 模型評價

將通過調(diào)度求的下泄流量除以適宜生態(tài)流量，大于1的按1計算，將12個月的比值進(jìn)行求和然后除以12個月就可以得到各典型年的保證率，結(jié)果如表3所示。

3.3 模型求解結(jié)果的分析

模擬戛灑江一級水庫常規(guī)調(diào)度、常規(guī)優(yōu)化調(diào)度、生態(tài)優(yōu)化調(diào)度3種不同調(diào)度方式，得到電站的模擬發(fā)電收入和生態(tài)流量保證率并進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論。

(1)生態(tài)效益方面。很顯然生態(tài)調(diào)度下的生態(tài)流量保證率最大。生態(tài)調(diào)度下的生態(tài)流量保證率與常規(guī)優(yōu)化調(diào)度相比，平水年增加5.5%，枯水年增加8.7%。生態(tài)調(diào)度下的生態(tài)流量保證率與常規(guī)調(diào)度相比，平水年增加1.6%，枯水年增加13.4%。顯然通過生態(tài)調(diào)度之后，水庫的生態(tài)流量保證率得到了大大地提高。

(2)發(fā)電效益方面，常規(guī)優(yōu)化調(diào)度和生態(tài)優(yōu)化調(diào)度的發(fā)電量都比常規(guī)調(diào)度大。說明優(yōu)化調(diào)度后電站的發(fā)電量都會有一定程度的增加。但是考慮到沅江鯉生存需求的生態(tài)優(yōu)化調(diào)度的發(fā)電量要比常規(guī)優(yōu)化調(diào)度的發(fā)電量小，平水年少0.05億元，枯水年少0.14億元，可見兩者相差不大，說明生態(tài)調(diào)度對發(fā)電量沒有產(chǎn)生較大的損失。

表3 戛灑江一級生態(tài)調(diào)度與常規(guī)調(diào)度、常規(guī)優(yōu)化調(diào)度對比表Tab.3 The comparison table of ecological operation, conventional scheduling and conventional optimal scheduling

4 結(jié) 語

本文介紹了通過WUA～流量關(guān)系曲線圖可以求得最小生態(tài)流量，并以戛灑江一級水庫為例，提出了一種基于WUA的生態(tài)調(diào)度方法。所建生態(tài)調(diào)度模型以生態(tài)和發(fā)電作為目標(biāo)函數(shù)，分別得到豐、平、枯3個典型年的調(diào)度模擬結(jié)果，并將生態(tài)調(diào)度與常規(guī)調(diào)度、常規(guī)優(yōu)化調(diào)度方式下的結(jié)果作對比。結(jié)果表明，在滿足河道調(diào)度規(guī)則和不明顯影響發(fā)電收益的情況下，采取生態(tài)調(diào)度方式可以明顯改善河道目標(biāo)物種的生存需求，有利于目標(biāo)物種的生存和生態(tài)發(fā)展。

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