荒漠區(qū)平原水庫(kù)多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度能力與潛力分析

牟琳輝, 白 濤, 加沙爾·蒙古拜, 梁宇航

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710048;2.新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州伊犁水文勘測(cè)局, 新疆 伊犁 835000)

水資源是人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)向前發(fā)展不可或缺的基礎(chǔ)資源[1]。隨著如何實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與修復(fù)成為熱點(diǎn)問(wèn)題,許多學(xué)者針對(duì)塔里木河流域(簡(jiǎn)稱“塔河”)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)開(kāi)展了深入研究。鄧銘江等[2]結(jié)合塔里木河下游生態(tài)輸水的特點(diǎn)及方式、生態(tài)輸水后的生態(tài)環(huán)境變化,對(duì)塔河下游生態(tài)調(diào)度策略與模式進(jìn)行了初步探討。王光焰等[3]指出塔河流域內(nèi)用水存在大面積超載,導(dǎo)致中下游水量嚴(yán)重減少,引起生態(tài)問(wèn)題,并提出了生態(tài)調(diào)度、水權(quán)配置和生態(tài)補(bǔ)償、跨流域調(diào)水等未來(lái)生態(tài)修復(fù)方向。李麗琴等[4]針對(duì)內(nèi)陸干旱區(qū)城市發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的強(qiáng)烈互斥性,在整體識(shí)別內(nèi)陸干旱區(qū)水循環(huán)與生態(tài)演變耦合作用機(jī)理的基礎(chǔ)上,以塔河為例,構(gòu)建了基于生態(tài)水文閾值調(diào)控的水資源多維均衡配置模型。李均力等[5]利用Landsat 8 OLI、Sentinel-2A等遙感數(shù)據(jù),分析了2013—2018年荒漠河岸帶植被的時(shí)空變化特征,并結(jié)合地下水位數(shù)據(jù)分析了荒漠河岸帶植被對(duì)生態(tài)輸水的響應(yīng)。Zhang等[6]利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)評(píng)價(jià)模型和灰色關(guān)聯(lián)度,揭示了新疆生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化特征及其與人類(lèi)活動(dòng)的相互作用。白濤等[7]基于荒漠區(qū)耐旱性植被胡楊特殊的生物節(jié)律,提出了汊滲輪灌的灌溉理念,搭建了汊滲輪灌的基本框架。Xin等[8]計(jì)算了近30年來(lái)臺(tái)特瑪湖水域周邊的植被覆蓋率,分析了生態(tài)輸水前后植被覆蓋率與湖區(qū)的演變和驅(qū)動(dòng)因素。

綜合以往塔河流域生態(tài)保護(hù)的研究成果,主要側(cè)重于是否滿足“大西海子水庫(kù)年均下泄水量達(dá)到3.5億m3、有水到達(dá)臺(tái)特瑪湖(簡(jiǎn)稱臺(tái)湖)”的目標(biāo),而對(duì)于如何高效利用生態(tài)水資源研究不足,缺乏在水量剛性約束下對(duì)下游生態(tài)水資源的集約利用,無(wú)法充分發(fā)揮大西海子水庫(kù)對(duì)下游河道內(nèi)生態(tài)流量、河道外生態(tài)補(bǔ)水、補(bǔ)湖水量等多項(xiàng)用水的聯(lián)合調(diào)控作用,導(dǎo)致事先制定的水庫(kù)調(diào)節(jié)體系難以應(yīng)對(duì)水庫(kù)下游生態(tài)環(huán)境新形勢(shì),生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性無(wú)法得到根本性的改變。因此,本文以塔河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,結(jié)合干旱荒漠區(qū)自然屬性,改變傳統(tǒng)以單因子調(diào)度為主的思維定式,構(gòu)建面向生態(tài)系統(tǒng)的多保護(hù)對(duì)象的水庫(kù)中長(zhǎng)期生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型,采用融入人工經(jīng)驗(yàn)的自迭代模擬優(yōu)化算法求解,通過(guò)水庫(kù)實(shí)測(cè)調(diào)度能力與優(yōu)化潛力的對(duì)比分析,最大限度地滿足枯水期河道內(nèi)、河道外的生態(tài)流量以及補(bǔ)湖水量,創(chuàng)建一種新型集約調(diào)度模式,充分挖掘塔河下游顯著的生態(tài)調(diào)度潛力。研究結(jié)果對(duì)干旱荒漠區(qū)耗散型河段的水資源集約利用、河岸植被的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)域概況

西北干旱區(qū)具有降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、有水就有綠洲、無(wú)水皆為荒漠的典型干旱特征,資源性缺水與生態(tài)環(huán)境的脆弱性使得流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[9,10]。塔河是我國(guó)最長(zhǎng)的內(nèi)陸河流,全長(zhǎng)2 486 km,流域面積為25.86萬(wàn)km2[10,11]。自1972年大西海子水庫(kù)投運(yùn)以來(lái),下游350 km河道斷流近30年,塔里木河也成為中國(guó)乃至世界生態(tài)最為脆弱的流域之一[7,10,12]。研究區(qū)位于東經(jīng)39.45°～40.55°,北緯87.54°～88.42°之間,如圖1所示。

為遏制塔河下游生態(tài)環(huán)境惡化,保障阻隔兩大沙漠合攏的塔河下游生態(tài)防護(hù)體系,自2000—2021年,向大西海子水庫(kù)下游河道實(shí)施了22次生態(tài)輸水[13,14]。生態(tài)輸水后,隨著地下水位的抬升,天然植被得到拯救和恢復(fù),植被的響應(yīng)范圍也逐漸擴(kuò)大,但距實(shí)現(xiàn)保護(hù)塔河下游綠色走廊的目標(biāo)尚有很大差距[7]。河道枯水期的季節(jié)性斷流和粗獷的調(diào)度方式導(dǎo)致下游河道內(nèi)生態(tài)流量的年際變化過(guò)大,生態(tài)系統(tǒng)碎片化嚴(yán)重;生態(tài)供水過(guò)程無(wú)法滿足植被需水要求,導(dǎo)致在關(guān)鍵生態(tài)期無(wú)法為胡楊漂種、著床提供充足的生態(tài)水;缺乏水庫(kù)、生態(tài)閘等控制性水利設(shè)施,導(dǎo)致大量生態(tài)水注入尾閭湖臺(tái)湖,蒸發(fā)耗散嚴(yán)重,區(qū)域水資源分配嚴(yán)重不均[7,15]。塔河下游生態(tài)保護(hù)與修復(fù)任重道遠(yuǎn)。

鑒于此,為優(yōu)化區(qū)域水資源配置,實(shí)現(xiàn)旱區(qū)水資源集約利用,亟待創(chuàng)建一種新型水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模式。通過(guò)發(fā)揮大西海子水庫(kù)對(duì)下游河道內(nèi)生態(tài)流量、河道外生態(tài)補(bǔ)水、補(bǔ)湖水量等多項(xiàng)用水的聯(lián)合調(diào)控作用,將水庫(kù)生態(tài)調(diào)度與河道外保護(hù)性植被的生長(zhǎng)節(jié)律相結(jié)合,構(gòu)建水庫(kù)新型集約調(diào)度模式,優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度潛力,將生態(tài)水資源最大限度用于河道外植被生長(zhǎng)、發(fā)育,減少補(bǔ)湖水量,提高河道內(nèi)生態(tài)流量的保證程度,以最大效率合理利用塔河下游寶貴的生態(tài)水資源。

2 生態(tài)調(diào)度模型的建立

因塔河下游生態(tài)環(huán)境脆弱,多次放水實(shí)踐證實(shí),在沒(méi)有水庫(kù)調(diào)節(jié)的情況下,天然來(lái)水難以順利流達(dá)臺(tái)特瑪湖,大西海子水庫(kù)成為了一座專門(mén)用于生態(tài)供水的水庫(kù)(無(wú)農(nóng)業(yè)灌溉供水需求)。由于大西海子水庫(kù)入庫(kù)的資料較少,本文基于恰拉水文站不同保證率的年徑流量成果,借用阿拉爾水文站到恰拉水文站區(qū)間單位長(zhǎng)度河道衰減率,將恰拉水文站不同保證率的設(shè)計(jì)年徑流量推算至大西海子水庫(kù)斷面[16]。結(jié)果表明,受冰川融雪洪水影響,塔河下游的大西海子水庫(kù)來(lái)水從每年4月開(kāi)始,5月中下旬至6月下旬出現(xiàn)季節(jié)性斷流,到7月下旬來(lái)水陡增,至9月中、下旬達(dá)到峰值,11月中下旬以后來(lái)水急劇減少,隨后進(jìn)入季節(jié)性斷流時(shí)段。由此可見(jiàn),大西海子水庫(kù)來(lái)水主要集中在每年7～10月。同時(shí),10月份為胡楊和檉柳的集中落種繁育期[17]。從生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的角度看,生態(tài)調(diào)度輸水時(shí)段應(yīng)與天然植物落種時(shí)間相契合[18],因此,本文以10月作為河道外胡楊林生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵期。

根據(jù)塔河一期規(guī)劃,大西海子水庫(kù)年平均下泄水量不得低于3.5 億m3,但由于塔河干流缺水嚴(yán)重,在連續(xù)枯水年無(wú)法保證3.5億m3的生態(tài)補(bǔ)水,需要到豐水年再對(duì)其補(bǔ)充,以保證年均下泄水量達(dá)3.5億m3。本文將通過(guò)對(duì)長(zhǎng)系列水文資料的計(jì)算,制定精細(xì)化的水庫(kù)調(diào)度方案,最大限度保證每年的下泄水量更均衡,水資源分配更加合理。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

1) 由于塔河為季節(jié)性河流,沒(méi)有生態(tài)基流,本文將有水到達(dá)臺(tái)特瑪湖的下泄流量作為河道內(nèi)生態(tài)流量,以提高河道內(nèi)生態(tài)流量保證程度為目標(biāo),最大限度減少河道斷流時(shí)間,避免周?chē)鷳B(tài)環(huán)境遭到不可恢復(fù)的破壞。

(1)

式中:N為調(diào)度期年數(shù);T為一年內(nèi)總月份;q″i,j為調(diào)度期內(nèi)第i年第j月河道內(nèi)生態(tài)流量,m3/s;Ws為允許的河道內(nèi)最小生態(tài)需水量,億m3;Δt為月時(shí)段差;ε為計(jì)算精度,本文取0.01億m3。

(2)

式中:Pi為第i年河道內(nèi)生態(tài)流量保證程度,%;P為允許的河道內(nèi)最小生態(tài)流量保證程度,%。

2) 在合理的湖面面積條件下,保證合適的入湖水量,避免因湖面面積過(guò)大而無(wú)效蒸發(fā)。

(3)

式中:q′i,j為第i年第j月入湖流量,m3/s;W1為允許的最小多年平均入湖水量,億m3。

3) 將節(jié)約的水資源最大限度地應(yīng)用于河道外生態(tài)屏障的構(gòu)筑,增加胡楊灌溉面積。

(4)

式中:W為河道外可供生態(tài)水量,億m3;Wi為第i年調(diào)度期內(nèi)河道外可供生態(tài)水量,億m3。

2.2 約束條件

1) 水庫(kù)水量平衡約束

(5)

式中:Vt為t時(shí)刻水庫(kù)庫(kù)容,億m3;It為t時(shí)刻入庫(kù)流量,m3/s;qt為t時(shí)刻下泄流量,m3/s;Δt為t時(shí)刻、t-1時(shí)刻的時(shí)段長(zhǎng)。

2) 庫(kù)容約束

Vmin≤Vt≤Vmax

(6)

式中:Vmin為死庫(kù)容,億m3;Vmax為興利庫(kù)容,億m3。

3) 水位約束

Zmin≤Zt≤Zmax

(7)

式中:Zmin為死水位,m;Zmax為正常蓄水位,m。

4) 下泄流量約束

(8)

5) 下泄總水量約束

(9)

式中:qi,j為第i年第j月下泄生態(tài)流量,m3/s;We為允許的最小多年平均下泄生態(tài)水量,億m3。

6) 變量非負(fù)約束等。

3 模型求解

3.1 模型處理

一般來(lái)說(shuō),處理水庫(kù)多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度主要有兩種方法:一種是通過(guò)確定最重要的目標(biāo),將多個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為一個(gè)主目標(biāo),然后將剩余的子目標(biāo)作為約束條件[19];另一種則是將各子目標(biāo)合并為一個(gè)總體目標(biāo),一般通過(guò)子目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)[20]進(jìn)行合并。求解子目標(biāo)權(quán)重值的方法有很多,如層次分析法[21-22]、交互式多目標(biāo)決策方法[23-24]等。

本文選用第一種方法求解多目標(biāo)模型。以河道外生態(tài)水量最大為主目標(biāo),將式(1)中的Ws轉(zhuǎn)化為河道內(nèi)生態(tài)水量約束,將式(2)中的P轉(zhuǎn)化為生態(tài)流量保證程度約束,將式(3)中的Wl轉(zhuǎn)換為補(bǔ)湖水量約束,從而將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題,并在模型中融入人工經(jīng)驗(yàn),對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行求解。由于塔里木河存在季節(jié)性斷流,水資源匱乏嚴(yán)重,本文將最大限度滿足目標(biāo)約束,以輸出最優(yōu)調(diào)度結(jié)果。

3.2 融入人工經(jīng)驗(yàn)的調(diào)度規(guī)則

大西海子水庫(kù)為年調(diào)節(jié)水庫(kù),本文以月為調(diào)度時(shí)段,年為調(diào)度周期,進(jìn)行長(zhǎng)系列調(diào)度模擬。塔河屬于季節(jié)性河流,大西海子水庫(kù)無(wú)法保證全年12個(gè)月放水,其調(diào)度規(guī)則如下:

1) 水庫(kù)于當(dāng)年4月起調(diào),在蓄水過(guò)程中保證下泄水量不低于最小生態(tài)流量,若來(lái)水過(guò)小,無(wú)法滿足下泄要求,則停止下泄;

2) 7月下旬起來(lái)水陡增,水庫(kù)蓄水至正常蓄水位,若來(lái)水過(guò)小,無(wú)法保證水庫(kù)于10月蓄滿,則停止下泄;若水量較大,則保證下泄流量不低于河道內(nèi)最小生態(tài)流量;

3) 生態(tài)關(guān)鍵期10月,水庫(kù)以最大生態(tài)調(diào)度流量集中下泄,以實(shí)現(xiàn)10月河道外生態(tài)輸水最大化以及輸水入臺(tái)湖的目標(biāo);

4) 若水庫(kù)蓄水較多,生態(tài)關(guān)鍵期10月水庫(kù)未放至死水位,則多余水量在11月至來(lái)年3月(枯水期)以最小生態(tài)流量均勻下泄至死水位,盡可能保證枯水期河道不斷流,維系塔河下游生態(tài)系統(tǒng)的完整性。

3.3 約束條件值的確定

1) 汛期為每年8月1日至9月30日,控制水位不超過(guò)849.25m,水庫(kù)在10月集中下泄至合理水位846.61m(見(jiàn)表1)。

表1 水庫(kù)特征水位及庫(kù)容Tab.1 Characteristic water level and storage capacity of reservoir

2) 根據(jù)塔河一期綜合治理規(guī)劃,大西海子水庫(kù)年均下泄水量不得小于3.5億m3。

3) 根據(jù)下游河道實(shí)測(cè)斷面,運(yùn)用曼寧公式計(jì)算得到塔河下游最大生態(tài)調(diào)度流量為40 m3/s,結(jié)合歷年生態(tài)輸水流量,保證塔河一期規(guī)劃有水到達(dá)臺(tái)特瑪湖,據(jù)此確定塔河下游河道內(nèi)最小生態(tài)流量為15 m3/s[2]。

4) 年均河道內(nèi)最小生態(tài)調(diào)度流量保證程度為85%。

5) 多目標(biāo)生態(tài)需水量:河道內(nèi)年最小生態(tài)需水量為2.04×108m3[2],兩河區(qū)間年生態(tài)需水量為1.39×108m3[2],維系臺(tái)湖適宜湖面面積的生態(tài)需水量約為3×107m3[2]。

3.4 求解步驟

本文采用自迭代模擬優(yōu)化算法,在優(yōu)化模型中融入人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行求解,算法技術(shù)路線如圖2,求解步驟如下:

圖2 模型求解步驟Fig.2 Model solving step

Step1:輸入基本資料,包括大西海子水庫(kù)特征參數(shù)及來(lái)水過(guò)程等數(shù)據(jù);

Step2:擬定初始下泄水量;

Step3:根據(jù)融入人工經(jīng)驗(yàn)的調(diào)度規(guī)則,合理分配下泄水量;

Step4:根據(jù)長(zhǎng)系列計(jì)算指標(biāo)及目標(biāo)函數(shù),輸出計(jì)算結(jié)果;

Step5:判斷輸出是否滿足補(bǔ)湖水量約束,若不滿足則反饋修正,重新擬定下泄水量;若滿足,進(jìn)入下一步;

Step6:判斷輸出是否滿足年均河道內(nèi)水量約束,若不滿足則反饋修正,重新擬定下泄水量;若滿足,進(jìn)入下一步;

Step7:判斷輸出結(jié)果是否滿足年均河道內(nèi)生態(tài)流量保證程度約束,若不滿足則反饋修正,重新擬定下泄水量;若滿足,進(jìn)入下一步;

Step8:輸出最優(yōu)調(diào)度結(jié)果,計(jì)算結(jié)束。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 調(diào)度范圍及周期

本次水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的范圍為從大西海子水庫(kù)至尾閭湖臺(tái)湖。中長(zhǎng)期調(diào)度以2000年4月至2020年3月共20年作為調(diào)度期,以月為計(jì)算時(shí)段。

4.2 生態(tài)輸水方式及水庫(kù)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

1) 生態(tài)輸水方式。①單通道輸水,在來(lái)水量較少的情形下,利用其文闊爾河或老塔里木河其中的一條通道輪換輸水;②雙通道輸水,利用其文闊爾河和老塔里木河兩條通道同時(shí)輸水;③汊河輸水,在主河道輸水過(guò)程中,利用兩岸自然分布的汊河實(shí)施生態(tài)輸水,擴(kuò)大天然植被受水范圍;④面狀輸水,在河道上修建壅水壩或節(jié)制閘,營(yíng)造河水漫溢條件,擴(kuò)大河道沿線受水范圍[25]。

2) 水庫(kù)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。大西海子水庫(kù)至阿拉干段,主河道分為東西兩支,西支為老塔里木河,東支為其文闊爾河,它們于阿拉干站匯合。地下水監(jiān)測(cè)斷面包括英蘇、阿拉干、依干布及麻、臺(tái)湖等。

結(jié)合塔里木河下游耗散型河段水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀,繪制涵蓋大西海子水庫(kù)、水文站、3個(gè)重要控制斷面、河道生態(tài)閘和湖泊等節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的水庫(kù)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖,如圖3所示。通過(guò)優(yōu)化調(diào)度,實(shí)現(xiàn)了控制補(bǔ)湖水量、保證河道內(nèi)生態(tài)流量、提高兩河區(qū)間生態(tài)供水的多生態(tài)目標(biāo)。

4.3 多目標(biāo)結(jié)果分析

為挖掘荒漠區(qū)平原水庫(kù)的生態(tài)調(diào)度潛力,本文通過(guò)自主研發(fā)的漂流浮球勘測(cè)下游耗散型河段各斷面的生態(tài)流量及其流達(dá)過(guò)程,以20年來(lái)大西海子水庫(kù)生態(tài)輸水后塔河下游各區(qū)域耗水過(guò)程作為實(shí)測(cè)能力,以轉(zhuǎn)變新型調(diào)度模式后各區(qū)域水量變化過(guò)程作為優(yōu)化潛力值,通過(guò)實(shí)測(cè)值、優(yōu)化值及目標(biāo)值三者的對(duì)比分析,揭示荒漠區(qū)平原水庫(kù)調(diào)度能力和調(diào)度潛力之間的量化關(guān)系,主要包括水庫(kù)調(diào)度過(guò)程分析、河道內(nèi)外生態(tài)流量分析及補(bǔ)湖水量分析。

4.3.1 水庫(kù)調(diào)度過(guò)程分析

在優(yōu)化調(diào)度分析中,以大西海子水庫(kù)長(zhǎng)系列水位變化過(guò)程來(lái)驗(yàn)證模型及其算法的合理性。長(zhǎng)系列水位變化過(guò)程見(jiàn)圖4,下泄水量實(shí)測(cè)、優(yōu)化調(diào)度過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖4 長(zhǎng)系列水位變化過(guò)程Fig.4 Long series of water level changes

1) 經(jīng)計(jì)算,2000年4月至2020年3月共241個(gè)月的中長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度過(guò)程中,大西海子水庫(kù)多年平均來(lái)水量5.25億m3,多年出庫(kù)下泄水量3.87億m3,入庫(kù)、出庫(kù)水量差額與大西海子水庫(kù)庫(kù)容、水位變化一致,蓄放水過(guò)程滿足水量平衡,驗(yàn)證了優(yōu)化調(diào)度結(jié)果的合理性、可靠性。

2) 大西海子水庫(kù)的水位在死水位846.61m至正常蓄水位849.28m之間波動(dòng),符合水位約束條件,多年平均水位為847.99m;20年的中長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度過(guò)程中,水庫(kù)蓄滿7次,庫(kù)滿率10.3%,放空33次,庫(kù)空率46.6%,滿足了水庫(kù)年平均下泄水量3.5億m3、有水到達(dá)臺(tái)湖的基本目標(biāo),且大幅度提高了水庫(kù)的運(yùn)行效率。

3) 在水庫(kù)下泄水量的剛性約束下,實(shí)測(cè)出庫(kù)水量3年為零,出庫(kù)水量變化呈現(xiàn)年內(nèi)、年際分布極不均勻的特點(diǎn),且出庫(kù)水量主要集中在7～10月,導(dǎo)致枯水期河道斷流,生態(tài)系統(tǒng)呈碎片化狀態(tài);從優(yōu)化調(diào)度后出庫(kù)水量的變化過(guò)程來(lái)看,水庫(kù)4月起調(diào),蓄水至10月集中下泄,枯水期均勻下泄,出庫(kù)水量?jī)H有1年為零,盡最大可能保障了河道內(nèi)生態(tài)流量不為0,實(shí)現(xiàn)了年調(diào)節(jié)水庫(kù)的“蓄豐補(bǔ)枯”作用。

4.3.2 河道內(nèi)生態(tài)流量分析

針對(duì)塔河下游河段耗散性嚴(yán)重、季節(jié)性斷流且全年無(wú)穩(wěn)定生態(tài)流量等實(shí)際問(wèn)題,本文通過(guò)調(diào)節(jié)大西海子水庫(kù)的調(diào)度模式,將塔河下游分為四個(gè)區(qū)段:大西海子—英蘇段、英蘇—阿拉干段、阿拉干—依干布及麻段、依干布及麻—臺(tái)湖段。對(duì)比實(shí)測(cè)及優(yōu)化后各區(qū)段年平均耗水量的差異性(見(jiàn)圖6),分析塔河下游各區(qū)段耗水過(guò)程。

圖6 長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)、優(yōu)化調(diào)度下各河段年平均耗水量對(duì)比Fig.6 Comparison of annual average water consumption of each river section under long-term measured and optimized operation

由圖6可知。

1) 實(shí)測(cè)調(diào)度滿足生態(tài)流量的月份占比50.0%,生態(tài)流量不為0的年份占比85.0%,河道內(nèi)生態(tài)流量及不穩(wěn)定。優(yōu)化后,滿足生態(tài)流量的月份占比提高13.2%,年生態(tài)流量保證程度提高15.0%,減少斷流天數(shù)超過(guò)1 500天,且均滿足設(shè)計(jì)保證率要求,驗(yàn)證了本文優(yōu)化調(diào)度模式的有效性,大幅提高了下游河道兩岸生態(tài)系統(tǒng)的完整性,維護(hù)了河岸保護(hù)性植被的穩(wěn)定性。

2) 相較實(shí)測(cè)中大量生態(tài)水資源在河道內(nèi)蒸發(fā)耗散的現(xiàn)狀,優(yōu)化后河道內(nèi)各區(qū)段的蒸發(fā)損耗水量占比減小,有效保障了河道生態(tài)流量不為0,為兩河區(qū)間植被的生長(zhǎng)發(fā)育奠定了堅(jiān)實(shí)的水量基礎(chǔ)。

4.3.3 補(bǔ)湖水量分析

研究表明,隨著臺(tái)湖面積的持續(xù)擴(kuò)大,將嚴(yán)重危及區(qū)域生態(tài)環(huán)境健康[7]。因此,本節(jié)將通過(guò)優(yōu)化調(diào)度,使臺(tái)湖面積控制在合理區(qū)間。計(jì)算長(zhǎng)系列優(yōu)化調(diào)度前后的補(bǔ)湖水量過(guò)程,如圖7所示。

圖7 長(zhǎng)系列臺(tái)湖補(bǔ)湖水量的實(shí)測(cè)、優(yōu)化調(diào)度過(guò)程Fig.7 Actual measurement and optimal operation process of lake rechargewater volume of the long series of Taihu Lake

1) 實(shí)測(cè)補(bǔ)湖水量多年平均3 376萬(wàn)m3,優(yōu)化后補(bǔ)湖水量多年平均3 086.45萬(wàn)m3,較實(shí)測(cè)值減少了289.5萬(wàn)m3,有效控制了臺(tái)湖面積,減少了塔河下游生態(tài)水資源的無(wú)效蒸發(fā)。

2) 實(shí)測(cè)臺(tái)湖補(bǔ)湖水量在148萬(wàn)m3～10 882萬(wàn)m3之間波動(dòng),且連續(xù)3年補(bǔ)湖水量為0,補(bǔ)湖水量變化極不均勻。優(yōu)化后補(bǔ)湖水量趨于均勻化,補(bǔ)湖水量于2002—2003年出現(xiàn)最低值,為698萬(wàn)m3,2010—2011年出現(xiàn)最高值,為7 239萬(wàn)m3,僅一年入湖水量為零,在節(jié)省了大量生態(tài)水資源的同時(shí),大大提升了補(bǔ)湖水量的穩(wěn)定性,為穩(wěn)定臺(tái)湖周邊生態(tài)環(huán)境提供了有力保證。

4.3.4 河道外生態(tài)水量分析

由4.3.3節(jié)可知,優(yōu)化調(diào)度后補(bǔ)湖水量減少至一定范圍有利于保障臺(tái)湖周邊生態(tài)穩(wěn)定性。將可供水量最大限度應(yīng)用于河道外生態(tài)修復(fù),發(fā)揮塔河下游生態(tài)水資源的最大價(jià)值。

綜合考慮河岸保護(hù)性植被的生長(zhǎng)節(jié)律,選定胡楊漂種的生態(tài)關(guān)鍵期10月令水庫(kù)集中下泄,盡可能保障胡楊等保護(hù)性植被的飄種、著床、萌發(fā)、生長(zhǎng)與發(fā)育。優(yōu)化調(diào)度前后每年10月兩河區(qū)間的供水過(guò)程如圖8所示。

圖8 10月河道外可供水量對(duì)比圖Fig.8 Comparison map for available water supply outside river in October

1) 在胡楊漂種的關(guān)鍵生態(tài)期,實(shí)測(cè)兩河區(qū)間可供水量多年平均為9 277萬(wàn)m3,優(yōu)化后兩河區(qū)間可供水量平均增加6 127萬(wàn)m3,較實(shí)測(cè)值提高了66%。大幅提高了河岸保護(hù)性植被的受水面積,抬高了兩河區(qū)間地下水位,為建立 “地下生態(tài)水銀行”打下了堅(jiān)實(shí)的水量基礎(chǔ)。

2) 實(shí)測(cè)河道外供水量變化明顯,且連續(xù)3年可供水量為0。優(yōu)化后供水變化趨于穩(wěn)定,在3年無(wú)入庫(kù)水量的情況下,僅1年無(wú)法供水,為重建兩河區(qū)間生態(tài)系統(tǒng)提供了重要保障。

綜上所述,通過(guò)采用新型調(diào)度模式,水庫(kù)優(yōu)化潛力較實(shí)測(cè)能力得到顯著提高,最大限度滿足了塔河下游多目標(biāo)生態(tài)要求,有效緩解了塔河下游區(qū)域水資源供需矛盾,驗(yàn)證了大西海子水庫(kù)顯著的生態(tài)調(diào)度潛力。在水資源剛性約束下,有效提高了生態(tài)水資源的集約利用效率,提高了河道周邊植被多樣性和群落穩(wěn)定性;減少補(bǔ)湖水量,重構(gòu)區(qū)域水資源配置關(guān)系。

5 結(jié) 論

1) 以河道外可供生態(tài)水量最大為目標(biāo)函數(shù),建立塔河下游多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度模型,采用自迭代模擬優(yōu)化算法并融入人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行求解,獲得了水庫(kù)中長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度計(jì)算結(jié)果,驗(yàn)證了模型的合理性、可靠性。

2) 在滿足塔河一期綜合治理規(guī)劃目標(biāo)的前提下,結(jié)合耗散型河段的時(shí)空演變規(guī)律,綜合考慮兩河區(qū)間生態(tài)系統(tǒng)變化的響應(yīng)關(guān)系,通過(guò)構(gòu)建新型集約調(diào)度模式,優(yōu)化了塔河下游水資源配置,保證在水資源剛性約束下實(shí)現(xiàn)塔河下游的生態(tài)效益最大化,驗(yàn)證了荒漠區(qū)平原水庫(kù)顯著的生態(tài)調(diào)度潛力。

3) 量化了水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行中耦合徑流過(guò)程與生態(tài)系統(tǒng)變化的響應(yīng)關(guān)系,在采用新型調(diào)度模式后,優(yōu)化調(diào)度結(jié)果滿足了兩河區(qū)間植被生態(tài)需水、補(bǔ)湖水量、河道內(nèi)生態(tài)流量保證程度的要求,體現(xiàn)了干旱荒漠區(qū)水資源集約利用的治水方針。

本文僅考慮了塔河下游大西海子水庫(kù)調(diào)度下的生態(tài)水資源優(yōu)化配置,下一步將考慮補(bǔ)湖水量與河道外生態(tài)水量的脅迫關(guān)系,以尋求適宜的臺(tái)湖面積對(duì)應(yīng)的入湖水量與河道外最大生態(tài)供水量的閾值關(guān)系,從而進(jìn)一步提高水資源集約利用效率,助力塔河生態(tài)體系修復(fù)。