面向水資源及水生態(tài)的并聯(lián)水庫聯(lián)合調控研究

徐長江　熊明　杜濤　李立平　邵駿

摘要：水庫在正常調度運行的基礎上，通常僅考慮本工程下游近壩河段用水需求，如能結合水庫自身特點和上游及區(qū)間來水情況，兼顧下游干流關鍵控制斷面的用水需求，進行聯(lián)合調控，可進一步提高干流關鍵控制斷面最小下泄流量指標保證率。為此，構建了一套面向水資源及水生態(tài)的并聯(lián)水庫聯(lián)合調控方法體系，通過獲取并聯(lián)水庫干支流控制斷面流量需求指標和水庫及區(qū)間來流量，刻畫并聯(lián)水庫運行狀態(tài)，確定并聯(lián)水庫聯(lián)合調控目標，最終實現(xiàn)并聯(lián)水庫實時下泄流量優(yōu)化推求，并選取澧水流域作為實例研究進行驗證。結果表明：相比天然來水條件，并聯(lián)水庫單獨調控方案和聯(lián)合調控方案均能提高干支流控制斷面最小下泄流量保證率；并聯(lián)水庫聯(lián)合調控方法在保障支流斷面最小下泄流量指標保證率及發(fā)電效益的基礎上，能夠顯著提高干流控制斷面最小下泄流量指標保證率。研究成果可為提高并聯(lián)水庫水量利用率及下游控制斷面最小下泄流量保證率提供技術支撐。

關 鍵 詞：生態(tài)環(huán)境流量； 最小下泄流量； 并聯(lián)水庫； 聯(lián)合調控； 澧水流域

中圖法分類號： TV697.1 文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.011

0 引 言

為治理河流、開發(fā)利用水資源以緩解日益增長的水資源供需矛盾，人們通常采取筑壩建庫方式對河川徑流進行調節(jié)，這在產(chǎn)生巨大社會和經(jīng)濟效益的同時，也在一定程度上影響了工程下游河道的天然生態(tài)環(huán)境需求［1-3］。生態(tài)環(huán)境流量是一項維持河湖生態(tài)系統(tǒng)特定功能不喪失的重要表征指標，水庫在滿足自身開發(fā)任務的基礎上，下泄生態(tài)環(huán)境流量及滿足下游河道內外用水需求已成為水庫調度運行的一項重要任務并被納入考核。2021年實施的《中華人民共和國長江保護法》明確規(guī)定：長江干流、重要支流和重要湖泊上游的水利水電、航運樞紐等工程應將生態(tài)用水調度納入日常運行調度規(guī)程，建立常規(guī)生態(tài)調度機制，保證河湖生態(tài)流量。

近年來，諸多國內外學者針對水庫生態(tài)環(huán)境流量調控開展了大量研究工作［4-6］。Jager等［4］曾指出，通常采用的水庫優(yōu)化運行方案并未充分考慮水生生態(tài)系統(tǒng)需求，并提出了一種在滿足供水和發(fā)電等社會基本需求前提下的生態(tài)調度方法。朱金峰等［5］通過考慮生態(tài)流量目標需求，建立了沙河水庫群生態(tài)用水調度模型，調度結果可有效減小供水期末的生態(tài)破壞，并且顯著提高了最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量的保證率。陳志剛等［6］系統(tǒng)梳理了過去（2000年以前）和現(xiàn)在（2001～2019年）世界各地生態(tài)調度實踐的研究情況，并進一步對未來的研究作了展望。

并聯(lián)水庫在正常調度運行的基礎上，通常僅考慮本工程下游近壩河段用水需求，如能結合水庫自身特點和上游及區(qū)間來水情況，兼顧下游干流關鍵控制斷面的用水需求，進行聯(lián)合調控，可進一步提高干流關鍵控制斷面最小下泄流量指標保證率，高效支撐流域經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設。如何考慮并聯(lián)水庫下游不同河段對生態(tài)環(huán)境流量或最小下泄流量的不同要求，綜合考慮并聯(lián)水庫庫容條件、水庫上游及區(qū)間來水條件，最大限度地提高下游控制斷面的最小下泄流量的保證率，目前尚無成熟的方法。本研究擬構建一套面向水資源及水生態(tài)的并聯(lián)水庫聯(lián)合調控方法體系，通過獲取并聯(lián)水庫干支流控制斷面流量需求指標和水庫及區(qū)間來流量、刻畫并聯(lián)水庫運行狀態(tài)、確定并聯(lián)水庫聯(lián)合調控目標，最終實現(xiàn)并聯(lián)水庫實時下泄流量優(yōu)化推求，以期為提高并聯(lián)水庫水量利用率及下游控制斷面最小下泄流量保證率提供技術支撐。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

澧水為洞庭湖水系第四大河流，干流全長388 km，總落差1 439 m，小渡口以上流域面積18 564 km2，流域范圍為28°56′N～30°10′N，109°38′E～111°58′E（見圖1）。澧水流域屬亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，多年平均降水量約1 536 mm（1956～2016年，下同），多年平均水面蒸發(fā)量550～850 mm，多年平均天然徑流量約168億m3，約占洞庭湖區(qū)的8.1%［7-8］。溇水為澧水最大支流，河長248 km，流域面積5 048 km2；渫水為澧水第二大支流，河長171 km，流域面積3 201 km2。

溇水和渫水下游分別建有江埡和皂市兩座澧水流域控制性水利樞紐，控制面積分別為3 711 km2和3 000 km2。澧水下游石門斷面為澧水流域干流重要控制節(jié)點。

澧水支流溇水設有淋溪河、長潭河水文站，分別位于江埡水庫上、下游；支流渫水設有皂市水文站，位于皂市水庫下游；干流石門控制節(jié)點設有石門水文站。本研究收集了各站建站至2022年的逐日平均流量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來自湖南省水文局?？紤]到江埡、皂市兩座控制性水利樞紐工程分別于1998年10月、2007年10月下閘蓄水，樞紐建成投運對江埡、皂市、石門控制斷面的天然日均流量過程影響顯著［9-10］，故而本研究采用1953～1997年共45 a各斷面未受到工程調蓄影響的天然徑流系列進行實例研究，其中，江埡斷面逐日流量系列依據(jù)淋溪河、長潭河站推求。澧水流域干支流主要水文站基本情況見表1，江埡、皂市壩址及石門控制斷面1953～1997年天然日均流量-保證率（P）曲線見圖2。

2 研究方法

2.1 傳統(tǒng)水庫優(yōu)化調度

傳統(tǒng)水庫優(yōu)化調度實質即一定約束條件和解空間下的最優(yōu)化問題，目標函數(shù)可表示為［11］

max{F1（r），F(xiàn)2（r），…，F(xiàn)n（r）}（1）

式中：Fi（r）為第i個經(jīng)濟或社會效益目標，r為所有自變量組成的向量，n為目標個數(shù)。

傳統(tǒng)水庫優(yōu)化調度是通過水量平衡約束、水位約束、水輪機最大過機流量約束、出力約束等條件，結合實測長系列水文資料進行調節(jié)計算。以上調度模型大多以防洪、發(fā)電、灌溉、供水為目標，未能充分考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的用水需求。

2.2 面向水資源及水生態(tài)的并聯(lián)水庫聯(lián)合調控

根據(jù)澧水流域特性，本研究將干支流主要控制性工程及控制斷面拓撲結構概化如圖3所示。圖中：

QA生t、QB生t分別為并聯(lián)水庫A、B下泄生態(tài)環(huán)境流量或最小下泄流量需求，本研究中取皂市、江埡水庫的最小下泄流量，m3/s；

QC控t為干流控制斷面C要求的最小下泄流量，本研究中取石門斷面最小下泄流量，m3/s；

QAt、QBt分別為并聯(lián)水庫A、B來流量，m3/s；

QABCt為并聯(lián)水庫A、B與控制斷面C區(qū)間的來流量，m3/s；

QA下t、QB下t分別為并聯(lián)水庫A、B下泄流量，m3/s；

QC下t為并聯(lián)水庫A、B下泄流量與區(qū)間流量QABCt在干流控制斷面C處的合成流量，m3/s；

ZAt、ZA死、ZA高分別為并聯(lián)水庫A實時運行水位、死水位、正常高水位，m；

ZBt、ZB死、ZB高分別為并聯(lián)水庫B實時運行水位、死水位、正常高水位，m；

VAt、VBt分別為并聯(lián)水庫A、B實時運行水位與死水位之間的實時運行有效庫容，億m3；

VA、VB分別為并聯(lián)水庫A、B正常高水位與死水位之間的興利庫容，億m3。

基于此，本研究構建了一套面向水資源及水生態(tài)的并聯(lián)水庫聯(lián)合調控方法體系：① 獲取并聯(lián)水庫干支流控制斷面最小下泄流量指標和并聯(lián)水庫及區(qū)間來流量；② 刻畫并聯(lián)水庫運行狀態(tài)；③ 確定并聯(lián)水庫聯(lián)合調控目標；④ 并聯(lián)水庫實時下泄流量推求。

2.2.1 干支流控制斷面最小下泄流量指標及來流量確定

根據(jù)河流特性，確定并聯(lián)水庫A、B下游各自所處支流控制斷面、干流控制斷面C的最小下泄流量QA生t、QB生t和QC控t。其中，最小下泄流量系滿足河道內生態(tài)環(huán)境和河道外生產(chǎn)、生活、生態(tài)需水要求的河道控制斷面允許最小流量［12］，生態(tài)環(huán)境流量的計算方法主要包括水文學方法、水力學方法、水文-生物分析方法、生境模擬法或綜合評價法等［13-17］。

并聯(lián)水庫上游以及并聯(lián)水庫至干流控制斷面C之間的來流量QAt、QBt和QABCt，主要依據(jù)降水和水文資料由水文模型計算，亦可采用水庫或流域的水雨情自動測報系統(tǒng)成果［18］。

2.2.2 并聯(lián)水庫運行狀態(tài)評定刻畫

根據(jù)并聯(lián)水庫A、B的實時運行有效庫容VAt、VBt評定指標，將并聯(lián)水庫A、B的運行狀態(tài)刻畫為以下3種狀態(tài)。

3 結果分析

3.1 澧水流域干支流主要斷面流量需求指標

流域主要控制斷面流量需求指標通常經(jīng)分析研究后由管理部門批復確定，成果主要來自流域規(guī)劃、水量分配方案、水資源調度方案、環(huán)境影響評價、水資源論證、生態(tài)流量保障方案等。最初確定的澧水流域主要斷面（皂市、江埡、石門）最小下泄流量指標［19-20］：QA生t=35.0 m3/s，QB生t=17.0 m3/s，QC控t=78.0 m3/s。其中，石門為澧水流域干流出口控制斷面，相比于皂市、江埡斷面，石門節(jié)點，石門縣城所在地河道外用水需求較多，因此保障要求相對較高。管理部門通常以保證率不低于90%作為斷面最小下泄流量指標滿足程度考核標準。

3.2 最小下泄流量天然保證率分析

根據(jù)各斷面1953～1997年天然逐日流量系列繪制最小下泄流量天然保證率曲線，結果如圖5所示?？梢?，受限于天然來水條件，皂市斷面下游最小下泄流量指標天然保證率較低，僅為51.79%，江埡及石門控制斷面保證率相對較高，分別為88.67%和84.82%，但各斷面天然保證率均未達到90%。

3.3 并聯(lián)水庫單獨調控

兩并聯(lián)水庫在滿足自身調度規(guī)程的基礎上，分別考慮各自最小下泄流量需求，長系列調控結果如圖6和表2所示。結果表明：相比天然來水條件，經(jīng)皂市、江埡兩水庫單獨調控后，兩庫最小下泄流量保證率分別從51.79%，88.67%提高到80.97%，98.17%，受益于調控增泄，石門斷面最小下泄流量保證率也有較為顯著的提高，從84.82%提高到97.58%。

總體來看，相比天然來水條件，兩并聯(lián)水庫在滿足自身調度規(guī)則的基礎上，分別考慮各自最小下泄流量需求實施單獨調控，可提高干支流控制斷面最小下泄流量保證率，但對于皂市斷面，保證率提高有限，僅達到80.97%。經(jīng)過進一步研究，管理部門將皂市斷面最小下泄流量指標調整為22 m3/s［21］，在此基礎上分析并聯(lián)水庫單獨調控情況下各斷面指標保證率，結果如圖7和表3所示。

結果表明，皂市斷面最小下泄流量指標調整后，改變了皂市水庫出庫過程及干流石門斷面合成流量過程，最終各斷面最小下泄流量保證率均達到90%以上，實現(xiàn)了整體優(yōu)化。

3.4 并聯(lián)水庫聯(lián)合調控

進一步應用本研究提出的并聯(lián)水庫聯(lián)合調控方法，兩并聯(lián)水庫在滿足自身調度任務的基礎上，考慮各自最小下泄流量需求，同時兼顧干流石門斷面最小下泄流量需求，長系列調控結果如表4和圖8所示。結果表明：相比天然來水條件，經(jīng)皂市、江埡兩并聯(lián)水庫聯(lián)合調控后，各斷面最小下泄流量保證率均有較為顯著的提高，特別是干流石門控制斷面，保證率從天然的84.82%提高到聯(lián)合調控后的96.43%。

與并聯(lián)水庫單獨調控結果相比，在確保皂市、江埡斷面保證率不降低的前提下，本研究提出的并聯(lián)水庫聯(lián)合調控方式兼顧了下游干流關鍵控制斷面石門斷面的最小下泄流量需求，充分利用了并聯(lián)水庫的互濟作用，進一步提高了石門斷面保證率，從92.54%提高到96.43%。

由此可見，本研究所建立的并聯(lián)水庫聯(lián)合調控方法在保障支流斷面最小下泄流量指標保證率的基礎上，能夠顯著提高干流控制斷面最小下泄流量指標保證率。

3.5 并聯(lián)水庫興利效益分析

在皂市斷面調整最小下泄流量指標后，并聯(lián)水庫單獨調控方案下，皂市、江埡、石門斷面的最小下泄流量長系列保證率分別為92.45%，98.17%，92.54%，皂市、江埡水電站多年平均年發(fā)電量分別為2.96億kW·h和7.20億kW·h；并聯(lián)水庫聯(lián)合調控方案下，在確保皂市、江埡斷面最小下泄流量保證率和發(fā)電量不降低的前提下，通過充分發(fā)揮并聯(lián)水庫的調蓄互濟作用，石門斷面最小下泄流量長系列保證率提高至96.43%，更好地滿足了經(jīng)濟社會發(fā)展用水需求，實踐了生態(tài)保護。

4 結 論

對于有大型水利工程控制的流域，統(tǒng)籌考慮干支流斷面生態(tài)環(huán)境和河道內外用水需求，有助于實現(xiàn)科學合理配置水資源，保障河湖基本生態(tài)用水，確保水資源安全和生態(tài)安全，全力支撐經(jīng)濟社會高質量發(fā)展。本研究構建了一套面向水資源及水生態(tài)的并聯(lián)水庫聯(lián)合調控方法體系，將其應用于澧水流域進行實例研究，所得結論如下：

（1） 天然來水條件下，澧水流域皂市斷面最小下泄流量指標保證率較低，江埡及石門控制斷面保證率相對較高，但均低于90%。

（2） 相比天然來水條件，水庫通過調豐補枯，改變下泄過程，能顯著提高壩址斷面最小下泄流量保證率，并相應改善下游控制斷面的流量過程及用水條件。

（3） 相比單獨調控方案，本研究所建立的并聯(lián)水庫聯(lián)合調控方法在保障支流斷面最小下泄流量指標保證率及發(fā)電效益的基礎上，能夠顯著提高干流控制斷面最小下泄流量指標保證率，更好地支撐流域經(jīng)濟、社會、生態(tài)等綜合用水需求。

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［20］長江水利委員會.關于湖南省溇水江埡水利樞紐水資源調度方案的批復［R］.武漢：長江水利委員會，2019.

［21］長江水利委員會.關于湖南省渫水皂市水利樞紐水資源調度方案的批復［R］.武漢：長江水利委員會，2021.

（編輯：謝玲嫻）

Study on joint operation of parallel reservoirs considering both water resources and water ecology

XU Changjiang1，XIONG Ming1，DU Tao2，LI Liping1，SHAO Jun1

（1.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China； 2.Upper Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Chongqing 400020，China）

Abstract： On the basis of normal operation，reservoirs usually consider the water demand of downstream reach close to the dam.If the characteristics of reservoir itself and the upstream and regional inflow，the water demand of the key control section of downstream main stream can be considered and jointly regulated，the guarantee rate of the minimum discharge flow index of the key control section in the main stream can be improved.In this paper，a set of joint regulation method system orienting to water resources and water ecology was established.By obtaining the control section demand index of the mainstream and tributaries of the parallel reservoirs and the discharge of the reservoirs and the river interval，the operation states of the reservoirs were described，the joint regulation objectives of the reservoirs were determined，and the real-time discharge optimization of the reservoirs were finally realized.This paper chose the Lishui River Basin as an example study to verify.It is demonstrated that compared with the natural inflow conditions，the single regulation scheme and the joint regulation scheme of parallel reservoirs can both improve the guarantee rate of the minimum discharge flow at the control sections in the mainstream and tributaries.And the joint regulation scheme can significantly improve the guarantee rate of the minimum discharge index of the main flow control sections on the basis of ensuring the guarantee rate of the minimum discharge index and the power generation efficiency of the tributary section.The research results can be valuable references for improving both the water utilization rate of parallel reservoirs and the guarantee rate of the minimum discharge of the mainstream control section.

Key words： ecological environment flow；minimum discharge flow；parallel reservoirs；joint operation；Lishui River basin

收稿日期：2022-10-17

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2019YFC0408903）；長江水科學研究聯(lián)合基金項目（U2240201）

作者簡介：徐長江，女，正高級工程師，博士，主要從事水文分析與計算等方面的研究。E-mail：Xucj@cjh.com.cn