基于人造洪峰的三峽梯級生態調度仿真分析

李清清，覃 暉，陳廣才，楊春花

（長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

基于人造洪峰的三峽梯級生態調度仿真分析

李清清，覃 暉，陳廣才，楊春花

（長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

為分析三峽-葛洲壩梯級電站（三峽梯級）生態調度效果及其影響，從保證三峽梯級下游河道生態流量、改善江湖連通和保護生物多樣性等方面出發，制定了三峽梯級的生態調度目標，并在常規調度的基礎上提出基于人工造峰的生態調度方法，通過多種調度方式的仿真結果，分析了不同來水條件下三峽梯級生態調度的效果，揭示了不同生態調度目標之間的影響以及人工造峰對防洪調度和發電效益的影響。研究成果可為開展三峽梯級生態調度實踐提供借鑒。

三峽梯級；水庫生態調度；生態流量；江湖關系；人造洪峰

1 概 述

三峽水庫作為長江干流的重要水利樞紐工程，其建成運行改變了河道的天然水文情勢，成為影響下游水生生境的重要原因之一。為消除或減少水庫調度對下游水生生境的不利影響，需要采取有效的生態調控措施。

水庫生態調度作為一種非工程生態修復措施，在國外得到了廣泛研究和應用，但國內尚處于研究階段。文獻［1］指出，可以通過改變大壩運行規則來恢復河流生態流量，并針對不同用途的大壩制定了相應的生態調度規則。文獻［2］從生態足跡和生態承載能力的角度分析三峽工程的影響，指出大壩建成運行可能破壞下游魚類的產卵場，對魚類產卵繁殖造成影響。文獻［3－6］分別從不同角度得出了滿足魚類產卵的水文水力學條件，為制定面向魚類保護的生態調度方案提供了依據。文獻［7］考慮社會、經濟和生態效益，建立并求解了多目標生態調度模型，該模型沒有考慮水生生物的生態水文需求。文獻［8］提出了生態流量上下限的時間過程線和以之為基礎的生態調度模型，這種方式通過在常規調度中設置流量約束即可實現，可行性好。文獻［9］以錦屏梯級電站為例，考慮下游河道魚類生態需水，建立了梯級生態調度模型，為三峽梯級生態調度提供了借鑒。文獻［10］考慮河流生態蓄水量和生態洪水模擬，建立并求解了水庫生態調度模型，但缺乏對人工造峰方式及其影響的分析。文獻［11］根據四大家魚產卵需求提出了三峽梯級人造洪峰的調度方式，但由于其調度時段長度為月，無法在調度模型中考慮人工造峰。

本文基于三峽水庫建成后制定的三峽梯級生態調度目標，確定了三峽梯級生態調度約束和人工造峰需求，據此提出了三峽梯級生態調度方式，并對不同來水條件下多種調度方式進行仿真分析，揭示三峽梯級生態調度的效果及其影響，為三峽梯級開展生態調度提供借鑒。

2 生態調度目標

三峽梯級生態調度實施方式，是通過修改水庫調度方案減少工程投運引發的流域生態問題，為此，首先需要確定生態調度目標。

從保證河道基本生態流量、改善江湖連通和保護魚類產卵繁殖3個生態目標出發，制定三峽梯級生態調度目標。根據文獻［2－6］，四大家魚產卵繁殖期為5－6月份，本文主要考慮利用長江干流和洞庭湖水系汛期不同步的特性改善江湖連通，重點關注洞庭湖水系洪水期4－6月。為此，三峽梯級生態調度的研究時段為4－6月。

2.1 基本生態流量

以三峽建壩前1950－2002年的宜昌站水文資料為例，采用逐日最小生態流量法，確定4－6月三峽水庫壩下河道基本生態流量，如圖1所示。

圖1 三峽梯級下游河道4－6月份基本生態流量Fig.1 Basic ecologic flow in the downstream channel of Three Gorges Cascades from April to June

2.2 改善江湖連通

利用洞庭湖水系洪水期（4－6月份）早于長江干流汛期的特點，減小長江干流水利工程的下泄流量，可以減輕對洞庭湖水系出流的頂托作用。根據三峽建壩前宜昌水文站1962－1996年共計35 a的4－6月份歷史日徑流監測數據，求解出歷史同期流量最大值，作為水庫調度的最大生態流量約束，結果如圖2。

圖2 三峽梯級下游河道4－6月份最大日均流量Fig.2 Maximum average daily flow in the downstream channel of Three Gorges Cascades from April to June

2.3 保護魚類產卵繁殖

《意見稿》強調，智能快件箱運營企業對其運營的智能快件箱，應當自智能快件箱運營之日起二十日內向所在地省級以下郵政管理機構辦理末端網點備案手續。智能快件箱運營企業對其設立的智能快件箱應當按照其地理位置和服務區域明確其具體名址，并在智能快件箱顯著位置標明以供辨識。

三峽水庫每年5－6月的放水方式對長江中游四大家魚的產卵繁殖規模具有明顯影響。文獻［3－6］指出四大家魚繁殖的生態水文條件之一是特定的洪峰條件，并提出了相關的造峰方式，具體如表1所示。

綜合考慮上述人工造峰調度方式，制定人工造峰調度方案如下：在5月至6月期間設置2次洪水，2次洪水開始時間隨機產生；每次洪水期間，8～10 d漲水，8～10 d落水，漲水規模（流量）逐日增加，落水與漲水相對稱，形成人造洪峰；2次洪水開始時間相隔20～25 d。

3 三峽梯級生態調度方式

以4月至6月為調度期，以日為調度時段，在三峽電站調度規則的基礎上進行人工造峰。調度規則以調度圖為基礎，具體如圖3所示。三峽梯級電站特征參數如表2所示。

表1 相關文獻提出的人工造峰調度方式Table 1 M an-made flood operation methods from different references

圖3 三峽電站調度圖Fig.3 Operation of Three Gorges hydropower plant

表2 三峽梯級電站特征參數Table 2 Characteristic parameters of Three Gorges hydropower plant

調度約束條件如下：

（1）水位（庫容）約束Zi，t≤Zi，t≤Zˉi，t。其中，i為電站編號；i＝1代表三峽；i＝2代表葛洲壩；Zi，t為第i個電站第t時段的水庫水位；Zi，t和Zˉi，t分別為水位上下限。

（2）出力約束Ni，t≤Ni，t≤ˉNi，t。其中，Ni，t，Ni，t和ˉNi，t為第i個電站第t時段的電站出力及出力上限和下限。

（3）過流流量約束Qi，t≤Qi，t≤ˉQi，t。其中，Qi，t，Qi，t和ˉQi，t分別為第i個電站第t時段下泄流量及下泄流量上限和下限。

（5）水庫間的水力聯系Ii，t＝Qi－1，t－τi－1＋qi，t。其中，Qi－1，t－τi－1為上游電站的出庫流量，τi－1為第i－1個電站到第i個電站的水流流達時間，qi，t為電站i在時段t的區間入流。

（6）生態流量約束Qs，t≤Qs，t≤ˉQs，t。其中，Qs，t和ˉQs，t分別為生態流量上下限約束。

（7）水庫水位變幅約束和流量約束。三峽水庫和葛洲壩水庫水位日變幅約束為0.6 m，流量日變幅約束為10 000 m3／s；在約束條件中，過流流量約束和不同的生態流量約束的交集為生態調度的流量約束。

綜合考慮上述約束和造峰方案，制定生態調度方式如下：4－6月期間整體上按照常規方式進行調度，在不違反各種約束的基礎上，造峰期間按照流量控制方式進行調度，第一次洪峰開始時間在5月5日和5月10日之間隨機產生，相隔20～25 d之后產生第二次洪峰。

4 模型求解及仿真

對宜昌站1962－1996年共計35 a的4－6月總徑流量系列進行頻率分析，分別選取頻率為25%，50%，75%的來水作為豐水年（典型年1968年）、平水年（典型年1995年）和枯水年（典型年1982年）三峽水庫的入庫流量。

為分析不同生態約束方案的效果和影響，分別對4種不同調度方式進行仿真計算，具體如下：方式1，不考慮生態約束；方式2，考慮生態流量約束；方式3，考慮生態流量約束和改善江湖連通；方式4，考慮人工造峰，造峰時不考慮水位變幅約束和流量變幅約束，不考慮生態流量約束和改善江湖連通需求；方式5，考慮生態流量約束、改善江湖連通和人工造峰，造峰時不考慮水位變幅和流量變幅約束。

在VS2008平臺上采用C＃語言實現程序仿真，數據庫管理程序采用SQL Server 2000。

5 調度結果分析

為分析不同調度方式的效果，計算出豐水年、平水年和枯水年3種不同來水條件下三峽梯級4種調度方式的結果，具體如圖4至圖6所示。

5.1 生態流量約束的影響

根據圖4至圖6可知，不同水平年來水條件下，調度方式1和方式2的三峽水庫水位過程和下泄流量過程均相同，這說明本文考慮的河道生態流量對常規調度影響很小。平水年和枯水年條件下調度方式1和方式3的結果相同，而豐水年時調度方式3與方式1的結果略有不同，主要體現在代表江湖連通需求的歷史最大流量對來水豐沛時下泄流量的限制。從另一個角度來看，現有常規調度基本滿足了這兩方面的生態約束或僅需要少量調整即可滿足。由于河道生態流量確定方法很多、江湖連通需求需要進一步明確，這兩方面的生態約束與常規調度方式的結合及其相互影響需要進一步研究。

5.2 生態調度目標之間的影響

圖4 豐水年三峽梯級不同調度方式的結果Fig.4 Operation resu lts of Three Gorges Cascades by different operation methods in high flow year

圖5 平水年三峽梯級不同調度方式的結果Fig.5 Operation results of Three Gorges Cascades by different operation methods in median flow year

對比調度方式4和方式5，分析生態調度目標的相互影響。通過分析，河道基本生態流量約束和改善江湖連通約束構成的流量約束區間序列可視為水庫最大最小流量約束序列的子集。該子集對人工造峰的影響主要體現在起始時間的邊界條件上。方式4在人工造峰前最大水量約束為水庫下泄流量約束，遠大于最大歷史流量約束，容易下泄過多的水量，導致造峰時水庫水位更快下降到防洪限制水位，從而影響造峰效果。

5.3 人工造峰效果

從人工造峰效果來看，不同水平年入庫流量漲落過程明顯，而常規調度結果雖然存在流量的上下波動，但漲落特征不明顯，流量上漲過程和下落過程持續時間很短，不滿足魚類產卵需求。豐水年調度方式4、方式5和平水年調度方式4的人造洪峰與預期效果有所差別，主要體現在流量上漲過程中出現小幅度的下降過程。而平水年調度方式5和枯水年調度方式4、方式5的人造洪峰與預期效果相符合。究其原因，是因為來水較豐沛時人工造峰開始時段的前一個時段下泄流量較大，在此基礎上疊加相同程度的漲幅時，容易違反水庫防洪限制水位約束，導致下泄流量出現下降。

5.4 人工造峰對防洪調度的影響

從人工造峰與汛期防洪調度的銜接方面分析其對防洪調度影響。三峽水庫防汛期開始時間為6月10日（圖4至圖6中的71 d時間點），從人工造峰結果來看，第二次造峰結束時間均超過了這個時間點。因為造峰最后階段為下泄流量減小過程，會導致水庫水位的上升，在6月10日往往超過防洪限制水位，需要一段時間的消落才能回到該水位，使水庫防洪風險增大。此時，如果快速消落到防洪限制水位，容易破壞日水位變幅約束，使大壩本身安全受到影響。

5.5 生態調度對梯級發電效益的影響

針對生態調度對三峽梯級發電效益的影響，計算出5種調度方式下三峽梯級的總發電量，如表3所示。其中，發電量變幅是指各種調度方式的發電量相對調度方式1發電量的變化幅度。

圖6 枯水年三峽梯級不同調度方式的結果Fig.6 Operation results of Three Gorges Cascades by different operation methods in low flow year

表3 三峽梯級不同調度方式的結果Table 3 Operation results of Three Gorges Cascades by different operation methods

根據表3可知：豐水年、平水年和枯水年調度方式1和方式2對應的梯級總發電量相同，表明本文設置的河道基本生態流量約束對發電效益沒有影響；調度方式1和方式3對應的三峽梯級發電量僅在豐水年相差0.54%；不同來水條件下調度方式4對應的總發電量均小于調度方式5，主要原因是代表江湖連通需求的歷史最大流量影響了下泄水量在時段上的分配過程。

以調度方式4為例，相比調度方式1，豐水年、平水年和枯水年三峽梯級的發電量減幅分別為2.1%，2.25%，2.51%，表明考慮人工造峰的生態調度方式對三峽梯級發電量影響較大，需要制定相應的對策減少這種影響或進行補償。

綜上所述，生態調度中，本文設置的河道基本生態流量約束和改善江湖連通需求約束對常規調度方式影響較小。在同時考慮河道基本生態流量約束、改善江湖連通需求和人工造峰時，前兩者會對非造峰時段的水量分配過程產生影響，繼而影響造峰效果。三峽梯級人工造峰預期效果在平水年和枯水年相比豐水年更容易實現，主要原因是造峰起始時刻的水位影響。人工造峰對三峽梯級防洪調度的影響主要體現在延遲了三峽水庫水位消落到防洪限制水位的時間，從細化魚類產卵繁殖對造峰的要求及調整造峰期約束等方面考慮，可通過限制造峰時間長度、盡量提前造峰時間來減少這種影響。人工造峰對三峽梯級發電效益存在較大的影響，需要采用相關的措施減少影響或進行補償。

6 結 語

本文從保護長江中游河道水生生境的角度出發，分析了三峽梯級生態調度目標，提出了基于人工造峰的三峽梯級生態調度方式，據此對不同來水條件下生態調度效果及其影響進行了分析，相關結論可為三峽梯級開展生態調度實踐、制定生態調度協調和補償機制提供技術支撐。不足之處在于河流基本生態流量、江湖連通和魚類產卵繁殖對水文條件的需求需要進一步明確；生態調度效果缺乏檢驗措施等。

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（編輯：周曉雁）

Simulation of Eco-operation of Three Gorges Cascade Hydropower Plants Based on M an-made Flood

LIQing-qing，QIN Hui，CHEN Guang-cai，YANG Chun-hua
（Water Resources Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

To analyze the efficacy of eco-operation of Three Gorges-Gezhouba cascade hydropower plants（so calledThree Gorges Cascades）and its impact，the objects for the ecological operation of Three Gorges Cascadeswere designed to ensure the basic ecologic flow in the downstream channel，improve river-lake connection and protect biodiversity.In light of these objects，an eco-operation approach via man-made flood based on regular operation was presented.The eco-operation by differentmethods were simulated to investigate the efficacy of eco-operation under typical inflow conditions.The simulation results also revealed the interaction among different objects as well as the impact ofman-made flood on flood regulation and power generation.The study would be referential for the practice of eco-operation of Three Gorges Cascades.

Three Gorges cascade hydropower plants；ecological operation of reservoir；ecologic flow；river-lake relationship；man-made flood

TV213.9

A

1001－5485（2011）12－0112－06

2011-10-20

長江科學院基本科研業務費項目（CKSF2010001）；科技部國家軟科學研究計劃項目（KJB0909／ZY02）

李清清（1983-），男，湖北仙桃人，工程師，博士，主要從事水資源管理和水庫調度研究，（電話）027-82926456（電子信箱）kaiser＿lee＠163.com。