皂市水庫生態友好型優化調度

張 寒，陳啟慧，陳 敏，王銀麗

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210098;2.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

大壩工程建設在防洪、發電、灌溉、供水、航運等方面起著重要作用，推動著人類社會進步，然而同時也可對河流生態系統健康造成不利影響[1]。水庫生態調度作為一種對筑壩河流的生態補償方式，已經成為當前國際上恢復河流生態系統健康的重要舉措之一[2-4]。筆者通過建立水庫生態調度模型，并利用該模型采用動態規劃法對皂市水庫進行生態調度計算，成果可為綜合協調皂市水庫的社會效益、經濟效益與生態效益，加強皂市水庫的科學調度提供依據。

1 工程概況及對下游河道水生生物的影響

皂市水利樞紐位于湖南省石門縣皂市鎮上游約2 km的渫水上，下游距石門縣城19 km，控制流域面積3000 km2，占渫水流域面積的93.7%。工程開發的主要任務是防洪，同時兼顧發電、灌溉、航運等其他綜合利用要求。皂市水庫總庫容14.39億m3，防洪庫容7.83億m3，正常蓄水位140 m，相應庫容12億m3，死水位112 m，死庫容2.71億 m3，有效庫容11.68億m3，庫容系數0.3，為年調節水庫。

根據相關調查結果，水庫對下游河道水生生物的影響主要表現在:建庫后，由于下游河道流速、水位改變較頻繁，對浮游生物生長繁殖不利，壩下江段浮游生物主要依靠庫區補給;在電站發電期間，水位的快速變化形成不穩定環境，還導致壩下附近江段內一些底棲生物擱淺或突然遭受急流沖擊，影響底棲動物的豐度和組成，并導致生物量減少;對魚類資源的影響主要表現為由于皂市水庫水溫呈穩定分層結構，春夏期間下泄水溫比天然河道水溫低，升溫期下泄水溫降低對壩下游魚類產卵的影響較為顯著。

2 皂市水庫生態調度目標

2.1 生態調度目標的確定

目前國內外水利管理部門及研究人員愈來愈重視關于水庫生態調度的實踐及研究工作[5]，隨著相關工作的深入開展，水庫生態調度目標也呈多元化趨勢，包括滿足水庫中下游綜合性生態流量需求、指示性水生生物保護需求、庫區水環境保護需求等[6]。由于目前研究收集的生物資料有限，皂市水庫的生態調度設定為以維持水庫下游河道生態徑流過程為目標。生態徑流過程的計算采用夏自強等[7]提出的逐月頻率計算法，該方法屬于水文學方法范疇，以恢復河流天然徑流過程特征為目標，具有綜合考慮包括河流兩岸在內的整個河流生態系統的特點，可以避免運用水文-生物分析法、生境模擬法等其他河流生態流量計算方法時需要定量化生物資料，且僅將其重點放在一二種河流生物物種的保護上等的缺點[8]。

2.2 渫水生態流量過程

采用夏自強等[7]提出的逐月頻率計算法對最小生態流量和適宜生態流量進行計算，并采用Tennant法[9]對計算結果進行評價。

利用皂市水庫建庫前皂市站1964—2003年(缺1977年)的日平均流量資料，采用逐月頻率法計算皂市水庫下游河道內生態徑流過程。筆者取逐月頻率P=90%為推薦最小生態流量;P=75%～25%為推薦適宜生態流量，計算結果見表1。對最小生態流量和適宜生態流量用Tennant方法評價得到結論:適宜生態流量的下限最為理想，因此選擇適宜生態流量下限作為水庫調度下泄流量的生態約束條件。

表1 皂市站河道內生態流量計算結果 m3/s

3 生態優化調度模型

以皂市水電站年發電量最大為優化目標，以滿足水庫下游生態流量為約束，構建皂市水庫生態友好型優化調度模型。

3.1 目標函數

選擇水庫在整個調度期內總發電量最大作為目標函數，其表達式如下:

式中:f為整個調度期內的總發電量;T為總調度期時長，取T=12;K為皂市電站發電綜合系數，取K=8.75;Qt為t時段皂市電站發電流量;Ht為t時段皂市電站發電凈水頭;Δt為計算時間長度，以月為計算時段。

3.2 約束條件

a.皂市水庫水量平衡方程:

式中:Vt+1、Vt分別為皂市水庫t時段末和時段始的庫容;It為t時段皂市水庫平均天然入庫流量;St為t時段皂市水庫棄水流量。

b.皂市水庫蓄水位約束:

式中:Zt為皂市水庫t時段的水位;Zmin和Zmax分別為皂市水庫t時段的允許最低水位和最高水位，其中汛期(4—7月)允許最高水位為防洪限制水位125 m，非汛期(8月至翌年3月)允許最高水位為正常蓄水位140 m，最低水位為死水位112 m。

c.皂市水庫下泄流量約束:

式中:qt為皂市水庫t時段的下泄流量;qmin和qmax分別為皂市水庫t時段的最小下泄流量和最大下泄流量，分別為30 m3/s和12526 m3/s。

d.皂市發電流量限制:

式中，Qmax為皂市水庫兩臺機組的t時段的最大引用流量，為 273.6 m3/s。

e.皂市電站出力限制:

式中:Nt為皂市電站t時段的發電出力;Nmin和Nmax分別為皂市電站t時段的最小發電出力和最大發電出力，也即保證出力18.3 MW和裝機容量120 MW。

f.生態約束。要求水庫下泄流量滿足下游河道適宜生態流量下限的要求。

3.3 模型求解方法

皂市水庫優化調度模型采用動態規劃法逐段遞推求解。對水庫蓄水量進行離散作為狀態變量，把放水量作為決策變量，把水庫水量平衡方程作為模型的狀態轉移方程。每一時段的放水量使整個周期內的目標函數值達到最大為最優調度方案。

4 皂市水庫生態優化調度結果分析

考慮3種水庫調度運行方式:①按水庫調度圖進行的常規調度;②不考慮生態流量的優化調度;③考慮適宜生態流量約束的生態優化調度。由于皂市水庫運行年限較短，入庫徑流資料長度不足，選擇皂市水庫蓄水前皂市站流量資料作為皂市水庫入庫流量進行分析。對1964—2003年(缺1977年數據)皂市站年平均流量進行頻率計算，選擇豐、平、枯典型年進行分析，其中豐水年選取1980年(P=5%)、平水年選取1988年(P=50%)，枯水年選取1978年(P=95%)。對選取的豐、平、枯3個典型年按上述方案進行調度，常規調度與生態優化調度的下泄流量結果如圖1所示，不同調度方式對水庫發電量影響的統計結果如表2所示。

圖1 不同調度方式典型代表年水庫下泄流量逐月變化

表2 典型代表年不同調度方式的年發電量影響

在優先考慮防洪任務，滿足防洪限制水位并保證出力的條件下，生態優化調度的結果表明典型豐水年(1980年)、平水年(1988年)、枯水年(1978年)均能滿足適宜生態流量下限的要求，比常規調度有很大的改善。但是為滿足生態流量的要求，在平水年生態優化調度的年末水位比常規調度降低0.02 m，枯水年降低了0.63 m。

鑒于在平水年與枯水年生態優化調度與常規調度年末消落水位不同，在比較不同調度方式對發電效益的影響時，常規調度與生態優化調度分別和與之降至相同水位的優化調度相比較。通過比較常規調度和與之降至相同水位的優化調度(優化1)發現在豐水年由于棄水的存在，優化調度提高的發電效益較大;而在平水年與枯水年較小。通過比較生態優化調度和與之降至相同水位的優化調度(優化2)的發電效益可知，生態約束會對水庫的發電效益產生影響。在豐水年1980年，由于來水充足，緩解了生態約束與發電的沖突，考慮下游生態流量的生態優化調度對發電的影響非常小;平水年(1988年)和枯水年(1978年)，由于來水較少，生態需水與發電效益的矛盾會凸顯，考慮下游生態流量的生態優化調度對發電的影響較大。總體平均而言，皂市水庫優化調度比常規調度年發電量可增加1.8%，基于保障下游河段生態徑流過程的皂市水庫生態優化調度比優化調度年發電量減少0.95%。

5 結語

通過構建皂市水庫生態友好型優化調度模型，選取豐、平、枯3個典型水平年，并采用動態規劃法對皂市水庫進行常規調度與優化調度的發電效益對比以及優化調度與生態優化調度的發電效益對比研究。總體平均而言，皂市水庫優化調度比常規調度年發電量可增加1.8%，基于保障下游河段生態徑流過程的皂市水庫生態優化調度比優化調度年發電量減少0.95%。成果可為綜合協調皂市水庫的社會效益、經濟效益與生態效益，加強皂市水庫的科學調度提供依據。

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