基于生態流量區間的多目標水庫生態調度模型及應用

張召++張偉廖衛紅王旭

摘要：傳統的水庫調度以興利調度和防洪調度為主，常忽視生態環境問題，導致河流生態水文系統的健康狀況不斷惡化。相對傳統的以水電站年發電量最大，發電保證率最高為目標函數，本研究還引入了生態保證率最高的目標函數，構建基于生態流量區間的多目標水庫生態調度模型，并采用NSGAⅡ算法對模型進行優化求解。利用該模型對天生橋一級水庫1956年-2008年的來水過程進行優化調度，結果表明：經濟效益最大的調度方案會對天然徑流過程產生顯著的改變，而兼顧經濟效益和生態目標的建議調度方案對水庫的經濟效益產生影響較少的同時能保證生態系統的穩定性。

關鍵詞：水庫生態調度；多目標；生態流量區間；生態目標

中圖分類號：TV213 文獻標志碼：A 文章編號：150829

16721683（2016）05009606

Model of multipurpose reservoir ecological operation based on ecological flow range and its application

ZHANG Zhao1，2，3，ZHANG Wei3，LIAO Weihong3，WANG Xu3

（1.State Key Laboratory of HydrologyWater Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing 210098，China；

2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；

3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：Useful operation and flood control operation predominate the traditional reservoir operation，which usually ignores Ecoenvironmental problems and leads to the continuous deterioration of river Ecohydrological systems.Comparing with the traditional researches which set hydropower stations′ utmost annual energy output and highest power guarantee rate as objective functions，this paper also introduced maximum Ecoguaranteed rate as an objective function to build a model of multipurpose reservoir ecological operation based on ecological flow range，and used NSGAⅡ algorithm to optimize the model.This model was used to optimize the operation of TianshengqiaoⅠreservoir′s inflow process in 1956～2008，and the results showed that：the operation scheme of utmost economic benefits would significantly change natural runoff process，and the operation scheme of combining both economic benefits and ecological purposes would have little impact on economic benefits while at the same time guarantee the ecosystem′s stability.

Key words：reservoir ecological operation；multipurpose；ecological flow range；ecological purpose

水庫的建設和運行在實現其經濟效益的同時，也改變了河流天然徑流情勢和區域生態系統的穩定性，由此可能會引發一系列的流域生態和環境問題。因此，有必要合理調整水庫的調度運行方式，對水庫實施

[HJ1.9mm]生態調度。水庫生態調度就是將生態因素納入到現行的水庫調度中去，作為水庫的核心功能，與其他水庫功能進行耦合共同指導水庫調度實踐[1]。國內外學者在水庫生態調度方法方面的研究可歸納為兩類：一類是將生態需求作為模型的約束條件，另一類是將被量化的生態因子納入模型的目標函數中。前者如Castelletti[2]等介紹了以最小生態流量為約束的河流生態保護常用方法；Lencce Barbara J[3]等構建了以水庫蓄量和發電量為目標、水質條件為約束的水庫調度模型，并在加拿大謝爾茅斯水庫生態調度中得到應用；胡和平[4]等以發電量最大為目標，構建了以生態流量過程線為約束的水庫優化調度模型；陳端[5]等以裂腹魚棲息地模型建議的適宜生態流量過程作為約束條件，研究了雅礱江錦屏梯級水庫優化調度問題。后者如王加全[6]、雍婷[7]等分別將生態目標納入水庫綜合效益中，構建了以不同權重衡量生態和經濟等用水目標的單目標生態調度模型，為生態友好型水庫調度理論的應用提供了理論基礎；王霞[8]等以河道生態需水量為依據，采用分層序列法將多目標模型轉化為單目標優化模型，提出了避免各目標相互沖突的水庫生態調度最佳方案；葉季平[9]等建立了兼顧經濟和環境效益的多目標水庫優化模型，并應用約束法將多目標轉換成多個單目標問題，采用動態規劃法分別求解。由此可見，當前的水庫生態調度模型大多是將生態需求作為約束條件或將生態目標納入綜合效益中的單目標模型。不過，為突出各目標之間的博弈關系，比較不同調度方案的優劣，將生態需求作為獨立目標函數與經濟目標共同求解的多目標生態調度模型有待進一步研究。鑒于此，本文引入生態流量區間的概念，將生態保證率作為被量化的生態目標，構建考慮生態的多目標水庫優化調度模型，并用于天生橋一級水庫予以驗證。

1 生態流量區間的確定

河流健康需要模擬天然流量組成的自然節律，水庫生態調度研究中，河流生態要素對水的需求規律歸根于對河道生態流量過程的需求[1011]。生態需水量是一個閾值范圍，具有極大值和極小值[12]。絕大多數生態調度僅考慮流量的下限值，但是，對于豐水期雨量大、來水多的河流，水庫短時間出流過高會對河流生態系統產生不利影響。在枯水期，水庫出流高于天然徑流狀態時，會導致河流生態驅動力的改變，進而影響河道內營養物質的重新分布。特別的，對于多沙河流枯水期流量加大，壩下游河道將發生沿程沖刷，河勢會發生不同程度地調整[4，19]。因此，有必要確定天然河道生態流量的上限值。各時段生態流量的上、下限值共同構成了生態流量區間。

[HJ2.15mm]生態流量的確定有多種方法如水文學方法、水力定額法、棲息地法等，各方法均有其適用條件和范圍[13]。水文學法僅需利用水文資料中的歷史流量數據即可確定河道生態需水。我國大部分地區具有較長的歷史流量資料，具備使用該方法的條件[14]。考慮到生態徑流過程的連續變化特征和過程性，逐月最小生態徑流計算法為計算河流最小生態徑流量的最恰當方法[15]。本文采用該方法確定河道生態流量的最小值，即在盡可能長的天然月徑流系列中取最小值作為該月的最小生態徑流量[16]，同理可確定該月最大生態流量。為排除偶然性的影響，河道天然生態流量區間采用逐月次最大流量、次最小流量作為其上、下限值。具體過程：根據電站壩址處多年天然流量資料，將相同月份的多年月徑流系列按由大到小排序，從序列中選取次最大值和次最小值，依此類推，最終形成年次最大、次最小生態徑流過程。

以天生橋一級水電站為例，根據其1956年-2008年共53年的入庫流量過程資料，按上述方法，統計計算月平均生態流量區間結果見表1。當計算時間尺度為旬尺度或日尺度時，采用與月尺度相同的生態流量區間。

2 基于生態流量區間的水庫生態調度模型

基于生態流量區間的多目標水庫生態調度是針對下游河道的生態環境問題，以生態流量區間為依據，通過水庫優化調度提供滿足生態環境需求的出流過程，從而緩解生態壓力，恢復河道的生態功能。基于生態流量區間的水庫調度需要構建多目標水庫生態調度模型。

傳統的多目標水庫調度通常給予每個目標不同的權重值，并將多目標用一個綜合目標表示。為了體現各個目標之間的相互博弈關系，本模型設置發電量最大、發電保證率最高、生態保證率最高三個目標函數，并用優化算法求解。

2.1 目標函數

（1）發電量最大。

（2）發電保證率最高。

（3）生態保證率最高。

生態保證率是指水庫下泄流量滿足河道天然生態流量區間的時段數占總時段數的百分比，它能很好地反映河道流量與生態需求之間的關系。

需要說明的是：此處生態和發電保證率均為旬保證率。

2.2 約束條件

2.3 優化算法

水庫生態調度是一個多目標、多約束問題，需要用多目標算法求解。帶精英策略的快速非支配排序遺傳算法（NSGAⅡ）是一種新型的多目標遺傳算法，該算法求得的pareto最優解分布均勻，收斂性和魯棒性好[17]，其在水庫多目標優化問題中有良好的適應性。因此，本文采用NSGAⅡ算法對模型進行優化求解。NSGAⅡ算法計算流程見圖1，NSGAⅡ算法詳見文獻[18]。

3.1 天生橋一級水庫概況

將建立的多目標水庫生態調度模型應用于天生橋一級水電站，該電站水庫為多年調節水庫，總庫容102.6億m3，調節庫容57.96億m3，水庫正常蓄水位780.00 m，汛期限制水位776.40 m（19旬-27旬）。天生橋一級水電站是紅水河梯級電站的第一級，工程以發電為主，電站裝機容量120萬kW（4×30萬kW），保證出力40.52萬kW，年發電量52.26億（kW·h），水輪機最大過流能力1 248.00 m3/s。

天生橋一級水電站是珠江流域西江上的龍頭電站，對其實施生態調度，有助于恢復河流的徑流規律以及河流生態驅動力的變化規律[19]。這對改善珠江西江流域的生態環境狀況，保持生物的棲息環境，減小下游河段河流廊道的生態壓力，具有重要的現實意義。

3.2 模型構建

以天生橋一級水庫1956年-2008年的入庫流量資料為依據，以壩址出流斷面為生態流量控制點，計算得到生態流量區間見表1。以年發電量最大、發電保證率最高、生態保證率最高為目標函數，將電站及水庫的相關參數代入模型約束條件中，以時間、水位、出力區系數為三組決策變量，用NSGAⅡ算法對水庫調度圖進行優化，得到一組最優解。限于篇幅，天生橋一級多目標水庫生態調度模型的構建過程不再贅述。

3.3 水庫生態調度結果及分析

3.3.1 典型年調度結果

對天生橋一級水庫1956年-2008年的年平均入庫流量進行頻率計算，選取1969年、1981年、1982年分別作為設計豐水年、平水年、枯水年。為比較不同調度方案對天然來水過程的改變程度，用發電量最大、發電保證率最高、生態保證率最高三個方案分別對三個典型年來水過程進行模擬調度，調度結果見圖2（1969年）、圖3（1981年）、圖4（1982年）。

不同頻率來水過程在不同運行方案下的調度結果表明如下結果。

（1）經濟效益占優的調度方案對天然來水的改變十分顯著，特別是發電量最大調度方案，對豐、平、枯三類典型年的徑流調節均尤為明顯。

（2）生態保證率最高方案水庫出流過程與天然來水過程趨勢基本一致，豐枯期流量差異顯著。由于豐水年來水較多，水庫按照生態流量區間調度的可能性增加。豐水年生態保證率最高方案調度下，出流過程與天然來水過程吻合較好。為提高生態保證率，水電站的出流過程應當趨于天然流量過程。

（3）發電量最大方案調度下，豐水期基本保持水電站最大引用流量1 248 m3/s發電；枯水期充分利用水庫水位，將出庫流量控制在360 m3/s左右。為增加水電站發電量，在水庫調度運行時，會盡量提高枯水期電站的運行水位，同時在豐水期利用較大流量發電。由此，導致水文流量過程均一化，改變了自然水文情勢的年內豐枯周期變化規律，這些變化無疑影響了生態過程[20]。

（4）發電保證率最高時，流量過程均存在兩個明顯的峰值。第一個峰值出現在前汛期開始，第二個峰值出現在主汛期后段。由此分析，為增加水電站處于保證出力區的時段數，在汛期開始前，來水相對較少，此時加大引用流量，可降低汛期水庫起調水位。汛期到來時，水庫水位升高后仍會穩定在保證出力區。水庫在汛期不會盲目加大出力，為提高枯水期發電保證率創造了條件。

（5）基于生態流量區間的多目標水庫調度模型能夠體現不同頻率來水的水庫調度規律，能夠很好地適應有多個目標需求的水庫調度。

3.3.2 調度結果分析

為了說明各目標函數之間的博弈關系，比較不同調度方案下調度結果的差異，同時為天生橋一級水電站的生態調度提供指導方案，本文選取下列五種調度運行方案結果進行分析比較：（1） 設計調度圖方案；（2）發電量最大方案；（3）發電保證率最高方案；（4）生態保證率最高方案：（5）[HJ2.1mm]建議調度方案。其中，從pareto解集中選擇經濟目標量值與設計調度圖方案相當，且生態保證率較高的方案作為建議調度方案。五種方案的調度結果見表2，表中調度結果表示按照選定水庫調度方案對天生橋一級水電站1956年-2008年的來水過程進行模擬調度得到的多年平均年發電量、發電保證率和生態保證率；變幅表示選定水庫調度方案的調度結果相對于設計調度圖方案調度結果的改變程度，以百分數表示。

不同方案調度結果對比表明：（1）不同調度方案各有側重，各目標函數呈現此消彼漲的態勢，即經濟目標的最優化和生態目標的最優化不可能同時實現，需要根據電站的需要選擇相應的調度方案；（2）各目標函數間相互制約影響的程度不同，生態保證率對經濟目標的變化更為敏感，例如與設計調度圖方案相比，生態保證率最高方案在年發電量和發電保證率變幅分別為-262%和055%的情況下，生態保證率變幅達到了6258%；（3）從最優解集中選擇發電量、發電保證率與設計調度圖方案調度結果相差不大的方案作為電站建議調度方案，可以發現建議調度方案的生態保證率達到了95.70%，遠高于設計方案的生態目標量值，由此可見側重考慮生態需求的調度方案不會對水電站的經濟效益產生太大的影響。

生態不滿足時段即水電站出流不滿足相應生態流量區間的旬時段。在不同的調度方案下，不同月份的生態不滿足時段各不相同，并呈現一定的規律性。生態不滿足時段統計結果見表3，表中數值表示天生橋一級水電站1956年-2008年共53年來水在相應調度方案下各月份生態不滿足時段個數。其最大值為159（53*3），即完全不滿足；最小值0，即完全滿足。

由表3分析可見：（1）設計調度圖方案生態不滿足時段主要集中枯水期1月-4月和主汛期7月-8月，設計調度圖主要考慮電站的發電效益，枯水期出流大部分高于生態流量區間的最大值；（2）發電量最大方案生態不滿足時段持續整個非主汛期，這是電站為提高發電量，枯水期出流較天然狀態偏高的必然結果；（3）發電保證率最高方案4月份生態不滿足時段最為集中，4月份水庫進入前汛期，水庫為騰空水庫加大出流，為主汛期水庫接納洪水創造條件；（4）生態保證率最高方案和建議調度方案生態不滿足時段較少且分布較為平均；（5）在枯水期天然徑流過程流量較小，生態流量區間的變化范圍也較小，導致河道枯水期對電站出流變化更為敏感。因此，為了提高水電站的生態保證率，應當盡可能減少其枯水期的生態不滿足時段個數。

4 結論

本文用生態流量區間反映河流的生態需求，將生態保證率作為目標函數，構建了多目標水庫生態調度模型，并用NSGAⅡ算法對模型進行優化求解，得到水庫調度圖最優解集。決策者可以根據電站和流域規劃的需要，在解集中有側重地選擇一組調度圖用于實際調度。對天生橋一級水庫的實例研究表明：（1）經濟效益占優的調度方案通常會使水庫出庫流量呈現均一化特點，對水文情勢改變顯著；（2）調度結果與天然狀態徑流的吻合度隨生態保證率的提高而增加，為了減少水庫調度對生態環境產生的負面影響，電站實際使用的水庫調度方案應盡量提高生態保證率；（3）基于生態流量區間的調度模型可以模擬并驗證水庫調度的基本規律，能夠很好地應用于水庫生態優化調度；（4）采取合適的調度方案以實現生態目標的最大化不會對水庫的經濟效益產生很大影響，因此具有生態要求的水庫可適當調整調度運行方案。

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