考慮生態流量的小流域水庫群聯合調度研究

彭 輝，劉 圖，楊 洵，徐 煒

(1. 長江水利委員會 長江上游水文水資源勘測局，重慶 400020; 2.重慶市地質礦產勘查開發局 南江水文地質工程地質隊，重慶 400074; 3.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074)

水利工程的修建很大程度上實現了興水利、除水害的實際需求，但改變了河流上、下游的物質場、能量場及生物場分布[1]。傳統的水庫調度方式側重于發揮防洪與興利效益，對生態環境考慮較少。將生態作為調度目標之一，保護和改善庫區及下游河道生態環境已成為水庫調度發展的重要趨勢[2-3]。

隨著國家重視程度的加大，水庫生態調度的研究內容和研究方法取得了很大的進步。蔡其華[4]曾明確提出完善現有水庫調度方式的思路和方法，保護下游河道生態系統和庫區水環境。鈕新強[1]針對三峽工程提出了改善長江口咸潮入侵情況和有利于四大家魚產卵的調度方式。隨后，針對大中流域的水庫及水庫群生態調度及其對水生生物的影響研究得到了快速發展，并在不同流域針對不同的水生生物的生態流量計算及水庫調度方式取得了較多的研究成果[5-7]。大中流域的水庫群生態調度主要依靠干流主要控制水庫對生態流量進行調控[8-11]。相對小流域而言，大中流域受到的關注度更高，涉及的主要水庫數量有限。

小流域水資源總量十分有限，各部門之間的用水存在競爭性，興利、生態矛盾比較突出[12]，且多數水庫在以往的調度過程中沒有特別考慮下游河流生態系統的需求，生態流量的滿足長期得不到重視，造成部分河段生態需水要求長期得不到滿足，生態環境退化[13]。另外，小流域內塘壩及小型蓄水工程數量眾多，其水力聯系復雜，影響因素眾多，增加了調度的復雜性[14]。

開展水庫群生態流量調度研究，可為流域生態調度提供方案，實現改善小流域河道生態環境的目的。為此，本文以重慶市龍溪河流域為研究實例，結合龍溪河流域徑流特點及生態調度實際需求，建立考慮生態需求的水庫群多目標聯合調度模式，研究成果可為龍溪河流域以及重慶市區域內水庫群聯合生態調度提供理論與技術支撐。

1 流域水庫群調度模型

在明確水庫群拓撲結構、來水及用水基礎上，構建小流域水庫群供水、發電及生態調度多目標模型，包括調度規則形式的確定、目標函數構建、決策變量聲明以及約束條件的確定。

1.1 水庫群調度目標優先原則

為了實現小流域水庫群的綜合調度，發揮全流域水資源最大效益，必須綜合考慮發電、供水及生態的需求[15]。從實際情況出發，結合流域生態需水過程、聯合調度模型，確定流域內水資源的配置優先順序。

(1) 城鎮生活及工業用水為優先供水，屬于區域內的最高供水等級，具有較高的供水保證率；

(2) 優先供給城鎮生活及工業用水后，視水庫蓄水情況而定，只要水庫蓄水水位不低于死水位，則可繼續滿足生態用水；

(3) 灌溉、發電和生態用水的優先順序低于城鎮及工業用水，發電和灌溉用水按照調度圖進行供水；

(4) 發電和灌溉用水目標供水等級相同，二者用水之間存在競爭關系，即某一個供水目標供水增加，則另一個目標供水減少。當供水量較大，流域水資源缺乏時，水庫蓄水水位跌至死水位，城鎮生活及工業、生態供水將會被破壞[16-17]。

1.2 供水調度規則

調度圖以操作簡便、直觀等優點，在我國的水庫調度中得到廣泛運用，是指導水庫運行的重要工具，其合理與否直接決定水庫效益的好壞。本文針對水庫供水和發電分別建立調度圖，采用調度線將水庫運行區間劃分成多個區域，根據水庫蓄水狀態實現不同用水目標的調度[17]。根據不同用水目標的優先級高低和保證率要求，確定各條限制線的相對位置。如圖1所示，2條調度線將水庫庫容劃分為3個調度區，按照表1的規則進行調度運行。

調度區供水調度城鎮工業農業發電調度Ⅰ區正常正常正常Ⅱ區正常限制ψ1μ1倍保證出力Ⅲ區限制β1限制ψ2μ2倍保證出力

注：表中β1，ψ1，ψ2，μ1和μ2分別為限制系數。

調度圖中，限制系數需要根據不同水庫的供水特點選擇。本文在城鎮工業供水中限制系數β1取值為0.8；農業供水限制系數ψ1和ψ2分別為0.7和0.5；發電調度的限制系數μ1和μ2分別為1.5和0.8。

1.3 多目標調度函數

通過流域水庫群聯合調度發揮水庫間的補償作用，在滿足用水目標保證率約束的基礎上，使流域內水資源利用率最大，供水缺水量最小。為此，本文將城鎮供水量、農業供水量、發電量作為目標函數。考慮到缺水量不僅體現在總量上，還體現在時段分布上，因此將供水保證率作為懲罰，加入到多目標調度的求解中。目標函數的具體表達式如下。

(1) 農業灌溉供水量最大。

maxf1(x)=

(1)

(2) 城鎮生活及工業供水量最大。

maxf2(x)=

(2)

(3) 水電站群發電量最大。

maxf3(x)=

(3)

(4) 生態流量缺水量最小。

(4)

判斷農業灌溉供水、城鎮生活工業供水、發電等是否滿足保證率要求,若不滿足保證率條件，則采用式(5)對目標函數進行懲罰。

Punish(Qagr,i,t,Qind,i,t,Ehypow,i,t)=

(5)

上述各式中，N為長系列調度總年數；Qagr,i,t、Pe,agr,i,t分別為水庫i在第j時段的農業供水量和保證率要求；Qind,i,t,Pe,ind,i,t分別為水庫i在第j時段的工業供水量和保證率要求；Ehypow,i,t,Pe,hypow,i,t分別為水庫i在第t時段的水庫群發電量和發電保證率；Qeco,i,t為水庫i在第t時段的生態供水量；Punish(·)為供水目標不滿足保證率的時候，賦予的懲罰函數；αi，βi分別為懲罰系數。

1.4 聯合調度模型求解

本文采用多目標遺傳算法(NSGA-II)繪制水庫群聯合調度的調度圖。NSGA-II因其具有全局并行搜索、原理簡單、操作方便、占用內存少、魯棒性強等優點，在制定水庫優化調度規則的過程中展現出良好的性能，在水庫群的多目標優化調度中的應用較為廣泛。

2 實例分析

2.1 流域概況

龍溪河位于重慶市北部，是長江上游干流左岸一級支流，河長約229.8 km，流域面積3 280 km2，河口多年平均流量54 m3/s。流域上游開闊、地勢平坦、農業發達，下游陡峻、多急灘和瀑布，水能資源豐富。流域內暴雨集中在5～8月，尤其以7月份出現最多。流域流經重慶境內梁平、墊江、長壽3個區縣，受人類活動影響明顯。

2.2 水庫群調度模式構建

本文以龍溪河流域內115座水庫及水電站為基礎，開展流域水庫群的聯合調度研究。115座水庫和水電站中，小(二)型水庫占據絕大多數,見圖2。

圖2 龍溪河流域水系與電站位置Fig.2 Water system and power station location in Longxi river

為了使研究成果更具有可操作性，將水庫分3類：① 調節能力差，處于流域支流上游，主要以村鎮供水和農業灌溉供水為主的水庫；② 調節能力差，處于干支流，主要以發電為主的攔河壩等小型水庫；③ 具有較大庫容，且調節能力較強，以供水、灌溉和發電等為主的綜合性水庫。

(1) 第1類。水庫調節不采用調度圖控制，供水按照城鎮供水、灌溉的需水過程進行調節，供水至死庫容則供水破壞。調度過程和水庫實際調度情況具有較強的耦合性，基本能反映此類水庫的調度方式(分類原則：興利庫容小于300萬m3的水庫)。

(2) 第2類。水庫發電不以調度圖控制，發電按照徑流式水電站發電過程進行調節計算，基本處于來多少水發多少電的調度方式(分類原則：興利庫容小于300萬m3的水庫)。

(3) 第3類。水庫具有較強調節能力，建立供水和發電調度，指導城鎮和灌溉供水以及發電調度。

2.3 水庫群調度效益對比分析

將生態作為供水目標考慮到水庫調度中，需明確生態供水目標，計算河道生態需水量。生態需水量的計算模型較多[18-20]，本文采用Tennant法制定出3種下游河道的生態流量需水過程，如表2所示。以不考慮生態流量的調度方案(R)為基礎，對比分析A1,A2和A3生態需水方案條件下，龍溪河水庫群在生活工業、農業及發電等方面的影響程度。

表2 龍溪河生態需水量設置方案Tab.2 Longxi river ecological water demand schemes

對1961～2015年龍溪河的水庫群進行模擬調度，并以多目標等權重的方式選擇方案進行對比分析。分析調度期內的農業、生活供水、發電和生態缺水4個指標平均值，見表3。該指標可以明確地表現各目標隨生態需水流量增加的變化過程。農業供水和生活工業供水隨生態需水流量增加而不斷降低，尤其方案A3最為明顯，降低幅度較大。

由于發電流量可以替代一部分生態流量，隨著生態需水量的增加，為了滿足生態用水需求，需要加大下泄流量，即意味著可以采用增加發電量、加大下泄流量的方式來達到目的。因此，本研究建立的模型計算結果表現為隨著生態流量的增加，發電量不斷提高。

表3 不同調度方案調節計算的多目標水庫群多年累積平均效益Tab.3 The performances of multi-objective reservoirs operation in different scheduling schemes

通過對比各水庫的農業供水保證率，發現其保證率總體呈現隨生態需水量增加而減少的趨勢，見圖3。R方案中115座水庫的平均供水保證率為82.05%；A1方案平均供水保證率為80.72%；A2方案為76.87%；A3方案為72.71%。統計保證率大于85%的水庫，方案A1有92座，A2有72座，A3有58座。

圖3 不同方案條件下水庫群農業供水保證率分布Fig.3 The distribution of water supply guarantee rate of reservoir farming in different schemes

3 結 論

本文以小流域水庫群為研究對象，通過對流域內水庫群進行分類，對調節能力較強的水庫建立調度圖，并針對不同的生態需水流量方案進行模擬調度，通過對調度結果的對比與分析，可初步得到以下結論。

(1) 通過對比各水庫的農業供水保證率，其保證率值總體呈現隨生態需水量增加而減少的趨勢。生態流量與農業具有較強的競爭性，影響程度隨水庫大小呈反比關系，小水庫由于調節能力差，增加生態流量后，水量恢復能力弱，后期農業和生活供水容易破壞。

(2) 由于發電流量可以作為生態流量，隨著生態需水量的增加，為了滿足生態用水需求，模型以增加發電量的方式，加大下泄流量來達到目的。因此計算結果表現為，隨著生態流量的增加，發電量不斷提高。