基于天然水文情勢的水庫調度規則研究

尚文繡　王遠見　賈冬梅

摘要：為了在水庫生態調度中模擬天然水文情勢，基于水文情勢的主要特征設計了15個水文情勢評價指標，并將某應用于水庫生態調度模型的目標函數中;基于水文分期特征將水文年劃分為不同時段，提出了參考各時段實時可利用水量的水庫生態供水規則;通過分層分解水庫不同供水任務，降低了水庫生態調度模型求解的復雜程度，并將模型應用于萬家寨水庫。結果顯示：①本文設計的水文情勢評價指標及其在水庫生態調度模型中的應用減少了生態供水與天然水文情勢間的差異;②基于水文分期和實時水情的水庫生態供水規則有效挖掘了生態供水潛力;③為了維護河流健康，萬家寨水庫上游水資源開發利用率不宜超過40a-/o，而水資源開發利用率長期高于60%則會造成嚴重的生態破壞。

關鍵詞：水文情勢;生態調度;調度規則;生態供水;萬家寨水庫

中圖分類號：TV697

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.008

生態調度是在水利工程調度中考慮河流生態系統需求的一種調度手段，是維護河流生態健康的重要途徑。水庫生態調度中，通常將預設的生態需水過程作為水庫調度模型的目標函數或約束條件[1-3]。盡管生態需水的計算方法繁多[4]，但得到的生態需水過程與天然水文情勢間存在較大差異，常忽略天然水文情勢的關鍵特征，例如水文學法一般僅考慮固定的最小生態需水量，缺少短時間內迅速漲落的高流量脈沖、洪水等關鍵流量事件，即使是面向生物的物理棲息地模擬也難以全面反映天然流量的豐枯變化[5]。水文情勢評價指標表征了水文情勢的主要特征，近年來已在水庫生態調度中得到了初步應用。由于水文情勢評價指標存在非線性、不連續的特征，因此多數研究將水文情勢評價指標應用于調度方案的后評估[6]，僅有少數研究將水文情勢評價指標直接應用于生態調度模型中，但需要通過減少指標數量或簡化調度規則以提高模型求解效率[7-9]，導致調度結果無法有效反映天然水文情勢或缺乏可行性。

針對現有研究中存在的問題，本文開展了基于天然水文情勢的水庫調度規則研究，旨在建立刻畫水文情勢主要特征的評價指標體系、設計面向實時可利用水量的水庫生態供水規則、建立和求解以模擬天然水文情勢為目標的水庫生態調度模型。

1 水文情勢評價方法設計

1.1 天然水文情勢的作用

水文情勢是河流各水文特征隨時間的變化情況，對河流生態系統的生物及非生物因素具有重要影響[10]。水文情勢決定了水生生物的生活模式，通過特定的流量事件驅動生物洄游、繁殖等生命活動，且能夠清除不適應本地水文情勢的外來物種。同時，水文情勢可以影響水質、地貌、底質等非生物因素，是水生生物棲息環境的主要決定因素。相關研究多采用流量、頻率、發生時機、持續時間和變化率來反映水文情勢的變化特征[11-13]。

1.2 水文情勢評價指標設計

目前，已經形成了IHA（Indicators of Hydrologic Al-teration）、HHA（Hydrograph-based Hydrologic Alteration）等水文情勢評價指標體系，但已有指標體系指標數量較多，直接應用于水庫生態調度模型中求解難度大。本文在IHA評價指標體系的基礎上設計了15個評價指標（見表1）。該指標體系突出了水文分期特征，將全年劃分為漲水期、洪水期和枯水期3個時段，各時段內的關鍵流量事件分別為脈沖、洪水和極端小流量。水文分期體現了流量事件的發生時機.15個指標刻畫了流量、頻率、持續時間和變化率。

將天然狀態作為水文情勢最佳狀態，用評價時段內的指標值除以天然狀態下的指標值，然后進行歸一化處理，使指標值的變化范圍為0-1，1代表與天然狀態相同，0代表嚴重偏離天然狀態。為了直觀反映水文情勢總體狀態，通過模糊邏輯法對15個評價指標進行整合，生成變化范圍為0 - 100的水文評分[14]。將評分從小到大等分為5個等級，分別為差、較差、一般、較好和好。

2.2 水庫供水任務層次分解

水庫擔負著供水、發電等多種任務。本文將供水作為優化對象，將其他任務作為調度模型的約束條件。鑒于社會經濟供水與生態供水的競爭關系和不可公度性，水庫調度中需要進行多目標優化，得到社會經濟供水目標與生態供水目標間的帕累托前沿。

雖然向量遺傳算法、非支配排序遺傳算法等多目標求解算法已得到廣泛應用，但存在競爭關系的多個目標會加劇計算的復雜程度，甚至出現不收斂的問題。本文通過對水庫供水任務進行層次分解，將多目標轉化為單目標。如圖2所示，帕累托前沿上的每一個點都代表了特定的社會經濟供水效益下的生態供水效益最優值，因此可在水庫調度中設置固定的社會經濟需水量并優先滿足，然后對生態供水進行單目標優化，通過調整社會經濟需水量得到帕累托前沿。如圖3所示，根據當前可供水量的不同，將水庫供水劃分為4個階段：階段1，當前的可供水量優先滿足當前的社會經濟需水量;階段2，當前的余水被用于滿足生態需水量;階段3，儲存剩余的水量以滿足未來的需水量;階段4，產生棄水。通過分解供水任務可以保證社會經濟需水量得到優先滿足，從而將多目標轉化成單目標。此外，同一優先級下只有一個供水任務，通過減少供水任務間的競爭來提高水庫生態調度優化模型的收斂速度。

3 算例分析

3.1 萬家寨水庫概況

萬家寨水庫位于黃河中游，總庫容8.96億m，是集供水、防洪、防凌于一體的水利樞紐工程。萬家寨水庫全年可以劃分為7個不同的運行時期，分別為漲水期、前汛期、排沙期、后汛期、流凌封河期、穩定封河期和開河期。模型需對14個生態供水參數進行優化。

3.2 調度結果分析

運用本文建立的水庫生態調度模型，計算不同社會經濟需水量條件下的優化結果，得到水文評分與取水比例（社會經濟取水量/天然徑流量）間的關系曲線，見圖4。若取水量被控制在天然徑流量的25%以內，則水文評分等級為好：若取水量被控制在天然徑流量的40%以內，則水文評分等級為較好：若取水量超過天然徑流量的60%，則水文評分達到較差等級。

將社會經濟缺水率定義為其缺水量和需水量之比。分析社會經濟需水量增加對社會經濟缺水率和水文情勢的影響。將水文改變度定義為

A=（100 -G）/100

（6）式中：A為水文改變度;G為水文評分。

隨著社會經濟需水量比例（社會經濟需水量/天然徑流量）的增大，社會經濟缺水率和水文改變度均不斷增大，但社會經濟缺水率始終小于水文改變度，說明當水資源無法滿足需求時，生態利益的犧牲大于社會經濟利益的。社會經濟缺水率和水文改變度的變化可劃分為3個階段（見圖5）：當社會經濟需水量在天然徑流量的400-/0以內時，可基本滿足社會經濟需水量，但部分生態用水被擠占，導致水文改變度隨著社會經濟需水量的增大而迅速增大（階段1）;隨后社會經濟需水量雖然不超過水資源總量，但由于水庫調蓄能力不足，社會經濟需水量在一些時段難以得到滿足，因此社會經濟缺水率與水文改變度均隨著社會經濟需水量的增大而迅速增大（階段2）;隨著社會經濟需水量進一步增長，社會經濟需水量高于水資源總量，社會經濟幾乎消耗了所有的可用水量，導致生態用水極少，水文改變度極大（階段3）。

4 結論

建立了基于天然水文情勢的水庫調度規則和生態調度模型，并以萬家寨水庫為例開展算例研究，主要結論：①面向水文情勢主要特征設計了15個水文情勢評價指標，將評價指標直接應用于水庫生態調度模型的目標函數中，減少了生態供水與天然水文情勢間的差異：②設計了基于水文分期和實時水情的水庫生態供水規則，參考可供水量實時調整生態供水，有效挖掘了生態供水潛力;③為了保證水文情勢有利于河流健康，在本文設計的生態供水規則下，萬家寨水庫上游水資源開發利用率宜控制在40%以內，而水資源開發利用率長期高于60%則會造成嚴重的生態破壞。

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