大型水庫(kù)生態(tài)調(diào)度效益量化方法及應(yīng)用研究

姜森嚴(yán)，孫士博

(沈陽(yáng)市文林水土工程設(shè)計(jì)有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110179)

當(dāng)前，水庫(kù)生態(tài)調(diào)度已經(jīng)逐步成為水庫(kù)效益的體現(xiàn)的一種重要方式[1]。尤其是在枯水期，河道流量難以保障河流生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定，亟需水庫(kù)進(jìn)行生態(tài)調(diào)度補(bǔ)充河道內(nèi)的生態(tài)水量，以緩解和改善河流的生態(tài)環(huán)境狀況[2]。水庫(kù)主要功能是防洪、興利以及生態(tài)，防洪是第一功能，在保證防洪功能的前提下，如何規(guī)劃興利與生態(tài)調(diào)度一直是水庫(kù)調(diào)度研究的重點(diǎn)內(nèi)容[3]。水庫(kù)的興利效益較易量化，主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)效益方面，但是水庫(kù)的生態(tài)效益量化一直是個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，尤其是河道生態(tài)環(huán)境改善是一個(gè)循序漸進(jìn)且較為緩慢的過(guò)程[4]。近些年來(lái)，水庫(kù)尤其是大型水庫(kù)生態(tài)調(diào)度量化逐步得到研究和關(guān)注[5- 12]，但這些研究大都未能通過(guò)生態(tài)調(diào)度模型對(duì)水庫(kù)效益進(jìn)行定量量化研究，有成果表明通過(guò)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型[13- 15]，結(jié)合水庫(kù)的調(diào)度原則，可實(shí)現(xiàn)水庫(kù)生態(tài)流量的科學(xué)調(diào)度。為此本文從水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型角度出發(fā)，以觀音閣水庫(kù)為具體實(shí)例，通過(guò)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型對(duì)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度效益進(jìn)行量化，研究成果對(duì)于其他大型水庫(kù)生態(tài)調(diào)度效益量化具有重要的參考價(jià)值。

1 基本原理

1.1 生態(tài)水量調(diào)度自適應(yīng)模型

一級(jí)目標(biāo)以最小缺水量為目標(biāo)進(jìn)行函數(shù)構(gòu)建：

(1)

以生態(tài)效益為第二計(jì)算目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建：

(2)

式中，ΔQi，j—水庫(kù)不同時(shí)間的缺水量，m3；Ki—第i年水庫(kù)蓄滿程度；M—水庫(kù)計(jì)算目標(biāo)單元個(gè)數(shù)；T—計(jì)算時(shí)段，h；N—統(tǒng)計(jì)時(shí)段。各目標(biāo)函數(shù)計(jì)算的約束條件如下。

(1) 水力條件：

Ii，t=Qi-1，t+Si-1，t+Si，t-Gi，t

(3)

(2)水量平衡條件：

Vi，t=Vi，t-1+(Ii，t-Qi，t-Si，t-Gi，t)·Δt

(4)

(3) 庫(kù)容條件：

VLi，t≤Vi，t≤VUi，t

(5)

(4) 流量條件：

QLi，t≤(Qi，t+Si，t)≤QUi，t

(6)

(5) 出力條件：

PLi，t≤Ai·Qi，t·Hi，t≤PUi，t

(7)

(6) 水位邊界條件：

Zi，0=Zi，startZi，t=Zi，end

(8)

式中，Qi，t—第i年第j時(shí)段調(diào)度水量，m3；Ii，t、Si，t、Ri，t、Gi，t—第i年水庫(kù)入庫(kù)、下泄、區(qū)間來(lái)水以及調(diào)度水量，m3；Vi，t、VLi，t、VUi，t—第i年第t時(shí)段蓄水變化量、最大、最小蓄水量，m3；QLi，t、QUi，t—水庫(kù)最大、最小下泄水量，m3；PLi，t、PUi，t—水庫(kù)最大、最小出力值，m；Zi，start、Zi，end—水庫(kù)調(diào)度初始和末尾時(shí)期的水位，m。

1.2 計(jì)算步驟

水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的不確定性主要來(lái)源于預(yù)報(bào)等級(jí)的劃分，本文主要分析水庫(kù)生態(tài)調(diào)度預(yù)報(bào)的不確定性對(duì)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度效益的影響，因此首選需要對(duì)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的不確定性進(jìn)行剔除，采用隨機(jī)方式進(jìn)行處理：

Qft=Qst+ket

(9)

式中，Qft—徑流預(yù)測(cè)值，m3/s；ket—預(yù)報(bào)的徑流誤差，%；Qst—枯水期徑流預(yù)測(cè)值，m3/s。主要的計(jì)算步驟為：

(1)基于觀音閣水庫(kù)實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)，以枯水期作為基礎(chǔ)年份，枯水期徑流作為基流進(jìn)行分析。

(2)對(duì)不同組合方式下的徑流進(jìn)行隨機(jī)分析，生成水庫(kù)隨機(jī)生態(tài)調(diào)度徑流序列。

(3)結(jié)合水量自適應(yīng)調(diào)度模型按照生成的隨機(jī)徑流序列進(jìn)行水庫(kù)生態(tài)調(diào)度計(jì)算。

(4)結(jié)合水庫(kù)生態(tài)調(diào)度結(jié)果，應(yīng)用各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其水庫(kù)生態(tài)調(diào)度效益進(jìn)行分析，從而確定水庫(kù)生態(tài)調(diào)度綜合效益。

2 實(shí)例分析

2.1 水庫(kù)概況

觀音閣水庫(kù)是太子河干流上游的一座控制性大(1)型水利樞紐工程。水庫(kù)按1000年一遇洪水設(shè)計(jì)，10000年一遇洪水校核，水庫(kù)校核洪水位265.7m，相應(yīng)庫(kù)容為21.68億m3；設(shè)計(jì)洪水位263.9m，相應(yīng)庫(kù)容為20.23億m3。該水庫(kù)是以供水和防洪為主，兼有灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚(yú)等綜臺(tái)效益的大型水利樞紐工程。本文結(jié)合觀音閣水庫(kù)來(lái)水量數(shù)據(jù)，通過(guò)隨機(jī)分析方法，隨機(jī)生成入庫(kù)生態(tài)徑流序列，結(jié)合水量生態(tài)調(diào)度模型對(duì)水庫(kù)各項(xiàng)效益指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，從而分析觀音閣水庫(kù)生態(tài)效益。

2.2 調(diào)度效益指標(biāo)分析

結(jié)合隨機(jī)徑流序列，基于觀音閣水庫(kù)的調(diào)度規(guī)則，對(duì)水庫(kù)防洪、灌溉供水以及生態(tài)效益指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 觀影閣水庫(kù)調(diào)度效益指標(biāo)分析結(jié)果

從生態(tài)調(diào)度模型測(cè)算的防洪、供水以及生態(tài)效益可看出，各效益指標(biāo)和水庫(kù)生態(tài)調(diào)度水量具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均可達(dá)到0.5，表明水庫(kù)生態(tài)調(diào)度效益、防洪效益以及供水效益具有較好的相關(guān)性。這主要是因?yàn)橛^影閣水庫(kù)在非汛期主要是以供水和生態(tài)調(diào)度為主要目標(biāo)，在保障城市供水的基礎(chǔ)前提下，對(duì)下游河道的生態(tài)流量進(jìn)行科學(xué)調(diào)度，保障河流的生態(tài)環(huán)境狀況，而非汛期由于沒(méi)有防洪任務(wù)，因此水庫(kù)調(diào)度的綜合效益只有供水和生態(tài)效益，因此防洪調(diào)度效益和供水以及生態(tài)效益具有較好的相關(guān)性，在枯水期，由于供水任務(wù)較重，因此在滿足供水需求的前提下，可基本滿足河道內(nèi)的生態(tài)需水要求。而在汛期，由于觀音閣水庫(kù)以防洪任務(wù)為主，因此供水效益和生態(tài)效益的滿足度低于枯水期的供水和生態(tài)效益。觀音閣水庫(kù)在汛期來(lái)水量較大的時(shí)候，通過(guò)水庫(kù)調(diào)蓄作用，增加水庫(kù)蓄水量，保證非汛期供水和生態(tài)調(diào)度效益。

2.3 生態(tài)調(diào)度不確定影響分析

為探討生態(tài)調(diào)度不確定性對(duì)水庫(kù)各調(diào)度效益的綜合影響，通過(guò)假定對(duì)觀音閣水庫(kù)生態(tài)調(diào)度綜合的影響度低于20%，結(jié)合該影響率定量分析水庫(kù)生態(tài)調(diào)度不確定性，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 觀影閣水庫(kù)綜合調(diào)度影響度下生態(tài)調(diào)度確定影響結(jié)果

從生態(tài)調(diào)度不確定性分析結(jié)果可看出，生態(tài)調(diào)度的不確定性對(duì)水庫(kù)綜合調(diào)度影響較高，對(duì)水庫(kù)生態(tài)效益綜合調(diào)度影響最大，其方差和系數(shù)最大，此外為對(duì)供水效益的影響也較高，對(duì)水庫(kù)供水效益的系數(shù)和方差分別為0.54和16.29，水庫(kù)調(diào)度的不確定性對(duì)水庫(kù)防洪效益影響較低，對(duì)水庫(kù)防洪效益的影響的系數(shù)和方差分別為0.51和18.69，可見(jiàn)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度不確定性對(duì)水庫(kù)防洪效益影響較低，而主要影響分別為供水效益和生態(tài)效益兩個(gè)層面。

2.4 生態(tài)調(diào)度綜合效益分析

在水庫(kù)生態(tài)調(diào)度指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)觀音閣水庫(kù)干、支流來(lái)水對(duì)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度綜合效益的影響進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 觀影閣水庫(kù)來(lái)水影響的生態(tài)綜合效益影響分析

從干支流來(lái)水影響下觀音閣水庫(kù)的生態(tài)調(diào)度綜合效益分析結(jié)果可看出，干支流來(lái)水的不確定性對(duì)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度綜合影響較為顯著，其中對(duì)水庫(kù)防洪效益影響較大，豐水期干支流來(lái)水不確定性對(duì)水庫(kù)防洪效益影響度高于生態(tài)和供水效益，而豐水期干支流來(lái)水對(duì)水庫(kù)供水效益和生態(tài)效益影響度要低于防洪效益，介于17.2%～24.5%之間。而進(jìn)入枯水期，由于水庫(kù)枯水期主要承擔(dān)供水和生態(tài)調(diào)水的任務(wù)，干支流來(lái)水影響主要體現(xiàn)在對(duì)供水效益和生態(tài)效益層面，對(duì)供水和生態(tài)效益的影響度高于防洪效益，在枯水期，水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的效益值可達(dá)到20%以上，有效改善和緩解枯水期河道內(nèi)的水生態(tài)環(huán)境狀況。從干支流來(lái)水和防洪、生態(tài)效益的相關(guān)性分析可看出，來(lái)水和各效益指標(biāo)之間呈現(xiàn)明顯二次凸函數(shù)變化，且具有較好的相關(guān)性。

3 結(jié)論

(1)在汛期，由于觀音閣水庫(kù)以防洪任務(wù)為主，因此供水效益和生態(tài)效益的滿足度低于枯水期的供水和生態(tài)效益。觀音閣水庫(kù)在汛期來(lái)水量較大的時(shí)候，建議加大水庫(kù)調(diào)蓄作用，增加水庫(kù)蓄水量，保證非汛期供水和生態(tài)調(diào)度效益。

(2)觀影閣水庫(kù)生態(tài)調(diào)度不確定性對(duì)水庫(kù)防洪效益影響較低，而主要影響分別為供水效益和生態(tài)效益兩個(gè)層面。

(3)本文只針對(duì)單一水庫(kù)生態(tài)調(diào)度進(jìn)行量化，而對(duì)于太子河而言，水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度可實(shí)現(xiàn)流域最優(yōu)的生態(tài)需水，以后研究中還應(yīng)對(duì)水庫(kù)群生態(tài)效益進(jìn)行量化研究。