黃河中下游水資源多目標(biāo)利益對(duì)古賢水庫(kù)運(yùn)行的響應(yīng)

金文婷,王義民,暢建霞,王學(xué)斌

(1.安康學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院,陜西 安康 725000; 2. 西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710048)

黃河流域是資源性缺水流域,人均水資源量和單位面積水資源量?jī)H為全國(guó)平均水平的23%和15%,流域內(nèi)生活、生產(chǎn)與生態(tài)用水矛盾極為尖銳。近年來(lái),氣候變化和人類活動(dòng)加劇導(dǎo)致黃河徑流量顯著減少,給流域水資源的可持續(xù)開發(fā)利用帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)黃河中游徑流量較之前減少了30%以上,下游花園口水文站2001—2018年實(shí)測(cè)徑流量較1956—1979年減少了41%[1-2]。在徑流減少背景下,黃河梯級(jí)水庫(kù)群供水、發(fā)電、輸沙、生態(tài)、防洪等多個(gè)用水目標(biāo)之間的矛盾競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系進(jìn)一步加劇。為了使黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水和生態(tài)環(huán)境、輸沙用水之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同有序,梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度理論被提出以支撐黃河梯級(jí)水庫(kù)群水資源多目標(biāo)利用[3]。該理論基于協(xié)同學(xué)將用水多目標(biāo)細(xì)化為關(guān)鍵利益(各用水目標(biāo)中涉及特殊或重要價(jià)值的用水需求)和非關(guān)鍵利益(各用水目標(biāo)中非剛性需求的利益),并選取相應(yīng)的序參量,量化序參量及各目標(biāo)子系統(tǒng)有序度,按照多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化原則進(jìn)行尋優(yōu)調(diào)控,可在水資源有限情況下優(yōu)先保障多目標(biāo)關(guān)鍵利益,實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)關(guān)鍵利益與非關(guān)鍵利益的協(xié)同有序[3]。

古賢水庫(kù)是黃河中游規(guī)劃的一座控制性水利樞紐工程,先后被列入國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)和150項(xiàng)重大水利工程清單、國(guó)家“十四五”規(guī)劃102項(xiàng)重大工程。古賢水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容為134.6億m3,其中調(diào)水調(diào)沙庫(kù)容20億m3,攔沙庫(kù)容93.42億m3,建成后可與萬(wàn)家寨、小浪底水庫(kù)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)水調(diào)沙,為黃河中下游水沙調(diào)控提供有利條件[4]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)古賢水庫(kù)參與黃河梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度開展了相關(guān)研究。例如：萬(wàn)占偉等[5]采用水沙數(shù)學(xué)模型分析了古賢、小浪底水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行在協(xié)調(diào)黃河下游水沙關(guān)系、減少河道淤積、長(zhǎng)期維持中水河槽過(guò)流能力等方面的效果,結(jié)果表明古賢、小浪底水庫(kù)聯(lián)合攔沙和調(diào)水調(diào)沙可使下游河道長(zhǎng)期處于微淤狀態(tài),保持中水河槽過(guò)流能力50a以上;Castro-Gama等[6]針對(duì)黃河水庫(kù)群調(diào)度問題構(gòu)建了多元回歸模型,分析了包含古賢水庫(kù)在內(nèi)的黃河中下游水庫(kù)群下泄流量過(guò)程與下游花園口以下河段洪水總量、洪峰流量之間的相關(guān)關(guān)系;林秀芝等[7]利用82場(chǎng)黃河潼關(guān)站洪水模擬了古賢水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙期近似下泄的水沙過(guò)程,分析其對(duì)三門峽庫(kù)區(qū)河段沖刷、潼關(guān)高程降低的效果,并提出了古賢水庫(kù)適宜下泄的水沙調(diào)控指標(biāo);Chen等[8]提出了一種結(jié)合離散微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃逐次逼近和大規(guī)模系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)的DDDP-DPSA-LSSDC聯(lián)合求解方法,并應(yīng)用于包含古賢水庫(kù)在內(nèi)的黃河梯級(jí)水庫(kù)群“水-沙-能”優(yōu)化調(diào)度,結(jié)果表明,在輸沙、防洪防凌、供水和生態(tài)效益保持不變的情況下聯(lián)合求解方法的水庫(kù)群發(fā)電效益較DDDP算法和粒子群優(yōu)化算法(particle swarm optimization algorithm,PSO)分別提高了2.31%和19.03%;陳翠霞等[9]對(duì)比分析了不同水沙條件下古賢、東莊水庫(kù)投入運(yùn)行后黃河下游河道輸沙能力較現(xiàn)狀水庫(kù)群調(diào)控方式的差異與變化,指出古賢、東莊水庫(kù)運(yùn)行后可進(jìn)一步提高11%～12%的輸沙能力。

目前尚無(wú)針對(duì)徑流減少背景下黃河中下游梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)利益,特別是各目標(biāo)的關(guān)鍵利益對(duì)古賢水庫(kù)參與聯(lián)合運(yùn)行的響應(yīng)研究。本文假設(shè)2030水平年古賢水庫(kù)建成并投運(yùn),基于梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度理論構(gòu)建黃河中下游梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型,設(shè)立有古賢水庫(kù)和無(wú)古賢水庫(kù)兩種情景,通過(guò)模型求解對(duì)比分析兩種情景下黃河中下游供水、發(fā)電、調(diào)水調(diào)沙、生態(tài)多目標(biāo)序參量有序度及利益值的差異,量化各目標(biāo)關(guān)鍵利益與非關(guān)鍵利益對(duì)古賢水庫(kù)參與聯(lián)合運(yùn)行的響應(yīng),以期為將來(lái)一定時(shí)期內(nèi)黃河水資源高效利用及維護(hù)河流生命健康提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

黃河發(fā)源于青藏高原的約古宗列盆地,沿途流經(jīng)青海、四川、甘肅等9省(區(qū)),于山東墾利區(qū)注入渤海,中游為河口鎮(zhèn)至河南鄭州桃花峪河段,下游為桃花峪至入海口,中下游河段總長(zhǎng)1992km,中下游流域面積為36.7萬(wàn)km2[10-11]。中下游匯入支流主要有無(wú)定河、渭河、伊洛河、汾河、沁河和大汶河等,其中渭河是黃河最大的一級(jí)支流,天然徑流量、沙量分別為92.5億m3、4.43億t。黃河中游多數(shù)支流均流經(jīng)水土流失嚴(yán)重的黃土高原地區(qū),河道易形成洪水和大量泥沙,而小浪底以下河段進(jìn)入平原區(qū),加之氣候變化和人類活動(dòng)影響導(dǎo)致徑流量減少,致使黃河下游長(zhǎng)達(dá)800km的河段泥沙淤積嚴(yán)重,河床比背河地面平均高出4～6m,成為“地上懸河”。

黃河從石嘴山斷面至下游利津斷面的河段中已建有海勃灣、三盛公、萬(wàn)家寨、龍口、天橋、三門峽、小浪底、西霞院等水庫(kù),其中萬(wàn)家寨水庫(kù)為不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù),主要任務(wù)是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰,兼顧防洪、防凌、生態(tài)等,其余均為日調(diào)節(jié)或徑流式水電站;小浪底水庫(kù)為不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù),總庫(kù)容126.5億m3,承擔(dān)著下游的防洪、減淤、供水、調(diào)水調(diào)沙等多重任務(wù);三門峽水庫(kù)為季調(diào)節(jié)水庫(kù),有效庫(kù)容為4.39億m3,但由于庫(kù)區(qū)泥沙淤積嚴(yán)重等問題,目前其調(diào)節(jié)能力非常有限,在本文中不參與黃河中下游梯級(jí)水庫(kù)群的聯(lián)合調(diào)度。因此,本文參與梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度的水庫(kù)群為萬(wàn)家寨、古賢(有古賢水庫(kù)情景)、小浪底水庫(kù),將海勃灣、三盛公、龍口、天橋、三門峽、西霞院6座已建水電站視為徑流式電站,統(tǒng)計(jì)梯級(jí)發(fā)電效益;除海勃灣、三盛公兩座徑流式電站位于上游外,其余均為中下游水庫(kù)、水電站。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1徑流資料

收集了黃河干流石嘴山、頭道拐、華縣、花園口和利津水文站及黃河重要一級(jí)支流入黃監(jiān)測(cè)水文站1990—2015年逐月實(shí)測(cè)徑流資料。支流水文站主要有河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間支流無(wú)定河的白家川水文站、窟野河的溫家川水文站;龍門至三門峽區(qū)間支流渭河的華縣水文站、汾河的河津水文站;小浪底至花園口區(qū)間支流洛河的黑石關(guān)水文站、沁河的武陟水文站;花園口以下支流大汶河的戴村壩水文站。以上徑流資料來(lái)源于中華人民共和國(guó)水文年鑒黃河流域水文資料及黃河水利委員會(huì)。

1.2.2多目標(biāo)需水資料

需水資料包括河道外綜合需水、河道內(nèi)生態(tài)需水和水庫(kù)群調(diào)水調(diào)沙需求等。

河道外綜合需水包含了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、河道外生態(tài)需水。由水利部黃河水利委員會(huì)編制的《黃河流域綜合規(guī)劃(2012—2030年)》[12〗中的需水預(yù)測(cè),獲得2030規(guī)劃年各月份黃河下游花園口斷面的河道外綜合需水,如表1所示,總需水量為103.67億m3。

表1 2030規(guī)劃年花園口斷面河道外綜合需水 單位：億m3

生態(tài)需水指維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康及保持空間連續(xù)性、保持水生種群及群落生命過(guò)程的可持續(xù)性、對(duì)抗外來(lái)物種的競(jìng)爭(zhēng)性所需的流量過(guò)程[13〗。河道內(nèi)滿足適宜的生態(tài)流量是保護(hù)河道生態(tài)健康,維持河道一定納污能力的必要條件。此外,5、6月是成魚產(chǎn)卵、幼魚生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期,此時(shí)魚類對(duì)河道內(nèi)產(chǎn)卵場(chǎng)的流量、流速、水溫均有一定要求,需要一定次數(shù)的生態(tài)脈沖來(lái)刺激魚類繁殖與生長(zhǎng)。生態(tài)脈沖可由水庫(kù)、水電站在5、6月魚類繁殖、生長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)擇機(jī)下泄一定次數(shù)的高流量過(guò)程,模擬天然河流的生態(tài)脈沖。基于已有的維持黃河干流水生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的重要斷面生態(tài)需水成果[14],本文考慮黃河下游花園口斷面的生態(tài)流量過(guò)程及生態(tài)脈沖需求,花園口斷面河道內(nèi)生態(tài)需水如表2所示。

表2 花園口斷面河道內(nèi)生態(tài)需水 單位：m3/s

參考黃河流域梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)水調(diào)沙已有研究成果及小浪底多年調(diào)水調(diào)沙的已有經(jīng)驗(yàn)[15-17],設(shè)置下游梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)水調(diào)沙的控制流量范圍為3500～4000m3/s,調(diào)沙歷時(shí)為10～20d,調(diào)沙時(shí)機(jī)為6月下旬至7月上旬供水期結(jié)束后、主汛期來(lái)臨前。

2 研究方法

2.1 梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度理論

梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)調(diào)度系統(tǒng)是由水文要素、水利工程主體、河道形態(tài)、河流生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求等諸多要素相互作用而構(gòu)成的有機(jī)整體,具有開放性、非線性、隨機(jī)性、系統(tǒng)性等復(fù)雜系統(tǒng)特征。若將梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)調(diào)度系統(tǒng)的各個(gè)目標(biāo)視為子系統(tǒng),則內(nèi)部子系統(tǒng)之間具有非線性的相互競(jìng)爭(zhēng)、相互合作關(guān)系。梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度,其實(shí)質(zhì)是協(xié)調(diào)水庫(kù)群多目標(biāo)調(diào)度系統(tǒng)中供水、發(fā)電、輸沙、生態(tài)子系統(tǒng)的關(guān)系,保持子系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)平衡,使多目標(biāo)調(diào)度系統(tǒng)達(dá)到整體、綜合、有序的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)水資源高效利用、水資源穩(wěn)定供應(yīng)、能源安全保障、河道水沙關(guān)系協(xié)調(diào)、河流生態(tài)健康。

黃河流域水資源短缺,綜合用水任務(wù)繁重,梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度時(shí)應(yīng)對(duì)各目標(biāo)的關(guān)鍵利益和非關(guān)鍵利益有主次、分輕重地制定相應(yīng)的控制原則。在黃河流域徑流減少、多目標(biāo)水資源利用競(jìng)爭(zhēng)加劇的背景下,制定梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度的總體原則為：在基本保障各目標(biāo)關(guān)鍵利益的基礎(chǔ)上,通過(guò)統(tǒng)籌協(xié)調(diào),甚至必要時(shí)適度犧牲非關(guān)鍵利益來(lái)達(dá)到整體水庫(kù)群多目標(biāo)調(diào)度系統(tǒng)的協(xié)同控制。

2.1.1黃河中下游多目標(biāo)關(guān)鍵利益與非關(guān)鍵利益識(shí)別及序參量選取

供水目標(biāo)中,工業(yè)、生活及河道外生態(tài)需水(統(tǒng)稱為“河道外非農(nóng)業(yè)用水”)是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)資源,應(yīng)視為關(guān)鍵利益;農(nóng)業(yè)用水中,農(nóng)作物生長(zhǎng)周期中對(duì)水分敏感且與產(chǎn)量密切相關(guān)的某些重要階段的灌溉用水應(yīng)視為關(guān)鍵利益;黃河下游引黃灌區(qū)的農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)以冬小麥、玉米等糧食作物為主[18],冬小麥的關(guān)鍵生育階段抽穗至灌漿期、灌漿至成熟期分別為5月上旬至5月下旬、5月下旬至6月上旬;玉米的關(guān)鍵生育階段拔節(jié)至抽雄期、抽雄至灌漿期分別為7月下旬至8月中旬、8月中旬至8月下旬。因此,確定5月上、中、下旬,6月上旬,7月下旬及8月上、中、下旬為下游供水目標(biāo)中灌溉用水的關(guān)鍵時(shí)期(以下稱“農(nóng)業(yè)關(guān)鍵期”),該時(shí)期的農(nóng)業(yè)用水滿足程度即為下游供水目標(biāo)的關(guān)鍵利益;其他時(shí)期的農(nóng)業(yè)用水滿足程度視為下游供水目標(biāo)的非關(guān)鍵利益。生態(tài)目標(biāo)中,河道內(nèi)生態(tài)基流的保障能力及魚類繁殖生長(zhǎng)所需的每年至少一次生態(tài)脈沖為關(guān)鍵利益;發(fā)電目標(biāo)中,非枯水期(4—10月)的梯級(jí)水庫(kù)群發(fā)電效益是關(guān)鍵利益;輸沙目標(biāo)中,一次調(diào)水調(diào)沙控制流量與調(diào)沙歷時(shí)為關(guān)鍵利益,長(zhǎng)系列調(diào)沙頻率為非關(guān)鍵利益。表3列出了黃河中下游多目標(biāo)用水的關(guān)鍵利益與非關(guān)鍵利益序參量。

表3 黃河中下游梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)關(guān)鍵利益與非關(guān)鍵利益序參量

2.1.2序參量有序度量化

在協(xié)同學(xué)理論中,序參量對(duì)子系統(tǒng)有序演化的貢獻(xiàn)程度用序參量有序度表示。本文采用線性功效函數(shù)對(duì)正指標(biāo)功效序參量、負(fù)指標(biāo)功效序參量及適度功效序參量3種類型的序參量有序度進(jìn)行量化[19],量化公式分別為

djnk=(ejnk-enkmin)/(enkmax-enkmin)

(1)

djnk=(enkmax-ejnk)/(enkmax-enkmin)

(2)

djnk=1-(ejnk-c)/(enkmax-enkmin)

(3)

式中：n為子系統(tǒng)編號(hào);k為子系統(tǒng)中序參量編號(hào);j為水文年編號(hào);djnk為第j個(gè)水文年第n個(gè)子系統(tǒng)的第k個(gè)序參量的有序度;ejnk為第j個(gè)水文年第n個(gè)子系統(tǒng)的第k個(gè)序參量的取值;enkmax、enkmin分別為第n個(gè)子系統(tǒng)的第k個(gè)序參量取值的最大、最小值;c為適度功效序參量有序度達(dá)到最大時(shí)該序參量的取值。

2.1.3子系統(tǒng)有序度量化

子系統(tǒng)的有序度用于衡量子系統(tǒng)對(duì)總體大系統(tǒng)協(xié)同演化的貢獻(xiàn)程度。單一水文年子系統(tǒng)有序度大小反映了該子系統(tǒng)對(duì)該水文年梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)調(diào)度系統(tǒng)的有序度貢獻(xiàn)水平。

(4)

式中：djn為第j個(gè)水文年第n個(gè)子系統(tǒng)的有序度;K為子系統(tǒng)中序參量的總數(shù);wnk為第n個(gè)子系統(tǒng)的第k個(gè)序參量的權(quán)重。

2.2 梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型

2.2.1模型構(gòu)建

在協(xié)同學(xué)理論中,用整體系統(tǒng)協(xié)同度來(lái)量化各子系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化的總體程度,梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)調(diào)度系統(tǒng)的協(xié)同度可由各子系統(tǒng)有序度多年平均值的幾何平均求得。因此,本文構(gòu)建以梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)協(xié)同度最大為優(yōu)化目標(biāo)的水庫(kù)群多目標(biāo)協(xié)同控制模型。由于供水、輸沙、生態(tài)目標(biāo)關(guān)鍵利益的時(shí)間尺度精細(xì)到了旬,因此在構(gòu)建模型時(shí),設(shè)置5、6、7、8月的調(diào)度尺度為旬,其余調(diào)度尺度為月,一個(gè)水文年有20個(gè)時(shí)段。

目標(biāo)函數(shù)為

(5)

式中：d為梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)協(xié)同度;J為長(zhǎng)系列調(diào)度的總年數(shù);JWS為長(zhǎng)系列總調(diào)沙年數(shù);λ1、λ2為權(quán)重;dWS為長(zhǎng)系列調(diào)沙頻率有序度;n為子系統(tǒng)編號(hào),n=1,2,3,4分別代表供水、發(fā)電、輸沙、生態(tài)子系統(tǒng);當(dāng)n=1,2,4時(shí),dn為總調(diào)度期內(nèi)第n個(gè)子系統(tǒng)逐年有序度的多年平均值;當(dāng)n=3時(shí),dn為僅實(shí)施調(diào)水調(diào)沙年份的輸沙子系統(tǒng)有序度的多年平均值與長(zhǎng)系列調(diào)沙頻率FWS有序度的加權(quán)求和。

模型中需要考慮的約束條件有水量平衡約束、水庫(kù)水位約束、出庫(kù)流量約束、電站出力約束、變量非負(fù)約束等。

2.2.2模型求解

本文采用PSO進(jìn)行模型求解。PSO作為一種高效的尋優(yōu)算法被用于求解非線性、不可微分的多目標(biāo)復(fù)雜優(yōu)化問題。由于其原理簡(jiǎn)單、參數(shù)少、搜索速度快,粒子群及其改進(jìn)算法被廣泛應(yīng)用于水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度問題[20]。例如：Niu等[21]提出了一種混合量子粒子群算法(HQPSO)對(duì)水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度問題進(jìn)行求解,通過(guò)與傳統(tǒng)調(diào)度方法比較,所提方法能夠獲得電力系統(tǒng)電量損失更少的調(diào)度方案,驗(yàn)證了該方法的有效性; Ma等[22]提出了基于云計(jì)算的火花并行粒子群優(yōu)化算法(SPPSO),以沅江八座梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度系統(tǒng)為例,對(duì)SPPSO的并行性能、精度、效率和穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn);周帥[23]充分考慮黃河流域氣象和下墊面條件的空間異質(zhì)性構(gòu)建了 8種概念性集總式水文模型預(yù)測(cè)黃河流域重要斷面未來(lái)來(lái)水量和農(nóng)業(yè)需水量的時(shí)空演變規(guī)律,并建立了黃河流域梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度模型,采用粒子群算法求解變化環(huán)境下黃河梯級(jí)水庫(kù)群的適應(yīng)性調(diào)度方案。本文用PSO進(jìn)行模型求解時(shí),優(yōu)化算法的主要參數(shù)如粒子種群規(guī)模、最大迭代次數(shù)、慣性權(quán)重、慣性權(quán)重阻尼系數(shù)、個(gè)體學(xué)習(xí)系數(shù)、群體學(xué)習(xí)系數(shù)分別取200、1000、1.0、0.99、1.5、2.0。采用PSO進(jìn)行模型求解時(shí),在粒子種群規(guī)模一定并且迭代次數(shù)一定的情況下,隨機(jī)生成的初始種群可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定或收斂于局部最優(yōu)解,因此需對(duì)模型進(jìn)行多次運(yùn)算,選擇最優(yōu)的適應(yīng)度值方案。

3 結(jié)果與分析

3.1 兩種情景下序參量有序度及利益值對(duì)比分析

兩種情景下梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)序參量有序度及利益值的多年平均值如表4所示,表中情景1和情景2分別為無(wú)古賢水庫(kù)情景和有古賢水庫(kù)情景。

表4 兩種情景下序參量有序度及利益值多年平均值

對(duì)比表4中兩種情景下的多目標(biāo)序參量有序度可知：有古賢水庫(kù)情景下,黃河中下游水庫(kù)群供水子系統(tǒng)的關(guān)鍵利益Pw1、V1、D的有序度分別為1.00、0.87、0.83,分別較無(wú)古賢水庫(kù)情景提高了0.01、0.01、0.04;非關(guān)鍵利益Pw2、V2的有序度分別為0.69、0.82,分別較無(wú)古賢水庫(kù)情景提高了0.02、0.05;最終供水子系統(tǒng)有序度為0.88,較無(wú)古賢水庫(kù)情景增加了0.02;發(fā)電子系統(tǒng)關(guān)鍵利益Pe1、Ne1的有序度分別為0.95、0.43,均較無(wú)古賢水庫(kù)情景增加0.01,非關(guān)鍵利益Pe2的有序度為0.75,較無(wú)古賢水庫(kù)情景增加0.05,增長(zhǎng)明顯;最終發(fā)電子系統(tǒng)有序度為0.66,較無(wú)古賢水庫(kù)情景增加0.02;輸沙子系統(tǒng)的關(guān)鍵利益QWS、TWS的有序度分別為0.56、0.50,分別較無(wú)古賢水庫(kù)情景增加了0.04、0.02;非關(guān)鍵利益FWS的有序度為0.36,較無(wú)古賢水庫(kù)情景減少了0.06;最終輸沙子系統(tǒng)有序度為0.48;生態(tài)子系統(tǒng)關(guān)鍵利益有序度均為1,保障良好;非關(guān)鍵利益Tec2的有序度僅為0.23,較無(wú)古賢水庫(kù)情景略微增加0.03,最終生態(tài)子系統(tǒng)有序度為0.87;最終有古賢水庫(kù)情景下的黃河中下游水庫(kù)群多目標(biāo)總協(xié)同度為0.70,較無(wú)古賢水庫(kù)情景略微提高0.01。

對(duì)比表4中兩種情景下的供水目標(biāo)利益值可知：有古賢水庫(kù)情景下,黃河中下游供水目標(biāo)的河道外非農(nóng)業(yè)用水保證率Pw1為100.00%,完全滿足;農(nóng)業(yè)關(guān)鍵期總?cè)彼縑1多年平均值為1.64億m3,較無(wú)古賢水庫(kù)情景減少了0.21億m3,降幅11.35%;農(nóng)業(yè)關(guān)鍵期最大缺水深度D為0.17,較無(wú)古賢水庫(kù)情景下降了0.04;農(nóng)業(yè)非關(guān)鍵期的供水保證率Pw2為68.59%,較無(wú)古賢水庫(kù)情景提高了1.59%;農(nóng)業(yè)非關(guān)鍵期總?cè)彼縑2多年平均值為3.25億m3,較無(wú)古賢水庫(kù)情景減少了0.83億m3,降幅20.34%;可見,未來(lái)古賢水庫(kù)的投入運(yùn)行將有效提高黃河中下游水庫(kù)群保障供水目標(biāo)用水利益的能力,特別是明顯降低了農(nóng)業(yè)用水的缺水量及缺水深度。

對(duì)比表4中兩種情景下的發(fā)電目標(biāo)利益值可知：有古賢水庫(kù)情景下梯級(jí)水庫(kù)群非枯水期發(fā)電保證率Pe1為95.38%,較無(wú)古賢水庫(kù)情景提高了1.79%;非枯水期平均出力Ne1為243.56萬(wàn)kW,較無(wú)古賢水庫(kù)情景增加了74.78萬(wàn)kW,增幅44.31%;非關(guān)鍵利益枯水期發(fā)電保證率Pe2為75.38%,較無(wú)古賢水庫(kù)情景增加了5.38%;枯水期平均出力Ne2為164.54萬(wàn)kW,較無(wú)古賢水庫(kù)情景增加了46.79萬(wàn)kW,增幅39.74%;可見古賢水庫(kù)加入中下游梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度后,中下游水庫(kù)群的發(fā)電保證率及出力均有所提高,其中非枯水期平均出力提升最大。

對(duì)比表4中兩種情景下的輸沙目標(biāo)利益值可知：有古賢水庫(kù)情景下關(guān)鍵利益單次調(diào)沙流量QWS多年平均值為3778.33m3/s,較無(wú)古賢水庫(kù)情景略微增加;一次調(diào)沙歷時(shí)TWS平均為13d,較無(wú)古賢水庫(kù)情景增加了0.27d;非關(guān)鍵利益長(zhǎng)系列調(diào)沙頻率FWS為38.46%,即26a中調(diào)沙10次,平均2.6a調(diào)一次,較無(wú)古賢水庫(kù)情景減少3.85%,說(shuō)明有古賢水庫(kù)情景下的調(diào)水調(diào)沙可持續(xù)性略微有所下降,其原因可能是古賢水庫(kù)的運(yùn)行主要提高了中下游水庫(kù)群供水、發(fā)電利益,減少了下游缺水量,并提高了一次調(diào)水調(diào)沙的流量及歷時(shí),使得水庫(kù)群存蓄水量減少,降低了連續(xù)調(diào)水調(diào)沙的能力。

對(duì)比表4中兩種情景下的生態(tài)目標(biāo)利益值可知：兩種情景下關(guān)鍵利益均能完全滿足;有古賢水庫(kù)情景下非關(guān)鍵利益多次生態(tài)脈沖Tec2的多年平均值為1.15次,較無(wú)古賢水庫(kù)情景小幅增加了0.15次,說(shuō)明古賢水庫(kù)運(yùn)行有利于梯級(jí)水庫(kù)群塑造下游生態(tài)脈沖所需的流量過(guò)程,但由于多目標(biāo)用水需求的矛盾激烈,有助于魚類繁殖和生長(zhǎng)的生態(tài)脈沖的次數(shù)總體而言仍處于較低水平。

3.2 兩種情景下利益值長(zhǎng)系列變化過(guò)程對(duì)比分析

圖1為兩種情景下黃河中下游供水目標(biāo)利益長(zhǎng)系列變化過(guò)程。由圖1可知：①有古賢水庫(kù)情景下,黃河中下游供水目標(biāo)的農(nóng)業(yè)關(guān)鍵期缺水量V1長(zhǎng)系列變化過(guò)程中有14年不缺水,較無(wú)古賢水庫(kù)情景增加1年;僅1年的V1超過(guò)10億m3,為2002年的10.41億m3,較無(wú)古賢水庫(kù)情景減少了1年;②農(nóng)業(yè)非關(guān)鍵期缺水量V2長(zhǎng)系列變化過(guò)程中,有古賢水庫(kù)情景下有11年的V2為0,農(nóng)業(yè)非關(guān)鍵期缺水主要出現(xiàn)在1999—2009年,其中有4年的V2超過(guò)10億m3,較無(wú)古賢水庫(kù)情景減少了3年,說(shuō)明古賢水庫(kù)的聯(lián)合運(yùn)行減少了農(nóng)業(yè)用水出現(xiàn)較大缺水情況的概率;③農(nóng)業(yè)關(guān)鍵期最大缺水深度D變化過(guò)程中,有古賢水庫(kù)情景下有14年的D為0;有4年的D超過(guò)0.5,較無(wú)古賢水庫(kù)情景減少了1年;④有古賢水庫(kù)情景下,共有9年的河道外綜合用水需求不缺水,占總年數(shù)的34.6%,較無(wú)古賢水庫(kù)情景增加了3年;有古賢水庫(kù)情景下河道外多年平均總?cè)彼繛?.88億m3,較無(wú)古賢水庫(kù)情景減少了1.05億m3,減幅明顯;可見未來(lái)古賢水庫(kù)的投入與聯(lián)合運(yùn)行將有效降低黃河下游河道外綜合用水的缺水程度,但由于黃河本身徑流不足,資源型缺水導(dǎo)致即使增加具有較大調(diào)節(jié)性能的水利工程也難以從根本上扭轉(zhuǎn)河道外缺水,特別是農(nóng)業(yè)常年缺水的局面,未來(lái)還需要加快實(shí)施南水北調(diào)西線工程等外流域調(diào)水工程以緩解多目標(biāo)用水矛盾。

圖1 兩種情景下黃河中下游供水目標(biāo)關(guān)鍵利益與非關(guān)鍵利益變化過(guò)程

圖2為兩種情景下黃河中下游發(fā)電目標(biāo)利益變化過(guò)程。由圖2可知：①有古賢水庫(kù)情景下黃河中下游梯級(jí)水庫(kù)群非枯水期平均出力Ne1變化范圍在140萬(wàn)～330萬(wàn)kW之間,而無(wú)古賢水庫(kù)情景下Ne1的變化范圍下降為104萬(wàn)～235萬(wàn)kW之間,最大值下降了近95萬(wàn)kW;②有古賢水庫(kù)情景下水庫(kù)群枯水期平均出力Ne2的變化范圍在135萬(wàn)～193萬(wàn)kW之間,無(wú)古賢水庫(kù)情景下Ne2的變化范圍為89萬(wàn)～135萬(wàn)kW之間,降幅明顯;③有古賢水庫(kù)情景下梯級(jí)水庫(kù)群年發(fā)電量變化范圍為122.90億～238.05億kW·h,多年平均值為171.82億kW·h;無(wú)古賢水庫(kù)情景下年發(fā)電量變化范圍為85.66億～169.03億kW·h,最大值下降了69.02億kW·h,多年平均發(fā)電量為125.57億kW·h,較有古賢水庫(kù)情景減少了46.25億kW·h,即古賢水庫(kù)多年平均發(fā)電量低于其設(shè)計(jì)值56.45億kW·h。可以看出,在近年來(lái)黃河徑流減少及電調(diào)服從水調(diào)的背景下,古賢水庫(kù)參與聯(lián)合運(yùn)行對(duì)于梯級(jí)水庫(kù)群年發(fā)電量的提升能力低于預(yù)期。

圖2 兩種情景下黃河中下游發(fā)電目標(biāo)關(guān)鍵利益與非關(guān)鍵利益變化過(guò)程

表5為兩種情景下梯級(jí)水庫(kù)群輸沙目標(biāo)利益變化過(guò)程。由表5可知：①兩種情景下黃河中下游梯級(jí)水庫(kù)群進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙年份的來(lái)水頻率P均小于50%,說(shuō)明下游實(shí)施調(diào)沙的年份為豐水年或平水年;②無(wú)古賢水庫(kù)情景下調(diào)沙流量QWS取值范圍為3608.44～3957.19m3/s,有古賢水庫(kù)情景下QWS取值范圍為3608.21～3934.10m3/s,兩種情景下的QWS取值范圍相近;③有古賢水庫(kù)中下游梯級(jí)水庫(kù)群共進(jìn)行了10次調(diào)水調(diào)沙,較無(wú)古賢水庫(kù)情景減少1次,減少的原因是2008年6月下旬時(shí)段末小浪底水庫(kù)水位已降至死水位230m,梯級(jí)水庫(kù)群總蓄水量不足,無(wú)法達(dá)到輸沙要求,10次輸沙中有3次的調(diào)沙歷時(shí)為20d,其余為10d;④有古賢水庫(kù)情景下一次調(diào)沙用水量為30.86億～66.10億m3,平均值為42.27億m3,較無(wú)古賢水庫(kù)情景下的調(diào)沙水量平均值增加了0.98億m3。

表5 兩種情景下梯級(jí)水庫(kù)群輸沙目標(biāo)利益值

兩種情景下所有年份的花園口斷面生態(tài)基流保證率Pec均為100%,河道生態(tài)基流得到完全滿足。圖3為兩種情景下黃河中下游生態(tài)脈沖次數(shù)變化過(guò)程。由圖3可知：有古賢水庫(kù)情景下有9年的生態(tài)脈沖次數(shù)為3次,較無(wú)古賢水庫(kù)情景下生態(tài)脈沖次數(shù)為3次的年數(shù)增加了1年;有12年的生態(tài)脈沖次數(shù)為2次,較無(wú)古賢水庫(kù)情景下生態(tài)脈沖次數(shù)為2次的年數(shù)增加了2年;有5年的生態(tài)脈沖次數(shù)僅為1次,占總年數(shù)的19.23%。可見,梯級(jí)水庫(kù)群每年5、6月塑造的生態(tài)脈沖次數(shù)主要以2次為主,未來(lái)加入古賢水庫(kù)的中下游梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合運(yùn)行將為下游河道更好地塑造多次有利于魚類繁殖及生長(zhǎng)的生態(tài)脈沖流量。

圖3 兩種情景下黃河中下游生態(tài)目標(biāo)生態(tài)脈沖次數(shù)變化過(guò)程

4 結(jié) 論

a.有古賢水庫(kù)情景下黃河中下游水庫(kù)群多目標(biāo)調(diào)度系統(tǒng)總協(xié)同度較無(wú)古賢水庫(kù)情景略微增加,其中供水與生態(tài)子系統(tǒng)對(duì)水庫(kù)群調(diào)度系統(tǒng)協(xié)同演化的貢獻(xiàn)程度最高,輸沙目標(biāo)的貢獻(xiàn)程度最低。各目標(biāo)關(guān)鍵利益序參量有序度普遍高于非關(guān)鍵利益,遵循了在基本保障各目標(biāo)關(guān)鍵利益的基礎(chǔ)上,統(tǒng)籌協(xié)調(diào),甚至適度犧牲非關(guān)鍵利益來(lái)實(shí)現(xiàn)水庫(kù)群多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度的原則。

b.有古賢水庫(kù)情景下供水、發(fā)電、生態(tài)目標(biāo)的各關(guān)鍵利益與非關(guān)鍵利益值均較無(wú)古賢水庫(kù)情景有所提升;輸沙目標(biāo)中,有古賢水庫(kù)情景下除長(zhǎng)系列調(diào)沙頻率略微下降外,黃河中下游水庫(kù)群一次調(diào)水調(diào)沙的控制流量及歷時(shí)均有所提升。

c.水庫(kù)群多目標(biāo)利益長(zhǎng)系列變化過(guò)程中,有古賢水庫(kù)情景下河道外綜合需水、農(nóng)業(yè)關(guān)鍵期與非關(guān)鍵期的農(nóng)業(yè)需水得到完全滿足的年數(shù)均較無(wú)古賢水庫(kù)情景增加明顯。可見未來(lái)古賢水庫(kù)的投入與聯(lián)合運(yùn)行將有效降低黃河下游河道外綜合用水的缺水程度,并大幅提高梯級(jí)水庫(kù)群發(fā)電能力、調(diào)水調(diào)沙能力和塑造生態(tài)脈沖流量的能力。