陳 端，陳求穩(wěn)，陳 進

(1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085;2.長江科學院，武漢 430010)

1 研究背景

現(xiàn)行的水庫常規(guī)運行調(diào)度，主要是協(xié)調(diào)防洪和發(fā)電等興利任務(wù)之間的利益，體現(xiàn)了水資源利用最大化和經(jīng)濟效益最大化。而多數(shù)水庫調(diào)度方案沒有考慮壩下游生態(tài)保護的要求［1］，人為改變了河流原有的物質(zhì)場、能量場、化學場和生物場［2］，導致了下游河道流量、水溫以及水質(zhì)等生態(tài)因子的較大變化，對河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了脅迫和損害［3］。生態(tài)友好型調(diào)度是該背景下應運而生的研究課題［4］，從廣義的角度看，生態(tài)友好型調(diào)度涵蓋的范圍較大，其內(nèi)容包括了基于水溫和營養(yǎng)物質(zhì)的水庫分層取水調(diào)度、基于生態(tài)需水量的調(diào)度以及泥沙和水質(zhì)調(diào)控［5］等，國外通常稱之為“大壩適應性管理”［6］。本文研究內(nèi)容為基于生態(tài)需水量的水庫生態(tài)友好型調(diào)度(簡稱水庫生態(tài)調(diào)度，下同)。

水庫生態(tài)調(diào)度主要是指在大壩水庫的常規(guī)調(diào)度中考慮下游生態(tài)系統(tǒng)的需水要求，協(xié)調(diào)發(fā)電灌溉等工程效益和下游生態(tài)需水之間的矛盾［7－8］。國內(nèi)外相關(guān)的水庫調(diào)度原型運行經(jīng)驗表明，考慮生態(tài)需水量的水庫調(diào)度是改善下游生態(tài)系統(tǒng)的重要手段和有效方法［9－12］。我國目前處在流域水電開發(fā)的高峰期，大量的水壩正在規(guī)劃和建設(shè)。同時，我國也是目前大壩數(shù)量居于世界前列的國家①賈金生，袁玉蘭，李鐵潔.2003年世界大壩情況.http://www.icold2cigb.org.cn/zt/dams/world2dams.asp.，大量的水庫和大壩需要進行管理，下游的生態(tài)保護將逐漸成為今后大壩運行和管理的重點之一［13］，研究水庫的生態(tài)調(diào)度措施十分重要。

本研究以雅礱江錦屏梯級水電站工程為例，開發(fā)建立了梯級水庫生態(tài)調(diào)度優(yōu)化模型，通過改進的遺傳優(yōu)化算法，對滿足生態(tài)需水量而發(fā)電效益最大的調(diào)度策略進行了研究。由于滿足生態(tài)需水的同時通常會帶來工程效益的損失，本文還對目標物種的生態(tài)流量滿足程度與工程效益損失之間的響應關(guān)系進行了研究，定量分析了生態(tài)調(diào)度與傳統(tǒng)工程調(diào)度之間的效益變化，并提出了調(diào)度折中方案選擇的基本原則。

2 研究區(qū)域概況

錦屏梯級工程位于雅礱江流域中上游，包括錦屏一級和錦屏二級工程。錦屏一級為年調(diào)節(jié)電站，壩型為混凝土拱壩，電站為壩后式;錦屏二級工程壩型為低水頭閘堰式，電站為長距離引水式電站。工程布置見圖1。錦屏梯級水電站工程主要功能是發(fā)電，電站建成后，由于電站發(fā)電引水，貓貓灘(二級壩址)至大水溝(二級廠址)約120km河道將出現(xiàn)減(脫)水，水深變淺，流速趨小，水生生物的生存空間和環(huán)境受到影響，對河流生態(tài)系統(tǒng)影響很大，特別是該河段內(nèi)分布有本地魚種細鱗裂腹魚較多數(shù)量的產(chǎn)卵場［14］。為減少電站運行對該河段動植物的影響，需要開展生態(tài)調(diào)度，主要目的是滿足細鱗裂腹魚的生態(tài)需水要求，專門加設(shè)了泄流裝置用于泄放生態(tài)流量，但水庫調(diào)度決策者對生態(tài)調(diào)度所引起的電量損失十分擔憂。因此，在實施生態(tài)調(diào)度的同時使得電站效益損失最小是該梯級運行調(diào)度的主要任務(wù)。

圖1 錦屏梯級電站工程布置簡圖Fig.1 Sketch map of the two cascade reservoirs at Jinping on the Yalong River

3 模型建立

水庫生態(tài)調(diào)度是充分利用水庫庫容，在河流生態(tài)需水要求的指導下，對天然徑流進行合理的時空分配［15］，其實質(zhì)仍與常規(guī)水庫調(diào)度相同，是一個具有高度非線性、多目標、多約束條件的復雜動態(tài)控制問題［16］，可通過建立約束條件下的優(yōu)化模型進行求解。模型以梯級水庫作為物理系統(tǒng)，在約束條件和天然徑流輸入下通過優(yōu)化方法得到問題的最優(yōu)解(目標函數(shù)極值)，其對應的調(diào)度策略即為約束條件下的優(yōu)化運行模式。模型框架如圖2所示，在模型中，目標函數(shù)的確立，約束條件的處理以及優(yōu)化方法的效率對問題解的質(zhì)量至關(guān)重要。

圖2 錦屏梯級生態(tài)調(diào)度模型框架Fig.2 Framework of the optimization model for eco-operation of the two cascade reservoirs

3.1 目標函數(shù)

水庫的調(diào)度目標很多，通常分為經(jīng)濟目標、社會目標和生態(tài)環(huán)境目標。其中經(jīng)濟目標包括供水、發(fā)電、航運、漁業(yè)等，該目標是最直接、最受關(guān)注的目標;社會目標包括防洪、供水安全等目標;生態(tài)目標近年來廣受關(guān)注，其目標從保證河流不斷流、河道不萎縮、遏止生態(tài)環(huán)境惡化到滿足特定斷面稀釋凈化水量要求、保證特定生物棲息地等。一般而言，水庫調(diào)度的總目標就是追求流域水資源系統(tǒng)綜合效益的最大目標，其函數(shù)形式為

式中:M，S，E分別表示經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)環(huán)境效益，為n維向量的決策(控制)變量;R和T為系統(tǒng)占據(jù)的空間和時間。

傳統(tǒng)水庫調(diào)度主要是考慮社會經(jīng)濟目標，而較少考慮下游生態(tài)要求，這導致下游生態(tài)環(huán)境惡化，因此生態(tài)調(diào)度概念的關(guān)鍵原則是考慮下游生態(tài)要求，協(xié)調(diào)生產(chǎn)、生活和發(fā)電需求水量，有計劃地下泄水量，減輕因建壩而產(chǎn)生的負面影響，以達到經(jīng)濟效益和生態(tài)效益優(yōu)化目標。因此，生態(tài)調(diào)度本質(zhì)上是一個多目標優(yōu)化問題(multi optimization)，可通過多目標優(yōu)化技術(shù)，得到一個或系列的非劣解(Pareto solution)。受到優(yōu)化技術(shù)的局限，該非劣解對各目標之間的協(xié)商程度存有較大依賴，在很大程度上取決于調(diào)度決策者的偏好，已經(jīng)不單純是技術(shù)層面的問題［17］。另外，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(生態(tài)目標的值)的量化尚存有爭議，不同的估值方法可能帶來價值的較大變化。因此，本文將生態(tài)系統(tǒng)目標轉(zhuǎn)化為其他社會和經(jīng)濟目標的約束條件，然后通過一定的技術(shù)手段將生態(tài)調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為在生態(tài)流量約束下的水庫工程調(diào)度問題，從而將多目標優(yōu)化問題變?yōu)閱文繕藘?yōu)化(single optimization)問題。

根據(jù)研究工程的主要任務(wù)，選取錦屏梯級電站年發(fā)電量最大為模型的優(yōu)化目標，其函數(shù)表達為

3.2 約束條件

約束條件為常規(guī)的調(diào)度約束條件和生態(tài)約束條件，常規(guī)條件包括水位庫容以及出力等約束，各約束條件表達式如下。

水庫水量平衡約束:

水位約束:

水輪機最大過機流量約束:

電站出力約束:

流量非負約束:

式中:t為優(yōu)化時段，本文中選取月為優(yōu)化時段，建立月調(diào)度模型;Vt+1和Vt分別為時段初末的水庫庫容;Qn為壩址處各月天然來流量;Qup水庫上游地區(qū)綜合用水流量;Qloss為水庫各月蒸發(fā)滲漏損失量;St為除電站引水外的下泄流量;Zmin為水庫死水位;Zmax為水庫的正常蓄水位;Qt和Qmax分別為時段水電站的發(fā)電流量和水輪機組的最大過機流量;Nmin，Nt和Nmax分別為水電站的保證出力、時段平均出力和裝機容量。

生態(tài)約束條件為生態(tài)流量約束，其定義為在任一時間節(jié)點下，通過電站或水工建筑物下泄到河段的流量總和必須大于或等于該河段的生態(tài)需水量。根據(jù)生態(tài)調(diào)度的保護目標，本研究選取了細鱗裂腹魚的生態(tài)需水過程(見圖3)作為河段生態(tài)需水量，該生態(tài)需水量過程由魚類棲息地模型的研究成果提供［18］。結(jié)合錦屏梯級水庫運行特點，設(shè)置生態(tài)約束條件如下:

圖3 細鱗裂腹魚的生態(tài)需水過程Fig.3 Curve of the ecological flow demand of S.chongi fish

3.3 優(yōu)化算法

本研究采用遺傳算法作為優(yōu)化算法。遺傳算法(Genetic Algorithm，GA)最先是由美國Michigan大學的John Holland于1975年提出的［19］，是一種以達爾文自然進化論和孟德爾遺傳變異理論為基礎(chǔ)的全局隨機搜索優(yōu)化計算技術(shù)，它的思想源于生物遺傳學和適者生存的自然規(guī)律，是具有“生存+檢測”的迭代過程的搜索算法。經(jīng)典的遺傳算法是以一種群體中的所有個體為對象，并利用隨機化技術(shù)指導對一個被編碼的參數(shù)空間進行高效搜索，考察多個候選解、模擬生物遺傳進化過程、淘汰劣質(zhì)解、鼓勵發(fā)展優(yōu)質(zhì)解、逐步提高解群體的質(zhì)量，直至收斂，并獲得(準)最優(yōu)解。同時，由于GA僅需知道如何根據(jù)解求得其相應的適應度，而不要求適應度函數(shù)滿足連續(xù)可微等條件，因而應用廣泛。該算法是一種基于隨機搜索機制的并行計算方法，優(yōu)點是魯棒性較強，實現(xiàn)過程較為簡單。其主要缺點在于在優(yōu)化復雜函數(shù)時容易過早收斂，從而產(chǎn)生陷入局部最優(yōu)。對于梯級水庫調(diào)度，其約束條件復雜且大都為非線性，如果參數(shù)選擇不當，則很難得到滿意解，針對該缺陷，本文對經(jīng)典的遺傳算法在編碼方法、變異算子和懲罰函數(shù)設(shè)置上進行了改進。

在編碼方法方面，傳統(tǒng)的GA通常采用二進制進行編碼，當變量較多時編碼字符過長，而且可能出現(xiàn)漢明懸崖問題。本研究根據(jù)水庫水位連續(xù)變化的實數(shù)特征，采用實數(shù)編碼。個體的每一向量(基因)即為水庫水位的真值。通過實數(shù)編碼機制可以有效避免漢明懸崖，并較大地減少了運算次數(shù)。遺傳算法中變異概率pm的選擇是影響遺傳算法行為和性能的關(guān)鍵所在，直接影響算法的收斂性。pm過小，不易形成新的個體;若pm過大，則遺傳算法就成了純粹的隨機搜索算法。本研究通過雙動態(tài)變異算子替代傳統(tǒng)GA的常態(tài)變異算子，使變異在時間和大小上具有雙重自適應性，極大地減少了算法陷入局部最優(yōu)的概率，算子設(shè)計如下:

式中:g為迭代次數(shù);fm和fa分別為代中最大適應度值和平均適應度值;p0為初始變異值，p0=0.1;β∈［1，1.5］。

罰函數(shù)是GA中處理約束條件的一個重要手段，本文根據(jù)不同約束條件的重要性和特點，設(shè)計不同權(quán)重的罰函數(shù)因子替代以往單一的罰函數(shù)，提高了GA的學習性和適應功能。

研究采用改進遺傳算法求解時，對其他參數(shù)如初始種群數(shù)量、迭代次數(shù)以及交叉算子概率等進行了敏感性分析，最終確定初始種群數(shù)量為5 000，交叉算子采用2點交叉，概率為0.8。迭代收斂準則為種群最佳值和平均值之間的差值小于10－3。

3.4 研究邊界

水庫優(yōu)化調(diào)度可按研究對象分為單庫優(yōu)化調(diào)度，梯級水庫(群)優(yōu)化調(diào)度以及水火電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，其中后者涉及發(fā)電集團內(nèi)火電總量以及集團內(nèi)部利益協(xié)調(diào)等技術(shù)問題，超過了本文的研究范圍。本文旨在為水庫生態(tài)友好式調(diào)度提供一種研究方法，研究內(nèi)容為流域內(nèi)單庫以及梯級水庫(群)生態(tài)友好優(yōu)化調(diào)度模式。水火電聯(lián)合調(diào)度以及廠內(nèi)經(jīng)濟調(diào)度模式下建立生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型，可在本研究基礎(chǔ)上修改目標函數(shù)以及約束條件進行研究。

3.5 模型輸入

鑒于目前水文中長期預報精度不能滿足實際應用要求，本模型采用確定性徑流描述作為輸入，選取2005年錦屏水文站徑流資料作為天然徑流輸入。

3.6 流量調(diào)度情景設(shè)定

錦屏梯級聯(lián)合發(fā)電調(diào)度時，為保證錦屏大河灣段生態(tài)流量需求，研究設(shè)定了相應的流量調(diào)度情景，見圖4。天然徑流Qn經(jīng)過錦屏一級發(fā)電調(diào)度后，下泄徑流過程Q1進入錦屏二級電站引水工程前，首先通過二級閘壩或生態(tài)流量泄洪洞施放生態(tài)需水量過程Qe至大河灣河段，剩余流量Q1－Qe進入錦屏二級電站進行發(fā)電調(diào)度，當該流量大于電站發(fā)電最大流量時，則產(chǎn)生棄水流量Qa，也通過錦屏二級閘壩下泄至大河灣河段。

圖4 錦屏梯級流量調(diào)度策略示意圖Fig.4 The designed flow operation procedure for the cascaded reservoir system

4 研究成果及討論

4.1 庫水位調(diào)度策略

庫水位隨時間變化過程是常用的水庫調(diào)度策略，本研究通過建立的生態(tài)調(diào)度模型，得到了確定的天然徑流輸入條件下滿足大河灣生態(tài)流量需求的發(fā)電量最大的調(diào)度策略，如圖5所示。在該梯級調(diào)度系統(tǒng)中，錦屏一級壩高庫大，調(diào)節(jié)性強，其調(diào)節(jié)過程直接影響到錦屏二級的調(diào)節(jié)，而錦屏二級則通過庫水位變化對錦屏一級進行反調(diào)節(jié)。在本調(diào)度策略中，錦屏一級庫水位在汛末蓄至高水位，保證了后續(xù)發(fā)電用水，調(diào)度策略是合理和有效的。

圖5 錦屏梯級生態(tài)調(diào)度庫水位操作策略Fig.5 Optimal strategy of operating upstream water level of the cascaded reservoirs

4.2 流量調(diào)度過程

在該調(diào)度策略以及流量調(diào)度情景下，錦屏梯級流量調(diào)度過程見圖6、圖7。對于錦屏一級工程，天然流量過程Qn經(jīng)過水庫調(diào)節(jié)，降低了汛期洪峰流量，而枯水期下泄河道流量則有所增加，其下泄流量過程見Q1。當下泄流量小于電站最大發(fā)電流量時，水量通過電站下泄，當其大于電站最大發(fā)電流量時，則形成棄水通過大壩下泄，但最終均下泄至下游河道。按照大壩流量調(diào)度情景，該下泄流量錦屏二級電站引水工程前，首先通過二級閘壩或生態(tài)流量泄洪洞施放生態(tài)需水量過程Qe至大河灣河段，剩余流量Q1－Qe進入錦屏二級電站進行發(fā)電調(diào)度，其流量過程見圖7。當該流量大于電站發(fā)電最大流量時，則產(chǎn)生棄水流量Qa，也通過錦屏二級閘壩下泄至大河灣河段。而發(fā)電引用流量Qd2則通過電站下泄，未通過大河灣河段。

圖6 錦屏一級生態(tài)調(diào)度流量過程Fig.6 Discharges from Jinping-I under the optimal eco-operation scheme

4.3 大河灣生態(tài)流量過程

優(yōu)化調(diào)度期間，下泄至大河灣的生態(tài)流量過程見圖8中Qetotal曲線，由于錦屏二級電站棄水，在汛期6—10月期間大河灣流量較生態(tài)流量約束(Qe)有較大的增加。在本研究的調(diào)度策略下，大河灣生態(tài)流量將在枯水期滿足河道生態(tài)需水要求，而汛期出現(xiàn)類似于天然徑流的洪峰過程，從洪水脈沖理論的角度看，這樣的徑流過程對生態(tài)系統(tǒng)是有益的。為驗證該流量過程效果，研究通過目標魚類的棲息地模型對該策略的生態(tài)調(diào)度效果進行了初步評估，結(jié)果表明，在生態(tài)友好型調(diào)度策略的驅(qū)動下，河道內(nèi)目標魚類加權(quán)棲息地面積(WUA)較傳統(tǒng)工程調(diào)度有顯著增加，有效地減輕了傳統(tǒng)工程調(diào)度對河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫。

圖7 錦屏二級生態(tài)調(diào)度流量過程Fig.7 Discharges from Jinping-II under the optimal eco-operation scheme

圖8 錦屏大河灣段生態(tài)流量過程Fig.8 Discharges in Dahewan reach under the optimal eco-operation scheme

4.4 梯級電站出力調(diào)度過程

在本研究的調(diào)度策略下，梯級電站的出力調(diào)度過程見圖9及圖10。從圖中可以看出，在優(yōu)化調(diào)度期間，電站的出力在保證程度與裝機容量之間運行，避免了電站出力破壞的情況，保障了電站的經(jīng)濟和安全運行。

4.5 梯級電站發(fā)電量與生態(tài)流量變化響應

研究首先比較了不同調(diào)度方式對梯級電站發(fā)電量的影響，結(jié)果示于表1中。結(jié)果顯示，通過調(diào)度圖方式調(diào)度所獲得的梯級電站發(fā)電量與生態(tài)流量約束下的調(diào)度模型獲得的值基本相當。表明考慮生態(tài)流量約束的優(yōu)化調(diào)度模式，其電量較傳統(tǒng)的調(diào)度方式?jīng)]有較大差別。研究還比較了在優(yōu)化調(diào)度模式下考慮生態(tài)流量約束與否而帶來的電量差異，成果表明，在優(yōu)化調(diào)度模式下，如果考慮生態(tài)流量約束將導致發(fā)電量約8%的電量損失。

為進一步研究錦屏梯級電站發(fā)電量與大河灣段生態(tài)流量之間的變化響應關(guān)系，本研究對不同生態(tài)流量約束過程下的發(fā)電量進行了計算，成果見圖11。圖中橫坐標為生態(tài)需水量的保證程度，其定義為下泄到大河灣的流量過程相對于生態(tài)需水量的程度，0%表示電站調(diào)度不考慮生態(tài)需水量，100%表示電站調(diào)度考慮生態(tài)需水量約束?？v坐標為電站電量損失程度，0%定義為在電站調(diào)度不考慮生態(tài)需水量時，電量無損失。成果表明，工程效益損失程度隨著河流生態(tài)需水量的保證程度的增加而加大，當河流生態(tài)需水量保證程度為10%，工程效益約損失0.2%，當河流生態(tài)需水量保證程度達到70%時，工程效益約損失2.8%，其后隨流量保證程度急劇增加，當考慮90%生態(tài)流量約束時將導致約7%的效益損失。

圖9 錦屏一級電站出力過程Fig.9 Curve of hydropower output at Jinping-I under the optimal operation scheme

圖10 錦屏二級電站出力過程Fig.10 Curve of hydropower output at Jinping-II under the optimal operation scheme

表1 不同調(diào)度模式下梯級電站發(fā)電量比較Table 1 Comparison of total hydropower generation in different operation schemes

圖11 錦屏梯級電站電量損失與生態(tài)流量保證程度關(guān)系Fig.11 Relation between hydropower loss rate for cascaded Jinping reservoirs and the EFD satisfaction degree for S.chongi fish

5 結(jié)論

維持健康和完整的河流生態(tài)系統(tǒng)將是今后大壩運行管理的一個重點，常規(guī)的工程調(diào)度方式應逐漸向生態(tài)友好型調(diào)度方式過渡［12］。本文通過改進的遺傳算法(AGA)建立了生態(tài)友好型水庫梯級優(yōu)化調(diào)度模型，從系統(tǒng)工程論的角度出發(fā)，以梯級水庫作為物理系統(tǒng)，以代表傳統(tǒng)工程效益的梯級發(fā)電量作為系統(tǒng)的優(yōu)化目標，保護物種的生態(tài)需水過程作為模型的主要生態(tài)約束條件。模型研究得到了滿足生態(tài)約束條件下發(fā)電量最大的梯級水庫生態(tài)友好調(diào)度策略，在該策略的驅(qū)動下，河道內(nèi)目標魚類加權(quán)棲息地面積(WUA)較傳統(tǒng)工程調(diào)度有顯著增加。研究還表明保證河流生態(tài)需水量將對傳統(tǒng)的工程效益造成一定的損失，其流量保證程度與效益損失程度存在正比變化關(guān)系，當生態(tài)流量保證程度達到一定值后，變化加劇，因此，在該研究成果基礎(chǔ)上，可結(jié)合工程實際運行情況，選取一個折中方案，既可有效地減輕了傳統(tǒng)工程調(diào)度對河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫，同時最大限度地減少工程的既有效益的損失。

需要說明的是，2005年屬于偏豐的水文年，其調(diào)度研究結(jié)果與其他水文年存有差異，研究下一步將針對不同特征水文年進行研究，并將目前的月調(diào)度模型進一步優(yōu)化為日調(diào)度模型，為實際的水庫調(diào)度提供更為詳實的參考。

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