龍 凡，梅亞?wèn)|

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430072)

0 引 言

隨著人口的增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)于水資源的需求壓力也在不斷增加。而水庫(kù)作為主要的水利工程之一，能夠緩解水資源需求壓力，保障水資源安全，同時(shí)還能防洪、發(fā)電，帶來(lái)多重社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

但眾多周知的是，水庫(kù)的蓄放水過(guò)程會(huì)對(duì)下游河道造成不小的影響，其中最重要的一項(xiàng)便是，極大地改變了河流的天然水流規(guī)律，使得原本年內(nèi)漲落變化明顯的水流過(guò)程趨于平坦化，汛期流量會(huì)低于建壩前的天然流量，枯水期流量會(huì)變大[1]。而天然的水流規(guī)律對(duì)于保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和生態(tài)完整度具有重要的作用[2]，因而受人工干擾后的水流過(guò)程將不利于河流生態(tài)系統(tǒng)的健康。

為了保持或恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康，學(xué)者們提出了河流生態(tài)(環(huán)境)流量[3]的概念：為了維護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)功能的有序運(yùn)轉(zhuǎn)，河道中應(yīng)當(dāng)保留的流量。值得注意的是，這個(gè)流量不僅有量、質(zhì)的要求，還有時(shí)空分布的要求。對(duì)于河流生態(tài)(環(huán)境)流量的刻畫(huà)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了近200種方法，具體可以分為四類：水文學(xué)方法，水力學(xué)方法，棲息地法，整體法。其中較為經(jīng)典的分別是：Tennant法[4]，濕周法[5]，IFIM法[6]，BBM法[7]。但到底哪一種方法更適用，并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

隨著我國(guó)水電項(xiàng)目的不斷開(kāi)發(fā)，越來(lái)越多的梯級(jí)電站投入運(yùn)營(yíng)，而這無(wú)疑將對(duì)各大河流的生態(tài)環(huán)境造成劇烈的影響。金沙江中下游河段作為我國(guó)水電開(kāi)發(fā)條件優(yōu)越的能源基地之一，同時(shí)也是長(zhǎng)江上游珍稀特有魚(yú)類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)基地，因而，有必要對(duì)金沙江下游河段的生態(tài)調(diào)度進(jìn)行研究。根據(jù)《金沙江干流綜合規(guī)劃報(bào)告》，金沙江下游將建成四級(jí)電站，包括烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩。其中溪洛渡于2007年完成截流，向家壩于2008年完成截流，其余兩個(gè)電站目前還處于施工準(zhǔn)備階段。本文將對(duì)溪洛渡及向家壩組成的梯級(jí)電站進(jìn)行生態(tài)調(diào)度研究，探討在不同生態(tài)流量約束下，生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的相互關(guān)系，以期提供科學(xué)的決策支持信息，為生態(tài)友好型的水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式提供支撐。

1 模型建立

1.1 水電站情況

溪洛渡、向家壩的正常蓄水位分別為：600、380 m；死水位分別為540、370 m；調(diào)節(jié)庫(kù)容分別為：64.6、9.03 億m3；壩址處控制流域面積比例分別為：96%，97%。多年平均流量為4 520 m3/s。

1.2 生態(tài)調(diào)度模型

在考慮滿足工程的基本約束條件和各種設(shè)定的生態(tài)流量約束的條件下，使溪洛渡-向家壩梯級(jí)電站的發(fā)電效益最大。

1.2.1 目標(biāo)函數(shù)

(2)

式中：t為時(shí)段變量，t=1,2,…,12，分別代表12個(gè)月；i為電站序號(hào)，i=1,2，分別表示溪洛渡和向家壩兩個(gè)電站；ΔTt為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)；P′it為t時(shí)段i電站的指示出力；Pit為t時(shí)段i電站的實(shí)際出力；Pib為i電站的保證出力；A、k為懲罰因子。

1.2.2 約束條件

(1)水量平衡約束。

Vi,t+1=Vi,t+(Fi,t-qi,t) ΔTt

(3)

式中：Vi,t+1為t時(shí)段末i電站蓄水量；Vi,t為t時(shí)段初i電站蓄水量；Fi,t為t時(shí)段i電站的平均入庫(kù)流量；qi,t為t時(shí)段i電站的平均出庫(kù)流量。

由于溪洛渡與向家壩的匯水面積相差不大，因此不考慮溪洛渡與向家壩間的區(qū)間入流。

(2)庫(kù)容約束。

Vi,tmin≤Vi,t≤Vi,tmax

(4)

式中：Vi,tmin為t時(shí)段i電站的最小庫(kù)容；Vi,tmax為t時(shí)段i電站的最大庫(kù)容。

(3)下泄流量約束。

qi,tmin≤qi,t≤qi,tmax

(5)

式中：qi,tmin為t時(shí)段i電站的下泄流量下限；qi,tmax為t時(shí)段i電站的下泄流量上限。

(4)生態(tài)流量約束。

qi,teco≤qi,t

(6)

式中：qi,teco為t時(shí)段i電站的生態(tài)流量。將根據(jù)后文所用方法計(jì)算得到。

1.3 生態(tài)流量的計(jì)算

考慮生態(tài)要求的水庫(kù)調(diào)度，最重要的是計(jì)算河流所需的生態(tài)流量過(guò)程。在計(jì)算生態(tài)流量時(shí)，水文學(xué)方法由于其簡(jiǎn)單通用性，因而得到了最廣泛的應(yīng)用。目前，越來(lái)越多的研究表明，生態(tài)流量過(guò)程應(yīng)當(dāng)符合天然徑流規(guī)律，體現(xiàn)徑流的時(shí)間變化過(guò)程。在以往的考慮生態(tài)流量約束的生態(tài)調(diào)度研究中，生態(tài)流量的計(jì)算多采用各時(shí)段統(tǒng)一值或僅考慮徑流的年內(nèi)差異，本次研究，結(jié)合近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)生態(tài)流量計(jì)算方法的研究成果，決定選取年內(nèi)展布法[8]、改進(jìn)FDC法[9]進(jìn)行生態(tài)流量的計(jì)算。

1.3.1 最小生態(tài)流量

(1)年內(nèi)展布法。年內(nèi)展布法是基于河流天然徑流特性，選取多年年均徑流量與最小年均徑流量這兩個(gè)水文特征變量進(jìn)行同期均值比的計(jì)算，進(jìn)而得到河道的基流過(guò)程，此方法能夠反映出河流徑流年內(nèi)的豐枯變化[8]。

(2)改進(jìn)FDC法。改進(jìn)FDC法是將各月流量過(guò)程劃分為豐平枯組，對(duì)各組包含的相應(yīng)年份對(duì)應(yīng)的日流量數(shù)據(jù)按照由大到小排序，并進(jìn)行累計(jì)頻率計(jì)算，選取流量歷時(shí)曲線上90%分位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的日流量作為各組的最小生態(tài)流量。此方法最終得到的結(jié)果，相當(dāng)于經(jīng)過(guò)重組后，豐平枯不同典型年的生態(tài)流量過(guò)程。本文應(yīng)用時(shí)，將根據(jù)選取年份各月徑流實(shí)際的豐枯情況，計(jì)算得到該年份的生態(tài)流量過(guò)程，而不是根據(jù)年均徑流量的豐枯情況來(lái)決定該年的生態(tài)流量過(guò)程。

1.3.2 適宜生態(tài)流量

對(duì)于適宜生態(tài)流量的計(jì)算依然采用改進(jìn)FDC法中提出的計(jì)算方法。計(jì)算公式為：

(7)

式中：Q50(ij)、Q90(ij)分別為第j年組第i月流量歷時(shí)曲線上的中值流量和90%歷時(shí)點(diǎn)流量。

本次計(jì)算采用的資料為屏山水文站1963-2007年的日流量數(shù)據(jù)，選取2003-2004(豐水年)、1981-1982(平水年)、1979-1980(枯水年)三類典型年，按照上述方法計(jì)算得到的最小及適宜生態(tài)流量過(guò)程見(jiàn)表1。

表1 不同生態(tài)流量計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果 m3/s

1.4 方案設(shè)置

方案A：生態(tài)流量只考慮工程規(guī)劃約束，即運(yùn)行期水庫(kù)的最小下泄流量不小于1 200 m3/s。

方案B：生態(tài)流量采用年內(nèi)展布法與工程規(guī)劃的結(jié)合。

方案C：生態(tài)流量采用改進(jìn)FDC法計(jì)算的最小生態(tài)流量與工程規(guī)劃的結(jié)合。

方案D：生態(tài)流量采用改進(jìn)FDC法計(jì)算的適宜生態(tài)流量與工程規(guī)劃的結(jié)合。

1.5 優(yōu)化調(diào)度算法

針對(duì)建立的生態(tài)調(diào)度模型，采用逐步優(yōu)化算法(Progressive Optimization Algorithm，POA)進(jìn)行求解。POA算法可以將多階段問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一系列的兩階段問(wèn)題進(jìn)行求解，在水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度中應(yīng)用廣泛，其具體的原理和步驟可參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算后，各典型年各方案下的發(fā)電量結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 不同生態(tài)流量約束下各典型年優(yōu)化結(jié)果 億kWh

從表2的結(jié)果可以看出，不同典型年下，在前3種方案設(shè)定的生態(tài)流量約束條件下，系統(tǒng)的最大發(fā)電量基本沒(méi)有差別，只有枯水年在方案B下，系統(tǒng)發(fā)電量出現(xiàn)減少的情況，其原因是，由方案B(年內(nèi)展布法)計(jì)算出的6、7月份的最小生態(tài)流量大于方案A、方案C，且大于該時(shí)段入流，導(dǎo)致水頭下降，使得系統(tǒng)的發(fā)電量減少；對(duì)于方案D，各典型年下，其發(fā)電量均出現(xiàn)減少，相較于最大值，豐水年減少了0.13 億kWh，平水年減少了23.52 億kWh，枯水年減少了0.21 億kWh。由此可以發(fā)現(xiàn)，若系統(tǒng)處于較嚴(yán)格的流量約束條件下，將對(duì)發(fā)電量產(chǎn)生一定的影響。另外，在枯水年中，方案D設(shè)定的流量約束值的均值大于方案B，但方案D的發(fā)電量卻大于方案B,這表明，生態(tài)流量過(guò)程的選取也將影響系統(tǒng)的發(fā)電量。對(duì)于方案D，平水年的發(fā)電量反而小于枯水年，其原因是，選取的平水年僅在汛期的幾個(gè)月中處于來(lái)水較豐的情況，而在平水及枯水期，其來(lái)水量處于頻率劃分等級(jí)中的平水甚至枯水，在入庫(kù)徑流量上，平水年有不少月份的天然來(lái)水量甚至小于枯水年，結(jié)合計(jì)算結(jié)果看，由于來(lái)水量得不到滿足，向家壩電站有不少月份處于低水頭運(yùn)行狀態(tài)，因而使得系統(tǒng)總的發(fā)電量小于枯水年。以上計(jì)算結(jié)果同時(shí)也說(shuō)明，對(duì)于工程規(guī)劃中提出的下泄流量不少于1 200 m3/s的要求值得進(jìn)一步的討論和研究，因?yàn)樵诓煌纳鷳B(tài)流量約束條件下，按照最優(yōu)化調(diào)度，均有可能使系統(tǒng)的發(fā)電量達(dá)到最大值，因此需要進(jìn)一步研究河流的生態(tài)水文響應(yīng)關(guān)系[11]，制定更加符合生態(tài)需求的流量約束條件。

許多研究認(rèn)為，天然的徑流條件能為水生生物提供最為理想的生態(tài)環(huán)境[12]，因此，為進(jìn)一步說(shuō)明不同流量約束方案下的生態(tài)效應(yīng)，引入擬合優(yōu)度[1](也稱為決定系數(shù))這一概念，即將天然入庫(kù)徑流作為實(shí)測(cè)值，向家壩的時(shí)段泄流量作為模擬值，計(jì)算實(shí)測(cè)值與模擬值之間的貼近程度，計(jì)算公式為：

(8)

通過(guò)計(jì)算，各典型年各方案的擬合優(yōu)度值見(jiàn)表3。

表3 不同方案下各典型年的擬合優(yōu)度值Tab.3 Coefficient of determination in typical yearsunder different ecological flow constraints

從表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，在方案D下，除了豐水年外，各典型年的擬合優(yōu)度值都是最大的，而且豐水年中方案D的擬合優(yōu)度值僅略小于其余3個(gè)方案。因此，從總體上來(lái)說(shuō)，流量約束設(shè)置的越大(即約束值越接近入流流量)，計(jì)算出的擬合優(yōu)度值也越大。這說(shuō)明，流量約束設(shè)置的越大越有利于生態(tài)環(huán)境。另外，在枯水年中，方案D的擬合優(yōu)度值大于方案B，同時(shí)，方案D的發(fā)電量也大于方案B，這說(shuō)明，在一定程度上，發(fā)電量和生態(tài)效益可以實(shí)現(xiàn)同步增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)共贏。

結(jié)合表2和表3的結(jié)果，可以看出，總體上，發(fā)電量和生態(tài)效益二者之間存在著相互制約的關(guān)系，因此，為了更好地滿足生態(tài)需求，需要發(fā)電量做出一定的退讓。至于發(fā)電量與生態(tài)效益之間的關(guān)系問(wèn)題，可以通過(guò)建立多目標(biāo)模型，得到不同發(fā)電量條件下，不同的生態(tài)效應(yīng)值，以期為決策者提供更多更豐富的信息。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)金沙江下游的溪洛渡和向家壩梯級(jí)水庫(kù)，建立了包含生態(tài)流量約束的發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型。根據(jù)不同生態(tài)流量約束，設(shè)置了4種生態(tài)流量方案，利用POA算法對(duì)模型進(jìn)行了求解，分析了不同典型年(豐、平、枯水年)在各方案下的發(fā)電量及生態(tài)效益情況。

當(dāng)采用工程規(guī)劃設(shè)定的流量約束和最小生態(tài)流量約束時(shí)，除了利用年內(nèi)展布法設(shè)定的最小生態(tài)流量約束會(huì)使枯水年發(fā)電量減少外，各典型年的發(fā)電量均能達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)采用適宜生態(tài)流量約束時(shí)，各典型年的發(fā)電量較最大值均出現(xiàn)減少，其中對(duì)平水年的影響最大。

對(duì)各方案的擬合優(yōu)度進(jìn)行計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用適宜生態(tài)流量約束時(shí)，擬合優(yōu)度值比最小生態(tài)流量約束和工程規(guī)劃約束方案的值大，這與相應(yīng)方案下發(fā)電量減少的結(jié)果是相匹配的。

通過(guò)本文的研究表明，當(dāng)分別考慮最小生態(tài)流量約束和適宜生態(tài)流量約束時(shí)，對(duì)系統(tǒng)發(fā)電量的影響是不一樣的。當(dāng)采用較小的生態(tài)流量約束時(shí)，通過(guò)最優(yōu)化調(diào)度，不同的方案也可能會(huì)產(chǎn)生一樣的發(fā)電量。同時(shí)，也說(shuō)明當(dāng)前工程規(guī)劃中做出的流量約束是不夠合理的。因而需要進(jìn)一步研究生態(tài)因子與水文因子之間的響應(yīng)關(guān)系，制定科學(xué)合理的生態(tài)流量約束方案，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益共贏。當(dāng)采用較大的生態(tài)流量約束時(shí)，通常會(huì)使梯級(jí)電站的發(fā)電量減少，但從生態(tài)的角度來(lái)看，此時(shí)是更有利的，因此需要對(duì)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的研究，為決策者提供更多的支持信息，讓決策者做出更科學(xué)合理的決策。

□

[1] Nyatsanza F f, Graas S, Zaag P. The impact of dynamic environmental flow releases on hydropower in the Zambezi River basin[J]. Journal of The American Water Resources Association, 2015,51(4):1 029-1 042.

[2] Poff N L, Allan J D, Ben M D, et al. The natural flow regime: a paradigm for river conse-rvation and restoration[J]. Bioscience, 1997,47:769-784.

[3] King J, Brown C, Sabet H. A scenario-based holistic approach to environmental flow assess-ments for rivers[J]. River Research and Application, 2003,19:619-639.

[4] Tennant D L. Instream flow regimes for fish, wildlife, recreation and related environmental resources[J]. Fisheries, 1976,1(4):6-10.

[5] Gippel G J, Stewardson M J. Use of wetted perimeter in defining minimum environmental fl-ows[J]. Regulated Rivers:Research and Management, 1998,14(1):53-67.

[6] Bovee K D, Lamb B L, Bartholow J M, et al. Stream habitat analysis using the instream fl-ow incremental methodology[R]. U.S. Geological Survey, Biological Resources Division Infor-mation and Technology Report USGS/BRD, 1998.

[7] King J, Louw D. Instream flow assessments for regulated rivers in South Africa using the b-uilding block methodology[J]. Aquatic Ecosystem Health& Management, 1998,1(2):109-124.

[8] 潘扎榮，阮曉紅，徐 靜. 河道基本生態(tài)需水的年內(nèi)展布計(jì)算法[J]. 水利學(xué)報(bào),2013,44(1)：119-126.

[9] 李昌文，康 玲，張 松，等. 一種計(jì)算多屬性生態(tài)流量的改進(jìn)FDC法[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2015,32(11)：1-6.

[10] Andre Turgeon. Optimal short-term hydro scheduling from the principle of progressive opti-mality[J]. Water Resources Research，1981,17(3)：481-486.

[11] 王俊娜，董哲仁，廖文根，等. 基于水文-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系的環(huán)境水流評(píng)估方法-以三峽水庫(kù)及其壩下河段為例[J]. 中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué), 2013,43(6):715-726.

[12] Poff N L, Richter B D, Arthington A H, et al. The ecological limits of hydrologic alteration(ELOHA): a new framework for developing regional environmental flow standards[J]. Freshwater Biology, 2010,55:147-170.