周濤 董增川 武婕 林夢然

摘要：采用濕周法、Tennant法、頻率曲線法等生態(tài)需水計算方法，計算汾河的生態(tài)基流量，綜合考慮河道下滲、植被需水等因素，提出合理的汾河上中游的生態(tài)需水要求。在此基礎上，建立汾河水庫與汾河二庫聯(lián)合調(diào)度模型，制定合理的、考慮生態(tài)的水庫調(diào)度規(guī)則。考慮近年來引黃水量增加，運用遺傳算法對調(diào)度線進行優(yōu)化，以提高水資源利用率。

關鍵詞：生態(tài)需水；遺傳算法；水庫優(yōu)化調(diào)度；汾河

中圖分類號：TV697.1+2

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.015

水資源是社會經(jīng)濟發(fā)展的重要資源，近年來人們逐漸意識到水資源在河流生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用，提出了在保證河流生態(tài)需水量的情況下合理安排社會發(fā)展用水量的用水理念，一系列河道內(nèi)生態(tài)需水量計算方法應運而生。河道內(nèi)生態(tài)需水量計算方法分為水文學方法和水力學方法，水文學方法以徑流的水文特性及水文參數(shù)的頻率作為依據(jù)來計算河流的生態(tài)需水量：水力學方法則是將保護河流生態(tài)系統(tǒng)的要求與傳統(tǒng)的水力學物理量聯(lián)系起來，并從這些物理量出發(fā)提出河流的生態(tài)需水量。

本文采用水文學和水力學兩種方法，分別計算汾河上中游河段的生態(tài)需水量，并在此基礎上進行水資源優(yōu)化調(diào)度研究，運用遺傳算法得到水資源利用效率更高的水庫調(diào)度規(guī)則。

1 研究區(qū)概況

選取汾河流域上中游地區(qū)汾河太原段為研究區(qū)域。汾河長約323km，流域面積14030km2，上游建有多年調(diào)節(jié)水庫汾河水庫和年調(diào)節(jié)水庫汾河二庫。汾河水庫承擔著下游調(diào)洪錯峰、農(nóng)田灌溉、工業(yè)及城市生活供水任務，是太原市最重要的飲用水水源。汾河二庫位于汾河上游末端，距上游的汾河水庫80km，距太原市中心30km，是汾河干流上一座以防洪為主、兼有生態(tài)供水等綜合任務的水利樞紐工程。研究區(qū)水資源概化見圖1。

1.1 社會經(jīng)濟需水

根據(jù)《山西統(tǒng)計年鑒》人口數(shù)據(jù)和《城市居民生活用水量標準》各行業(yè)、居民生活用水量數(shù)據(jù)，采用定額法計算太原市城市生活需水量。農(nóng)業(yè)需水主要為汾河灌區(qū)的灌溉需水，根據(jù)《山西統(tǒng)計年鑒》和汾河灌區(qū)相關統(tǒng)計資料，考慮汾河灌區(qū)的主要種植作物，確定用水定額。工業(yè)需水量采用《太原市計劃用水方案編制與實施研究報告》和《山西經(jīng)濟年鑒》提供的數(shù)據(jù)。經(jīng)計算，汾河水庫承擔的供水任務中，生活需水量0.62億m3，工業(yè)需水量1.03億m3，農(nóng)業(yè)需水量3.10億m3。

1.2 汾河上中游生態(tài)狀況

汾河流域是山西省經(jīng)濟最發(fā)達、人口密度最大的區(qū)域。黃河水調(diào)入之前，汾河上中游的水資源開發(fā)利用率為85.1%，下游的為62.8%，過度開發(fā)使汾河的生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，2000年汾河上中游的二壩水文站斷流天數(shù)達180d。黃河水調(diào)入之后，在滿足社會經(jīng)濟用水的同時，兼顧河流生態(tài)需水，實現(xiàn)汾河干流河道每年不少于290d的長流水、上中游河道流量不低于1.0m3/s的生態(tài)保護目標。

2 生態(tài)需水計算模型

2.1 河道內(nèi)生態(tài)需水計算

采用水文學和水力學兩種方法研究河道內(nèi)生態(tài)需水，通過綜合分析，取流量過程的外包線作為推薦的河道生態(tài)需水量。

2.1.1 水文學方法

河道內(nèi)生態(tài)保護目標中生態(tài)環(huán)境功能對水量的需求分別用基本生態(tài)需水量和目標生態(tài)需水量表示?；旧鷳B(tài)需水量是生態(tài)需水要求的下限值，目標生態(tài)需水量是河流、湖泊、沼澤生態(tài)環(huán)境保護目標中為保證生態(tài)環(huán)境功能正常發(fā)揮而需要保留在河道內(nèi)的水量。

采用Qp法、頻率曲線法、Tennant法和流量歷時曲線法分別計算河道內(nèi)基本生態(tài)需水量。選取汾河水庫、蘭村、二壩3個斷面計算生態(tài)基流，對計算結(jié)果進行可靠性分析，排除誤差較大的計算結(jié)果。根據(jù)《河湖生態(tài)需水計算規(guī)范》，采用Tennant法和逐月頻率法，計算河道內(nèi)目標生態(tài)需水量。

2.1.2 水力學方法

水力學方法選取濕周法計算。濕周法假設濕周和水生生物柄息地的有效性有直接的聯(lián)系，保證一定水生生物柄息地的濕周，也就滿足了水生生物正常生存的要求。首先，利用實測斷面資料繪制濕周和水深關系曲線，據(jù)此確定該斷面的水位一流量關系，估算基本生態(tài)需水量。

水文學方法是利用排頻計算對徑流系列進行分析，水力學方法是將生態(tài)流量和具體的物理量建立聯(lián)系，從而給出推薦的基本生態(tài)流量。本文將兩者結(jié)合，將濕周法的計算結(jié)果作為基本生態(tài)流量進行控制，對水文學方法的計算結(jié)果進行合理性分析，選取合適值作為當月的生態(tài)需水量推薦值，從而給出同時考慮經(jīng)驗頻率和河道斷面具體情況的生態(tài)流量，計算結(jié)果見表1和表2。

2.2 蒸發(fā)量和滲漏量計算

汾河流域降水量較少、蒸發(fā)量較大，時空分布不均，降水多集中在6-9月。基于河流系統(tǒng)水量平衡原理，凈蒸發(fā)損失量計算公式為式中：We為計算時段內(nèi)水體的凈蒸發(fā)損失量，m3；A為水體平均水面面積，m2：E為計算時段內(nèi)水體蒸發(fā)量，mm；P為計算時段內(nèi)的降水量，mm。

采用黨躍軍在晉祠泉域汾河干流古交段河道滲漏研究中得出的河道滲漏系數(shù)，結(jié)合汾河上游的天然徑流量，可以計算出上游河道蒸發(fā)量和滲漏量（見表3）。

3 水量供需平衡計算

采用1960-2000年的天然徑流數(shù)據(jù)進行計算。若按照目標生態(tài)需水量供水，則水庫平均每年需對農(nóng)業(yè)供水2.00億m3（其中：位于汾河二庫下游的一壩取水口供水0.53億m3，位于太原城區(qū)段下游的二壩和三壩取水口供水1.47億m3），對生態(tài)供水2.92億m3（其中：汾河水庫至蘭村河段供水1.60億m3，蘭村至二壩河段供水1.32億m3），城市生活和工業(yè)供水合計1.62億m3。若按照基本生態(tài)需水量供水，則水庫平均每年需對農(nóng)業(yè)供水2.00億m3，對生態(tài)供水1.46億m3（其中：汾河水庫至蘭村河段供水0.78億m3，蘭村至二壩河段供水0.68億m3），城市生活和工業(yè)供水合計1.62億m3。

蘭村水文站多年平均天然徑流量為3.83億m3，引黃水量從2003年的0.07億m3到2014年的2.64億mi，逐年遞增。以2014年為例，研究區(qū)的可利用水資源量為6.47億m3，能夠滿足生態(tài)供水目標要求。

4 考慮生態(tài)的梯級水庫水資源優(yōu)化調(diào)度

考慮生態(tài)的水資源優(yōu)化調(diào)度是一個多約束條件下的多目標復雜尋優(yōu)過程，在優(yōu)化過程中既要考慮各個用水戶之間的協(xié)調(diào)，又要考慮水庫在水資源時空分配不均時的調(diào)蓄作用。將生態(tài)系統(tǒng)視為一個獨立的用水戶，其特征有兩個：一是該用水戶的優(yōu)先級分為基本生態(tài)用水和目標生態(tài)用水兩個等級：二是供給該用水戶的水量可以再次供給下游的其他用水戶。通常運用長系列時歷法，繪制多年調(diào)節(jié)水庫灌溉防破壞線、灌溉降低線和城市供水防破壞線，作為水庫調(diào)度的依據(jù)。根據(jù)《水利工程水利計算規(guī)范》，將調(diào)度圖分為4個區(qū)：①加大供水區(qū)，上限為防洪限制水位線或正常蓄水位線，下限為灌溉防破壞線；②保證供水區(qū)，上限為灌溉防破壞線，下限為灌溉降低線：③降低供水區(qū)，上限為灌溉降低線，下限為城市供水防破壞線：④防破壞區(qū)，上限為城市供水防破壞線，下限為死水位線。

長系列時歷法繪制調(diào)度圖中采取外包線的做法容易受到個別枯水年的影響，在來水量充足的情況下不能充分發(fā)揮水庫蓄水的效益。本文采用遺傳算法對灌溉降低線進行優(yōu)化，尋找聯(lián)合調(diào)度規(guī)則的全局最優(yōu)解，實現(xiàn)社會發(fā)展和生態(tài)保護的綜合效益最大化。各用水戶的優(yōu)先級別依次為生活用水、工業(yè)用水、基本生態(tài)用水、農(nóng)業(yè)用水和目標生態(tài)用水，其中目標生態(tài)用水和農(nóng)業(yè)用水享有同等優(yōu)先級，在供水不足時兩者會保持同樣的缺水率。

由于汾河二庫的興利庫容較小，僅為汾河水庫的1/5，主要承擔防洪、旅游和生態(tài)供水任務，因此在模型計算中，汾河二庫主要調(diào)蓄區(qū)間來水和上游汾河水庫的下泄水量，以滿足下游的生態(tài)需水，不再承擔其他供水任務。當汾河水庫的下泄水量和區(qū)間來水不足以滿足下游生態(tài)需水要求時，汾河二庫會對汾河水庫進行補償調(diào)節(jié)。

4.1 遺傳算法模型求解

遺傳算法使用群體搜索技術，對當前群體進行選擇、雜交和變異等操作，使群體進化到包含或接近最優(yōu)解的狀態(tài)。遺傳算法具有抗干擾性強、搜索范圍大和不依賴初始解等優(yōu)點，被廣泛應用于水庫調(diào)度和水資源優(yōu)化配置中。遺傳算法模型建立步驟如下。

（1）選擇灌溉降低線每個月對應的庫容作為染色體，將長系列時歷法的計算結(jié)果作為初始解代人模型，設置最大代數(shù)，選擇合適的種群數(shù)量并初始化種群。

（2）考慮水庫庫容約束，水庫t時刻的有效庫容應在最大庫容和死庫容之間。

①水量平衡約束：式中：Vt+l和vt分別為t+l與t時刻的水庫蓄水量；Qi和qi分別為t時刻水庫的人流量和出流量。

②水庫蓄水量約束：式中：Vmax和Vmin分別為水庫蓄水量的上限、下限。

③染色體變幅約束，染色體的基因代表該月的灌溉降低線，其變化范圍應在灌溉防破壞線到城市供水防破壞線之間：式中：qmax和qmin分別為水庫t時刻下泄流量的上、下限。

對于上述約束條件采用搜索空間限定法和罰函數(shù)法相結(jié)合的策略。

（3）建立水庫模擬調(diào)度模型，對每一代種群的每一條染色體對應的調(diào)度規(guī)則進行模擬調(diào)度，模擬調(diào)度模型依據(jù)水庫蓄水量確定當月的供水準則。水庫調(diào)度以相對缺水率最小為目標函數(shù)：式中：ai（i=1，2，3）分別為生態(tài)、生活、生產(chǎn)的權重；Din為生態(tài)、生活、生產(chǎn)第n月的需水量；Qin為生態(tài)、生活、生產(chǎn)第n月的供水量。

（4）設置罰函數(shù)，對灌溉降低線設置過低導致城市供水或基本生態(tài)需水遭到破壞的現(xiàn)象進行適應度懲罰，保證水庫蓄放水過程在合理的范圍內(nèi)尋優(yōu)。

（5）采用比例選擇方法，從舊群體中選出適應性強的染色體，為交叉和變異產(chǎn)生新種群做準備，保持種群數(shù)量不變。

（6）運用雙點交叉和均勻變異來全局搜索最優(yōu)解或次優(yōu)解。

（7）判斷是否達到最大代數(shù)來決定是否終止程序。

4.2 計算結(jié)果分析

以1960-2000年的天然徑流系列加上引黃水作為模型輸人，灌溉降低線每個月對應的庫容作為決策變量，用遺傳算法進行優(yōu)化得到的調(diào)度規(guī)則見圖2，對優(yōu)化前后的調(diào)度規(guī)則分別進行模擬計算，得到多年平均缺水率（見圖3、圖4）。

由圖3、圖4可以看出，遺傳算法優(yōu)化后的結(jié)果可以降低非汛期的缺水率，并且在計算過程中沒有出現(xiàn)生活用水和基本生態(tài)需水遭到破壞的情況，原因是優(yōu)化后的調(diào)度線消除了個別枯水年對調(diào)度線的影響。

由于生活需水和工業(yè)需水設計保證率相同，因此將生活供水和工業(yè)供水合并為城鎮(zhèn)供水。模擬計算結(jié)果表明，2014年引黃水量達到2.64億m3后，農(nóng)業(yè)多年平均月缺水率在15%以內(nèi)，并且計算中沒有發(fā)生城市用水和基本生態(tài)用水被破壞的情況。因此，在優(yōu)化后的調(diào)度規(guī)則下，可以在滿足城市用水和基本生態(tài)用水保證率的同時，降低灌溉用水的缺水率。

5 結(jié)語

采用水文學和水力學兩種方法計算汾河上中游流域的生態(tài)需水量，結(jié)合生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)需水，建立考慮生態(tài)需水量的水庫調(diào)度規(guī)則，并運用遺傳算法對其進行優(yōu)化，計算結(jié)果表明：在2014年引黃水量達到2.64億m3/之后，基本可以在滿足供水的同時兼顧生態(tài)要求：在現(xiàn)狀水平年水量平衡狀態(tài)下，可以使用遺傳算法對調(diào)度規(guī)則進行優(yōu)化，提高水資源利用率。