尚文繡　王遠(yuǎn)見(jiàn)　賈冬梅

摘要：為了在水庫(kù)生態(tài)調(diào)度中模擬天然水文情勢(shì)，基于水文情勢(shì)的主要特征設(shè)計(jì)了15個(gè)水文情勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并將某應(yīng)用于水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)中;基于水文分期特征將水文年劃分為不同時(shí)段，提出了參考各時(shí)段實(shí)時(shí)可利用水量的水庫(kù)生態(tài)供水規(guī)則;通過(guò)分層分解水庫(kù)不同供水任務(wù)，降低了水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型求解的復(fù)雜程度，并將模型應(yīng)用于萬(wàn)家寨水庫(kù)。結(jié)果顯示：①本文設(shè)計(jì)的水文情勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)及其在水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型中的應(yīng)用減少了生態(tài)供水與天然水文情勢(shì)間的差異;②基于水文分期和實(shí)時(shí)水情的水庫(kù)生態(tài)供水規(guī)則有效挖掘了生態(tài)供水潛力;③為了維護(hù)河流健康，萬(wàn)家寨水庫(kù)上游水資源開發(fā)利用率不宜超過(guò)40a-/o，而水資源開發(fā)利用率長(zhǎng)期高于60%則會(huì)造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞。

關(guān)鍵詞：水文情勢(shì);生態(tài)調(diào)度;調(diào)度規(guī)則;生態(tài)供水;萬(wàn)家寨水庫(kù)

中圖分類號(hào)：TV697

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.008

生態(tài)調(diào)度是在水利工程調(diào)度中考慮河流生態(tài)系統(tǒng)需求的一種調(diào)度手段，是維護(hù)河流生態(tài)健康的重要途徑。水庫(kù)生態(tài)調(diào)度中，通常將預(yù)設(shè)的生態(tài)需水過(guò)程作為水庫(kù)調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)或約束條件[1-3]。盡管生態(tài)需水的計(jì)算方法繁多[4]，但得到的生態(tài)需水過(guò)程與天然水文情勢(shì)間存在較大差異，常忽略天然水文情勢(shì)的關(guān)鍵特征，例如水文學(xué)法一般僅考慮固定的最小生態(tài)需水量，缺少短時(shí)間內(nèi)迅速漲落的高流量脈沖、洪水等關(guān)鍵流量事件，即使是面向生物的物理?xiàng)⒌啬M也難以全面反映天然流量的豐枯變化[5]。水文情勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)表征了水文情勢(shì)的主要特征，近年來(lái)已在水庫(kù)生態(tài)調(diào)度中得到了初步應(yīng)用。由于水文情勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)存在非線性、不連續(xù)的特征，因此多數(shù)研究將水文情勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)用于調(diào)度方案的后評(píng)估[6]，僅有少數(shù)研究將水文情勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)直接應(yīng)用于生態(tài)調(diào)度模型中，但需要通過(guò)減少指標(biāo)數(shù)量或簡(jiǎn)化調(diào)度規(guī)則以提高模型求解效率[7-9]，導(dǎo)致調(diào)度結(jié)果無(wú)法有效反映天然水文情勢(shì)或缺乏可行性。

針對(duì)現(xiàn)有研究中存在的問(wèn)題，本文開展了基于天然水文情勢(shì)的水庫(kù)調(diào)度規(guī)則研究，旨在建立刻畫水文情勢(shì)主要特征的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、設(shè)計(jì)面向?qū)崟r(shí)可利用水量的水庫(kù)生態(tài)供水規(guī)則、建立和求解以模擬天然水文情勢(shì)為目標(biāo)的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型。

1 水文情勢(shì)評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)

1.1 天然水文情勢(shì)的作用

水文情勢(shì)是河流各水文特征隨時(shí)間的變化情況，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的生物及非生物因素具有重要影響[10]。水文情勢(shì)決定了水生生物的生活模式，通過(guò)特定的流量事件驅(qū)動(dòng)生物洄游、繁殖等生命活動(dòng)，且能夠清除不適應(yīng)本地水文情勢(shì)的外來(lái)物種。同時(shí)，水文情勢(shì)可以影響水質(zhì)、地貌、底質(zhì)等非生物因素，是水生生物棲息環(huán)境的主要決定因素。相關(guān)研究多采用流量、頻率、發(fā)生時(shí)機(jī)、持續(xù)時(shí)間和變化率來(lái)反映水文情勢(shì)的變化特征[11-13]。

1.2 水文情勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)

目前，已經(jīng)形成了IHA（Indicators of Hydrologic Al-teration）、HHA（Hydrograph-based Hydrologic Alteration）等水文情勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，但已有指標(biāo)體系指標(biāo)數(shù)量較多，直接應(yīng)用于水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型中求解難度大。本文在IHA評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了15個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)（見(jiàn)表1）。該指標(biāo)體系突出了水文分期特征，將全年劃分為漲水期、洪水期和枯水期3個(gè)時(shí)段，各時(shí)段內(nèi)的關(guān)鍵流量事件分別為脈沖、洪水和極端小流量。水文分期體現(xiàn)了流量事件的發(fā)生時(shí)機(jī).15個(gè)指標(biāo)刻畫了流量、頻率、持續(xù)時(shí)間和變化率。

將天然狀態(tài)作為水文情勢(shì)最佳狀態(tài)，用評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)的指標(biāo)值除以天然狀態(tài)下的指標(biāo)值，然后進(jìn)行歸一化處理，使指標(biāo)值的變化范圍為0-1，1代表與天然狀態(tài)相同，0代表嚴(yán)重偏離天然狀態(tài)。為了直觀反映水文情勢(shì)總體狀態(tài)，通過(guò)模糊邏輯法對(duì)15個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行整合，生成變化范圍為0 - 100的水文評(píng)分[14]。將評(píng)分從小到大等分為5個(gè)等級(jí)，分別為差、較差、一般、較好和好。

2.2 水庫(kù)供水任務(wù)層次分解

水庫(kù)擔(dān)負(fù)著供水、發(fā)電等多種任務(wù)。本文將供水作為優(yōu)化對(duì)象，將其他任務(wù)作為調(diào)度模型的約束條件。鑒于社會(huì)經(jīng)濟(jì)供水與生態(tài)供水的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系和不可公度性，水庫(kù)調(diào)度中需要進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得到社會(huì)經(jīng)濟(jì)供水目標(biāo)與生態(tài)供水目標(biāo)間的帕累托前沿。

雖然向量遺傳算法、非支配排序遺傳算法等多目標(biāo)求解算法已得到廣泛應(yīng)用，但存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的多個(gè)目標(biāo)會(huì)加劇計(jì)算的復(fù)雜程度，甚至出現(xiàn)不收斂的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)水庫(kù)供水任務(wù)進(jìn)行層次分解，將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)。如圖2所示，帕累托前沿上的每一個(gè)點(diǎn)都代表了特定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)供水效益下的生態(tài)供水效益最優(yōu)值，因此可在水庫(kù)調(diào)度中設(shè)置固定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量并優(yōu)先滿足，然后對(duì)生態(tài)供水進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化，通過(guò)調(diào)整社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量得到帕累托前沿。如圖3所示，根據(jù)當(dāng)前可供水量的不同，將水庫(kù)供水劃分為4個(gè)階段：階段1，當(dāng)前的可供水量?jī)?yōu)先滿足當(dāng)前的社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量;階段2，當(dāng)前的余水被用于滿足生態(tài)需水量;階段3，儲(chǔ)存剩余的水量以滿足未來(lái)的需水量;階段4，產(chǎn)生棄水。通過(guò)分解供水任務(wù)可以保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量得到優(yōu)先滿足，從而將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)。此外，同一優(yōu)先級(jí)下只有一個(gè)供水任務(wù)，通過(guò)減少供水任務(wù)間的競(jìng)爭(zhēng)來(lái)提高水庫(kù)生態(tài)調(diào)度優(yōu)化模型的收斂速度。

3 算例分析

3.1 萬(wàn)家寨水庫(kù)概況

萬(wàn)家寨水庫(kù)位于黃河中游，總庫(kù)容8.96億m，是集供水、防洪、防凌于一體的水利樞紐工程。萬(wàn)家寨水庫(kù)全年可以劃分為7個(gè)不同的運(yùn)行時(shí)期，分別為漲水期、前汛期、排沙期、后汛期、流凌封河期、穩(wěn)定封河期和開河期。模型需對(duì)14個(gè)生態(tài)供水參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 調(diào)度結(jié)果分析

運(yùn)用本文建立的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型，計(jì)算不同社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量條件下的優(yōu)化結(jié)果，得到水文評(píng)分與取水比例（社會(huì)經(jīng)濟(jì)取水量/天然徑流量）間的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖4。若取水量被控制在天然徑流量的25%以內(nèi)，則水文評(píng)分等級(jí)為好：若取水量被控制在天然徑流量的40%以內(nèi)，則水文評(píng)分等級(jí)為較好：若取水量超過(guò)天然徑流量的60%，則水文評(píng)分達(dá)到較差等級(jí)。

將社會(huì)經(jīng)濟(jì)缺水率定義為其缺水量和需水量之比。分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量增加對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)缺水率和水文情勢(shì)的影響。將水文改變度定義為

A=（100 -G）/100

（6）式中：A為水文改變度;G為水文評(píng)分。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量比例（社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量/天然徑流量）的增大，社會(huì)經(jīng)濟(jì)缺水率和水文改變度均不斷增大，但社會(huì)經(jīng)濟(jì)缺水率始終小于水文改變度，說(shuō)明當(dāng)水資源無(wú)法滿足需求時(shí)，生態(tài)利益的犧牲大于社會(huì)經(jīng)濟(jì)利益的。社會(huì)經(jīng)濟(jì)缺水率和水文改變度的變化可劃分為3個(gè)階段（見(jiàn)圖5）：當(dāng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量在天然徑流量的400-/0以內(nèi)時(shí)，可基本滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量，但部分生態(tài)用水被擠占，導(dǎo)致水文改變度隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量的增大而迅速增大（階段1）;隨后社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量雖然不超過(guò)水資源總量，但由于水庫(kù)調(diào)蓄能力不足，社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量在一些時(shí)段難以得到滿足，因此社會(huì)經(jīng)濟(jì)缺水率與水文改變度均隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量的增大而迅速增大（階段2）;隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量進(jìn)一步增長(zhǎng)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量高于水資源總量，社會(huì)經(jīng)濟(jì)幾乎消耗了所有的可用水量，導(dǎo)致生態(tài)用水極少，水文改變度極大（階段3）。

4 結(jié)論

建立了基于天然水文情勢(shì)的水庫(kù)調(diào)度規(guī)則和生態(tài)調(diào)度模型，并以萬(wàn)家寨水庫(kù)為例開展算例研究，主要結(jié)論：①面向水文情勢(shì)主要特征設(shè)計(jì)了15個(gè)水文情勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，將評(píng)價(jià)指標(biāo)直接應(yīng)用于水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)中，減少了生態(tài)供水與天然水文情勢(shì)間的差異：②設(shè)計(jì)了基于水文分期和實(shí)時(shí)水情的水庫(kù)生態(tài)供水規(guī)則，參考可供水量實(shí)時(shí)調(diào)整生態(tài)供水，有效挖掘了生態(tài)供水潛力;③為了保證水文情勢(shì)有利于河流健康，在本文設(shè)計(jì)的生態(tài)供水規(guī)則下，萬(wàn)家寨水庫(kù)上游水資源開發(fā)利用率宜控制在40%以內(nèi)，而水資源開發(fā)利用率長(zhǎng)期高于60%則會(huì)造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于洋，韓宇，李棟楠，等.瀾滄江一湄公河流域跨境水量一水能一生態(tài)互饋關(guān)系模擬[J].水利學(xué)報(bào)，2017，48（6）：720-729.

[2] 鄧銘江，黃強(qiáng)，張巖，等，額爾齊斯河水庫(kù)群多尺度耦合的生態(tài)調(diào)度研究[J].水利學(xué)報(bào)，2017，48（12）：1387-1398.

[3] 王學(xué)斌，暢建霞，孟雪姣，等，基于改進(jìn)NSCA-II的黃河下游水庫(kù)多目標(biāo)調(diào)度研究[J].水利學(xué)報(bào)，2017，48（2）：135-145.

[4] 尚文繡，王忠靜，趙鐘楠，等，水生態(tài)紅線框架體系和劃定方法研究[J].水利學(xué)報(bào)，2016，47（6）：99-107.

[5]李建，夏自強(qiáng)，基于物理?xiàng)⒌啬M的長(zhǎng)江中游生態(tài)流量研究[J].水利學(xué)報(bào)，2011，42（6）：678-684.

[6] 王加全，馬細(xì)霞，李艷，基于水文指標(biāo)變化范圍法的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方案評(píng)價(jià)[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2013，32（1）：107-112.

[7]SHIAU J，WU F.Pareto-Optimal Solutions for EnvironmentalFlow Schemes Incorporating the Intra-Annual and InterannualVariability of the Natural Flow Regime[ J]. Water ResourcesResearch， 20U7，43： W6433.

[8]YANC C E，CAI X.Reservoir Reoperation for Fish EcosystemRestoration Using Daily Inflows： Case Study of Lake ShelbyVille[J].Journal of Water Resources Planning&Management，2011， 137（6）：470-480.

[9] WANC H， BRILLE D， RANJITHAN R S，et al.A Frame-work for Incorporating Ecological Releases in Sin～eReservoir Operation[J].Advances in Water Resources，2015，78：9-21.

[10]POFF N L，ALLAN J D，BAIN M B，et a1.The Natural FlowRegime：a Paradigm for River Conservation and Restoration[J]. BioScience， 1997， 47（ 11）： 769-784.

[11]RICHTER B D，BAUMCARTNER J V， POWELLJ，et al.AMethod for Assessing Hydrologic Alteration Within Ecosystems[J]. Conservation Biology，1996，10（4）：1163-1174.

[12] MA Z Z，WANC Z J，XIA T，et al.Hydrograph-BasedHydrologic Alteration Assessment and Its Application to theYellow River[J].Journal of Environmental Informatics，2014， 23（1）：1-13.

[13] ACREMAN M， ARTHINGTON A H， COLLOFF M J，et al.Environmental Flows for Natural， Hybrid， and NovelRiverine Ecosystems in a Changing World[J].Frontiers inEcology and the Environment， 2014， 12（8）：466-473.

[14] CANAVESE D， ORTECA N R S，QUEIR6s M.The As-sessment of Local Sustainability Using Fuzzy Logic： An Ex-pert Opinion System to Evaluate Environmental Sanitationin the Algarve Region， Portugal[J].Ecological Indicators，2014， 36： 711-718.