林夢(mèng)然 賈一飛 董增川

摘要：針對(duì)水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度中水電開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)間矛盾沖突問(wèn)題，以嘉陵江流域?yàn)槔?，?gòu)建了以水庫(kù)群發(fā)電量最大、武勝斷面適宜生態(tài)溢缺水量最小為目標(biāo)的水庫(kù)群多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。采用PA-DDS算法對(duì)模型進(jìn)行求解得到了Pareto最優(yōu)解，引入置換率定量分析了不同來(lái)水條件下發(fā)電目標(biāo)與生態(tài)目標(biāo)之間的競(jìng)爭(zhēng)協(xié)調(diào)關(guān)系，采用模糊優(yōu)選法尋求滿足發(fā)電、生態(tài)需求的最優(yōu)均衡調(diào)度策略。結(jié)果表明：不同來(lái)水條件下發(fā)電目標(biāo)與生態(tài)目標(biāo)間均存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，且生態(tài)效益與發(fā)電效益的矛盾主要體現(xiàn)在非汛期。最優(yōu)均衡調(diào)度策略既能保證不損失較大的發(fā)電效益，又能完全滿足最小生態(tài)需水，基本滿足適宜生態(tài)需水。研究成果可為嘉陵江流域生態(tài)友好型水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行方式提供技術(shù)支撐。

關(guān) 鍵 詞：水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度;發(fā)電-生態(tài)效益;生態(tài)需水量;PA-DDS算法;嘉陵江流域

中圖法分類號(hào)：TV697

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-4179（2021）09-0223-07

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.036

0 引 言

21世紀(jì)以來(lái)，隨著大批水庫(kù)電站的建成和投入使用，中國(guó)大型江河流域逐漸形成水庫(kù)群聯(lián)合開(kāi)發(fā)利用的總體格局[1]。科學(xué)合理的水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度可以最大程度地提升水資源利用效率與水庫(kù)綜合效益。目前，中國(guó)水電工程已經(jīng)進(jìn)入了由建設(shè)到管理運(yùn)行的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期[2]，水庫(kù)調(diào)度任務(wù)已由原來(lái)的興利除害目標(biāo)，拓展到促進(jìn)流域可持續(xù)發(fā)展和維護(hù)河流健康生命的層面[3]。然而，水庫(kù)興利與河流生態(tài)保護(hù)對(duì)水庫(kù)運(yùn)行需求各異，不同調(diào)度目標(biāo)間既相互制約又彼此沖突，迫切需要通過(guò)優(yōu)化水庫(kù)群調(diào)度方式，實(shí)現(xiàn)水資源開(kāi)發(fā)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、河流生態(tài)環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)，使得流域水資源綜合效益最佳[4]。

近來(lái)年，眾多學(xué)者對(duì)生態(tài)調(diào)度有較為深入的研究。目前將河流生態(tài)需水納入現(xiàn)行水庫(kù)調(diào)度的主要有3種思路：① 將河流生態(tài)流量需求作為調(diào)度的約束條件，盡可能滿足提出的生態(tài)流量要求。李棟楠[5]等引入“生態(tài)系數(shù)”的概念，建立了考慮發(fā)電目標(biāo)和生態(tài)約束的梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度模型，通過(guò)改變“生態(tài)系數(shù)”得到不同的發(fā)電量值，分析了發(fā)電目標(biāo)和生態(tài)流量約束之間的均衡關(guān)系。尹正杰[6]等考慮水庫(kù)下泄流量的生態(tài)約束，對(duì)比分析了不同生態(tài)流量約束、不同水庫(kù)調(diào)度方式的調(diào)度運(yùn)行結(jié)果。但是這種研究方法一次計(jì)算只能求得一個(gè)調(diào)度方案，生成非劣調(diào)度方案集需要進(jìn)行多次循環(huán)計(jì)算，求解效率不高，難以實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的并行協(xié)同優(yōu)化。② 將河流生態(tài)需求通過(guò)合適的權(quán)重系數(shù)整合到原有的目標(biāo)函數(shù)中。林偉[7]引入徑流生態(tài)離差系數(shù)，建立發(fā)電與生態(tài)均衡優(yōu)化調(diào)度模型，尋求滿足最小、最大生態(tài)流量約束的均衡方案。這種研究方法由于人為設(shè)定的權(quán)重系數(shù)，難以充分反映興利、生態(tài)調(diào)度目標(biāo)間的制約競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。③ 將河流生態(tài)需求作為一個(gè)獨(dú)立的調(diào)度目標(biāo)考慮。盧有麟[8]等以發(fā)電量最大和生態(tài)缺水量最小為目標(biāo)建立了梯級(jí)電站多目標(biāo)生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型，分析了發(fā)電效益與生態(tài)效益之間的制約競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。王學(xué)敏[9]等以梯級(jí)發(fā)電量最大、保證出力最大和三峽電站下游河道生態(tài)溢缺水量最小3個(gè)方面為目標(biāo)，構(gòu)建三峽梯級(jí)生態(tài)友好型多目標(biāo)發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型，定性地分析了3個(gè)目標(biāo)間的競(jìng)爭(zhēng)協(xié)調(diào)關(guān)系。這些研究大多是根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度的非劣解集的分布特征，定性地討論發(fā)電量、最小出力、生態(tài)需水量之間的博弈關(guān)系。面對(duì)梯級(jí)水庫(kù)復(fù)雜的調(diào)度關(guān)系，如何定量地剖析目標(biāo)間的協(xié)調(diào)置換關(guān)系，尋求協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的最優(yōu)調(diào)度方案，是實(shí)現(xiàn)生態(tài)友好型水庫(kù)調(diào)度的關(guān)鍵問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文以嘉陵江為例，綜合多種生態(tài)流量計(jì)算方法確定嘉陵江下游最小生態(tài)流量過(guò)程和適宜生態(tài)流量過(guò)程，以庫(kù)群發(fā)電量最大、適宜生態(tài)溢缺水量最小為目標(biāo)構(gòu)建水庫(kù)群多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，引入置換率量化目標(biāo)間影響程度，定量地剖析不同來(lái)水條件下發(fā)電目標(biāo)與生態(tài)目標(biāo)之間的競(jìng)爭(zhēng)協(xié)調(diào)關(guān)系，尋求滿足發(fā)電、生態(tài)需求的最優(yōu)均衡策略，協(xié)調(diào)嘉陵江流域梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度興利與生態(tài)的關(guān)系，使得總體效益最大。

1 研究區(qū)系統(tǒng)概化

本文的研究范圍為嘉陵江上游白龍江的武都斷面至嘉陵江干流的北碚斷面。將嘉陵江干流劃分成11個(gè)河段，共計(jì)12個(gè)節(jié)點(diǎn)。重要水文站節(jié)點(diǎn)8個(gè)，分別為武都、碧口、三磊壩、蒼溪、閬中、金溪、武勝、北碚，其中武勝斷面是生態(tài)控制斷面;水電站水庫(kù)節(jié)點(diǎn)4個(gè)，分別為碧口、寶珠寺、亭子口、草街。以水文站節(jié)點(diǎn)、水電站水庫(kù)節(jié)點(diǎn)、干支流、計(jì)算單元為基本要素，按照流域水系和自然地理的拓?fù)潢P(guān)系，把水源與用水戶連接起來(lái)[10]，對(duì)嘉陵江流域水資源系統(tǒng)進(jìn)行概化，如圖1所示。

2 生態(tài)流量計(jì)算

2.1 生態(tài)流量?jī)?nèi)涵

生態(tài)流量具有閾值性。最小生態(tài)流量要保證水生生物的最低生存條件，因此它的值應(yīng)該是天然狀態(tài)下水生生物所能容忍的干旱的極限。為了保持河流生態(tài)系統(tǒng)的健康及生物物種、種群結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，需要塑造更為適宜的徑流環(huán)境，滿足河流生物和棲息地對(duì)各種水流條件的需求。適宜生態(tài)流量過(guò)程就是對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定及保持物種多樣性最為適合的徑流過(guò)程，也是河流生態(tài)系統(tǒng)需求的最佳水文條件。相對(duì)于最小生態(tài)流量過(guò)程所產(chǎn)生的只能維持河流極限的、短期的健康狀況而言，適宜生態(tài)流量過(guò)程更有利于河流生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)健康[11]。

2.2 生態(tài)流量計(jì)算方法及結(jié)果

本文選用1959～1987年武勝水文站逐月徑流數(shù)據(jù)計(jì)算武勝斷面的最小生態(tài)流量過(guò)程以及適宜生態(tài)流量過(guò)程，結(jié)合近年來(lái)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果[11-12]，采用逐月最小徑流法、年內(nèi)展布法、頻率曲線法、Qp法計(jì)算最小生態(tài)流量，基于RVA框架估算適宜生態(tài)流量，引入Tennant法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際情況選擇最合適的結(jié)果作為武勝斷面的適宜生態(tài)流量和最小生態(tài)流量。

圖2為最小生態(tài)流量不同方法計(jì)算結(jié)果比較。本文將Qp法的計(jì)算結(jié)果作為最小生態(tài)流量的下限控制值，從圖2可以看出逐月最小徑流法和頻率曲線法的計(jì)算結(jié)果均大于Qp法的計(jì)算結(jié)果，且介于Tennant法的良好與一般等級(jí)之間。因此，本文選取逐月最小徑流法的計(jì)算結(jié)果作為武勝斷面的最小生態(tài)流量過(guò)程。

圖3為利用不同方法計(jì)算武勝斷面適宜生態(tài)流量的結(jié)果對(duì)比。RVA下限值與Tennant法最佳等級(jí)的生境質(zhì)量所要求的流量接近，RVA中值介于Tennant法最佳等級(jí)與最佳等級(jí)上限之間，RVA上限值大于Tennnat法的最佳等級(jí)上限?？紤]到適宜生態(tài)流量具有年際變化特征，根據(jù)來(lái)水情況不同而確定適宜生態(tài)流量。因此，本文選取RVA下限值作為枯水年適宜生態(tài)流量過(guò)程，選取RVA中值作為豐水年適宜生態(tài)流量過(guò)程。該方法推求適宜生態(tài)流量過(guò)程不僅考慮了河流流量的季節(jié)性變化，還考慮了河流流量的年際豐枯變化，與河流天然狀態(tài)下的水流節(jié)律相適應(yīng)，能夠較好地協(xié)調(diào)河道生態(tài)需水量與經(jīng)濟(jì)需水的關(guān)系[13]。武勝斷面生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果如表1所示。

3 考慮生態(tài)的水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

由于白龍江支流水量占嘉陵江上游干流來(lái)水量的50%～60%，本文模型中將碧口、寶珠寺、亭子口以及草街4個(gè)控制性水庫(kù)視為庫(kù)群系統(tǒng)，將上游干流來(lái)水作為寶珠寺水庫(kù)與亭子口水庫(kù)的區(qū)間入流考慮。以武勝斷面所需的最小生態(tài)流量過(guò)程作為生態(tài)約束限制，以庫(kù)群發(fā)電量最大、武勝斷面適宜生態(tài)溢缺水量最小為目標(biāo)，建立嘉陵江流域水庫(kù)群多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，其目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

3.1.1 發(fā)電目標(biāo)

梯級(jí)總發(fā)電量是水利樞紐聯(lián)合運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益的直接體現(xiàn)[9]，因此建立4庫(kù)總發(fā)電量最大的發(fā)電目標(biāo)函數(shù)，即：

式中：E為梯級(jí)總發(fā)電量;Nti為第i個(gè)水電站在第t時(shí)段的出力;M表示梯級(jí)電站個(gè)數(shù);T表示總時(shí)段長(zhǎng)度;ΔT表示某一時(shí)段長(zhǎng)度。

3.1.2 生態(tài)目標(biāo)

以往只考慮發(fā)電、供水等目標(biāo)的調(diào)度方案往往會(huì)對(duì)下游水生生物的生存環(huán)境帶來(lái)極大的破壞，還可能造成生物多樣性的減少，因此在考慮興利任務(wù)的同時(shí)注重生態(tài)保護(hù)顯得尤為重要。本文認(rèn)為河流的徑流過(guò)程越接近適宜生態(tài)流量過(guò)程，河流的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性越好，因此本文以武勝斷面適宜生態(tài)溢缺水量最小為生態(tài)目標(biāo)，即：

3.2 約束條件

水庫(kù)水量平衡約束：

3.3 模型求解

Pareto存檔動(dòng)態(tài)維度搜索（PA-DDS）算法是由Tolson和Asadzadeh[14]提出的多目標(biāo)問(wèn)題求解算法，該算法是動(dòng)態(tài)維度搜索算法（DDS算法）在多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題上的延伸，引入Pareto存檔進(jìn)化策略作為多目標(biāo)尋優(yōu)機(jī)制，通過(guò)在求解過(guò)程中動(dòng)態(tài)存儲(chǔ) Pareto前沿以防止最優(yōu)解的丟失，在尋優(yōu)速度以及解的穩(wěn)定性方面比較有優(yōu)勢(shì)[15]。PA-DDS算法的具體步驟為：首先利用簡(jiǎn)單隨機(jī)方法產(chǎn)生一個(gè)初始解，計(jì)算初始解的目標(biāo)函數(shù)值并將該初始解放入外部檔案集中。通過(guò)DDS算法生成一個(gè)新的候選解，并計(jì)算其目標(biāo)函數(shù)值。若通過(guò)DDS算法生成的新的候選解被父解支配，則繼續(xù)通過(guò)DDS算法生成新解;若不被父解支配，則將新解加入檔案集，并刪除檔案集中被新解支配的解。若解的個(gè)數(shù)達(dá)到外部檔案集檔案規(guī)模，計(jì)算擁擠距離，刪除檔案集中擁擠距離最小的解。在檔案集中根據(jù)擁擠距離選擇一個(gè)非劣解作為新的父解，直到滿足迭代次數(shù)，算法結(jié)束。

多目標(biāo)調(diào)度模型設(shè)置：① 以旬為調(diào)度時(shí)段，調(diào)度周期為1月初至12月末;② 期初水位與期末水位均設(shè)置為正常高水位;③ 發(fā)電函數(shù)中出力系數(shù)設(shè)定為常數(shù)8.5;④ 不考慮防洪調(diào)度，水庫(kù)汛期上限水位設(shè)置為汛限水位;⑤ 考慮到河道水流演進(jìn)時(shí)間遠(yuǎn)小于調(diào)度時(shí)段，故忽略河道水流演進(jìn)時(shí)間影響;⑥ 由于草街航電樞紐的調(diào)節(jié)性能有限，故僅考慮其參與聯(lián)合調(diào)度的發(fā)電效益;⑦ 迭代次數(shù)設(shè)定為1 000，擾動(dòng)系數(shù)r設(shè)定為0.2，外部檔案集大小設(shè)定為30。

4 結(jié)果分析

對(duì)1956～2013年的碧口水庫(kù)入庫(kù)徑流序列以及上游來(lái)水序列進(jìn)行P-Ⅲ適線排頻，選取豐（1962年）、枯（1971年）兩個(gè)典型年。

運(yùn)用PA-DDS對(duì)模型進(jìn)行求解，得到豐水年、枯水年兩種不同典型年情況下的非支配解集，分析發(fā)電與生態(tài)兩目標(biāo)間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，并從非支配解集中優(yōu)選均衡解。

4.1 發(fā)電與生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系分析

本文選取置換率作為量化目標(biāo)間競(jìng)爭(zhēng)協(xié)同關(guān)系的指標(biāo)。置換率表示在非劣前沿上某點(diǎn)，在其他目標(biāo)函數(shù)的值均固定不變的情況下，當(dāng)?shù)趈個(gè)目標(biāo)函數(shù)的值被提高（或降低）一個(gè)單位，必須由第i個(gè)目標(biāo)函數(shù)的值降低（或提高）Tij個(gè)單位補(bǔ)償。當(dāng)擬合出目標(biāo)Gi與其他目標(biāo)的關(guān)系函數(shù)fi后，目標(biāo)Gi對(duì)目標(biāo)Gj的置換關(guān)系可以用fi對(duì)Gj偏導(dǎo)數(shù)fiGj表示[16]。通過(guò)這種方法可以定量分析目標(biāo)間影響程度，為從非劣解集中選出最佳協(xié)調(diào)解提供一定的依據(jù)。

根據(jù)對(duì)碧口水庫(kù)1956～2013年的入庫(kù)徑流序列以及上游來(lái)水序列進(jìn)行P-Ⅲ適線排頻結(jié)果，分別將1962年碧口來(lái)水、1971年碧口來(lái)水作為豐、枯水年徑流輸入模型，求得非支配解集如圖4～5所示。

采取線性分段擬合的方法計(jì)算不同來(lái)水情景下不同發(fā)電區(qū)間對(duì)應(yīng)的置換率，擬合結(jié)果如圖6～7所示。從圖6中可以看出：在豐水年條件下，總發(fā)電量為103.7億～103.9億kW·h時(shí)，每多發(fā)一個(gè)單位的發(fā)電量大約損失8.165個(gè)單位的生態(tài)效益;總發(fā)電量為103.9億～104億kW·h時(shí)，每多發(fā)一個(gè)單位的發(fā)電量大約損失33.682個(gè)單位的生態(tài)效益;當(dāng)總發(fā)電量超過(guò)104億kW·h，每多發(fā)一個(gè)單位的發(fā)電量大約損失215.05個(gè)單位的生態(tài)效益。說(shuō)明當(dāng)總發(fā)電量超過(guò)104億kW·h時(shí)，發(fā)電目標(biāo)與生態(tài)目標(biāo)之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系增強(qiáng)。從圖7中可以看出：在枯水年條件下，總發(fā)電量為75.9億～76.3億kW·h時(shí)，每多發(fā)一個(gè)單位的發(fā)電量大約損失3.755個(gè)單位的生態(tài)效益，總發(fā)電量為76.3億～76.5億kW·h時(shí)，每多發(fā)一個(gè)單位的發(fā)電量大約損失20.586個(gè)單位的生態(tài)效益。說(shuō)明當(dāng)總發(fā)電量超過(guò)76.3億kW·h時(shí)，發(fā)電目標(biāo)與生態(tài)目標(biāo)之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系增強(qiáng)，若繼續(xù)增加發(fā)電量，則生態(tài)目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生較大犧牲。結(jié)果表明：無(wú)論是枯水年情景下還是豐水年情景下，隨著水庫(kù)群總發(fā)電量增加，武勝斷面適宜生態(tài)溢缺水量也在增加，即生態(tài)效益在逐漸減少，且當(dāng)發(fā)電量超過(guò)一定范圍時(shí)，繼續(xù)增加發(fā)電量，發(fā)電用水與生態(tài)用水競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系增強(qiáng)。

4.2 發(fā)電效益與生態(tài)效益均衡分析

水庫(kù)群綜合調(diào)度的流域管理機(jī)構(gòu)與業(yè)主單位存在不同利益訴求。流域管理機(jī)構(gòu)的利益訴求表現(xiàn)在要求水庫(kù)群調(diào)度確保流域內(nèi)水安全（如生態(tài)環(huán)境需求）;業(yè)主單位則要求在保證水庫(kù)自身安全的情況下，追求水庫(kù)自身效益（如發(fā)電效益）最大化[17]。因此，需要從非劣前沿中優(yōu)選出一個(gè)均衡解作為滿足發(fā)電、生態(tài)需求的最優(yōu)調(diào)度方案，協(xié)調(diào)流域管理機(jī)構(gòu)與業(yè)主單位利益訴求。

本文選用模糊優(yōu)選法根據(jù)隸屬度矩陣選擇最終方案[18]。在多目標(biāo)調(diào)度方案所選指標(biāo)中，適宜生態(tài)溢缺水量為成本型指標(biāo)，此類指標(biāo)越小越好，而4庫(kù)總發(fā)電量最大為效益型指標(biāo)，此類指標(biāo)越大越好。本文認(rèn)為生態(tài)目標(biāo)與發(fā)電目標(biāo)同等重要，因此，評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值均取0.5。針對(duì)上述指標(biāo)，計(jì)算出30個(gè)方案對(duì)應(yīng)的相對(duì)優(yōu)屬度，選取相對(duì)優(yōu)屬度最大的方案作為考慮生態(tài)目標(biāo)與發(fā)電目標(biāo)的協(xié)調(diào)均衡解，計(jì)算結(jié)果如表2～3所示。

從表2可以看出：模糊優(yōu)選法推薦19號(hào)方案為最優(yōu)方案，該方案對(duì)應(yīng)的總發(fā)電量為103.937 07億kW·h，適宜生態(tài)溢缺水量為106.965 93億m3。結(jié)合發(fā)電-生態(tài)置換率的計(jì)算結(jié)果分析，總發(fā)電量在103.9億～104.0億kW·h的范圍內(nèi)，此時(shí)發(fā)電-生態(tài)置換率大約為33.682，此范圍內(nèi)發(fā)電與生態(tài)效益處于相對(duì)均衡的狀態(tài)，因此，豐水年情境下優(yōu)選19號(hào)方案為協(xié)調(diào)均衡解是合理的。

從表3可以看出：模糊優(yōu)選法推薦15號(hào)方案為最優(yōu)方案，其對(duì)應(yīng)的總發(fā)電量為76.28 663億kW·h，適宜生態(tài)溢缺水量為86.611億m3。當(dāng)總發(fā)電量超過(guò)76.3億kW·h時(shí)，每增加一單位的發(fā)電效益將犧牲更多的生態(tài)效益，對(duì)于生態(tài)效益的受益方流域管理機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，總發(fā)電量超過(guò)76.3億kW·h的方案是不利的，而對(duì)于發(fā)電效益的受益方業(yè)主單位來(lái)說(shuō)，又希望盡可能地多發(fā)電。因此，枯水年情景下優(yōu)選15號(hào)方案為協(xié)調(diào)均衡解是合理的。

根據(jù)優(yōu)選方案對(duì)應(yīng)的亭子口水庫(kù)下泄流量以及亭子口水庫(kù)至武勝斷面的區(qū)間入流，推算當(dāng)前調(diào)度模式下武勝斷面的實(shí)際流量過(guò)程，并與武勝斷面最小生態(tài)流量過(guò)程以及適宜生態(tài)流量過(guò)程作對(duì)比，分析最優(yōu)均衡策略下武勝斷面的生態(tài)需水滿足程度。由圖8可以看出：在豐水年情景下，整個(gè)調(diào)度期武勝斷面的最小生態(tài)需水均得到滿足，武勝斷面基本未出現(xiàn)適宜生態(tài)缺水的情況，7月上旬至9月上旬以及9月下旬至10月下旬，武勝斷面出現(xiàn)了較為明顯的適宜生態(tài)溢水的情況。主要是由于汛期為了滿足亭子口水庫(kù)的防洪需求，水庫(kù)加大下泄將水位控制在汛限水位以下，汛期末段亭子口水庫(kù)開(kāi)始蓄水，在來(lái)水豐沛的情景下，水庫(kù)很容易蓄至正常高水位，蓄滿之后來(lái)多少水水庫(kù)下泄多少水，導(dǎo)致武勝斷面的適宜生態(tài)溢水量較多。由圖9可以看出：在枯水年情景下，整個(gè)調(diào)度期武勝斷面的最小生態(tài)需水均得到滿足;前非汛期（1～5月）武勝斷面的適宜生態(tài)需水基本滿足，后非汛期（9～12月）由于亭子口水庫(kù)在汛期末段開(kāi)始蓄水，下泄流量減少，再加上非汛期亭子口斷面至武勝斷面的區(qū)間入流較小，導(dǎo)致武勝斷面適宜生態(tài)缺水量較大;而汛期武勝斷面的生態(tài)溢水量較大，這一方面是由于汛期亭子口斷面至武勝斷面的區(qū)間入流較大，另一方面是由于汛期為了滿足亭子口水庫(kù)防洪的需求，當(dāng)亭子口水庫(kù)汛期水位超過(guò)汛限水位時(shí)需強(qiáng)制性下泄，導(dǎo)致水庫(kù)下泄流量較大。

4.3 發(fā)電與生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理分析

為了分析發(fā)電目標(biāo)與生態(tài)目標(biāo)間的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理，本文以4庫(kù)總發(fā)電量最大為目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建單目標(biāo)水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型。采用DDS算法進(jìn)行求解，得到不考慮生態(tài)需水情況下水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度的發(fā)電量，與最優(yōu)均衡策略對(duì)應(yīng)的發(fā)電量進(jìn)行對(duì)比，可求得考慮生態(tài)需水的情況下水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度的發(fā)電效益損失，如表4所示。豐水年、枯水年來(lái)水情景下，考慮生態(tài)的水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的發(fā)電損失量分別為0.193 53億kW·h和0.187 10億kW·h。

亭子口水庫(kù)的下泄過(guò)程直接決定了武勝斷面的生態(tài)需水滿足程度，分別對(duì)豐、枯水年條件下考慮和不考慮生態(tài)需求的聯(lián)合調(diào)度中亭子口水庫(kù)水位過(guò)程線進(jìn)行分析，如圖10～11所示。在嘉陵江流域水庫(kù)群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度中，為滿足流域生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水量的要求，水庫(kù)在枯水期需要加大下泄和在汛期應(yīng)盡量減少下泄。由于防洪的需求，汛期水庫(kù)在發(fā)電和生態(tài)兩目標(biāo)間的優(yōu)化空間有限，生態(tài)效益的區(qū)別主要體現(xiàn)在枯水期。從圖中可以看出，為了滿足流域生態(tài)需求，亭子口水庫(kù)在枯水期加大下泄以較快的方式消落，從而減少生態(tài)缺水;在集中消落期，由于需要消落水位較低，故能夠減小下泄流量，從而避免產(chǎn)生過(guò)多生態(tài)溢水量。而水電站若要盡可能地多發(fā)電，需要在枯水期減少下泄以提高水頭，而在汛期盡量下泄以增加全年發(fā)電量。在考慮生態(tài)的水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度中，水電站在整個(gè)枯水期以較低水位運(yùn)行，消落期也沒(méi)有集中發(fā)電，導(dǎo)致水電站既犧牲了水位效應(yīng)也損失了流量效應(yīng)，從而使發(fā)電效益受損。

5 結(jié) 論

本文研究了考慮生態(tài)的嘉陵江流域水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度模型的構(gòu)建、求解的技術(shù)方法，引入置換率量化水資源在發(fā)電量和生態(tài)需水量之間的博弈置換關(guān)系，從競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系、效益均衡、競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理3個(gè)方面對(duì)模型運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）無(wú)論是枯水年情景下還是豐水年情景下，隨著水庫(kù)群總發(fā)電量增加，生態(tài)效益逐漸減少，且當(dāng)發(fā)電量超過(guò)一定范圍時(shí)，繼續(xù)增加發(fā)電量，發(fā)電用水與生態(tài)用水競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系增強(qiáng)。

（2）生態(tài)效益與發(fā)電效益的矛盾主要體現(xiàn)在非汛期。水庫(kù)在枯水期加大下泄流量以減少生態(tài)缺水量，在汛前消落期減小下泄流量以減少生態(tài)溢水量，導(dǎo)致水電站在枯水期的運(yùn)行水位較低，使發(fā)電效益受損。

（3）均衡調(diào)度策略能夠較好地協(xié)調(diào)嘉陵江流域水電開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)間的矛盾，既能保證不損失較大的發(fā)電效益，又能完全滿足流域最小生態(tài)需水，基本滿足流域適宜生態(tài)需水。模型運(yùn)行結(jié)果合理，可以為嘉陵江流域開(kāi)展生態(tài)友好型水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李昱，彭勇，初京剛，等.復(fù)雜水庫(kù)群共同供水任務(wù)分配問(wèn)題研究[J].水利學(xué)報(bào)，2015，46（1）：83-90.

[2] 郭生練，陳炯宏，劉攀，等.水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究進(jìn)展與展望[J].水科學(xué)進(jìn)展，2010（4）：496-503.

[3] 趙麥換，徐晨光.水庫(kù)調(diào)度的流域化、生態(tài)化[C]∥中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì).2008年中國(guó)水力發(fā)電論文集.北京：中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)，2008.

[4] 陳悅云，梅亞?wèn)|，蔡昊，等.面向發(fā)電、供水、生態(tài)要求的贛江流域水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度研究[J].水利學(xué)報(bào)，2018，49（5）：628-638.

[5] 李棟楠，趙建世.梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度的發(fā)電-生態(tài)效益均衡分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2016，35（2）：37-44.

[6] 尹正杰，楊春花，許繼軍.考慮不同生態(tài)流量約束的梯級(jí)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度初步研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2013，32（3）：66-70.

[7] 林偉，李英海，郭家力，等.清江梯級(jí)發(fā)電與生態(tài)均衡優(yōu)化調(diào)度研究[J].水生態(tài)學(xué)雜志，2020，41（3）：9-16.

[8] 盧有麟，周建中，王浩.三峽梯級(jí)樞紐多目標(biāo)生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型及其求解方法[J].水科學(xué)進(jìn)展，2011，22（6）：780-788.

[9] 王學(xué)敏，周建中，歐陽(yáng)碩，等.三峽梯級(jí)生態(tài)友好型多目標(biāo)發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型及其求解算法[J].水利學(xué)報(bào)，2013，44（2）：154-163.

[10] 賈一飛，董增川，卞佳琪，等.黃河上游水庫(kù)群多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度研究[J].人民黃河，2019，41（1）：41-45，50.

[11] 李捷，夏自強(qiáng)，馬廣慧，等.河流生態(tài)徑流計(jì)算的逐月頻率計(jì)算法[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27（7）：2916-2921.

[12] 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，（1）：119-126.

[13] 艾學(xué)山，董祚，莫明珠.水庫(kù)多目標(biāo)調(diào)度模型及算法研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2017，36（12）：19-27.

[14] ASADZADEH M，TOLSON B A .A new multi-objective algorithm，Pareto archived DDS[C]∥SIGEVO，ACM.Proceedings of the 11th Annual Conference Companion on Genetic and Evolutionary Computation Conference：Late Breaking Papers.New York：Association for Computing Machinery，2009.

[15] 楊光，郭生練，劉攀，等.PA-DDS算法在水庫(kù)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào)，2016，47（6）：789-797.

[16] 王浩，雷曉暉，蔣云鐘，等.梯級(jí)水庫(kù)群面向生態(tài)的多目標(biāo)綜合調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2016.

[17] 陳廣才.長(zhǎng)江干支流水庫(kù)群綜合調(diào)度的多利益主體協(xié)調(diào)框架探討[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2011（12）：64-67.

[18] 陳守煜.多目標(biāo)決策系統(tǒng)模糊優(yōu)選理論、模型與方法[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2001（3）：136-140.

（編輯：江 文）