劉哲杰， 白 濤， 高 凡， 楊鵬年， 王光焰

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室（西安理工大學），陜西 西安 710048；3.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000）

水資源是人類社會經(jīng)濟和生態(tài)向前發(fā)展不可缺少的基礎資源。水庫在水資源開發(fā)利用中擔任著極其重要的角色。因此，研究水庫調(diào)度問題，對水資源的統(tǒng)一管理和高效利用具有十分重要的意義［1］。

傳統(tǒng)的水庫調(diào)度以發(fā)電、灌溉和防洪等為目標建立調(diào)度模型，基于系統(tǒng)科學的思想對模型進行求解，然后制定調(diào)度方案指導水庫運行。國外相比國內(nèi)面向生態(tài)的水庫調(diào)度研究開始較早。2014 年Steinschneider 等［2］提出了一種大尺度優(yōu)化調(diào)度模型，在大流域水庫群多目標調(diào)度問題上探討水庫協(xié)調(diào)管理措施對生態(tài)效益的貢獻。2017 年Sabo 等［3］發(fā)表了湄公河生態(tài)調(diào)度研究成果，通過調(diào)度模型耦合了河流徑流情勢的結構差異性，設計了滿足河流生態(tài)完整性、保證人類經(jīng)濟需求的徑流模式。2019年Xia等［4］為克服傳統(tǒng)算法的早熟收斂問題，提出了一種單純形粒子群算法，并成功應用在了梯級水庫生態(tài)調(diào)度中。2020 年Wang 等［5］以清江梯級水庫群為研究對象，建立了考慮生態(tài)基流量和最小生態(tài)流量變化的多目標優(yōu)化模型，并采用基于群體合作的協(xié)同粒子群優(yōu)化算法進行求解。2021年Zhong等［6］提出了引力搜索算法，成功應用在吳江水庫群生態(tài)調(diào)度中，比其他常規(guī)優(yōu)化算法可以獲得更好的調(diào)度方案，有效減少了不適宜的生態(tài)水量。我國針對塔里木河流域生態(tài)調(diào)度研究起步較晚。2013 年鄧曉雅等［7］基于流域水資源合理配置對塔里木河流域生態(tài)調(diào)度進行了研究，分析了生態(tài)調(diào)度與水資源合理配置的關系以及流域生態(tài)調(diào)度關鍵問題，制定了塔里木河流域生態(tài)調(diào)度的目標和措施以及生態(tài)調(diào)度方案。2018年王光焰等［8］對塔里木河水資源合理配置研究進展進行了闡述，指出生態(tài)調(diào)度、水權配置與生態(tài)補償、跨流域調(diào)水等是塔里木河水資源研究的重點方向。徐俏等［9］針對塔里木河下游生態(tài)輸水對植被群落組成、多樣性和穩(wěn)定性的影響也進行了研究，結果表明自生態(tài)輸水以來，植物群落的穩(wěn)定性逐漸提高，但目前仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。2020年王希義等［10］對塔里木河下游輸水工程的生態(tài)效益與社會經(jīng)濟效益進行了評價，結果表明自生態(tài)輸水以來，塔里木河下游地區(qū)的未利用地面積變化不大，水域面積增加最顯著，耕地和建筑用地面積有所增加，林地和草地的面積有所減少。

目前，塔河流域經(jīng)過50多年大規(guī)模的水土開發(fā)等人類活動影響，水環(huán)境發(fā)生了很大改變，主要表現(xiàn)為各源流用水量增加，匯入干流的水量不斷減少；干流上中游耗水量增加，達到下游的水量大幅減少；尤其在1972 年大西海子水庫建成后，造成下游357 km河道長期斷流，以胡楊為主要建群植物的荒漠河岸林全面衰敗。針對該問題，從2000年實施了《塔里木河流域近期綜合治理規(guī)劃》，疏通了大西海子水庫至臺特瑪湖間長期斷流的河道，通過20多次的生態(tài)輸水，緩解了沿河兩岸荒漠植被的衰敗趨勢［11］。由于以往的研究較為單一且受時限等因素影響，只是針對已有生態(tài)措施或效果進行分析評價。鑒于此，本文利用近20 a下游來水資料，以大西海子水庫為調(diào)控主體，構建面向生態(tài)系統(tǒng)多對象保護的水庫中長期生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型，旨在充分挖掘水庫生態(tài)調(diào)度潛力，保障兩河（其文闊爾河-老塔里木河）區(qū)域的河道外生態(tài)供水量，以解決塔河下游流域生態(tài)水的合理分配問題，為下游流域水資源的科學管理，尤其是為干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的生態(tài)恢復提供水量支撐，對塔河下游的生態(tài)保護與修復具有重要理論意義和應用價值。

1 大西海子水庫生態(tài)調(diào)度

1.1 研究區(qū)概況

塔里木河（簡稱“塔河”）是我國最長的內(nèi)陸河，從源流葉爾羌河算起，全長2486 km，其流域平均海拔1000 m 左右，屬典型的大陸性氣候區(qū)，是我國乃至世界范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)最為脆弱的流域之一［12］。由于受氣候變化和人類活動的強烈干擾，塔里木河水資源時空分布格局發(fā)生了明顯變化，特別是1972年大西海子水庫建成后，導致其下游河道斷流，天然植被大面積衰退，尾閭臺特瑪湖干涸［13］。以胡楊、檉柳灌叢為主的荒漠河岸植被是極端干旱環(huán)境下的生態(tài)廊道，在防風固沙、維持干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)等方面具有積極影響［14］。為保護塔里木河下游流域的生態(tài)安全，拯救瀕臨合攏的“綠色走廊”，20 世紀90年代成立了塔里木河流域管理委員會和塔里木河流域管理局。自2001 年起，流域管理局根據(jù)《塔里木河流域近期綜合治理規(guī)劃報告》，啟動了塔河流域近期綜合治理工程［15］。組織實施了下游生態(tài)應急輸水，期間大西海子水庫積極發(fā)揮生態(tài)功能，累計輸水81.61×108m3，平均年下泄水量4.13×108m3，超額完成了年均下泄水量3.50×108m3的預期目標，重現(xiàn)了臺特瑪湖昔日的自然景觀［16］。目前已經(jīng)實現(xiàn)《塔里木河流域近期綜合治理規(guī)劃》年均下游河道下泄3.50×108m3的預期目標，但即使采用其文闊爾河、老塔里木河雙河道線狀同時輸水，河道的自然耗水僅為2.26×108m3，入湖水量可達到1.24×108m3，遠超0.15×108m3的入湖要求［17］。導致尾閭臺特瑪湖水域面積過大，無效蒸發(fā)十分嚴重。因此，為更好實現(xiàn)生態(tài)輸水效果，如何在人為條件下使間歇性輸水起到替代自然漫溢的功能，最大程度修復沿河兩岸生態(tài)環(huán)境，是目前亟待探索解決的現(xiàn)實問題。

塔河下游指大西海子水庫至臺特瑪湖區(qū)間河段，位于塔克拉瑪干沙漠和庫姆塔格沙漠之間，總長約350 km。其中大西海子水庫位于塔里木河干流下游沙漠平原區(qū)，壩址距第二師34團15 km，距尉犁縣155 km，距庫爾勒市210 km。該區(qū)域屬典型大陸性干旱氣候，年降水量僅17.4～42.0 mm，蒸發(fā)量高達2500～3000 mm，抗逆性差，生態(tài)環(huán)境極為脆弱［18］。塔里木河下游研究區(qū)示意圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

大西海子水庫位于塔里木河干流下游沙漠平原區(qū)，始建于1958年，1972年投入運行，原為一座以農(nóng)業(yè)、灌溉、防洪、生態(tài)供水為主，兼有養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）型水庫，但2004 年該水庫功能調(diào)整為一座專門用于塔里木河下游生態(tài)供水的平原區(qū)中型水庫，并在2012年底完成了“退出農(nóng)業(yè)灌溉工程”改造［19］。由于上游輸水距離遙遠，地表來水不穩(wěn)定、間歇性輸水特征明顯等特點。因此，本文將該水庫定位為只有生態(tài)功能的水庫，且利用該水庫儲水，集中調(diào)控下游河道輸水，發(fā)揮其生態(tài)調(diào)蓄功能，提高輸水的生態(tài)效益，實現(xiàn)以植被修復為目的的中長期生態(tài)調(diào)度。水庫特征水位及庫容見表1。

表1 水庫特征水位及庫容Tab.1 Reservoir characteristic water level and capacity

研究區(qū)下游河道按河流特征可分為上下兩段。上段：大西海子至阿拉干段（兩河區(qū)域）水系較為復雜，支汊眾多，主河道在水庫以下4.2 km 處分為東西兩支，東支為其文闊爾河，河長204.5 km，曲直比2.48；西支為老塔里木河，河長143.8 km，曲直比1.74，在阿拉干匯合后折向南；下段：阿拉干至臺特瑪湖，河長153.1 km，曲直比2.17，呈南北向狹長帶狀分布［20］。

1.2 徑流資料的處理

大西海子水庫生態(tài)調(diào)度采用的基本資料有工程資料和徑流資料等。工程資料包括大西海子水庫特征參數(shù)（特征水位、水位-庫容關系曲線等）；徑流資料有大西海子水庫上游距離100 km 處恰拉站的實測徑流資料，中長期調(diào)度以2000年4 月—2020年3月共20 a為調(diào)度期。

由于大西海子水庫入庫徑流資料較少，因此借用阿拉爾水文站至恰拉水文站區(qū)間的單位長度河道衰減率，將已收集到的恰拉水文站徑流數(shù)據(jù)推算至大西海子水庫入庫斷面。具體計算公式為：

式中：W為大西海子水庫入庫斷面來水量，108m3；W′為恰拉斷面來水量，108m3；η為阿拉爾水文站至恰拉水文站區(qū)間河道單位長度衰減率（0.18%）；L為恰拉水文站至大西海子水庫區(qū)間河道長度，km。

1.3 優(yōu)化調(diào)度模型節(jié)點圖

依據(jù)塔河下游流域水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀，繪制涵蓋水庫、水文站、重要控制斷面和湖泊等節(jié)點在內(nèi)的水庫調(diào)度網(wǎng)絡節(jié)點圖，塔里木河下游大西海子水庫生態(tài)調(diào)度節(jié)點如圖2所示。

圖2 塔里木河下游大西海子水庫生態(tài)調(diào)度節(jié)點Fig.2 Ecological dispatch node of Daxihaizi reservoir in the lower reaches of Tarim River

2 生態(tài)調(diào)度模型的建立與求解

2.1 調(diào)度模型的建立

在塔河流域一期綜合治理規(guī)劃中，提出了“大西海子水庫多年平均下泄3.50×108m3，有水到達臺特瑪湖”的生態(tài)輸水目標?？梢?，塔河下游的生態(tài)保護對象包括河道內(nèi)生態(tài)基流、多年平均下泄生態(tài)水量。除此以外，兩河區(qū)域的河道外生態(tài)水量是保障該區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復的關鍵水源。因此，在塔河下游的生態(tài)系統(tǒng)中，生態(tài)調(diào)度的主要對象有下泄生態(tài)總水量、河道內(nèi)生態(tài)基流、河道外生境需水和入臺特瑪湖水量等，屬于多對象保護的生態(tài)調(diào)度問題。

本文建立的生態(tài)調(diào)度模型將下泄生態(tài)總水量、入臺特瑪湖水量、河道內(nèi)生態(tài)基流量3 個保護對象轉換為約束條件：（1）大西海子水庫多年平均下泄生態(tài)總水量不小于3.50×108m3；（2）考慮到塔河一期綜合治理規(guī)劃中，只規(guī)定有水流到臺特瑪湖，但經(jīng)過20多年的生態(tài)輸水，水頭到達臺特瑪湖越來越快。而臺特瑪湖是各種鳥類、魚類的棲息地，保障周邊生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定，將湖面面積保持在一定范圍內(nèi)對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境有極大積極影響。根據(jù)樊自立等［17］對臺特瑪湖水域面積的研究，將提出的多年平均入湖水量不小于0.15×108m3設置為模型約束條件；（3）塔河為一條內(nèi)陸耗散型河流，下游來水過程極不穩(wěn)定，在大西海子水庫建成后河道斷流近30 a，因此只在模型中設定河道生態(tài)基流保證率為50%。對于塔河下游河道外需水而言，選擇河道外生態(tài)保護與修復的關鍵生態(tài)期至關重要，由于塔河下游兩河區(qū)域的保護性植被為胡楊，其落種、漂種與萌發(fā)的最佳時期是每年10月，因此，將10月作為關鍵生態(tài)期。綜上所述，在滿足上述（1）、（2）、（3）約束條件下，以大西海子水庫下游多年平均河道外生態(tài)供水量最大為目標函數(shù)，其表達式如公式（2）所示。

式中：i為調(diào)度期內(nèi)某年份；N為調(diào)度期總年份；F為多年平均河道外生態(tài)供水量，108m3；W為調(diào)度期內(nèi)第i年的河道外生態(tài)供水量，108m3。

2.2 約束條件

（1）水量平衡約束：

式中：Vt為t時刻水庫庫容，104m3；Vt-1為t-1 時刻初水庫庫容，104m3；It為t時刻的入庫流量，m3·s-1；It-1為t-1 時刻入庫流量，m3·s-1；Δt為t、t-1 相鄰時刻的時段長；qt為t時刻下泄流量，m3·s-1；qt-1為t-1時刻下泄流量，m3·s-1。

（2）庫容約束：

式中：Vmin,t為t時刻允許的最小庫容，104m3；Vmax,t為t時刻水庫允許的最大庫容，104m3。

（3）水位約束：

式中：Zmin,t為t時刻水庫允許的最低水位，m；Zmax,t為t時刻水庫允許的最高水位，m。

（4）泄流能力約束：

式中：qmax,t為t時刻水庫允許的最大下泄流量，m3·s-1。

（5）下泄生態(tài)總水量約束：

式中：j為調(diào)度期內(nèi)某月份；T為一年內(nèi)總月份；qi,j為調(diào)度期內(nèi)第i年第j月下泄生態(tài)流量，m3·s-1；We為允許的最小多年平均下泄生態(tài)總水量，m3。

（6）河道內(nèi)生態(tài)基流約束：

式中：Pi為調(diào)度期內(nèi)第i年的河道內(nèi)生態(tài)基流保證率，%；P為允許的最小河道內(nèi)生態(tài)基流保證率，%。

（7）入臺特瑪湖水量約束：

式中：q′i, j為調(diào)度期內(nèi)第i年第j月入臺特瑪湖流量，m3·s-1；Wl為允許的最小多年平均入臺特瑪湖水量，m3。

（8）初始條件約束：

式中：Z0為調(diào)度期初始庫水位，m。

（9）非負變量

各變量必須為非負值。

2.3 模型求解

本文研究的河道外最大生態(tài)水量問題為單目標優(yōu)化問題，采取收斂速度快且技術成熟的粒子群算法進行求解。粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）的基本思想是將群體中的鳥抽象為沒有質(zhì)量和體積的“粒子”，通過這些“粒子”間的相互協(xié)作和信息共享，使其運動速度受到自身和群體的歷史運動狀態(tài)信息的影響。對粒子群優(yōu)化算法的數(shù)學描述如下：

設在n維解搜索空間中，有m個粒子組成一個粒子群，第k次迭代的m個粒子在解空間中的位置表示為式（11）、飛翔的速度表示為式（12）：

每個粒子至第k次迭代之前的歷代搜索過程中，迄今為止自身搜索到的個體最優(yōu)解表示為式（13）：

整個粒子群至第k次迭代之前的歷代搜索過程中，迄今為止搜索找到的整體最優(yōu)解（這里的整體是針對m個粒子而言，而不是針對解空間而言）表示為式（14）：

粒子群優(yōu)化算法采用式（15）和式（16）對第i個粒子進行速度更新和位置更新：

式中：W為慣性權重系數(shù)；r1、r2為（0,1）上均勻分布的隨機數(shù)；c1、c2為學習因子。

調(diào)度期為2000—2020年，以大西海子水庫下泄流量為決策變量，共240個計算時段（月尺度），設置粒子維數(shù)為240，故粒子位置和速度維數(shù)都是240，粒子位置對應每一時刻水庫下泄流量，粒子速度對應迭代一次后同一時段水庫下泄流量的變化量。參數(shù)設置：粒子種群規(guī)模為100，最大迭代次數(shù)為150次，慣性權重W為1.05，個體和種群學習因子都為2.0。

3 結果與分析

3.1 水庫下泄生態(tài)總水量分析

采用本文建立的大西海子水庫優(yōu)化調(diào)度下泄水量過程如圖3 所示?；谑剑?）對徑流資料進行處理后，大西海子斷面的多年平均來水量為5.25×108m3，經(jīng)優(yōu)化調(diào)度后，多年平均下泄水量為5.23×108m3，二者之間滿足水量平衡，驗證了中長期水庫調(diào)度方案的可行性和可靠性。

圖3 大西海子水庫多年月平均水量變化過程Fig.3 Variation process of monthly average water amount in Daxihaizi Reservoir

下泄水量實測與優(yōu)化過程如圖4 所示，在選取的2015—2016 年和2016—2017 年中，實測水庫下泄水量分別為4.61×108m3、6.76×108m3，有水下泄月份分別占全年的33.3%、25.0%；優(yōu)化后水庫下泄水量分別可達6.49×108m3、8.07×108m3，有水下泄月份占全年的41.7%、50.0%。經(jīng)中長期優(yōu)化調(diào)度后，大西海子水庫多年平均下泄水量為5.23×108m3，滿足下泄3.50×108m3目標；在下泄水量時間上，優(yōu)化結果比實測分別增加了1 個月和3 個月，這更加有利于下游兩河區(qū)域的植被生態(tài)修復工程，為其奠定堅實的水量基礎。

圖4 下泄水量實測與優(yōu)化過程Fig.4 Measurement and optimization process of discharge

3.2 入臺特瑪湖水量分析

就入湖過程來講，在塔河一期治理過程中，采取多種輸水方式控制入湖水量，但入湖過程極不穩(wěn)定且仍有大量水流入臺特瑪湖，使水域面積陡增，造成無效蒸發(fā)嚴重。2017年入湖水量達到3.59×108m3，水域面積達到自2001 年以來的最大值513.2 km2。這樣極不穩(wěn)定且陡增陡落的入湖水量對尾閭臺特瑪湖及周邊生態(tài)環(huán)境并無顯著積極影響。經(jīng)優(yōu)化調(diào)度后，將0.15×108m3水量作為模型約束條件，入臺特瑪湖水量優(yōu)化過程如圖5所示。多年平均入湖水量為0.18×108m3；優(yōu)化后的最大入湖水量出現(xiàn)在2017—2018 年，最大值為0.55×108m3；最小入湖水量出現(xiàn)在2009—2010年，最小值為0，造成該現(xiàn)象的原因是塔河各源流來水量變少，下游河道全年基本處于干涸狀態(tài)；將入湖水量控制在0～0.55×108m3，較實測值變化區(qū)間更小，入湖水量更穩(wěn)定，更加有利于塔河下游河道尤其是臺特瑪湖生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展。

圖5 入臺特瑪湖水量優(yōu)化過程Fig.5 Optimization process of water inflow into Taitema Lake

3.3 河道內(nèi)生態(tài)基流分析

依據(jù)塔河一期綜合治理規(guī)劃，并無下游河道生態(tài)基流的相關要求。下泄流量與生態(tài)基流量如圖6所示，滿足該生態(tài)基流量的月份占比50.0%，生態(tài)基流量不為0 的月份占比14.6%，即優(yōu)化大西海子水庫運行后，下游河道不發(fā)生斷流的月份高達64.6%，這將極大促進下游沿河兩岸荒漠河岸林植被尤其是胡楊等建群物種的生長，遏止下游生態(tài)退化的趨勢，也將提高植被群落穩(wěn)定性。

圖6 下泄流量與生態(tài)基流量Fig.6 Down discharge and ecological base discharge

3.4 河道外生態(tài)供水量分析

面對大量水流入臺特瑪湖的情況，從塔河下游生態(tài)輸水高效利用的角度看，并不符合該要求。因此應當對臺特瑪湖入湖水量加以控制，使水域面積維持到合理區(qū)間，結余水量用于兩河區(qū)域的荒漠河岸林植被恢復。2000—2020 年10 月水庫向河道外供水量如圖7 所示，2010—2011 年出現(xiàn)最大供水量為2.95×108m3；除去各源流來水極少，下游無水的2009—2010年，在2000—2001年出現(xiàn)最小供水量為0.25×108m3，多年平均向兩河區(qū)域供水1.67×108m3。就多年平均值1.67×108m3水量而言，可進一步擴大兩河區(qū)域荒漠河岸林植被的受水面積，促使地下水位的抬升，提高植物多樣性和群落穩(wěn)定性，為該區(qū)域胡楊等主要建群物種的生長提供有效保障，生態(tài)效益十分顯著。

圖7 調(diào)度期內(nèi)每年10月水庫向河道外供水量Fig.7 During the operation period,the reservoir will supply water to the outside of the river every October

4 結論

（1）大西海子水庫優(yōu)化后多年平均下泄水量為5.23×108m3，滿足塔河一期治理規(guī)劃中要求的3.50×108m3；以2015—2016年、2016—2017年下泄水量實測與優(yōu)化過程為例，水庫調(diào)度過程經(jīng)優(yōu)化后下游河道流水時間延長，表明塔河下游荒漠河岸林生態(tài)恢復工程仍具有一定提升空間。

（2）大西海子水庫中長期生態(tài)優(yōu)化調(diào)度后的多年平均入湖水量為0.18×108m3，相較于入湖水量要求，入湖水量增加了20.0%，并將入湖水量控制在0.55×108m3以內(nèi)。對于鞏固臺特瑪湖已經(jīng)形成的生態(tài)景觀、相對穩(wěn)定的河湖結構，以及保障野生動植物和候鳥的重要棲息地，具有重要的生態(tài)保護意義。

（3）優(yōu)化調(diào)度方案的塔河下游河道生態(tài)基流保證率為50.0%，不斷流的保證率可達64.6%；多年平均向河道外荒漠河岸林植被生態(tài)修復供水量為1.67×108m3，在實現(xiàn)下游河道基本暢通、入湖水量處于合理區(qū)間的情況下，可最大限度修復兩河區(qū)間的荒漠河岸林植被，對于兩河區(qū)域的荒漠河岸植被林修復與保護、構建地下生態(tài)水銀行具有重要的現(xiàn)實意義。

（4）由于塔河為內(nèi)陸河，受人類活動因素影響，下游來水過程極不穩(wěn)定。本文僅研究了向兩河區(qū)間的可供最大生態(tài)水量，未考慮兩河區(qū)間荒漠河岸植被林的需水過程，下一步將主要針對關鍵生態(tài)期的需水過程進行實時生態(tài)優(yōu)化調(diào)度，讓塔河下游有限的生態(tài)水資源發(fā)揮出最大的生態(tài)效益，從而切實鞏固下游“綠色走廊”的生態(tài)系統(tǒng)安全。