劉彥哲，方國(guó)華，黃顯峰，顏 敏，丁紫玉

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

大規(guī)模水電開(kāi)發(fā)對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活發(fā)揮著不可替代的作用，但水庫(kù)作為人工實(shí)體阻斷了河流的縱向連通性，改變了河段的天然流量，導(dǎo)致部分河流枯水期脫流，湖區(qū)萎縮，河床結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。同時(shí)，以經(jīng)濟(jì)和防洪效益為主導(dǎo)的調(diào)度方式，加劇了河流水文情勢(shì)的改變，導(dǎo)致庫(kù)區(qū)以及廠房下游河流生態(tài)功能減弱。因此，為了保障河流生態(tài)功能的發(fā)揮，防止生態(tài)系統(tǒng)退化，需要在水電站水庫(kù)調(diào)度過(guò)程中統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)目標(biāo)與環(huán)境效益，其核心包括：①河流生態(tài)需水分析；②生態(tài)調(diào)度模型構(gòu)建。

國(guó)內(nèi)外對(duì)生態(tài)需水的研究經(jīng)歷了從理論形成，到理論與實(shí)踐相結(jié)合的應(yīng)用研究階段。20世紀(jì)90年代，水利部指出應(yīng)考慮生態(tài)環(huán)境用水在水資源配置中的比例，至此“生態(tài)水利”[1]概念被提出。1993年出臺(tái)SL 45—92《江河流域規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)》，正式將生態(tài)環(huán)境用水作為生態(tài)脆弱區(qū)水資源規(guī)劃中必須考慮的用水類型[2]。Falkenmark(1996)提出“綠水”的概念，將生態(tài)環(huán)境的需水要求加入水資源供給考慮中[3]。King等(1998)[4]研究了南非Clan william大壩對(duì)當(dāng)?shù)攸S魚產(chǎn)卵有利的下泄流量。馬樂(lè)軍等(2018)[5]比較了各類生態(tài)基流計(jì)算方法在我國(guó)使用現(xiàn)狀及在水利水電工程中的適用性，提出應(yīng)分區(qū)分級(jí)確定水利水電工程最小下泄生態(tài)基流。吳玲玲等(2019)[6]利用P-Ⅲ曲線推求Tennant法推薦流量閾值的水文保證率，為流量資料缺乏的河道計(jì)算生態(tài)需水提供了一種新思路。

眾多學(xué)者自20世紀(jì)70年代后期開(kāi)展水庫(kù)生態(tài)影響的研究，分析水庫(kù)修建帶來(lái)的河流水文情勢(shì)變化，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的調(diào)度模型，求解優(yōu)化調(diào)度方案。起初是將生態(tài)需水研究結(jié)果作為防洪和經(jīng)濟(jì)調(diào)度的約束條件。Homa等(2005)[7]指出可以把最小流量需求作為很多生態(tài)調(diào)度模型的約束之一。胡和平等(2008)[8]在構(gòu)建水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型時(shí)，增加生態(tài)流量過(guò)程線作為約束條件。解瑞等(2010)[9]將最小生態(tài)流量約束成功應(yīng)用于石羊河流域水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度中。隨后的研究開(kāi)始圍繞生態(tài)需水要求構(gòu)建調(diào)度目標(biāo)。陳端等(2011)[10]分別闡述了3種生態(tài)流量?jī)?yōu)化調(diào)度模型：生態(tài)流量約束型、生態(tài)流量目標(biāo)型及生態(tài)價(jià)值目標(biāo)型。戴凌全等(2016)[11]以三峽水庫(kù)和洞庭湖系統(tǒng)為例，研究提升洞庭湖最小生態(tài)需水量的滿足度和三峽電站發(fā)電量的調(diào)度方案。蔡卓森等(2020)[12]以發(fā)電量最大和適宜生態(tài)流量改變度最小作為生態(tài)調(diào)度模型的目標(biāo)。李力等(2020)[13]將生態(tài)需水滿足度作為生態(tài)目標(biāo)，針對(duì)金沙江梯級(jí)水庫(kù)在蓄水、發(fā)電、生態(tài)保護(hù)方面存在的矛盾建立多目標(biāo)模型。

總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)前水電站水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型包括兩類：一，采用最小生態(tài)流量刻畫河道需水過(guò)程；二，用流量滿足度最大或改變度最小為目標(biāo)。生態(tài)調(diào)度的基礎(chǔ)是生態(tài)需水分析，由生態(tài)需水過(guò)程量化缺水量、保證率等目標(biāo)，進(jìn)而建立生態(tài)調(diào)度框架；但目前生態(tài)需水確定存在主觀性較大、忽略時(shí)間連續(xù)性和變化特征等問(wèn)題。而基于Tennant標(biāo)準(zhǔn)的ME-Tennant評(píng)價(jià)模型，根據(jù)不同流域具體特征確定各時(shí)段的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算的生態(tài)需水過(guò)程貼合天然徑流規(guī)律。因此，本文采用ME-Tennant生態(tài)需水評(píng)價(jià)模型確定需水過(guò)程，以最小化生態(tài)缺水量為生態(tài)目標(biāo)，從最小和適宜生態(tài)需水兩個(gè)層次，分別建立水電站水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型。

1 河流生態(tài)需水分析

生態(tài)需水量需要綜合考慮流量、流速、水溫、水深等要素，本文研究針對(duì)流量過(guò)程。根據(jù)需求層次的不同，可劃分為適宜生態(tài)需水、最大生態(tài)需水和最小生態(tài)需水。適宜生態(tài)需水是指保持生態(tài)系統(tǒng)最優(yōu)狀態(tài)、生物種群最豐富所需的水量；最大生態(tài)需水是指當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)的最大極限水量，超過(guò)這個(gè)值會(huì)演化新的生態(tài)系統(tǒng)；最小生態(tài)需水維持河流生態(tài)系統(tǒng)最低限度的功能與結(jié)構(gòu)，是滿足河流生物健康最小流量。

1.1 生態(tài)需水計(jì)算

水文學(xué)法以多年天然徑流資料為依據(jù)，適用性好；因此本文以水文學(xué)法為基礎(chǔ)計(jì)算生態(tài)需水。常用的水文學(xué)法包括蒙大拿法、年內(nèi)展布法和逐月不同頻率法等，具體的計(jì)算原理如下：

(1)蒙大拿法(Tennant法)。在時(shí)段天然徑流量平均值的基礎(chǔ)上，按照維持水生動(dòng)植物(如魚類等)不同生存狀態(tài)計(jì)算生態(tài)需水。一般依據(jù)水生生物季節(jié)性的生態(tài)響應(yīng)，分為10月～翌年3月份一般用水期和4月～9月份產(chǎn)卵育肥期，通常包含1個(gè)高限標(biāo)準(zhǔn)、1個(gè)最佳范圍標(biāo)準(zhǔn)和6個(gè)低限標(biāo)準(zhǔn)[14]。該法計(jì)算步驟簡(jiǎn)單，操作容易，適合水文資料系列長(zhǎng)的河流。但由于河流生態(tài)獨(dú)特性，同一條河流的不同河段在不同時(shí)段也有區(qū)別，該方法沒(méi)有考慮河流寬度、水深、流速等參數(shù)，也沒(méi)有區(qū)別枯、平、豐水典型年，多用于計(jì)算結(jié)果的檢驗(yàn)。

(2)年內(nèi)展布法。引入同期均值比指標(biāo)，由各月生態(tài)流量與各月多年平均徑流量之間的同期均值比關(guān)系[15]，計(jì)算生態(tài)需水，但得到的需水過(guò)程在年內(nèi)分布較均勻，不符合天然河流豐枯季節(jié)的流量波動(dòng)。

(3)逐月不同頻率法。根據(jù)月徑流歷史資料，將一年劃分枯、平、豐三組，分別選取不同的保證率計(jì)算各個(gè)時(shí)段的流量，組成適宜生態(tài)流量逐月過(guò)程[15]，該過(guò)程貼合天然徑流的年內(nèi)變化，但結(jié)果直接依賴于保證率的選取。陳竹青[16]根據(jù)長(zhǎng)江流域特性，枯水期取90%、平水期取70%、豐水期取50%；于龍娟等[17]在計(jì)算洛河和伊河生態(tài)流量時(shí)冬季取80%、春秋季取75%、夏季取50%；李捷等[18]等將一年每個(gè)月的保證率都取為50%。逐月頻率法可根據(jù)河流的實(shí)際情況確定頻率，適用性好，但頻率確定過(guò)程存在主觀性過(guò)大的問(wèn)題。

1.2 基于ME-Tennant的生態(tài)需水過(guò)程評(píng)價(jià)模型

不同河流適用的生態(tài)需水計(jì)算方法不一致，如何準(zhǔn)確選擇計(jì)算方法是確定生態(tài)需水的關(guān)鍵，也是梯級(jí)水電站水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的重要前提。為此，本文充分考慮了不同階段的河流生態(tài)需求，基于Tennant法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，引入物元分析法(Matter Element Analysis)，采用基于ME-Tennant的生態(tài)需水過(guò)程評(píng)價(jià)模型。

物元分析法認(rèn)為，對(duì)于任何事物均可用“事物的名稱N、事物的特征C、該特征對(duì)應(yīng)的量值X”三個(gè)要素來(lái)描述，并組成物元。利用ME-Tennant法評(píng)價(jià)生態(tài)需水的具體過(guò)程如下：

(1)將計(jì)算所得的逐月生態(tài)流量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，記為12個(gè)特征，形成物元矩陣R。

(2)基于Tennant法等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)組成經(jīng)典域Rj(j=1，2，…，m)以及節(jié)域物元Rp。

(3)確定物元在所要求的取值范圍內(nèi)滿足的程度

(1)

(2)

(3)

式中，ρ(xi，Xji)為點(diǎn)xi到Xji=[aji，bji]的距離；而ρ(xi，Xpi)為點(diǎn)xi到Xpi=[api，bpi]的距離；Xji=|aji-bji|。

(4)模糊層次分析法改進(jìn)了傳統(tǒng)層次分析法檢驗(yàn)判斷矩陣是否一致的困難，因此用來(lái)確定各月份生態(tài)流量狀況在生態(tài)需水過(guò)程評(píng)價(jià)中的權(quán)重

(4)

式中，rij為指標(biāo)ai比aj的重要程度。

(5)計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度

(5)

(6)等級(jí)評(píng)定。Kj=max{Kj(P0)}。其中(j=1，2，…，m)。當(dāng)0≤Kj(P0)≤1時(shí)，所求過(guò)程符合該標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的要求；當(dāng)Kj(P0)>1時(shí)，表示超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)上限；當(dāng)-1

2 梯級(jí)水電站水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型

由于自然生態(tài)的多樣性，即使是同一條河流的相鄰斷面，水文和生態(tài)情況也不盡相同，生態(tài)目標(biāo)難以直接定量計(jì)算。為此，本文采用生態(tài)缺水量衡量水庫(kù)運(yùn)行對(duì)河流生態(tài)的影響，在此基礎(chǔ)上以生態(tài)缺水量最小為生態(tài)目標(biāo)，以梯級(jí)總發(fā)電量最大為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，構(gòu)建梯級(jí)水電站水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型。

2.1 模型目標(biāo)函數(shù)

2.1.1 生態(tài)調(diào)度目標(biāo)

若考慮河道最小生態(tài)需求，則以下泄流量與最小生態(tài)需水過(guò)程的偏差最小作為生態(tài)調(diào)度目標(biāo)，當(dāng)下泄流量高于最小生態(tài)需水時(shí)，認(rèn)為不缺水，缺水量為0。即

(6)

若考慮河道適宜生態(tài)需求，則以下泄流量與適宜生態(tài)需水過(guò)程的偏差最小作為生態(tài)調(diào)度目標(biāo)，當(dāng)下泄流量高于適宜生態(tài)需水時(shí)，認(rèn)為不缺水，缺水量為0。即

(7)

2.1.2 發(fā)電效益目標(biāo)

一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)的梯級(jí)總發(fā)電量最大為經(jīng)濟(jì)效益。具體為

(8)

式中，F(xiàn)2為梯級(jí)總發(fā)電量，億kW·h；Ai為第i個(gè)水電站的出力系數(shù)；Qi，t為第i個(gè)水電站t時(shí)段內(nèi)的發(fā)電引水流量，m3/s；Hi，t為第i個(gè)水電站t時(shí)段內(nèi)的凈發(fā)電水頭，m。

2.2 約束條件

(1)水量平衡約束

(9)

(2)水位限制

Zi，t，min≤Zi，t≤Zi，t，max

(10)

式中，Zi，t，min為t時(shí)段允許最低運(yùn)行水位，一般為死水位，m；Zi，t，max為t時(shí)段允許最高運(yùn)行水位，通常為正常蓄水位，在汛期來(lái)臨前取對(duì)應(yīng)時(shí)刻的汛期限制水位，m。

(3)發(fā)電流量限制

Qi,t,min≤Qi,t≤Qi,t,max

(11)

式中，Qi，t，min為t時(shí)段水庫(kù)保證最小引水流量(根據(jù)生態(tài)需水過(guò)程評(píng)價(jià)模型確定)，m3/s；Qi，t，max為t時(shí)段水輪機(jī)最大過(guò)水能力，m3/s。

(4)電站出力約束

Ni，min≤AQi，tHi，t≤Ni，max

(12)

式中，Ni，min為水電站機(jī)組被允許的最小出力，kW；Ni，max為水電站機(jī)組被允許的最大出力，kW。

(5)上下游水力聯(lián)系。對(duì)于處在同一干流的梯級(jí)水庫(kù)，上游水庫(kù)下泄的水量會(huì)進(jìn)入到下游水庫(kù)，存在水力聯(lián)系。即

(13)

(6)所有變量均非負(fù)。

2.3 基于非支配排序遺傳算法NSGA-II的優(yōu)化調(diào)度模型解法

梯級(jí)水電站水庫(kù)的生態(tài)調(diào)度需要在水力、電力約束下，統(tǒng)籌考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益，是一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)、多約束、非線性的動(dòng)態(tài)控制問(wèn)題[19]。遺傳算法以進(jìn)化論和遺傳學(xué)為基礎(chǔ)，求解過(guò)程具有隱蔽的并行性質(zhì)，可以有效避免維數(shù)災(zāi)。對(duì)于求解多目標(biāo)問(wèn)題，Srinivas等[20]于1994年提出非支配排序遺傳算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm)。

后來(lái)學(xué)者采用擁擠度和擁擠度比較算子，在快速排序后的同級(jí)比較中做出勝出標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)引入精英策略，擴(kuò)大采樣空間。將父代種群與子代種群合并，共同競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生下一代種群[21]，對(duì)NSGA算法性能改善很大，形成NSGA-Ⅱ算法。所以，本文選擇NSGA-Ⅱ算法求解水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型，計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 NSGA-Ⅱ算法流程示意

水庫(kù)調(diào)度的運(yùn)作可看成將水庫(kù)水位序列作為遺傳算法中的染色體，在水位可變范圍內(nèi)隨機(jī)生成m組染色體(個(gè)體)，種群中每個(gè)個(gè)體表示為Z=[Z1，Z2，…，Zn]。其中，Zn為水庫(kù)n時(shí)段末的水位，在滿足一定約束條件下，按設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)計(jì)算其優(yōu)劣[22]。通過(guò)一定的遺傳操作，將適應(yīng)度低的個(gè)體淘汰，適應(yīng)度好的個(gè)體有更大機(jī)會(huì)遺傳，直到滿足結(jié)束條件。

3 實(shí)例研究

3.1 工程概況

劉家坪電站位于溆浦縣葛竹坪鄉(xiāng)，大壩位于溆水二都河的一級(jí)支流劉家坪河上游，水庫(kù)位于溆浦縣龍?zhí)秴^(qū)龍莊灣鄉(xiāng)與隆回縣龍坪鄉(xiāng)交界之地，電站距溆浦縣城85km，是一座具有多年調(diào)節(jié)性能的引水式電站，正常蓄水位1 180 m，死水位1 146 m，設(shè)計(jì)洪水位1 180 m，校核洪水位1 180.23 m，總庫(kù)容0.336 5億m3，2014年完成水電站增效擴(kuò)容改造工程，裝機(jī)16 640 kW，保證出力7 558 kW，額定水頭475 m。

魚米灘電站位于懷化市溆浦縣葛竹坪鎮(zhèn)境內(nèi)，為徑流引水式電站，壩址位于芹江電站下游200 m的溆水河干流。正常運(yùn)行水深為3.5 m，壩頂高程為351.10 m，溢流堰最低高程為349.95 m，正常運(yùn)行水位為349.90 m，最高運(yùn)行水位為350.60 m，最低運(yùn)行水位為345.50 m，額定水頭57 m。2015年完成了增效擴(kuò)容改造，電站裝機(jī)增加到13 800 kW。

3.2 生態(tài)需水過(guò)程計(jì)算

考慮廠壩之間河段目前處于減脫水狀態(tài)，斷流較嚴(yán)重，恢復(fù)河流的連通性為主要目的，可直接在壩上增設(shè)生態(tài)泄水孔下放一固定的最小流量，以維持其不斷流。根據(jù)《農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造河流生態(tài)修復(fù)指導(dǎo)意見(jiàn)》，這一最小流量可確定為壩址多年平均流量的10%；因此，生態(tài)需水過(guò)程主要考慮劉家坪廠房至魚米灘水庫(kù)河段，以及魚米灘廠房下游河段?；趧⒓移核畮?kù)1987年～2011年逐月入庫(kù)流量及1999年～2016年每月水位-庫(kù)容統(tǒng)計(jì)，分別采用逐月不同頻率法和年內(nèi)展布法計(jì)算生態(tài)需水量，通過(guò)ME-Tennant評(píng)價(jià)模型確定劉家坪廠房下游的最小及適宜的生態(tài)需水過(guò)程。根據(jù)魚米灘與劉家坪水庫(kù)控制流域的面積比換算得到魚米灘的廠房下游的生態(tài)需水過(guò)程，劉家坪廠房下游生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同水文學(xué)方法的生態(tài)需水流量 m3/s

根據(jù)流域年降水量情況，對(duì)應(yīng)頻率為25%、75%的流量，作為劃分枯、平、豐水期的界限，從而確定枯水期為11月～次年1月、平水期為2月～5月及8月～10月、豐水期為6月～7月。基于Tennant法，并結(jié)合劉家坪歷史系列水文情況確定河流生態(tài)需水過(guò)程的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2。

表2 河流生態(tài)需水過(guò)程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

年內(nèi)生態(tài)流量的重要程度一般為：枯水期>平水期>豐水期，建立反映各月生態(tài)流量重要程度的矩陣，基于式(4)計(jì)算各月權(quán)重W=(ω1，ω2，ω3，…，ω12)=(0.121，0.115，0.082，0.081，0.051，0.050，0.048， 0.053，0.079，0.084，0.117，0.119)。

按式(1)、(2)、(3)計(jì)算各月生態(tài)需水狀況對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，加入權(quán)重關(guān)系后按式(5)計(jì)算各評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(P0)，由Kj=max{Kj(P0)}確定評(píng)價(jià)等級(jí)。不同方法計(jì)算出的生態(tài)需水過(guò)程對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度以及評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同水文學(xué)方法的生態(tài)需水評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)Tennant法的七個(gè)等級(jí)，“一般”的標(biāo)準(zhǔn)是生態(tài)流量占年平均流量的10%～40%，“較好”為20%～50%，理論上最小生態(tài)需水過(guò)程應(yīng)該恰好滿足水生生物的最低極限條件，但從河道生態(tài)的長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，生態(tài)流量應(yīng)留有一定空間，所以可選取“較好”等級(jí)為最小生態(tài)需水過(guò)程?！昂谩钡燃?jí)標(biāo)準(zhǔn)為的生態(tài)流量占年平均流量的30%～60%，“很好”為40%～80%，處于這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，淤泥質(zhì)營(yíng)養(yǎng)會(huì)增加，河道水深、濕周比和流速符合生態(tài)系統(tǒng)最佳狀態(tài)，滿足可持續(xù)發(fā)展，所以選取“好”和“很好”為適宜生態(tài)需水過(guò)程。

從表3可以看出，評(píng)價(jià)等級(jí)為“較好”的逐月75%頻率法和年內(nèi)展布法需水過(guò)程都符合最小生態(tài)需水過(guò)程要求。在保證下游河段不發(fā)生斷流并為水生生物提供最小生存空間的同時(shí)，泄放較少的生態(tài)流量可以獲得較大的發(fā)電效益；所以選取流量較小的年內(nèi)展布法的計(jì)算結(jié)果作為最小生態(tài)需水過(guò)程。

同理，選取生態(tài)流量較小的逐月50%頻率法作為適宜生態(tài)需水過(guò)程。

最終劉家坪水電站和魚米灘水電站下游河段的最小及適宜生態(tài)需水過(guò)程如表4所示。

表4 生態(tài)需水過(guò)程 m3/s

3.3 生態(tài)調(diào)度結(jié)果分析

梯級(jí)水電站水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)為：發(fā)電總量最大、廠房下游生態(tài)缺水量最小。

NSGA-Ⅱ算法求解模型參數(shù)設(shè)置：群體數(shù)Pop=50，全局迭代次數(shù)GEN=500，交叉概率Pc=0.70，變異概率Pm=0.01。分別選取枯、平、豐3個(gè)典型年對(duì)劉家坪-魚米灘電站構(gòu)建生態(tài)調(diào)度模型進(jìn)行模擬調(diào)度，具體如下：

(1)枯水年。劉家坪入庫(kù)徑流取頻率為75%的天然徑流；魚米灘入庫(kù)徑流取頻率為75%的區(qū)間流量與劉家坪對(duì)應(yīng)的出庫(kù)之和。根據(jù)表4中的最小與適宜生態(tài)需求，構(gòu)建不同生態(tài)需求層次的梯級(jí)水電站水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型并進(jìn)行求解，所得非劣解分布如圖2a、2b所示。

圖2 枯、平、豐水典型年生態(tài)調(diào)度方案解集分布

(2)平水年。劉家坪入庫(kù)徑流取頻率為50%的天然徑流；魚米灘入庫(kù)徑流取頻率為50%的區(qū)間流量與劉家坪對(duì)應(yīng)的出庫(kù)之和，其他條件同上，所得非劣解分布如圖2c、2d所示。

(3)豐水年。劉家坪入庫(kù)徑流取頻率為25%的天然徑流；魚米灘入庫(kù)徑流取頻率為25%的區(qū)間流量與劉家坪對(duì)應(yīng)的出庫(kù)之和，其他條件同上，所得非劣解分布如圖2e、2f所示。

如圖2所示，NSGA-Ⅱ能有效解決GA算法出現(xiàn)解集不均、多樣性差或過(guò)早收斂的問(wèn)題，適合用于水電站水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度計(jì)算。其次，同時(shí)考慮綜合發(fā)電量最大和生態(tài)缺水量最小目標(biāo)會(huì)存在明顯的矛盾性，對(duì)于相同頻率的入庫(kù)徑流，在同層次的生態(tài)需求下，生態(tài)缺水量和總發(fā)電量成正相關(guān)。在發(fā)電效益相同的條件下，考慮適宜生態(tài)需水的模型比考慮最小生態(tài)需水的生態(tài)缺水量大，說(shuō)明想要更大的生態(tài)保護(hù)程度，就需要犧牲更大的發(fā)電效益。進(jìn)一步從三種來(lái)水頻率非支配解集中，缺水量增長(zhǎng)緩慢而發(fā)電量提升較快的區(qū)間各選取三種調(diào)度方案匯總成表5。

表5 不同來(lái)水頻率較優(yōu)方案集匯總

與實(shí)際調(diào)度相比，生態(tài)調(diào)度各個(gè)方案的生態(tài)缺水量都有減少?？菟昕紤]最小生態(tài)需求時(shí)，方案3缺水量最小，比實(shí)際情況減少15.80%，發(fā)電量方面損失了2.88%；考慮適宜需求時(shí)，發(fā)電量平均損失了3.03%，缺水量?jī)H平均減少了6.89%。對(duì)于平水年，兩種層次的發(fā)電量平均損失了2.58%，考慮最小生態(tài)需求時(shí)缺水量減少了19.30%，考慮適宜生態(tài)需求時(shí)缺水量減少了7.62%。豐水年考慮適宜生態(tài)需求時(shí)，方案5缺水量最小，減少了15.90%，但發(fā)電量損失3.82%；方案6的缺水量減少15.61%，發(fā)電量減少3.24%；方案4缺水量減少15.18%，發(fā)電量接近實(shí)際發(fā)電量；考慮最小生態(tài)需求時(shí)，發(fā)電量稍有損失或接近實(shí)際發(fā)電量，缺水量平均減少26.90%?？傮w上，三種典型年的發(fā)電量損失在3%左右，而豐水年滿足生態(tài)需求的效果最高，滿足最小生態(tài)需水時(shí)缺水量可以減少26.90%。模型計(jì)算時(shí)將劉家坪電站簡(jiǎn)化為年調(diào)節(jié)水庫(kù)，實(shí)際上多年調(diào)節(jié)水庫(kù)“蓄豐補(bǔ)枯”的效果會(huì)在多年內(nèi)平衡豐枯年生態(tài)缺水的補(bǔ)償差異，可進(jìn)一步提升生態(tài)滿足程度。

綜上，在合理的生態(tài)需水過(guò)程下，水電站水庫(kù)進(jìn)行生態(tài)調(diào)度能夠較少的影響發(fā)電效益并有效緩解河道缺水。另外，河道在同一個(gè)生態(tài)需求層次下，天然來(lái)水頻率越?。粍t入庫(kù)徑流越大，發(fā)電量越高，缺水量越小。天然來(lái)水頻率小時(shí)，協(xié)調(diào)發(fā)電與生態(tài)的空間更大，可以滿足更高層次的需水條件，且對(duì)經(jīng)濟(jì)效益影響較小。隨著來(lái)水頻率提高，入庫(kù)流量減少，對(duì)生態(tài)需水層次的滿足能力有限，缺水補(bǔ)償潛力減少。當(dāng)天然來(lái)水顯著減少時(shí)，若追求較高的需水層次，不僅生態(tài)負(fù)擔(dān)緩解有限，而且會(huì)加重經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié) 論

本文基于Tennant法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，引入物元分析法，構(gòu)建河流生態(tài)需水過(guò)程評(píng)價(jià)模型，并對(duì)水文學(xué)方法計(jì)算的生態(tài)需水過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，科學(xué)確定河流不同需求層次的生態(tài)需水過(guò)程，依此建立兩種生態(tài)層次的梯級(jí)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型。以劉家坪-魚米灘梯級(jí)水電站水庫(kù)為例進(jìn)行研究，不同典型年的調(diào)度方案結(jié)果表明生態(tài)調(diào)度方案能夠在保證電站發(fā)電效益的前提下，很大程度上可減少生態(tài)缺水量。對(duì)于相同頻率的入庫(kù)徑流，在同層次的生態(tài)需求下，生態(tài)缺水量和總發(fā)電量成正相關(guān)。在發(fā)電效益相同的條件下，考慮適宜生態(tài)需水的模型比考慮最小生態(tài)需水的生態(tài)缺水量大。天然來(lái)水頻率越小，入庫(kù)徑流越大，可統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的調(diào)度空間越大，可以采用較高的需水層次以滿足生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。