白 濤，洪良鵬，喻 佳，黎光和，李永兵，趙 星，王成良

(1.西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，陜西 西安 710048; 2.新疆阿勒泰地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，新疆 阿勒泰 836500)

修建水庫、蓄水興利一直是人類開發(fā)河流水資源的主要手段。水庫的修建運用雖然在很大程度上實現(xiàn)了防洪興利的目的，但同時也改變了庫區(qū)及下游河道的水文情勢，造成局地生態(tài)環(huán)境惡化，危及河流健康。我國現(xiàn)行的水庫調(diào)度方式普遍是依據(jù)水庫承擔的防洪及興利任務(wù)來制定調(diào)度規(guī)則，對生態(tài)要求考慮較少，對庫區(qū)及下游生態(tài)系統(tǒng)造成諸多不利影響[1-2]。因此，在水庫調(diào)度中，亟須開展以恢復流域生態(tài)、維持水資源持續(xù)發(fā)展為目標的生態(tài)調(diào)度。

自20世紀70年代起，國內(nèi)外就開始進行面向生態(tài)的水庫調(diào)度研究。Petts等[3]系統(tǒng)地分析了水庫對河流生態(tài)的影響。Hughes等[4]在水庫模擬模型中加入運行規(guī)則確定了河流維護的生態(tài)儲量，建立了解決人類與環(huán)境需水的水庫調(diào)度模型。Shiau等[5-6]以變化范圍(range of variability approach，RVA)整體改變度為生態(tài)目標，針對臺灣地區(qū)的水庫開展了生態(tài)調(diào)度的研究。Castelletti等[7]考慮經(jīng)濟、社會與環(huán)境限制的影響，提出了計算河流最小生態(tài)流量的公式，并作為約束條件應(yīng)用于水庫優(yōu)化調(diào)度研究。Tsai等[8]利用人工智能技術(shù)量化了河流生態(tài)系統(tǒng)需求，制定了適當?shù)牧髁靠刂浦贫?，通過優(yōu)化水庫的調(diào)度過程達到保護生態(tài)的目的。Dai等[9]以洞庭湖生態(tài)水頭為目標研究了三峽水庫的優(yōu)化調(diào)度。傅春等[10]將生態(tài)水利的概念引入到水資源可持續(xù)開發(fā)利用中，建立了相應(yīng)的數(shù)學模型。董哲仁等[1]研究了水庫生態(tài)調(diào)度理論及方法。胡和平等[11]提出了基于生態(tài)流量過程線的水庫生態(tài)調(diào)度研究方法。劉燁等[12]提出了基于多重迭代實現(xiàn)高維模型降維的求解算法。徐淑琴等[13]考慮水文變異對徑流過程的影響，推求了3種徑流狀態(tài)下的生態(tài)流量，并以此作為下泄流量的約束條件建立了水文變異條件下的水庫生態(tài)調(diào)度模型。王立明等[14]根據(jù)干旱風沙河道生態(tài)修復目標，結(jié)合水庫的防洪、興利、生態(tài)調(diào)度，建立了多目標水庫生態(tài)調(diào)度模型，研究了漳河岳城水庫的生態(tài)調(diào)度。黃強等[15]綜述了水庫生態(tài)調(diào)度新進展?？撞ǖ萚16]以引漢濟渭大型復雜跨流域調(diào)水工程為實例，考慮調(diào)水量、發(fā)電量最大和耗能最小3個目標，建立了電站-水庫-泵站群多目標優(yōu)化調(diào)度模型，研究了跨流域調(diào)水過程中多水源、多用戶的配置問題。黃志鴻等[17]基于大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)技術(shù)和動態(tài)規(guī)劃求解了以生態(tài)溢缺水率和綜合缺水率為目標的濁漳河流域水庫群生態(tài)調(diào)度模型。高玉琴等[18]基于NSGA-Ⅱ優(yōu)化算法求解了以河流整體水文改變度最小、廣義缺水指數(shù)最小為目標的水庫調(diào)度規(guī)則優(yōu)化模型。董增川等[19]針對多目標決策中存在的不確定性問題，提出了考慮主客觀因素模糊區(qū)間的綜合賦權(quán)方法。高玉琴等[20]改進了計算生態(tài)基流的逐月保證率設(shè)定法以適用于南方季節(jié)性缺水河流。黃顯峰等[21]針對水庫調(diào)度圖尋優(yōu)過程中的調(diào)度線形態(tài)畸變的問題，提出了改進廊道約束和改進粒子群-逐次逼近法。鄧銘江等[22]闡述了廣義生態(tài)水利的內(nèi)涵、定義和發(fā)展模式及其過程和維度。

本文針對烏倫古河流域存在的水資源短缺、農(nóng)業(yè)灌溉擠占生態(tài)用水、河道斷流頻發(fā)、入湖水量減少等實際問題[23-25]，基于水資源綜合利用的原則，以河道生態(tài)基流、河谷林草生態(tài)用水及補湖用水為調(diào)度目標，兼顧生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)、補湖等供水目標，設(shè)置多種開源、節(jié)流調(diào)度方案，開展烏倫古河流域水庫群生態(tài)調(diào)度研究，以期為解決烏倫古河流域內(nèi)水資源短缺及分配不合理等問題提供參考。

1 流域概況及研究數(shù)據(jù)

1.1 流域概況

烏倫古河位于新疆阿勒泰地區(qū)附近，主要由大青河、小青河、查干河、布爾根河、強罕河等5大支流匯流而成，流經(jīng)青河、富蘊、福海等地，最終匯入烏倫古湖[25]。烏倫古河是阿勒泰地區(qū)的第二大河流，全長821 km，流域面積3.79萬km2，多年平均地表徑流量11.02億m3。該河徑流補給的季節(jié)性很強，徑流補給量以降水及季節(jié)性積雪融水為主，5—7月最為集中，占全年徑流總量的65%；徑流年際、年內(nèi)變化較大，豐水年和枯水年水量相差較大，且常出現(xiàn)連續(xù)豐水年和連續(xù)枯水年的現(xiàn)象。流域內(nèi)水庫分布見圖1。

圖1 烏倫古河流域水庫分布

1.2 研究數(shù)據(jù)

烏倫古河流域水庫群多目標調(diào)度所需的基本資料有工程資料、徑流資料和需水資料。工程資料包括水庫特征參數(shù)資料，主要是KYDBLK、AHTS、DF、KZS、SETH等5座水庫的水庫特征參數(shù)(表1)。

表1 水庫群的特征參數(shù)

徑流資料主要是KYDBLK、AHTS、DF、KZS、SETH等5座水庫從1960年4月至2011年3月的逐月入庫徑流資料。

需水資料包括2017現(xiàn)狀水平年、2025近景水平年、2035遠景水平年烏倫古河流域上中下游流域生態(tài)、城鎮(zhèn)居民供水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、河谷林草各類需水資料。

按照流域規(guī)劃，各用戶的供水保證率為：生態(tài)基流保證率100%、生活供水保證率95%、工業(yè)供水保證率95%、農(nóng)業(yè)灌溉保證率75%、河谷林草生態(tài)供水保證率50%、補湖供水保證率50%。

灌區(qū)的灌溉回水率為灌溉水量的18%；水庫損失水量為水庫來水量的10%；河道損失水量為河道來水量的1%；ET水文站斷面生態(tài)基流4—9月為9.99 m3/s、10—3月為3.33 m3/s；出口斷面生態(tài)基流為3.33 m3/s。

2 水庫群生態(tài)調(diào)度模型的建立與求解

2.1 模型的建立

在滿足烏倫古河流域生活供水、工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、河谷林草生態(tài)供水及補湖供水等綜合用水的前提下，以保障河流健康、河谷生態(tài)系統(tǒng)安全為目標，建立面向生態(tài)保護的水庫群多目標調(diào)度模型。由于水庫群多目標調(diào)度是一個高維、復雜問題，在處理這類問題時，一般將其簡化為單目標問題。在本文中將生活供水、工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、河谷林草生態(tài)供水及補湖供水簡化為供水保證率約束，然后以缺水量最小作為目標函數(shù)。

2.1.1目標函數(shù)

以生態(tài)缺水量和社會經(jīng)濟缺水量最小作為目標函數(shù)，建立烏倫古河流域梯級水庫群生態(tài)調(diào)度模型。

minF(ΔW1,ΔW2)=ΔW1+ΔW2=

(1)

式中：ΔW1、ΔW2分別為生態(tài)缺水量和社會經(jīng)濟缺水量，億m3；QXSit、QXZit分別為生態(tài)需水量和各用水部門需水量，億m3；QGSit、QGZit分別為生態(tài)供水量和各用水部門供水量，億m3；i為需水部門編號；I1、I2分別為生態(tài)需水部門總數(shù)和水資源綜合利用需水部門總數(shù)；T、t分別為調(diào)度時期內(nèi)的總時段數(shù)及時段編號。

2.1.2約束條件

約束條件包括全局約束和局部約束，全局約束包括供水保證率約束和水量平衡方程約束，局部約束包括庫容約束、下泄流量約束和供水約束。

a.供水保證率約束：

Pi≥PSi

(2)

式中Pi、PSi分別為計算和設(shè)計供水保證率。

b.水量平衡方程約束：

(3)

式中：WCnt、WZjt、WGit、WJt、ΔWmt分別為水庫出庫水量、支流來水量、各部門的供水量、出區(qū)水量和河段損失水量，萬m3；n為水庫編號；j為支流編號；m為河段編號;N、J、I、M分別為水庫、支流、需水部門和河段總數(shù)。

c.庫容約束：

Vminn≤Vnt≤Vmaxn

(4)

式中Vminn、Vmaxn分別為水庫n的最小和最大庫容，萬m3。

d.下泄流量約束：

qminn≤qnt≤qmaxn

(5)

式中qminn、qmaxn分別為最小下泄流量和最大下泄流量，m3/s。qminn由生態(tài)要求等確定，qmaxn由下游防洪等要求確定。

e.供水約束，包括生態(tài)供水約束和各用水部門供水約束：

QGSit≤QXSit(i=1,2,…,I1)

(6)

QGZit≤QXZit(i=1,2,…,I2)

(7)

2.2 模型求解

按照水資源綜合利用原則和供水優(yōu)先順序，采取人機對話模擬優(yōu)化算法[26]求解模型。模型求解思路如下：①輸入基本資料，包括徑流系列，各水庫特征參數(shù)資料，水資源綜合利用資料等；②若來水量滿足區(qū)間工業(yè)、生活和灌溉用水要求，多余水先用于KYDBLK、AHTS、DF、KZS水庫蓄水，再用于SETH水庫蓄水，若水庫都蓄滿，則多余水量用以補湖；③若來水量不能滿足區(qū)間灌溉用水，則按照水庫運行規(guī)則有序進行蓄泄；④若當水庫下泄水量仍不能滿足灌溉需水，則該時段農(nóng)業(yè)灌溉用水發(fā)生破壞，根據(jù)缺水原則假定農(nóng)業(yè)灌溉供水量；⑤輸出長系列統(tǒng)計指標，若農(nóng)業(yè)保證率沒有達到要求，則適當改變灌溉供水量，使生態(tài)供水和灌溉供水合理分配；⑥輸出最終統(tǒng)計值，計算結(jié)束。

2.3 邊界條件

2.3.1水庫調(diào)度水位選取

參與調(diào)度的有SETH、KYDBLK、AHTS、DF、KZS等5座水庫，各水庫起始水位均為死水位。各水庫的起始水位及庫容見表1。

2.3.2約束條件值確定

a.保證率約束。生態(tài)基流、生活供水、工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、河谷林草及補湖供水的保證率分別為100%、95%、95%、75%、50%和50%。

b.庫容約束。SETH、KYDBLK、AHTS、DF、KZS等5座水庫最小庫容分別為800萬m3、150萬m3、200萬m3、126萬m3和100.6萬m3；最大庫容分別為24 100萬m3、4 872萬m3、532萬m3、686萬m3和971.5萬m3。

c.水位約束。SETH、KYDBLK、AHTS、DF等4座水庫最低水位分別為986 m、1 464.5 m、1 417.5 m和1 214.5 m；最高水位分別為1 027 m、1 493 m、1 421 m和1 220.7 m。

d.下泄流量約束。ET水文站斷面最小下泄流量4—9月為9.99 m3/s、10—3月為3.33m3/s；出口斷面最小下泄流量為3.33m3/s。

e.供水約束。2017現(xiàn)狀水平年生活、工業(yè)、灌溉、河谷林草生態(tài)需水量分別為0.15億m3、0.09億m3、7.40億m3和1.63億m3；2025近景水平年生活、工業(yè)、灌溉、河谷林草生態(tài)需水量分別為0.18億m3、0.24億m3、6.17億m3和1.63億m3；2035遠景水平年生活、工業(yè)、灌溉、河谷林草生態(tài)需水量分別為0.19億m3、0.33億m3、5.65億m3和1.63億m3。

3 水庫群生態(tài)調(diào)度模型應(yīng)用與分析

3.1 水庫生態(tài)調(diào)度的依據(jù)

烏倫古河流域水庫群的生態(tài)調(diào)度的主要依據(jù)包括：①滿足水資源綜合利用的原則；②KYDBLK、AHTS、DF、KZS等4座年調(diào)節(jié)水庫采取“春蓄夏灌”的運行方式，SETH水庫采取“多蓄少放”的運行方式；③按照流域設(shè)計要求的供水優(yōu)先次序供水，即按照生態(tài)基流、生活、工業(yè)、灌溉、河谷林草、補湖等優(yōu)先次序供水，且要保證以上各供水部門的保證率為100%、95%、95%、75%、50%和50%。本次生態(tài)調(diào)度的調(diào)度期是1960—2011年，其中4—9月為汛期，10—3月為非汛期，以月為計算時段。

3.2 方案集設(shè)置

近幾十年來，烏倫古河流域多年平均來水量為11.02億m3，且年內(nèi)汛期來水量過多，非汛期水量不足。在現(xiàn)狀水平年，流域內(nèi)有22個灌區(qū)，灌溉面積9.36萬hm2，灌溉需水7.40億m3，生活工業(yè)需水0.24億m3，河谷林草生態(tài)需水1.63億m3，補湖水量1.5億m3，流域多年平均損失水量1.45億m3，總需水量12.22億m3。

由來水、需水對比分析可知，烏倫古河流域水資源短缺，灌溉用水過多擠占生態(tài)用水。因此，本文從開源、節(jié)流兩方面設(shè)置方案集。節(jié)流是指通過退耕減少灌溉用水。開源是指從額爾齊斯河干流調(diào)水(以下簡稱“引額調(diào)水”)補給烏倫古湖的生態(tài)水量。具體方案見表2。其中，方案1～3分別是在2017現(xiàn)狀水平年、2025遠景水平年和2035遠景水平年需水情景下的調(diào)度方案。方案4～7是在2025遠景水平年情景下改變引額調(diào)水量設(shè)置的調(diào)度方案。

表2 烏倫古河流域開源、節(jié)流調(diào)度方案

3.3 合理性驗證

本文在長系列計算結(jié)果中選取SETH水庫現(xiàn)狀水平年下豐、平、枯典型年(從當年4月到次年3月)的調(diào)度過程，以驗證模型及其算法的合理性。由SETH水庫調(diào)度過程(圖2)可知：豐水年水庫水位從死水位附近起調(diào)至水庫接近蓄滿；平水年水庫水位基本保持不變；枯水年水庫水位持續(xù)下降至接近死水位，體現(xiàn)了多年調(diào)節(jié)水庫SETH“蓄豐補枯”的作用；豐、平、枯典型年的入庫與出庫水量的差額等于SETH水庫庫容的變化量，說明水庫蓄放水過程滿足水量平衡，驗證了模型及其算法的可靠性和準確性。

(a)豐水年

3.4 生態(tài)調(diào)度長系列結(jié)果與分析

3.4.1節(jié)流方案

通過對1960—2011年長系列徑流資料進行計算，得到各種節(jié)流調(diào)度方案(方案1～3)下SETH水庫出入庫水量及庫容變化過程(圖3)及灌溉、河谷林草和補湖水量過程(圖4)。各用水部門需水量、供水保證率、缺水量、破壞深度等特征值見表3。

表3 不同節(jié)流調(diào)度方案下各用水部門調(diào)度結(jié)果

(a)農(nóng)業(yè)灌溉

由圖3可知，各方案長系列出入庫水量變化過程基本相同，入庫水量存在年內(nèi)、年際分布極不均勻的特點，入庫水量大于2.33億m3的次數(shù)分別為50次、54次和54次；出庫水量主要集中在4—9月，且遠大于其所需水量；從各方案的庫容變化過程來看，SETH水庫在豐水年蓄水、水位上升，在枯水年泄水、水位下降，滿足多年調(diào)節(jié)水庫的“蓄豐補枯”作用；在節(jié)流調(diào)度方案中，SETH水庫在調(diào)度期內(nèi)庫空率分別為44%、17%和21%，庫滿率分別為63%、67%和73%，即隨著灌溉水量的減少，SETH水庫庫滿率逐漸提高，庫空率總體下降。

(a)方案1

由圖4可知，各節(jié)流方案農(nóng)業(yè)灌溉多年平均缺水量分別為0.75億m3、0.50億m3和0.35億m3，多年平均破壞深度分別為10%、8%和6%?？梢?，隨著農(nóng)業(yè)灌溉需水量的減少，農(nóng)業(yè)灌溉供水的最大破壞深度和多年平均破壞深度均顯著降低；各節(jié)流方案河谷林草供水的多年平均缺水量分別為0.35億m3、0.24億m3和0.19億m3，破壞時間分別為24 a、18 a和15 a，即農(nóng)業(yè)灌溉水量的減少可顯著降低河谷林草缺水量和破壞時間，提高河谷林草供水保證率；各節(jié)流方案補湖供水的破壞時間分別為22 a、16 a和13 a，多年補湖總量分別為128.15億m3、170.56億m3和174.93億m3，即農(nóng)業(yè)灌溉水量的減少可顯著降低補湖供水的破壞時間，提高補湖供水保證率，反映出灌溉用水擠占生態(tài)用水的問題較為嚴重。

由表3可知，在生態(tài)基流、生活供水、工業(yè)供水均滿足設(shè)計保證率的前提下，對比各方案發(fā)現(xiàn)，隨著灌溉需水量的減少，可有效提高河谷林草、補湖的供水保證率；與方案1相比，方案2和方案3的河谷林草和補湖的供水保證率分別提高了11%和17%，且均滿足設(shè)計保證率要求，驗證了節(jié)流方案的有效性；灌溉需水量減少后，方案3的灌溉保證率可達到設(shè)計保證率，但方案2的灌溉保證率仍達不到75%的設(shè)計要求，說明節(jié)流方案具有一定的局限性，證明了進行開源方案的必要性。

3.4.2開源+節(jié)流方案

由上文可知，在規(guī)劃遠景水平年僅節(jié)流方案2的灌溉保證率未能滿足設(shè)計保證率。因此，本節(jié)在方案2的基礎(chǔ)上兼顧開源策略，對開源+節(jié)流方案進行長系列計算，得到各用水部門需水、供水保證率、缺水、破壞深度等特征值見表4，各開源調(diào)度方案的SETH水庫調(diào)度過程如圖5所示，灌溉、河谷林草和補湖水量過程見圖6。

由圖5可知，與節(jié)流方案相比，開源方案中SETH水庫的庫空率降低、庫滿率上升，即隨著調(diào)水量的增加，SETH水庫維持較高水位運行；通過調(diào)水補給的開源策略，SETH水庫在連續(xù)枯水年能夠維持較大庫容運行，增加了供水保證率。

(a)方案4

由圖6和表4可知，方案5、方案6、方案7的開源+節(jié)流方案農(nóng)業(yè)灌溉保證率分別為75%、81%和85%，即當開源方案的調(diào)水量超過1.0億m3時，即可滿足烏倫古河流域的灌溉設(shè)計保證率，驗證了開源+節(jié)流方案的有效性；與節(jié)流方案2的結(jié)果相比，隨著調(diào)水量增加到1.5億m3，方案7的農(nóng)業(yè)灌溉、河谷林草及補湖的保證率分別提高了14%、10%和10%，且農(nóng)業(yè)灌溉、補湖與河谷林草的供水保證率均滿足設(shè)計保證率；與方案2相比，各開源+節(jié)流方案農(nóng)業(yè)灌溉的破壞深度分別減少了1.87%、2.53%、3.93%和5.97%，破壞時間分別減少了1 a、2 a、5 a和7 a，連續(xù)破壞時間不變，說明開源+節(jié)流方案能夠有效減少農(nóng)業(yè)灌溉的破壞深度和年份；隨著調(diào)水量的增加，可以有效消除農(nóng)業(yè)灌溉用水與生態(tài)用水之間的矛盾，提高各用水部門的供水保證率；當外調(diào)水量為1.0億m3時，各部門用水保證率均符合設(shè)計要求；但隨著調(diào)水量的持續(xù)增加，對于河谷林草和補湖影響不大。因此，本文推薦1.0億m3為最佳引額調(diào)水量。

表4 不同開源+節(jié)流調(diào)度方案下各用水部門調(diào)度結(jié)果

(a)農(nóng)業(yè)灌溉

綜上所述，通過減少灌溉面積的節(jié)流方案，可有效緩解農(nóng)業(yè)灌溉用水與生態(tài)用水之間的矛盾，對于提高生態(tài)保證率更為有效，但大部分方案農(nóng)業(yè)灌溉保證率不能滿足設(shè)計要求；通過增加調(diào)水量和減少灌溉面積的開源+節(jié)流方案，完全能夠滿足農(nóng)業(yè)灌溉、河谷林草和補湖的供水保證率需求，消除了農(nóng)業(yè)灌溉用水與生態(tài)用水之間的矛盾。開源+節(jié)流方案先節(jié)水、后開源，體現(xiàn)了烏倫古河流域“節(jié)水優(yōu)先”的治水方針，有效解決了烏倫古河流域的水資源短缺問題。

4 結(jié) 論

a.以生態(tài)缺水量和社會經(jīng)濟缺水量最小為目標函數(shù)，建立了烏倫古河流域生態(tài)調(diào)度模型，設(shè)置多種開源+節(jié)流調(diào)度方案，采用人機對話模擬優(yōu)化算法求解模型，獲得了SETH水庫現(xiàn)狀(2017)和近遠景水平年(2025年和2035年)的長系列計算結(jié)果，選取現(xiàn)狀水平年豐、平、枯典型年計算結(jié)果，驗證了模型及其算法的合理性、可靠性。

b.各節(jié)流方案的補湖和河谷林草供水保證率能夠滿足設(shè)計要求，在一定程度上能夠緩解農(nóng)業(yè)灌溉用水與生態(tài)用水之間的矛盾，但方案1、方案2的農(nóng)業(yè)灌溉保證率未能滿足75%的設(shè)計要求，體現(xiàn)了節(jié)流方案的局限性。

c.開源+節(jié)流方案先節(jié)水、后開源，當調(diào)水量超過1.0億m3時，開源+節(jié)流方案完全能夠滿足農(nóng)業(yè)灌溉、河谷林草和補湖的供水保證率需求，消除了農(nóng)業(yè)灌溉用水與生態(tài)用水之間的矛盾，體現(xiàn)了烏倫古河流域“節(jié)水優(yōu)先”的治水方針。

d.隨著調(diào)水量超過1.0億m3并持續(xù)增加，各開源+節(jié)流調(diào)度方案對于減少河谷林草和補湖缺水量、破壞深度、破壞時間、連續(xù)破壞時間等影響不大。因此，本文推薦1.0億m3為最佳引額調(diào)水量。