考慮不同生態需求層次的水電站水庫生態調度研究

劉彥哲，方國華，黃顯峰，顏 敏，丁紫玉

(河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

大規模水電開發對我國社會經濟生活發揮著不可替代的作用，但水庫作為人工實體阻斷了河流的縱向連通性，改變了河段的天然流量，導致部分河流枯水期脫流，湖區萎縮，河床結構發生變化。同時，以經濟和防洪效益為主導的調度方式，加劇了河流水文情勢的改變，導致庫區以及廠房下游河流生態功能減弱。因此，為了保障河流生態功能的發揮，防止生態系統退化，需要在水電站水庫調度過程中統籌經濟目標與環境效益，其核心包括：①河流生態需水分析；②生態調度模型構建。

國內外對生態需水的研究經歷了從理論形成，到理論與實踐相結合的應用研究階段。20世紀90年代，水利部指出應考慮生態環境用水在水資源配置中的比例，至此“生態水利”[1]概念被提出。1993年出臺SL 45—92《江河流域規劃環境影響評價》，正式將生態環境用水作為生態脆弱區水資源規劃中必須考慮的用水類型[2]。Falkenmark(1996)提出“綠水”的概念，將生態環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大壩對當地黃魚產卵有利的下泄流量。馬樂軍等(2018)[5]比較了各類生態基流計算方法在我國使用現狀及在水利水電工程中的適用性，提出應分區分級確定水利水電工程最小下泄生態基流。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算生態需水提供了一種新思路。

眾多學者自20世紀70年代后期開展水庫生態影響的研究，分析水庫修建帶來的河流水文情勢變化，構建對應的調度模型，求解優化調度方案。起初是將生態需水研究結果作為防洪和經濟調度的約束條件。Homa等(2005)[7]指出可以把最小流量需求作為很多生態調度模型的約束之一。胡和平等(2008)[8]在構建水庫優化調度模型時，增加生態流量過程線作為約束條件。解瑞等(2010)[9]將最小生態流量約束成功應用于石羊河流域水庫群優化調度中。隨后的研究開始圍繞生態需水要求構建調度目標。陳端等(2011)[10]分別闡述了3種生態流量優化調度模型：生態流量約束型、生態流量目標型及生態價值目標型。戴凌全等(2016)[11]以三峽水庫和洞庭湖系統為例，研究提升洞庭湖最小生態需水量的滿足度和三峽電站發電量的調度方案。蔡卓森等(2020)[12]以發電量最大和適宜生態流量改變度最小作為生態調度模型的目標。李力等(2020)[13]將生態需水滿足度作為生態目標，針對金沙江梯級水庫在蓄水、發電、生態保護方面存在的矛盾建立多目標模型。

總的來說，當前水電站水庫生態調度模型包括兩類：一，采用最小生態流量刻畫河道需水過程；二，用流量滿足度最大或改變度最小為目標。生態調度的基礎是生態需水分析，由生態需水過程量化缺水量、保證率等目標，進而建立生態調度框架；但目前生態需水確定存在主觀性較大、忽略時間連續性和變化特征等問題。而基于Tennant標準的ME-Tennant評價模型，根據不同流域具體特征確定各時段的等級標準，計算的生態需水過程貼合天然徑流規律。因此，本文采用ME-Tennant生態需水評價模型確定需水過程，以最小化生態缺水量為生態目標，從最小和適宜生態需水兩個層次，分別建立水電站水庫生態調度模型。

1 河流生態需水分析

生態需水量需要綜合考慮流量、流速、水溫、水深等要素，本文研究針對流量過程。根據需求層次的不同，可劃分為適宜生態需水、最大生態需水和最小生態需水。適宜生態需水是指保持生態系統最優狀態、生物種群最豐富所需的水量；最大生態需水是指當前生態系統的最大極限水量，超過這個值會演化新的生態系統；最小生態需水維持河流生態系統最低限度的功能與結構，是滿足河流生物健康最小流量。

1.1 生態需水計算

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

(1)蒙大拿法(Tennant法)。在時段天然徑流量平均值的基礎上，按照維持水生動植物(如魚類等)不同生存狀態計算生態需水。一般依據水生生物季節性的生態響應，分為10月～翌年3月份一般用水期和4月～9月份產卵育肥期，通常包含1個高限標準、1個最佳范圍標準和6個低限標準[14]。該法計算步驟簡單，操作容易，適合水文資料系列長的河流。但由于河流生態獨特性，同一條河流的不同河段在不同時段也有區別，該方法沒有考慮河流寬度、水深、流速等參數，也沒有區別枯、平、豐水典型年，多用于計算結果的檢驗。

(2)年內展布法。引入同期均值比指標，由各月生態流量與各月多年平均徑流量之間的同期均值比關系[15]，計算生態需水，但得到的需水過程在年內分布較均勻，不符合天然河流豐枯季節的流量波動。

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

1.2 基于ME-Tennant的生態需水過程評價模型

不同河流適用的生態需水計算方法不一致，如何準確選擇計算方法是確定生態需水的關鍵，也是梯級水電站水庫生態調度的重要前提。為此，本文充分考慮了不同階段的河流生態需求，基于Tennant法的評價標準，引入物元分析法(Matter Element Analysis)，采用基于ME-Tennant的生態需水過程評價模型。

物元分析法認為，對于任何事物均可用“事物的名稱N、事物的特征C、該特征對應的量值X”三個要素來描述，并組成物元。利用ME-Tennant法評價生態需水的具體過程如下：

(1)將計算所得的逐月生態流量作為評價指標，記為12個特征，形成物元矩陣R。

(2)基于Tennant法等級標準組成經典域Rj(j=1，2，…，m)以及節域物元Rp。

(3)確定物元在所要求的取值范圍內滿足的程度

(1)

(2)

(3)

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

(4)模糊層次分析法改進了傳統層次分析法檢驗判斷矩陣是否一致的困難，因此用來確定各月份生態流量狀況在生態需水過程評價中的權重

(4)

式中，rij為指標ai比aj的重要程度。

(5)計算第j個評價等級的綜合關聯度

(5)

(6)等級評定。Kj=max{Kj(P0)}。其中(j=1，2，…，m)。當0≤Kj(P0)≤1時，所求過程符合該標準等級的要求；當Kj(P0)>1時，表示超過標準等級上限；當-1

2 梯級水電站水庫生態調度模型

由于自然生態的多樣性，即使是同一條河流的相鄰斷面，水文和生態情況也不盡相同，生態目標難以直接定量計算。為此，本文采用生態缺水量衡量水庫運行對河流生態的影響，在此基礎上以生態缺水量最小為生態目標，以梯級總發電量最大為經濟目標，構建梯級水電站水庫生態調度模型。

2.1 模型目標函數

2.1.1 生態調度目標

若考慮河道最小生態需求，則以下泄流量與最小生態需水過程的偏差最小作為生態調度目標，當下泄流量高于最小生態需水時，認為不缺水，缺水量為0。即

(6)

若考慮河道適宜生態需求，則以下泄流量與適宜生態需水過程的偏差最小作為生態調度目標，當下泄流量高于適宜生態需水時，認為不缺水，缺水量為0。即

(7)

2.1.2 發電效益目標

一個調度周期內的梯級總發電量最大為經濟效益。具體為

(8)

式中，F2為梯級總發電量，億kW·h；Ai為第i個水電站的出力系數；Qi，t為第i個水電站t時段內的發電引水流量，m3/s；Hi，t為第i個水電站t時段內的凈發電水頭，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時段允許最低運行水位，一般為死水位，m；Zi，t，max為t時段允許最高運行水位，通常為正常蓄水位，在汛期來臨前取對應時刻的汛期限制水位，m。

(3)發電流量限制

Qi,t,min≤Qi,t≤Qi,t,max

(11)

式中，Qi，t，min為t時段水庫保證最小引水流量(根據生態需水過程評價模型確定)，m3/s；Qi，t，max為t時段水輪機最大過水能力，m3/s。

(4)電站出力約束

Ni，min≤AQi，tHi，t≤Ni，max

(12)

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

(5)上下游水力聯系。對于處在同一干流的梯級水庫，上游水庫下泄的水量會進入到下游水庫，存在水力聯系。即

(13)

(6)所有變量均非負。

2.3 基于非支配排序遺傳算法NSGA-II的優化調度模型解法

梯級水電站水庫的生態調度需要在水力、電力約束下，統籌考慮社會經濟與環境效益，是一個復雜的多目標、多約束、非線性的動態控制問題[19]。遺傳算法以進化論和遺傳學為基礎，求解過程具有隱蔽的并行性質，可以有效避免維數災。對于求解多目標問題，Srinivas等[20]于1994年提出非支配排序遺傳算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm)。

后來學者采用擁擠度和擁擠度比較算子，在快速排序后的同級比較中做出勝出標準，同時引入精英策略，擴大采樣空間。將父代種群與子代種群合并，共同競爭產生下一代種群[21]，對NSGA算法性能改善很大，形成NSGA-Ⅱ算法。所以，本文選擇NSGA-Ⅱ算法求解水庫優化調度模型，計算流程如圖1所示。

圖1 NSGA-Ⅱ算法流程示意

水庫調度的運作可看成將水庫水位序列作為遺傳算法中的染色體，在水位可變范圍內隨機生成m組染色體(個體)，種群中每個個體表示為Z=[Z1，Z2，…，Zn]。其中，Zn為水庫n時段末的水位，在滿足一定約束條件下，按設定的目標函數計算其優劣[22]。通過一定的遺傳操作，將適應度低的個體淘汰，適應度好的個體有更大機會遺傳，直到滿足結束條件。

3 實例研究

3.1 工程概況

劉家坪電站位于溆浦縣葛竹坪鄉，大壩位于溆水二都河的一級支流劉家坪河上游，水庫位于溆浦縣龍潭區龍莊灣鄉與隆回縣龍坪鄉交界之地，電站距溆浦縣城85km，是一座具有多年調節性能的引水式電站，正常蓄水位1 180 m，死水位1 146 m，設計洪水位1 180 m，校核洪水位1 180.23 m，總庫容0.336 5億m3，2014年完成水電站增效擴容改造工程，裝機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境內，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，正常運行水位為349.90 m，最高運行水位為350.60 m，最低運行水位為345.50 m，額定水頭57 m。2015年完成了增效擴容改造，電站裝機增加到13 800 kW。

3.2 生態需水過程計算

考慮廠壩之間河段目前處于減脫水狀態，斷流較嚴重，恢復河流的連通性為主要目的，可直接在壩上增設生態泄水孔下放一固定的最小流量，以維持其不斷流。根據《農村水電增效擴容改造河流生態修復指導意見》，這一最小流量可確定為壩址多年平均流量的10%；因此，生態需水過程主要考慮劉家坪廠房至魚米灘水庫河段，以及魚米灘廠房下游河段?；趧⒓移核畮?987年～2011年逐月入庫流量及1999年～2016年每月水位-庫容統計，分別采用逐月不同頻率法和年內展布法計算生態需水量，通過ME-Tennant評價模型確定劉家坪廠房下游的最小及適宜的生態需水過程。根據魚米灘與劉家坪水庫控制流域的面積比換算得到魚米灘的廠房下游的生態需水過程，劉家坪廠房下游生態需水計算結果見表1。

表1 不同水文學方法的生態需水流量 m3/s

根據流域年降水量情況，對應頻率為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?；赥ennant法，并結合劉家坪歷史系列水文情況確定河流生態需水過程的評價標準，見表2。

表2 河流生態需水過程評價標準

年內生態流量的重要程度一般為：枯水期>平水期>豐水期，建立反映各月生態流量重要程度的矩陣，基于式(4)計算各月權重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)計算各月生態需水狀況對各評價等級的關聯度，加入權重關系后按式(5)計算各評價等級的綜合關聯度Kj(P0)，由Kj=max{Kj(P0)}確定評價等級。不同方法計算出的生態需水過程對各評價等級的綜合關聯度以及評價結果見表3。

表3 不同水文學方法的生態需水評價結果

根據Tennant法的七個等級，“一般”的標準是生態流量占年平均流量的10%～40%，“較好”為20%～50%，理論上最小生態需水過程應該恰好滿足水生生物的最低極限條件，但從河道生態的長遠來看，生態流量應留有一定空間，所以可選取“較好”等級為最小生態需水過程?！昂谩钡燃墭藴蕿榈纳鷳B流量占年平均流量的30%～60%，“很好”為40%～80%，處于這兩個標準時，淤泥質營養會增加，河道水深、濕周比和流速符合生態系統最佳狀態，滿足可持續發展，所以選取“好”和“很好”為適宜生態需水過程。

從表3可以看出，評價等級為“較好”的逐月75%頻率法和年內展布法需水過程都符合最小生態需水過程要求。在保證下游河段不發生斷流并為水生生物提供最小生存空間的同時，泄放較少的生態流量可以獲得較大的發電效益；所以選取流量較小的年內展布法的計算結果作為最小生態需水過程。

同理，選取生態流量較小的逐月50%頻率法作為適宜生態需水過程。

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需水過程如表4所示。

表4 生態需水過程 m3/s

3.3 生態調度結果分析

梯級水電站水庫生態調度模型的目標函數為：發電總量最大、廠房下游生態缺水量最小。

NSGA-Ⅱ算法求解模型參數設置：群體數Pop=50，全局迭代次數GEN=500，交叉概率Pc=0.70，變異概率Pm=0.01。分別選取枯、平、豐3個典型年對劉家坪-魚米灘電站構建生態調度模型進行模擬調度，具體如下：

(1)枯水年。劉家坪入庫徑流取頻率為75%的天然徑流；魚米灘入庫徑流取頻率為75%的區間流量與劉家坪對應的出庫之和。根據表4中的最小與適宜生態需求，構建不同生態需求層次的梯級水電站水庫生態調度模型并進行求解，所得非劣解分布如圖2a、2b所示。

圖2 枯、平、豐水典型年生態調度方案解集分布

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

(3)豐水年。劉家坪入庫徑流取頻率為25%的天然徑流；魚米灘入庫徑流取頻率為25%的區間流量與劉家坪對應的出庫之和，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算法出現解集不均、多樣性差或過早收斂的問題，適合用于水電站水庫優化調度計算。其次，同時考慮綜合發電量最大和生態缺水量最小目標會存在明顯的矛盾性，對于相同頻率的入庫徑流，在同層次的生態需求下，生態缺水量和總發電量成正相關。在發電效益相同的條件下，考慮適宜生態需水的模型比考慮最小生態需水的生態缺水量大，說明想要更大的生態保護程度，就需要犧牲更大的發電效益。進一步從三種來水頻率非支配解集中，缺水量增長緩慢而發電量提升較快的區間各選取三種調度方案匯總成表5。

表5 不同來水頻率較優方案集匯總

與實際調度相比，生態調度各個方案的生態缺水量都有減少?？菟昕紤]最小生態需求時，方案3缺水量最小，比實際情況減少15.80%，發電量方面損失了2.88%；考慮適宜需求時，發電量平均損失了3.03%，缺水量僅平均減少了6.89%。對于平水年，兩種層次的發電量平均損失了2.58%，考慮最小生態需求時缺水量減少了19.30%，考慮適宜生態需求時缺水量減少了7.62%。豐水年考慮適宜生態需求時，方案5缺水量最小，減少了15.90%，但發電量損失3.82%；方案6的缺水量減少15.61%，發電量減少3.24%；方案4缺水量減少15.18%，發電量接近實際發電量；考慮最小生態需求時，發電量稍有損失或接近實際發電量，缺水量平均減少26.90%?？傮w上，三種典型年的發電量損失在3%左右，而豐水年滿足生態需求的效果最高，滿足最小生態需水時缺水量可以減少26.90%。模型計算時將劉家坪電站簡化為年調節水庫，實際上多年調節水庫“蓄豐補枯”的效果會在多年內平衡豐枯年生態缺水的補償差異，可進一步提升生態滿足程度。

綜上，在合理的生態需水過程下，水電站水庫進行生態調度能夠較少的影響發電效益并有效緩解河道缺水。另外，河道在同一個生態需求層次下，天然來水頻率越??；則入庫徑流越大，發電量越高，缺水量越小。天然來水頻率小時，協調發電與生態的空間更大，可以滿足更高層次的需水條件，且對經濟效益影響較小。隨著來水頻率提高，入庫流量減少，對生態需水層次的滿足能力有限，缺水補償潛力減少。當天然來水顯著減少時，若追求較高的需水層次，不僅生態負擔緩解有限，而且會加重經濟損失。

4 結 論

本文基于Tennant法的評價標準，引入物元分析法，構建河流生態需水過程評價模型，并對水文學方法計算的生態需水過程進行評價，科學確定河流不同需求層次的生態需水過程，依此建立兩種生態層次的梯級水庫生態調度模型。以劉家坪-魚米灘梯級水電站水庫為例進行研究，不同典型年的調度方案結果表明生態調度方案能夠在保證電站發電效益的前提下，很大程度上可減少生態缺水量。對于相同頻率的入庫徑流，在同層次的生態需求下，生態缺水量和總發電量成正相關。在發電效益相同的條件下，考慮適宜生態需水的模型比考慮最小生態需水的生態缺水量大。天然來水頻率越小，入庫徑流越大，可統籌經濟與生態的調度空間越大，可以采用較高的需水層次以滿足生態可持續發展。