蔣任飛，王麗影，喬睿至，付意成

(1.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610；2.珠江水利委員會(huì)水生態(tài)工程中心，廣州 510610；3.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，長(zhǎng)沙 410007；4.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

水電站梯級(jí)開(kāi)發(fā)通常以發(fā)電作為主要目標(biāo)，部分水庫(kù)兼有灌溉、防洪、供水、航運(yùn)等綜合利用要求，流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有與這些目標(biāo)既協(xié)調(diào)一致，也相互矛盾的特性。生態(tài)調(diào)度是通過(guò)調(diào)整水電站的運(yùn)行方式，使其能夠在盡量滿足綜合利用要求的同時(shí)降低對(duì)流域生態(tài)環(huán)境的不利影響，保護(hù)流域特有、珍稀、瀕危物種，維持河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[1]。水庫(kù)進(jìn)行生態(tài)調(diào)度是國(guó)家大力推行水生態(tài)文明建設(shè)的基本要求，也是我國(guó)保護(hù)生態(tài)環(huán)境基本國(guó)策的具體體現(xiàn)。

Schlueter于1971年提出水利工程不應(yīng)該僅為滿足人類對(duì)河流的利用要求，同時(shí)還應(yīng)具有維護(hù)或創(chuàng)造河流的生態(tài)多樣性的功能[2]。董哲仁于2007年提出水庫(kù)多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度是指在實(shí)現(xiàn)防洪、發(fā)電、供水、灌溉、航運(yùn)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)多種目標(biāo)的前提下，兼顧河流生態(tài)系統(tǒng)需求的水庫(kù)調(diào)度方法[3]。在生態(tài)調(diào)度模型的研究方面，DA Hughe于1998年建立了滿足生態(tài)需水的水庫(kù)調(diào)度模型[4]。葉季平、王麗萍針對(duì)大型水庫(kù)的運(yùn)行方式特點(diǎn)，建立了大型水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型[5]。隨后，張洪波、錢會(huì)等提出了基于結(jié)構(gòu)目標(biāo)的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型，并采用遺傳算法進(jìn)行了求解[6]。在生態(tài)調(diào)度實(shí)踐方面，我國(guó)已有部分案例。為保證黃河不斷流，同時(shí)滿足下游生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水需求，小浪底水庫(kù)2000年枯水期棄電放水12.2 億m3。黑河流域中游8處取水口在2001年 “全線閉口，集中下泄”，滋潤(rùn)林草地，挽救胡楊樹(shù)[7]。塔里木河自2001-2006年，先后8次向下游進(jìn)行生態(tài)應(yīng)急輸水。尹正杰、黃薇等2008年對(duì)長(zhǎng)江流域梯級(jí)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度管理體制進(jìn)行探討，提出建立科學(xué)合理的管理體制和機(jī)制是實(shí)施流域內(nèi)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度管理的關(guān)鍵[8]。

總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)生態(tài)調(diào)度理論的提出相對(duì)于國(guó)外較晚，但隨著生態(tài)文明建設(shè)理念的加強(qiáng)，當(dāng)前我國(guó)對(duì)于生態(tài)調(diào)度的研究也已取得較多的理論成果，并應(yīng)用于指導(dǎo)水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度的實(shí)踐中。但我國(guó)的生態(tài)調(diào)度實(shí)踐大多著重于解決水環(huán)境惡化等問(wèn)題，主要目的仍是為了滿足人類的生產(chǎn)、生活需求，對(duì)于魚類等水生生物的生存需求等考慮不多。鑒于此，本文將水生生態(tài)系統(tǒng)中最重要的一類生物——魚類的生存需求作為梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度時(shí)需要考慮的因素，對(duì)梯級(jí)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度進(jìn)行研究。

1 研究方法

1.1 物理?xiàng)⒌啬Ｐ?/h3>

物理?xiàng)⒌啬Ｐ?Physical Habital Simulation Model，PHABSIM 模型)是關(guān)于河道內(nèi)物理?xiàng)⒌厮ψ兞?深度、流速、底質(zhì)和覆蓋度)、棲息地指示物種參數(shù)及其變化的一種概念模型，是根據(jù)指示物種所需的物理生境條件，評(píng)價(jià)不同流量下的棲息地適宜度，從而得出適宜生物生存的流量條件[9]。與其他方法相比，該模型考慮了生物本身對(duì)物理生境的要求，被認(rèn)為是目前生態(tài)需水計(jì)算方法中最復(fù)雜和最具科學(xué)依據(jù)的方法之一。模型的計(jì)算流程如下[10]。

(1)選定研究區(qū)域具有代表性的物種作為目標(biāo)物種，詳細(xì)調(diào)查該物種的生活情況，將棲息地適宜性指標(biāo)與物種生境的影響因子(水深、流速、底質(zhì)、水溫等)關(guān)聯(lián)，繪制該物種不同生命周期的生境適宜性曲線。

(2)根據(jù)生物調(diào)查情況選擇目標(biāo)物種較為敏感的河段作為研究河段，在各個(gè)研究河段設(shè)定幾個(gè)代表性斷面來(lái)控制河段的水力學(xué)特性。在距離最近的水文站測(cè)定至少3個(gè)高、中、低流量，作為校正流量。采集每個(gè)斷面的河底高程及校正流量下的水深、流速等數(shù)據(jù)。

(3)輸入研究河段的各個(gè)代表性斷面的相對(duì)距離、大斷面資料及校正流量對(duì)應(yīng)的水位和流速，建立PHABSIM水力學(xué)模型，以一維水力學(xué)公式為基礎(chǔ)進(jìn)行水力學(xué)模擬，選擇合適的方法進(jìn)行模擬得到斷面各分區(qū)的水深、流速。

(4)根據(jù)適宜生境調(diào)查及相關(guān)研究成果繪制目標(biāo)物種生境適宜性曲線并輸入PHABSIM物理?xiàng)⒌啬Ｐ停Y(jié)合水力學(xué)模型模擬的水深、流速進(jìn)行物理?xiàng)⒌啬M，計(jì)算研究河段不同流量下的加權(quán)可利用面積(WUA)，其計(jì)算方法如下：

WUA=∑CSF(Vi,Di,Ci,Ti)Ai/河段長(zhǎng)度

(1)

式中:WUA為研究河段每單位長(zhǎng)度的生境適宜性；CSF(Vi，Di，Ci，Ti)為每個(gè)單元影響因子的組合適宜性(Combined Suitability Factor,CSF)；Vi為流速；Di為水深；Ci為河道指標(biāo)(包括基質(zhì)和覆蓋物)；Ti為溫度；Ai為長(zhǎng)度為有效斷面距離的每個(gè)單元水平面積。

1.2 梯級(jí)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型

梯級(jí)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)與傳統(tǒng)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型一致，以發(fā)電收入最大化為目標(biāo)，且將需要保護(hù)的典型水生生物最適宜生態(tài)流量作為約束之一進(jìn)行考慮。

1.2.1 目標(biāo)函數(shù)

以梯級(jí)電站發(fā)電收入最大化體現(xiàn)，即：

(2)

式中：E為梯級(jí)電站發(fā)電收入，元；ki為第i個(gè)電站出力系數(shù)；Qi,t為第i個(gè)電站第t時(shí)段發(fā)電流量，m3/s；Hi,t為第i個(gè)電站在第t時(shí)段平均發(fā)電凈水頭，m；Mt為第t時(shí)段小時(shí)數(shù)，h；ηt為第t時(shí)段梯級(jí)電站上網(wǎng)電價(jià)，元/MWh。

1.2.2 約束條件

(1)生態(tài)流量約束：即電站下泄流量不應(yīng)小于生態(tài)流量。

Qi,t+Si,t-Qdmin≥0

(3)

式中：Si,t為第i個(gè)電站第t時(shí)段棄水流量，m3/s；Qdmin為該時(shí)段適宜生物生存的電站的最小下泄生態(tài)流量限制，m3/s(若不考慮生態(tài)調(diào)度，則可設(shè)置為最小生態(tài)基流，一般為壩址多年平均流量的10%)。

(2)水量平衡約束：對(duì)于單個(gè)電站來(lái)說(shuō)，入庫(kù)與出庫(kù)的水量之差應(yīng)等于蓄水量的變化量，計(jì)算公式為：

Vi,t+1=Vi,t+(qi,t-Qi,t-Si,t)Δt-Zi,t?t∈T

(4)

式中：Vi,t、Vi,t+1分別為第i個(gè)電站第t時(shí)段初、末水庫(kù)蓄水量，m3；qi,t為第i個(gè)電站第t時(shí)段入庫(kù)流量，m3/s；Zi,t為第i個(gè)電站第t時(shí)段因蒸發(fā)、滲漏導(dǎo)致的水量損失，m3；Δt為該時(shí)段時(shí)長(zhǎng)，s。

(3)上下游水力聯(lián)系：即上游水電站的下泄流量加上下游電站之間的區(qū)間流量成為下游水電站的來(lái)水：

qi,t=Qi-1,t+Si-1,t+qi-1,i,t

(5)

式中：qi-1,i,t為第i-1個(gè)水庫(kù)與第i個(gè)水庫(kù)間在第t時(shí)段的區(qū)間來(lái)水流量，m3/s。

(4)水庫(kù)蓄水量約束：

Vi,t,min≤Vi,t≤Vi,t,max?t∈T

(6)

式中：Vi,t,min為第i個(gè)電站第t時(shí)段應(yīng)保證的水庫(kù)最小蓄水量，m3(通常與水庫(kù)興利目標(biāo)相關(guān))；Vi,t,max為第i個(gè)電站第t時(shí)段允許的水庫(kù)最大蓄水量，m3(通常與水庫(kù)防洪限制水位相關(guān))。

(5)電站過(guò)機(jī)流量約束：

qi,t,min≤Qi,t≤qi,t,max?t∈T

(7)

式中：qi,t,min為第i個(gè)電站第t時(shí)段最小允許過(guò)機(jī)流量，m3/s；qi,t,max為第i個(gè)電站第t時(shí)段最大允許過(guò)機(jī)流量，m3/s。

(6)電站出力約束：

Ni,min≤kiQi,tHi,t≤Ni,max?t∈T

(8)

式中：Ni,min為第i個(gè)電站的允許的最小出力，kW(取決于水輪機(jī)的種類與特性)；Ni,max為第i個(gè)電站允許的最大出力，kW(當(dāng)某電站無(wú)機(jī)組檢修計(jì)劃時(shí)，最大出力等于其裝機(jī)容量)。

(7)非負(fù)條件約束：上述所有變量均為非負(fù)變量(≥0)。

1.2.3 模型求解

目前，求解梯級(jí)水電站優(yōu)化問(wèn)題的方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、逐步優(yōu)化算法(POA算法)、遺傳算法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法等[11]。其中POA算法適合于解決由數(shù)個(gè)有調(diào)節(jié)能力水庫(kù)組成的串聯(lián)電站群的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題，且已在我國(guó)許多水電站優(yōu)化調(diào)度中進(jìn)行了成功的應(yīng)用，因此本文模擬生態(tài)調(diào)度采用POA算法進(jìn)行求解。

2 實(shí)例應(yīng)用

為了說(shuō)明水庫(kù)考慮生態(tài)效益進(jìn)行調(diào)度對(duì)魚類生境的影響，本文以我國(guó)西南某流域?yàn)槔?，采用梯?jí)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型對(duì)該流域4座梯級(jí)電站進(jìn)行生態(tài)調(diào)度計(jì)算。電站按照自上而下的順序，以電站α、β、γ、δ表示，其中電站α為龍頭電站，具有年調(diào)節(jié)能力，電站β、δ具備季調(diào)節(jié)能力，γ為徑流式電站，無(wú)調(diào)節(jié)能力。

根據(jù)實(shí)際調(diào)查，魚類A、B均為該流域內(nèi)重要經(jīng)濟(jì)魚類，且B為該流域特有物種，本次模擬以這兩種魚類作為本流域的典型指示物種。魚類A屬非洄游性魚類，電站β下游有魚類A的產(chǎn)卵場(chǎng)；魚類B屬洄游性魚類，洄游范圍為δ電站下游至河口。魚類A、B對(duì)電站β、δ下游河段的流量較為敏感，模型選定這兩個(gè)河段作為研究河段，以河段a、b表示。

2.1 物理?xiàng)⒌啬Ｐ痛_定生態(tài)流量

考慮到水溫不僅與流量相關(guān)，更主要的是與氣溫以及天氣情況關(guān)系密切，且變化規(guī)律十分復(fù)雜，因此，本文僅考慮魚類對(duì)水深、流速的喜好，其生境適宜性指數(shù)表及曲線圖如表1、圖1和圖2所示。

本文將A和B產(chǎn)卵期、育幼期、成長(zhǎng)期的流速、水深適宜性曲線輸入到PHABSIM模型中，計(jì)算目標(biāo)魚類在各研究河段代表性斷面的棲息地加權(quán)可利用面積(WUA)，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

表1 魚類A、B生境適宜性指數(shù)表Tab.1 Physical habitat suitability data of fish A & B

查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)可知，根據(jù)流量-WUA關(guān)系圖確定生態(tài)流量的判別方式有許多種，不同的學(xué)者有不同的看法，大多數(shù)專家學(xué)者建議可依據(jù)當(dāng)?shù)氐暮恿餍螒B(tài)來(lái)選擇適宜的評(píng)估方法和數(shù)值基準(zhǔn)。當(dāng)以某種生物生態(tài)需水量需求作為下泄流量的唯一目標(biāo)時(shí)，可選擇該物種在不同流量條件下生境模擬結(jié)果表中的WUA(加權(quán)可利用面積)最大值所對(duì)應(yīng)的流量[10]。但是這樣得出的結(jié)果僅僅是理論意義上的一種數(shù)值，會(huì)與現(xiàn)實(shí)的情況存在一定的偏差：根據(jù)物理?xiàng)⒌啬Ｐ偷挠?jì)算原理可知，WUA最大值所對(duì)應(yīng)的流量代表的是該物種的最適宜流量值，當(dāng)流量繼續(xù)增大時(shí)，其生境適宜度反而降低，即使是在天然來(lái)水情況下，其流量也是在“最適宜流量”的上下一定范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)，很難保證總是能滿足理論計(jì)算最大數(shù)值的要求的。

圖1 魚類A生境適宜性曲線Fig.1 Physical habitat suitability curve of fish A

圖2 魚類B生境適宜性曲線Fig.2 Physical habitat suitability curve of fish B

圖3 研究河段a中魚類A各生長(zhǎng)階段流量-WUA關(guān)系圖Fig.3 The relationship between weighted usable area and flux of fish A in segment a

圖4 研究河段b中魚類B各生長(zhǎng)階段流量-WUA關(guān)系圖Fig.4 The relationship between weighted usable area and flux of fish B in segment b

考慮到以上實(shí)際情況，一些學(xué)者[9,12]提出以流量-WUA曲線圖第一個(gè)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量作為生態(tài)流量。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)用性和可操作性，本文在確定生態(tài)流量時(shí)，選取研究河段流量-WUA曲線圖的第一個(gè)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)(根據(jù)斜率變化選取)，以此所對(duì)應(yīng)的流量當(dāng)做生態(tài)所需的基本流量，即最小生態(tài)流量。本文結(jié)合研究河段的目標(biāo)魚類及生命周期，擬定的各研究河段的最小生態(tài)流量見(jiàn)表2。

2.2 生態(tài)調(diào)度優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

在各梯級(jí)電站壩址處1953年6月-2009年5月共56 a的徑流資料中選取25%、50%、75% 3個(gè)典型頻率水平年進(jìn)行生態(tài)調(diào)度計(jì)算，并與無(wú)生態(tài)流量約束下的常規(guī)調(diào)度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。生態(tài)調(diào)度計(jì)算時(shí)，生態(tài)流量約束設(shè)置按照2.1物理?xiàng)⒌啬Ｐ陀?jì)算得到的生態(tài)流量；常規(guī)調(diào)度時(shí)，則只考慮下放生態(tài)基流(壩址處多年平均流量的10%)，并按調(diào)度圖運(yùn)行。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4、圖5～圖7。

表2 研究河段目標(biāo)魚類最小生態(tài)流量Tab.2 Minimum ecological flux of indicator fishes in study segments

表3 生態(tài)調(diào)度與常規(guī)調(diào)度對(duì)比表(一)Tab.3 The comparison of results between the ecological operation model and the regular operation model(1)

表4 生態(tài)調(diào)度與常規(guī)調(diào)度對(duì)比表(二)Tab.4 The comparison of results between the ecological operation model and the regular operation model(2)

圖5 25%頻率豐水年下泄流量過(guò)程與生態(tài)流量對(duì)比圖Fig.5 Comparison of flux discharge and ecological flux demand in wet year ( 25% frequency)

圖7 75%頻率枯水年下泄流量過(guò)程與生態(tài)流量對(duì)比圖Fig.7 Comparison of flux discharge and ecological flux Ldemand in dry year ( 75% frequency)

從上述梯級(jí)電站生態(tài)調(diào)度模擬結(jié)果可以看出：①梯級(jí)電站實(shí)行生態(tài)調(diào)度的生態(tài)環(huán)境效益巨大。常規(guī)調(diào)度時(shí)，不同典型年河段a生態(tài)流量保證率為100%、100%、72.2%，河段b生態(tài)流量保證率為88.9%、91.7%、72.2%；實(shí)行生態(tài)調(diào)度后，河段a和河段b生態(tài)流量保證率均可提高到100%、100%、100%，且各典型年生境適宜面積指數(shù)有較大增加，說(shuō)明適于魚類生存的棲息地面積增加，具有較大的生態(tài)環(huán)境效益。常規(guī)調(diào)度時(shí)，魚類A的產(chǎn)卵期生態(tài)流量受到破壞，魚類B的產(chǎn)卵期、育幼期的生態(tài)流量均有不同程度的破壞，這與梯級(jí)電站投產(chǎn)后，魚類A、B的種群數(shù)量大幅減少的實(shí)際情況相符。若實(shí)行生態(tài)調(diào)度，則可較好地滿足這兩種魚類各生命周期的適宜生態(tài)因子，對(duì)于這兩種典型魚類的保護(hù)意義巨大。②實(shí)行生態(tài)調(diào)度會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生一定的影響。實(shí)行生態(tài)調(diào)度會(huì)對(duì)梯級(jí)電站的發(fā)電收入造成一定的影響，由表3可得，各頻率典型年發(fā)電收入分別減少了200、1 500、1 400 萬(wàn)元，減少比例分別為0.2%、1.4%、1.6%。

3 結(jié) 語(yǔ)

梯級(jí)水庫(kù)實(shí)行生態(tài)調(diào)度是我國(guó)貫徹水生態(tài)文明建設(shè)理念的基本要求與體現(xiàn)。本文針對(duì)目前我國(guó)的生態(tài)調(diào)度實(shí)踐對(duì)于水生生物的生存需求等考慮不多的實(shí)際情況，用物理?xiàng)⒌啬Ｐ陀?jì)算了流域內(nèi)典型魚類的生態(tài)流量需求，將其作為梯級(jí)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的生態(tài)流量約束，并建立了梯級(jí)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型，采用POA算法進(jìn)行求解，結(jié)果表明：梯級(jí)水庫(kù)實(shí)行生態(tài)調(diào)度具有巨大的生態(tài)環(huán)境效益，對(duì)于保護(hù)水生生物意義重大，但會(huì)輕微影響發(fā)電效益。未來(lái)若要將生態(tài)調(diào)度推廣應(yīng)用，需進(jìn)一步研究對(duì)生態(tài)調(diào)度的保障措施及補(bǔ)償機(jī)制，并完善相關(guān)法律、法規(guī)，對(duì)生態(tài)調(diào)度提出明確的制度要求。

□

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