顧國玉，方國華，黃顯峰，顏 敏，戴靈輝，2

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2.湖南省農(nóng)村水電及電氣化發(fā)展局，長沙 410007）

0 引 言

水庫通過截蓄天然流量進(jìn)行攔洪和調(diào)節(jié)流量，由于水庫的調(diào)蓄作用，改變了原河道的天然流量分配，河流的水文情勢被改變，河流的連通性遭到破壞，甚至在下游形成了減脫水河段，導(dǎo)致水質(zhì)惡化、生態(tài)退化和河流生態(tài)系統(tǒng)失衡等問題［1］。河流生態(tài)環(huán)境要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就要保證河流生態(tài)流量，使河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)至有自我調(diào)節(jié)能力，2016年水利部印發(fā)了《農(nóng)村水電增效擴容改造河流生態(tài)修復(fù)指導(dǎo)意見》，提出要合理確定河流的生態(tài)修復(fù)目標(biāo)，保障生態(tài)流量優(yōu)先?？梢姳Ｕ虾恿魃鷳B(tài)流量［2］，對被破壞的河流生態(tài)進(jìn)行修復(fù)勢在必行。

對減脫水河段進(jìn)行生態(tài)修復(fù)可采取生態(tài)調(diào)度［2］的措施，保證河流的生態(tài)流量，滿足水生生物對水力、水文因子的需求，使河流具有自我修復(fù)能力。國內(nèi)學(xué)者對生態(tài)調(diào)度的研究主要是針對多目標(biāo)綜合利用，將生態(tài)效益作為調(diào)度目標(biāo)之一。傳統(tǒng)的生態(tài)調(diào)度將生態(tài)缺水量最小或生態(tài)缺水率最低作為生態(tài)目標(biāo)，這種方式有可能造成加大生態(tài)流量泄放去追求最小值，從而犧牲發(fā)電效益。同時，天然河流具有豐枯不均的特性，各月流量對河流生態(tài)保護(hù)的重要性不同，用生態(tài)缺水總量或缺水率評價生態(tài)效益缺乏標(biāo)準(zhǔn)，不能體現(xiàn)年內(nèi)變化。為了提高生態(tài)流量過程的穩(wěn)定性，使調(diào)度后偏離適宜生態(tài)需水區(qū)間的水量能在一定范圍內(nèi)，有學(xué)者定義了生態(tài)溢缺水量［4］、生態(tài)保護(hù)程度［5］和生態(tài)流量貼近度［6］等指標(biāo)衡量生態(tài)效益，但是常常需要定義適宜生態(tài)流量閾值，該閾值的確定一般通過某一種生態(tài)流量計算方法來確定，由于選取方法主觀性較大，計算結(jié)果可能存在差異。

為此，本文基于ME-Tennant 法［7］定義了生態(tài)流量過程等級，構(gòu)建以生態(tài)流量過程等級最大為生態(tài)目標(biāo)的水電站生態(tài)調(diào)度模型，可以避免在選取生態(tài)流量計算方法時主觀性較大的問題，同時根據(jù)生態(tài)流量過程等級可以直觀體現(xiàn)生態(tài)流量過程在調(diào)度期內(nèi)的優(yōu)劣性，用于指導(dǎo)水庫進(jìn)行生態(tài)調(diào)度，模型采用改進(jìn)的NSGA-Ⅱ進(jìn)行求解，并應(yīng)用于湖南洣水流域的筷子簍-水口梯級電站。

1 生態(tài)流量過程等級

河流生態(tài)流量可以分為最小生態(tài)流量、適宜生態(tài)流量和最大生態(tài)流量［8］。河道流量一般不會超過最大生態(tài)流量，遇枯水季可能將來水全部用于發(fā)電，低于最小生態(tài)流量時對河流無修復(fù)效果，在一定的適宜生態(tài)流量范圍內(nèi)，河流生態(tài)的保護(hù)程度與流量呈正相關(guān)。

黃顯峰等提出了Tennant 法和物元分析法耦合的ME-Tennant 河流生態(tài)流量過程評價模型［7］（以下簡稱ME-Tennant 模型），該模型通過對多種生態(tài)流量計算方法進(jìn)行評價，根據(jù)評價結(jié)果綜合確定生態(tài)流量過程，由于采用了合理明確的評價標(biāo)準(zhǔn)，避免了在選擇生態(tài)流量計算方法時存在的主觀因素大的問題，可以進(jìn)行客觀綜合的評價。以往有關(guān)生態(tài)調(diào)度的研究在定義生態(tài)目標(biāo)時，對生態(tài)流量過程缺乏明確的評價標(biāo)準(zhǔn)，無法體現(xiàn)在調(diào)度期內(nèi)生態(tài)流量過程的綜合評價效果，ME-Tennant模型可以直觀地體現(xiàn)河流生態(tài)流量過程的優(yōu)劣性。本文采用METennant模型對生態(tài)流量過程進(jìn)行評級，用評價等級及其綜合關(guān)聯(lián)度定義生態(tài)流量過程等級，并將其作為生態(tài)目標(biāo)用以評價水庫調(diào)度的生態(tài)效益，評價等級越高、綜合關(guān)聯(lián)度值越大則生態(tài)流量過程等級越好。

1.1 ME-Tennant模型

ME-Tennant 模型以12 個月的生態(tài)流量狀況作為評價指標(biāo)構(gòu)建物元R；首先根據(jù)Tennant法評價等級標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建經(jīng)典域物元Rf及節(jié)域物元Rp，然后確定各評價等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)并計算其關(guān)聯(lián)度，接著根據(jù)各月生態(tài)流量滿足度的重要性，采用模糊層次分析法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重，并計算綜合關(guān)聯(lián)度，見式（1），最后根據(jù)綜合關(guān)聯(lián)度值對河流生態(tài)流量過程進(jìn)行等級評定，綜合關(guān)聯(lián)度值最大所處的等級為綜合評價等級，綜合評價等級評定見式（2）。

式中：Kj(p0)為第j個評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度；wi為第i個指標(biāo)的權(quán)重；Kj(xi)為第j個評價等級下第i個指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。

式中：Kj*表示生態(tài)流量過程屬于綜合關(guān)聯(lián)度值最大對應(yīng)的第j個評價等級；當(dāng)0 ≤Kj(P0)≤1 時，表示所求生態(tài)流量過程符合該標(biāo)準(zhǔn)等級的要求；當(dāng)-1 ＜Kj(P0)＜0時，表示該過程不符合該標(biāo)準(zhǔn)等級的要求，但是具備轉(zhuǎn)化為該等級的條件，且轉(zhuǎn)化時值越小越容易；當(dāng)Kj(P0)≤-1時，表示不符合該標(biāo)準(zhǔn)等級的要求，而且也無法轉(zhuǎn)化為該等級；當(dāng)Kj(P0)＞1 時，表示超出了標(biāo)準(zhǔn)等級上限。

1.2 生態(tài)流量過程等級計算

ME-Tennant 模型根據(jù)研究區(qū)域季節(jié)特點將全年分為豐平枯3個時期，并根據(jù)各時期來水特點及河流生態(tài)系統(tǒng)用水需求，將河流生態(tài)流量過程評價標(biāo)準(zhǔn)等級分為“差”～“最大”共七個等級，根據(jù)ME-Tennant 模型計算出的綜合關(guān)聯(lián)度值應(yīng)在（-1，1］范圍內(nèi)，超出該范圍則認(rèn)為不符合河流的生態(tài)流量的需要，在構(gòu)建生態(tài)調(diào)度模型時不予考慮。基于ME-Tennant 模型定義了如下的生態(tài)流量過程等級。

生態(tài)流量過程等級定義為：調(diào)度期內(nèi)的各月生態(tài)流量為生態(tài)流量過程，依據(jù)Tennant 法評價標(biāo)準(zhǔn)對各月生態(tài)流量劃分評價等級［9］，用物元分析法計算各評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度，確定生態(tài)流量過程的綜合評價等級，由于綜合關(guān)聯(lián)度值在（-1，1］范圍內(nèi)越大，則越符合該標(biāo)準(zhǔn)等級的要求。為體現(xiàn)等級內(nèi)的優(yōu)劣性，考慮綜合關(guān)聯(lián)度對生態(tài)流量過程的影響最終確定生態(tài)流量過程等級。

生態(tài)流量過程等級由綜合評價等級和綜合關(guān)聯(lián)度兩部分構(gòu)成。其中綜合評價等級分“差”～“最大”7個等級，各綜合評價等級賦值1～7，例如“差”對應(yīng)1，“一般”對應(yīng)2，以此類推“最大”對應(yīng)7；對綜合關(guān)聯(lián)度值進(jìn)行歸一化處理，其值經(jīng)規(guī)范化處理后處于［0，1］區(qū)間。

當(dāng)生態(tài)流量過程處于“差”綜合評價等級時，該等級下的河流流量已低于最低生態(tài)流量閾值，認(rèn)為不具備生態(tài)保護(hù)效果，因此定義生態(tài)流量過程等級為0；在“一般”～“最佳”綜合評價等級時，生態(tài)流量過程等級由綜合評價等級值和規(guī)范化后的綜合關(guān)聯(lián)度值綜合確定，綜合評價等級越高、同一評價等級下綜合關(guān)聯(lián)度值越大，則生態(tài)流量過程等級值越大；當(dāng)河流生態(tài)流量過程達(dá)到“最大”綜合評價等級時，河流長時間處于高流量狀態(tài)下，亦不利于河流穩(wěn)定，但保持了河流的水量，本文定義其生態(tài)流量過程等級為5。生態(tài)流量過程等級計算如下：

式中：Ft為生態(tài)流量過程等級；P0為生態(tài)流量過程；Nj為綜合關(guān)聯(lián)度的歸一化數(shù)值；Kj(P0)為生態(tài)流量過程P0的綜合關(guān)聯(lián)度值；Kj*為綜合評價等級。

生態(tài)流量過程等級值區(qū)間見表1。

表1 生態(tài)流量過程等級區(qū)間Tab.1 Ecological flow process level interval

2 生態(tài)調(diào)度模型

對于已出現(xiàn)生態(tài)退化的減脫水河流，要改善河流生態(tài)環(huán)境，必須明確生態(tài)效益的重要地位，在運行調(diào)度時要優(yōu)先保障河流生態(tài)流量，本文構(gòu)建了以生態(tài)流量過程等級最大和發(fā)電量最大為目標(biāo)的水庫生態(tài)調(diào)度模型。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

（1）生態(tài)流量過程等級最大：

式中：WF為調(diào)度期內(nèi)電站減脫水段生態(tài)流量過程等級。

（2）發(fā)電量最大：

式中：WE為調(diào)度期內(nèi)N 個水電站的總發(fā)電量，kWh；Ai為第i 個水電站的出力系數(shù)；qi，t為第i 個水電站t 時段內(nèi)的發(fā)電引水流量，m3∕s；Hi，t為第i個水電站t時段內(nèi)的凈發(fā)電水頭，m；T為總調(diào)度時段；△t為計算時段區(qū)間。

2.2 約束條件

生態(tài)調(diào)度模型各約束條件表達(dá)式如下：

（1）水量平衡約束。

式中：Vi，t、Vi，t+1分別為t時段初、末的第i水庫蓄水量，m3；Qi，t為t時段 第i 水庫入庫流 量，m3∕s；qi，t為t 時段第i 水 庫出庫流量m3∕s；Δt為計算時段長，h。

（2）水庫庫容約束。

式中：Zi，MIN為第i個水庫死水位，m；Zi，MAX為第i個水庫正常蓄水位，m；Zi，t為第i個水庫t時段運行水位，m。

（3）機組出力約束。

式中：Ni，min、Ni，max為第i水庫被允許的最小和最大出力，kW。

（4）機組過流能力約束。

式中：Qi，min、Qi，max分別為第i 個水庫機組允許的最小和最大流量，m3∕s。

（5）上下游水力聯(lián)系。

式中：qei，t為t 時段內(nèi)第i 個電站從電站尾水引水至減脫水河段的生態(tài)流量，m3∕s；Qri+1，t為第i個水庫至第i + 1個水庫在t時段內(nèi)的區(qū)間來水流量，m3∕s。

（6）非負(fù)約束。

2.3 生態(tài)調(diào)度模型求解

NSGA-Ⅱ算法［10］在求解過程中，通常采用各調(diào)度時段的水位為決策變量，以隨機的方式生成初始種群，導(dǎo)致產(chǎn)生的部分初始解不在約束范圍內(nèi)，又加之部分遺傳操作也造成解偏離約束，從而優(yōu)化效率和最優(yōu)解的質(zhì)量被影響，改進(jìn)的NSGA-Ⅱ算法［11］引入了個體約束和群體約束機制來提高優(yōu)化效率和最優(yōu)解的質(zhì)量。本文選用改進(jìn)NSGA-Ⅱ算法對生態(tài)調(diào)度模型進(jìn)行求解，流程圖見圖1。

圖1 改進(jìn)NSGA-Ⅱ算法流程圖Fig.1 Improved NSGA-Ⅱalgorithm flow chart

3 實例研究

3.1 筷子簍-水口梯級電站概況

湖南省筷子簍-水口梯級電站位于炎陵縣。筷子簍水電站屬湘江水系洣水支流河漠水上游下村河，是炎陵縣唯一一個集防洪、縣網(wǎng)調(diào)峰作用于一體的水電站，也是一座以發(fā)電為主，兼顧防洪的?。ㄒ唬┬退畮臁？曜雍t水庫大壩壩高60.2 m，水庫最高水位748.2 m，死水位713 m，總庫容850 萬m3，死庫容120 萬m3，興利庫容730 萬m3，約為年來水的5%，可實現(xiàn)季調(diào)節(jié)。筷子簍電站為引水式電站，于1998年8月投產(chǎn)，總裝機容量為3 000 kW，2014年進(jìn)行更新改造后總裝機容量為3 750 kW。

水口電站位于水口鎮(zhèn)自源村，位于河漠水上游。于1973年11月動工興建，1977年4月投產(chǎn)發(fā)電。電站從上游筷子簍水庫電站尾水（筷子簍水庫棄水不進(jìn)入引水渠）和大橫溪河壩引水，為引水式電站，現(xiàn)裝機5臺，總裝機容量16.35 MW。

由于筷子簍電站建成年代較早，未考慮生態(tài)保護(hù)的要求，早年攔水壩未設(shè)置生態(tài)流量下泄設(shè)施，導(dǎo)致攔水壩下游出現(xiàn)了長7.2 km 的減脫水河段，部分區(qū)域出現(xiàn)了水環(huán)境惡化、生態(tài)退化的問題?？曜雍t電站水庫大壩下游190 m 設(shè)有二道壩，壩下設(shè)有引水渠道，為修復(fù)減脫水河段生態(tài)環(huán)境，擬將二道壩下渠道疏通將電站尾水通過渠道引至壩下滿足生態(tài)流量需求，本文通過生態(tài)調(diào)度模型確定引至壩下的生態(tài)流量和用于下游水口電站的發(fā)電流量。

3.2 筷子簍-水口梯級電站生態(tài)流量過程等級計算

根據(jù)筷子簍-水口梯級電站的區(qū)域季節(jié)特點將全年分為豐平枯3 個時期，參照Tennant 法確定了如表2 所示的評價標(biāo)準(zhǔn)，Tennant 法認(rèn)為年平均流量的200%是最大的生物棲息地標(biāo)準(zhǔn)，為河流生態(tài)系統(tǒng)能承受的流量上限，故本文將河流生態(tài)流量過程評價標(biāo)準(zhǔn)中“最大”等級區(qū)間上限設(shè)為200%；根據(jù)典型年每個月的生態(tài)流量作為評價指標(biāo)，構(gòu)建物元；然后根據(jù)表2的評價標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建經(jīng)典域與節(jié)域；計算關(guān)聯(lián)函數(shù)和關(guān)聯(lián)度；用模糊層次分析法計算各月生態(tài)流量指標(biāo)的權(quán)重，各月生態(tài)流量指標(biāo)權(quán)重見表3；根據(jù)式（1）計算綜合關(guān)聯(lián)度，用式（2）計算年生態(tài)流量過程的綜合評價等級；最后根據(jù)式（3）和式（4）計算生態(tài)流量過程等級。

表2 河流生態(tài)流量過程評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation criteria of river ecological flow process

表3 各月生態(tài)流量指標(biāo)權(quán)重Tab.3 The weight of each month's ecological flow index

3.3 筷子簍-水口梯級電站生態(tài)調(diào)度結(jié)果分析

依據(jù)炎陵水文站1959-2015年的水文資料，壩址多年平均流量為4.43 m3∕s，對各壩址年平均流量進(jìn)行排頻計算，用皮爾遜Ⅲ型曲線對壩址年平均流量進(jìn)行適線，選取P = 25%為豐水年，P = 50%為平水年，P = 75%為枯水年。每個典型年以月為調(diào)度時段輸入生態(tài)調(diào)度模型，運用改進(jìn)的NSGA-Ⅱ算法進(jìn)行求解，算法參數(shù)為：群體數(shù)為400，全局迭代次數(shù)為500。根據(jù)調(diào)度模型生成的各典型年非劣解集，每個典型年均勻選取20 個方案，調(diào)度方案集見表4。

表4 典型年調(diào)度方案集Tab.4 Typical year operation schemes

方案的優(yōu)選采取熵權(quán)法［12］和灰色關(guān)聯(lián)度法［13］結(jié)合進(jìn)行綜合評價的方法進(jìn)行確定。熵權(quán)法為客觀賦權(quán)法，可以客觀評價各指標(biāo)相對重要性，選用熵權(quán)法確定各目標(biāo)的權(quán)重；灰色關(guān)聯(lián)度分析可根據(jù)序列曲線與理想方案曲線之間的相似程度判斷聯(lián)系是否緊密，灰色關(guān)聯(lián)度值越大則越接近，聯(lián)系越緊密。通過計算理想方案與各方案之間的灰色關(guān)聯(lián)度可確定各典型年的調(diào)度方案。計算過程需確定理想方案和比較方案，對不同量綱的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，計算關(guān)聯(lián)系數(shù)，根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重及灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計算出灰色關(guān)聯(lián)度值，最終根據(jù)關(guān)聯(lián)度值越大越好的原則選擇最優(yōu)調(diào)度方案。

3.3.1 熵權(quán)法確定各指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)熵權(quán)法計算梯級年發(fā)電量和生態(tài)流量過程等級指標(biāo)在各典型年的權(quán)重見表5。

表5 指標(biāo)權(quán)重值Tab.5 Index weight value

3.3.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

發(fā)電量和生態(tài)流量過程等級都是效益型指標(biāo)，指標(biāo)值越大則方案越優(yōu)，根據(jù)調(diào)度方案集確定各典型年理想方案指標(biāo)集，見表6。

表6 典型年理想方案指標(biāo)集Tab.6 Typical year ideal operation scheme index set

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度值越大越優(yōu)的原則，豐平枯年最優(yōu)調(diào)度方案分別選取方案11、方案10 和方案10，最優(yōu)調(diào)度方案和未建水庫下天然河流的生態(tài)流量過程等級見表7。由表7 可知天然河道在豐水年達(dá)到了“最佳”等級，在該等級下河流生態(tài)系統(tǒng)健康，水生生物及河岸帶植物正常地生長繁育；平水年處于“很好”等級，雖然平水年來水沒有豐水年豐富，但是在年內(nèi)生態(tài)流量過程仍處于一個較高等級，這是因為考慮了河流豐枯特性及不同時期生態(tài)流量重要性不同，該等級下河流能保持生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定發(fā)展；枯水年也處于“好”的等級，該等級下河流流量處于30%～60%多年平均流量范圍，該范圍下河流已經(jīng)能夠維持河流系統(tǒng)不發(fā)生退化，并能保證一定的水深、流量等水力參數(shù)。最優(yōu)調(diào)度方案里，豐平枯年生態(tài)流量過程等級值分別為5.492、5.443 和5.464，均處于“很好”等級，在該等級下河道濕潤底質(zhì)增加，河寬、水深和流速等水力參數(shù)也能較好滿足水生生物生長繁育的需要，有利于讓河流恢復(fù)至能夠自我修復(fù)的狀態(tài)。根據(jù)以上的結(jié)果可知生態(tài)流量過程等級能符合天然河道的一般特征，以此用于生態(tài)調(diào)度目標(biāo)是合理的。

表7 典型年建庫前后生態(tài)流量過程等級Tab.7 Ecological flow process level before and after the construction of the database in the typical year

根據(jù)最優(yōu)調(diào)度方案繪制的筷子簍水庫水位及生態(tài)流量過程見圖2、3 和圖4，由于筷子簍電站未考慮生態(tài)流量泄放措施，壩址下游減脫水段多年缺乏必要的生態(tài)流量，造成生態(tài)退化等問題，若僅僅滿足基礎(chǔ)的河道生態(tài)流量需求，河流生態(tài)系統(tǒng)就不能恢復(fù)至健康狀態(tài)。豐平枯年調(diào)度方案下年平均生態(tài)流量分別為1.51、1.49和1.48 m3∕s，均處于相對較高的流量，由圖2、3可知豐水年和平水年在調(diào)度期大多數(shù)時間內(nèi)可以保持高水位運行，有利于保證發(fā)電效益。由圖4 可知枯水年枯水期在較低水位運行，是因為枯水期天然來水量較少，筷子簍電站生態(tài)用水是引至電站尾水，為了保持生態(tài)泄流量仍保持高流量下泄，導(dǎo)致的低水位運行，雖然發(fā)電效益有所損耗，但是從長期來看，能夠保證河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)至健康狀態(tài)的高層次用水需求，有利于河流的生態(tài)修復(fù)。

圖2 豐水年調(diào)度方案Fig.2 Wet year scheduling scheme

圖3 平水年調(diào)度方案Fig.3 Normal year scheduling scheme

圖4 枯水年調(diào)度方案Fig.4 Dry year scheduling scheme

表8 是筷子簍-水口梯級電站典型年運行現(xiàn)狀和最優(yōu)調(diào)度方案的對比，豐水年和平水年經(jīng)生態(tài)調(diào)度后發(fā)電效益分別增加了601和830 萬kWh，說明實際調(diào)度尚有優(yōu)化的空間，還能兼顧生態(tài)效益，雖然枯水年最優(yōu)調(diào)度方案發(fā)電效益與運行現(xiàn)狀相比減少了379 萬kWh，但是鑒于筷子簍-水口電站在此之前沒有生態(tài)流量泄放的保護(hù)措施，并且減脫水河段生態(tài)已經(jīng)初顯退化，所以犧牲部分發(fā)電效益保證生態(tài)優(yōu)先是很有必要和可行的。

表8 典型年運行現(xiàn)狀與最優(yōu)調(diào)度方案對比 萬kWhTab.8 Comparison of operating status and optimal scheduling plan in the typical year

4 結(jié) 論

（1）本文定義了生態(tài)流量過程等級，對生態(tài)流量過程確立了明確的評判標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)評價等級及對應(yīng)的綜合關(guān)聯(lián)度值來確定生態(tài)流量過程等級，生態(tài)流量過程等級可以直觀地體現(xiàn)生態(tài)流量過程在調(diào)度期內(nèi)的優(yōu)劣情況。

（2）本文構(gòu)建的基于ME-Tennant 模型的生態(tài)調(diào)度模型，在對調(diào)度結(jié)果進(jìn)行評價分析時，可以直觀地體現(xiàn)發(fā)電效益大小及生態(tài)流量過程在調(diào)度期內(nèi)的優(yōu)劣性，在進(jìn)行方案的優(yōu)選的時候采取了熵權(quán)法與灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)合的綜合評價方法，有利于保證調(diào)度方案的客觀性和合理性。 □