劉彥哲，方國華，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)模水電開發(fā)對我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活發(fā)揮著不可替代的作用，但水庫作為人工實(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的改變，導(dǎo)致庫區(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，需要在水電站水庫調(diào)度過程中統(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。

國內(nèi)外對生態(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大壩對當(dāng)?shù)攸S魚產(chǎn)卵有利的下泄流量。馬樂軍等(2018)[5]比較了各類生態(tài)基流計(jì)算方法在我國使用現(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年代后期開展水庫生態(tài)影響的研究，分析水庫修建帶來的河流水文情勢變化，構(gòu)建對應(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)建水庫優(yōu)化調(diào)度模型時(shí)，增加生態(tài)流量過程線作為約束條件。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群優(yōu)化調(diào)度中。隨后的研究開始圍繞生態(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)流量優(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)，針對金沙江梯級(jí)水庫在蓄水、發(fā)電、生態(tài)保護(hù)方面存在的矛盾建立多目標(biāo)模型。

總的來說，當(dāng)前水電站水庫生態(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)性和變化特征等問題。而基于Tennant標(biāo)準(zhǔn)的ME-Tennant評價(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)需水過程貼合天然徑流規(guī)律。因此，本文采用ME-Tennant生態(tài)需水評價(jià)模型確定需水過程，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，本文研究針對流量過程。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)算步驟簡單，操作容易，適合水文資料系列長的河流。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，該方法沒有考慮河流寬度、水深、流速等參數(shù)，也沒有區(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)流量逐月過程[15]，該過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，但頻率確定過程存在主觀性過大的問題。

1.2 基于ME-Tennant的生態(tài)需水過程評價(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)需水過程評價(jià)模型。

物元分析法認(rèn)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(yīng)的量值X”三個(gè)要素來描述，并組成物元。利用ME-Tennant法評價(jià)生態(tài)需水的具體過程如下：

(1)將計(jì)算所得的逐月生態(tài)流量作為評價(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，因此用來確定各月份生態(tài)流量狀況在生態(tài)需水過程評價(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)評價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度

(5)

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

2 梯級(jí)水電站水庫生態(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)缺水量衡量水庫運(yùn)行對河流生態(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，在汛期來臨前取對應(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)段水庫保證最小引水流量(根據(jù)生態(tài)需水過程評價(jià)模型確定)，m3/s；Qi，t，max為t時(shí)段水輪機(jī)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(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。對于處在同一干流的梯級(jí)水庫，上游水庫下泄的水量會(huì)進(jìn)入到下游水庫，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)控制問題[19]。遺傳算法以進(jìn)化論和遺傳學(xué)為基礎(chǔ)，求解過程具有隱蔽的并行性質(zhì)，可以有效避免維數(shù)災(zāi)。對于求解多目標(biāo)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(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，共同競爭產(chǎn)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(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

水庫調(diào)度的運(yùn)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(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》，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。基于劉家坪水庫1987年～2011年逐月入庫流量及1999年～2016年每月水位-庫容統(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ME-Tennant評價(jià)模型確定劉家坪廠房下游的最小及適宜的生態(tài)需水過程。根據(jù)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(tài)需水過程，劉家坪廠房下游生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果見表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?；赥ennant法，并結(jié)合劉家坪歷史系列水文情況確定河流生態(tài)需水過程的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 河流生態(tài)需水過程評價(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)需水狀況對各評價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，加入權(quán)重關(guān)系后按式(5)計(jì)算各評價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(P0)，由Kj=max{Kj(P0)}確定評價(jià)等級(jí)。不同方法計(jì)算出的生態(tài)需水過程對各評價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度以及評價(jià)結(jié)果見表3。

表3 不同水文學(xué)方法的生態(tài)需水評價(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)的長遠(yuǎn)來看，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)需水過程。

從表3可以看出，評價(jià)等級(jí)為“較好”的逐月75%頻率法和年內(nèi)展布法需水過程都符合最小生態(tài)需水過程要求。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)需水過程如表4所示。

表4 生態(tài)需水過程 m3/s

3.3 生態(tài)調(diào)度結(jié)果分析

梯級(jí)水電站水庫生態(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(qū)間流量與劉家坪對應(yīng)的出庫之和。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(qū)間流量與劉家坪對應(yīng)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(qū)間流量與劉家坪對應(yīng)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(xiàn)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(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，對于相同頻率的入庫徑流，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)一步從三種來水頻率非支配解集中，缺水量增長緩慢而發(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%，缺水量僅平均減少了6.89%。對于平水年，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)將劉家坪電站簡化為年調(diào)節(jié)水庫，實(shí)際上多年調(diào)節(jié)水庫“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)需水過程下，水電站水庫進(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，天然來水頻率越小；則入庫徑流越大，發(fā)電量越高，缺水量越小。天然來水頻率小時(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，且對經(jīng)濟(jì)效益影響較小。隨著來水頻率提高，入庫流量減少，對生態(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法的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，引入物元分析法，構(gòu)建河流生態(tài)需水過程評價(jià)模型，并對水文學(xué)方法計(jì)算的生態(tài)需水過程進(jìn)行評價(jià)，科學(xué)確定河流不同需求層次的生態(tài)需水過程，依此建立兩種生態(tài)層次的梯級(jí)水庫生態(tài)調(diào)度模型。以劉家坪-魚米灘梯級(jí)水電站水庫為例進(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。對于相同頻率的入庫徑流，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。天然來水頻率越小，入庫徑流越大，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。