王 欽,王銀堂,胡慶芳,李伶杰,劉 勇,張 野,吳海燕

(1.天津大學建筑工程學院,天津 300350; 2.南京水利科學研究院水災害防御全國重點實驗室,江蘇 南京 210029; 3.長江保護與綠色發(fā)展研究院,江蘇 南京 210098; 4.湖州市水利局,浙江 湖州 313000)

水庫是最重要的流域水量調(diào)蓄設施之一。長期以來,水庫調(diào)度以防洪和興利為主要目標,追求社會經(jīng)濟效益最大化,但對生態(tài)環(huán)境影響的關注不足,擾動了河流生態(tài)系統(tǒng)健康[1]。近年來,國內(nèi)外學者圍繞水庫調(diào)度如何有效協(xié)調(diào)社會經(jīng)濟發(fā)展和河流生態(tài)保護開展了大量研究?？v觀已有研究,考慮生態(tài)需求的水庫調(diào)度研究總體可分為兩類。第一類將基于水文學[2]、水力學[3]、棲息地模擬[4-5]等方法計算的河道內(nèi)生態(tài)需水量作為水庫調(diào)度的約束條件,即限定水庫下游河道控制斷面流量不低于特定生態(tài)需水量,以此為前提尋求水庫興利目標最大化。例如:胡和平等[6]以生態(tài)流量為約束,以水電站年發(fā)電量最大為優(yōu)化目標,建立了基于生態(tài)流量過程線的水庫優(yōu)化調(diào)度模型;徐淑琴等[7]提出了將最小生態(tài)流量約束放大到適宜生態(tài)流量的非充分生態(tài)約束流量求解方法,以降低水庫運行對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響;劉百靈等[8]考慮了河道內(nèi)生態(tài)基流約束,提出了水庫發(fā)電-供水多目標優(yōu)化調(diào)度方案。第二類是將河道內(nèi)生態(tài)需水作為水庫調(diào)度的優(yōu)化目標之一。例如:呂巍等[9]通過加權法構(gòu)建了考慮最小、適宜及理想生態(tài)需水的烏江干流梯級水電站多目標聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型;李力等[10]以河流生態(tài)需水滿足度最大和梯級發(fā)電量最大為目標,研究了金沙江下游梯級水庫優(yōu)化調(diào)度問題;白濤等[11]考慮外調(diào)水源補給,建立了水庫發(fā)電量和生態(tài)需水保證程度雙重目標的官廳水庫優(yōu)化調(diào)度模型。與第一類研究相比,第二類研究在一定程度上可更靈活地協(xié)調(diào)社會經(jīng)濟和生態(tài)保護之間的矛盾。

河道徑流時程分布,即徑流情勢,影響水量水質(zhì)輸移和生物棲息地狀況,并通過水文生態(tài)耦合作用,決定了水生生物物種分布和豐度,對生物群落構(gòu)成和生物多樣性具有重要影響[12]。事實上,水庫運行主要是通過改變河道徑流情勢影響水生生態(tài)系統(tǒng)演替。因此,營造適宜的徑流情勢應當作為水庫調(diào)度的重要任務之一。然而,現(xiàn)有的兩類研究構(gòu)建水庫調(diào)度模型一般只考慮下游河道內(nèi)生態(tài)需水量對水庫調(diào)度運行的約束或響應,忽視了水庫下泄流量的時程分布,導致水庫下游河道徑流情勢不一定能滿足生態(tài)系統(tǒng)健康的要求[13-14]。水文改變指標(indicators of hydrologic alteration, IHA)可以捕捉天然河流的流量大小、持續(xù)時間、極端流量出現(xiàn)時間和頻次等特征要素,常用來表征河道徑流情勢[15-16],但存在難以將IHA應用到調(diào)度模型的問題。近年來,Wang等[13]基于部分IHA(月均流量和極端流量)構(gòu)建混合線性規(guī)劃模型作為水庫調(diào)度約束條件;Li等[17]用數(shù)學公式計算IHA指標作為調(diào)度模型約束條件或目標函數(shù)。此類確定徑流情勢的方法存在地區(qū)適用性,難以指導實踐操作?，F(xiàn)多借助變化范圍法(range of variability approach, RVA)評價典型調(diào)度方案中河道徑流情勢優(yōu)劣,進而挑選綜合效益最優(yōu)調(diào)度方案[18],高玉琴等[19-20]基于RVA法構(gòu)建生態(tài)目標徑流情勢,參與水庫調(diào)度模型優(yōu)化,提出兼顧興利效益與河流生態(tài)保護的水庫優(yōu)化調(diào)度方案。然而,RVA法量化徑流情勢僅統(tǒng)計了各指標落入某閾值范圍內(nèi)的概率,忽略了閾值范圍外的指標,導致徑流情勢變化評價不完整。為克服經(jīng)典RVA法不足,Suen等[21]基于中度干擾假說[22](intermediate disturbance hypothesis, IDH),引入高斯隸屬函數(shù)量化了河流徑流情勢變化程度,劉陽等[23-24]也開展了類似研究。但上述研究均未明確IHA與水庫下游不同生態(tài)需求之間的復雜關系,導致定義的生態(tài)目標不完整。

總體上,現(xiàn)有考慮生態(tài)目標的水庫調(diào)度研究側(cè)重基于生態(tài)單目標的模型構(gòu)建,多針對滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量的問題,對基于IHA量化河道徑流情勢的應用及同時考慮兩個生態(tài)目標的研究不足,而同時考慮河道內(nèi)生態(tài)需水與徑流情勢恢復對構(gòu)建河流完整健康生態(tài)系統(tǒng)具有重要價值。鑒于此,本文基于IHA分別確定河道內(nèi)生態(tài)需水量和天然徑流情勢貼合度,并考慮河道外社會經(jīng)濟供水目標,構(gòu)建水庫群多目標優(yōu)化調(diào)度模型。以我國南方某水庫群為例,研究均衡河道外供水和河道內(nèi)生態(tài)效益的水庫群調(diào)度方案,并闡明增加河道徑流情勢的調(diào)控目標對河道內(nèi)外興利效益的影響。

1 研究方法

1.1 生態(tài)目標確定方法

本文建立的水庫群調(diào)度模型生態(tài)目標涉及河道內(nèi)生態(tài)需水和徑流情勢,兩者均借助IHA量化。IHA包含了5組33個水文變量:①月平均流量,分別為1—12月逐月平均流量,共12個變量;②年內(nèi)極端流量,分別為年最小1、3、7、30、90d流量和年最大1、3、7、30、90d流量,以及基流指數(shù)、零流量日數(shù),共12個變量;③年內(nèi)極端流量出現(xiàn)時間,分別為年最大流量出現(xiàn)日期、年最小流量出現(xiàn)日期2個變量;④高低流量的平均持續(xù)時間及次數(shù),分別為高流量發(fā)生次數(shù)、低流量發(fā)生次數(shù)、高流量平均歷時、低流量平均歷時4個變量;⑤流量改變率和頻率,分別為年均漲水速率、年均落水速率、漲落變化次數(shù)3個變量,相應的可能生態(tài)影響見文獻[12]。

1.1.1河道內(nèi)生態(tài)需水量計算方法

RVA閾值描述了河川流量過程可變范圍,也是生態(tài)系統(tǒng)可承受的變化范圍,眾多學者基于RVA閾值開展了河道內(nèi)生態(tài)需水量的研究,以RVA閾值目標差值的百分數(shù)確定河道內(nèi)生態(tài)需水最為常見。本文采用RVA法計算河道內(nèi)生態(tài)需水量,將各IHA發(fā)生概率為75%和25%對應數(shù)值作為各指標RVA閾值的上、下限,參考文獻[25-28],基于第1組IHA(月平均流量),采用RVA閾值目標差值的25%和50%分別確定河道內(nèi)基本生態(tài)需水量和目標生態(tài)需水量?；旧鷳B(tài)需水量指維持河流、湖泊、沼澤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能不喪失,需要保留在河流、湖泊、沼澤內(nèi)的最小流量,是河湖生態(tài)水量要求的底線;目標生態(tài)需水量指維護河流、湖泊、沼澤良好生態(tài)狀況,需要保留在河道內(nèi)的流量[29]。生態(tài)對象需水量為

Ej,m=αj(Rum-Rdm)
(m=1, 2, …, 12;j=1,2)

(1)

式中:Ej,m為第m月第j個河道內(nèi)生態(tài)對象需水量,j=1,2分別表示河道內(nèi)基本生態(tài)需水和目標生態(tài)需水;αj為對應河道內(nèi)生態(tài)需水百分數(shù),j=1,2分別表示河道內(nèi)基本生態(tài)需水百分數(shù)和目標生態(tài)需水百分數(shù),α1=25%,α2=50%;Rum、Rdm分別為第m月平均流量RVA閾值的上、下限。

1.1.2河道徑流情勢量化方法

基于第2～5組IHA量化河道徑流情勢變化?？紤]到變量數(shù)量較多,且各變量間存在一定相關性,采用主成分分析(principal component analysis,PCA)[30]對21項IHA進行篩選,并進一步引入IDH理論[22]計算各指標對應的河道天然徑流情勢貼合度。對于某一個IHA,可設定一個中間水平的范圍值作為管理目標,即基于受最小擾動的歷史流量確定理想徑流情勢[21]。通常采用高斯隸屬函數(shù)計算水庫調(diào)度后該IHA相對適宜值的隸屬度,表征調(diào)度過程河道徑流情勢對理想徑流情勢的貼合度(式(2)),對于多個IHA通過權重法計算河道天然徑流情勢貼合度(式(3))。

(2)

(3)

1.2 水庫群多目標優(yōu)化調(diào)度模型

1.2.1水庫供水調(diào)度規(guī)則

調(diào)度圖是水庫群調(diào)度規(guī)則的核心。對于以供水為主的水庫,調(diào)度圖由各用水對象限制供水線及確定的若干調(diào)度分區(qū)組成。調(diào)度圖各運行控制線由高到低依次是運行水位上限(非汛期為正常蓄水位,汛期為汛限水位)、各用水對象限制供水線和死水位。各用水對象限制供水線的位置由綜合保證率要求、供水優(yōu)先次序確定。

1.2.2目標函數(shù)與約束條件

考慮河道外社會經(jīng)濟供水目標和河道內(nèi)生態(tài)目標,取社會經(jīng)濟缺水量F1最小為第1目標函數(shù)(式(4))、河道內(nèi)生態(tài)缺水量F2最小為第2目標函數(shù)(式(5))、河道天然徑流情勢貼合度F3最大為第3目標函數(shù)(式(6))。水庫群調(diào)度約束條件主要包括水量平衡約束、蓄水量上下限約束、泄流上下限約束、決策變量非負約束及其他約束等。

(4)

(5)

f3=maxF3

(6)

其中

式中:Si,t,u、Wi,t,u為第u個水庫的第i個河道外用水對象在t時段的需水量和供水量;Ej,t,u、Gj,t,u為第u個水庫的第j個河道內(nèi)生態(tài)用水對象在t時段的需水量和供水量;I為河道外用水對象總數(shù),包括城鄉(xiāng)生活和工業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉、跨區(qū)域供水等;J為河道內(nèi)生態(tài)用水對象總數(shù),包括河道內(nèi)基本和目標生態(tài)用水對象;T為調(diào)度期時段數(shù);U為水庫個數(shù);Dy為第y年的河道天然徑流情勢貼合度;Y為調(diào)度期水文年數(shù)。

1.2.3模型求解與方案優(yōu)選

采用NSGA-Ⅲ[8]求解水庫群多目標優(yōu)化調(diào)度模型。NSGA-Ⅲ與NSGA-Ⅱ[31]具有類似框架,二者區(qū)別在于選擇機制的改變,NSGA-Ⅱ主要靠擁擠度進行排序,這種機制對高維目標空間作用相對有限,而NSGA-Ⅲ通過引入廣泛分布參考點維持種群多樣性,能夠獲得均勻的Pareto解集?；赑areto解集,采用逼近理想點法(technique for order preference by similarity to ideal solution, TOPSIS)[32-33]設定指標和權重,尋求協(xié)調(diào)河道內(nèi)生態(tài)供水和河道外供水效益的水庫群均衡調(diào)度方案。

2 實例分析

2.1 研究對象

選擇我國南方某水庫群開展實例研究。研究區(qū)是重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和優(yōu)質(zhì)水資源供給區(qū),區(qū)域內(nèi)有A、B兩座大Ⅱ型水庫,二者均具有重要防洪、供水、發(fā)電等綜合功能。A水庫總庫容1.17億m3,集水面積258km2;B水庫總庫容2.18億m3,集水面積331km2。兩庫下游C水文站控制流域集水面積1316km2,多年平均年降水量為1500mm,多年平均年徑流量為10.3億m3。研究區(qū)主要位于山區(qū),具有水質(zhì)優(yōu)良、水量充足的優(yōu)點,滿足本地“三生”用水(生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水)后,尚有一定外調(diào)潛力。

研究區(qū)水資源配置網(wǎng)絡見圖1。該研究區(qū)兩座水庫需要考慮保障本地河道外供水、維系河道內(nèi)生態(tài)需水、向外部區(qū)域調(diào)水的三重任務。就本地河道外供水而言,A水庫分別供給A水廠、A水庫灌區(qū),B水庫分別供給B水廠、B水庫灌區(qū),以滿足供水范圍內(nèi)城鄉(xiāng)生活和工業(yè)需水及灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水。兩庫通過明渠和隧洞單向連通,即B水庫可從A水庫引水。就河道內(nèi)生態(tài)需水而言,A、B水庫下泄流量共同滿足下游C水文站河道內(nèi)基本與目標生態(tài)需水量的要求;就向外部區(qū)域調(diào)水而言,若A、B水庫滿足本地用水需求后,仍有余水可向D市區(qū)供水。

圖1 研究區(qū)水資源配置網(wǎng)絡

2.2 數(shù)據(jù)來源

a.控制斷面流量資料。C水文站1957—2018年實測日徑流由當?shù)厮牟块T提供,資料經(jīng)過整編和質(zhì)量控制。

b.入庫徑流資料。A、B兩水庫1957—2018年逐月入庫徑流資料由水庫管理局提供。

c.社會經(jīng)濟需水資料。基于研究區(qū)水資源相關規(guī)劃,預測了A、B兩水庫供水范圍內(nèi)各用戶2030年逐月需水量,包括城鄉(xiāng)生活和工業(yè)需水量(全年0.99億m3)、農(nóng)業(yè)灌區(qū)需水量(全年0.64億m3)及受水區(qū)需水量(全年0.66億m3)。

2.3 生態(tài)目標結(jié)果

2.3.1河道內(nèi)生態(tài)需水量

河道內(nèi)生態(tài)需水應在天然徑流基礎上進行計算。受氣候變化和人類活動的共同影響,C水文站實測徑流系列統(tǒng)計規(guī)律發(fā)生了變異,且1999年為顯著變異點[28,34],此外,取用水規(guī)模增加和水利工程調(diào)控等人類活動的貢獻率高于氣候變化。本文以1999年為變異點,將C水文站1957—1998年實測徑流作為天然徑流,利用RVA法計算河道內(nèi)基本與目標生態(tài)需水。圖2給出了C水文站河道內(nèi)基本和目標生態(tài)需水量過程,二者與天然徑流的豐枯變化走勢相似。為探討RVA法確定河道內(nèi)生態(tài)需水的合理性,圖2(b)(c)對比了RVA法與Tennant法確定的河道內(nèi)基本與目標生態(tài)需水量過程。Tennant法認為天然流量的10%為河道內(nèi)基本生態(tài)需水,可以維持河道生物棲息地生存;天然流量的30%為河道內(nèi)目標生態(tài)需水,能維持適宜的棲息地生態(tài)系統(tǒng)。兩種方法確定的河道內(nèi)基本和目標生態(tài)需水量在非汛期接近,而汛期差異較大。魚類資源動態(tài)反映了河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況,汛期大批魚類將逆流而上到研究區(qū)產(chǎn)卵,在確定河道內(nèi)生態(tài)需水時應充分結(jié)合水生物種繁衍所需[35-37]。RVA法計算的河道內(nèi)生態(tài)需水可滿足魚類等水生生物在汛期的高流量需求,更具合理性。

(a) 天然月均流量

2.3.2河道徑流情勢

采用PCA法從第2～5組IHA中篩選出C水文站生態(tài)最相關水文指標(the most ecologically relevant hydrologic indicators, ERHIs),量化河道徑流情勢變化。主成分數(shù)量根據(jù)特征值大于1及累計貢獻率超過80%確定。表1給出了C水文站ERHIs篩選結(jié)果,C水文站EHRIs為年最小30d流量、年最大30d流量、低流量發(fā)生次數(shù)、高流量發(fā)生次數(shù)和年最小流量出現(xiàn)日期,對應權重分別為0.360、0.330、0.123、0.101和0.086。

表1 PCA法篩選EHRIs及對應權重

C水文站變異前1957—1998年實測徑流為天然徑流[28,34],此系列的徑流干擾程度為適宜擾動。由于本次調(diào)度時段為月尺度,借鑒前人經(jīng)驗[21],將EHRIs均簡化為月尺度指標,分別是年最小月流量、年最大月流量、低流量發(fā)生次數(shù)、高流量發(fā)生次數(shù)和年最小月流量出現(xiàn)月份。圖3給出了各EHRIs的高斯分布,年最小、年最大月流量平均值分別為7.6和96.2m3/s,標準差分別為4.8和35.5m3/s;高、低流量發(fā)生次數(shù)的平均值分別為1.9和1.5次,標準差分別為0.8和0.9次;年最小月流量平均值出現(xiàn)在11—12月,標準差為2.6月。5個EHRIs的高斯分布均為中間型分布,與IDH理論較為相符。

(a) 年最小、年最大月流量

2.4 水庫群優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

按照先本地后外地以及生態(tài)優(yōu)先的原則,并考慮城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水保證率目標高于農(nóng)業(yè)灌溉供水,確定A、B水庫調(diào)度圖,從上到下依次是限制外供水線、限制域內(nèi)河道內(nèi)目標生態(tài)供水線、限制農(nóng)業(yè)灌溉供水線、限制河道內(nèi)基本生態(tài)供水線和限制城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水線。在滿足水庫自身供水范圍內(nèi)需水且有余水的條件下,可實施外供水(包括B水庫向域外供水、A水庫向B水庫供水),水庫余水量定義為水庫當前水位至限制城鄉(xiāng)生活與工業(yè)供水線之間的蓄水量。以每年3月至翌年2月作為水利年,以月為模擬調(diào)度步長,計算時段為1957年3月至2017年2月,共61個水利年、732月。NSGA-Ⅲ算法種群規(guī)模、迭代次數(shù)、交叉概率和變異概率分別設置為100、200、0.9和0.1。

2.4.1Pareto前沿解

圖4為水庫群多目標優(yōu)化調(diào)度方案Pareto前沿解。調(diào)度期社會經(jīng)濟缺水量F1的取值范圍為14.35億～19.29億m3,河道內(nèi)生態(tài)缺水量F2的取值范圍為5.18億～7.62億m3,河道天然徑流情勢貼合度F3的取值范圍為0.655～0.681。圖4(a)表明目標函數(shù)F1與F2具有對抗關系,相關系數(shù)r為-0.95;圖4(b)表明目標函數(shù)F1與F3為協(xié)同關系,r為0.90;圖4(c)表明目標函數(shù)F2與F3具有對抗關系,r為-0.94。

(a) F1與F2的關系

2.4.24個方案分析

選取目標函數(shù)F1、F2、F3分別達到最優(yōu)時方案記為方案1、方案2和方案3,并利用TOPSIS法對各目標函數(shù)賦予等權重得到均衡調(diào)度方案,記為方案4,如圖4所示。表2給出了4個方案的用水對象保證率及河道天然徑流情勢貼合度均值。

表2 4個方案的用水對象保證率及河道天然徑流情勢貼合度均值

圖5為4個調(diào)度方案的用水對象缺水量。從圖5可以看出,就河道外供水而言,城鄉(xiāng)生活和工業(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉用水對象的缺水量均為方案1最大,方案4次之,方案2和方案3較小,時段保證率從大到小排序均為方案3、方案2、方案4和方案1,除方案1的農(nóng)業(yè)灌溉保證率為94.74%外,其余方案用水對象保證率均超過了95%;外供水的缺水量從小到大分別為方案1、方案4、方案2和方案3,方案間差值最大達6.4億m3,相應保證率分別為69.81%、62.70%、54.23%和53.42%。受供水規(guī)則影響,外供水較城鄉(xiāng)生活和工業(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉供水,在社會經(jīng)濟缺水量中占比最高。

圖5 4個方案的用水對象缺水量

對于河道內(nèi)生態(tài)供水,河道內(nèi)基本和目標生態(tài)缺水量從小到大分別為方案2、方案3、方案4和方案1,方案間河道內(nèi)生態(tài)總?cè)彼坎钪底畲筮_2.4億m3。方案2～4河道內(nèi)基本生態(tài)需水的保證率均超過了95%,河道內(nèi)目標生態(tài)需水的保證率均超過了90%;方案1河道內(nèi)基本和目標生態(tài)需水保證率分別為93.85%和88.59%。

圖6為4個方案在C水文站的河道天然徑流情勢貼合度及月均下泄流量。對于河道徑流情勢恢復程度,除極個別年份,方案3調(diào)度期內(nèi)河道天然徑流情勢貼合度均大于其余方案(圖6(a)),4個方案的河道天然徑流情勢貼合度均值從大到小依次為方案3(0.681)、方案4(0.675)、方案2(0.674)和方案1(0.655)。C水文站月均下泄流量在方案2和方案3較大,方案1和方案4較小(圖6(b))。4個方案的下泄流量均大于河道內(nèi)目標生態(tài)需水,但小于變異前月均流量,尤其在非汛期,這是河道天然徑流情勢貼合度較低的主要原因。

(a) 天然徑流情勢貼合度

2.4.3與只考慮河道內(nèi)生態(tài)需水調(diào)度模型的對比分析

參考已有研究[9-11],構(gòu)建生態(tài)目標僅考慮河道內(nèi)生態(tài)需水量的水庫群調(diào)度模型(情景2),與本文增加河道天然徑流情勢貼合度的水庫群調(diào)度模型(情景1)進行對比。圖7為情景2多目標優(yōu)化調(diào)度方案Pareto前沿解,社會經(jīng)濟缺水量F1取值范圍為13.91億～18.96億m3,河道內(nèi)生態(tài)缺水量F2取值范圍為5.38億～7.74億m3。目標函數(shù)F1與F2具有對抗關系,r為-0.95。基于情景2 Pareto解集決策變量,模擬計算得到河道天然徑流情勢貼合度F3的取值范圍為0.651～0.671。相比情景2的Pareto解集,情景1的社會經(jīng)濟缺水量區(qū)間雖略有增大,但河道內(nèi)生態(tài)缺水量區(qū)間整體下降,且河道天然徑流情勢貼合度區(qū)間抬升幅度較大。情景1的Pareto解集更有利于河道內(nèi)生態(tài)保護。

圖7 情景2多目標優(yōu)化調(diào)度的Pareto前沿解

情景1中由TOPSIS法優(yōu)選出的調(diào)度方案4為均衡河道外供水效益和河道內(nèi)生態(tài)需水效益的方案,在情景2中同樣利用TOPSIS法對F1、F2、F3賦予等權重得到均衡調(diào)度方案。圖8為調(diào)度期內(nèi)兩種情景均衡調(diào)度方案的用水對象供、需水量和河道天然徑流情勢貼合度。就河道外社會經(jīng)濟供水而言,情景1、2城鄉(xiāng)生活和工業(yè)的供水量分別為59.79億和59.84億m3,保證率分別為97.61%和97.75%;農(nóng)業(yè)灌溉的供水量分別為36.3億和36.2億m3,時段保證率分別為95.77%和95.56%;對外供水的供水量分別為27.1億和27.8億m3,保證率分別為62.70%和65.57%。就河道內(nèi)生態(tài)供水而言,情景1、2在河道內(nèi)基本生態(tài)的供水量分別為57.7億、57.5億m3,保證率分別為95.77%和95.42%;河道內(nèi)目標生態(tài)的供水量分別為54.7億和54.6億m3,保證率分別為91.67%和91.60%?？梢妰蓚€情景均衡調(diào)度方案在河道內(nèi)外供水差異均較小。而情景1河道天然徑流情勢貼合度有超過2/3年份高于情景2,二者差值最大為0.099,情景 1 的河道天然徑流情勢貼合度均值為0.675,高于情景2的0.669。圖7中黑色實心標記為情景2目標函數(shù)F1、F2、F3分別達到最優(yōu)和由TOPSIS法優(yōu)選的均衡調(diào)度方案,當情景2取河道內(nèi)生態(tài)缺水量F2最小時,河道天然徑流情勢貼合度F3為0.669,小于情景1相應調(diào)度方案的0.674;情景2河道天然徑流情勢貼合度F3最大值為0.671,也小于情景1中F3的最大值0.681,因此,只考慮河道內(nèi)生態(tài)需水的調(diào)度模型產(chǎn)生的水庫下游河道徑流情勢,不能更好地滿足對河道徑流情勢要求更嚴格的河流。

(a) 各用水對象供、需水量

雖然河道內(nèi)生態(tài)缺水量與河道天然徑流情勢貼合度具有一定的協(xié)同性,眾多研究也試圖通過滿足河道內(nèi)生態(tài)需水間接達到恢復河道徑流情勢的目標[38],但滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量和恢復河道天然徑流情勢兩個生態(tài)目標不能同時實現(xiàn)最優(yōu),Yan等[20]研究也表明滿足單一的生態(tài)需求會犧牲另一個生態(tài)需求。

3 結(jié) 論

a.以河道內(nèi)生態(tài)缺水量最小和河道天然徑流情勢貼合度最大為生態(tài)目標,結(jié)合河道外社會經(jīng)濟供水目標構(gòu)建的多目標水庫群優(yōu)化調(diào)度模型在我國南方某水庫群的應用中表明,基于TOPSIS法優(yōu)選的均衡調(diào)度方案得到的城鄉(xiāng)生活和工業(yè)、河道內(nèi)基本生態(tài)及農(nóng)業(yè)灌溉供水保證率均超過95%,河道內(nèi)目標生態(tài)和外供水保證率分別為91.67%和62.70%,兼顧了社會經(jīng)濟效益和河流生態(tài)保護,可作為水庫群推薦調(diào)度方案。

b.增加了河道天然徑流情勢貼合度的水庫群優(yōu)化調(diào)度模型的均衡調(diào)度方案與僅考慮河道內(nèi)生態(tài)需水調(diào)度模型的均衡調(diào)度方案相比,兩者對河道內(nèi)外的供水差異較小,但本文提出的模型提升了河道天然徑流情勢貼合度,更有利于維系河流生態(tài)系統(tǒng)健康,也可為其他流域水庫構(gòu)建更加完整健康的生態(tài)系統(tǒng)提供參考。