基于人造洪峰的三峡梯级生态调度仿真分析

李清清，覃 晖，陈广才，杨春花

（长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010）

基于人造洪峰的三峡梯级生态调度仿真分析

李清清，覃 晖，陈广才，杨春花

（长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010）

为分析三峡-葛洲坝梯级电站（三峡梯级）生态调度效果及其影响，从保证三峡梯级下游河道生态流量、改善江湖连通和保护生物多样性等方面出发，制定了三峡梯级的生态调度目标，并在常规调度的基础上提出基于人工造峰的生态调度方法，通过多种调度方式的仿真结果，分析了不同来水条件下三峡梯级生态调度的效果，揭示了不同生态调度目标之间的影响以及人工造峰对防洪调度和发电效益的影响。研究成果可为开展三峡梯级生态调度实践提供借鉴。

三峡梯级；水库生态调度；生态流量；江湖关系；人造洪峰

1 概 述

三峡水库作为长江干流的重要水利枢纽工程，其建成运行改变了河道的天然水文情势，成为影响下游水生生境的重要原因之一。为消除或减少水库调度对下游水生生境的不利影响，需要采取有效的生态调控措施。

水库生态调度作为一种非工程生态修复措施，在国外得到了广泛研究和应用，但国内尚处于研究阶段。文献［1］指出，可以通过改变大坝运行规则来恢复河流生态流量，并针对不同用途的大坝制定了相应的生态调度规则。文献［2］从生态足迹和生态承载能力的角度分析三峡工程的影响，指出大坝建成运行可能破坏下游鱼类的产卵场，对鱼类产卵繁殖造成影响。文献［3－6］分别从不同角度得出了满足鱼类产卵的水文水力学条件，为制定面向鱼类保护的生态调度方案提供了依据。文献［7］考虑社会、经济和生态效益，建立并求解了多目标生态调度模型，该模型没有考虑水生生物的生态水文需求。文献［8］提出了生态流量上下限的时间过程线和以之为基础的生态调度模型，这种方式通过在常规调度中设置流量约束即可实现，可行性好。文献［9］以锦屏梯级电站为例，考虑下游河道鱼类生态需水，建立了梯级生态调度模型，为三峡梯级生态调度提供了借鉴。文献［10］考虑河流生态蓄水量和生态洪水模拟，建立并求解了水库生态调度模型，但缺乏对人工造峰方式及其影响的分析。文献［11］根据四大家鱼产卵需求提出了三峡梯级人造洪峰的调度方式，但由于其调度时段长度为月，无法在调度模型中考虑人工造峰。

本文基于三峡水库建成后制定的三峡梯级生态调度目标，确定了三峡梯级生态调度约束和人工造峰需求，据此提出了三峡梯级生态调度方式，并对不同来水条件下多种调度方式进行仿真分析，揭示三峡梯级生态调度的效果及其影响，为三峡梯级开展生态调度提供借鉴。

2 生态调度目标

三峡梯级生态调度实施方式，是通过修改水库调度方案减少工程投运引发的流域生态问题，为此，首先需要确定生态调度目标。

从保证河道基本生态流量、改善江湖连通和保护鱼类产卵繁殖3个生态目标出发，制定三峡梯级生态调度目标。根据文献［2－6］，四大家鱼产卵繁殖期为5－6月份，本文主要考虑利用长江干流和洞庭湖水系汛期不同步的特性改善江湖连通，重点关注洞庭湖水系洪水期4－6月。为此，三峡梯级生态调度的研究时段为4－6月。

2.1 基本生态流量

以三峡建坝前1950－2002年的宜昌站水文资料为例，采用逐日最小生态流量法，确定4－6月三峡水库坝下河道基本生态流量，如图1所示。

图1 三峡梯级下游河道4－6月份基本生态流量Fig.1 Basic ecologic flow in the downstream channel of Three Gorges Cascades from April to June

2.2 改善江湖连通

利用洞庭湖水系洪水期（4－6月份）早于长江干流汛期的特点，减小长江干流水利工程的下泄流量，可以减轻对洞庭湖水系出流的顶托作用。根据三峡建坝前宜昌水文站1962－1996年共计35 a的4－6月份历史日径流监测数据，求解出历史同期流量最大值，作为水库调度的最大生态流量约束，结果如图2。

图2 三峡梯级下游河道4－6月份最大日均流量Fig.2 Maximum average daily flow in the downstream channel of Three Gorges Cascades from April to June

2.3 保护鱼类产卵繁殖

《意见稿》强调，智能快件箱运营企业对其运营的智能快件箱，应当自智能快件箱运营之日起二十日内向所在地省级以下邮政管理机构办理末端网点备案手续。智能快件箱运营企业对其设立的智能快件箱应当按照其地理位置和服务区域明确其具体名址，并在智能快件箱显著位置标明以供辨识。

三峡水库每年5－6月的放水方式对长江中游四大家鱼的产卵繁殖规模具有明显影响。文献［3－6］指出四大家鱼繁殖的生态水文条件之一是特定的洪峰条件，并提出了相关的造峰方式，具体如表1所示。

综合考虑上述人工造峰调度方式，制定人工造峰调度方案如下：在5月至6月期间设置2次洪水，2次洪水开始时间随机产生；每次洪水期间，8～10 d涨水，8～10 d落水，涨水规模（流量）逐日增加，落水与涨水相对称，形成人造洪峰；2次洪水开始时间相隔20～25 d。

3 三峡梯级生态调度方式

以4月至6月为调度期，以日为调度时段，在三峡电站调度规则的基础上进行人工造峰。调度规则以调度图为基础，具体如图3所示。三峡梯级电站特征参数如表2所示。

表1 相关文献提出的人工造峰调度方式Table 1 M an-made flood operation methods from different references

图3 三峡电站调度图Fig.3 Operation of Three Gorges hydropower plant

表2 三峡梯级电站特征参数Table 2 Characteristic parameters of Three Gorges hydropower plant

调度约束条件如下：

（1）水位（库容）约束Zi，t≤Zi，t≤Z¯i，t。其中，i为电站编号；i＝1代表三峡；i＝2代表葛洲坝；Zi，t为第i个电站第t时段的水库水位；Zi，t和Z¯i，t分别为水位上下限。

（2）出力约束Ni，t≤Ni，t≤¯Ni，t。其中，Ni，t，Ni，t和¯Ni，t为第i个电站第t时段的电站出力及出力上限和下限。

（3）过流流量约束Qi，t≤Qi，t≤¯Qi，t。其中，Qi，t，Qi，t和¯Qi，t分别为第i个电站第t时段下泄流量及下泄流量上限和下限。

（5）水库间的水力联系Ii，t＝Qi－1，t－τi－1＋qi，t。其中，Qi－1，t－τi－1为上游电站的出库流量，τi－1为第i－1个电站到第i个电站的水流流达时间，qi，t为电站i在时段t的区间入流。

（6）生态流量约束Qs，t≤Qs，t≤¯Qs，t。其中，Qs，t和¯Qs，t分别为生态流量上下限约束。

（7）水库水位变幅约束和流量约束。三峡水库和葛洲坝水库水位日变幅约束为0.6 m，流量日变幅约束为10 000 m3／s；在约束条件中，过流流量约束和不同的生态流量约束的交集为生态调度的流量约束。

综合考虑上述约束和造峰方案，制定生态调度方式如下：4－6月期间整体上按照常规方式进行调度，在不违反各种约束的基础上，造峰期间按照流量控制方式进行调度，第一次洪峰开始时间在5月5日和5月10日之间随机产生，相隔20～25 d之后产生第二次洪峰。

4 模型求解及仿真

对宜昌站1962－1996年共计35 a的4－6月总径流量系列进行频率分析，分别选取频率为25%，50%，75%的来水作为丰水年（典型年1968年）、平水年（典型年1995年）和枯水年（典型年1982年）三峡水库的入库流量。

为分析不同生态约束方案的效果和影响，分别对4种不同调度方式进行仿真计算，具体如下：方式1，不考虑生态约束；方式2，考虑生态流量约束；方式3，考虑生态流量约束和改善江湖连通；方式4，考虑人工造峰，造峰时不考虑水位变幅约束和流量变幅约束，不考虑生态流量约束和改善江湖连通需求；方式5，考虑生态流量约束、改善江湖连通和人工造峰，造峰时不考虑水位变幅和流量变幅约束。

在VS2008平台上采用C＃语言实现程序仿真，数据库管理程序采用SQL Server 2000。

5 调度结果分析

为分析不同调度方式的效果，计算出丰水年、平水年和枯水年3种不同来水条件下三峡梯级4种调度方式的结果，具体如图4至图6所示。

5.1 生态流量约束的影响

根据图4至图6可知，不同水平年来水条件下，调度方式1和方式2的三峡水库水位过程和下泄流量过程均相同，这说明本文考虑的河道生态流量对常规调度影响很小。平水年和枯水年条件下调度方式1和方式3的结果相同，而丰水年时调度方式3与方式1的结果略有不同，主要体现在代表江湖连通需求的历史最大流量对来水丰沛时下泄流量的限制。从另一个角度来看，现有常规调度基本满足了这两方面的生态约束或仅需要少量调整即可满足。由于河道生态流量确定方法很多、江湖连通需求需要进一步明确，这两方面的生态约束与常规调度方式的结合及其相互影响需要进一步研究。

5.2 生态调度目标之间的影响

图4 丰水年三峡梯级不同调度方式的结果Fig.4 Operation resu lts of Three Gorges Cascades by different operation methods in high flow year

图5 平水年三峡梯级不同调度方式的结果Fig.5 Operation results of Three Gorges Cascades by different operation methods in median flow year

对比调度方式4和方式5，分析生态调度目标的相互影响。通过分析，河道基本生态流量约束和改善江湖连通约束构成的流量约束区间序列可视为水库最大最小流量约束序列的子集。该子集对人工造峰的影响主要体现在起始时间的边界条件上。方式4在人工造峰前最大水量约束为水库下泄流量约束，远大于最大历史流量约束，容易下泄过多的水量，导致造峰时水库水位更快下降到防洪限制水位，从而影响造峰效果。

5.3 人工造峰效果

从人工造峰效果来看，不同水平年入库流量涨落过程明显，而常规调度结果虽然存在流量的上下波动，但涨落特征不明显，流量上涨过程和下落过程持续时间很短，不满足鱼类产卵需求。丰水年调度方式4、方式5和平水年调度方式4的人造洪峰与预期效果有所差别，主要体现在流量上涨过程中出现小幅度的下降过程。而平水年调度方式5和枯水年调度方式4、方式5的人造洪峰与预期效果相符合。究其原因，是因为来水较丰沛时人工造峰开始时段的前一个时段下泄流量较大，在此基础上叠加相同程度的涨幅时，容易违反水库防洪限制水位约束，导致下泄流量出现下降。

5.4 人工造峰对防洪调度的影响

从人工造峰与汛期防洪调度的衔接方面分析其对防洪调度影响。三峡水库防汛期开始时间为6月10日（图4至图6中的71 d时间点），从人工造峰结果来看，第二次造峰结束时间均超过了这个时间点。因为造峰最后阶段为下泄流量减小过程，会导致水库水位的上升，在6月10日往往超过防洪限制水位，需要一段时间的消落才能回到该水位，使水库防洪风险增大。此时，如果快速消落到防洪限制水位，容易破坏日水位变幅约束，使大坝本身安全受到影响。

5.5 生态调度对梯级发电效益的影响

针对生态调度对三峡梯级发电效益的影响，计算出5种调度方式下三峡梯级的总发电量，如表3所示。其中，发电量变幅是指各种调度方式的发电量相对调度方式1发电量的变化幅度。

图6 枯水年三峡梯级不同调度方式的结果Fig.6 Operation results of Three Gorges Cascades by different operation methods in low flow year

表3 三峡梯级不同调度方式的结果Table 3 Operation results of Three Gorges Cascades by different operation methods

根据表3可知：丰水年、平水年和枯水年调度方式1和方式2对应的梯级总发电量相同，表明本文设置的河道基本生态流量约束对发电效益没有影响；调度方式1和方式3对应的三峡梯级发电量仅在丰水年相差0.54%；不同来水条件下调度方式4对应的总发电量均小于调度方式5，主要原因是代表江湖连通需求的历史最大流量影响了下泄水量在时段上的分配过程。

以调度方式4为例，相比调度方式1，丰水年、平水年和枯水年三峡梯级的发电量减幅分别为2.1%，2.25%，2.51%，表明考虑人工造峰的生态调度方式对三峡梯级发电量影响较大，需要制定相应的对策减少这种影响或进行补偿。

综上所述，生态调度中，本文设置的河道基本生态流量约束和改善江湖连通需求约束对常规调度方式影响较小。在同时考虑河道基本生态流量约束、改善江湖连通需求和人工造峰时，前两者会对非造峰时段的水量分配过程产生影响，继而影响造峰效果。三峡梯级人工造峰预期效果在平水年和枯水年相比丰水年更容易实现，主要原因是造峰起始时刻的水位影响。人工造峰对三峡梯级防洪调度的影响主要体现在延迟了三峡水库水位消落到防洪限制水位的时间，从细化鱼类产卵繁殖对造峰的要求及调整造峰期约束等方面考虑，可通过限制造峰时间长度、尽量提前造峰时间来减少这种影响。人工造峰对三峡梯级发电效益存在较大的影响，需要采用相关的措施减少影响或进行补偿。

6 结 语

本文从保护长江中游河道水生生境的角度出发，分析了三峡梯级生态调度目标，提出了基于人工造峰的三峡梯级生态调度方式，据此对不同来水条件下生态调度效果及其影响进行了分析，相关结论可为三峡梯级开展生态调度实践、制定生态调度协调和补偿机制提供技术支撑。不足之处在于河流基本生态流量、江湖连通和鱼类产卵繁殖对水文条件的需求需要进一步明确；生态调度效果缺乏检验措施等。

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（编辑：周晓雁）

Simulation of Eco-operation of Three Gorges Cascade Hydropower Plants Based on M an-made Flood

LIQing-qing，QIN Hui，CHEN Guang-cai，YANG Chun-hua
（Water Resources Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

To analyze the efficacy of eco-operation of Three Gorges-Gezhouba cascade hydropower plants（so calledThree Gorges Cascades）and its impact，the objects for the ecological operation of Three Gorges Cascadeswere designed to ensure the basic ecologic flow in the downstream channel，improve river-lake connection and protect biodiversity.In light of these objects，an eco-operation approach via man-made flood based on regular operation was presented.The eco-operation by differentmethods were simulated to investigate the efficacy of eco-operation under typical inflow conditions.The simulation results also revealed the interaction among different objects as well as the impact ofman-made flood on flood regulation and power generation.The study would be referential for the practice of eco-operation of Three Gorges Cascades.

Three Gorges cascade hydropower plants；ecological operation of reservoir；ecologic flow；river-lake relationship；man-made flood

TV213.9

A

1001－5485（2011）12－0112－06

2011-10-20

长江科学院基本科研业务费项目（CKSF2010001）；科技部国家软科学研究计划项目（KJB0909／ZY02）

李清清（1983-），男，湖北仙桃人，工程师，博士，主要从事水资源管理和水库调度研究，（电话）027-82926456（电子信箱）kaiser＿lee＠163.com。