淮河流域大型水库群生态调度模型研究

孙 克 胡承超 颜 庆

（江苏省水文水资源勘测局淮安分局，江苏淮安 223005）

随着水资源开发利用程度和效率的不断提高，为满足社会经济规模化发展对水资源的迫切需求，坝库等水利工程越来越多地改变着原始流域水资源的时空分布和能态转换［1，2］，也很大程度上改变了原有生态系统的结构和质量，严重制约了区域经济的良性循环和持续发展。在淮河流域，水问题日显突出，水库原有调度方式已凸显弊端，库区水质恶化、洪泛区面积萎缩、秋旱频发、水质性缺水范围扩大、急流生境严重萎缩等生态问题亟需水库调运模式的转变。

相关研究表明，水库对流域生态系统的消极干扰，可以通过工程措施、生物措施和管理措施在一定程度上加以补偿，从而得以减轻甚至避免［3］。其中，水库生态调度是在基本保障人类社会经济效益的前提下，以水库生态效益的最优产出来实现流域健康的新兴水库管理理念和调度方式。然而，水库供水、发电、灌溉等社会经济活动往往影响甚至制约了其生态效益的最优产出［4］。因此，水库生态调度是流域水资源在库区、供水区及下游区“三生用水”（即生活、生态、生产用水）均衡配置的优化模式。笔者将从流域整体水资源供需情况出发，分析讨论生态调度的内涵和准则，对淮河流域大型水库群生态调度模型的目标及调度模式进行研究，以期为本流域水资源的生态管理提供理论依据。

1 研究区概况

淮河流域（111°55′～121°25′ E，30°55′～36°36′ N）地处我国东部，流域面积27×104km2，位于黄河和长江两大流域之间。以废黄河为界限，淮河流域又分为淮河水系（面积19×104km2）和沂沭泗河水系（面积8×104km2），淮沭新河及大运河贯通其间。淮河流域处于我国南北气候过渡带，属暖温带半湿润季风气候区，年平均气温11℃～16℃，年平均降水量约920 mm，年平均蒸发量900～1500 mm，无霜期200～240 d。流域内有洪泽湖、南湾湖、高邮湖、宝应湖、城东湖等几大湖泊，总水域面积达3229.67 km2。

目前，淮河流域已建成大、中、小型水库5700 余座，总库容270 亿m3。其中，大型水库38 座，总库容达202.61 亿m3，约占流域水库总库容的75%。可见，大型水库对整个淮河流域水库调运管理具有决定性意义。水库的修建为流域内农业的发展提供了水源保障，使灌区得到快速发展，淮河流域耕地面积达1332×104hm2，粮食产量约占全国的18%。但是，目前本流域水资源已严重不足，人均水资源量488 m3，仅为全国人均水平的1/5，加之水污染、浪费现象严重，流域整体水坏境及其承载力已不堪重负，供水安全及生态安全正面临着前所未有的挑战［5］。

2 淮河流域大型水库群生态调度模型

2.1 水库生态调度内涵与准则

水库生态调度是实施环境友好型流域管理的重要举措，是水库调度进入新战略时期后实现流域健康的最新手段。在现行水利工程调度中，自始至终将生态因素纳入其中，并将其提升到一定高度，以达到流域生态健康的目的。以流域整体水资源规划管理为出发点，水库群生态调度则是在库区、供水区及下游区需水分析和补水目标的基础上，以水量分配及供水过程相对均衡为目标，有效调度区域内各水库群及水库自身，用以满足库区、供水区及下游区各供水片区的生态用水需求。

水库群生态调度准则主要有两方面内容：（1）以“三生用水”为调度优先级。在水资源供需矛盾尖锐或配置失衡条件下，“三生用水”优先权顺序应确定为：生活用水→生态用水→生产用水，即首先保障生活和生态用水，再压缩生产用水或通过调整产业结构来降低生产损失。（2）调节雨洪资源适应库区及下游需要。在防洪和生态调度的矛盾中，充分发挥水库群的联合运作模式，严格控制下泄流量，尽量延长泛洪湿地、河滩地等流量过程以达到补水目的。同时，当雨洪资源处于可控状态时，下泄流量控制还应考虑库区及下游河道的“三生用水”需求。

2.2 淮河流域水资源系统概化

根据淮河流域的水系特点，可以将整个流域划分为淮河和沂沭泗河两大子流域，子流域各自独立，不存在地表及地下水资源的交流。淮河子流域有大型水库20 座，总库容155.43 亿m3，控制面积1.78×104km2；沂沭泗河子流域有大型水库18 座，总库容47.18 亿m3，控制面积0.92×104km2。将各子流域水库所辖的多个服务区聚合为一个虚拟供水片区作为计算单元，再根据淮河流域水资源系统的特点［6］，将流域的水资源系统概化成由河流、湖泊、水库、地下水、外来水、需水区等组成的概化网络节点系统，如图1 所示。

图1 淮河流域水资源系统概化节点网络

淮河流域水力关系概化节点由河流、水库、湖泊、需水区、地下水、外来水、回流、径流连接、输送连接构成。概化的节点网络共有36 座大型水库（其中淮河、沂沭泗河子流域各18 座），湖泊5 处（洪泽湖、骆马湖、南四湖、高邮湖、南湾湖），需水区（农业、工业、生活需水区）和地下水储存4 处（江苏区、山东区、安徽区、河南区），2条外来水源（黄河路那里村和长江江都水利枢纽调水），根据流域水资源供给特点对各单元用水、输水、补水关系进行概化。

2.3 计算单元的概化

子流域内一座独立的水库系统，所辖供水片区数为i，对应编号为n（n=1，2，3，…，i）的水源包括三部分：本地水为Lkt、水库供水为Skt和需水为rkt。对于一个虚拟的供水片区（将水库所辖的服务区聚合为虚拟供水片区）而言，聚合不仅包括各虚拟片区之间的聚合，还包括同一虚拟片区内生产生活用水部门和生态用水部门之间的聚合。将当地的聚合水资源量表示为L0t、聚合需水量表示为Rt。计算单元的概化如图2 所示（以响洪甸水库为例）。

响洪甸水库状态描述方程如式（1）所示：

式中：

Vt-1、Vt—t 时段始、末水库库容；

It—t 时段水库外部水源入流量；

图2 计算单元概化示意图

Nt—t 时段天然入流量；

St—t 时段水库对供水片区的聚合供水量；

Dt—t 时段水库损水量；

T—供水总时段数。

为保证不同供水片区（同一水库所辖）分配到各区的水量公平合理，需要引入相对重要度Ψi（n），各聚合供水片区的供水量可以通过供水片区之间Ψi（n）的排序来均衡分配，而Ψi（n）则通过多目标模糊评价模型来评价［7］。流域内同一供水片区水资源配置情况见表1。当同一时段内同时出现缺水和弃水时应予以责罚，即可引入责罚系数φn（m），φn（m）=C（T－t）2/T2，其中，C 为责罚因子，一般取较大正值。最后可得流域内各水库对其所辖供水片区的聚合供水量，表示为式（2）：

式中：

Skt（m）—水库所辖的第k 个供水片区t 时段第m 项供水量；

M—供水片区的总供水项数，M=1，2，3（1-生活用水，2-生态用水，3-生产用水）。

2.4 淮河流域大型水库群生态调度模型建立

将流域内供水过程相对均衡作为大型水库群生态调度模型建立的目标，在雨洪资源处于可控条件下，将满足各虚拟供水片区“三生用水”需求及下游生态补水量作为主要约束条件。同时，对各虚拟供水片区“三生用水”的供水量进行优化调配，最大限度地降低库区、供水区及下游区生态用水“缺口”，保证流域内最小生态用水量及其供水过程持续均衡，以使水库群调度所产生的生态效益最大化。

2.4.1 目标函数

将淮河流域大型水库群生态调度模型描述为式（3）：

表1 淮河流域同一供水片区水资源配置情况

式中：

Rjt-L0jt-Sjt—t 时段j 水库所辖供水片区缺水量；

（Rjt-L0jt-Sjt）/Rjt—缺水率，用来衡量供水片区内水量供需情况；

Rjt—t 时段j 水库所辖供水片区聚合需水量；

L0jt—t 时段j 水库所辖供水片区当地聚合水资源量；

Sjt—t 时段j 水库对其所辖供水片区的聚合供水量；

J—组成水库群的水库数目。

2.4.2 约束条件

（1）水量平衡约束

式中：

Vjt-1、Vjt—t 时段始、末j 水库库容；

Ijt—t 时段j 水库外部水源入流量；

Njt—t 时段j 水库天然入流量；

Sjt—t 时段j 水库对供水片区的聚合供水量；

Djt—t 时段j 水库损水量。

（2）流量约束

式中：

Qjt—t 时段j 水库泄流量，m3/s；

Djt—t 时段j 水库损水流量，m3/s；

Qjmint—t 时段j 水库应保证的最小下泄流量（满足下游“三生用水”需求），m3/s；

Qjmaxt—t 时段j 水库允许最大下泄流量，m3/s；

Qjbt—t 时段j 水库下游河流生态基流（可由Montana 法或相关规定确定），m3/s。

（3）水位约束

式中：

Zjt、Zjt+1—t、t+1 时段j 水库水位，m；

△Zjt—j 水库水位变幅，m；

ε—设定误差；

π—设定时段数。

在水库群生态调度中，为保障水库本身及下游库区安全，水库水位还应满足：

式中：

Zjt，low、Zjt，up分别—t 时段j 水库最低、最高限制水位，m。

（4）非负条件约束

以上所述变量均为非负数。

2.5 模型求解方法

2.5.1 求解算法

本模型采用FS-DDDP 算法［8］求解，从第1 设定时段（即r=1 时）开始，按顺时序尽可能寻找水库调度期间整个调度过程的可行性策略，以最小目标函数作为水库群生态调度的最优解。此外，也可以选取若干个目标函数较小的策略，通过筛选确定满意解。

2.5.2 计算思路

首先，以初始水位为计算起点，按照减少供水片区亏水要求的约束，计算本时段最小下泄流量和允许最大下泄流量。根据水位约束条件进行计算，得出该时段末水库拟达到的水位上（下）限，再根据此水位上（下）限推算出下一时段末水库拟达到的水位上（下）限。同时，因计算时段末（即π 时段末）水库水位应达到设定值，这就要求在满足时段约束条件下，按逆时序确定前一时段（即π-1时段末）水库的水位上（下）限，并据此推算再前时段末（即π-2 时段末）水库的水位上（下）限，以此类推，直到初始时段末。然后，由顺时序和逆时序推算结果得出各时段水库水位上（下）限过程线。

其次，设水库水位在第一时段初为Zt（给定初始水位），根据该时段水库最小、最大下泄流量要求推算，并根据水位变幅要求调整，得到该时段末水库拟达到的最高水位Zt+1，up和最低水位Zt+1，low。

在（Zt+1，low，Zt+1，up）区间内随机选取一水位，作为下一时段的初始水位。

最后，以此类推直至时段末，即可确定N（N＞1）条水库运行的可行轨迹，这N条可行轨迹便是所计算水库运行的可行轨迹组。从该可行轨迹组中任选一条作为初始轨迹，通过DDDP 法逐步寻优即可得到整个水库群运行的最优轨迹。

3 结语

淮河流域是我国东部重要的“生态经济”走廊，笔者从淮河流域整体水资源供需情况出发，提出了本流域水库群生态调度准则，初步建立了解决当前大型水库对淮河流域库区、供水区及下游区生态健康消极干扰的生态调度模型，并提出了该模型以FS-DDDP 算法为基础的动态求解方法，用以实现多生态目标的水库群调度模式的建立。大型水库群生态调度模型体现了流域水资源开发利用进程中，人与自然和谐发展的理念，可为淮河流域生态经济的可持续性发展提供支撑和保障。

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