川西山区河流水电梯级开发减水河段用水分配研究

慕　琳，王应军（.重庆市合川区环境监测站，重庆合川4050；.四川农业大学，四川 成都6830）



川西山区河流水电梯级开发减水河段用水分配研究

慕琳1，王应军2
（1.重庆市合川区环境监测站，重庆合川401520；2.四川农业大学，四川 成都611830）

本文根据白沙河流域水电梯级开发要求，建立水资源多目标优化配置模型。通过求解模型提出白沙河流域水资源优化配置方案，以追求流域社会经济与生态环境综合效益最大化，促进流域协调持续发展。

水电梯级开发；减水河段；用水分配；优化配置模型

前言

随着经济的不断发展，资源利用的矛盾也日益突出。如何正确处理经济效益与生态效益的关系，解决用水分配问题，是有待深入研究的课题。本文根据川西山区河流水资源利用特点，建立流域水资源优化配置模型，进行流域用水分配探讨，为白沙河流域水资源合理开发利用与生态经济可持续发展提供科学依据。

1　水电梯级开发的生态环境影响

水电梯级开发将自然河流变成了人工渠道，对河流水文过程、泥沙输送、水生生物以及河流两岸的自然景观等都有巨大的再造作用［1］。由于水电梯级开发，河流被分隔成许多片段，破坏了河流的连续性，而且引水式电站会使河流形成较长的减（脱）水段，河流的片段化以及减（脱）水段对流域的生态环境影响很大［2］。

2　流域用水分配模型

2.1建模思路

本文按照流域水电梯级开发的基本要求，在构建模型时，其思路为以可用水资源量为前提，在满足流域生态环境需水要求的同时能够使流域获得最大的综合效益。

2.2目标函数

本文选择社会效益、经济效益和生态效益等综合效益最佳为优化配置目标。其中社会效益满足农村人畜用水需求，经济效益满足梯级电站用水需求，生态效益满足河道内、外用水需求。

目标1水资源利用综合效益最大，即社会、经济与生态效益总和最大。

式中：B为流域用水总效益；VL、VI、VE、VA分别为单方生活用水效益，单方经济用水效益，单方生态用水效益和单方农业用水效益；xL、xI、xE、xA分别为地表水生活分配用水量，地表水经济分配用水量，地表水生态分配用水量和地表水农业分配用水量；x′L′、x′E、x′A分别为地下水生活分配用水量，地下水生态分配用水量和地下水农业分配用水量。

目标2基本生活用水必须得到满足，即满足流域居民和牲畜用水。

式中：Wl为生活用水量；ki为人均用水定额，Ri为人口总数；kjs为j类牲畜平均用水定额，Rjs为j类牲畜数量；J为牲畜种类。

目标3流域生态环境用水要求必须得到满足，即减水河段总缺水量最小。

式中：Qs为减水河段总缺水量；Qd，it为i电站t时段的下泄水量；Qa，it为i减水河段t时段的上游来水量；Qm，it为i减水河段t时段的区间来水量；We，it为i减水河段t时段的生态需水量；I为减水河段总数；T为时段总数。

目标4流域经济用水效益最大，即梯级电站发电效益最大。

式中：BI为流域总发电效益；Nit为i电站t时段平均出力；Cit为i电站季节性电能价格；△T（t）为t时段长度；I为电站总数；T为时段总数。

2.3约束条件

2.3.1水量平衡约束

式中：QT为总用水量；QL为生活用水量；QI为经济用水量；QE为生态用水量；QA为农业用水量；QP为水资源量；Qup为地表水量；Qdown为地下水量。

2.3.2生态需水量约束

（1）总量约束

式中：We，t为t时段流域总生态需水量；Win，t为t时段河道内生态需水量，Wout，t为t时段河道外生态需水量。

（2）需水量约束

式中：Qt为t时段河流流量；Wet，min为t时段内维持流域基本生态环境功能水量；Wet，max为t时段内维持流域最佳生态环境功能水量。

2.3.3生态用水量约束

（1）总量约束

式中：QE，t为t时段流域总的生态用水量；QE，kt为t时段第k个生态用水对象的生态用水量。

（2）用水量约束

当 QE，t≥Wet，min时，满足：Wet，min≤QE，t＜Wet，max

式中：Wet，min为t时段内维持流域基本生态环境功能水量；Wet，max为t时段内维持流域最佳生态环境功能水量。

2.3.4生活用水约束

式中：Wl为生活用水量；ki为人均用水定额，Ri为人口总数；kjs为j类牲畜平均用水定额，Rjs为j类牲畜数量；J为牲畜种类。

2.3.5电站出力约束

式中：Nit为i电站t时段平均出力；Nit，min为i电站t时段允许最小出力；Nit，max为i电站t时段允许最大出力。

2.3.6发电流量约束

式中：Qe，it为i电站t时段平均发电流量；Qe，it，min为i电站t时段允许最小发电流量；Qe，it，max为i电站t时段允许最大发电流量。

2.3.7电站大坝水位约束

式中：Vit为i电站t时段大坝水位；Vit，min为i电站t时段允许最小大坝水位；Vit，max为i电站t时段允许最大大坝水位。

2.3.8电站大坝下泄流量约束

式中：Qd，it为i电站t时段平均下泄流量；Qd，it，min为i电站t时段允许最小下泄流量；Qd，it，max为i电站t时段允许最大下泄流量。

2.3.9变量非负约束

2.4模型参数的确定

2.4.1需水量及其上、下限

生态需水量、生活需水量和农业需水量上、下限采用文献［3］数据。

2.4.2用水效益

流域用水效益的计算采用文献［4］的方法，其结果详见表1。

表1　白沙河流域各用水部门的用水效益

2.4.3权重系数

权重系数wi是某个目标相对其它目标而言的重要性程度。本文根据白沙河流域具体情况，采用层次分析法（AHP）［5］确定权重，其结果详见表2。

表2　白沙河流域各目标用水权重系数

2.4.4电站参数

梯级电站参数由白沙河流域梯级开发电站设计报告和环评报告获取，详见表3。

表3　白沙河流域梯级开发电站参数

2.5模型求解

3　实例研究

白沙河流域经济用水主要为梯级电站用水，生态用水为河道及两岸生态环境用水，生活用水为居民及牲畜用水，农业用水为农作物及经济作物用水。本文以白沙河流域2010年和2020年不同设计保证率（P=50%、P=75%）的需水和现状供水以及梯级电站开发情况为依据，拟定模型参数，利用MATLAB遗传算法工具箱（GAOT）［7］求解，得到白沙河流域水资源优化配置结果。

白沙河流域2010年和2020年在不同设计保证率 （P= 50%、P=75%）下水资源配置状况详见表4～5。在经济高效型发展方案中，经济用水和生活能够得到满足，生态用水和农业缺水严重，2010年生态缺水率分别为29.28%和43.98%，农业缺水率分别为25.11%和 27.05%，2020年生态缺水率分别为33.33%和48.08%，农业缺水率分别为26.20%和27.99%；在生态环境保护型发展方案中，生活用水和生态用水能够得到满足，农业用水基本能够得到满足，缺水严重，2010年经济缺水率分别为 11.80%和 17.48%，2020年经济缺水率分别为13.13%和18.75%；在生态环境与经济协调型发展方案中，生活用水能够得到满足，农业用水基本能够得到满足，经济用水与生态用水均有一定程度缺水，2010年经济缺水率分别为5.31%和9.82%，生态缺水率分别为16.66%和19.67%，2020年经济缺水率分别为6.77%和10.15%，生态缺水率分别为16.67%和22.48%。

表4　白沙河流域不同水平年P=50%保证率水资源优化配置结果

表5　白沙河流域不同水平年P=75%保证率水资源优化配置结果

4　结语

本文以川西山区白沙河为研究对象，针对流域水电梯级开发减水河段影响，建立以社会、经济和生态环境为目标的水资源多目标优化配置模型，提出水资源优化配置方案。研究表明，通过水资源优化配置，各用水部门协调用水分配，缺水情况能够得到缓解，其中生态环境与经济协调型发展方案效果最佳，水资源能够合理分配，为加强流域经济发展、生态环境保护和水资源开发利用等提供帮助。

［1］张承龙.水利水电项目的景观环境影响评价［J］.云南水利水电，2003，19 （1）：51～54.

［2］刘兰芬.河流水电开发的环境效益及主要环境问题研究［J］.水利学报，2002（8）：121～128.

［3］杨军.引水式电站大坝最小下泄生态流量实例分析［J］.小水电，2007 （3）：24～25.

［4］陈兴茹，刘树坤.经济合理的生态用水量及其计算模型（Ⅰ）-理论［J］.水利水电科技进展，2006，26（5）：1～6.

［5］朱成涛.区域多目标水资源优化配置研究［D］.河海大学，2006，36～37.

［6］王洪波，王宏伟.查哈阳灌区水资源多目标优化配置模型及其应用研究［J］.中国农村水利水电，2007（7）：47～50.

［7］杜 东，马 震，孙晓明.MATLAB遗传算法工具箱（GAOT）在水资源优化计算中的应用［J］.水利科技与经济，2007，13（2）：73～78.

王应军（1972-），男，四川成都人，教授，毕业于四川农业大学，主要从事环境水利、环境生物工程等方面的研究。

TV213.2

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2095-2066（2016）10-0042-03

2016-3-8

慕 琳（1981-），男，重庆江津人，中级工程师，主要从事环境监测工作。