考虑生态流量分级约束的跨流域引水与供水优化调度研究

　，

(天津大学 a.建筑工程学院; b.水利工程仿真与安全国家重点实验室， 天津　300072)

1　研究背景

为应对辽宁中部地区2030年的用水需求，辽宁省发展和改革委员会批准建设大伙房水库输水工程，引取浑江水源至大伙房水库存放并分配运用。引水原则是在丰水期(6—9月份)引取浑江流域的多余水量，利用浑江桓仁水库下游电站作为调节池，经输水隧洞自流引水至苏子河，然后汇入浑河流域的大伙房水库调蓄运用，工程设计输水规模17.88亿m3/a，浑江流域天然径流总量为73.97亿 m3，平均年际引水量占浑江流域丰水期流量约17%。经过设计论证，该工程对浑江下游流量影响较小。

在大伙房水库输水工程运行规程中，规划了经85.31 km输水隧洞输水至苏子河后入大伙房水库，工程设计输水流量70 m3/s，以及丰枯水期的旬引水量，且就引水对流域的径流量影响进行分析，该引水规则可以满足2030年的生产生活需求，也将满足生态环境用水需求；本研究针对大型引水工程改变了河流自然流态、受水城区生产生活用水与生态环境用水矛盾突出等问题，以大伙房输水工程引水量为参考标准，同时将浑江流域下游与浑河流域大伙房水库下游的生态环境需水量加以考虑，设计引取浑江流域水量的各旬比例，将引水时间分散在一年四季，避免在丰水期大伙房水库无法提供足够库容时依然容纳浑江水源的情形，各时间段不同引水量满足供水调度的高标准要求，同时让河流生态水量趋近自然水平[1]。

本研究将大伙房引水与供水工程联合调度，根据浑江流域不同时期设计相应取水比例，引至大伙房水库存放并提供调度使用，以期达到最佳取水量，能满足两流域的生产生活需水要求，同时满足河流生态环境需水要求。

2　研究方法

2.1　河流自然流态与环境流态因子

人类为了合理利用水资源及防范洪水灾害，在河道上兴建堤防大坝等水利防洪枢纽工程，虽然满足了城区生产生活上的用水需求，但也改变了河流自然形态。随着丰枯水期的更替变换，河川流量在量、频率、延时、时间上发生变化[2-4]，形成不同流态的5个元素：量、频率、时滞、时间、变化率，会直接或间接通过水质、能量来源、物理栖息地与生物交互作用等因素影响生态完整性。流域自然流态表明河川流量自然变化的特性与河流健康指标高度相关，人为水利工程改变了原有的变化特性进而严重破坏河流生态系统，因此恢复河流自然流态是河流生态流量管理的重要目标[5-7]。

保护生态多样性是生态系统管理的目标之一，流域管理部门面对复杂的自然生态系统，需要对生态系统结构、功能及变化有清晰理解。有关学者开发了水文改变指标方法，利用水文参数提供生态信息，对水文数据进行分析。并提出计算河流变化幅度的方法，评估自然河流与人类扰动后河流的水文变化差异程度[8-9]。由于水文改变指标在使用上不容易被流域机构管理及分析人员应用，在整合水文改变指标的特性后又提出了环境流态因子，即将流量由小到大排序后分为5个等级，共计N个流量值，将最小的流量值作为第1个流量值。其分级标准以流量的中间值(第50%N个流量值)作为区别高低流量的值，再取第5%N个流量值定为极端低流量值，另外将第75%N个流量值视为高流量级的上限，即第50%N—第75%N个流量值定为高流量，最后分别找出2～10 a与10 a一遇洪水事件对应的流量定义为小洪水和大洪水级别。各分级中涵盖了量、频率、延时、时间及变化率5个流态特性的数学统计量，应用方法与水文改变指标相同[10-11]。

2.2　改进遗传算法

遗传算法是一种人工智能算法，最早于1975年由美国密歇根大学的Holland提出，是模拟自然界生物遗传演化方式而建立的一套优化方法，发展至今已被广泛用于各个领域[12-13]。使用遗传算法需要的假设条件较少，不用依赖函数的数学特性，因此具有更广泛的应用性。

水库长期运行的规划问题变量数量多且限制较为复杂，传统的线性规划不易求得最佳解，过去已有许多应用遗传算法求解水库运行管理问题的研究。如以遗传算法求解一个聚合水库群系统，此系统是由2个水库串联后和另一水库并联，再合流进入下游的一个水库，其目标为在考虑水库蓄放水条件的限制下，求得水库发电效益与供水灌溉的最大利益，研究结果说明了遗传算法于水资源系统分析领域的重要发展潜力，且证明了遗传算法的计算技巧优于动态规划法[14-15]；还有学者也考虑自然流态的变化特性，将自然流态变化特性引进水资源管理的重要应用研究[16-17]。

使用遗传算法求解优化问题时，必须先确定模型的目标函数、限制条件、决策变量及搜寻空间。将仿生物学中的染色体决策变量转换成以0和1表示的二元字符串形式，字符串中各个位元即相当于基因，再根据目标函数决定此染色体的基因排列状况的适合度，经由遗传算法的3个主要运算单元(选择、交配、突变)来推动机制，不断繁衍出具有更高适合度的子代，此法被称为简单遗传算法，演化步骤如下：

(1)初始化。建立初始解群体。

(2)评价。评估群体的每个个体，当达到设定的评估条件即终止运算。

(3)选择。保留适合度较高的个体。

(4)遗传推演。通过交配与突变产生新个体加入群体，得到子代族群。

(5)迭代。重复步骤(2)到步骤(4)，直到满足设定的条件。

3　研究区域与方法

3.1　区域分析

大伙房水库属于浑河流域，位于辽宁中部地区的浑河的中上游，坐落在抚顺市东郊，水库控制集水面积5 437 km2，占浑河全流域面积的47.4%。总库容22.68亿 m3，兴利库容12.96亿 m3，校核洪水位139.31 m，设计洪水位136.62 m，防洪限制水位126.40 m，历史最高洪水位136.46 m。大伙房水库是一座以防洪、城市供水、灌溉为主，兼顾发电等综合利用的大型水利枢纽工程。

以大伙房输水工程和大伙房水库等骨干蓄水水库为核心的辽宁水资源工程体系，主要任务是解决辽宁中部地区城市群的生活、生产和生态需水要求。

大伙房水库输水工程是一项大型跨流域引水工程，自辽宁省桓仁县的浑江桓仁水库坝下凤鸣电站库区自流引水，经过85.3 km的输水隧洞，将水引至新宾县苏子河的穆家电站下游，经苏子河汇入大伙房水库，并经其反调节再向浑河地区的抚顺、沈阳等多座城市供水。该工程包括水源调蓄的凤鸣水库、反调节的大伙房水库、输水隧洞及进、出口工程，整个引水工程跨桓仁、新宾两县。整体工程位置如图1所示。

图1　大伙房引水与供水工程体系Fig.1　System of water diversion and water supply ofDahuofang reservoir

辽宁省大伙房水库输水工程调出区范围为整个浑江流域。浑江位于吉林省的东南部、辽宁省的东部,西与辽河中下游的太子河、浑河流域相邻,全长435 km，流域集水面积15 414 km2，天然年径流量73.97亿 m3，人均水资源占有量为4 187 m3，是水资源较为丰富的流域。

大伙房水库输水工程对于浑江流域径流量的影响，就长期而言，年均实际引水量约占浑江径流量的17%。引水运行期间原则为：丰水期将浑江水量引至浑河流域苏子河放流，以供下游大伙房水库蓄存利用，当流量>200 m3/s时，考虑原水浑浊度过高，不满足供水条件；当流量小于下游水量、生态基流量与河道渗漏保留量三者的总和时，也不满足供水条件；苏子河流量若大于上述的保留量时，将引取剩余的河流水量或引水隧洞的输水容量两者中较小的水量。

大伙房水库的兴利调度依据水库运行规线执行，如图2所示。

图2　大伙房水库运行规线Fig.2　Curves of operation rule of Dahuofang reservoir

运行说明如下：

(1)蓄水量超过上限时，根据各目标需要，泄洪使其降至上限水平为止。

(2)蓄水量在上限与下限之间时，按各目标基准供水量供应。

(3)蓄水量在下限与限制水位之间时，家用及公共服务用水按照基准供水量供应，农业与工业用水水量则按基准供水量的75%供应。

(4)蓄水量在限制水位以下时，家用及公共服务用水按基准供水量的80%供应，农业与工业用水水量则按基准供水量的50%供应。

本研究中大伙房水库各目标水量是依据2011年的水权分配量推估2030年的生产生活生态、需水量作为模型演算基础数据。按照大伙房输水工程目标，在满足2030年的用水需求条件下，需要每日增加50万 m3的可用水量，因此，推估方法是以2011年的水权量加上跨界输水工程的年取水量作为2030年的用水总量，再根据各旬水量所占的比例进行分配，其公式为：

D30=D11+50×365,

(1)

(2)

式中：D30为2030年的年水权量；D11为2011年的年水权量；D30i为2030年的第i旬年水权量；D11i为2011年的第i旬年水权量，i=1,2,…,36。

本研究结合浑江流域与大伙房水库数据，取1990—2012年共24 a的旬流量作为优化模型操作的流量数据。

3.2　模型建立

建立优化模型时先要确定目标函数，本研究的优化目标有：

(1)生产生活需求子目标。满足浑江下游与大伙房水库地区各用水目标需水量。

(2)生态需求子目标浑江桓仁水库下游与大伙房水库下游环境流态因子落在阈值标准内的年数接近50%。

优化模型运行流程如图3所示。

图3　优化模型推演流程Fig.3　Flow chart of optimization model

首先采集分析浑江流域与大伙房水库的流量数据，由大伙房水库出入库流量数据推估水库南岸取水口流量，原浑江水量经过跨流域引水后，部分水量引到大伙房水库，其余水量就可以计算浑江流域的人类缺水目标与环境流态因子；大伙房水库除了原有入库流量以外，再加入浑江流域引水量，从水库南岸取水部分计算生产生活缺水目标，进入浑河下游的部分流量计算环境流态因子。

本研究以遗传算法寻找优化模型的最佳解，其各参数的设定值如表1所示。

表1　遗传算法参数设定Table 1　Parameters for genetic algorithm

4　优化结果分析

4.1　目标设定与权重分配

本研究优化模型的目标包括浑江流域和大伙房水库计算缺水量目标、连续缺水旬数目标与环境流态因子目标各2组，共6个子目标，运行期间为1990—2012年，数据的时间单位为旬；通过对模型结果进行分析与讨论，比较优化模型与原跨流域输水工程实施的取水量、优化水库蓄水规线与水库运行调度规线，然后再分配6个子目标不同权重进行定量分析。

模型中6个子目标初始权重分配如表2所列，生产生活与生态需水比例为6∶4，在生产生活需水方面，由于2030年需水量在浑江流域为142 670万 m3，在大伙房水库为431 500万 m3，大伙房水库地区需水量约为浑江流域调水区的3倍，因此给予大伙房水库3倍于浑江的权重值，而生产生活需水目标包含缺水量与连续缺水旬数2个目标，考虑到某一时期的高缺水量远比长时间低缺水量对区域生产生活的影响更为严重，因此再给定这2个目标的权重比例为9∶1；生态需水方面，考虑到目前的运行规程中，排放到大伙房水库下游河流的水量并没有遵循自然流态规律，即提供有变化的流量，而浑江流域则还是较为自然的河流，因此模型中给予浑江流域较大的权重。整体分析，浑江与大伙房水库所占比重为0.45∶0.55。通常权重的设定是在同时考虑不同因子时遇到的主要技术瓶颈，权重可依据管理部门运行目标进行调整，设定目标则应整合利益相关人的考虑，从而得到最佳权重分配。

表2　优化模型权重分配Table 2　Weights allocation for optimization model

本研究在环境流态因子选择上配合水库运行以旬作为单位，以每年丰枯2期作为分区，本优化模型结果的引水比例：每旬0～2 000万m3(低流量)时为河川流量的5%，2 000万～10 000万 m3(中流量)时为38%，10 000万～20 000万 m3(高流量)时为40%，运行期间24 a的平均年引水量为17 242万 m3，较原规程量减少638万 m3。

本研究中水库运行的36个旬蓄水量构成水库运行规线，当水库蓄水量大于此规线时需放水至规线位置，小于此规线时依照水库运行规线操作。因大于规线时，就表示有降水过程造成足够水量储存，多余水量放给下游，让下游河流生态环境具备流量变化多元性。根据规则运行，在1990—2012年期间，最大满足生态环境与生产生活需水目标的水库运行规线，保证此规线在未知的水文条件下，依然能够满足大伙房水库运行条件。优化结果的水库运行规线如图4所示。

图4　大伙房水库优化模型蓄水规线Fig.4　Rule curves of water storage foroptimization model

图5　不同条件下浑江缺水量和最大连续缺水旬数比较Fig.5　Comparison of water deficiencies in Hunjiangriver basin and maximum consecutive 10-dayperiod of water shortage among different conditions

4.2　浑江流域生产生活需水目标分析

在浑江流域生产生活需水目标的部分，将本研究的优化模型取水结果与不取水、原规程输水量结果比较，图5(a)为缺水量比较，结果为不取水表现最好，其次为优化模型，原规程输水量表现最差，并且与前两者有显著差距。其中原规程输水量的平均缺水量为36 858万 m3，优化模型的缺水量为21 365万 m3，相差15 493万 m3；图5(b)为最大连续缺水旬数比较，原规程输水量与其他两者的最大连续缺水旬数相比，有9个年度表现较差，1个年度表现较好，整体而言仍是不取水表现最好，其次为优化模型，原规程输水量最差。由此比较结合上述年平均引水量计算得知，优化模型的取水结果可使浑江流域的生产生活用水条件宽松，较不易发生缺水情况，其年总引水量仅比原计划取水多保留了638万 m3，但却减少了15 493万 m3的缺水总量。

4.3　大伙房水库生产生活需水目标分析

在大伙房水库生产生活需水目标的部分，将本研究的优化模型结果与水库运行规线、原规程2种情况缺水量进行比较，如图6(a)所示。从图6(a)可看出,水库运行规线表现明显优于其他2种情况，而原计划量的平均缺水量为18 453万 m3，优化模型的缺水量为20 576万 m3，优化模型比原规程输水量约少了2 123万 m3，若扣除优化模型的平均引水量较原规程输水量少638万 m3的因素后，仍有1 485万 m3水量的差距，因此在大伙房水库缺水量这项目标，优化模型的结果是较差的。

图6(b)为最大连续缺水旬数的比较。最大连续缺水旬数分析中，水库运行规线的表现最差，原规程输水量除了2个年度表现优于优化模型外，整体表现是优化模型最好。原规程输水量与优化模型2个方案的差异在于取水时间与取水量差异，优化模型在枯水期也会取水，减少了大伙房水库枯水期间缺水的情况，因此在最大连续缺水旬数的结果比较好，但也因此造成枯水期间取水后，水库蓄水量高于优化蓄水规线的量较多，结果必须排放这些水量，导致优化模型有较多缺水量。因为每年枯水期的水库水量与入库流量情形都不一样，在进行遗传算法推演时，是以同一个标准对每年的情形进行评估，而得到平均结果。从图6(b)中也可以看出，整体而言，优化模型的缺水量较原规程输水量方案多，但并不明显，甚至有些年的缺水量依然比原规程量方案少，因此认为此优化蓄水规线是可以被接受的。

4.4　浑江与大伙房流域环境流态因子目标分析

在环境流态因子目标部分，以50%的发生年数在阈值范围内，为最佳状况(分数为1)。表3中，浑江依照原计划引水后的环境流态因子于1990—2012年结果的平均值为0.69，采取优化模型方案引水后的环境流态因子增加为0.77；大伙房水库部分，依照原设计引水量进行优化蓄水规线操作得到的环境因子为0.21，采取优化模型引水量进行优化蓄水规线操作得到的环境流态因子为0.60。

图6　不同条件下大伙房水库缺水量和最大连续缺水旬数比较Fig.6　Comparison of water deficiencies in Dahuofangreservoir and maximum consecutive 10-dayperiod of water shortage among different conditions

区域环境流态因子原规程输水量优化模型浑江流域0．690．77大伙房水库0．210．60

表4将浑江细分为5个组别进行比较，其中小洪水表现变差，高流量持平，其余3组则是趋好，其原因可能是规程输水量为限制在丰水期取水，但丰水期间有可能有流量较小的情况发生。如果该旬的流量是属于极端低流量或每月低流量，就会造成取水后这2组数据有较大幅度降低。而优化模型的取水是流量大小发生变化，流量小的时候取水少，影响不大；流量大时取水多，就会对小洪水与大洪水有较大的影响。

表4　浑江原规程量与优化模型各组环境流态因子比较

表5为大伙房水库5个组别环境流态因子的比较，其中极端低流量和低流量的优势不大，但所有组别均有提升，这是因为模型中考虑了生态环境用水量，且丰水期间大伙房水库入库流量本来就多，再加上从浑江流域引来的水量也较多，因此高流量和小洪水组别的改善程度特别大。

表5　大伙房水库原规程与优化模型各组环境流态因子比较

综上，优化模型在浑江流域生产生活缺水指标、浑江流域环境流态因子与大伙房水库流态因子3方面均有较好的表现，在大伙房水库生产生活缺水指标方面，最大连续缺水旬数仍表现较好，但缺水量的部分，优化模型比原计划方案多了约2 123万 m3的缺水量，这是整个优化模型结果唯一与原计划方案相比欠缺的地方，但若整合浑江流域减少15 493万 m3缺水量后，优化模型的整体缺水量还是比原计划方案少了13 370万 m3；因此，就两流域整体来看，本研究所提的优化模型具有比原计划方案更好的运行结果，将取水时间分散到全年相比集中在丰水期取水效果更好。

5　讨　论

由于优化蓄水规线是在原有的水库运行规线调度规则的基础上增加的一条调度规则，约束条件愈多将造成缺水量相应增加，但缺水量增加幅度过大则会降低该优化蓄水规线的运行效果。为了分析该优化蓄水规线运行的缺水量远远低于水库运行规线调度规程的原因，本研究对历史水文数据进行筛选，依据各年的旬流量数据对24 a平均的旬流量数据的均方根误差判别其数据变异程度，由此变异程度选择3组历史数据进行优化模型计算。3组历史数据分别为①10 a：24 a流量资料中变异程度最小的10 a数据；②18 a：从24 a流量资料中淘汰变异程度最大的6 a；③24 a：24 a流量数据全部采用。同时为了减少其他可能干扰因子，调整模型中各子目标权重如表6，模型结果列于表7，第③组的取水量略高于第①、第②组;对于缺水量的部分来说，水库运行规线运行下的第③组略低于第①、第②组;但优化蓄水规线运行操作的情况则是随着采用数据年数的增加而增加，显示当数据变异程度增加时，缺水情况将更加严重。此外，分别比较3组算法中优化蓄水规线与水库运行规线的缺水率的差异，第①组相差0.05，第②组相差0.08，第③组相差0.11。可见当历史采集水文数据变异程度缩小后，优化蓄水规线运行的缺水结果和水库规线运行结果愈接近；另外，水库运行规线的调度弹性较优化蓄水规线大，在水库调度规线运行中可容许一些旬蓄水量陡增的情况，但同样的情况在优化蓄水规线的运行中，则可能无法容纳某一旬时间内如此大的蓄水增加量，因此判定优化模型在大伙房水库缺水表现较差的原因与水文情势扰动过大相关。

表6大伙房水库缺水原因分析中的权重分配
Table6WeightvaluedistributioninwatershortageanalysisforDahuofangreservoir

区域子目标权重缺水量连续缺水旬数环境流态因子合计浑江流域0．450．0500．5大伙房水库0．450．0500．5

表7大伙房水库缺水原因分析中取水量、缺水量、缺水率比较
Table7Comparisonofwaterintake,waterdeficiency,andwatershortagerateforDahuofangreservoir

周期/a运行规则取水量/(万m3)水库缺水量/(万m3)水库缺水率101824优化模型1078591663200．70水库运行规程1078591107050．75优化模型1071421823600．67水库运行规程1071421093640．75优化模型1124371905260．66水库运行规程1124371004600．77

在连续缺水旬数上，水库运行规线的调度中当水库蓄水量低于规线下限时，运行操作会进行限量供水，而枯水期间水库进水量比供水量小，以致水库蓄水量持续低于规线下限，因此造成连续缺水旬数增加；但在优化模型的计算中，因为考虑了连续缺水旬数等指标，当连续缺水旬数过大，模型就可能选择某一旬充分供水以中断连续缺水旬数的累加，因此优化模型的连续缺水旬数表现较好，连锁影响到缺水指标的表现。

综合此分析结果，水库运行管理部门可以依其对不同区域生态或生产生活用水重视程度调整本优化模型的权重分配，而获得满足供水调度用户使用较为满意的取水比例与水库蓄水规线；适当的权重分配，将有助于达到生产生活与生态用水的平衡。在水资源管理决策上，本优化模型提供了对决策者具有参考价值的结果。

6　结　论

本研究采用遗传算法模拟跨流域引水与供水水库联合调度过程，重点考虑两流域生态需水要求，建立水库运行优化模型，与目前传统倾向于供给侧的供水模型形成明显对比，即以需求侧为主导，解决我国北方城市群水资源短缺、生产生活用水与生态环境用水矛盾突出的问题。得出如下结论：

(1) 本研究的优化模型结果在浑江流域生产生活需水目标分析中，原计划平均缺水量36 858万 m3，优化模型的缺水量为21 365万 m3，缺水量相差15 493万 m3；在大伙房水库生产生活用水量目标表现略差，原计划量的平均缺水量为18 453万 m3；优化模型的缺水量为20 576万 m3，优化模型比原规程输水量约少了2 123万 m3的缺水量。在大伙房水库与浑江流域环境流态因子分析方面，优化模型的环境流态因子平均值为0.77和0.60，而原设计输水的环境流态因子平均值分别为0.69与0.21。整体而言，本优化模型在辽宁中部地区水利工程联合调度过程中具有可操作性，本研究可为今后水资源可持续利用与管理决策提供重要参考。

(2) 依据整体生产生活缺水与整体环境流态因子的权重，设定了20种模型子目标的权重分配组合，模型能够恰当地反映缺水量与环境流态因子两者间的相关性，水库调度运行与管理者可以依需要调整权重，获得满足需水条件的引水比例与水库蓄水规线。

(3) 采用遗传算法搜寻引水比例与水库蓄水量最佳解，同时运算浑江引水比例与大伙房水库蓄水规线等决策变量，结果证明遗传算法可以较好地解决多组不相关决策变量优化建模问题。

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