考虑生态流量的小流域水库群联合调度研究
2019-06-01彭辉,刘图,杨洵,徐炜
彭 辉,刘 图,杨 洵,徐 炜
(1. 长江水利委员会 长江上游水文水资源勘测局,重庆 400020; 2.重庆市地质矿产勘查开发局 南江水文地质工程地质队,重庆 400074; 3.重庆交通大学 河海学院,重庆 400074)
水利工程的修建很大程度上实现了兴水利、除水害的实际需求,但改变了河流上、下游的物质场、能量场及生物场分布[1]。传统的水库调度方式侧重于发挥防洪与兴利效益,对生态环境考虑较少。将生态作为调度目标之一,保护和改善库区及下游河道生态环境已成为水库调度发展的重要趋势[2-3]。
随着国家重视程度的加大,水库生态调度的研究内容和研究方法取得了很大的进步。蔡其华[4]曾明确提出完善现有水库调度方式的思路和方法,保护下游河道生态系统和库区水环境。钮新强[1]针对三峡工程提出了改善长江口咸潮入侵情况和有利于四大家鱼产卵的调度方式。随后,针对大中流域的水库及水库群生态调度及其对水生生物的影响研究得到了快速发展,并在不同流域针对不同的水生生物的生态流量计算及水库调度方式取得了较多的研究成果[5-7]。大中流域的水库群生态调度主要依靠干流主要控制水库对生态流量进行调控[8-11]。相对小流域而言,大中流域受到的关注度更高,涉及的主要水库数量有限。
小流域水资源总量十分有限,各部门之间的用水存在竞争性,兴利、生态矛盾比较突出[12],且多数水库在以往的调度过程中没有特别考虑下游河流生态系统的需求,生态流量的满足长期得不到重视,造成部分河段生态需水要求长期得不到满足,生态环境退化[13]。另外,小流域内塘坝及小型蓄水工程数量众多,其水力联系复杂,影响因素众多,增加了调度的复杂性[14]。
开展水库群生态流量调度研究,可为流域生态调度提供方案,实现改善小流域河道生态环境的目的。为此,本文以重庆市龙溪河流域为研究实例,结合龙溪河流域径流特点及生态调度实际需求,建立考虑生态需求的水库群多目标联合调度模式,研究成果可为龙溪河流域以及重庆市区域内水库群联合生态调度提供理论与技术支撑。
1 流域水库群调度模型
在明确水库群拓扑结构、来水及用水基础上,构建小流域水库群供水、发电及生态调度多目标模型,包括调度规则形式的确定、目标函数构建、决策变量声明以及约束条件的确定。
1.1 水库群调度目标优先原则
为了实现小流域水库群的综合调度,发挥全流域水资源最大效益,必须综合考虑发电、供水及生态的需求[15]。从实际情况出发,结合流域生态需水过程、联合调度模型,确定流域内水资源的配置优先顺序。
(1) 城镇生活及工业用水为优先供水,属于区域内的最高供水等级,具有较高的供水保证率;
(2) 优先供给城镇生活及工业用水后,视水库蓄水情况而定,只要水库蓄水水位不低于死水位,则可继续满足生态用水;
(3) 灌溉、发电和生态用水的优先顺序低于城镇及工业用水,发电和灌溉用水按照调度图进行供水;
(4) 发电和灌溉用水目标供水等级相同,二者用水之间存在竞争关系,即某一个供水目标供水增加,则另一个目标供水减少。当供水量较大,流域水资源缺乏时,水库蓄水水位跌至死水位,城镇生活及工业、生态供水将会被破坏[16-17]。
1.2 供水调度规则
调度图以操作简便、直观等优点,在我国的水库调度中得到广泛运用,是指导水库运行的重要工具,其合理与否直接决定水库效益的好坏。本文针对水库供水和发电分别建立调度图,采用调度线将水库运行区间划分成多个区域,根据水库蓄水状态实现不同用水目标的调度[17]。根据不同用水目标的优先级高低和保证率要求,确定各条限制线的相对位置。如图1所示,2条调度线将水库库容划分为3个调度区,按照表1的规则进行调度运行。
调度区供水调度城镇工业农业发电调度Ⅰ区正常正常正常Ⅱ区正常限制ψ1μ1倍保证出力Ⅲ区限制β1限制ψ2μ2倍保证出力
注:表中β1,ψ1,ψ2,μ1和μ2分别为限制系数。
调度图中,限制系数需要根据不同水库的供水特点选择。本文在城镇工业供水中限制系数β1取值为0.8;农业供水限制系数ψ1和ψ2分别为0.7和0.5;发电调度的限制系数μ1和μ2分别为1.5和0.8。
1.3 多目标调度函数
通过流域水库群联合调度发挥水库间的补偿作用,在满足用水目标保证率约束的基础上,使流域内水资源利用率最大,供水缺水量最小。为此,本文将城镇供水量、农业供水量、发电量作为目标函数。考虑到缺水量不仅体现在总量上,还体现在时段分布上,因此将供水保证率作为惩罚,加入到多目标调度的求解中。目标函数的具体表达式如下。
(1) 农业灌溉供水量最大。
maxf1(x)=
(1)
(2) 城镇生活及工业供水量最大。
maxf2(x)=
(2)
(3) 水电站群发电量最大。
maxf3(x)=
(3)
(4) 生态流量缺水量最小。
(4)
判断农业灌溉供水、城镇生活工业供水、发电等是否满足保证率要求,若不满足保证率条件,则采用式(5)对目标函数进行惩罚。
Punish(Qagr,i,t,Qind,i,t,Ehypow,i,t)=
(5)
上述各式中,N为长系列调度总年数;Qagr,i,t、Pe,agr,i,t分别为水库i在第j时段的农业供水量和保证率要求;Qind,i,t,Pe,ind,i,t分别为水库i在第j时段的工业供水量和保证率要求;Ehypow,i,t,Pe,hypow,i,t分别为水库i在第t时段的水库群发电量和发电保证率;Qeco,i,t为水库i在第t时段的生态供水量;Punish(·)为供水目标不满足保证率的时候,赋予的惩罚函数;αi,βi分别为惩罚系数。
1.4 联合调度模型求解
本文采用多目标遗传算法(NSGA-II)绘制水库群联合调度的调度图。NSGA-II因其具有全局并行搜索、原理简单、操作方便、占用内存少、鲁棒性强等优点,在制定水库优化调度规则的过程中展现出良好的性能,在水库群的多目标优化调度中的应用较为广泛。
2 实例分析
2.1 流域概况
龙溪河位于重庆市北部,是长江上游干流左岸一级支流,河长约229.8 km,流域面积3 280 km2,河口多年平均流量54 m3/s。流域上游开阔、地势平坦、农业发达,下游陡峻、多急滩和瀑布,水能资源丰富。流域内暴雨集中在5~8月,尤其以7月份出现最多。流域流经重庆境内梁平、垫江、长寿3个区县,受人类活动影响明显。
2.2 水库群调度模式构建
本文以龙溪河流域内115座水库及水电站为基础,开展流域水库群的联合调度研究。115座水库和水电站中,小(二)型水库占据绝大多数,见图2。
图2 龙溪河流域水系与电站位置Fig.2 Water system and power station location in Longxi river
为了使研究成果更具有可操作性,将水库分3类:① 调节能力差,处于流域支流上游,主要以村镇供水和农业灌溉供水为主的水库;② 调节能力差,处于干支流,主要以发电为主的拦河坝等小型水库;③ 具有较大库容,且调节能力较强,以供水、灌溉和发电等为主的综合性水库。
(1) 第1类。水库调节不采用调度图控制,供水按照城镇供水、灌溉的需水过程进行调节,供水至死库容则供水破坏。调度过程和水库实际调度情况具有较强的耦合性,基本能反映此类水库的调度方式(分类原则:兴利库容小于300万m3的水库)。
(2) 第2类。水库发电不以调度图控制,发电按照径流式水电站发电过程进行调节计算,基本处于来多少水发多少电的调度方式(分类原则:兴利库容小于300万m3的水库)。
(3) 第3类。水库具有较强调节能力,建立供水和发电调度,指导城镇和灌溉供水以及发电调度。
2.3 水库群调度效益对比分析
将生态作为供水目标考虑到水库调度中,需明确生态供水目标,计算河道生态需水量。生态需水量的计算模型较多[18-20],本文采用Tennant法制定出3种下游河道的生态流量需水过程,如表2所示。以不考虑生态流量的调度方案(R)为基础,对比分析A1,A2和A3生态需水方案条件下,龙溪河水库群在生活工业、农业及发电等方面的影响程度。
表2 龙溪河生态需水量设置方案Tab.2 Longxi river ecological water demand schemes
对1961~2015年龙溪河的水库群进行模拟调度,并以多目标等权重的方式选择方案进行对比分析。分析调度期内的农业、生活供水、发电和生态缺水4个指标平均值,见表3。该指标可以明确地表现各目标随生态需水流量增加的变化过程。农业供水和生活工业供水随生态需水流量增加而不断降低,尤其方案A3最为明显,降低幅度较大。
由于发电流量可以替代一部分生态流量,随着生态需水量的增加,为了满足生态用水需求,需要加大下泄流量,即意味着可以采用增加发电量、加大下泄流量的方式来达到目的。因此,本研究建立的模型计算结果表现为随着生态流量的增加,发电量不断提高。
表3 不同调度方案调节计算的多目标水库群多年累积平均效益Tab.3 The performances of multi-objective reservoirs operation in different scheduling schemes
通过对比各水库的农业供水保证率,发现其保证率总体呈现随生态需水量增加而减少的趋势,见图3。R方案中115座水库的平均供水保证率为82.05%;A1方案平均供水保证率为80.72%;A2方案为76.87%;A3方案为72.71%。统计保证率大于85%的水库,方案A1有92座,A2有72座,A3有58座。
图3 不同方案条件下水库群农业供水保证率分布Fig.3 The distribution of water supply guarantee rate of reservoir farming in different schemes
3 结 论
本文以小流域水库群为研究对象,通过对流域内水库群进行分类,对调节能力较强的水库建立调度图,并针对不同的生态需水流量方案进行模拟调度,通过对调度结果的对比与分析,可初步得到以下结论。
(1) 通过对比各水库的农业供水保证率,其保证率值总体呈现随生态需水量增加而减少的趋势。生态流量与农业具有较强的竞争性,影响程度随水库大小呈反比关系,小水库由于调节能力差,增加生态流量后,水量恢复能力弱,后期农业和生活供水容易破坏。
(2) 由于发电流量可以作为生态流量,随着生态需水量的增加,为了满足生态用水需求,模型以增加发电量的方式,加大下泄流量来达到目的。因此计算结果表现为,随着生态流量的增加,发电量不断提高。