基于天然水文情势的水库调度规则研究

尚文绣　王远见　贾冬梅

摘要：为了在水库生态调度中模拟天然水文情势，基于水文情势的主要特征设计了15个水文情势评价指标，并将某应用于水库生态调度模型的目标函数中;基于水文分期特征将水文年划分为不同时段，提出了参考各时段实时可利用水量的水库生态供水规则;通过分层分解水库不同供水任务，降低了水库生态调度模型求解的复杂程度，并将模型应用于万家寨水库。结果显示：①本文设计的水文情势评价指标及其在水库生态调度模型中的应用减少了生态供水与天然水文情势间的差异;②基于水文分期和实时水情的水库生态供水规则有效挖掘了生态供水潜力;③为了维护河流健康，万家寨水库上游水资源开发利用率不宜超过40a-/o，而水资源开发利用率长期高于60%则会造成严重的生态破坏。

关键词：水文情势;生态调度;调度规则;生态供水;万家寨水库

中图分类号：TV697

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.008

生态调度是在水利工程调度中考虑河流生态系统需求的一种调度手段，是维护河流生态健康的重要途径。水库生态调度中，通常将预设的生态需水过程作为水库调度模型的目标函数或约束条件[1-3]。尽管生态需水的计算方法繁多[4]，但得到的生态需水过程与天然水文情势间存在较大差异，常忽略天然水文情势的关键特征，例如水文学法一般仅考虑固定的最小生态需水量，缺少短时间内迅速涨落的高流量脉冲、洪水等关键流量事件，即使是面向生物的物理栖息地模拟也难以全面反映天然流量的丰枯变化[5]。水文情势评价指标表征了水文情势的主要特征，近年来已在水库生态调度中得到了初步应用。由于水文情势评价指标存在非线性、不连续的特征，因此多数研究将水文情势评价指标应用于调度方案的后评估[6]，仅有少数研究将水文情势评价指标直接应用于生态调度模型中，但需要通过减少指标数量或简化调度规则以提高模型求解效率[7-9]，导致调度结果无法有效反映天然水文情势或缺乏可行性。

针对现有研究中存在的问题，本文开展了基于天然水文情势的水库调度规则研究，旨在建立刻画水文情势主要特征的评价指标体系、设计面向实时可利用水量的水库生态供水规则、建立和求解以模拟天然水文情势为目标的水库生态调度模型。

1 水文情势评价方法设计

1.1 天然水文情势的作用

水文情势是河流各水文特征随时间的变化情况，对河流生态系统的生物及非生物因素具有重要影响[10]。水文情势决定了水生生物的生活模式，通过特定的流量事件驱动生物洄游、繁殖等生命活动，且能够清除不适应本地水文情势的外来物种。同时，水文情势可以影響水质、地貌、底质等非生物因素，是水生生物栖息环境的主要决定因素。相关研究多采用流量、频率、发生时机、持续时间和变化率来反映水文情势的变化特征[11-13]。

1.2 水文情势评价指标设计

目前，已经形成了IHA（Indicators of Hydrologic Al-teration）、HHA（Hydrograph-based Hydrologic Alteration）等水文情势评价指标体系，但已有指标体系指标数量较多，直接应用于水库生态调度模型中求解难度大。本文在IHA评价指标体系的基础上设计了15个评价指标（见表1）。该指标体系突出了水文分期特征，将全年划分为涨水期、洪水期和枯水期3个时段，各时段内的关键流量事件分别为脉冲、洪水和极端小流量。水文分期体现了流量事件的发生时机.15个指标刻画了流量、频率、持续时间和变化率。

将天然状态作为水文情势最佳状态，用评价时段内的指标值除以天然状态下的指标值，然后进行归一化处理，使指标值的变化范围为0-1，1代表与天然状态相同，0代表严重偏离天然状态。为了直观反映水文情势总体状态，通过模糊逻辑法对15个评价指标进行整合，生成变化范围为0 - 100的水文评分[14]。将评分从小到大等分为5个等级，分别为差、较差、一般、较好和好。

2.2 水库供水任务层次分解

水库担负着供水、发电等多种任务。本文将供水作为优化对象，将其他任务作为调度模型的约束条件。鉴于社会经济供水与生态供水的竞争关系和不可公度性，水库调度中需要进行多目标优化，得到社会经济供水目标与生态供水目标间的帕累托前沿。

虽然向量遗传算法、非支配排序遗传算法等多目标求解算法已得到广泛应用，但存在竞争关系的多个目标会加剧计算的复杂程度，甚至出现不收敛的问题。本文通过对水库供水任务进行层次分解，将多目标转化为单目标。如图2所示，帕累托前沿上的每一个点都代表了特定的社会经济供水效益下的生态供水效益最优值，因此可在水库调度中设置固定的社会经济需水量并优先满足，然后对生态供水进行单目标优化，通过调整社会经济需水量得到帕累托前沿。如图3所示，根据当前可供水量的不同，将水库供水划分为4个阶段：阶段1，当前的可供水量优先满足当前的社会经济需水量;阶段2，当前的余水被用于满足生态需水量;阶段3，储存剩余的水量以满足未来的需水量;阶段4，产生弃水。通过分解供水任务可以保证社会经济需水量得到优先满足，从而将多目标转化成单目标。此外，同一优先级下只有一个供水任务，通过减少供水任务间的竞争来提高水库生态调度优化模型的收敛速度。

3 算例分析

3.1 万家寨水库概况

万家寨水库位于黄河中游，总库容8.96亿m，是集供水、防洪、防凌于一体的水利枢纽工程。万家寨水库全年可以划分为7个不同的运行时期，分别为涨水期、前汛期、排沙期、后汛期、流凌封河期、稳定封河期和开河期。模型需对14个生态供水参数进行优化。

3.2 调度结果分析

运用本文建立的水库生态调度模型，计算不同社会经济需水量条件下的优化结果，得到水文评分与取水比例（社会经济取水量/天然径流量）间的关系曲线，见图4。若取水量被控制在天然径流量的25%以内，则水文评分等级为好：若取水量被控制在天然径流量的40%以内，则水文评分等级为较好：若取水量超过天然径流量的60%，则水文评分达到较差等级。

將社会经济缺水率定义为其缺水量和需水量之比。分析社会经济需水量增加对社会经济缺水率和水文情势的影响。将水文改变度定义为

A=（100 -G）/100

（6）式中：A为水文改变度;G为水文评分。

随着社会经济需水量比例（社会经济需水量/天然径流量）的增大，社会经济缺水率和水文改变度均不断增大，但社会经济缺水率始终小于水文改变度，说明当水资源无法满足需求时，生态利益的牺牲大于社会经济利益的。社会经济缺水率和水文改变度的变化可划分为3个阶段（见图5）：当社会经济需水量在天然径流量的400-/0以内时，可基本满足社会经济需水量，但部分生态用水被挤占，导致水文改变度随着社会经济需水量的增大而迅速增大（阶段1）;随后社会经济需水量虽然不超过水资源总量，但由于水库调蓄能力不足，社会经济需水量在一些时段难以得到满足，因此社会经济缺水率与水文改变度均随着社会经济需水量的增大而迅速增大（阶段2）;随着社会经济需水量进一步增长，社会经济需水量高于水资源总量，社会经济几乎消耗了所有的可用水量，导致生态用水极少，水文改变度极大（阶段3）。

4 结论

建立了基于天然水文情势的水库调度规则和生态调度模型，并以万家寨水库为例开展算例研究，主要结论：①面向水文情势主要特征设计了15个水文情势评价指标，将评价指标直接应用于水库生态调度模型的目标函数中，减少了生态供水与天然水文情势间的差异：②设计了基于水文分期和实时水情的水库生态供水规则，参考可供水量实时调整生态供水，有效挖掘了生态供水潜力;③为了保证水文情势有利于河流健康，在本文设计的生态供水规则下，万家寨水库上游水资源开发利用率宜控制在40%以内，而水资源开发利用率长期高于60%则会造成严重的生态破坏。

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