基于生态流量过程等级的水库调度研究

2022-01-24顾国玉方国华黄显峰戴灵辉

中国农村水利水电 2022年1期

顾国玉，方国华，黄显峰，颜敏，戴灵辉，2

（1.河海大学水利水电学院，南京 210098；2.湖南省农村水电及电气化发展局，长沙 410007）

0 引言

水库通过截蓄天然流量进行拦洪和调节流量，由于水库的调蓄作用，改变了原河道的天然流量分配，河流的水文情势被改变，河流的连通性遭到破坏，甚至在下游形成了减脱水河段，导致水质恶化、生态退化和河流生态系统失衡等问题［1］。河流生态环境要实现可持续发展，就要保证河流生态流量，使河流生态系统恢复至有自我调节能力，2016年水利部印发了《农村水电增效扩容改造河流生态修复指导意见》，提出要合理确定河流的生态修复目标，保障生态流量优先。可见保障河流生态流量［2］，对被破坏的河流生态进行修复势在必行。

对减脱水河段进行生态修复可采取生态调度［2］的措施，保证河流的生态流量，满足水生生物对水力、水文因子的需求，使河流具有自我修复能力。国内学者对生态调度的研究主要是针对多目标综合利用，将生态效益作为调度目标之一。传统的生态调度将生态缺水量最小或生态缺水率最低作为生态目标，这种方式有可能造成加大生态流量泄放去追求最小值，从而牺牲发电效益。同时，天然河流具有丰枯不均的特性，各月流量对河流生态保护的重要性不同，用生态缺水总量或缺水率评价生态效益缺乏标准，不能体现年内变化。为了提高生态流量过程的稳定性，使调度后偏离适宜生态需水区间的水量能在一定范围内，有学者定义了生态溢缺水量［4］、生态保护程度［5］和生态流量贴近度［6］等指标衡量生态效益，但是常常需要定义适宜生态流量阈值，该阈值的确定一般通过某一种生态流量计算方法来确定，由于选取方法主观性较大，计算结果可能存在差异。

为此，本文基于ME-Tennant 法［7］定义了生态流量过程等级，构建以生态流量过程等级最大为生态目标的水电站生态调度模型，可以避免在选取生态流量计算方法时主观性较大的问题，同时根据生态流量过程等级可以直观体现生态流量过程在调度期内的优劣性，用于指导水库进行生态调度，模型采用改进的NSGA-Ⅱ进行求解，并应用于湖南洣水流域的筷子篓-水口梯级电站。

1 生态流量过程等级

河流生态流量可以分为最小生态流量、适宜生态流量和最大生态流量［8］。河道流量一般不会超过最大生态流量，遇枯水季可能将来水全部用于发电，低于最小生态流量时对河流无修复效果，在一定的适宜生态流量范围内，河流生态的保护程度与流量呈正相关。

黄显峰等提出了Tennant 法和物元分析法耦合的ME-Tennant 河流生态流量过程评价模型［7］（以下简称ME-Tennant 模型），该模型通过对多种生态流量计算方法进行评价，根据评价结果综合确定生态流量过程，由于采用了合理明确的评价标准，避免了在选择生态流量计算方法时存在的主观因素大的问题，可以进行客观综合的评价。以往有关生态调度的研究在定义生态目标时，对生态流量过程缺乏明确的评价标准，无法体现在调度期内生态流量过程的综合评价效果，ME-Tennant模型可以直观地体现河流生态流量过程的优劣性。本文采用METennant模型对生态流量过程进行评级，用评价等级及其综合关联度定义生态流量过程等级，并将其作为生态目标用以评价水库调度的生态效益，评价等级越高、综合关联度值越大则生态流量过程等级越好。

1.1 ME-Tennant模型

ME-Tennant 模型以12 个月的生态流量状况作为评价指标构建物元R；首先根据Tennant法评价等级标准构建经典域物元Rf及节域物元Rp，然后确定各评价等级的关联函数并计算其关联度，接着根据各月生态流量满足度的重要性，采用模糊层次分析法确定各评价指标的权重，并计算综合关联度，见式（1），最后根据综合关联度值对河流生态流量过程进行等级评定，综合关联度值最大所处的等级为综合评价等级，综合评价等级评定见式（2）。

式中：Kj(p0)为第j个评价等级的综合关联度；wi为第i个指标的权重；Kj(xi)为第j个评价等级下第i个指标的关联度。

式中：Kj*表示生态流量过程属于综合关联度值最大对应的第j个评价等级；当0 ≤Kj(P0)≤1 时，表示所求生态流量过程符合该标准等级的要求；当-1 ＜Kj(P0)＜0时，表示该过程不符合该标准等级的要求，但是具备转化为该等级的条件，且转化时值越小越容易；当Kj(P0)≤-1时，表示不符合该标准等级的要求，而且也无法转化为该等级；当Kj(P0)＞1 时，表示超出了标准等级上限。

1.2 生态流量过程等级计算

ME-Tennant 模型根据研究区域季节特点将全年分为丰平枯3个时期，并根据各时期来水特点及河流生态系统用水需求，将河流生态流量过程评价标准等级分为“差”～“最大”共七个等级，根据ME-Tennant 模型计算出的综合关联度值应在（-1，1］范围内，超出该范围则认为不符合河流的生态流量的需要，在构建生态调度模型时不予考虑。基于ME-Tennant 模型定义了如下的生态流量过程等级。

生态流量过程等级定义为：调度期内的各月生态流量为生态流量过程，依据Tennant 法评价标准对各月生态流量划分评价等级［9］，用物元分析法计算各评价等级的综合关联度，确定生态流量过程的综合评价等级，由于综合关联度值在（-1，1］范围内越大，则越符合该标准等级的要求。为体现等级内的优劣性，考虑综合关联度对生态流量过程的影响最终确定生态流量过程等级。

生态流量过程等级由综合评价等级和综合关联度两部分构成。其中综合评价等级分“差”～“最大”7个等级，各综合评价等级赋值1～7，例如“差”对应1，“一般”对应2，以此类推“最大”对应7；对综合关联度值进行归一化处理，其值经规范化处理后处于［0，1］区间。

当生态流量过程处于“差”综合评价等级时，该等级下的河流流量已低于最低生态流量阈值，认为不具备生态保护效果，因此定义生态流量过程等级为0；在“一般”～“最佳”综合评价等级时，生态流量过程等级由综合评价等级值和规范化后的综合关联度值综合确定，综合评价等级越高、同一评价等级下综合关联度值越大，则生态流量过程等级值越大；当河流生态流量过程达到“最大”综合评价等级时，河流长时间处于高流量状态下，亦不利于河流稳定，但保持了河流的水量，本文定义其生态流量过程等级为5。生态流量过程等级计算如下：

式中：Ft为生态流量过程等级；P0为生态流量过程；Nj为综合关联度的归一化数值；Kj(P0)为生态流量过程P0的综合关联度值；Kj*为综合评价等级。

生态流量过程等级值区间见表1。

表1 生态流量过程等级区间Tab.1 Ecological flow process level interval

2 生态调度模型

对于已出现生态退化的减脱水河流，要改善河流生态环境，必须明确生态效益的重要地位，在运行调度时要优先保障河流生态流量，本文构建了以生态流量过程等级最大和发电量最大为目标的水库生态调度模型。

2.1 目标函数

（1）生态流量过程等级最大：

式中：WF为调度期内电站减脱水段生态流量过程等级。

（2）发电量最大：

式中：WE为调度期内N 个水电站的总发电量，kWh；Ai为第i 个水电站的出力系数；qi，t为第i 个水电站t 时段内的发电引水流量，m3∕s；Hi，t为第i个水电站t时段内的净发电水头，m；T为总调度时段；△t为计算时段区间。

2.2 约束条件

生态调度模型各约束条件表达式如下：

（1）水量平衡约束。

式中：Vi，t、Vi，t+1分别为t时段初、末的第i水库蓄水量，m3；Qi，t为t时段第i 水库入库流量，m3∕s；qi，t为t 时段第i 水库出库流量m3∕s；Δt为计算时段长，h。

（2）水库库容约束。

式中：Zi，MIN为第i个水库死水位，m；Zi，MAX为第i个水库正常蓄水位，m；Zi，t为第i个水库t时段运行水位，m。

（3）机组出力约束。

式中：Ni，min、Ni，max为第i水库被允许的最小和最大出力，kW。

（4）机组过流能力约束。

式中：Qi，min、Qi，max分别为第i 个水库机组允许的最小和最大流量，m3∕s。

（5）上下游水力联系。

式中：qei，t为t 时段内第i 个电站从电站尾水引水至减脱水河段的生态流量，m3∕s；Qri+1，t为第i个水库至第i + 1个水库在t时段内的区间来水流量，m3∕s。

（6）非负约束。

2.3 生态调度模型求解

NSGA-Ⅱ算法［10］在求解过程中，通常采用各调度时段的水位为决策变量，以随机的方式生成初始种群，导致产生的部分初始解不在约束范围内，又加之部分遗传操作也造成解偏离约束，从而优化效率和最优解的质量被影响，改进的NSGA-Ⅱ算法［11］引入了个体约束和群体约束机制来提高优化效率和最优解的质量。本文选用改进NSGA-Ⅱ算法对生态调度模型进行求解，流程图见图1。

图1 改进NSGA-Ⅱ算法流程图Fig.1 Improved NSGA-Ⅱalgorithm flow chart

3 实例研究

3.1 筷子篓-水口梯级电站概况

湖南省筷子篓-水口梯级电站位于炎陵县。筷子篓水电站属湘江水系洣水支流河漠水上游下村河，是炎陵县唯一一个集防洪、县网调峰作用于一体的水电站，也是一座以发电为主，兼顾防洪的小（一）型水库。筷子篓水库大坝坝高60.2 m，水库最高水位748.2 m，死水位713 m，总库容850 万m3，死库容120 万m3，兴利库容730 万m3，约为年来水的5%，可实现季调节。筷子篓电站为引水式电站，于1998年8月投产，总装机容量为3 000 kW，2014年进行更新改造后总装机容量为3 750 kW。

水口电站位于水口镇自源村，位于河漠水上游。于1973年11月动工兴建，1977年4月投产发电。电站从上游筷子篓水库电站尾水（筷子篓水库弃水不进入引水渠）和大横溪河坝引水，为引水式电站，现装机5台，总装机容量16.35 MW。

由于筷子篓电站建成年代较早，未考虑生态保护的要求，早年拦水坝未设置生态流量下泄设施，导致拦水坝下游出现了长7.2 km 的减脱水河段，部分区域出现了水环境恶化、生态退化的问题。筷子篓电站水库大坝下游190 m 设有二道坝，坝下设有引水渠道，为修复减脱水河段生态环境，拟将二道坝下渠道疏通将电站尾水通过渠道引至坝下满足生态流量需求，本文通过生态调度模型确定引至坝下的生态流量和用于下游水口电站的发电流量。

3.2 筷子篓-水口梯级电站生态流量过程等级计算

根据筷子篓-水口梯级电站的区域季节特点将全年分为丰平枯3 个时期，参照Tennant 法确定了如表2 所示的评价标准，Tennant 法认为年平均流量的200%是最大的生物栖息地标准，为河流生态系统能承受的流量上限，故本文将河流生态流量过程评价标准中“最大”等级区间上限设为200%；根据典型年每个月的生态流量作为评价指标，构建物元；然后根据表2的评价标准构建经典域与节域；计算关联函数和关联度；用模糊层次分析法计算各月生态流量指标的权重，各月生态流量指标权重见表3；根据式（1）计算综合关联度，用式（2）计算年生态流量过程的综合评价等级；最后根据式（3）和式（4）计算生态流量过程等级。

表2 河流生态流量过程评价标准Tab.2 Evaluation criteria of river ecological flow process

表3 各月生态流量指标权重Tab.3 The weight of each month's ecological flow index

3.3 筷子篓-水口梯级电站生态调度结果分析

依据炎陵水文站1959-2015年的水文资料，坝址多年平均流量为4.43 m3∕s，对各坝址年平均流量进行排频计算，用皮尔逊Ⅲ型曲线对坝址年平均流量进行适线，选取P = 25%为丰水年，P = 50%为平水年，P = 75%为枯水年。每个典型年以月为调度时段输入生态调度模型，运用改进的NSGA-Ⅱ算法进行求解，算法参数为：群体数为400，全局迭代次数为500。根据调度模型生成的各典型年非劣解集，每个典型年均匀选取20 个方案，调度方案集见表4。

表4 典型年调度方案集Tab.4 Typical year operation schemes

方案的优选采取熵权法［12］和灰色关联度法［13］结合进行综合评价的方法进行确定。熵权法为客观赋权法，可以客观评价各指标相对重要性，选用熵权法确定各目标的权重；灰色关联度分析可根据序列曲线与理想方案曲线之间的相似程度判断联系是否紧密，灰色关联度值越大则越接近，联系越紧密。通过计算理想方案与各方案之间的灰色关联度可确定各典型年的调度方案。计算过程需确定理想方案和比较方案，对不同量纲的数据进行规范化处理，计算关联系数，根据各指标权重及灰色关联系数计算出灰色关联度值，最终根据关联度值越大越好的原则选择最优调度方案。

3.3.1 熵权法确定各指标权重

根据熵权法计算梯级年发电量和生态流量过程等级指标在各典型年的权重见表5。

表5 指标权重值Tab.5 Index weight value

3.3.2 灰色关联度分析

发电量和生态流量过程等级都是效益型指标，指标值越大则方案越优，根据调度方案集确定各典型年理想方案指标集，见表6。

表6 典型年理想方案指标集Tab.6 Typical year ideal operation scheme index set

根据灰色关联度值越大越优的原则，丰平枯年最优调度方案分别选取方案11、方案10 和方案10，最优调度方案和未建水库下天然河流的生态流量过程等级见表7。由表7 可知天然河道在丰水年达到了“最佳”等级，在该等级下河流生态系统健康，水生生物及河岸带植物正常地生长繁育；平水年处于“很好”等级，虽然平水年来水没有丰水年丰富，但是在年内生态流量过程仍处于一个较高等级，这是因为考虑了河流丰枯特性及不同时期生态流量重要性不同，该等级下河流能保持生态系统的健康稳定发展；枯水年也处于“好”的等级，该等级下河流流量处于30%～60%多年平均流量范围，该范围下河流已经能够维持河流系统不发生退化，并能保证一定的水深、流量等水力参数。最优调度方案里，丰平枯年生态流量过程等级值分别为5.492、5.443 和5.464，均处于“很好”等级，在该等级下河道湿润底质增加，河宽、水深和流速等水力参数也能较好满足水生生物生长繁育的需要，有利于让河流恢复至能够自我修复的状态。根据以上的结果可知生态流量过程等级能符合天然河道的一般特征，以此用于生态调度目标是合理的。

表7 典型年建库前后生态流量过程等级Tab.7 Ecological flow process level before and after the construction of the database in the typical year

根据最优调度方案绘制的筷子篓水库水位及生态流量过程见图2、3 和图4，由于筷子篓电站未考虑生态流量泄放措施，坝址下游减脱水段多年缺乏必要的生态流量，造成生态退化等问题，若仅仅满足基础的河道生态流量需求，河流生态系统就不能恢复至健康状态。丰平枯年调度方案下年平均生态流量分别为1.51、1.49和1.48 m3∕s，均处于相对较高的流量，由图2、3可知丰水年和平水年在调度期大多数时间内可以保持高水位运行，有利于保证发电效益。由图4 可知枯水年枯水期在较低水位运行，是因为枯水期天然来水量较少，筷子篓电站生态用水是引至电站尾水，为了保持生态泄流量仍保持高流量下泄，导致的低水位运行，虽然发电效益有所损耗，但是从长期来看，能够保证河流生态系统恢复至健康状态的高层次用水需求，有利于河流的生态修复。

图2 丰水年调度方案Fig.2 Wet year scheduling scheme

图3 平水年调度方案Fig.3 Normal year scheduling scheme

图4 枯水年调度方案Fig.4 Dry year scheduling scheme

表8 是筷子篓-水口梯级电站典型年运行现状和最优调度方案的对比，丰水年和平水年经生态调度后发电效益分别增加了601和830 万kWh，说明实际调度尚有优化的空间，还能兼顾生态效益，虽然枯水年最优调度方案发电效益与运行现状相比减少了379 万kWh，但是鉴于筷子篓-水口电站在此之前没有生态流量泄放的保护措施，并且减脱水河段生态已经初显退化，所以牺牲部分发电效益保证生态优先是很有必要和可行的。