考虑不同生态需求层次的水电站水库生态调度研究

刘彦哲，方国华，黄显峰，颜 敏，丁紫玉

(河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098)

大规模水电开发对我国社会经济生活发挥着不可替代的作用，但水库作为人工实体阻断了河流的纵向连通性，改变了河段的天然流量，导致部分河流枯水期脱流，湖区萎缩，河床结构发生变化。同时，以经济和防洪效益为主导的调度方式，加剧了河流水文情势的改变，导致库区以及厂房下游河流生态功能减弱。因此，为了保障河流生态功能的发挥，防止生态系统退化，需要在水电站水库调度过程中统筹经济目标与环境效益，其核心包括：①河流生态需水分析；②生态调度模型构建。

国内外对生态需水的研究经历了从理论形成，到理论与实践相结合的应用研究阶段。20世纪90年代，水利部指出应考虑生态环境用水在水资源配置中的比例，至此“生态水利”[1]概念被提出。1993年出台SL 45—92《江河流域规划环境影响评价》，正式将生态环境用水作为生态脆弱区水资源规划中必须考虑的用水类型[2]。Falkenmark(1996)提出“绿水”的概念，将生态环境的需水要求加入水资源供给考虑中[3]。King等(1998)[4]研究了南非Clan william大坝对当地黄鱼产卵有利的下泄流量。马乐军等(2018)[5]比较了各类生态基流计算方法在我国使用现状及在水利水电工程中的适用性，提出应分区分级确定水利水电工程最小下泄生态基流。吴玲玲等(2019)[6]利用P-Ⅲ曲线推求Tennant法推荐流量阈值的水文保证率，为流量资料缺乏的河道计算生态需水提供了一种新思路。

众多学者自20世纪70年代后期开展水库生态影响的研究，分析水库修建带来的河流水文情势变化，构建对应的调度模型，求解优化调度方案。起初是将生态需水研究结果作为防洪和经济调度的约束条件。Homa等(2005)[7]指出可以把最小流量需求作为很多生态调度模型的约束之一。胡和平等(2008)[8]在构建水库优化调度模型时，增加生态流量过程线作为约束条件。解瑞等(2010)[9]将最小生态流量约束成功应用于石羊河流域水库群优化调度中。随后的研究开始围绕生态需水要求构建调度目标。陈端等(2011)[10]分别阐述了3种生态流量优化调度模型：生态流量约束型、生态流量目标型及生态价值目标型。戴凌全等(2016)[11]以三峡水库和洞庭湖系统为例，研究提升洞庭湖最小生态需水量的满足度和三峡电站发电量的调度方案。蔡卓森等(2020)[12]以发电量最大和适宜生态流量改变度最小作为生态调度模型的目标。李力等(2020)[13]将生态需水满足度作为生态目标，针对金沙江梯级水库在蓄水、发电、生态保护方面存在的矛盾建立多目标模型。

总的来说，当前水电站水库生态调度模型包括两类：一，采用最小生态流量刻画河道需水过程；二，用流量满足度最大或改变度最小为目标。生态调度的基础是生态需水分析，由生态需水过程量化缺水量、保证率等目标，进而建立生态调度框架；但目前生态需水确定存在主观性较大、忽略时间连续性和变化特征等问题。而基于Tennant标准的ME-Tennant评价模型，根据不同流域具体特征确定各时段的等级标准，计算的生态需水过程贴合天然径流规律。因此，本文采用ME-Tennant生态需水评价模型确定需水过程，以最小化生态缺水量为生态目标，从最小和适宜生态需水两个层次，分别建立水电站水库生态调度模型。

1 河流生态需水分析

生态需水量需要综合考虑流量、流速、水温、水深等要素，本文研究针对流量过程。根据需求层次的不同，可划分为适宜生态需水、最大生态需水和最小生态需水。适宜生态需水是指保持生态系统最优状态、生物种群最丰富所需的水量；最大生态需水是指当前生态系统的最大极限水量，超过这个值会演化新的生态系统；最小生态需水维持河流生态系统最低限度的功能与结构，是满足河流生物健康最小流量。

1.1 生态需水计算

水文学法以多年天然径流资料为依据，适用性好；因此本文以水文学法为基础计算生态需水。常用的水文学法包括蒙大拿法、年内展布法和逐月不同频率法等，具体的计算原理如下：

(1)蒙大拿法(Tennant法)。在时段天然径流量平均值的基础上，按照维持水生动植物(如鱼类等)不同生存状态计算生态需水。一般依据水生生物季节性的生态响应，分为10月～翌年3月份一般用水期和4月～9月份产卵育肥期，通常包含1个高限标准、1个最佳范围标准和6个低限标准[14]。该法计算步骤简单，操作容易，适合水文资料系列长的河流。但由于河流生态独特性，同一条河流的不同河段在不同时段也有区别，该方法没有考虑河流宽度、水深、流速等参数，也没有区别枯、平、丰水典型年，多用于计算结果的检验。

(2)年内展布法。引入同期均值比指标，由各月生态流量与各月多年平均径流量之间的同期均值比关系[15]，计算生态需水，但得到的需水过程在年内分布较均匀，不符合天然河流丰枯季节的流量波动。

(3)逐月不同频率法。根据月径流历史资料，将一年划分枯、平、丰三组，分别选取不同的保证率计算各个时段的流量，组成适宜生态流量逐月过程[15]，该过程贴合天然径流的年内变化，但结果直接依赖于保证率的选取。陈竹青[16]根据长江流域特性，枯水期取90%、平水期取70%、丰水期取50%；于龙娟等[17]在计算洛河和伊河生态流量时冬季取80%、春秋季取75%、夏季取50%；李捷等[18]等将一年每个月的保证率都取为50%。逐月频率法可根据河流的实际情况确定频率，适用性好，但频率确定过程存在主观性过大的问题。

1.2 基于ME-Tennant的生态需水过程评价模型

不同河流适用的生态需水计算方法不一致，如何准确选择计算方法是确定生态需水的关键，也是梯级水电站水库生态调度的重要前提。为此，本文充分考虑了不同阶段的河流生态需求，基于Tennant法的评价标准，引入物元分析法(Matter Element Analysis)，采用基于ME-Tennant的生态需水过程评价模型。

物元分析法认为，对于任何事物均可用“事物的名称N、事物的特征C、该特征对应的量值X”三个要素来描述，并组成物元。利用ME-Tennant法评价生态需水的具体过程如下：

(1)将计算所得的逐月生态流量作为评价指标，记为12个特征，形成物元矩阵R。

(2)基于Tennant法等级标准组成经典域Rj(j=1，2，…，m)以及节域物元Rp。

(3)确定物元在所要求的取值范围内满足的程度

(1)

(2)

(3)

式中，ρ(xi，Xji)为点xi到Xji=[aji，bji]的距离；而ρ(xi，Xpi)为点xi到Xpi=[api，bpi]的距离；Xji=|aji-bji|。

(4)模糊层次分析法改进了传统层次分析法检验判断矩阵是否一致的困难，因此用来确定各月份生态流量状况在生态需水过程评价中的权重

(4)

式中，rij为指标ai比aj的重要程度。

(5)计算第j个评价等级的综合关联度

(5)

(6)等级评定。Kj=max{Kj(P0)}。其中(j=1，2，…，m)。当0≤Kj(P0)≤1时，所求过程符合该标准等级的要求；当Kj(P0)>1时，表示超过标准等级上限；当-1

2 梯级水电站水库生态调度模型

由于自然生态的多样性，即使是同一条河流的相邻断面，水文和生态情况也不尽相同，生态目标难以直接定量计算。为此，本文采用生态缺水量衡量水库运行对河流生态的影响，在此基础上以生态缺水量最小为生态目标，以梯级总发电量最大为经济目标，构建梯级水电站水库生态调度模型。

2.1 模型目标函数

2.1.1 生态调度目标

若考虑河道最小生态需求，则以下泄流量与最小生态需水过程的偏差最小作为生态调度目标，当下泄流量高于最小生态需水时，认为不缺水，缺水量为0。即

(6)

若考虑河道适宜生态需求，则以下泄流量与适宜生态需水过程的偏差最小作为生态调度目标，当下泄流量高于适宜生态需水时，认为不缺水，缺水量为0。即

(7)

2.1.2 发电效益目标

一个调度周期内的梯级总发电量最大为经济效益。具体为

(8)

式中，F2为梯级总发电量，亿kW·h；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。

2.2 约束条件

(1)水量平衡约束

(9)

(2)水位限制

Zi，t，min≤Zi，t≤Zi，t，max

(10)

式中，Zi，t，min为t时段允许最低运行水位，一般为死水位，m；Zi，t，max为t时段允许最高运行水位，通常为正常蓄水位，在汛期来临前取对应时刻的汛期限制水位，m。

(3)发电流量限制

Qi,t,min≤Qi,t≤Qi,t,max

(11)

式中，Qi，t，min为t时段水库保证最小引水流量(根据生态需水过程评价模型确定)，m3/s；Qi，t，max为t时段水轮机最大过水能力，m3/s。

(4)电站出力约束

Ni，min≤AQi，tHi，t≤Ni，max

(12)

式中，Ni，min为水电站机组被允许的最小出力，kW；Ni，max为水电站机组被允许的最大出力，kW。

(5)上下游水力联系。对于处在同一干流的梯级水库，上游水库下泄的水量会进入到下游水库，存在水力联系。即

(13)

(6)所有变量均非负。

2.3 基于非支配排序遗传算法NSGA-II的优化调度模型解法

梯级水电站水库的生态调度需要在水力、电力约束下，统筹考虑社会经济与环境效益，是一个复杂的多目标、多约束、非线性的动态控制问题[19]。遗传算法以进化论和遗传学为基础，求解过程具有隐蔽的并行性质，可以有效避免维数灾。对于求解多目标问题，Srinivas等[20]于1994年提出非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm)。

后来学者采用拥挤度和拥挤度比较算子，在快速排序后的同级比较中做出胜出标准，同时引入精英策略，扩大采样空间。将父代种群与子代种群合并，共同竞争产生下一代种群[21]，对NSGA算法性能改善很大，形成NSGA-Ⅱ算法。所以，本文选择NSGA-Ⅱ算法求解水库优化调度模型，计算流程如图1所示。

图1 NSGA-Ⅱ算法流程示意

水库调度的运作可看成将水库水位序列作为遗传算法中的染色体，在水位可变范围内随机生成m组染色体(个体)，种群中每个个体表示为Z=[Z1，Z2，…，Zn]。其中，Zn为水库n时段末的水位，在满足一定约束条件下，按设定的目标函数计算其优劣[22]。通过一定的遗传操作，将适应度低的个体淘汰，适应度好的个体有更大机会遗传，直到满足结束条件。

3 实例研究

3.1 工程概况

刘家坪电站位于溆浦县葛竹坪乡，大坝位于溆水二都河的一级支流刘家坪河上游，水库位于溆浦县龙潭区龙庄湾乡与隆回县龙坪乡交界之地，电站距溆浦县城85km，是一座具有多年调节性能的引水式电站，正常蓄水位1 180 m，死水位1 146 m，设计洪水位1 180 m，校核洪水位1 180.23 m，总库容0.336 5亿m3，2014年完成水电站增效扩容改造工程，装机16 640 kW，保证出力7 558 kW，额定水头475 m。

鱼米滩电站位于怀化市溆浦县葛竹坪镇境内，为径流引水式电站，坝址位于芹江电站下游200 m的溆水河干流。正常运行水深为3.5 m，坝顶高程为351.10 m，溢流堰最低高程为349.95 m，正常运行水位为349.90 m，最高运行水位为350.60 m，最低运行水位为345.50 m，额定水头57 m。2015年完成了增效扩容改造，电站装机增加到13 800 kW。

3.2 生态需水过程计算

考虑厂坝之间河段目前处于减脱水状态，断流较严重，恢复河流的连通性为主要目的，可直接在坝上增设生态泄水孔下放一固定的最小流量，以维持其不断流。根据《农村水电增效扩容改造河流生态修复指导意见》，这一最小流量可确定为坝址多年平均流量的10%；因此，生态需水过程主要考虑刘家坪厂房至鱼米滩水库河段，以及鱼米滩厂房下游河段。基于刘家坪水库1987年～2011年逐月入库流量及1999年～2016年每月水位-库容统计，分别采用逐月不同频率法和年内展布法计算生态需水量，通过ME-Tennant评价模型确定刘家坪厂房下游的最小及适宜的生态需水过程。根据鱼米滩与刘家坪水库控制流域的面积比换算得到鱼米滩的厂房下游的生态需水过程，刘家坪厂房下游生态需水计算结果见表1。

表1 不同水文学方法的生态需水流量 m3/s

根据流域年降水量情况，对应频率为25%、75%的流量，作为划分枯、平、丰水期的界限，从而确定枯水期为11月～次年1月、平水期为2月～5月及8月～10月、丰水期为6月～7月。基于Tennant法，并结合刘家坪历史系列水文情况确定河流生态需水过程的评价标准，见表2。

表2 河流生态需水过程评价标准

年内生态流量的重要程度一般为：枯水期>平水期>丰水期，建立反映各月生态流量重要程度的矩阵，基于式(4)计算各月权重W=(ω1，ω2，ω3，…，ω12)=(0.121，0.115，0.082，0.081，0.051，0.050，0.048， 0.053，0.079，0.084，0.117，0.119)。

按式(1)、(2)、(3)计算各月生态需水状况对各评价等级的关联度，加入权重关系后按式(5)计算各评价等级的综合关联度Kj(P0)，由Kj=max{Kj(P0)}确定评价等级。不同方法计算出的生态需水过程对各评价等级的综合关联度以及评价结果见表3。

表3 不同水文学方法的生态需水评价结果

根据Tennant法的七个等级，“一般”的标准是生态流量占年平均流量的10%～40%，“较好”为20%～50%，理论上最小生态需水过程应该恰好满足水生生物的最低极限条件，但从河道生态的长远来看，生态流量应留有一定空间，所以可选取“较好”等级为最小生态需水过程。“好”等级标准为的生态流量占年平均流量的30%～60%，“很好”为40%～80%，处于这两个标准时，淤泥质营养会增加，河道水深、湿周比和流速符合生态系统最佳状态，满足可持续发展，所以选取“好”和“很好”为适宜生态需水过程。

从表3可以看出，评价等级为“较好”的逐月75%频率法和年内展布法需水过程都符合最小生态需水过程要求。在保证下游河段不发生断流并为水生生物提供最小生存空间的同时，泄放较少的生态流量可以获得较大的发电效益；所以选取流量较小的年内展布法的计算结果作为最小生态需水过程。

同理，选取生态流量较小的逐月50%频率法作为适宜生态需水过程。

最终刘家坪水电站和鱼米滩水电站下游河段的最小及适宜生态需水过程如表4所示。

表4 生态需水过程 m3/s

3.3 生态调度结果分析

梯级水电站水库生态调度模型的目标函数为：发电总量最大、厂房下游生态缺水量最小。

NSGA-Ⅱ算法求解模型参数设置：群体数Pop=50，全局迭代次数GEN=500，交叉概率Pc=0.70，变异概率Pm=0.01。分别选取枯、平、丰3个典型年对刘家坪-鱼米滩电站构建生态调度模型进行模拟调度，具体如下：

(1)枯水年。刘家坪入库径流取频率为75%的天然径流；鱼米滩入库径流取频率为75%的区间流量与刘家坪对应的出库之和。根据表4中的最小与适宜生态需求，构建不同生态需求层次的梯级水电站水库生态调度模型并进行求解，所得非劣解分布如图2a、2b所示。

图2 枯、平、丰水典型年生态调度方案解集分布

(2)平水年。刘家坪入库径流取频率为50%的天然径流；鱼米滩入库径流取频率为50%的区间流量与刘家坪对应的出库之和，其他条件同上，所得非劣解分布如图2c、2d所示。

(3)丰水年。刘家坪入库径流取频率为25%的天然径流；鱼米滩入库径流取频率为25%的区间流量与刘家坪对应的出库之和，其他条件同上，所得非劣解分布如图2e、2f所示。

如图2所示，NSGA-Ⅱ能有效解决GA算法出现解集不均、多样性差或过早收敛的问题，适合用于水电站水库优化调度计算。其次，同时考虑综合发电量最大和生态缺水量最小目标会存在明显的矛盾性，对于相同频率的入库径流，在同层次的生态需求下，生态缺水量和总发电量成正相关。在发电效益相同的条件下，考虑适宜生态需水的模型比考虑最小生态需水的生态缺水量大，说明想要更大的生态保护程度，就需要牺牲更大的发电效益。进一步从三种来水频率非支配解集中，缺水量增长缓慢而发电量提升较快的区间各选取三种调度方案汇总成表5。

表5 不同来水频率较优方案集汇总

与实际调度相比，生态调度各个方案的生态缺水量都有减少。枯水年考虑最小生态需求时，方案3缺水量最小，比实际情况减少15.80%，发电量方面损失了2.88%；考虑适宜需求时，发电量平均损失了3.03%，缺水量仅平均减少了6.89%。对于平水年，两种层次的发电量平均损失了2.58%，考虑最小生态需求时缺水量减少了19.30%，考虑适宜生态需求时缺水量减少了7.62%。丰水年考虑适宜生态需求时，方案5缺水量最小，减少了15.90%，但发电量损失3.82%；方案6的缺水量减少15.61%，发电量减少3.24%；方案4缺水量减少15.18%，发电量接近实际发电量；考虑最小生态需求时，发电量稍有损失或接近实际发电量，缺水量平均减少26.90%。总体上，三种典型年的发电量损失在3%左右，而丰水年满足生态需求的效果最高，满足最小生态需水时缺水量可以减少26.90%。模型计算时将刘家坪电站简化为年调节水库，实际上多年调节水库“蓄丰补枯”的效果会在多年内平衡丰枯年生态缺水的补偿差异，可进一步提升生态满足程度。

综上，在合理的生态需水过程下，水电站水库进行生态调度能够较少的影响发电效益并有效缓解河道缺水。另外，河道在同一个生态需求层次下，天然来水频率越小；则入库径流越大，发电量越高，缺水量越小。天然来水频率小时，协调发电与生态的空间更大，可以满足更高层次的需水条件，且对经济效益影响较小。随着来水频率提高，入库流量减少，对生态需水层次的满足能力有限，缺水补偿潜力减少。当天然来水显著减少时，若追求较高的需水层次，不仅生态负担缓解有限，而且会加重经济损失。

4 结 论

本文基于Tennant法的评价标准，引入物元分析法，构建河流生态需水过程评价模型，并对水文学方法计算的生态需水过程进行评价，科学确定河流不同需求层次的生态需水过程，依此建立两种生态层次的梯级水库生态调度模型。以刘家坪-鱼米滩梯级水电站水库为例进行研究，不同典型年的调度方案结果表明生态调度方案能够在保证电站发电效益的前提下，很大程度上可减少生态缺水量。对于相同频率的入库径流，在同层次的生态需求下，生态缺水量和总发电量成正相关。在发电效益相同的条件下，考虑适宜生态需水的模型比考虑最小生态需水的生态缺水量大。天然来水频率越小，入库径流越大，可统筹经济与生态的调度空间越大，可以采用较高的需水层次以满足生态可持续发展。