面向水资源及水生态的并联水库联合调控研究

徐长江　熊明　杜涛　李立平　邵骏

摘要：水库在正常调度运行的基础上，通常仅考虑本工程下游近坝河段用水需求，如能结合水库自身特点和上游及区间来水情况，兼顾下游干流关键控制断面的用水需求，进行联合调控，可进一步提高干流关键控制断面最小下泄流量指标保证率。为此，构建了一套面向水资源及水生态的并联水库联合调控方法体系，通过获取并联水库干支流控制断面流量需求指标和水库及区间来流量，刻画并联水库运行状态，确定并联水库联合调控目标，最终实现并联水库实时下泄流量优化推求，并选取澧水流域作为实例研究进行验证。结果表明：相比天然来水条件，并联水库单独调控方案和联合调控方案均能提高干支流控制断面最小下泄流量保证率；并联水库联合调控方法在保障支流断面最小下泄流量指标保证率及发电效益的基础上，能够显著提高干流控制断面最小下泄流量指标保证率。研究成果可为提高并联水库水量利用率及下游控制断面最小下泄流量保证率提供技术支撑。

关 键 词：生态环境流量； 最小下泄流量； 并联水库； 联合调控； 澧水流域

中图法分类号： TV697.1 文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.011

0 引 言

为治理河流、开发利用水资源以缓解日益增长的水资源供需矛盾，人们通常采取筑坝建库方式对河川径流进行调节，这在产生巨大社会和经济效益的同时，也在一定程度上影响了工程下游河道的天然生态环境需求［1-3］。生态环境流量是一项维持河湖生态系统特定功能不丧失的重要表征指标，水库在满足自身开发任务的基础上，下泄生态环境流量及满足下游河道内外用水需求已成为水库调度运行的一项重要任务并被纳入考核。2021年实施的《中华人民共和国长江保护法》明确规定：长江干流、重要支流和重要湖泊上游的水利水电、航运枢纽等工程应将生态用水调度纳入日常运行调度规程，建立常規生态调度机制，保证河湖生态流量。

近年来，诸多国内外学者针对水库生态环境流量调控开展了大量研究工作［4-6］。Jager等［4］曾指出，通常采用的水库优化运行方案并未充分考虑水生生态系统需求，并提出了一种在满足供水和发电等社会基本需求前提下的生态调度方法。朱金峰等［5］通过考虑生态流量目标需求，建立了沙河水库群生态用水调度模型，调度结果可有效减小供水期末的生态破坏，并且显著提高了最小生态流量和适宜生态流量的保证率。陈志刚等［6］系统梳理了过去（2000年以前）和现在（2001～2019年）世界各地生态调度实践的研究情况，并进一步对未来的研究作了展望。

并联水库在正常调度运行的基础上，通常仅考虑本工程下游近坝河段用水需求，如能结合水库自身特点和上游及区间来水情况，兼顾下游干流关键控制断面的用水需求，进行联合调控，可进一步提高干流关键控制断面最小下泄流量指标保证率，高效支撑流域经济社会发展和生态文明建设。如何考虑并联水库下游不同河段对生态环境流量或最小下泄流量的不同要求，综合考虑并联水库库容条件、水库上游及区间来水条件，最大限度地提高下游控制断面的最小下泄流量的保证率，目前尚无成熟的方法。本研究拟构建一套面向水资源及水生态的并联水库联合调控方法体系，通过获取并联水库干支流控制断面流量需求指标和水库及区间来流量、刻画并联水库运行状态、确定并联水库联合调控目标，最终实现并联水库实时下泄流量优化推求，以期为提高并联水库水量利用率及下游控制断面最小下泄流量保证率提供技术支撑。

1 研究区域及数据

澧水为洞庭湖水系第四大河流，干流全长388 km，总落差1 439 m，小渡口以上流域面积18 564 km2，流域范围为28°56′N～30°10′N，109°38′E～111°58′E（见图1）。澧水流域属亚热带季风湿润气候区，多年平均降水量约1 536 mm（1956～2016年，下同），多年平均水面蒸发量550～850 mm，多年平均天然径流量约168亿m3，约占洞庭湖区的8.1%［7-8］。溇水为澧水最大支流，河长248 km，流域面积5 048 km2；渫水为澧水第二大支流，河长171 km，流域面积3 201 km2。

溇水和渫水下游分别建有江垭和皂市两座澧水流域控制性水利枢纽，控制面积分别为3 711 km2和3 000 km2。澧水下游石门断面为澧水流域干流重要控制节点。

澧水支流溇水设有淋溪河、长潭河水文站，分别位于江垭水库上、下游；支流渫水设有皂市水文站，位于皂市水库下游；干流石门控制节点设有石门水文站。本研究收集了各站建站至2022年的逐日平均流量数据，该数据来自湖南省水文局。考虑到江垭、皂市两座控制性水利枢纽工程分别于1998年10月、2007年10月下闸蓄水，枢纽建成投运对江垭、皂市、石门控制断面的天然日均流量过程影响显著［9-10］，故而本研究采用1953～1997年共45 a各断面未受到工程调蓄影响的天然径流系列进行实例研究，其中，江垭断面逐日流量系列依据淋溪河、长潭河站推求。澧水流域干支流主要水文站基本情况见表1，江垭、皂市坝址及石门控制断面1953～1997年天然日均流量-保证率（P）曲线见图2。

2 研究方法

2.1 传统水库优化调度

传统水库优化调度实质即一定约束条件和解空间下的最优化问题，目标函数可表示为［11］

max{F1（r），F2（r），…，Fn（r）}（1）

式中：Fi（r）为第i个经济或社会效益目标，r为所有自变量组成的向量，n为目标个数。

传统水库优化调度是通过水量平衡约束、水位约束、水轮机最大过机流量约束、出力约束等条件，结合实测长系列水文资料进行调节计算。以上调度模型大多以防洪、发电、灌溉、供水为目标，未能充分考虑河流生态系统的用水需求。

2.2 面向水资源及水生态的并联水库联合调控

根据澧水流域特性，本研究将干支流主要控制性工程及控制断面拓扑结构概化如图3所示。图中：

QA生t、QB生t分别为并联水库A、B下泄生态环境流量或最小下泄流量需求，本研究中取皂市、江垭水库的最小下泄流量，m3/s；

QC控t为干流控制断面C要求的最小下泄流量，本研究中取石门断面最小下泄流量，m3/s；

QAt、QBt分别为并联水库A、B来流量，m3/s；

QABCt为并联水库A、B与控制断面C区间的来流量，m3/s；

QA下t、QB下t分别为并联水库A、B下泄流量，m3/s；

QC下t为并联水库A、B下泄流量与区间流量QABCt在干流控制断面C处的合成流量，m3/s；

ZAt、ZA死、ZA高分别为并联水库A实时运行水位、死水位、正常高水位，m；

ZBt、ZB死、ZB高分别为并联水库B实时运行水位、死水位、正常高水位，m；

VAt、VBt分别为并联水库A、B实时运行水位与死水位之间的实时运行有效库容，亿m3；

VA、VB分别为并联水库A、B正常高水位与死水位之间的兴利库容，亿m3。

基于此，本研究构建了一套面向水资源及水生态的并联水库联合调控方法体系：① 获取并联水库干支流控制断面最小下泄流量指标和并联水库及区间来流量；② 刻画并联水库运行状态；③ 确定并联水库联合调控目标；④ 并联水库实时下泄流量推求。

2.2.1 干支流控制断面最小下泄流量指标及来流量确定

根据河流特性，确定并联水库A、B下游各自所处支流控制断面、干流控制断面C的最小下泄流量QA生t、QB生t和QC控t。其中，最小下泄流量系满足河道内生态环境和河道外生产、生活、生态需水要求的河道控制断面允许最小流量［12］，生态环境流量的计算方法主要包括水文学方法、水力学方法、水文-生物分析方法、生境模拟法或综合评价法等［13-17］。

并联水库上游以及并联水库至干流控制断面C之间的来流量QAt、QBt和QABCt，主要依据降水和水文资料由水文模型计算，亦可采用水库或流域的水雨情自动测报系统成果［18］。

2.2.2 并联水库运行状态评定刻画

根据并联水库A、B的实时运行有效库容VAt、VBt评定指标，将并联水库A、B的运行状态刻画为以下3种状态。

3 结果分析

3.1 澧水流域干支流主要断面流量需求指标

流域主要控制断面流量需求指标通常经分析研究后由管理部门批复确定，成果主要来自流域规划、水量分配方案、水资源调度方案、环境影响评价、水资源论证、生态流量保障方案等。最初确定的澧水流域主要断面（皂市、江垭、石门）最小下泄流量指标［19-20］：QA生t=35.0 m3/s，QB生t=17.0 m3/s，QC控t=78.0 m3/s。其中，石门为澧水流域干流出口控制断面，相比于皂市、江垭断面，石门节点，石门县城所在地河道外用水需求较多，因此保障要求相对较高。管理部门通常以保证率不低于90%作为断面最小下泄流量指标满足程度考核标准。

3.2 最小下泄流量天然保证率分析

根据各断面1953～1997年天然逐日流量系列绘制最小下泄流量天然保证率曲线，结果如图5所示。可见，受限于天然来水条件，皂市断面下游最小下泄流量指标天然保证率较低，仅为51.79%，江垭及石门控制断面保证率相对较高，分别为88.67%和84.82%，但各断面天然保证率均未达到90%。

3.3 并联水库单独调控

两并联水库在满足自身调度规程的基础上，分别考虑各自最小下泄流量需求，长系列调控结果如图6和表2所示。结果表明：相比天然来水条件，经皂市、江垭两水库单独调控后，两库最小下泄流量保证率分别从51.79%，88.67%提高到80.97%，98.17%，受益于调控增泄，石门断面最小下泄流量保证率也有较为显著的提高，从84.82%提高到97.58%。

总体来看，相比天然来水条件，两并联水库在满足自身调度规则的基础上，分别考虑各自最小下泄流量需求实施单独调控，可提高干支流控制断面最小下泄流量保证率，但对于皂市断面，保證率提高有限，仅达到80.97%。经过进一步研究，管理部门将皂市断面最小下泄流量指标调整为22 m3/s［21］，在此基础上分析并联水库单独调控情况下各断面指标保证率，结果如图7和表3所示。

结果表明，皂市断面最小下泄流量指标调整后，改变了皂市水库出库过程及干流石门断面合成流量过程，最终各断面最小下泄流量保证率均达到90%以上，实现了整体优化。

3.4 并联水库联合调控

进一步应用本研究提出的并联水库联合调控方法，两并联水库在满足自身调度任务的基础上，考虑各自最小下泄流量需求，同时兼顾干流石门断面最小下泄流量需求，长系列调控结果如表4和图8所示。结果表明：相比天然来水条件，经皂市、江垭两并联水库联合调控后，各断面最小下泄流量保证率均有较为显著的提高，特别是干流石门控制断面，保证率从天然的84.82%提高到联合调控后的96.43%。

与并联水库单独调控结果相比，在确保皂市、江垭断面保证率不降低的前提下，本研究提出的并联水库联合调控方式兼顾了下游干流关键控制断面石门断面的最小下泄流量需求，充分利用了并联水库的互济作用，进一步提高了石门断面保证率，从92.54%提高到96.43%。

由此可见，本研究所建立的并联水库联合调控方法在保障支流断面最小下泄流量指标保证率的基础上，能够显著提高干流控制断面最小下泄流量指标保证率。

3.5 并联水库兴利效益分析

在皂市断面调整最小下泄流量指标后，并联水库单独调控方案下，皂市、江垭、石门断面的最小下泄流量长系列保证率分别为92.45%，98.17%，92.54%，皂市、江垭水电站多年平均年发电量分别为2.96亿kW·h和7.20亿kW·h；并联水库联合调控方案下，在确保皂市、江垭断面最小下泄流量保证率和发电量不降低的前提下，通过充分发挥并联水库的调蓄互济作用，石门断面最小下泄流量长系列保证率提高至96.43%，更好地满足了经济社会发展用水需求，实践了生态保护。

4 结 论

对于有大型水利工程控制的流域，统筹考虑干支流断面生态环境和河道内外用水需求，有助于实现科学合理配置水资源，保障河湖基本生态用水，确保水资源安全和生态安全，全力支撑经济社会高质量发展。本研究构建了一套面向水资源及水生态的并联水库联合调控方法体系，将其应用于澧水流域进行实例研究，所得结论如下：

（1） 天然来水条件下，澧水流域皂市断面最小下泄流量指标保证率较低，江垭及石门控制断面保证率相对较高，但均低于90%。

（2） 相比天然来水条件，水库通过调丰补枯，改变下泄过程，能显著提高坝址断面最小下泄流量保证率，并相应改善下游控制断面的流量过程及用水条件。

（3） 相比单独调控方案，本研究所建立的并联水库联合调控方法在保障支流断面最小下泄流量指标保证率及发电效益的基础上，能够显著提高干流控制断面最小下泄流量指标保证率，更好地支撑流域经济、社会、生态等综合用水需求。

参考文献：

［1］翟丽妮，梅亚东，李娜，等.水库生态与环境调度研究综述［J］.人民长江，2007，38（8）：56-57.

［2］梅亚东，杨娜，翟丽妮.雅砻江下游梯级水库生态友好型优化调度［J］.水科学进展，2009，20（5）：721-725.

［3］江善虎，周乐，任立良，等.基于生态流量阈值的河流水文健康演变定量归因［J］.水科学进展，2021，32（3）：356-365.

［4］JAGER H I，SMITH B T.Sustainable reservoir operation：can we generate hydropower and preserve ecosystem values？［J］.River research and Applications，2008，24（3）：340-352.

［5］朱金峰，王忠静.考虑生态用水的水库群优化调度研究［J］.水力发电学报，2012，31（5）：71-76.

［6］陈志刚，程琳，陈宇顺.水库生态调度现状与展望［J］.人民长江，2020，51（1）：94-103.

［7］徐高洪，徐长江，邵骏，等.长江流域水资源及水文情势变化研究［M］.武汉：长江出版社，2019.

［8］黎玮.澧水流域径流演变规律及模拟［D］.长沙：长沙理工大学，2020.

［9］杨开华，王毅，刘常，等.江垭水库汛期运行水位动态调度控制及成效分析［J］.人民长江，2020，51（11）：203-208.

［10］付文婷.澧水流域梯级水库群调度规则及效益评估研究［D］.武汉：华中科技大学，2017.

［11］陈端，陈求稳，陈进.考虑生态流量的水库优化调度模型研究进展［J］.水力发电学报，2011，30（5）：248-256.

［12］樊皓，闫峰陵.基于生态水力学法的金沙电站最小下泄流量计算［J］.水文，2016，36（3）：40-43.

［13］THOMS M C，SHELDON F.An ecosystem approach for determining environmental water allocations in Australian dryland river systems：The role of geomorphology［J］.Geomorphology，2002（47）：153-168.

［14］徐志侠，陈敏建，董增川.河流生态需水计算方法评述［J］.河海大学学报（自然科学版），2004，32（1）：5-9.

［15］张丽，李丽娟，梁丽乔，等.流域生态需水的理论及计算研究进展［J］.农业工程学报，2008，24（7）：307-312.

［16］于松延，徐宗学，武玮.基于多种水文学方法估算渭河关中段生态基流［J］.北京师范大学学报（自然科学版），2013，49（2/3）：175-179.

［17］李凯轩，李志威，胡旭跃，等.洞庭湖区三口水系生态基流研究［J］.长江科学院院报，2021，38（8）：19-24.

［18］张建云.中国水文预报技术发展的回顾与思考［J］.水科学进展，2010，21（4）：435-443.

［19］湖南省水利厅，湖南省发展和改革委员会，湖南省生态环境厅.关于印发《湖南省主要河流控制断面生态流量方案》的通知［R］.长沙：湖南省水利厅，湖南省发展和改革委员会，湖南省生态环境厅，2019.

［20］长江水利委员会.关于湖南省溇水江垭水利枢纽水资源调度方案的批复［R］.武汉：长江水利委员会，2019.

［21］长江水利委员会.关于湖南省渫水皂市水利枢纽水资源调度方案的批复［R］.武汉：长江水利委员会，2021.

（编辑：谢玲娴）

Study on joint operation of parallel reservoirs considering both water resources and water ecology

XU Changjiang1，XIONG Ming1，DU Tao2，LI Liping1，SHAO Jun1

（1.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China； 2.Upper Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Chongqing 400020，China）

Abstract： On the basis of normal operation，reservoirs usually consider the water demand of downstream reach close to the dam.If the characteristics of reservoir itself and the upstream and regional inflow，the water demand of the key control section of downstream main stream can be considered and jointly regulated，the guarantee rate of the minimum discharge flow index of the key control section in the main stream can be improved.In this paper，a set of joint regulation method system orienting to water resources and water ecology was established.By obtaining the control section demand index of the mainstream and tributaries of the parallel reservoirs and the discharge of the reservoirs and the river interval，the operation states of the reservoirs were described，the joint regulation objectives of the reservoirs were determined，and the real-time discharge optimization of the reservoirs were finally realized.This paper chose the Lishui River Basin as an example study to verify.It is demonstrated that compared with the natural inflow conditions，the single regulation scheme and the joint regulation scheme of parallel reservoirs can both improve the guarantee rate of the minimum discharge flow at the control sections in the mainstream and tributaries.And the joint regulation scheme can significantly improve the guarantee rate of the minimum discharge index of the main flow control sections on the basis of ensuring the guarantee rate of the minimum discharge index and the power generation efficiency of the tributary section.The research results can be valuable references for improving both the water utilization rate of parallel reservoirs and the guarantee rate of the minimum discharge of the mainstream control section.

Key words： ecological environment flow；minimum discharge flow；parallel reservoirs；joint operation；Lishui River basin

收稿日期：2022-10-17

基金項目：国家重点研发计划项目（2019YFC0408903）；长江水科学研究联合基金项目（U2240201）

作者简介：徐长江，女，正高级工程师，博士，主要从事水文分析与计算等方面的研究。E-mail：Xucj@cjh.com.cn