面向产漂流性卵鱼类繁殖的水电站生态水文过程调控

熊 明,郭 卫

(长江水利委员会水文局,武汉 430000)

0 引 言

随着社会经济的迅速发展,人类社会对河流的干扰日渐增加,水库水电站的修建改变了河流原有的连通性,造成河流上下游水力学水文学条件改变,更是对河流原生的鱼类繁殖生活造成影响。对于已建水利工程的河段如何开展面向鱼类繁殖需求的调控,现有研究还比较少,技术也还在不断探索中。

近20 a来众多学者在尝试开展面向水生态需求的水库调度研究,提出了许多相关调度方法和模型。陈庆伟等[1]探讨了大坝建造对河流水文特性、化学特性、通道作用等生态功能的影响方式,并结合实际案例,提出对于已建工程可通过水库运行调度方式的调整,减缓其生态影响。许可等[2]针对宜昌断面基于流域生物资源保护的流量要求,建立了以水电站发电效益最大为目标的长期优化调度模型,并采用差分进化法进行优化求解。毕栋威[3]在漳泽水库原有的调度模式下将生态调度的概念加入到调度过程,使得漳泽水库的调度模式得到进一步的完善。张洪波等[4]建立了黄河干流梯级水库综合调度模型,通过控制生态断面流量,得到不同生态要求下远景年黄河水资源配置方案。赵越等[5]针对四大家鱼产卵问题,结合历史水文数据,通过生态流组法分析其产卵期的生态水文事件组成,推求满足其产卵需求的流量过程。王海霞等[6]提出了包括流量、频率、延时等多种属性信息的生态整体目标,并设计了生态流量约束法及生态供水限制线法2种生态调度方法。王大双等[7]将水库下游生态保证率加入到调度模型的目标函数求解中,达到满足生态系统对流量的需求,维护河流结构与功能的完整性,减少水库调节对生态系统的负面影响。雷欢等[8]通过在汉江中下游钟祥、沙洋、泽口、仙桃江段设置监测断面,采集鱼类早期资源,以分析生态调度对促进汉江中下游鱼类繁殖的效果。监测结果表明梯级联合生态调度对汉江下游鱼类的繁殖具有积极的作用。黎明政等[9]对三峡库区忠县至涪陵江段产漂流性卵鱼类繁殖水文需求的分析结果表明四大家鱼仅在有持续涨水的条件下繁殖。杨志等[10]于2017—2020年5—7月对库中涪陵断面进行了逐日早期资源监测,研究得出目标鱼类逐日产卵规模主要受产卵时透明度及流量、产卵前流量或水位上涨过程以及产卵前积温的影响。

目前,长江流域已经开展了大量的已建工程生态调度相关工作,结合不同河流和水利工程特点,提炼了一些方法,如将河流水生境需求过程作为约束条件,在现有调度规则基础上,开展发电、防洪调度等;通过对比开展生态调度与否,评估生态调控对现有调度的影响。但很少有学者结合滚动来水预报,并采用变动增幅开展生态调度的研究。针对上述现有技术的不足,本文考虑提炼一种面向产漂流性卵鱼类繁殖的水电站生态水文过程调控技术,结合前期在金沙江河段开展的试验性生态调度,从而最大限度地提高目标鱼类产卵率,实现水电站调度综合效益最大化。

1 研究区域和对象

研究区域为金沙江中游河段,该河段分布有产漂流性卵鱼类,考虑该河段前期有生态调度基础,选取梨园水电站为研究对象,开展梨园水电站针对产漂流性卵鱼类繁殖的生态水文调控研究。

金沙江中游河段梨园库尾、坝下分布有圆口铜鱼、长薄鳅、长鳍吻鮈等产漂流性卵鱼类和长丝裂腹鱼、细鳞裂腹鱼等产黏沉性卵鱼类的产卵场[11],相关区域(以攀枝花断面为例)鱼类的繁殖习性[11-13]见表1。

表1 金沙江中游河段产漂流性卵鱼类繁殖习性Table 1 Reproduction features of main fishes spawning drifting eggs in the middle reach of Jinsha River

根据目前的初步成果,金沙江中游河段主要目标鱼类适宜的水温及水文需求[14-15]为:对于产漂流性卵鱼类,产卵适宜水温为18～23 ℃,其中圆口铜鱼产卵所需的主要水文条件为繁殖期间的日均流量和水位上涨量,长薄鳅产卵所需的主要水文条件为繁殖期间的日均流量,长鳍吻鮈产卵所需的主要水文条件为繁殖期间的流量上涨量和流量上涨率,此外涨水天数>6 d、日均流量>2 253 m3/s能进一步刺激圆口铜鱼和长鳍吻鮈的产卵活动。

前期研究[11-12]结合该河段鱼类产卵场分布和来水条件分析,得出梨园坝下满足圆口铜鱼、长薄鳅、长鳍吻鮈等产漂流性卵鱼产卵的适宜水温、流量条件为:产卵河段水温达到18 ℃以上;起涨流量在>1 250 m3/s后,逐步加大出库流量至总增幅>700 m3/s,加大下泄3～5 d(日均增幅100～200 m3/s),将总出库流量加大到2 560 m3/s以上,最终坝下水深增幅需>4.29 m。

2 面向产漂流性卵鱼类繁殖的水电站生态水文调控模型及求解

基于河段目标鱼类产卵所需生态流量脉冲过程和中长期来水预测已知的前提下,开展水电站面向产漂流性卵鱼类繁殖的水电站生态水文调控研究,制定调控原则,通过滚动分析调控,并初拟不同生态水文调控启动时刻和初始水位条件,从而构建了一种面向产漂流性卵鱼类繁殖的水电站生态水文过程调控模型。

2.1 生态水文调控原则

在考虑水电站现有调度方式及调度顺序的基础上,制定水电站生态水文过程调控原则如下[11-12]:

(1)安全原则。生态水文调控必须控制在设计的或规定的安全范围之内。

(2)防洪优先原则。生态水文调控服从防洪调度,水电站水库水位须控制在设计或规定的安全范围之内。

(3)近自然原则。遵循近自然基本准则, 结合水电站运行产生的生态问题,根据不同保护目标的生态需求开展相应的生态水文调控试验。

2.2 水电站生态水文调控模型构建

为克服单纯按照目标鱼类所需流量过程进行下泄,无法兼顾水电站实时来水过程和各种调度需求的难题,本文提出了根据实时来水过程,择机自适应调整出库增量变幅的调控方式,从而将面向鱼类繁殖生态脉冲需求和调度过程的差值最小化作为目标函数,即

(1)

其中,

(2)

其他相关约束条件详见下一节的求解步骤。

2.3 水电站生态水文调控模型求解思路和步骤

模型求解思路和步骤如下[12-14]:

两相邻最佳脉冲流量的计算公式为

(3)

(2)开始试算。不断试算初始水位H1;将初始水位增加一定幅度ΔH,H1=H1+ΔH。然后判断H1与Hmax的关系,如果H1≤Hmax,进入步骤(3);反之,程序中止,整个调控过程结束。

(3) 到下一时段尝试开展生态水文调控,t=t+1;ΔQt=0,假设两相邻时刻的出库流量增幅为ΔQt,则ΔQt=ΔQt+ΔQ*。其中,ΔQ*为试算值,ΔQt为水库时刻t出库流量的增幅(m3/s)。

Qt+1=Qt+ΔQt;

(4)

Ht+1=f(Vt+1) 。

(6)

式中:Qt、Qt+1分别为时刻t、t+1水库出库流量(m3/s);Vt、Vt+1分别为时刻t、t+1水库蓄水量(m3);Qλ,t、Qλ,t+1分别为时刻t、t+1的水库入库流量(m3/s);Δt为时间间隔(d);Ht+1为时刻t+1的水库坝上水位(m)。

(5)判断水位约束,如果Ht+1,min≤Ht+1≤Ht+1,max,根据式(7)计算坝下游水位Ht′,式(8)计算上下游水头差ht,进入步骤(6);反之,返回步骤(3),重新调整流量增幅ΔQ*。

Ht′=φ(Qt) ;

(7)

(8)

式中:Ht′为根据坝下游流量-水位关系Ht′=φ(Qt)推求的时刻t坝下游水位(m);ht是根据上下游水头差推算的时刻t坝址上下游水头差(m)。

2）企业产业发展、能源结构变化的根本需要。“十二五”以来，中国海油上游油气产量不断提升，一批中下游重点用能单位相继投产和并入，总体生产经营规模、产业结构、能源消费结构、能源消费总量均发生了大幅变化。在这种情况下，如何实现节能降耗，是工作中遇到的新问题。

(9)

(7)判断调控时刻是否满足t>T,如果满足,转入步骤(8);反之,返回步骤(3),开始下一时刻的计算。

ε为可控的目标函数预期值,小于该值认为已达预期效果,H1′、Ht′分别为时刻1和时刻t水库坝下游水位(m);ΔH′max为坝下游满足鱼类产卵生境需求的最佳水位增幅(m)。

模型求解的具体流程如图1所示。

3 生态水文过程调控研究

根据前期研究[12],梨园水电站在6月中旬、下旬(相应时段多年平均来水流量约1 500、2 000 m3/s)后开始生态水文过程调控更有利于生态调度目标的实现。因此,本次分别假设3种来水情景下(未来15 d梨园来水满足2 000、2 500、3 000 m3/s量级),通过模拟梨园水电站调度操作过程(图2),验证本文所提模型的合理性。

3.1 未来15 d平均来水流量2 000 m3/s量级

当预报梨园水电站未来15 d平均来水流量>2 000 m3/s量级时,可以尝试开展生态水文调控模拟,其中梨园水电站调度运行过程见图2(a),可以看出,该工况起始时刻出库流量相比来水需要消减400 m3/s,之后通过不断制造生态脉冲过程,最终加大下泄到出库流量>2 560 m3/s为止,梨园水电站在满足目标鱼类脉冲需求的同时,可于6月30号消落到汛限水位,不会影响到水电站的汛期防洪安全。

3.2 未来15 d平均来水流量2 500 m3/s量级

3.3 未来15 d平均来水流量3 000 m3/s量级

当预报梨园水电站未来15 d平均来水流量>3 000 m3/s量级时,可以尝试开展生态水文调控模拟,其中梨园水电站调度运行过程见图2(c),该工况下和上一工况相近,但因来水更大,水电站不得不将出库减少,从而在前7 d人工制造一个生态流量脉冲过程,之后,入库来水和需求过程基本同步,同样,水电站可以提前消落,在6月28号消落到汛限水位,也不会影响到水电站的汛期防洪安全。

通过对梨园水电站不同来水情景下的生态水文调控模拟可以得出,在水温水量满足的情况下,梨园水电站可于6月份择机开展生态水文调控。梨园水电站通过前期预留部分水量,并结合后期来水预测进行调蓄,可以满足下游鱼类产卵所需的脉冲流量和水位涨幅过程,且于6月底前平稳消落,对防洪影响较小[11-13]。不同来水情景下的成果模拟,验证了本文所提炼的模型和求解思路是合理可行的,说明已建水电站可以结合汛期来水涨幅和河段目标鱼类产卵需求,开展面向目标鱼类繁殖的生态水文调控研究。同时模型精度主要受预测来水精度影响,若来水预测精度较高,模型的精度也较高。

4 结论和展望

本文通过耦合鱼类产卵繁殖生态水文需求和现有调度方式,提出了一种面向产漂流性卵鱼类繁殖需求的水电站生态水文调控模型,在制定调度原则、调度目标的基础上,对模型进行了求解。之后通过对梨园水电站不同来水情景下的生态水文调控验证了模型的合理性和科学性,得到以下结论:

(1)本文提出的生态水文过程调控方法,可以根据实时来水过程,择机自适应调整出库增量变幅,从而将面向鱼类繁殖生态脉冲需求和调度过程的差值最小化作为目标函数,克服了单纯按照目标鱼类所需流量过程进行下泄,从而无法兼顾水电站实时来水过程和各种调度需求的难题。

(2)梨园水电站6月份在基于中长期来水预测和前期预留库容总量满足下游鱼类产卵所需水量的前提下,可择机开展试验性生态调度。

(3)考虑到有利于水电站开展生态水文调控的时间多接近汛期,因此在试验性生态调度期间,一定要确保防洪安全,当可能面临防洪风险或者出现紧急工况时,应当终止生态调控,恢复正常调度模式。

(4)本研究对于完善水电站调度规则,实现水电站综合效益最优的水资源开发与优化调度具有一定的参考价值,可供其他流域水电站开展生态水文过程调控参考。

本文依托水利部中国科学院水工程生态研究所关于金沙江中游河段目标鱼类繁殖需求的初步研究成果,验证了所提模型的可行性,但河段鱼类繁殖的生态水文需求过程是一个值得不断探求的研究课题,因此建议后期同步开展生态水文调控监测,以便实时评估生态调控效果,从而逐步加深对目标鱼类生态水文需求的认识,通过不断优化调整水电站生态水文调控方式,从而使本技术可以推广到更多流域。