考虑河道内生态需水与径流情势的水库群优化调度.pdf
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1、第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.:/基金项目:国家重点研发计划项目()国家自然科学基金项目()中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目()作者简介:王钦()女博士研究生主要从事水文水资源研究:.通信作者:王银堂()男正高级工程师硕士主要从事水文水资源研究:.考虑河道内生态需水与径流情势的水库群优化调度王 钦王银堂胡庆芳李伶杰刘 勇张 野吴海燕(.天津大学建筑工程学院天津 .南京水利科学研究院水灾害防御全国重点实验室江苏 南京 .长江保护与绿色发展研究院江苏 南京 .湖州市水利局浙江 湖州)摘要:针对目前水库生态调度研究重点考虑河道内生态需水量保障单一目标忽略河道天然径流情势
2、恢复的问题将水文改变指标()分为两类分别量化河道内生态需水与径流情势定义河道内生态缺水量最小和河道天然径流情势贴合度最大双生态目标结合河道外社会经济供水目标构建水库群多目标优化调度模型对我国南方某水库群开展实例研究 结果表明:基于双生态目标调度模型优选的均衡调度方案可在保障河道外主要用水对象供水保证率不低于 的同时使河道内目标生态需水保证率达到.构建的模型能有效兼顾社会经济和河流生态环境效益提升河道天然径流情势贴合度与只考虑河道内生态需水的水库群调度模型相比更有利于河流生态保护关键词:河道内生态需水径流情势水文改变指标水库群优化调度南方水库群中图分类号:.文献标志码:文章编号:()/(.):(
3、).:水库是最重要的流域水量调蓄设施之一 长期以来水库调度以防洪和兴利为主要目标追求社会经济效益最大化但对生态环境影响的关注不足扰动了河流生态系统健康 近年来国内外学者围绕水库调度如何有效协调社会经济发展和河流生态保护开展了大量研究 纵观已有研究考虑生态需求的水库调度研究总体可分为两类 第一类将基于水文学、水力学、栖息地模拟等方法计算的河道内生态需水量作为水库调度的约束条件即限定水库下游河道控制断面流量不低于特定生态需水量以此为前提寻求水库兴利目标最大化 例如:胡和平等以生态流量为约束以水电站年发电量最大为优化目标建立了基于生态流量过程线的水库优化调度模型徐淑琴等提出了将最小生态流量约束放大到
4、适宜生态流量的非充分生态约束流量求解方法以降低水库运行对河流生态系统的影响刘百灵等考虑了河道内生态基流约束提出了水库发电 供水多目标优化调度方案 第二类是将河道内生态需水作为水库调度的优化目标之一 例如:吕巍等通过加权法构建了考虑最小、适宜及理想生态需水的乌江干流梯级水电站多目标联合优化调度模型李力等以河流生态需水满足度最大和梯级发电量最大为目标研究了金沙江下游梯级水库优化调度问题白涛等考虑外调水源补给建立了水库发电量和生态需水保证程度双重目标的官厅水库优化调度模型 与第一类研究相比第二类研究在一定程度上可更灵活地协调社会经济和生态保护之间的矛盾河道径流时程分布即径流情势影响水量水质输移和生物
5、栖息地状况并通过水文生态耦合作用决定了水生生物物种分布和丰度对生物群落构成和生物多样性具有重要影响 事实上水库运行主要是通过改变河道径流情势影响水生生态系统演替 因此营造适宜的径流情势应当作为水库调度的重要任务之一 然而现有的两类研究构建水库调度模型一般只考虑下游河道内生态需水量对水库调度运行的约束或响应忽视了水库下泄流量的时程分布导致水库下游河道径流情势不一定能满足生态 系 统 健 康 的 要 求 水 文 改 变 指 标()可以捕捉天然河流的流量大小、持续时间、极端流量出现时间和频次等特征要素常用来表征河道径流情势但存在难以将 应用到调度模型的问题 近年来 等基于部分(月均流量和极端流量)构
6、建混合线性规划模型作为水库调度约束条件 等用数学公式计算 指标作为调度模型约束条件或目标函数 此类确定径流情势的方法存在地区适用性难以指导实践操作 现多借助变化范围法()评价典型调度方案中河道径流情势优劣进而挑选综合效益最优调度方案高玉琴等基于 法构建生态目标径流情势参与水库调度模型优化提出兼顾兴利效益与河流生态保护的水库优化调度方案 然而 法量化径流情势仅统计了各指标落入某阈值范围内的概率忽略了阈值范围外的指标导致径流情势变化评价不完整 为克服经典 法 不 足 等基 于 中 度 干 扰 假 说()引入高斯隶属函数量化了河流径流情势变化程度刘阳等也开展了类似研究 但上述研究均未明确 与水库下游
7、不同生态需求之间的复杂关系导致定义的生态目标不完整总体上现有考虑生态目标的水库调度研究侧重基于生态单目标的模型构建多针对满足河道内生态需水量的问题对基于 量化河道径流情势的应用及同时考虑两个生态目标的研究不足而同时考虑河道内生态需水与径流情势恢复对构建河流完整健康生态系统具有重要价值 鉴于此本文基于 分别确定河道内生态需水量和天然径流情势贴合度并考虑河道外社会经济供水目标构建水库群多目标优化调度模型 以我国南方某水库群为例研究均衡河道外供水和河道内生态效益的水库群调度方案并阐明增加河道径流情势的调控目标对河道内外兴利效益的影响 研究方法.生态目标确定方法本文建立的水库群调度模型生态目标涉及河道
8、内生态需水和径流情势两者均借助 量化 包含了 组 个水文变量:月平均流量分别为 月逐月平均流量共 个变量年内极端流量分别为年最小、流量和年最大、流量以及基流指数、零流量日数共 个变量年内极端流量出现时间分别为年最大流量出现日期、年最小流量出现日期 个变量高低流量的平均持续时间及次数分别为高流量发生次数、低流量发生次数、高流量平均历时、低流量平均历时 个变量流量改变率和频率分别为年均涨水速率、年均落水速率、涨落变化次数 个变量相应的可能生态影响见文献.河道内生态需水量计算方法 阈值描述了河川流量过程可变范围也是生态系统可承受的变化范围众多学者基于 阈值开展了河道内生态需水量的研究以 阈值目标差值
9、的百分数确定河道内生态需水最为常见 本文采用 法计算河道内生态需水量将各 发生概率为 和 对应数值作为各指标 阈值的上、下限参考文献基于第 组(月平均流量)采用 阈值目标差值的 和分别确定河道内基本生态需水量和目标生态需水量 基本生态需水量指维持河流、湖泊、沼泽生态系统结构和功能不丧失需要保留在河流、湖泊、沼泽内的最小流量是河湖生态水量要求的底线目标生态需水量指维护河流、湖泊、沼泽良好生态状况需要保留在河道内的流量 生态对象需水量为()()()式中:为第 月第 个河道内生态对象需水量 分别表示河道内基本生态需水和目标生态需水 为对应河道内生态需水百分数 分别表示河道内基本生态需水百分数和目标生
10、态需水百分数 、分别为第 月平均流量 阈值的上、下限.河道径流情势量化方法基于第 组 量化河道径流情势变化考虑到变量数量较多且各变量间存在一定相关性采 用 主 成 分 分 析()对 项 进行筛选并进一步引入 理论计算各指标对应的河道天然径流情势贴合度 对于某一个 可设定一个中间水平的范围值作为管理目标即基于受最小扰动的历史流量确定理想径流情势 通常采用高斯隶属函数计算水库调度后该 相对适宜值的隶属度表征调度过程河道径流情势对理想径流情势的贴合度(式()对于多个 通过权重法计算河道天然径流情势贴合度(式()()/()()式中:为第 个 的高斯隶属度为待评价径流的第 个 值 为天然径流的第 个 均
11、值为天然径流的第 个 的标准差 为第 个 的权重 为河道天然径流情势贴合度 为 总数.水库群多目标优化调度模型.水库供水调度规则调度图是水库群调度规则的核心 对于以供水为主的水库调度图由各用水对象限制供水线及确定的若干调度分区组成 调度图各运行控制线由高到低依次是运行水位上限(非汛期为正常蓄水位汛期为汛限水位)、各用水对象限制供水线和死水位 各用水对象限制供水线的位置由综合保证率要求、供水优先次序确定.目标函数与约束条件考虑河道外社会经济供水目标和河道内生态目标取社会经济缺水量 最小为第 目标函数(式()、河道内生态缺水量 最小为第 目标函数(式()、河道天然径流情势贴合度 最大为第 目标函数
12、(式()水库群调度约束条件主要包括水量平衡约束、蓄水量上下限约束、泄流上下限约束、决策变量非负约束及其他约束等 ()()()其中 ()()/()式中:、为第 个水库的第 个河道外用水对象在 时段的需水量和供水量、为第 个水库的第 个河道内生态用水对象在 时段的需水量和供水量 为河道外用水对象总数包括城乡生活和工业、农业灌溉、跨区域供水等 为河道内生态用水对象总数包括河道内基本和目标生态用水对象 为调度期时段数 为水库个数为第 年的河道天然径流情势贴合度 为调度期水文年数.模型求解与方案优选采用 求解水库群多目标优化调度模型 与 具有类似框架二者区别在于选择机制的改变主要靠拥挤度进行排序这种机制
13、对高维目标空间作用相对有限而 通过引入广泛分布参考点维持种群多样性能够获得均匀的 解集 基于 解集采用逼近理想点法()设定指标和权重寻求协调河道内生态供水和河道外供水效益的水库群均衡调度方案 实例分析.研究对象选择我国南方某水库群开展实例研究 研究区是重要的水源涵养区和优质水资源供给区区域内有、两座大型水库二者均具有重要防洪、供水、发电等综合功能 水库总库容.亿 集水面积 水库总库容.亿 集水面积 两库下游 水文站控制流域集水面积 多年平均年降水量为 多年平均年径流量为.亿 研究区主要位于山区具有水质优良、水量充足的优点满足本地“三生”用水(生活、生产和生态用水)后尚有一定外调潜力研究区水资源
14、配置网络见图 该研究区两座水库需要考虑保障本地河道外供水、维系河道内生态需水、向外部区域调水的三重任务 就本地河道外供水而言 水库分别供给 水厂、水库灌区 水库分别供给 水厂、水库灌区以满足供水范围内城乡生活和工业需水及灌区农业灌溉需水 两库通过明渠和隧洞单向连通即 水库可从 水库引水 就河道内生态需水而言、水库下泄流量共同满足下游 水文站河道内基本与目标生态需水量的要求就向外部区域调水而言若、水库满足本地用水需求后仍有余水可向 市区供水图 研究区水资源配置网络.数据来源.控制断面流量资料 水文站 年实测日径流由当地水文部门提供资料经过整编和质量控制.入库径流资料、两水库 年逐月入库径流资料由
15、水库管理局提供()天然月均流量()基本生态需水过程()目标生态需水过程图 水文站河道内基本与目标生态需水量过程.社会经济需水资料 基于研究区水资源相关规划预测了、两水库供水范围内各用户 年逐月需水量包括城乡生活和工业需水量(全年.亿)、农业灌区需水量(全年.亿)及受水区需水量(全年.亿).生态目标结果.河道内生态需水量河道内生态需水应在天然径流基础上进行计算 受气候变化和人类活动的共同影响 水文站实测径流系列统计规律发生了变异且 年为显著变异点此外取用水规模增加和水利工程调控等人类活动的贡献率高于气候变化 本文以 年为变异点将 水文站 年实测径流作为天然径流利用 法计算河道内基本与目标生态需水
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