方神光，崔麗琴

(珠江水利科學(xué)研究院，水利部珠江河口海岸工程技術(shù)研究中心，廣州 510611)

水庫生態(tài)調(diào)度是在保證防洪、發(fā)電、灌溉等效益的條件下，調(diào)節(jié)下泄流量的時(shí)間序列，盡可能恢復(fù)下游水流的自然節(jié)律過程，并通過人造洪峰等恢復(fù)自然水位漲落特征，調(diào)節(jié)水質(zhì)、水溫和泥沙沖淤，進(jìn)行流域自然生態(tài)環(huán)境修復(fù)。如1991-1996年，美國田納西河流域管理局[1]為提高水庫泄流水量和水質(zhì)，從生態(tài)角度對水庫調(diào)度方式進(jìn)行調(diào)整從而改善水庫下游水生態(tài)環(huán)境。建于1942年的哥倫比亞的大古力水壩(GCD)[2]在1982年以前承擔(dān)發(fā)電和防洪任務(wù)，之后提出考慮溯河產(chǎn)卵魚類的產(chǎn)卵問題，開始采用幫助幼魚過壩、增大下泄流量、模擬高流量脈沖等方法，有效地提高了洄游魚類的過壩率，解決其產(chǎn)卵問題及大壩水生物繁殖問題。巴西水庫Tucuruí[3]在其水庫調(diào)度中制定了水電站的運(yùn)行水位不能超過72 m的調(diào)度規(guī)則，各項(xiàng)生態(tài)指標(biāo)能有效地得到保障從而確保下游群落的生態(tài)安全；胡和平等[4]提出基于生態(tài)流量過程線的水庫生態(tài)調(diào)度方法，應(yīng)用在黃河某子流域，針對下游生態(tài)環(huán)境提出4個生態(tài)目標(biāo)，結(jié)果顯示生態(tài)目標(biāo)與發(fā)電目標(biāo)并不是完全對立，在滿足生態(tài)目標(biāo)的同時(shí)發(fā)電量僅減少7.6%。曾勇[5]提出跨界水沖突博弈模型，基于博弈論與最優(yōu)方法，考慮參與人非合作及合作行為、河道最小生態(tài)需求、水資源的質(zhì)與量，將模型運(yùn)用于官廳水庫流域的張家口市、北京市跨界的水量和水質(zhì)沖突問題，合理確定排污少、經(jīng)濟(jì)效益高的水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度方案?？盗岷忘S云燕等[6]提出逐步優(yōu)化算法(POA)，分析計(jì)算了漢江的最小生態(tài)流量、適宜生態(tài)流量以及四大家魚產(chǎn)卵所需要的洪水脈沖過程。小浪底調(diào)水調(diào)沙(2003-2005)[7]過程中，將生態(tài)引入調(diào)度總目標(biāo)中，通過加大上游水庫下泄流量的方法，緩解了淤積現(xiàn)象，有效的改善下游生態(tài)環(huán)境。王煜等[8]建立了針對中華鱘產(chǎn)卵場建立了葛洲壩下游河段水動力數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水庫生態(tài)調(diào)度，以中華鱘產(chǎn)卵期為調(diào)度周期，將產(chǎn)卵場產(chǎn)卵適合度作為作為指標(biāo)，同時(shí)考慮水庫防洪、航運(yùn)效益建立雙目標(biāo)水庫生態(tài)調(diào)度模型，結(jié)果顯示生態(tài)調(diào)度后中華鱘在產(chǎn)卵期(10-11月)同比歷史可增加39%適合產(chǎn)卵水域面積，而發(fā)電量僅損失0.15%，取得了較好成果。

西江流域魚類資源非常豐富，但由于人類活動影響，尤其是西江干流各梯級水庫的開發(fā)很少考慮水生生態(tài)需求，導(dǎo)致魚類生境萎縮，魚類集中產(chǎn)卵場已由歷史上的29個縮減為17個。梧州斷面是西江中上游洪水進(jìn)入下游的控制性斷面，相關(guān)研究顯示[9,10]，該斷面流量達(dá)到1 800和2 100 m3/s時(shí)可分別滿足西江干流的生態(tài)流量和河口壓咸流量的需要。為此，本文基于西江中游河網(wǎng)及梯級水庫整體數(shù)學(xué)模型[11]，考慮盡量減少對防洪發(fā)電等影響的前提下，探討利用龍灘和巖灘正常蓄水位與汛限水位間的庫容開展梧州斷面流量調(diào)度方面的研究工作。

1 數(shù)學(xué)模型及典型水文年選取

1.1 計(jì)算范圍及數(shù)學(xué)模型

本研究課題主要利用龍灘和巖灘正常蓄水位與汛限水位間庫容調(diào)節(jié)下游梧州控制斷面流量，因此涉及的西江中上游干支流河段主要有紅水河、柳江、黔江、郁江和潯江，如圖1所示，同時(shí)控制水文站的分布位置也作為計(jì)算范圍重要依據(jù)；因此，紅水河段上游選取到北盤江匯入口附近的蔗香水文站、下游止于石龍三江口，總長約632 km，該河段現(xiàn)有梯級電站主要有：龍灘、巖灘、大化、百龍灘、樂灘和橋鞏；柳江計(jì)算河段上游始于柳州水文站、下游止于石龍三江口，總長約158 km，分布有紅花電站；黔江上游始于石龍三江口、下游止于桂平三江口，總長約122 km；郁江段上游始于南寧、下游止于桂平三江口，總長約382 km，主要有西津電站和貴港水利樞紐；潯江段上游始于桂平三江口、下游止于長洲樞紐，總長約155 km。

圖1 西江中游河網(wǎng)水系圖Fig.1 Water system in the middle reach of Xijiang River

收集了2010年紅水河、2009年柳江、2009年黔江、2006-2010年黔江及2010年潯江河道水深地形資料(85高程)，依據(jù)地形資料建立了西江中游河網(wǎng)及梯級水庫聯(lián)解數(shù)學(xué)模型，水動力數(shù)學(xué)模型采用一維圣維南方程組，西江中游為樹狀河網(wǎng)，且支流上分布有數(shù)量較多的梯級水庫電站，導(dǎo)致大壩上下游水流失去了水力連續(xù)性，建模過程中提出了河網(wǎng)、子河網(wǎng)、河道、節(jié)點(diǎn)四個層面的計(jì)算求解概念，四者通過水利樞紐調(diào)度方式、外部邊界條件的傳遞關(guān)系連接成一個整體，應(yīng)用實(shí)測水文資料對該模型開展了大量的率定和驗(yàn)證工作[11,12]。

1.2 水文典型年選取

枯水季節(jié)梧州斷面流量過程對珠江河口能否滿足對珠海、澳門地區(qū)的供水、能否增加河口徑流以壓制咸水上溯以及能否滿足河口地區(qū)補(bǔ)充淡水的需要具有重要影響。梧州枯水季節(jié)為12月至次年3月，其中絕大多數(shù)以1月份來流量最小，因此搜集了近些年從1997-2014年共計(jì)18年梧州站實(shí)測水文數(shù)據(jù)，對一月平均流量進(jìn)行粗略統(tǒng)計(jì)如圖2所示。由圖可見，隨著西江干流梯級電站建立，一月份梧州站平均流量呈現(xiàn)增長趨勢，尤其在2009年龍灘水庫投入運(yùn)行后流量增加較為明顯。2009年龍灘建成前在豐水年基本能滿足1 800 m3/s的生態(tài)流量，但難以滿足2 100 m3/s的抑咸流量；2009年龍灘建成后在豐水年與平水年，梧州站基本能滿足生態(tài)和抑咸需要的流量，可見，由于上游龍灘水庫調(diào)節(jié)庫容較大，枯水期對梧州控制斷面流量的增加起到了重要的作用。因此，本次調(diào)度以龍灘作為主要調(diào)節(jié)水庫，考慮到龍灘下泄流量傳遞至梧州時(shí)間較長，此處增加巖灘水電站進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)；根據(jù)近5年來1月份流量來看，2012年1月份流量最小，僅為1 703 m3/s，相當(dāng)于龍灘水庫建成前梧州站重要枯水期(12月-次年2月)60%頻率的枯季流量，大于最枯月平均流量1 490 m3/s；鑒于龍灘水庫建成后對梧州枯季斷面流量影響巨大，為反應(yīng)近年來枯季流量的真實(shí)情況，因此選取枯水年份2012年1月1日0時(shí)至2012年2月29日0時(shí)共計(jì)1440小時(shí)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)調(diào)度計(jì)算研究。

圖2 梧州站一月份歷年平均流量值Fig.2 Average flux in Jan. at Wuzhou station

2 調(diào)度方案設(shè)置與計(jì)算步驟

2.1 調(diào)度方案設(shè)置

考慮到枯季水庫調(diào)度要保證發(fā)電、航運(yùn)、取水和生態(tài)等綜合需求，此處調(diào)度主要考慮利用汛前騰空正常蓄水位與汛限水位間的庫容作為可利用水量，即當(dāng)水庫水位低于汛限水位時(shí)調(diào)度停止。尹小玲等[13]針對枯季梧州流量對龍灘下泄流量的響應(yīng)分析顯示，龍灘下泄流量是梧州控制斷面流量重要的組成部分，兩者具有很好的線性關(guān)系，且枯水和偏枯水年時(shí)龍灘需要至少下泄600～800 m3/s的流量才能保證下游的生態(tài)和壓咸需要。因此，此處將龍灘保證下泄800 m3/s的流量作為龍灘最基本的調(diào)度方案，為對比需要，將保證下泄1 000 m3/s作為加大調(diào)控方案，巖灘則主要作為調(diào)節(jié)中轉(zhuǎn)水庫進(jìn)行利用，設(shè)計(jì)調(diào)度如表1所示。

2.2 區(qū)間入流還原和計(jì)算步驟

由于建立的數(shù)學(xué)模型范圍幾乎包含了西江中游主要干支流，此處依據(jù)主要支流水系和控制水文站點(diǎn)分布情況，將計(jì)算范圍區(qū)間入流還原分為四個大的子區(qū)間分別進(jìn)行還原：北盤江入流口-橋鞏段，橋鞏、柳州站-武宣段，南寧-貴港段，貴港、武宣-梧州段，分別對區(qū)間控制水文站的流量進(jìn)行了比較驗(yàn)證，限于篇幅，圖3給出了還原后的武宣和梧州流量的驗(yàn)證圖，證實(shí)了此處還原后的2012年1月1日0時(shí)至2012年2月29日0時(shí)區(qū)間水文過程的可靠性。設(shè)計(jì)主要步驟如下：

表1 水庫調(diào)度方案Tab.1 Plans of cascade reservoirs dispatch

(1)將整體計(jì)算模型劃分為4段：北盤江入流口-橋鞏段，橋鞏、柳州站-武宣段，南寧-貴港段，貴港、武宣-梧州段，根據(jù)區(qū)段間主要支流匯入口設(shè)置區(qū)間入流位置斷面；

(2)分別單獨(dú)建立劃分出來的4個區(qū)段的河網(wǎng)及梯級水庫數(shù)學(xué)模型，由于這些區(qū)段模型取自整體大模型，已經(jīng)進(jìn)行過率定和驗(yàn)證，可直接用于區(qū)間入流還原計(jì)算；

(3)根據(jù)劃分區(qū)段間的控制水文站點(diǎn)，給出2012年1月1日0時(shí)至2012年2月29日0時(shí)每段上游流量邊界條件和下游水位邊界條件，還原每段區(qū)間入流；

(4)將各區(qū)段還原的區(qū)間入流放入到整體大模型中，對設(shè)置的5個龍灘調(diào)度方案進(jìn)行模擬計(jì)算和分析。

圖3 主要控制站點(diǎn)流量驗(yàn)證Fig.3 Flux verification at main control stations

圖4 梯級水庫調(diào)度計(jì)算結(jié)果Fig.4 Results by numerical simulations of dispatch of cascade reservoirs

3 調(diào)度結(jié)果分析和比較

3.1 調(diào)度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1設(shè)計(jì)的龍灘和巖灘調(diào)度方案中，兩個水庫正常蓄水位分別是375和223 m，汛限水位分別是359.3和220.5 m，統(tǒng)計(jì)調(diào)度前后梧州控制斷面流量達(dá)到或超過生態(tài)基流和抑咸流量的時(shí)間，5種方案的計(jì)算成果如圖4所示，分析如下：

(1)方案1采用龍灘單庫調(diào)節(jié)，從1月1日至2月29日全程，龍灘水庫始終保持800 m3/s的下泄流量，入庫流量小于出庫流量，壩前水位持續(xù)下降但始終高于汛限水位359.3 m。經(jīng)過龍灘調(diào)節(jié)，梧州控制斷面達(dá)到或超過生態(tài)需流的時(shí)間由調(diào)度前432 h提高至調(diào)度后766 h，滿足率由調(diào)度前40%提高至調(diào)度后79%；達(dá)到或超過抑咸所需流量的時(shí)間由調(diào)度前175 h提高至調(diào)度后418 h，滿足率由調(diào)度前16.2%提高至調(diào)度后38.7%。

(2)方案2采用龍灘單庫調(diào)度并加大調(diào)節(jié)力度，可見從1月1日至2月21日，龍灘水庫始終保持1 000 m3/s的下泄流量，入庫流量小于出庫流量，壩前水位持續(xù)下降至汛限水位359.3 m，因此從2月21日至2月29日，龍灘水庫停止調(diào)度，按入庫流量下泄，壩前水位保持不變。通過龍灘單庫加大調(diào)節(jié)力度可見，梧州控制斷面達(dá)到或超過生態(tài)需流的時(shí)間由調(diào)度前432 h提高至調(diào)度后664 h，滿足率由調(diào)度前40%提高至調(diào)度后89.7%；達(dá)到或超過抑咸所需流量的時(shí)間由調(diào)度前175 h提高至調(diào)度后418 h，滿足率由調(diào)度前16.2%提高至調(diào)度后61.5%。

(3)方案3采用巖灘單庫調(diào)度，顯示從1月1日至1月10日，巖灘水庫始終保持800 m3/s的下泄流量，入庫流量小于出庫流量，壩前水位持續(xù)下降至汛限水位220.5 m；因此從1月11日至2月29日，巖灘水庫停止調(diào)度，按入庫流量下泄，壩前維持汛限水位。經(jīng)過巖灘單庫調(diào)度，梧州控制斷面達(dá)到或超過生態(tài)需流的時(shí)間僅僅提高了6 h，流量達(dá)標(biāo)率僅提高0.5%；抑咸流量達(dá)標(biāo)時(shí)間提高19 h，達(dá)標(biāo)率僅提高1.7%。

(4)方案4采用巖灘單庫調(diào)度并加大調(diào)節(jié)力度從1月1日至1月7日，巖灘水庫始終保持1 000 m3/s的下泄流量，由于入庫流量小于出庫流量，壩前水位下降至汛限水位220.5 m，之后便停止調(diào)度，維持壩前汛限水位不變。經(jīng)巖灘單庫極大下泄力度，梧州控制斷面達(dá)到或超過生態(tài)需流的時(shí)間僅提高4 h，對抑咸流量提高沒有效果。

(5)方案5采用龍灘、巖灘聯(lián)合加大下泄強(qiáng)度調(diào)度，顯示：①對龍灘水庫，從1月1日至2月21日始終保持1 000 m3/s的下泄流量，入庫流量小于出庫流量，壩前水位逐漸下降至汛限水位359.3 m，之后即停止調(diào)度維持汛限水位不變；②對巖灘水庫，從1月1日至2月21日，巖灘水庫始終保持1 000 m3/s的下泄流量，入庫流量為龍灘出庫流量，兩者相等，巖灘壩前水位維持不變。2月21日至2月28日，龍灘停止調(diào)度，巖灘繼續(xù)以1 000 m3/s流量下泄，入庫流量小于出庫流量，壩前水位下降至汛限水位220.5 m，之后停止調(diào)度以維持壩前水位不變。經(jīng)過龍灘和巖灘雙庫聯(lián)合調(diào)度，梧州控制斷面達(dá)到或超過生態(tài)需流的時(shí)間由調(diào)度前432 h提高至調(diào)度后997 h，達(dá)標(biāo)率由調(diào)度前40%提高至調(diào)度后92.3%；達(dá)到或超過抑咸所需流量的時(shí)間由調(diào)度前175 h提高至調(diào)度后708 h；達(dá)標(biāo)率由調(diào)度前16.2%提高至調(diào)度后65.6%。

3.2 梯級水庫生態(tài)調(diào)度方案比較分析

梧州控制斷面流量過程對西江下游及珠江河口三角洲的生態(tài)、供水和抑咸等具有重要的意義，因此以梧州控制斷面生態(tài)和抑咸流量需求為目標(biāo)，以2012年1月1日至2月29日枯季水文過程作為典型，采用西江中游河網(wǎng)及梯級水庫數(shù)學(xué)模型對以龍灘為主、巖灘為輔的不同調(diào)度組合方案進(jìn)行了模擬計(jì)算，獲得了各調(diào)節(jié)方案下的梧州控制斷面枯季流量過程，分析可見：

(1)由于龍灘水電站是紅水河梯級開發(fā)的大型水庫，其調(diào)節(jié)庫容達(dá)111.5 億m3，因此采用龍灘單庫調(diào)度的方案1、方案2以及龍灘和巖灘聯(lián)合調(diào)度的方案5都能取得較為明顯的效果，可以使梧州斷面生態(tài)流量由調(diào)度前僅40%的保證率提高到70.9%～92.3%，將壓咸流量由調(diào)度前僅16.2%的保證率提高到38.7%～65.6%；

(2)巖灘水電站是紅水河綜合利用規(guī)劃的第五個梯級電站，其調(diào)節(jié)庫容10.5 億m3，相對龍灘小很多，因此采用巖灘單庫調(diào)度的方案3和方案4，對梧州斷面流量提高幾乎影響很小；但由于巖灘水庫相對龍灘水庫距離下游梧州控制斷面更近，且其調(diào)節(jié)庫容可進(jìn)行不完全年調(diào)節(jié)，相對除龍灘以外的紅水河上其他梯級水庫來講較大，極為適合作為龍灘生態(tài)調(diào)度的中轉(zhuǎn)水庫進(jìn)行利用，可以顯著縮短水量調(diào)度的時(shí)間；

(3)在方案5中，實(shí)際上是先后利用了龍灘和巖灘的部分庫容進(jìn)行梧州控制斷面的生態(tài)流量調(diào)度，先利用龍灘庫容，巖灘此時(shí)作為中轉(zhuǎn)庫容，在龍灘這部分庫容使用完畢后，才開始利用巖灘，因此采用方案5進(jìn)行調(diào)節(jié)后的梧州控制斷面生態(tài)和抑咸流量改善最為顯著，可見若同時(shí)再合理利用下游其他梯級水庫的這部分庫容，不僅可以進(jìn)一步提高梧州控制斷面的流量保證率，而且還可以大大縮短調(diào)度時(shí)間和提高調(diào)度效率。

由計(jì)算和分析顯示，利用龍灘和巖灘正常運(yùn)行水位與汛限水位間的庫容可以有效提高梧州控制斷面枯季的徑流量。西江中游是梯級水庫分布和建設(shè)最為集中的區(qū)域，同時(shí)也是防洪的重點(diǎn)區(qū)域，為保證汛期防洪安全，一般在汛前4月份要將水庫水位降至汛限水位，由此會產(chǎn)生或多或少的棄水，若能有效利用好該棄水，可以避免與發(fā)電等其他需水造成沖突，使給出的實(shí)施方案更為切實(shí)可行。

4 結(jié) 論

針對枯季梧州控制斷面水文徑流過程對西江中下游河道生態(tài)以及珠江河口三角洲抑制咸潮入侵、保障供水的重要性，本文選取近年偏枯的2012年1-2月水文條件作為典型年，應(yīng)用率定和驗(yàn)證過的西江中游河網(wǎng)及梯級水庫整體數(shù)學(xué)模型，探討枯季利用龍灘和巖灘的汛前棄水改善梧州控制斷面徑流的可能性，以達(dá)到提高枯季梧州控制斷面徑流量的目的，主要結(jié)論有：

(1)單獨(dú)利用龍灘或龍灘與巖灘聯(lián)合調(diào)度對提高梧州控制斷面徑流量具有顯著作用，可以使梧州斷面生態(tài)流量由調(diào)度前僅40%的保證率提高到70.9%～92.3%，將壓咸流量由調(diào)度前僅16.2%的保證率提高到38.7%～65.6%；

(2)單獨(dú)利用巖灘汛前棄水對改善梧州斷面徑流量作用很小，但由于巖灘距離下游控制斷面更近，且?guī)烊菹鄬^大，可以作為龍灘枯季開展生態(tài)調(diào)度的中轉(zhuǎn)水庫，能有效提高龍灘調(diào)度對下游控制斷面的反應(yīng)時(shí)間和效率；

(3)總體來看，在西江中游梯級水庫的防洪或生態(tài)調(diào)度中，若能發(fā)揮上游龍灘大型水庫的主導(dǎo)作用以及其他梯級水庫輔助中轉(zhuǎn)作用，在此方面開展進(jìn)一步的研究探討，能最大程度提高梯級水庫的防洪和生態(tài)效益。

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[1] 呂新華. 大型水利工程的生態(tài)調(diào)度[J]. 科學(xué)進(jìn)步與對策，2006,11(7):129-131.

[2] 余文公. 三峽水庫生態(tài)徑流調(diào)度措施及方案研究[D]. 南京：河海大學(xué)，2007.

[3] 舒丹丹. 生態(tài)友好型水庫調(diào)度模型研究與應(yīng)用[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)，2009.

[4] 胡和平,劉登峰,田富強(qiáng)，等. 基于生態(tài)流量過程線的水庫生態(tài)調(diào)度方法研究[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2008,19(3):325-331.

[5] 曾 勇.跨界水沖突博弈分析[J]. 水科學(xué)報(bào)，2011，42(2):204-210.

[6] 康 玲，黃云燕，楊正祥，等. 水庫生態(tài)調(diào)度模型及其應(yīng)用[J]. 水利學(xué)報(bào)，2010，41(2):134-141.

[7] 劉樹君. 小浪底水庫近期優(yōu)化調(diào)度探討[J]. 人民黃河，2012，34(10):23-25.

[8] 王 煜，戴會超，王冰偉，等. 優(yōu)化中華鱘產(chǎn)卵生境的水庫生態(tài)調(diào)度研究[J]. 水利學(xué)報(bào)，2013，44(3):319-326.

[9] 易 靈，謝淑琴. 珠江枯期水庫調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 人民珠江，2010，增刊(1):1-3.

[10] 馬興華，查大偉，解河海. 西江梧州斷面生態(tài)流量研究[J]. 人民珠江，2013，增刊(1):47-49.

[11] 方神光，張文明，徐峰俊，等. 西江中游河網(wǎng)及梯級水庫水動力整體數(shù)學(xué)模型研究[J]. 人民珠江，2015，(4):107-111.

[12] 方神光，張文明，張 康，等. 西江中游干支流河道糙率研究[J]. 泥沙研究，2016，(2):20-25.

[13] 尹小玲，王光謙，李鐵健，等. 枯季梧州流量對龍灘水庫泄流量的響應(yīng)關(guān)系[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，38(10):118-122.