王 煜,李金峰,翟振男

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

中華鱘生理結(jié)構(gòu)上既有古老軟脊魚的特征,又有現(xiàn)代諸多硬骨魚的特征,被稱為水生物中的活化石,具有很高的科研價(jià)值[1-3],是我國(guó)一級(jí)保護(hù)動(dòng)物。中華鱘是典型江海洄游性魚類,其性成熟后,每年6—7月開始由海入江作生殖洄游,繁殖期通常在每年的10月上旬到11月中旬。中華鱘歷史產(chǎn)卵場(chǎng)分布在牛攔江以下的金沙江下游至涪陵以上的長(zhǎng)江上游,共約16處產(chǎn)卵場(chǎng)[4]。葛洲壩水利工程的建設(shè),阻隔了中華鱘的洄游通道,中華鱘被迫在葛洲壩下游距大壩約4 km區(qū)域內(nèi)形成新的產(chǎn)卵場(chǎng)[5-6]。經(jīng)過生物學(xué)習(xí)性的強(qiáng)制適應(yīng),至今中華鱘在葛洲壩下產(chǎn)卵場(chǎng)仍維持一定規(guī)模的自然繁殖活動(dòng)。三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行,改變了葛洲壩下游河道的天然徑流過程,使葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境逐年變化,加之新產(chǎn)卵場(chǎng)水域面積有限、人類活動(dòng)頻繁干擾等因素,近些年中華鱘自然繁殖規(guī)模已經(jīng)大幅度銳減,甚至出現(xiàn)2013—2015年連續(xù)3年未檢測(cè)到中華鱘自然繁殖活動(dòng)現(xiàn)象。為此,在滿足三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)常規(guī)調(diào)度目標(biāo)的同時(shí),如何有效保護(hù)和修復(fù)中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境,從而有效保護(hù)中華鱘資源,是需要研究的課題。

生態(tài)調(diào)度是水庫(kù)在實(shí)現(xiàn)防洪、發(fā)電、供水、灌溉、航運(yùn)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)多種目標(biāo)的前提下,兼顧河流生態(tài)系統(tǒng)需求的調(diào)度方式[7-11]。水庫(kù)生態(tài)調(diào)度通過優(yōu)化調(diào)度方式來修復(fù)自然水文情勢(shì),以緩解其對(duì)自然水文情勢(shì)的改變?cè)斐纱髩紊舷掠魏恿鞯纳鷳B(tài)環(huán)境問題。水庫(kù)生態(tài)調(diào)度是近些年修復(fù)水生生物產(chǎn)卵棲息地水環(huán)境的有效措施之一。根據(jù)2005年大自然保護(hù)協(xié)會(huì)收集的國(guó)際上已進(jìn)行和將要進(jìn)行的53個(gè)國(guó)家855條河流上的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度信息,有一半以上的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度項(xiàng)目是為了改善水生生物特別是魚類的棲息地水環(huán)境。這類水庫(kù)生態(tài)調(diào)度一般是通過在魚類的洄游期釋放適合魚類洄游的流量,并結(jié)合一定的過魚設(shè)施幫助魚類到達(dá)產(chǎn)卵地。也有一些專門針對(duì)魚類繁殖的生態(tài)調(diào)度措施,有的是通過調(diào)整水庫(kù)的泄流過程滿足下游魚類產(chǎn)卵期的生態(tài)需水量;有的是在魚類的繁殖期,釋放一場(chǎng)模擬自然水文情勢(shì)的洪水過程,協(xié)助某些魚類完成產(chǎn)卵活動(dòng)。如美國(guó)大古力水壩(GCD)和哥倫比亞流域水庫(kù)以充分滿足溯河產(chǎn)卵魚類種群的尋址需求為目標(biāo)的調(diào)度,烏克蘭德涅斯特羅夫水庫(kù)進(jìn)行自然保護(hù)而進(jìn)行的調(diào)度,南非針對(duì)整個(gè)流域生態(tài)需水量而進(jìn)行的生態(tài)調(diào)度等等。我國(guó)三峽水庫(kù)也通過“人造洪峰”刺激長(zhǎng)江“四大家魚”繁殖產(chǎn)卵,取得了較好的調(diào)度效果[12]。由此可見,優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度方式可有效修復(fù)和改善下游魚類產(chǎn)卵棲息地水環(huán)境,保護(hù)魚類資源的可持續(xù)發(fā)展。然而,不同魚類種群對(duì)其產(chǎn)卵棲息地水環(huán)境的需求不同,有效的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度必須在明確目標(biāo)魚種對(duì)產(chǎn)卵棲息地水環(huán)境需求的基礎(chǔ)上,結(jié)合水庫(kù)常規(guī)調(diào)度目標(biāo)有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。特別對(duì)受梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度影響的下游魚類產(chǎn)卵棲息地,應(yīng)充分研究各水庫(kù)對(duì)目標(biāo)魚種產(chǎn)卵棲息地水環(huán)境的調(diào)度疊加效應(yīng)。

葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境在三峽水庫(kù)蓄水前后發(fā)生了相應(yīng)變化,對(duì)中華鱘繁殖活動(dòng)產(chǎn)生影響[13]。為充分發(fā)揮三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)防洪、發(fā)電等巨大效益的同時(shí)修復(fù)中華鱘產(chǎn)卵棲息地水動(dòng)力環(huán)境,有效保護(hù)中華鱘資源,本文以葛洲壩壩下4 km江段中華鱘現(xiàn)有產(chǎn)卵場(chǎng)所在水域?yàn)檠芯亢佣?對(duì)比三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行后葛洲壩下游中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境逐年演變過程,分析水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度對(duì)中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境影響,提出優(yōu)化中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境的三峽-葛洲壩聯(lián)合調(diào)度方案。

1 梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境演變

1.1 產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境產(chǎn)卵適合度評(píng)價(jià)方法

根據(jù)中華鱘自然繁殖對(duì)產(chǎn)卵場(chǎng)流速、水深的水動(dòng)力需求,利用河流內(nèi)流量增量法(IFIM)構(gòu)造中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度評(píng)價(jià)模型[14]。模型以產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積WUA(以下用WUA表示)評(píng)價(jià)研究河段水動(dòng)力環(huán)境對(duì)于中華鱘然繁殖的適合程度。WUA越高,說明研究河段適合中華鱘自然繁殖的水域面積越大,中華鱘自然繁殖的概率越高。評(píng)價(jià)中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境對(duì)其產(chǎn)卵適合度的WUA值是將研究河段各計(jì)算單元影響因子組合適宜值CSF(以下用CSF表示)與單元面積的乘積進(jìn)行累加得到。影響因子適宜值表示影響因子對(duì)中華鱘自然繁殖的適合程度,為0～1之間的數(shù)值,最適宜中華鱘產(chǎn)卵的因子為1,最不適宜的為0。因此單元影響因子組合值為0～1之間的數(shù)值,其值越大表明研究區(qū)域各研究因子越適宜中華鱘產(chǎn)卵。本文采用計(jì)算單元平均流速和水深作為影響中華鱘自然繁殖的水動(dòng)力因子,各計(jì)算單元的適宜值根據(jù)中華鱘產(chǎn)卵流速、水深適宜度曲線[15]得到;以CSF值大于0.6作為判別計(jì)算單元水動(dòng)力微生境條件滿足中華鱘自然繁殖的條件。

(1)

CSF(vi,Di)=viDi

(2)

式中:vi為i單元流速適宜值;Di為i單元水深適宜值;Fi為i單元在水平面上的投影面積。

1.2 產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境演變

三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)度改變了下游河道的天然徑流過程,造成位于葛洲壩壩下的中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)江段相應(yīng)的水深、水溫、流速、含沙量等水質(zhì)及水動(dòng)力因子較天然河道發(fā)生了一定的變化,對(duì)中華鱘自然繁殖造成影響,使其產(chǎn)卵時(shí)間推遲、產(chǎn)卵次數(shù)減少[16]。中華鱘研究所對(duì)中華鱘的聲納跟蹤監(jiān)測(cè)表明, 1998年中華鱘親鱘數(shù)量比1997年減少了47.2%,2000年比1999年減少了39.9%,2001—2008年親鱘數(shù)量變動(dòng)較小,但產(chǎn)卵量有較大降低,2013—2015年連續(xù)3年在葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵江段沒有監(jiān)測(cè)到自然產(chǎn)卵行為的發(fā)生。

為深入分析三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行對(duì)葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵江段水動(dòng)力環(huán)境的影響機(jī)理,本文采用三維淺水方程構(gòu)建葛洲壩下4 km江段中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)三維水動(dòng)力數(shù)值模型[17]。研究區(qū)域見圖1。

圖1 葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)研究區(qū)域

上游邊界取據(jù)葛洲壩壩軸線下游約270 m處,下游邊界取宜昌水文站所在位置江段。為研究大壩不同運(yùn)行工況下適合中華鱘產(chǎn)卵的水域面積及具體位置,將計(jì)算域沿縱向(沿水流方向)均分為8個(gè)區(qū),以Ⅰ～Ⅷ表示,沿橫向(垂直水流方向)分為4個(gè)區(qū),以A、B、C、D表示。選用2006—2010年三峽水庫(kù)壩前蓄水位逐年從156 m提升至水庫(kù)正常蓄水位175 m的5年作為梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行下中華鱘能夠自然繁殖的典型年,并根據(jù)中華鱘研究所每年監(jiān)測(cè)到的中華鱘實(shí)際產(chǎn)卵日進(jìn)行產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力數(shù)值反演計(jì)算。由于2013—2015年連續(xù)3年葛洲壩下產(chǎn)卵場(chǎng)未監(jiān)測(cè)到中華鱘產(chǎn)卵,且該3年三峽-葛洲壩同期調(diào)度及葛洲壩下產(chǎn)卵場(chǎng)水文過程相似,故選用2014年為梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行下未監(jiān)測(cè)到中華鱘自然繁殖的典型年,并對(duì)該年中華鱘產(chǎn)卵期(10—12月)產(chǎn)卵場(chǎng)滿足中華鱘產(chǎn)卵水溫(16.0～20.6℃)[18]的時(shí)段(11-10—12-30),以10 d為計(jì)算時(shí)段間隔,進(jìn)行可能產(chǎn)卵日中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力數(shù)值反演計(jì)算(圖2)。

圖2 產(chǎn)卵期未監(jiān)測(cè)到中華鱘自然繁殖年份葛洲壩出庫(kù)流量對(duì)比

結(jié)果得出:①2006—2010年雖然中華鱘產(chǎn)卵規(guī)模、產(chǎn)卵時(shí)間和產(chǎn)卵時(shí)葛洲壩下泄流量不同,但其實(shí)際產(chǎn)卵日產(chǎn)卵江段流速和水深分布極為相似,僅2008年由于下泄流量較大,產(chǎn)卵江段流速值整體偏高。②2014年中華鱘可能產(chǎn)卵日流速分布與2006—2010年中華鱘實(shí)際產(chǎn)卵日流速分布雖整體近似,但2014年研究區(qū)域流速值普遍偏高,特別是在下產(chǎn)卵場(chǎng)區(qū)域(縱向Ⅲ～Ⅳ,橫向B區(qū))。③2014年中華鱘可能產(chǎn)卵日產(chǎn)卵場(chǎng)水深分布與2006—2010年中華鱘實(shí)際產(chǎn)卵日水深分布無明顯差異。④2006—2010年中華鱘實(shí)際產(chǎn)卵日產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力適宜值CSF大于0.6的區(qū)域主要位于產(chǎn)卵場(chǎng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ區(qū),而2014年中華鱘可能產(chǎn)卵日(11月10日至12月30日)主要集中在Ⅳ、Ⅴ區(qū),其分布狀態(tài)與2006～2010年有較大的不同,在Ⅰ區(qū)沒有出現(xiàn)水動(dòng)力適宜值大于0.6的區(qū)域(圖3)。

圖3 2006—2014年中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度大于0.6的區(qū)域分布

根據(jù)中華鱘研究所中華鱘產(chǎn)卵監(jiān)測(cè)報(bào)告,2006—2010年在產(chǎn)卵場(chǎng)Ⅰ區(qū)都能監(jiān)測(cè)到中華鱘有產(chǎn)卵行為發(fā)生,然而產(chǎn)卵場(chǎng)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)只有在2006—2008年監(jiān)測(cè)到產(chǎn)卵行為,說明中華鱘更青睞在上產(chǎn)卵區(qū)(Ⅰ區(qū))進(jìn)行產(chǎn)卵,然而2014年在該區(qū)域并沒有出現(xiàn)適宜其產(chǎn)卵的水動(dòng)力條件,這可能是造成該年沒有監(jiān)測(cè)到中華鱘自然繁殖的原因之一。另外,除2008年外,2006—2010年中華鱘實(shí)際產(chǎn)卵日[19]及2014年可能產(chǎn)卵日,中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)WUA值都小于0.7 km2(圖4),即滿足中華鱘產(chǎn)卵所需水動(dòng)力環(huán)境的面積不足產(chǎn)卵場(chǎng)總面積的12%,產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度偏低,這大大降低了中華鱘產(chǎn)卵概率?？梢?三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行對(duì)中華鱘的自然繁殖造成了一定影響。因此,通過優(yōu)化三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)[20]聯(lián)合調(diào)度方式,優(yōu)化三峽水庫(kù)下泄流量及葛洲壩水庫(kù)泄流方式,可改善葛洲壩下游中華鱘產(chǎn)卵江段水動(dòng)力條件,特別是葛洲壩下游近壩區(qū)中華鱘上產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力分布[15],提高產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境對(duì)中華鱘自然繁殖的適合度,從而提高中華鱘自然繁殖概率。

圖4 2014年中華鱘可能產(chǎn)卵日WUA值

2 優(yōu)化中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境的三峽-葛洲壩聯(lián)合調(diào)度

為提高產(chǎn)卵期葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力分布對(duì)中華鱘產(chǎn)卵的適合程度,構(gòu)建以優(yōu)化三峽水庫(kù)下泄流量與葛洲壩水庫(kù)泄流方式相結(jié)合的三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型,以葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積作為中華鱘產(chǎn)卵適合度對(duì)優(yōu)化調(diào)度后的水動(dòng)力分布進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 三峽-葛洲壩聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型

優(yōu)化中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境的三峽-葛洲壩聯(lián)合調(diào)度是針對(duì)中華鱘產(chǎn)卵期(10—12月)滿足梯級(jí)水庫(kù)同期常規(guī)調(diào)度目標(biāo)的基礎(chǔ)上對(duì)葛洲壩壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化的多目標(biāo)梯級(jí)水庫(kù)短期調(diào)度。由于中華鱘產(chǎn)卵期(10—12月)三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)常規(guī)調(diào)度主要以發(fā)電調(diào)度、航運(yùn)調(diào)度、供水調(diào)度為主要目標(biāo),因此梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型以三峽電廠、葛洲壩電廠總發(fā)電量最大及葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度最大為優(yōu)化調(diào)度目標(biāo),以三峽水庫(kù)下泄流量、葛洲壩泄流方式(大江電廠、二江電廠、二江泄水閘下泄流量)為優(yōu)化變量,同時(shí)以滿足水庫(kù)上下游河段航運(yùn)及供水需求而構(gòu)建的中華鱘產(chǎn)卵期(10—12月)梯級(jí)水庫(kù)短期優(yōu)化調(diào)度模型。

2.1.1目標(biāo)函數(shù)

中華鱘產(chǎn)卵期為三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行期,三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)效益主要為發(fā)電效益、航運(yùn)效益和水資源利用效益,故梯級(jí)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度以三峽及葛洲壩電廠發(fā)電效益最大、中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度(即產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積)最大為多重目標(biāo)。

(3)

2.1.2約束條件

優(yōu)化葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境的三峽-葛洲壩聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型,以中華鱘產(chǎn)卵期(10—12月)三峽及葛洲壩水庫(kù)需發(fā)揮的水庫(kù)效益及中華鱘產(chǎn)卵對(duì)水環(huán)境的需求作為約束條件考慮,其約束條件包括水量平衡約束、航運(yùn)上游水位約束、葛洲壩水庫(kù)航運(yùn)上游水位變幅約束、水庫(kù)下泄流量約束、水電站水輪機(jī)工作水頭約束、葛洲壩下游航運(yùn)最低水位約束。

a. 水量平衡約束。包括三峽水庫(kù)水量平衡約束和葛洲壩水庫(kù)水量平衡約束:

(S1t-Q1t)Δt=V1(t+1)-V1t

(4)

(S2t-Q2t)Δt=V2(t+1)-V2t

(5)

式中:S1t為t時(shí)段三峽水庫(kù)入庫(kù)流量;Q1t為t時(shí)段三峽水庫(kù)出庫(kù)流量;Δt為計(jì)算時(shí)段;V1(t+1)為t+1時(shí)段三峽水庫(kù)庫(kù)容;V1t為t時(shí)段三峽水庫(kù)庫(kù)容;S2t為t時(shí)段葛洲壩水庫(kù)入庫(kù)流量;Q2t為t時(shí)段葛洲壩水庫(kù)出庫(kù)流量;V2(t+1)為t+1時(shí)段葛洲壩水庫(kù)庫(kù)容;V2t為t時(shí)段葛洲壩水庫(kù)庫(kù)容。

b. 航運(yùn)上游水位約束。包括三峽水庫(kù)調(diào)度期上游水位航運(yùn)約束和葛洲壩水庫(kù)調(diào)度期上游水位航運(yùn)約束:

ZS(1 min)

(6)

ZS(2 min)≤ZS(2t)≤ZS(2max)

(7)

式中:ZS(1 min)為調(diào)度期三峽水庫(kù)上游最小通航水位，為164 m;ZS(1t)為t時(shí)段三峽水庫(kù)上游水位；ZS(1max)為調(diào)度期三峽水庫(kù)上游最高通航水位,為175 m;ZS(2 min)為葛洲壩水庫(kù)上游最小通航水位,為62.5 m;ZS(2t)為t時(shí)段葛洲壩水庫(kù)上游庫(kù)水位;ZS(2max)為葛洲壩上游最大通航水位,66.5 m。

c. 葛洲壩水庫(kù)航運(yùn)上游水位變幅約束。

|ZS2(t+1)-ZS2t|<ΔZ2max

(8)

式中:ΔZ2max為葛洲壩水庫(kù)航運(yùn)允許上游水位最大變幅,為保證航運(yùn)葛洲壩水庫(kù)上游水位最大日變幅應(yīng)小于3.0 m。

d. 水庫(kù)下泄流量約束。包括調(diào)度期三峽水庫(kù)下泄流量約束和調(diào)度期葛洲壩水庫(kù)下泄流量約束。

調(diào)度期三峽水庫(kù)下泄流量約束:優(yōu)化調(diào)度以中華鱘產(chǎn)卵期(10—12月)為調(diào)度期,其為三峽水庫(kù)蓄水期,常規(guī)調(diào)度需滿足下游供水及水庫(kù)蓄水至175 m蓄水要求,其中供水最小下泄流量為5 000 m3/s,蓄水期水庫(kù)最大下泄流量為17 000 m3/s。三峽水庫(kù)下泄流量為葛洲壩入庫(kù)流量,由于葛洲壩水庫(kù)調(diào)節(jié)能力較弱,為滿足葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)對(duì)下泄流量的需求,三峽水庫(kù)下泄流量受中華鱘產(chǎn)卵生態(tài)流量限制。根據(jù)本文作者相關(guān)研究得出[15],中華鱘產(chǎn)卵所需生態(tài)流量為9 600～15 000 m3/s。綜合調(diào)度期三峽水庫(kù)常規(guī)調(diào)度需求與中華鱘產(chǎn)卵需求得出其水庫(kù)下泄流量約束為

Qs(min)

(9)

式中:Qs(min)為調(diào)度期三峽水庫(kù)最小下泄流量,以滿足中華鱘產(chǎn)卵所需最小生態(tài)流量為約束，取9 600 m3/s;Qs(t)為t時(shí)段三峽水庫(kù)下泄流量(出庫(kù)流量);Qs(max)為調(diào)度期三峽水庫(kù)最大下泄流量,以滿足中華鱘產(chǎn)卵所需最大生態(tài)流量為約束，取15 000 m3/s。

調(diào)度期葛洲壩水庫(kù)下泄流量約束:調(diào)度期葛洲壩水庫(kù)下泄流量需保證下游最低通航水位需求及下游供水最小下泄流量需求,最大下泄流量受葛洲壩泄水建筑物最大下泄流量限制。由于葛洲壩下泄流量基本取決于三峽水庫(kù)的下泄流量,三峽水庫(kù)下泄流量考慮了中華鱘產(chǎn)卵需求,葛洲壩水庫(kù)下泄流量?jī)H受常規(guī)調(diào)度的約束。故調(diào)度期葛洲壩下泄流量約束為

Qg(min)≤Qg(t)≤Qg(max)

(10)

式中:Qg(min)為調(diào)度期葛洲壩滿足下游最低通航水位的最小下泄流量,為5 057 m3/s;Qg(t)為t時(shí)段葛洲壩水庫(kù)下泄流量(出庫(kù)流量);Qg(max)為葛洲壩水庫(kù)最大下泄流量(101 835 m3/s)。

e. 水電站水輪機(jī)工作水頭約束。包括調(diào)度期三峽水電站水輪機(jī)出力約束和調(diào)度期葛洲壩水電站水輪機(jī)出力約束。

調(diào)度期三峽水電站水輪機(jī)出力約束:

Nsaver≥Nsb

(11)

式中:Nsaver為調(diào)度期的三峽水電站平均出力,kW;Nsb為調(diào)度期三峽水電站保證出力,kW。根據(jù)三峽水庫(kù)調(diào)度規(guī)程,三峽水電站保證出力為499萬kW。

調(diào)度期葛洲壩水電站水輪機(jī)出力約束:

NN(g)≤Ng(t)≤NT(g)

(12)

式中:NN(g)為葛洲壩電站水輪機(jī)技術(shù)最小出力;Ng(t)為t時(shí)段葛洲壩水電站水力發(fā)電機(jī)組總出力;NT(g)為葛洲壩電站水輪機(jī)限制最大出力,與水輪機(jī)工作水頭有關(guān)。

f. 葛洲壩下游航運(yùn)最低水位約束。

ZL(gt)≥ZL(gmin)

(13)

式中:ZL(gmin)為葛洲壩下游航運(yùn)要求最低水位,本文采用葛洲壩壩下廟咀水位39.0 m控制;ZL(gt)為t時(shí)刻葛洲壩下游水位。

2.1.3求解方法

調(diào)度模型選擇三峽水庫(kù)水位及葛洲壩水庫(kù)水位為狀態(tài)變量,三峽大壩日下泄流量及葛洲壩日下泄流量為決策變量,其中葛洲壩日下泄流量由各泄水建筑物(大江電廠發(fā)電泄水量、二江電廠發(fā)電泄水量、二江泄水閘棄水泄水量)泄水量總和形成。模型總調(diào)度時(shí)段為92 d(10—12月)。模型多目標(biāo)函數(shù)采用理想點(diǎn)法轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解,調(diào)度模型采用逐步優(yōu)化算法(progressive optimization algorithm, POA)[21]進(jìn)行求解,其中理想點(diǎn)采用相同上游來流量條件下,三峽電廠發(fā)電量最大值E1max,相同葛洲壩下泄流量條件下葛洲壩電廠發(fā)電量最大值E2max,中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度最大值WUAmax。然后采用復(fù)合形優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化求解。

g(WUAt,E1t,E2t)=

式中:WUAt,E1t,E2t分別為t時(shí)段葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度、三峽電廠發(fā)電量和葛洲壩電廠發(fā)電量。

2.2 三峽-葛洲壩聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度實(shí)例

由于2010年為三峽水庫(kù)正常蓄水至175 m及采用常規(guī)調(diào)度的年份,故采用該年中華鱘產(chǎn)卵期(10—12月)三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)實(shí)測(cè)來流過程作為實(shí)際算例代入構(gòu)建的三峽-葛洲壩聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行求解,得出優(yōu)化葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵水動(dòng)力環(huán)境的三峽-葛洲壩聯(lián)合調(diào)度方式,并將優(yōu)化結(jié)果與梯級(jí)水庫(kù)實(shí)際調(diào)度過程進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明:

a. 中華鱘產(chǎn)卵期(10—12月)采用三峽-葛洲壩聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度可使三峽水庫(kù)在蓄水期提前約10 d將水位蓄到175 m,且水庫(kù)水位在調(diào)度期保持較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定(圖5)。

圖5 2010年調(diào)度期三峽水庫(kù)水位過程對(duì)比

b. 優(yōu)化調(diào)度前后三峽水庫(kù)出庫(kù)流量相差不大(優(yōu)化調(diào)度期累計(jì)多下泄20 610 m3/s),且優(yōu)化調(diào)度下泄流量在三峽電廠下泄流量范圍內(nèi),故優(yōu)化調(diào)度可比現(xiàn)有調(diào)度增加三峽電廠發(fā)電泄流量(圖6);調(diào)度期葛洲壩水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度后總出庫(kù)流量較現(xiàn)有調(diào)度略為增加(累計(jì)增加下泄流量66 704 m3/s)(圖6),優(yōu)化調(diào)度后葛洲壩電廠總發(fā)電量較現(xiàn)有調(diào)度增加2 500 889.2 MW·h(圖7),可見優(yōu)化調(diào)度方式葛洲壩加大下泄流量滿足中華鱘產(chǎn)卵需求的同時(shí)也增加了電廠的發(fā)電效益。

圖6 2010年調(diào)度期三峽水庫(kù)及葛洲壩出庫(kù)流量對(duì)比

圖7 2010年調(diào)度期葛洲壩日均發(fā)電量對(duì)比

c. 由于中華鱘產(chǎn)卵期在三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行調(diào)度期內(nèi),在上游入庫(kù)流量相同的情況下,采用三峽-葛洲壩聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度,三峽水庫(kù)蓄水過程與現(xiàn)有調(diào)度不同,其為前快后慢的過程,即蓄水初期三峽水庫(kù)出庫(kù)流量大幅度減小,使庫(kù)上水位迅速蓄至最高蓄水位,在蓄水期后期(11月末至12月)葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水溫滿足中華鱘產(chǎn)卵需求時(shí)增加下泄流量,以滿足中華鱘產(chǎn)卵對(duì)流量的需求。根據(jù)優(yōu)化調(diào)度前后葛洲壩水庫(kù)出庫(kù)流量過程對(duì)比圖(圖6)。可見,由于優(yōu)化調(diào)度下三峽水庫(kù)在中華鱘可能產(chǎn)卵期(11月末至12月)加大了下泄流量,蓄水能力弱的葛洲壩水庫(kù)同期也加大了出庫(kù)流量,這對(duì)葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)滿足中華鱘產(chǎn)卵對(duì)于流量的需求是十分有利的。

d. 調(diào)度期,優(yōu)化調(diào)度下葛洲壩下泄流量在各主要泄水建筑物(大江電廠發(fā)電泄流量、二江電廠發(fā)電泄流量、二江泄水閘泄流量)的分配過程較現(xiàn)有調(diào)度有不同,優(yōu)化調(diào)度將下泄流量主要分配在大江電廠進(jìn)行發(fā)電泄流,同時(shí)局部時(shí)段增加了二江泄水閘的下泄流量,特別是在中華鱘可能產(chǎn)卵時(shí)段(11月末至12月)大江電廠發(fā)電泄流量明顯大于現(xiàn)有調(diào)度,從而改變葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的水動(dòng)力分布,增加中華鱘產(chǎn)卵適合度[21]。

e. 采用三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)優(yōu)化聯(lián)合調(diào)度后,葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度較現(xiàn)有調(diào)度增加了2 500 889.2 m2(圖8),即適合中華鱘產(chǎn)卵的水域面積較現(xiàn)有調(diào)度增加了2.16%,且主要在產(chǎn)卵場(chǎng)江段水溫適合中華鱘產(chǎn)卵的11月底至12月,極大增加中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)適合度,優(yōu)化了中華鱘產(chǎn)卵生境,可提高中華鱘在產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵的概率。

圖8 2010年調(diào)度期葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度對(duì)比

3 結(jié) 語

在滿足中華鱘產(chǎn)卵水溫需求的可能產(chǎn)卵期(11月末至12月),聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方式可在滿足了梯級(jí)水庫(kù)同期常規(guī)調(diào)度要求的基礎(chǔ)上有效提高產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度,增大了梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行綜合效益,有利于中華鱘的自然繁殖。然而,中華鱘的自然繁殖除了受產(chǎn)卵場(chǎng)的水動(dòng)力環(huán)境影響以外,還可能受其他諸多因素的協(xié)同作用,如水下地形、底質(zhì)、水溫變化過程、水質(zhì)及船舶活動(dòng)等等,因此除采用優(yōu)化梯級(jí)水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)度方式優(yōu)化產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境以外,還應(yīng)同時(shí)采用其他多樣化手段和措施補(bǔ)償和重建中華鱘天然產(chǎn)卵場(chǎng),促進(jìn)中華鱘的自然繁殖。