楊培思 ,王 麗,莫康樂,陳求穩(wěn),李 婷,曾晨軍,唐 磊,張 輝
(1. 南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029; 2. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 3. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074)
水庫通過調(diào)度改變天然徑流的蓄泄方式[1],以滿足發(fā)電、通航、生態(tài)、防洪、灌溉和供水等要求,是水資源綜合開發(fā)利用和管理的有效工具。當(dāng)前,水庫調(diào)度模式日趨復(fù)雜化,從過去只考慮單一目標(biāo)的單水庫調(diào)度,逐步向綜合考慮多目標(biāo)的多水庫聯(lián)合調(diào)度轉(zhuǎn)變。同時(shí),水庫運(yùn)行對河流生態(tài)的影響越來越受到重視。因此,需要優(yōu)化水庫調(diào)度方式,協(xié)調(diào)好河流開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)發(fā)電、通航、生態(tài)、蓄水等多個(gè)調(diào)度目標(biāo)的均衡,使流域內(nèi)水資源綜合效益最大化[2]。
現(xiàn)階段多目標(biāo)水庫生態(tài)調(diào)度模型中的生態(tài)目標(biāo)函數(shù)大多基于水文學(xué),如Dai等[3]基于變化范圍法(RVA)構(gòu)造生態(tài)目標(biāo)函數(shù),提出兼顧發(fā)電和生態(tài)需求的金沙江梯級水庫調(diào)度方案;Yu等[4]基于改進(jìn)的變化范圍法(IRVA)構(gòu)造生態(tài)目標(biāo)函數(shù),建立考慮發(fā)電、供水和生態(tài)目標(biāo)的三峽水庫多目標(biāo)調(diào)度模型;Chen等[2]以水文情勢變化最小為生態(tài)目標(biāo)函數(shù),構(gòu)建了考慮供水、發(fā)電、水文情勢和水質(zhì)的青獅潭水庫多目標(biāo)調(diào)度模型,確定了兩類典型的運(yùn)行方案;陳悅云等[5]以水文情勢偏差最小為生態(tài)目標(biāo)函數(shù),建立面向發(fā)電、供水、生態(tài)的贛江流域水庫群調(diào)度模型;方國華等[1]基于年內(nèi)展布法構(gòu)造生態(tài)目標(biāo)函數(shù),提出均衡發(fā)電與生態(tài)效益的調(diào)度方案。這些方法未考慮魚類對流速、水深、水溫等水文水力條件的需求,調(diào)度方案無法很好地滿足研究區(qū)域目標(biāo)保護(hù)魚類原有生存習(xí)性的需求。漓江中下游段為光倒刺鲃國家級水產(chǎn)資源保護(hù)區(qū),這對漓江河流生態(tài)的保護(hù)提出了更高要求。鑒于此,本研究以漓江并聯(lián)水庫群為研究對象,基于目標(biāo)魚類生態(tài)需水過程建立生態(tài)目標(biāo)函數(shù),綜合考慮發(fā)電、通航和青獅潭水庫蓄水要求,構(gòu)建多目標(biāo)并聯(lián)水庫群生態(tài)調(diào)度模型,采用第三代非支配遺傳算法(Non-Dominated Sorted Genetic Algorithm-Ⅲ,NSGA-Ⅲ)對模型優(yōu)化求解,提出兼顧工程效益和生態(tài)效益的調(diào)度方案。
漓江位于中國西南部的廣西壯族自治區(qū),發(fā)源于興安縣溶江鎮(zhèn)靈渠口,全長214 km,流域面積6 050 km2。漓江流域徑流年內(nèi)分配極不均勻,豐、枯水季節(jié)徑流量相差懸殊,80%以上降雨量集中在每年的3—8月,且由于獨(dú)特的喀斯特地貌,徑流產(chǎn)生快、流量大、歷時(shí)短??菟谒Y源嚴(yán)重短缺,生態(tài)退化,通航受到嚴(yán)重影響。
為逐步解決上述問題,漓江流域修建了三期補(bǔ)水工程,承擔(dān)漓江流域發(fā)電、通航、生態(tài)保護(hù)等任務(wù)。漓江最大支流甘棠江上的青獅潭水庫,為一期補(bǔ)水工程,目標(biāo)為枯水期漓江干流流量達(dá)到30 m3/s;在潮田河與漠川河分別修建思安江水庫與五里峽水庫,為二期補(bǔ)水工程,與青獅潭水庫形成三庫聯(lián)合調(diào)度,目標(biāo)為枯水期漓江干流流量達(dá)到45 m3/s;三期補(bǔ)水工程聯(lián)合斧子口水庫、小溶江水庫、川江水庫,與一、二期補(bǔ)水工程聯(lián)合向漓江補(bǔ)水,目標(biāo)為枯水期漓江干流流量達(dá)到60 m3/s[6]。此外,在桂林市臨桂區(qū)會仙鎮(zhèn)境內(nèi),有中國最大的巖溶濕地——會仙濕地,后期規(guī)劃從青獅潭水庫引用部分水量對會仙濕地進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。目前,一期和二期補(bǔ)水工程已建設(shè)完成,三期補(bǔ)水工程尚未竣工。漓江二期補(bǔ)水工程水庫的主要特征參數(shù)如表1所示。漓江流域水系及水庫分布見圖1。
表1 漓江二期補(bǔ)水工程各水庫基本情況Tab. 1 Basic information of reservoirs of Lijiang River water supplement project (phase two)
根據(jù)廣西水產(chǎn)研究所的調(diào)查[7],漓江自桂林至陽朔段有多處較大規(guī)模的魚類產(chǎn)卵場,及一處大型魚類越冬場(圖1)。
圖1 漓江流域水系及水庫分布情況Fig. 1 Distribution of water system and reservoirs in Lijiang River Basin
漓江流域水庫群運(yùn)行主要考慮發(fā)電和通航工程效益,同時(shí)兼顧漓江干流的生態(tài)需求和會仙濕地補(bǔ)水需求。為提升水庫群運(yùn)行綜合效益,構(gòu)建了青獅潭、五里峽、思安江并聯(lián)水庫群(漓江二期補(bǔ)水工程)多目標(biāo)調(diào)度模型。
目標(biāo)函數(shù)包括發(fā)電量、通航滿足率、生態(tài)流量滿足率及青獅潭水庫蓄水量等4個(gè)。發(fā)電量的目標(biāo)函數(shù)如下:
式中:f1為發(fā)電量函數(shù);Ni,t為第i座水電站在t時(shí)段的出力(kW),其中,i=1為青獅潭水庫,i=2為五里峽水庫,i=3為思安江水庫;Δt為時(shí)間長度(h);T為調(diào)度總時(shí)段數(shù),為36,各時(shí)段時(shí)長為10 或11 d;n為參與優(yōu)化調(diào)度的水庫數(shù)目,n=3;Ki為第i座水電站的出力系數(shù);為第i座水庫t時(shí)段通過發(fā)電機(jī)組的發(fā)電引水流量(m3/s);為第i座水庫t時(shí)段上下游的凈發(fā)電水頭(m)。
漓江流域水庫群調(diào)度的首要目標(biāo)為完成漓江二期補(bǔ)水工程任務(wù)(45 m3/s),滿足干流通航需求,其目標(biāo)函數(shù)表達(dá)如下:
式中:f2為通航滿足率函數(shù);Qt為優(yōu)化調(diào)度后t時(shí)段漓江干流下游流量(m3/s) ;Qnav為通航需求流量,為45 m3/s;Tnav為 適宜通航天數(shù),計(jì)算結(jié)果取整數(shù)(d);ΔT為調(diào)度時(shí)段的時(shí)長,為10或11 d。
引用李若男[8]對漓江干流生態(tài)流量的研究成果,漓江中下游段為光倒刺鲃國家級水產(chǎn)資源保護(hù)區(qū),故選取光倒刺鲃作為目標(biāo)保護(hù)魚類,其越冬期主要在12月至1月,主要生境因子為水溫和水深;產(chǎn)卵繁殖期主要在3—7月,主要生境因子為流速、水深和水溫[9]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室脅迫試驗(yàn)建立魚類對環(huán)境因子(流速、水深、水溫)的響應(yīng)關(guān)系,構(gòu)建魚類棲息地模型,并與水環(huán)境模型耦合,推求不同棲息地恢復(fù)目標(biāo)下的魚類生態(tài)需水過程。選取50%及100%棲息地恢復(fù)目標(biāo)對應(yīng)的魚類生態(tài)需水過程,分別作為最小生態(tài)流量及適宜生態(tài)流量,結(jié)果如圖2所示。
圖2 漓江干流生態(tài)流量Fig. 2 The ecological flow of the main stream ofthe Lijiang River
當(dāng)漓江干流流量低于最小生態(tài)流量時(shí),生態(tài)流量滿足率為0;當(dāng)漓江干流流量位于最小生態(tài)流量與適宜生態(tài)流量之間時(shí),生態(tài)流量滿足率隨漓江干流流量的增加而增大;當(dāng)漓江干流流量高于適宜生態(tài)流量時(shí),生態(tài)流量滿足率為1,其目標(biāo)函數(shù)如下:
式中:f3為生態(tài)流量滿足率函數(shù);Qt,min和Qt,pro分別為t時(shí)段干流最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量(m3/s)。
規(guī)劃從青獅潭水庫引用部分水量,對會仙濕地進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水,因此需要提高青獅潭水庫的蓄水量。在此將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為青獅潭水庫的平均水位最大。
式中:為青獅潭水庫在t時(shí)段的水位。
約束條件包括水量平衡約束、并聯(lián)水庫群水力聯(lián)系、水位約束、出力約束、機(jī)組過流能力約束、變量非負(fù)約束等。
式中:Vi,t+1、Vi,t分別為第i座水庫t時(shí)段的末、初庫容(m3);為第i座水庫t時(shí)段平均入庫流量(m3/s);、分別為第i座水庫t時(shí)段平均發(fā)電引用流量、棄水流量(m3/s)。
式中:It為t時(shí)段漓江干流上游徑流量(m3/s)。
式中:Hi,t為第i座水庫t時(shí)段的水位(m);Hi,min為第i座水庫死水位(m);Hi,max在非汛期為第i座水庫的正常蓄水位(m),在汛期為汛限水位(m)。
式中:Ni,min、Ni,max分別為第i座水庫的保證出力和裝機(jī)容量(kW)。其中,不等式左邊大于或等于保證出力為非強(qiáng)制性約束條件,不一定滿足;不等式右邊不大于裝機(jī)容量為強(qiáng)制性約束條件。
( 6 )變量非負(fù)約束。上述各個(gè)變量均為非負(fù)。
青獅潭、五里峽和思安江水庫的旬入庫流量作為模型輸入變量,以各個(gè)水庫的旬出庫流量作為決策變量。1年被分為36個(gè)調(diào)度時(shí)段,各時(shí)段時(shí)長為10或11 d,決策變量長度為108。采用第三代非支配遺傳算法(NSGA-Ⅲ)作為調(diào)度模型的求解方法[10-11]。其中,種群規(guī)模設(shè)為400,最大迭代次數(shù)取100 000次,平均計(jì)算時(shí)長約200 min。
在實(shí)際應(yīng)用中,通常只需一組優(yōu)化調(diào)度方案用于指導(dǎo)水庫運(yùn)行。本研究采用模糊數(shù)學(xué)方法,應(yīng)用模糊集理論對Pareto非劣解集中各個(gè)解的目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行評估[12]。模糊隸屬度函數(shù)定義為:
式中:μm為第m個(gè)目標(biāo)函數(shù)fm的隸屬度值,m=1,2,3,4;fm、fmmin和fmmax分別表示Pareto非劣解集在第m個(gè)目標(biāo)函數(shù)的函數(shù)值、最小值和最大值;uN為第N個(gè)Pareto非劣解的模糊隸屬度,將Pareto非劣解集中模糊隸屬度值最大所對應(yīng)的解作為最優(yōu)的水庫調(diào)度方案。
將桂林水文站1958—2015年的徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率分析,最終選取2011年(枯)、2014年(平)和2015年(豐)作為典型年份???、平、豐水年的計(jì)算結(jié)果類似,本文以漓江流域典型平水年(2014年)為例給出結(jié)果。青獅潭、五里峽、思安江三庫(漓江二期補(bǔ)水工程)多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度,在三維空間中Pareto非劣解集的分布見圖3。由圖3可知,發(fā)電、通航與生態(tài)目標(biāo)的Pareto非劣解集分布在發(fā)電量為9.23×107~10.54×107kW·h、通航滿足率為87.17%~93.65%、生態(tài)流量滿足率為66.90%~72.66%范圍內(nèi)的近似曲面上,而青獅潭水庫水位為216.47 ~218.73 m。
圖3 青獅潭、五里峽、思安江聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度Pareto非劣解集(漓江二期補(bǔ)水工程)Fig. 3 Non-dominated solutions of optimal joint operation of Qingshitan-Wulixia-Sianjiang Reservoirs (Lijiang River water supplement project (phase two))
針對典型枯、平、豐水年,對青獅潭、五里峽、思安江聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的Pareto非劣解集,應(yīng)用模糊隸屬度方法進(jìn)行評價(jià),選擇模糊隸屬度最大的調(diào)度方案,與多庫常規(guī)調(diào)度方案(當(dāng)年的實(shí)際調(diào)度情況),從發(fā)電量、通航滿足率和生態(tài)流量滿足率進(jìn)行對比,并計(jì)算了適宜通航天數(shù),結(jié)果見表2。同時(shí),為比較多庫常規(guī)調(diào)度與多庫優(yōu)化調(diào)度模式下,漓江干流滿足通航的時(shí)段,給出典型平水年漓江干流的流量過程(圖4)。
由表2可知,多庫常規(guī)調(diào)度模式下,發(fā)電量在枯水年僅為6.08×107kW·h。通航滿足率在枯水年和平水年分別為79.94%和85.66%,均不超過86%。結(jié)合圖4可知,在典型平水年(2014年),1月上旬到3月中旬,以及12月下旬,均無法滿足漓江二期補(bǔ)水工程的通航要求,其余時(shí)段可以滿足。典型枯、平、豐水年生態(tài)流量滿足率均不超過80%,特別是在枯水年僅為41.06%。
表2 不同調(diào)度模式下水庫綜合效益對比Tab. 2 Comparison of comprehensive benefits under different scenes
多庫優(yōu)化調(diào)度后,典型枯、平、豐年發(fā)電量分別增加16.61%、3.92%和1.97%,通航滿足率分別增加9.8%、5.49%和1.97%,均維持在89%以上,適宜通航天數(shù)分別增加了36、20和11 d。結(jié)合圖4可知,在典型平水年(2014年),主要增加了3月上旬及12月下旬這兩個(gè)時(shí)段滿足漓江二期補(bǔ)水工程通航要求。生態(tài)流量滿足率在典型枯、平、豐水年分別增加6.01%、4.02%和1.99%,均維持在47%以上。
圖4 漓江干流流量(平水年2014年)Fig. 4 The flow of the main stream of the Lijiang River(normal year)
針對平水年,分別計(jì)算青獅潭、五里峽、思安江多庫常規(guī)調(diào)度,以及多庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模式下,月平均生態(tài)流量滿足率的結(jié)果(圖5)。
由圖5可知,多庫常規(guī)調(diào)度模式下,1至2月,生態(tài)流量滿足率均不超過11%,特別是1月僅為6%;3月和12月,生態(tài)流量滿足率分別為40%和55%,也處于較低水平。經(jīng)青獅潭、五里峽、思安江多庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度后,在1月和2月,生態(tài)流量滿足率分別提高至17%和16%,均維持在16%以上;3月和12月生態(tài)流量滿足率分別提高11%和29%。
圖5 不同調(diào)度模式下月平均生態(tài)流量滿足率(平水年2014年)Fig. 5 Guarantee rate of monthly average ecological flow under different scenes (normal year)
青獅潭、五里峽、思安江多庫常規(guī)調(diào)度,以及多
庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模式下,青獅潭水庫水位年變化過程如圖6所示。同時(shí),為評估青獅潭水庫蓄水量的變化情況,給出典型枯、平、豐水年,常規(guī)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度模式下,青獅潭水庫年平均水位以及蓄水量的對比結(jié)果,如表3所示。
表3 不同調(diào)度模式下青獅潭水庫年平均水位及蓄水量對比Tab. 3 Comparison of annual average water level and storage capacity of Qingshitan reservoir under different scenes
由圖6可知,常規(guī)調(diào)度模式下,青獅潭水庫在1至2月中旬降低水位運(yùn)行,2月下旬至7月上旬逐步提高水位。7月中旬開始水位又逐漸下降,至12月下旬降低至215.09 m。優(yōu)化調(diào)度模式下,青獅潭水庫水位年變化過程與常規(guī)調(diào)度模式類似。在1月中旬至4月中旬,優(yōu)化調(diào)度模式下水位比常規(guī)調(diào)度模式下水位更低,且在2月中旬降低至死水位(204 m)附近。
圖6 不同調(diào)度模式下青獅潭水庫水位年變化情況(平水年2014年)Fig. 6 Annual variation of water level of Qingshitan reservoir under different scenes (normal year)
由表3可知,在典型枯、平、豐水年,優(yōu)化調(diào)度模式下,青獅潭水庫年平均水位與常規(guī)調(diào)度模式下比較,分別提高1.15 m、降低0.34 m和提高1.09 m,相應(yīng)蓄水量變化分別增加22.26×106m3、減小7.18×106m3和增加24.55×106m3。
由表2可知,在現(xiàn)行的多庫常規(guī)調(diào)度模式下,枯、平、豐水年發(fā)電量差異較大,特別是枯水年為6.08×107kW·h,僅為豐水年的54.4%,通航滿足率在枯水年和平水年均不超過86%。由于桂林漓江風(fēng)景區(qū)上觀光旅游項(xiàng)目發(fā)達(dá),需要全年不間斷通航,可見現(xiàn)狀通航滿足率不利于漓江流域中下游的水上觀光航運(yùn)。同時(shí),多庫常規(guī)調(diào)度模式下的生態(tài)流量滿足率在典型枯、平、豐水年均不超過80%,特別是在枯水年僅有41.06%,這對河流生態(tài)系統(tǒng)健康十分不利。
經(jīng)過多庫優(yōu)化調(diào)度后,枯、平、豐水年在滿足發(fā)電效益的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了通航滿足率和生態(tài)流量滿足率的全面提高。尤其是枯水年,發(fā)電量提高了16.61%,通航滿足率提高了9.8%,這說明枯水年按照常規(guī)調(diào)度模式有較多的水量存儲在水庫中,工程經(jīng)濟(jì)效益有較大的提升空間,經(jīng)過多庫優(yōu)化調(diào)度可顯著提高工程經(jīng)濟(jì)效益。
結(jié)合圖4及圖5可發(fā)現(xiàn),多庫常規(guī)調(diào)度模式下,4月至10月均可滿足漓江二期補(bǔ)水工程的通航要求,生態(tài)流量滿足率也維持在較高的水平。這是因?yàn)槔旖饔驈搅髁吭谪S水期和枯水期相差懸殊,每年3月至8月集中了80%以上降雨量。多庫優(yōu)化調(diào)度后,通航所需流量(圖4)及生態(tài)流量滿足率(圖5)主要在12月至次年3年份得到提升。這一時(shí)期水庫加大下泄流量,降低水位運(yùn)行(圖6),以滿足通航及生態(tài)要求。
國內(nèi)的生態(tài)調(diào)度研究,調(diào)度模型大多基于水文學(xué)法的生態(tài)流量構(gòu)造生態(tài)目標(biāo)函數(shù)[13-17],具有操作簡單、需求資料少的優(yōu)勢[18-21],相應(yīng)的調(diào)度方案雖然能在一定程度上滿足河流內(nèi)基本生態(tài)需水,但生態(tài)學(xué)意義不明確,難以較好地滿足實(shí)際河流中的生態(tài)需水。本研究在調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)中考慮魚類生態(tài)需水過程,反映了目標(biāo)魚類對流速、水深、水溫等水文水力條件的需求,考慮魚類在不同生長階段的生態(tài)流量需求差異,同時(shí)一定程度上反映出河流水文情勢固有的季節(jié)性變化[22-24]。
由圖5可知,常規(guī)調(diào)度模式下,在魚類越冬期的12月至次年1月,生態(tài)流量滿足率分別為55%和6%,繁殖期初期的3月份也處于較低的水平,說明常規(guī)調(diào)度方案下,越冬期的水溫和水深等生境因子,以及產(chǎn)卵期的流速、水深和水溫等生境因子,難以滿足魚類的要求。多庫優(yōu)化調(diào)度后,越冬期的12月至次年1月,生態(tài)流量滿足率提高到84%和17%,繁殖期初期的3月維持在51%以上,4月至11月也處于較高的水平,這說明經(jīng)過多庫優(yōu)化調(diào)度,能更好地保障目標(biāo)魚類在越冬和產(chǎn)卵繁殖期的生態(tài)流量需求。
典型枯水年和豐水年,多庫優(yōu)化調(diào)度的年平均庫水位比常規(guī)調(diào)度水位高,緩解了青獅潭水庫的供水壓力,相應(yīng)多出的蓄水量可用于會仙濕地生態(tài)補(bǔ)水。近年來,會仙濕地面積減小、水面萎縮、土壤退化、野生動物數(shù)量銳減甚至滅絕,生態(tài)系統(tǒng)已處于較為嚴(yán)重的衰退狀態(tài)。通過青獅潭、五里峽、思安江多水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度,對青獅潭水庫現(xiàn)有的灌溉輸水渠系進(jìn)行合理改造和延長,將多庫優(yōu)化調(diào)度后的富余水量下泄一部分補(bǔ)給會仙濕地,可改善濕地環(huán)境,維持濕地健康。
同時(shí),圖6表明多庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度后,1月至3月青獅潭水庫水位依舊較低,青獅潭水庫的供水壓力依舊較大。漓江干流下游1月至3月的通航所需流量(圖4)和生態(tài)流量滿足率(圖5)雖有所提升,但仍維持在較低的水平。需要在漓江三期補(bǔ)水工程穩(wěn)定運(yùn)行后,形成六庫聯(lián)合補(bǔ)水的局面,從而進(jìn)一步提高漓江流域水資源綜合效益。
為實(shí)現(xiàn)漓江流域水資源綜合效益最大化,本研究在調(diào)度模型的生態(tài)目標(biāo)函數(shù)中考慮了魚類生態(tài)需水過程,基于模糊隸屬度方法提出平衡發(fā)電、通航、生態(tài)和青獅潭水庫蓄水綜合效益的調(diào)度方案。結(jié)果表明:
(1)優(yōu)化調(diào)度對比常規(guī)調(diào)度,能從流域整體出發(fā)實(shí)現(xiàn)各庫之間的流量協(xié)調(diào),使發(fā)電、通航和生態(tài)效益得到全面提升。
(2)調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)中考慮魚類生態(tài)需水過程,能更好地保障漓江干流下游目標(biāo)保護(hù)魚類光倒刺鲃的生態(tài)需水要求,尤其保障了12月至次年3月魚類越冬、產(chǎn)卵和繁殖期的生態(tài)流量需求,對漓江河流生態(tài)系統(tǒng)的改善和保護(hù)起到了非常重要的作用。
(3)實(shí)行漓江并聯(lián)水庫群聯(lián)合調(diào)度后,青獅潭水庫的蓄水量在典型枯水年和豐水年分別增加22.26×106m3和24.55×106m3,緩解了青獅潭水庫的供水壓力。