金沙江下游溪洛渡-向家壩梯級生態調度研究

龍 凡，梅亞東

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.水資源安全保障湖北省協同創新中心，武漢 430072)

0 引 言

隨著人口的增長和社會經濟的快速發展，人類社會對于水資源的需求壓力也在不斷增加。而水庫作為主要的水利工程之一，能夠緩解水資源需求壓力，保障水資源安全，同時還能防洪、發電，帶來多重社會經濟效益。

但眾多周知的是，水庫的蓄放水過程會對下游河道造成不小的影響，其中最重要的一項便是，極大地改變了河流的天然水流規律，使得原本年內漲落變化明顯的水流過程趨于平坦化，汛期流量會低于建壩前的天然流量，枯水期流量會變大[1]。而天然的水流規律對于保護河流生態系統的生物多樣性和生態完整度具有重要的作用[2]，因而受人工干擾后的水流過程將不利于河流生態系統的健康。

為了保持或恢復河流生態系統的健康，學者們提出了河流生態(環境)流量[3]的概念：為了維護河流生態系統各項功能的有序運轉，河道中應當保留的流量。值得注意的是，這個流量不僅有量、質的要求，還有時空分布的要求。對于河流生態(環境)流量的刻畫，國內外學者提出了近200種方法，具體可以分為四類：水文學方法，水力學方法，棲息地法，整體法。其中較為經典的分別是：Tennant法[4]，濕周法[5]，IFIM法[6]，BBM法[7]。但到底哪一種方法更適用，并沒有統一的標準。

隨著我國水電項目的不斷開發，越來越多的梯級電站投入運營，而這無疑將對各大河流的生態環境造成劇烈的影響。金沙江中下游河段作為我國水電開發條件優越的能源基地之一，同時也是長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護基地，因而，有必要對金沙江下游河段的生態調度進行研究。根據《金沙江干流綜合規劃報告》，金沙江下游將建成四級電站，包括烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩。其中溪洛渡于2007年完成截流，向家壩于2008年完成截流，其余兩個電站目前還處于施工準備階段。本文將對溪洛渡及向家壩組成的梯級電站進行生態調度研究，探討在不同生態流量約束下，生態效益與經濟效益的相互關系，以期提供科學的決策支持信息，為生態友好型的水庫調度運行方式提供支撐。

1 模型建立

1.1 水電站情況

溪洛渡、向家壩的正常蓄水位分別為：600、380 m；死水位分別為540、370 m；調節庫容分別為：64.6、9.03 億m3；壩址處控制流域面積比例分別為：96%，97%。多年平均流量為4 520 m3/s。

1.2 生態調度模型

在考慮滿足工程的基本約束條件和各種設定的生態流量約束的條件下，使溪洛渡-向家壩梯級電站的發電效益最大。

1.2.1 目標函數

(2)

式中：t為時段變量，t=1,2,…,12，分別代表12個月；i為電站序號，i=1,2，分別表示溪洛渡和向家壩兩個電站；ΔTt為計算時段長；P′it為t時段i電站的指示出力；Pit為t時段i電站的實際出力；Pib為i電站的保證出力；A、k為懲罰因子。

1.2.2 約束條件

(1)水量平衡約束。

Vi,t+1=Vi,t+(Fi,t-qi,t) ΔTt

(3)

式中：Vi,t+1為t時段末i電站蓄水量；Vi,t為t時段初i電站蓄水量；Fi,t為t時段i電站的平均入庫流量；qi,t為t時段i電站的平均出庫流量。

由于溪洛渡與向家壩的匯水面積相差不大，因此不考慮溪洛渡與向家壩間的區間入流。

(2)庫容約束。

Vi,tmin≤Vi,t≤Vi,tmax

(4)

式中：Vi,tmin為t時段i電站的最小庫容；Vi,tmax為t時段i電站的最大庫容。

(3)下泄流量約束。

qi,tmin≤qi,t≤qi,tmax

(5)

式中：qi,tmin為t時段i電站的下泄流量下限；qi,tmax為t時段i電站的下泄流量上限。

(4)生態流量約束。

qi,teco≤qi,t

(6)

式中：qi,teco為t時段i電站的生態流量。將根據后文所用方法計算得到。

1.3 生態流量的計算

考慮生態要求的水庫調度，最重要的是計算河流所需的生態流量過程。在計算生態流量時，水文學方法由于其簡單通用性，因而得到了最廣泛的應用。目前，越來越多的研究表明，生態流量過程應當符合天然徑流規律，體現徑流的時間變化過程。在以往的考慮生態流量約束的生態調度研究中，生態流量的計算多采用各時段統一值或僅考慮徑流的年內差異，本次研究，結合近年來國內外對生態流量計算方法的研究成果，決定選取年內展布法[8]、改進FDC法[9]進行生態流量的計算。

1.3.1 最小生態流量

(1)年內展布法。年內展布法是基于河流天然徑流特性，選取多年年均徑流量與最小年均徑流量這兩個水文特征變量進行同期均值比的計算，進而得到河道的基流過程，此方法能夠反映出河流徑流年內的豐枯變化[8]。

(2)改進FDC法。改進FDC法是將各月流量過程劃分為豐平枯組，對各組包含的相應年份對應的日流量數據按照由大到小排序，并進行累計頻率計算，選取流量歷時曲線上90%分位點對應的日流量作為各組的最小生態流量。此方法最終得到的結果，相當于經過重組后，豐平枯不同典型年的生態流量過程。本文應用時，將根據選取年份各月徑流實際的豐枯情況，計算得到該年份的生態流量過程，而不是根據年均徑流量的豐枯情況來決定該年的生態流量過程。

1.3.2 適宜生態流量

對于適宜生態流量的計算依然采用改進FDC法中提出的計算方法。計算公式為：

(7)

式中：Q50(ij)、Q90(ij)分別為第j年組第i月流量歷時曲線上的中值流量和90%歷時點流量。

本次計算采用的資料為屏山水文站1963-2007年的日流量數據，選取2003-2004(豐水年)、1981-1982(平水年)、1979-1980(枯水年)三類典型年，按照上述方法計算得到的最小及適宜生態流量過程見表1。

表1 不同生態流量計算方法的計算結果 m3/s

1.4 方案設置

方案A：生態流量只考慮工程規劃約束，即運行期水庫的最小下泄流量不小于1 200 m3/s。

方案B：生態流量采用年內展布法與工程規劃的結合。

方案C：生態流量采用改進FDC法計算的最小生態流量與工程規劃的結合。

方案D：生態流量采用改進FDC法計算的適宜生態流量與工程規劃的結合。

1.5 優化調度算法

針對建立的生態調度模型，采用逐步優化算法(Progressive Optimization Algorithm，POA)進行求解。POA算法可以將多階段問題轉化為一系列的兩階段問題進行求解，在水庫優化調度中應用廣泛，其具體的原理和步驟可參見文獻[10]。

2 計算結果與討論

經過優化計算后，各典型年各方案下的發電量結果見表2所示。

表2 不同生態流量約束下各典型年優化結果 億kWh

從表2的結果可以看出，不同典型年下，在前3種方案設定的生態流量約束條件下，系統的最大發電量基本沒有差別，只有枯水年在方案B下，系統發電量出現減少的情況，其原因是，由方案B(年內展布法)計算出的6、7月份的最小生態流量大于方案A、方案C，且大于該時段入流，導致水頭下降，使得系統的發電量減少；對于方案D，各典型年下，其發電量均出現減少，相較于最大值，豐水年減少了0.13 億kWh，平水年減少了23.52 億kWh，枯水年減少了0.21 億kWh。由此可以發現，若系統處于較嚴格的流量約束條件下，將對發電量產生一定的影響。另外，在枯水年中，方案D設定的流量約束值的均值大于方案B，但方案D的發電量卻大于方案B,這表明，生態流量過程的選取也將影響系統的發電量。對于方案D，平水年的發電量反而小于枯水年，其原因是，選取的平水年僅在汛期的幾個月中處于來水較豐的情況，而在平水及枯水期，其來水量處于頻率劃分等級中的平水甚至枯水，在入庫徑流量上，平水年有不少月份的天然來水量甚至小于枯水年，結合計算結果看，由于來水量得不到滿足，向家壩電站有不少月份處于低水頭運行狀態，因而使得系統總的發電量小于枯水年。以上計算結果同時也說明，對于工程規劃中提出的下泄流量不少于1 200 m3/s的要求值得進一步的討論和研究，因為在不同的生態流量約束條件下，按照最優化調度，均有可能使系統的發電量達到最大值，因此需要進一步研究河流的生態水文響應關系[11]，制定更加符合生態需求的流量約束條件。

許多研究認為，天然的徑流條件能為水生生物提供最為理想的生態環境[12]，因此，為進一步說明不同流量約束方案下的生態效應，引入擬合優度[1](也稱為決定系數)這一概念，即將天然入庫徑流作為實測值，向家壩的時段泄流量作為模擬值，計算實測值與模擬值之間的貼近程度，計算公式為：

(8)

通過計算，各典型年各方案的擬合優度值見表3。

表3 不同方案下各典型年的擬合優度值Tab.3 Coefficient of determination in typical yearsunder different ecological flow constraints

從表3的計算結果可以看出，在方案D下，除了豐水年外，各典型年的擬合優度值都是最大的，而且豐水年中方案D的擬合優度值僅略小于其余3個方案。因此，從總體上來說，流量約束設置的越大(即約束值越接近入流流量)，計算出的擬合優度值也越大。這說明，流量約束設置的越大越有利于生態環境。另外，在枯水年中，方案D的擬合優度值大于方案B，同時，方案D的發電量也大于方案B，這說明，在一定程度上，發電量和生態效益可以實現同步增長，實現共贏。

結合表2和表3的結果，可以看出，總體上，發電量和生態效益二者之間存在著相互制約的關系，因此，為了更好地滿足生態需求，需要發電量做出一定的退讓。至于發電量與生態效益之間的關系問題，可以通過建立多目標模型，得到不同發電量條件下，不同的生態效應值，以期為決策者提供更多更豐富的信息。

3 結 論

本文針對金沙江下游的溪洛渡和向家壩梯級水庫，建立了包含生態流量約束的發電優化調度模型。根據不同生態流量約束，設置了4種生態流量方案，利用POA算法對模型進行了求解，分析了不同典型年(豐、平、枯水年)在各方案下的發電量及生態效益情況。

當采用工程規劃設定的流量約束和最小生態流量約束時，除了利用年內展布法設定的最小生態流量約束會使枯水年發電量減少外，各典型年的發電量均能達到最優。當采用適宜生態流量約束時，各典型年的發電量較最大值均出現減少，其中對平水年的影響最大。

對各方案的擬合優度進行計算后，發現當采用適宜生態流量約束時，擬合優度值比最小生態流量約束和工程規劃約束方案的值大，這與相應方案下發電量減少的結果是相匹配的。

通過本文的研究表明，當分別考慮最小生態流量約束和適宜生態流量約束時，對系統發電量的影響是不一樣的。當采用較小的生態流量約束時，通過最優化調度，不同的方案也可能會產生一樣的發電量。同時，也說明當前工程規劃中做出的流量約束是不夠合理的。因而需要進一步研究生態因子與水文因子之間的響應關系，制定科學合理的生態流量約束方案，爭取實現經濟效益與生態效益共贏。當采用較大的生態流量約束時，通常會使梯級電站的發電量減少，但從生態的角度來看，此時是更有利的，因此需要對經濟效益與生態效益的競爭關系進行進一步的研究，為決策者提供更多的支持信息，讓決策者做出更科學合理的決策。

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