耦合水文情勢及魚類需求的生態調度研究

高志強　丁偉　唐榕　李昱　張弛

摘要：針對豐滿水庫下游魚類多樣性減少的問題，在滿足最小生態流量需求的基礎上，開展了營造適宜魚類的水文情勢研究。通過篩選改變度大且適宜魚類的水文情勢指標構建生態完整度函數，將此作為生態目標建立水庫多目標優化調度模型。調度結果表明，所建立的生態調度模型在滿足發電、供水和最小生態需水量的基礎上，可將生態完整度至少提高48%，其中，漲水率、高流量脈沖數指標隸屬度分別增加了0.112、0.261，且漲水率指標在枯水年改善程度好，高流量脈沖數指標在枯水年改善程度大、豐水年改善程度小。本文所建立的模型顯著提高了適宜魚類水文情勢的生態完整度，可為有魚類修復任務的流域提供參考。

關鍵詞：豐滿水庫；水文情勢；魚類；生態完整度；生態調度

中圖分類號：TV697.1文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）02001407

Abstract：

To solve the problem of the dwindling fish resources in the lower reaches of the Fengman reservoir，we conducted the study on hydrological regime suitable for fishes on the basis of satisfying the minimum ecological water demand.We selected hydrological regime indicators that changed severely and were suitable for fishes，and used them to establish an ecological integrity function.Using the proposed function as the ecological objective，we established a multiobjective optimal scheduling model.Results showed that this model could improve ecological integrity by at least 48%.The memberships of flow rising rate and high flow pulse number increased by 0112 and 0261 respectively.The flow rising rate was well improved in dry years.The high flow pulse number was improved greatly in dry years and slightly in wet years.This model can significantly improve the ecological integrity，and can provide a reference for the watershed with fish restoration tasks.

Key words：

Fengman reservoir；hydrological regime；fish；ecological integrity；reservoir scheduling considering ecology

1研究背景

自然條件下，河流水文情勢的豐枯變化維持著水生態系統的穩定[1]。然而水庫的“蓄豐補枯”調節坦化了天然徑流，極大地改變了天然水文情勢的變化，產生了河流連通能力下降、下游濕地萎縮、生物棲息地喪失等一系列的生態問題[23]，因此在水庫調度中必須要考慮生態問題。

目前水庫生態調度主要是保證泄流滿足最小生態需水量[4]，然而這種調度方式沒有反映河流天然[HJ1.98mm]狀態下的峰現時間、洪水脈沖、漲水次數等水文情勢信息，對生物的洄游、產卵、生長等過程帶來不利影響[5]，因此生態調度除了滿足水量的需求外，還需營造適宜的水文情勢[6]。水文情勢可通過生態指標量化，在調度時進行調控滿足，由于指標眾多[711]，如何合理地篩選關鍵指標進行控制十分重要。當生態監測資料比較充分時，可以采用數據挖掘法篩選指標，如YiChen E.Yang[12]利用GP挖掘法篩選了IHA指標，并建立了魚類豐度和IHA指標之間的函數關系；當生態監測資料缺乏時，一般按個人經驗[1316]和生態指標改變度大小的順序[1718]進行篩選，如Suen[13]根據個人經驗挑選代表石門水庫下游生態系統的指標，研究了生態指標改善對興利目標的影響；楊娜[17]通過篩選改變度最大的前6個水文情勢指標，研究了丹江口水庫在水量分配和天然模式兩種調度情境下各指標的改善程度。但這兩種方法都沒有結合流域的生態保護對象篩選指標，可能導致所修復水文情勢指標對保護對象的作用并不明顯，達不到修復目的。

本文針對第二松花江流域豐滿水庫下游河段產漂浮性卵洄游魚類資源嚴重衰退問題，篩選水文改變度大且適合魚類需求的生態指標構建生態完整度函數，在保證發電和供水任務的基礎上，建立考慮生態完整度的水庫多目標優化調度模型，探討調度結果對發電和供水的影響，分析各生態指標多年平均隸屬度的變化情況以及年際變化情況。

2.1豐滿水庫特征及流量數據

豐滿水庫位于我國第二松花江流域，壩址在吉林省吉林市城區上游24 km處，是一座以發電為主，兼有防洪、供水、養殖的綜合水利樞紐工程，其電站裝機為1 002.5 MW，保證出力為166 MW；水庫下游的主要供水任務包括：長春市引水11 m3/s，下游生態下泄150 m3/s，吉林市區以下灌溉期（5月-6月）取水350 m3/s，且生態下泄水量可兼作為下游的灌溉用水。

豐滿水庫始建于1937年，沒有建庫前河道的天然水文數據序列，只在1946年以后有連續的出庫流量資料，為此本文在判別水文指標改變度時，以1946-1990年（1991年豐滿水庫上游修建了白山水庫）反推的入庫流量數據序列作為下游河道天然水文數據序列；在水庫調節計算時，采用1946-2009年豐滿水庫的入庫流量數據。

2.2漂浮性洄游魚類調查

豐滿水庫壩址至飲馬河口區段是產漂浮性卵的[HJ]洄游魚類如“四大家魚”的主要產卵區，分布有鰲龍河口、榆樹、龍王廟、飲馬河口等產卵場，見圖1。根據文獻[19]，豐滿水庫下游魚類多樣性不斷降低，主要是由于水庫修建及調度管理、環境污染、私捕濫撈、河道采砂等造成的，其中水庫的調度管理影響較大，對魚類的洄游產卵、覓食生長過程帶來不利影響，為此，豐滿水庫在滿足發電和供水任務的基礎上，還急需開展營造適宜魚類水文情勢的研究。

2.3生態目標函數確定方法

本文所提出的生態目標確定方法，首先計算生態指標改變度，然后選擇改變度大且影響魚類的指標作為待修復對象，最后利用二元比較法確定生態目標函數。

（1）水文情勢指標改變度計算。

首先根據出流過程對水文情勢改變程度進行評價，采用Richer[7]所提出的水文變化指標體系（Indicators of Hydrologic Alteration，IHA）來衡量水文情勢的變化。

為了便于水庫實際調度的控制管理，這里定義漲水（落水）率指標的單位為流量，即首先求每次漲水（落水）前后的流量差值，然后將年內各次漲水（落水）前后流量差值的均值作為該年漲水率（落水）率指標。

在判斷水文情勢變化程度時，主要評價調度后各水文情勢指標相對于天然狀態下的改變程度，本文采用高斯隸屬度函數（式（1））反映水文情勢指標相對于天然狀態的隸屬程度[15]，采用改變度函數評價各指標的改變程度（式（2））。鑒于豐滿水庫沒有建庫前的水文資料，本文以1946-1990年反推的入庫流量序列作為下游河道天然流量序列。

μ（xi）=e-[SX（]（xi-mi）2[]2σ2i[SX）][JY]（1）

v（xi）=1-μ（xi）[JY]（2）

式中：μ（xi）、v（xi）分別為第i個水文指標的隸屬度函數和改變度函數；xi為調度后第i個水文指標年值；mi、σi分別為天然狀態下第i個水文指標的均值和標準差。

在天然水文情勢變化評估時，IHA指標改變度大于067的，認為是高度改變；在033～067之間，認為是中度改變；小于033的認為是低度改變；其中高度和中度改變的指標需要修復[20]。根據豐滿水庫各指標的改變程度，如表1所示，需要修復的指標有26個，說明豐滿水庫的調度極大地改變了下游的天然水文情勢。

（2）魚類需求指標確定。

由于豐滿水庫壩址至飲馬河口區段產漂浮性卵的洄游魚類處于嚴重衰退狀態，洄游產卵規模減少，本文以產漂浮性卵的洄游魚類為保護對象，選擇水文情勢改變度大且對洄游產卵及魚卵發育有重要作用的指標進行修復。根據洄游產卵以及魚卵發育時所需要的洪水脈沖、漲落水率以及漲水持續時間等水文情勢刺激[2122]，確定魚類需求指標如下：a.高流量脈沖發生次數以及高流量脈沖持續時間指標，許多魚類已經適應了在高流量脈沖時節產卵，高流量脈沖作為魚類洄游產卵的信號，決定魚類產卵的次數與規模；b.最大1日、3日平均流量指標，一般完成一次產卵過程需要2～3日，這就要求有足夠長時間的高流量閾值來保證產卵的進行；c.最大流量出現時間指標，該指標表征了魚類產卵進入高峰期；d.漲水率和落水率指標，魚類產卵的完成還需要一定的漲、落水率，漲水時流速加快刺激魚類排卵，而排卵后需要一定的落水過程才能使魚卵順利漂向下游；e.6月-8月份平均流量指標，第二松花江流域魚類的洄游產卵集中在6月-8月份，產卵后魚卵的漂浮以及發育都需要一定的流量環境。

據此需求，可從改變度比較大的IHA指標中選擇跟魚類相關的指標：其中IHA高流量脈沖次數指標改變度為0502，高流量脈沖持續時間指標改變度為0514，均為中度改變，需要修復；平均最大1日、3日流量指標改變度為0292、0302，屬于低度改變，不用考慮修復；最大流量出現時間指標改變度為0452，屬中度改變，需要修復；漲、落水率指標的改變度分別為0636、0633，屬于中度改變，需要修復；6月-8月份中只有7月平均流量指標改變度為0397，屬于中度改變，需要修復。經以上分析，按改變度大小排序，需要修復的指標有落水率、漲水率、高脈沖流量持續時間、高流量脈沖數、最大流量出現時間及7月平均流量。

（3）生態完整度函數的構建。

由于所要修復的指標比較多，都作為調度目標難以實現，為此需要由所篩選的指標構建生態完整度函數（式（3）），作為水庫生態調度的目標。

Pe=∑[DD（]6[]i=1[DD）]ωi×μi[JY]（3）

式中：Pe為年生態完整度；ωi為第i個生態指標權重；μi為第i個生態指標隸屬度值。

在確定指標權重時，目前的研究均按等權重處理[510]，但各生態指標值的改變程度不同，其修復時的重要程度就不同，在確定生態目標時各指標權重也應不同。為此，本文根據各指標值多年平均改變度大小的不同，利用二元比較法確定落水率、漲水率、高流量脈沖持續時間、高流量脈沖數、最大流量出現時間及7月平均流量指標的權重ωi分別為0244、0244、0163、0163、0105及0081。

2.4水庫調度模型構建

（1）目標函數。

本文將生態改變度函數作為生態目標加入調度中，由于豐滿水庫以發電為主，模型考慮以生態完整度多年平均值、多年平均發電量和發電保證率作為調度目標，各目標越大越好：

式中：Vt+1、Vt分別為t+1、t時段末庫容；It、Dt、SUt分別為t時段入庫水量、泄流量、蒸發滲漏損失量；Zt為t時段的水位；Zd為死水位；Zl為汛限水位；Zn為正常高水位；m、n、l為長春市供水、下游生態流量、灌溉不發生破壞的時段數；Ps、Pt、Pa分別為長春市供水、下游生態流量、灌溉的保證率。

（3）模型求解。

以豐滿水庫實際調度圖作為初始解，調度圖中防棄水線、加大出力線和保證出力線上的水位作為模型優化變量，采用NSGAⅡ算法對上述多目標優化調度模型進行編程求解。

3結果與討論

以豐滿水庫1946-2009年入庫流量作為輸入資料，通過對模型求解得到108個帕累托（Pareto）解集，即108個生態調度方案，為了便于分析現有調度（實際出流）方案和考慮生態完整度調度方案的結果變化，選出使各目標及供水保證率取得最大值和最小值作為代表性方案，對應結果見表2。

與現有調度方案所得結果相比，本文所建立的生態調度模型可將生態完整度由0437增大到0650以上，至少提高48%，生態效益改善顯著。為使水庫泄流的水文情勢更貼近天然狀態，在非汛期（9月-次年5月），為貼近入流小的情勢，與現有調度圖中各調度線相比，考慮生態完整度所得的調度圖中各條調度線在非汛期比較高，使得泄流減少；在汛期（6月-8月），為貼近汛期入流大的情勢，各條調度線比較低，使得泄流增大。調度圖變化使發電量增加07%～26%，這是由于考慮生態完整度的調度線在非汛期3月-5月份比較高，即在較高水位時，水庫仍進行限制供水，從而使得水庫水位抬高，增加發電量；發電保證率降低24%～51%，但滿足75%的約束，這主要是3月-5月份泄流受到限制，出力減少造成發電保證率降低；供水保證率都滿足約束，但均有所降低：長春市用水保證率降低05%～08%，最小生態保證率降低32%～48%，灌溉保證率降低18%～80%，同樣由于調度圖在3月-5月份較高，泄流受到限制所致。總體來看，本文所建立的生態調度模型，在保證發電和供水任務的基礎上，可顯著增大生態完整度，具有可行性。

進一步分析各生態指標多年平均改善程度，選生態完整度最大的調度方案與現有調度方案相比較，考慮生態完整度調度方案中的落水率、漲水率、高流量脈沖持續時間、高流量脈沖數、最大流量出現時間、7月平均流量指標隸屬度分別增加0083、0112、0397、0261、0273、0153，見圖2。各指標變化及其生態意義如下：（1）落水率指標隸屬度由0367增加到0450，天然狀態下落水率為1098 m3/s，由現有調度方案的175 m3/s降低到1241 m3/s，減緩了現有調度方案落水過快所導致的魚卵擱淺問題；（2）漲水率指標隸屬度由0364增加到0476，天然狀態下1173 m3/s，由現有調度方案的558 m3/s增加到704 m3/s，從而增強了對魚類產卵刺激，加大了魚類的產卵規模；（3）高脈沖持續時間指標隸屬度由0486增加到0883，天然狀態下為91 d，由現有調度方案68 d增加到87 d，從而有利于加大魚類的產卵規模；（4）高流量脈沖數指標隸屬度由0498增加到0759，天然狀態下發生247次，由現有調度方案119次增加到185次，增加魚類產卵的可能性；（5）最大流量出現時間指標隸屬度由0548增加到0821，天然狀態下出現時間為第202 d（7月下旬），由現有調度方案第175 d（6月下旬）推遲到第195 d（7月中旬）；（6）7月平均流量指標隸屬度由0603增加到0756，天然狀態下平均流量為9142m3/s，由現有調度方案下的5397m3/s增加到7783 m3/s，為魚類的產卵以及魚類的漂浮提供了良好的流量環境。

兩方案下生態完整度年際變化過程見圖3，考慮生態完整度調度方案大部分年份的生態完整度比現有調度方案大，尤其在枯水年及連續枯水年更為顯著，生態完整度增加到04左右。以下簡要分析對魚類產卵影響最大的漲水率和高流量脈沖數的年際變化過程：（1）如圖4所示，總體上漲水率在豐水年和平水年的隸屬度比枯水年大，需要對枯水年漲水率指標進行改善，該模型使漲水率在枯水年由現有調度方案下的1024 m3/s 增加到3112 m3/s，使魚類在枯水年產卵刺激增強，這是由于考慮生態完整度的調度線在汛期相對較低，使得泄流更加容易；（2）由于在汛期調度線比較低，使得水庫棄水量及棄水次數增加，高流量脈沖次數也隨之增加；但對于汛期來水比較大的豐水年，見圖5，在1954年、1956年等特豐水年，汛期泄流次數多，使得高流量脈沖次數比天然狀態下的次數多，反而造成其相對于天然狀態下的指標隸屬度降低。

4結論

本文主要針對豐滿水庫下游天然水文情勢改變，產漂流性卵洄游魚類資源衰退問題，在滿足發電和供水的基礎上，進一步營造了適宜魚類的水文情勢。通過篩選水文情勢改變度大且和魚類洄游產卵相關的指標構建生態完整度函數，建立了考慮生態完整度的水庫多目標優化調度模型，探討了調度結

果對發電和供水的影響，分析了各生態指標多年平均隸屬度的變化情況以及下游生態流量年際變化情況，主要有以下結論。

（1）豐滿水庫壩址至飲馬河口區段營造適宜水文情勢的研究表明，該調度模型在滿足發電和用水的基礎上，可將下游水文情勢的生態完整度提高48%，但會降低發電量以及長春市、下游生態下泄和灌溉供水保證率。

（2）各指標多年平均隸屬度的分析表明，生態完整度中落水率、漲水率、高流量脈沖持續時間、高流量脈沖數、最大流量出現時間、7月平均流量指標隸屬度分別增加0083、0112、0397、0261、0273、0153，為魚類的洄游產卵以及魚卵發育創造了更有利的條件。

（3）生態完整度和指標隸屬度年際變化分析表明，生態完整度在枯水年及連續枯水年改善程度更佳，生態完整度達到04左右；漲水率指標在枯水年改善程度比較好，高流量脈沖數指標在枯水年改善程度大、豐水年改善程度小。

由于第二松花江流域的生態資料所限，本文僅從流量角度為下游河段營造適宜的水流下泄模式，后期[JP3]研究還應進一步考慮水溫、營養物質分布等生態要素。[HJ1.55mm]

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