基于水資源配置的水庫群生態調度研究

高仕春，劉宇棟，程西方，李麗華

(1.武漢大學水資源與水電工程國家重點實驗室，武漢 430072；2.淮河水資源保護科學研究所，安徽 蚌埠 233001)

0 引 言

中國大部分流域水利工程密集，水資源開發利用程度高。由于對水生態環境保護的認識不足，使得大部分水利工程的運行調度規程中，沒有關于水環境保護的相關內容，長期運行的結果就是大部分地區天然基流缺乏，河湖水生態系統退化嚴重。因此改善河流水生態狀況，實現流域水量合理調度，是當前流域水資源管理關注的重點。

國內外對于水資源優化配置和水庫群生態調度開展了一系列研究，取得了豐富的成果。Salman等[1]以尋求農業部門的最低成本為目標，通過建立線性規劃模型，分析了農業用水的季節配置對農業生產的影響。Babel等[2]綜合考慮社會經濟，環境和技術等各個方面，以用水部門缺水量最小和凈經濟效益最大化為目標，建立了線性交互式綜合水量配置模型。傅春等[1]首次提出了水資源持續利用(生態水利)的原理。在水庫群生態調度方面，郭文獻等[4]為三峽水庫引入了生態調度目標，為三峽工程后續制定合理的調度運用方案提供參考。康玲等[5]針對漢江中下游的主要生態問題，建立了丹江口水庫生態調度模型。郭旭寧等[6]將模擬和優化方法結合，模擬水庫調度規則，優化水庫供水方式，為水庫群聯合調度中復雜的多目標問題提供了一種解決方案。萬芳等[7]擴大了水庫聯合調度范圍，建立了跨流域水庫群供水調度規則的三層規劃模型,提出調水規則、引水規則和供水規則相結合的跨流域水庫群優化調度規則。在水資源優化配置方面，朱彩琳等[8]開展了面向空間均衡的水資源優化配置研究，并以鹽城市沿海地區為例,構建了鹽城市沿海地區面向空間均衡的水資源優化配置模型。吳云等[9]運用改進飛蛾撲火算法，以區域缺水率最小和污染物排放量最小為目標函數，以汾河下游谷地供水區為例,預測其在不同來水頻率下的供需水量。對于水庫群調度和水資源配置中的多目標問題也已經有了大量研究。Dai L等[10]采用混沌遺傳算法，開發了一種水庫優化模型，以提高洞庭湖對最低生態需水量的滿足程度，同時提高三峽水庫的發電量。廖四輝等[11]在淮河生態用水調度平臺的搭建過程中，建立了供用水單元的拓撲關系，通過設置河道生態斷面，綜合考慮社會經濟和生態用水，得到考慮生態用水的優化調度方案。黃草等[12]通過設置目標權重，將包含發電、河道外供水和河道內生態用水等目標的多目標非線性優化問題線性化求解。陳悅云等[14]采用多目標粒子群算法進行求解,建立面向發電、供水、生態要求的贛江流域水庫群優化調度模型,得到不同來水頻率下發電、供水和生態3個目標的非劣解集,并對各目標之間的競爭關系進行了剖析。黃志鴻等[15]提出一種利用分時段加權法處理水庫群多目標生態調度的方法。張連鵬等[16]針對水庫群中長期生態調度問題，采用自迭代和大系統協調的方法，建立了調度函數并通過合理性檢驗。

以上研究成果大多針對水庫群調度過程中的單一對象的研究，如解決生態流量過程、改善水庫群調度算法、優化水資源配置結果等。相對而言，對于生態環境要求、水資源配置、與水庫群聯合調度的相互影響，以及如何實現各目標之間協同優化的研究較為缺乏，弱化了各個目標之間的有機聯系。同時，大多數研究只提出某種對于水庫生態調度的優化方法，并未從優化結果中總結出可供實際調度參考的生態調度圖。

沙潁河是淮河最大的支流，它是淮河流域歷史上航運和農業灌溉的重要水源，其水資源系統網絡概化如圖1。該流域由干流和一條支流組成，干流上建有5座有調節能力的水庫(包括白沙水庫、昭平臺水庫、白龜山水庫、孤石灘水庫、燕山水庫)，由于昭平臺和白龜山是梯級水庫，供水對象均為平頂山市，因此將二者簡化為一個聯合水庫，其有效庫容為兩個水庫興利庫容的疊加。全流域用水劃分為10個區域，河流上有8個控制斷面(主要包括賈魯河中牟站、潁河黃橋站、北汝河大陳站、沙河干流漯河站、沙潁河周口、沙潁河槐店站以及汾泉河沈丘站)，每個斷面處均有河道內生態環境流量要求。 沙潁河全流域總面積約40 萬km2，一直以來洪澇災害嚴重，經多年治理有所好轉，但近幾十年來，由于流域上游工農業發展迅速，使得沙潁河嚴重污染，成為淮河流域污染最嚴重的支流。為了減少水利工程對生態環境的不利影響，需要對水庫群進行有序的控制，在滿足生活用水的前提下，以水資源可持續性利用為底線，達到社會經濟生態環境綜合效益最大化。

圖1 沙潁河流域水資源系統網絡圖

1 水資源優化系統模型

水庫群中長期生態調度模型需要解決河道內生態保護長期用水要求，其目標函數以綜合缺水損失最小來表達。為表達簡潔起見，設第t時段第i分區城鎮用戶的需水量為DIi,t、供水量為RIi,t，缺水水量的權重系數為αi1；第t時段第i分區農業用戶的需水量為DAi,t、供水量為RAi,t，缺水水量的權重系數為αi2；第t時段第i分區河道內生態需水量為DEi,t、用水量為REi,t，缺水水量的權重系數為αi3。表達式如下：

αi2(DAi,t-RAi,t)+αi3(DEi,t-REi,t)]}

(1)

式中：T為計算期，一般為季度或年；M為分區數。

約束條件有：

(1)水庫水量平衡約束。

Si,t+1=Si,t+(Ii,t-Ri,t-SUi,t)Δt

(2)

式中：Si,t為第i分區第t時段水庫初、末的蓄水狀態；Ii,t為第i分區第t時段入庫流量；Ri,t為第i分區第t時段從庫區的引水流量；SUi,t為第i分區第t時段水庫下泄流量;Δt為計算時段，一般為月、旬。

(2)水庫蓄水量約束。

Smin,i,t≤Si,t≤Smax,i,t

(3)

式中：Smin,i,t和Smax,i,t為第i分區第t時段水庫允許的最小、最大的蓄水狀態。

(3)泄流特性約束。

0≤SUi,t≤f(Zi,t)

(4)

式中：Zi,t為第i分區第t時段水庫水位；f(Zi,t)為水庫泄流函數。

(4)引水能力約束。

0≤Ri,t=RIi,t+RAi,t≤Rmax,i,t

(5)

式中：Rmaxi,t為第i分區第t時段水庫引水能力。

(5)匯流節點水量平衡方程

REi,t=Ii,t+i,tF-Ri,t

(6)

式中：Fi,t為第i分區第t時段節點區間匯入流量；Ri,t為第i分區第t時段節點取水流量。

(6)水庫邊界條件。

Zi,t=Zi,T=Z0

(7)

式中：Zi,1和Zi,T為第i分區水庫時段初和時段末的庫水位；Z0為水庫的死水位。

從以上數學模型結構可以看出，它具有以下特點：一是表達式都是線性函數；二是部分約束方程在時段之間相互關聯；三是具有多階段梯階結構形式，各時段的約束條件和變量有十分類似的形式。采用改進的大規模線性規劃方法(PFI)求解。

2 水資源優化配置結果分析

2.1 計算依據

2015年6月至2016年5月水利調度年的天然來水接近平水年，由于水文資料有限，以該年的實測徑流資料為典型年，設置5種來水條件：10%、25%、50%、75%、90%。計算時段為月。假設在各種節水措施維持現有水平情況下，用水戶需水預測都是在2017年的實際用水基礎上進行。農業用水則是按照水資源公報提供的資料，以降雨頻率與農業用水量做頻率曲線進行預測，其他用水戶的需水量維持基準年的用水水平。水庫從庫空(死水位)起算。

遵循地表水資源取水量建議值約束，在保證河道生態用水的前提下，根據用水戶的重要程度，按照“生活、工業、其他、農業”四類用戶，從“非常重要、很重要、重要、一般”賦予權重。

將以上資料，代入模型進行優化計算，對其優化計算結果進行統計分析。

2.2 配置結果分析

(1)河道內生態水量保證率。從表1可以看出，除汾泉河沈丘斷面和北汝河大陳斷面由于河道上沒有控制性工程，在枯水年有不同程度的生態缺水外，其他河道都滿足生態用水要求。

表1 不同來水頻率下各斷面河道內生態水量保證率情況 %

(2)用水戶缺水。從表2可以看出，盡管優化配置是一個比較樂觀的配置結果，但還是需要通過引進外來水源才能解決流域供水緊張的局面。總缺水量期望值為26 918 萬m3，總缺水率期望值為8.46%。

表2 不同來水頻率下各城市缺水情況 萬m3

為了更加直觀了解缺水情況，分析50%平水年的計算結果，統計實際供水情況，并與用水計劃進行比較，得到統計結果如圖2所示。

圖2 缺水情況的時空分布

從缺水的空間分布來看，每個城市都存在不同程度的缺水。汝州和駐馬店由于取水河道天然流量小，且無控制工程調節，存在工程性缺水。而周口市農業用水比值大，而用水優先權最低，因此周口缺水量最大，占總缺水量的93%，為自身計劃用水量的27.4%。從缺水的時間分布來看，11-翌年5月整個枯水期都有不同程度的缺水，其中，12-翌年4月份缺水最為嚴重，占總缺水量的92%。

(3)地表水資源配置。從表3可以看出，所有指標都在建議值以內，期望總取水量距離建議值尚有38%的余地。從水源來講，賈魯河和沙河的剩余可分配地表水量較大。從用戶來講，許昌在賈魯河的取水、周口在賈魯河和沙河的取水都已經達到建議值。但是考慮到周口依然存在大量缺水，因此可以適當調整用水戶在沙潁河各河道的取水比例。

表3 地表水資源配置期望值占常規建議值的比例 %

3 水庫生態調度方案擬定

3.1 水庫生態調度方案的生成

(1)地表水資源配置方案。以上結果表明，存在缺水的另外一個主因是地表水資源配置方式的不合理，因此取基于系統優化情景下的用水戶地表水分配比例期望值作為生態調度的地表水分配比例，生成地表水資源配置方案，如表4。

表4 沙潁河流域地表水資源配置方案 %

從表4可以看出，基于系統優化的地表水資源配置方案比常規建議值更具合理性。以鄭州和周口為例。相對于賈魯河而言，潁河的天然流量相對較小，且下游有生態斷面約束，因此鄭州完全從賈魯河取水，周口從賈魯河的取水比例提高了20%。周口在沙河的取水點位于最下游，該點匯集了賈魯河，北汝河，潁河等各支流，流量較大，因此周口在沙河下游的取水比例提高了59%，相對而言大大減少了在潁河的取水量。

(2)水庫生態調度方案。統計沙潁河流域上的4個大型水庫在不同來水條件以及地表水資源配置方案下，基于系統優化情景的蓄水量變化過程。現以白沙水庫為例，如圖3所示。

圖3 白沙水庫生態調度圖

由于以上水庫運行過程考慮了河道生態用水要求，因此，可以以該過程線為基礎繪制水庫生態調度控制線，從而繪制各水庫的生態調度圖。其中90%(實線)為符合河道生態用水保證率要求的水庫生態調度基本控制線。

水庫按照生態調度圖進行生態調度。當水庫實際蓄水處于生態調度控制線以上時，為生態用水保證區，水庫應該滿足河道生態用水要求；當水庫實際蓄水處于生態調度控制以下時，為降低生態用水區，水庫減少生態流量的下泄，此時河道生態用水不能滿足。

3.2 基于水資源配置的水庫生態調度方案的檢驗

由于水資源的有限性，水資源分配是一個多方參與的利益沖突問題。設置來水條件為85%，結合用水預報和給定多目標權重情況下，進行水庫生態調度方案和常規調度方案的對比計算，對生態調度方案的效果進行檢驗。

(1)河道內生態保證率對比。將兩種調度方案對于河道內生態用水保證率的影響進行對比，如圖4所示。結果表明，各斷面的河道內生態用水保證率相對于常規調度方案可以得到顯著提高，各斷面河道內共增加生態水量80 294 萬m3。

(2)用水戶缺水情況對比。將兩種調度方案對于各用戶缺水情況的影響進行對比，如表4所示。

從表4可以看出，由于生態調度將河道內生態用水的優先級設置為第一位，減少了用水戶的河道外可用水量，導致用水戶的總缺水量增加5 225 萬m3，但是遠遠低于河道內增加的80 294 萬m3生態水量。

圖4 生態調度和常規調度河道內生態水量保證率對比

表4 生態調度和常規調度各用水戶缺水情況對比 萬m3

(3)水庫調蓄過程對比。將兩種調度方案對于水庫的調蓄過程的影響進行對比，以“昭平臺-白龜山”聯合水庫為例，如圖5所示。

圖5 生態調度和常規調度“昭平臺-白龜山”聯合水庫調蓄過程對比

從圖5中可以看出，“昭平臺-白龜山”聯合水庫群在調度期末多動用興利庫容17 235 萬m3，說明生態調度充分利用了水庫的興利庫容，較大程度發揮了水庫的調蓄作用。

從過程上來看，在枯水期末，生態調度的庫水位基本上降到了死水位，然后，利用汛期，再將水位蓄上來。相應地，水庫在枯水期泄流(供水量)增加，在汛期泄流(供水量)會減少。這正好和缺水情況分析的時間段一致，有效地解決了供需矛盾。

4 結 論

(1)水資源優化配置可以說是一個比較樂觀的配置結果，但沙潁河流域還是需要通過引進外來水源才能解決流域供水緊張的局面。外調水大約在2.7 億m3，調水時間應集中在枯水期。

(2)在保證河道生態流量的條件下，一般年份，各城市都有不同程度的缺水。考慮來水的隨機因數，最終得到各城市地表水資源分配方案以及水庫生態調度方案。生態調度發揮了水庫的調蓄作用，能夠顯著提高沙潁河流域各斷面的生態流量保證率，不過同時會少量增加用水戶的總缺水量。

(3)沙潁河水文資料不全，外調水源與用水區的水文頻率遭遇問題，將配置方案在水資源管理的具體工作中的應用問題，以及如何改進生態調度方案以減少缺水損失等問題待下一步進行深入研究。

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