大型水庫生態調度效益量化方法及應用研究

姜森嚴，孫士博

(沈陽市文林水土工程設計有限公司， 遼寧 沈陽 110179)

當前，水庫生態調度已經逐步成為水庫效益的體現的一種重要方式[1]。尤其是在枯水期，河道流量難以保障河流生態系統健康穩定，亟需水庫進行生態調度補充河道內的生態水量，以緩解和改善河流的生態環境狀況[2]。水庫主要功能是防洪、興利以及生態，防洪是第一功能，在保證防洪功能的前提下，如何規劃興利與生態調度一直是水庫調度研究的重點內容[3]。水庫的興利效益較易量化，主要體現在經濟效益方面，但是水庫的生態效益量化一直是個難點問題，尤其是河道生態環境改善是一個循序漸進且較為緩慢的過程[4]。近些年來，水庫尤其是大型水庫生態調度量化逐步得到研究和關注[5- 12]，但這些研究大都未能通過生態調度模型對水庫效益進行定量量化研究，有成果表明通過水庫生態調度模型[13- 15]，結合水庫的調度原則，可實現水庫生態流量的科學調度。為此本文從水庫生態調度模型角度出發，以觀音閣水庫為具體實例，通過水庫生態調度模型對水庫生態調度效益進行量化，研究成果對于其他大型水庫生態調度效益量化具有重要的參考價值。

1 基本原理

1.1 生態水量調度自適應模型

一級目標以最小缺水量為目標進行函數構建：

(1)

以生態效益為第二計算目標進行目標函數構建：

(2)

式中，ΔQi，j—水庫不同時間的缺水量，m3；Ki—第i年水庫蓄滿程度；M—水庫計算目標單元個數；T—計算時段，h；N—統計時段。各目標函數計算的約束條件如下。

(1) 水力條件：

Ii，t=Qi-1，t+Si-1，t+Si，t-Gi，t

(3)

(2)水量平衡條件：

Vi，t=Vi，t-1+(Ii，t-Qi，t-Si，t-Gi，t)·Δt

(4)

(3) 庫容條件：

VLi，t≤Vi，t≤VUi，t

(5)

(4) 流量條件：

QLi，t≤(Qi，t+Si，t)≤QUi，t

(6)

(5) 出力條件：

PLi，t≤Ai·Qi，t·Hi，t≤PUi，t

(7)

(6) 水位邊界條件：

Zi，0=Zi，startZi，t=Zi，end

(8)

式中，Qi，t—第i年第j時段調度水量，m3；Ii，t、Si，t、Ri，t、Gi，t—第i年水庫入庫、下泄、區間來水以及調度水量，m3；Vi，t、VLi，t、VUi，t—第i年第t時段蓄水變化量、最大、最小蓄水量，m3；QLi，t、QUi，t—水庫最大、最小下泄水量，m3；PLi，t、PUi，t—水庫最大、最小出力值，m；Zi，start、Zi，end—水庫調度初始和末尾時期的水位，m。

1.2 計算步驟

水庫生態調度的不確定性主要來源于預報等級的劃分，本文主要分析水庫生態調度預報的不確定性對水庫生態調度效益的影響，因此首選需要對水庫生態調度的不確定性進行剔除，采用隨機方式進行處理：

Qft=Qst+ket

(9)

式中，Qft—徑流預測值，m3/s；ket—預報的徑流誤差，%；Qst—枯水期徑流預測值，m3/s。主要的計算步驟為：

(1)基于觀音閣水庫實測徑流數據，以枯水期作為基礎年份，枯水期徑流作為基流進行分析。

(2)對不同組合方式下的徑流進行隨機分析，生成水庫隨機生態調度徑流序列。

(3)結合水量自適應調度模型按照生成的隨機徑流序列進行水庫生態調度計算。

(4)結合水庫生態調度結果，應用各評價指標對其水庫生態調度效益進行分析，從而確定水庫生態調度綜合效益。

2 實例分析

2.1 水庫概況

觀音閣水庫是太子河干流上游的一座控制性大(1)型水利樞紐工程。水庫按1000年一遇洪水設計，10000年一遇洪水校核，水庫校核洪水位265.7m，相應庫容為21.68億m3；設計洪水位263.9m，相應庫容為20.23億m3。該水庫是以供水和防洪為主，兼有灌溉、發電、養魚等綜臺效益的大型水利樞紐工程。本文結合觀音閣水庫來水量數據，通過隨機分析方法，隨機生成入庫生態徑流序列，結合水量生態調度模型對水庫各項效益指標進行評估，從而分析觀音閣水庫生態效益。

2.2 調度效益指標分析

結合隨機徑流序列，基于觀音閣水庫的調度規則，對水庫防洪、灌溉供水以及生態效益指標進行分析，結果見表1。

表1 觀影閣水庫調度效益指標分析結果

從生態調度模型測算的防洪、供水以及生態效益可看出，各效益指標和水庫生態調度水量具有較好的相關性，相關系數均可達到0.5，表明水庫生態調度效益、防洪效益以及供水效益具有較好的相關性。這主要是因為觀影閣水庫在非汛期主要是以供水和生態調度為主要目標，在保障城市供水的基礎前提下，對下游河道的生態流量進行科學調度，保障河流的生態環境狀況，而非汛期由于沒有防洪任務，因此水庫調度的綜合效益只有供水和生態效益，因此防洪調度效益和供水以及生態效益具有較好的相關性，在枯水期，由于供水任務較重，因此在滿足供水需求的前提下，可基本滿足河道內的生態需水要求。而在汛期，由于觀音閣水庫以防洪任務為主，因此供水效益和生態效益的滿足度低于枯水期的供水和生態效益。觀音閣水庫在汛期來水量較大的時候，通過水庫調蓄作用，增加水庫蓄水量，保證非汛期供水和生態調度效益。

2.3 生態調度不確定影響分析

為探討生態調度不確定性對水庫各調度效益的綜合影響，通過假定對觀音閣水庫生態調度綜合的影響度低于20%，結合該影響率定量分析水庫生態調度不確定性，結果見表2。

表2 觀影閣水庫綜合調度影響度下生態調度確定影響結果

從生態調度不確定性分析結果可看出，生態調度的不確定性對水庫綜合調度影響較高，對水庫生態效益綜合調度影響最大，其方差和系數最大，此外為對供水效益的影響也較高，對水庫供水效益的系數和方差分別為0.54和16.29，水庫調度的不確定性對水庫防洪效益影響較低，對水庫防洪效益的影響的系數和方差分別為0.51和18.69，可見水庫生態調度不確定性對水庫防洪效益影響較低，而主要影響分別為供水效益和生態效益兩個層面。

2.4 生態調度綜合效益分析

在水庫生態調度指標分析的基礎上，對觀音閣水庫干、支流來水對水庫生態調度綜合效益的影響進行分析，結果見表3。

表3 觀影閣水庫來水影響的生態綜合效益影響分析

從干支流來水影響下觀音閣水庫的生態調度綜合效益分析結果可看出，干支流來水的不確定性對水庫生態調度綜合影響較為顯著，其中對水庫防洪效益影響較大，豐水期干支流來水不確定性對水庫防洪效益影響度高于生態和供水效益，而豐水期干支流來水對水庫供水效益和生態效益影響度要低于防洪效益，介于17.2%～24.5%之間。而進入枯水期，由于水庫枯水期主要承擔供水和生態調水的任務，干支流來水影響主要體現在對供水效益和生態效益層面，對供水和生態效益的影響度高于防洪效益，在枯水期，水庫生態調度的效益值可達到20%以上，有效改善和緩解枯水期河道內的水生態環境狀況。從干支流來水和防洪、生態效益的相關性分析可看出，來水和各效益指標之間呈現明顯二次凸函數變化，且具有較好的相關性。

3 結論

(1)在汛期，由于觀音閣水庫以防洪任務為主，因此供水效益和生態效益的滿足度低于枯水期的供水和生態效益。觀音閣水庫在汛期來水量較大的時候，建議加大水庫調蓄作用，增加水庫蓄水量，保證非汛期供水和生態調度效益。

(2)觀影閣水庫生態調度不確定性對水庫防洪效益影響較低，而主要影響分別為供水效益和生態效益兩個層面。

(3)本文只針對單一水庫生態調度進行量化，而對于太子河而言，水庫群生態調度可實現流域最優的生態需水，以后研究中還應對水庫群生態效益進行量化研究。