基于生態流量過程等級的水庫調度研究

顧國玉，方國華，黃顯峰，顏 敏，戴靈輝，2

（1.河海大學水利水電學院，南京 210098；2.湖南省農村水電及電氣化發展局，長沙 410007）

0 引 言

水庫通過截蓄天然流量進行攔洪和調節流量，由于水庫的調蓄作用，改變了原河道的天然流量分配，河流的水文情勢被改變，河流的連通性遭到破壞，甚至在下游形成了減脫水河段，導致水質惡化、生態退化和河流生態系統失衡等問題［1］。河流生態環境要實現可持續發展，就要保證河流生態流量，使河流生態系統恢復至有自我調節能力，2016年水利部印發了《農村水電增效擴容改造河流生態修復指導意見》，提出要合理確定河流的生態修復目標，保障生態流量優先。可見保障河流生態流量［2］，對被破壞的河流生態進行修復勢在必行。

對減脫水河段進行生態修復可采取生態調度［2］的措施，保證河流的生態流量，滿足水生生物對水力、水文因子的需求，使河流具有自我修復能力。國內學者對生態調度的研究主要是針對多目標綜合利用，將生態效益作為調度目標之一。傳統的生態調度將生態缺水量最小或生態缺水率最低作為生態目標，這種方式有可能造成加大生態流量泄放去追求最小值，從而犧牲發電效益。同時，天然河流具有豐枯不均的特性，各月流量對河流生態保護的重要性不同，用生態缺水總量或缺水率評價生態效益缺乏標準，不能體現年內變化。為了提高生態流量過程的穩定性，使調度后偏離適宜生態需水區間的水量能在一定范圍內，有學者定義了生態溢缺水量［4］、生態保護程度［5］和生態流量貼近度［6］等指標衡量生態效益，但是常常需要定義適宜生態流量閾值，該閾值的確定一般通過某一種生態流量計算方法來確定，由于選取方法主觀性較大，計算結果可能存在差異。

為此，本文基于ME-Tennant 法［7］定義了生態流量過程等級，構建以生態流量過程等級最大為生態目標的水電站生態調度模型，可以避免在選取生態流量計算方法時主觀性較大的問題，同時根據生態流量過程等級可以直觀體現生態流量過程在調度期內的優劣性，用于指導水庫進行生態調度，模型采用改進的NSGA-Ⅱ進行求解，并應用于湖南洣水流域的筷子簍-水口梯級電站。

1 生態流量過程等級

河流生態流量可以分為最小生態流量、適宜生態流量和最大生態流量［8］。河道流量一般不會超過最大生態流量，遇枯水季可能將來水全部用于發電，低于最小生態流量時對河流無修復效果，在一定的適宜生態流量范圍內，河流生態的保護程度與流量呈正相關。

黃顯峰等提出了Tennant 法和物元分析法耦合的ME-Tennant 河流生態流量過程評價模型［7］（以下簡稱ME-Tennant 模型），該模型通過對多種生態流量計算方法進行評價，根據評價結果綜合確定生態流量過程，由于采用了合理明確的評價標準，避免了在選擇生態流量計算方法時存在的主觀因素大的問題，可以進行客觀綜合的評價。以往有關生態調度的研究在定義生態目標時，對生態流量過程缺乏明確的評價標準，無法體現在調度期內生態流量過程的綜合評價效果，ME-Tennant模型可以直觀地體現河流生態流量過程的優劣性。本文采用METennant模型對生態流量過程進行評級，用評價等級及其綜合關聯度定義生態流量過程等級，并將其作為生態目標用以評價水庫調度的生態效益，評價等級越高、綜合關聯度值越大則生態流量過程等級越好。

1.1 ME-Tennant模型

ME-Tennant 模型以12 個月的生態流量狀況作為評價指標構建物元R；首先根據Tennant法評價等級標準構建經典域物元Rf及節域物元Rp，然后確定各評價等級的關聯函數并計算其關聯度，接著根據各月生態流量滿足度的重要性，采用模糊層次分析法確定各評價指標的權重，并計算綜合關聯度，見式（1），最后根據綜合關聯度值對河流生態流量過程進行等級評定，綜合關聯度值最大所處的等級為綜合評價等級，綜合評價等級評定見式（2）。

式中：Kj(p0)為第j個評價等級的綜合關聯度；wi為第i個指標的權重；Kj(xi)為第j個評價等級下第i個指標的關聯度。

式中：Kj*表示生態流量過程屬于綜合關聯度值最大對應的第j個評價等級；當0 ≤Kj(P0)≤1 時，表示所求生態流量過程符合該標準等級的要求；當-1 ＜Kj(P0)＜0時，表示該過程不符合該標準等級的要求，但是具備轉化為該等級的條件，且轉化時值越小越容易；當Kj(P0)≤-1時，表示不符合該標準等級的要求，而且也無法轉化為該等級；當Kj(P0)＞1 時，表示超出了標準等級上限。

1.2 生態流量過程等級計算

ME-Tennant 模型根據研究區域季節特點將全年分為豐平枯3個時期，并根據各時期來水特點及河流生態系統用水需求，將河流生態流量過程評價標準等級分為“差”～“最大”共七個等級，根據ME-Tennant 模型計算出的綜合關聯度值應在（-1，1］范圍內，超出該范圍則認為不符合河流的生態流量的需要，在構建生態調度模型時不予考慮。基于ME-Tennant 模型定義了如下的生態流量過程等級。

生態流量過程等級定義為：調度期內的各月生態流量為生態流量過程，依據Tennant 法評價標準對各月生態流量劃分評價等級［9］，用物元分析法計算各評價等級的綜合關聯度，確定生態流量過程的綜合評價等級，由于綜合關聯度值在（-1，1］范圍內越大，則越符合該標準等級的要求。為體現等級內的優劣性，考慮綜合關聯度對生態流量過程的影響最終確定生態流量過程等級。

生態流量過程等級由綜合評價等級和綜合關聯度兩部分構成。其中綜合評價等級分“差”～“最大”7個等級，各綜合評價等級賦值1～7，例如“差”對應1，“一般”對應2，以此類推“最大”對應7；對綜合關聯度值進行歸一化處理，其值經規范化處理后處于［0，1］區間。

當生態流量過程處于“差”綜合評價等級時，該等級下的河流流量已低于最低生態流量閾值，認為不具備生態保護效果，因此定義生態流量過程等級為0；在“一般”～“最佳”綜合評價等級時，生態流量過程等級由綜合評價等級值和規范化后的綜合關聯度值綜合確定，綜合評價等級越高、同一評價等級下綜合關聯度值越大，則生態流量過程等級值越大；當河流生態流量過程達到“最大”綜合評價等級時，河流長時間處于高流量狀態下，亦不利于河流穩定，但保持了河流的水量，本文定義其生態流量過程等級為5。生態流量過程等級計算如下：

式中：Ft為生態流量過程等級；P0為生態流量過程；Nj為綜合關聯度的歸一化數值；Kj(P0)為生態流量過程P0的綜合關聯度值；Kj*為綜合評價等級。

生態流量過程等級值區間見表1。

表1 生態流量過程等級區間Tab.1 Ecological flow process level interval

2 生態調度模型

對于已出現生態退化的減脫水河流，要改善河流生態環境，必須明確生態效益的重要地位，在運行調度時要優先保障河流生態流量，本文構建了以生態流量過程等級最大和發電量最大為目標的水庫生態調度模型。

2.1 目標函數

（1）生態流量過程等級最大：

式中：WF為調度期內電站減脫水段生態流量過程等級。

（2）發電量最大：

式中：WE為調度期內N 個水電站的總發電量，kWh；Ai為第i 個水電站的出力系數；qi，t為第i 個水電站t 時段內的發電引水流量，m3∕s；Hi，t為第i個水電站t時段內的凈發電水頭，m；T為總調度時段；△t為計算時段區間。

2.2 約束條件

生態調度模型各約束條件表達式如下：

（1）水量平衡約束。

式中：Vi，t、Vi，t+1分別為t時段初、末的第i水庫蓄水量，m3；Qi，t為t時段 第i 水庫入庫流 量，m3∕s；qi，t為t 時段第i 水 庫出庫流量m3∕s；Δt為計算時段長，h。

（2）水庫庫容約束。

式中：Zi，MIN為第i個水庫死水位，m；Zi，MAX為第i個水庫正常蓄水位，m；Zi，t為第i個水庫t時段運行水位，m。

（3）機組出力約束。

式中：Ni，min、Ni，max為第i水庫被允許的最小和最大出力，kW。

（4）機組過流能力約束。

式中：Qi，min、Qi，max分別為第i 個水庫機組允許的最小和最大流量，m3∕s。

（5）上下游水力聯系。

式中：qei，t為t 時段內第i 個電站從電站尾水引水至減脫水河段的生態流量，m3∕s；Qri+1，t為第i個水庫至第i + 1個水庫在t時段內的區間來水流量，m3∕s。

（6）非負約束。

2.3 生態調度模型求解

NSGA-Ⅱ算法［10］在求解過程中，通常采用各調度時段的水位為決策變量，以隨機的方式生成初始種群，導致產生的部分初始解不在約束范圍內，又加之部分遺傳操作也造成解偏離約束，從而優化效率和最優解的質量被影響，改進的NSGA-Ⅱ算法［11］引入了個體約束和群體約束機制來提高優化效率和最優解的質量。本文選用改進NSGA-Ⅱ算法對生態調度模型進行求解，流程圖見圖1。

圖1 改進NSGA-Ⅱ算法流程圖Fig.1 Improved NSGA-Ⅱalgorithm flow chart

3 實例研究

3.1 筷子簍-水口梯級電站概況

湖南省筷子簍-水口梯級電站位于炎陵縣。筷子簍水電站屬湘江水系洣水支流河漠水上游下村河，是炎陵縣唯一一個集防洪、縣網調峰作用于一體的水電站，也是一座以發電為主，兼顧防洪的小（一）型水庫。筷子簍水庫大壩壩高60.2 m，水庫最高水位748.2 m，死水位713 m，總庫容850 萬m3，死庫容120 萬m3，興利庫容730 萬m3，約為年來水的5%，可實現季調節。筷子簍電站為引水式電站，于1998年8月投產，總裝機容量為3 000 kW，2014年進行更新改造后總裝機容量為3 750 kW。

水口電站位于水口鎮自源村，位于河漠水上游。于1973年11月動工興建，1977年4月投產發電。電站從上游筷子簍水庫電站尾水（筷子簍水庫棄水不進入引水渠）和大橫溪河壩引水，為引水式電站，現裝機5臺，總裝機容量16.35 MW。

由于筷子簍電站建成年代較早，未考慮生態保護的要求，早年攔水壩未設置生態流量下泄設施，導致攔水壩下游出現了長7.2 km 的減脫水河段，部分區域出現了水環境惡化、生態退化的問題。筷子簍電站水庫大壩下游190 m 設有二道壩，壩下設有引水渠道，為修復減脫水河段生態環境，擬將二道壩下渠道疏通將電站尾水通過渠道引至壩下滿足生態流量需求，本文通過生態調度模型確定引至壩下的生態流量和用于下游水口電站的發電流量。

3.2 筷子簍-水口梯級電站生態流量過程等級計算

根據筷子簍-水口梯級電站的區域季節特點將全年分為豐平枯3 個時期，參照Tennant 法確定了如表2 所示的評價標準，Tennant 法認為年平均流量的200%是最大的生物棲息地標準，為河流生態系統能承受的流量上限，故本文將河流生態流量過程評價標準中“最大”等級區間上限設為200%；根據典型年每個月的生態流量作為評價指標，構建物元；然后根據表2的評價標準構建經典域與節域；計算關聯函數和關聯度；用模糊層次分析法計算各月生態流量指標的權重，各月生態流量指標權重見表3；根據式（1）計算綜合關聯度，用式（2）計算年生態流量過程的綜合評價等級；最后根據式（3）和式（4）計算生態流量過程等級。

表2 河流生態流量過程評價標準Tab.2 Evaluation criteria of river ecological flow process

表3 各月生態流量指標權重Tab.3 The weight of each month's ecological flow index

3.3 筷子簍-水口梯級電站生態調度結果分析

依據炎陵水文站1959-2015年的水文資料，壩址多年平均流量為4.43 m3∕s，對各壩址年平均流量進行排頻計算，用皮爾遜Ⅲ型曲線對壩址年平均流量進行適線，選取P = 25%為豐水年，P = 50%為平水年，P = 75%為枯水年。每個典型年以月為調度時段輸入生態調度模型，運用改進的NSGA-Ⅱ算法進行求解，算法參數為：群體數為400，全局迭代次數為500。根據調度模型生成的各典型年非劣解集，每個典型年均勻選取20 個方案，調度方案集見表4。

表4 典型年調度方案集Tab.4 Typical year operation schemes

方案的優選采取熵權法［12］和灰色關聯度法［13］結合進行綜合評價的方法進行確定。熵權法為客觀賦權法，可以客觀評價各指標相對重要性，選用熵權法確定各目標的權重；灰色關聯度分析可根據序列曲線與理想方案曲線之間的相似程度判斷聯系是否緊密，灰色關聯度值越大則越接近，聯系越緊密。通過計算理想方案與各方案之間的灰色關聯度可確定各典型年的調度方案。計算過程需確定理想方案和比較方案，對不同量綱的數據進行規范化處理，計算關聯系數，根據各指標權重及灰色關聯系數計算出灰色關聯度值，最終根據關聯度值越大越好的原則選擇最優調度方案。

3.3.1 熵權法確定各指標權重

根據熵權法計算梯級年發電量和生態流量過程等級指標在各典型年的權重見表5。

表5 指標權重值Tab.5 Index weight value

3.3.2 灰色關聯度分析

發電量和生態流量過程等級都是效益型指標，指標值越大則方案越優，根據調度方案集確定各典型年理想方案指標集，見表6。

表6 典型年理想方案指標集Tab.6 Typical year ideal operation scheme index set

根據灰色關聯度值越大越優的原則，豐平枯年最優調度方案分別選取方案11、方案10 和方案10，最優調度方案和未建水庫下天然河流的生態流量過程等級見表7。由表7 可知天然河道在豐水年達到了“最佳”等級，在該等級下河流生態系統健康，水生生物及河岸帶植物正常地生長繁育；平水年處于“很好”等級，雖然平水年來水沒有豐水年豐富，但是在年內生態流量過程仍處于一個較高等級，這是因為考慮了河流豐枯特性及不同時期生態流量重要性不同，該等級下河流能保持生態系統的健康穩定發展；枯水年也處于“好”的等級，該等級下河流流量處于30%～60%多年平均流量范圍，該范圍下河流已經能夠維持河流系統不發生退化，并能保證一定的水深、流量等水力參數。最優調度方案里，豐平枯年生態流量過程等級值分別為5.492、5.443 和5.464，均處于“很好”等級，在該等級下河道濕潤底質增加，河寬、水深和流速等水力參數也能較好滿足水生生物生長繁育的需要，有利于讓河流恢復至能夠自我修復的狀態。根據以上的結果可知生態流量過程等級能符合天然河道的一般特征，以此用于生態調度目標是合理的。

表7 典型年建庫前后生態流量過程等級Tab.7 Ecological flow process level before and after the construction of the database in the typical year

根據最優調度方案繪制的筷子簍水庫水位及生態流量過程見圖2、3 和圖4，由于筷子簍電站未考慮生態流量泄放措施，壩址下游減脫水段多年缺乏必要的生態流量，造成生態退化等問題，若僅僅滿足基礎的河道生態流量需求，河流生態系統就不能恢復至健康狀態。豐平枯年調度方案下年平均生態流量分別為1.51、1.49和1.48 m3∕s，均處于相對較高的流量，由圖2、3可知豐水年和平水年在調度期大多數時間內可以保持高水位運行，有利于保證發電效益。由圖4 可知枯水年枯水期在較低水位運行，是因為枯水期天然來水量較少，筷子簍電站生態用水是引至電站尾水，為了保持生態泄流量仍保持高流量下泄，導致的低水位運行，雖然發電效益有所損耗，但是從長期來看，能夠保證河流生態系統恢復至健康狀態的高層次用水需求，有利于河流的生態修復。

圖2 豐水年調度方案Fig.2 Wet year scheduling scheme

圖3 平水年調度方案Fig.3 Normal year scheduling scheme

圖4 枯水年調度方案Fig.4 Dry year scheduling scheme

表8 是筷子簍-水口梯級電站典型年運行現狀和最優調度方案的對比，豐水年和平水年經生態調度后發電效益分別增加了601和830 萬kWh，說明實際調度尚有優化的空間，還能兼顧生態效益，雖然枯水年最優調度方案發電效益與運行現狀相比減少了379 萬kWh，但是鑒于筷子簍-水口電站在此之前沒有生態流量泄放的保護措施，并且減脫水河段生態已經初顯退化，所以犧牲部分發電效益保證生態優先是很有必要和可行的。

表8 典型年運行現狀與最優調度方案對比 萬kWhTab.8 Comparison of operating status and optimal scheduling plan in the typical year

4 結 論

（1）本文定義了生態流量過程等級，對生態流量過程確立了明確的評判標準，根據評價等級及對應的綜合關聯度值來確定生態流量過程等級，生態流量過程等級可以直觀地體現生態流量過程在調度期內的優劣情況。

（2）本文構建的基于ME-Tennant 模型的生態調度模型，在對調度結果進行評價分析時，可以直觀地體現發電效益大小及生態流量過程在調度期內的優劣性，在進行方案的優選的時候采取了熵權法與灰色關聯度結合的綜合評價方法，有利于保證調度方案的客觀性和合理性。 □