基于開源和節流的烏倫古河流域水庫群生態調度

白 濤，洪良鵬，喻 佳，黎光和，李永兵，趙 星，王成良

(1.西安理工大學西北旱區生態水利工程國家重點實驗室，陜西 西安 710048; 2.新疆阿勒泰地區水利水電勘測設計院，新疆 阿勒泰 836500)

修建水庫、蓄水興利一直是人類開發河流水資源的主要手段。水庫的修建運用雖然在很大程度上實現了防洪興利的目的，但同時也改變了庫區及下游河道的水文情勢，造成局地生態環境惡化，危及河流健康。我國現行的水庫調度方式普遍是依據水庫承擔的防洪及興利任務來制定調度規則，對生態要求考慮較少，對庫區及下游生態系統造成諸多不利影響[1-2]。因此，在水庫調度中，亟須開展以恢復流域生態、維持水資源持續發展為目標的生態調度。

自20世紀70年代起，國內外就開始進行面向生態的水庫調度研究。Petts等[3]系統地分析了水庫對河流生態的影響。Hughes等[4]在水庫模擬模型中加入運行規則確定了河流維護的生態儲量，建立了解決人類與環境需水的水庫調度模型。Shiau等[5-6]以變化范圍(range of variability approach，RVA)整體改變度為生態目標，針對臺灣地區的水庫開展了生態調度的研究。Castelletti等[7]考慮經濟、社會與環境限制的影響，提出了計算河流最小生態流量的公式，并作為約束條件應用于水庫優化調度研究。Tsai等[8]利用人工智能技術量化了河流生態系統需求，制定了適當的流量控制制度，通過優化水庫的調度過程達到保護生態的目的。Dai等[9]以洞庭湖生態水頭為目標研究了三峽水庫的優化調度。傅春等[10]將生態水利的概念引入到水資源可持續開發利用中，建立了相應的數學模型。董哲仁等[1]研究了水庫生態調度理論及方法。胡和平等[11]提出了基于生態流量過程線的水庫生態調度研究方法。劉燁等[12]提出了基于多重迭代實現高維模型降維的求解算法。徐淑琴等[13]考慮水文變異對徑流過程的影響，推求了3種徑流狀態下的生態流量，并以此作為下泄流量的約束條件建立了水文變異條件下的水庫生態調度模型。王立明等[14]根據干旱風沙河道生態修復目標，結合水庫的防洪、興利、生態調度，建立了多目標水庫生態調度模型，研究了漳河岳城水庫的生態調度。黃強等[15]綜述了水庫生態調度新進展。孔波等[16]以引漢濟渭大型復雜跨流域調水工程為實例，考慮調水量、發電量最大和耗能最小3個目標，建立了電站-水庫-泵站群多目標優化調度模型，研究了跨流域調水過程中多水源、多用戶的配置問題。黃志鴻等[17]基于大系統分解協調技術和動態規劃求解了以生態溢缺水率和綜合缺水率為目標的濁漳河流域水庫群生態調度模型。高玉琴等[18]基于NSGA-Ⅱ優化算法求解了以河流整體水文改變度最小、廣義缺水指數最小為目標的水庫調度規則優化模型。董增川等[19]針對多目標決策中存在的不確定性問題，提出了考慮主客觀因素模糊區間的綜合賦權方法。高玉琴等[20]改進了計算生態基流的逐月保證率設定法以適用于南方季節性缺水河流。黃顯峰等[21]針對水庫調度圖尋優過程中的調度線形態畸變的問題，提出了改進廊道約束和改進粒子群-逐次逼近法。鄧銘江等[22]闡述了廣義生態水利的內涵、定義和發展模式及其過程和維度。

本文針對烏倫古河流域存在的水資源短缺、農業灌溉擠占生態用水、河道斷流頻發、入湖水量減少等實際問題[23-25]，基于水資源綜合利用的原則，以河道生態基流、河谷林草生態用水及補湖用水為調度目標，兼顧生活、工業、農業、生態、補湖等供水目標，設置多種開源、節流調度方案，開展烏倫古河流域水庫群生態調度研究，以期為解決烏倫古河流域內水資源短缺及分配不合理等問題提供參考。

1 流域概況及研究數據

1.1 流域概況

烏倫古河位于新疆阿勒泰地區附近，主要由大青河、小青河、查干河、布爾根河、強罕河等5大支流匯流而成，流經青河、富蘊、福海等地，最終匯入烏倫古湖[25]。烏倫古河是阿勒泰地區的第二大河流，全長821 km，流域面積3.79萬km2，多年平均地表徑流量11.02億m3。該河徑流補給的季節性很強，徑流補給量以降水及季節性積雪融水為主，5—7月最為集中，占全年徑流總量的65%；徑流年際、年內變化較大，豐水年和枯水年水量相差較大，且常出現連續豐水年和連續枯水年的現象。流域內水庫分布見圖1。

圖1 烏倫古河流域水庫分布

1.2 研究數據

烏倫古河流域水庫群多目標調度所需的基本資料有工程資料、徑流資料和需水資料。工程資料包括水庫特征參數資料，主要是KYDBLK、AHTS、DF、KZS、SETH等5座水庫的水庫特征參數(表1)。

表1 水庫群的特征參數

徑流資料主要是KYDBLK、AHTS、DF、KZS、SETH等5座水庫從1960年4月至2011年3月的逐月入庫徑流資料。

需水資料包括2017現狀水平年、2025近景水平年、2035遠景水平年烏倫古河流域上中下游流域生態、城鎮居民供水、工業、農業、河谷林草各類需水資料。

按照流域規劃，各用戶的供水保證率為：生態基流保證率100%、生活供水保證率95%、工業供水保證率95%、農業灌溉保證率75%、河谷林草生態供水保證率50%、補湖供水保證率50%。

灌區的灌溉回水率為灌溉水量的18%；水庫損失水量為水庫來水量的10%；河道損失水量為河道來水量的1%；ET水文站斷面生態基流4—9月為9.99 m3/s、10—3月為3.33 m3/s；出口斷面生態基流為3.33 m3/s。

2 水庫群生態調度模型的建立與求解

2.1 模型的建立

在滿足烏倫古河流域生活供水、工業供水、農業灌溉、河谷林草生態供水及補湖供水等綜合用水的前提下，以保障河流健康、河谷生態系統安全為目標，建立面向生態保護的水庫群多目標調度模型。由于水庫群多目標調度是一個高維、復雜問題，在處理這類問題時，一般將其簡化為單目標問題。在本文中將生活供水、工業供水、農業灌溉、河谷林草生態供水及補湖供水簡化為供水保證率約束，然后以缺水量最小作為目標函數。

2.1.1目標函數

以生態缺水量和社會經濟缺水量最小作為目標函數，建立烏倫古河流域梯級水庫群生態調度模型。

minF(ΔW1,ΔW2)=ΔW1+ΔW2=

(1)

式中：ΔW1、ΔW2分別為生態缺水量和社會經濟缺水量，億m3；QXSit、QXZit分別為生態需水量和各用水部門需水量，億m3；QGSit、QGZit分別為生態供水量和各用水部門供水量，億m3；i為需水部門編號；I1、I2分別為生態需水部門總數和水資源綜合利用需水部門總數；T、t分別為調度時期內的總時段數及時段編號。

2.1.2約束條件

約束條件包括全局約束和局部約束，全局約束包括供水保證率約束和水量平衡方程約束，局部約束包括庫容約束、下泄流量約束和供水約束。

a.供水保證率約束：

Pi≥PSi

(2)

式中Pi、PSi分別為計算和設計供水保證率。

b.水量平衡方程約束：

(3)

式中：WCnt、WZjt、WGit、WJt、ΔWmt分別為水庫出庫水量、支流來水量、各部門的供水量、出區水量和河段損失水量，萬m3；n為水庫編號；j為支流編號；m為河段編號;N、J、I、M分別為水庫、支流、需水部門和河段總數。

c.庫容約束：

Vminn≤Vnt≤Vmaxn

(4)

式中Vminn、Vmaxn分別為水庫n的最小和最大庫容，萬m3。

d.下泄流量約束：

qminn≤qnt≤qmaxn

(5)

式中qminn、qmaxn分別為最小下泄流量和最大下泄流量，m3/s。qminn由生態要求等確定，qmaxn由下游防洪等要求確定。

e.供水約束，包括生態供水約束和各用水部門供水約束：

QGSit≤QXSit(i=1,2,…,I1)

(6)

QGZit≤QXZit(i=1,2,…,I2)

(7)

2.2 模型求解

按照水資源綜合利用原則和供水優先順序，采取人機對話模擬優化算法[26]求解模型。模型求解思路如下：①輸入基本資料，包括徑流系列，各水庫特征參數資料，水資源綜合利用資料等；②若來水量滿足區間工業、生活和灌溉用水要求，多余水先用于KYDBLK、AHTS、DF、KZS水庫蓄水，再用于SETH水庫蓄水，若水庫都蓄滿，則多余水量用以補湖；③若來水量不能滿足區間灌溉用水，則按照水庫運行規則有序進行蓄泄；④若當水庫下泄水量仍不能滿足灌溉需水，則該時段農業灌溉用水發生破壞，根據缺水原則假定農業灌溉供水量；⑤輸出長系列統計指標，若農業保證率沒有達到要求，則適當改變灌溉供水量，使生態供水和灌溉供水合理分配；⑥輸出最終統計值，計算結束。

2.3 邊界條件

2.3.1水庫調度水位選取

參與調度的有SETH、KYDBLK、AHTS、DF、KZS等5座水庫，各水庫起始水位均為死水位。各水庫的起始水位及庫容見表1。

2.3.2約束條件值確定

a.保證率約束。生態基流、生活供水、工業供水、農業灌溉、河谷林草及補湖供水的保證率分別為100%、95%、95%、75%、50%和50%。

b.庫容約束。SETH、KYDBLK、AHTS、DF、KZS等5座水庫最小庫容分別為800萬m3、150萬m3、200萬m3、126萬m3和100.6萬m3；最大庫容分別為24 100萬m3、4 872萬m3、532萬m3、686萬m3和971.5萬m3。

c.水位約束。SETH、KYDBLK、AHTS、DF等4座水庫最低水位分別為986 m、1 464.5 m、1 417.5 m和1 214.5 m；最高水位分別為1 027 m、1 493 m、1 421 m和1 220.7 m。

d.下泄流量約束。ET水文站斷面最小下泄流量4—9月為9.99 m3/s、10—3月為3.33m3/s；出口斷面最小下泄流量為3.33m3/s。

e.供水約束。2017現狀水平年生活、工業、灌溉、河谷林草生態需水量分別為0.15億m3、0.09億m3、7.40億m3和1.63億m3；2025近景水平年生活、工業、灌溉、河谷林草生態需水量分別為0.18億m3、0.24億m3、6.17億m3和1.63億m3；2035遠景水平年生活、工業、灌溉、河谷林草生態需水量分別為0.19億m3、0.33億m3、5.65億m3和1.63億m3。

3 水庫群生態調度模型應用與分析

3.1 水庫生態調度的依據

烏倫古河流域水庫群的生態調度的主要依據包括：①滿足水資源綜合利用的原則；②KYDBLK、AHTS、DF、KZS等4座年調節水庫采取“春蓄夏灌”的運行方式，SETH水庫采取“多蓄少放”的運行方式；③按照流域設計要求的供水優先次序供水，即按照生態基流、生活、工業、灌溉、河谷林草、補湖等優先次序供水，且要保證以上各供水部門的保證率為100%、95%、95%、75%、50%和50%。本次生態調度的調度期是1960—2011年，其中4—9月為汛期，10—3月為非汛期，以月為計算時段。

3.2 方案集設置

近幾十年來，烏倫古河流域多年平均來水量為11.02億m3，且年內汛期來水量過多，非汛期水量不足。在現狀水平年，流域內有22個灌區，灌溉面積9.36萬hm2，灌溉需水7.40億m3，生活工業需水0.24億m3，河谷林草生態需水1.63億m3，補湖水量1.5億m3，流域多年平均損失水量1.45億m3，總需水量12.22億m3。

由來水、需水對比分析可知，烏倫古河流域水資源短缺，灌溉用水過多擠占生態用水。因此，本文從開源、節流兩方面設置方案集。節流是指通過退耕減少灌溉用水。開源是指從額爾齊斯河干流調水(以下簡稱“引額調水”)補給烏倫古湖的生態水量。具體方案見表2。其中，方案1～3分別是在2017現狀水平年、2025遠景水平年和2035遠景水平年需水情景下的調度方案。方案4～7是在2025遠景水平年情景下改變引額調水量設置的調度方案。

表2 烏倫古河流域開源、節流調度方案

3.3 合理性驗證

本文在長系列計算結果中選取SETH水庫現狀水平年下豐、平、枯典型年(從當年4月到次年3月)的調度過程，以驗證模型及其算法的合理性。由SETH水庫調度過程(圖2)可知：豐水年水庫水位從死水位附近起調至水庫接近蓄滿；平水年水庫水位基本保持不變；枯水年水庫水位持續下降至接近死水位，體現了多年調節水庫SETH“蓄豐補枯”的作用；豐、平、枯典型年的入庫與出庫水量的差額等于SETH水庫庫容的變化量，說明水庫蓄放水過程滿足水量平衡，驗證了模型及其算法的可靠性和準確性。

(a)豐水年

3.4 生態調度長系列結果與分析

3.4.1節流方案

通過對1960—2011年長系列徑流資料進行計算，得到各種節流調度方案(方案1～3)下SETH水庫出入庫水量及庫容變化過程(圖3)及灌溉、河谷林草和補湖水量過程(圖4)。各用水部門需水量、供水保證率、缺水量、破壞深度等特征值見表3。

表3 不同節流調度方案下各用水部門調度結果

(a)農業灌溉

由圖3可知，各方案長系列出入庫水量變化過程基本相同，入庫水量存在年內、年際分布極不均勻的特點，入庫水量大于2.33億m3的次數分別為50次、54次和54次；出庫水量主要集中在4—9月，且遠大于其所需水量；從各方案的庫容變化過程來看，SETH水庫在豐水年蓄水、水位上升，在枯水年泄水、水位下降，滿足多年調節水庫的“蓄豐補枯”作用；在節流調度方案中，SETH水庫在調度期內庫空率分別為44%、17%和21%，庫滿率分別為63%、67%和73%，即隨著灌溉水量的減少，SETH水庫庫滿率逐漸提高，庫空率總體下降。

(a)方案1

由圖4可知，各節流方案農業灌溉多年平均缺水量分別為0.75億m3、0.50億m3和0.35億m3，多年平均破壞深度分別為10%、8%和6%。可見，隨著農業灌溉需水量的減少，農業灌溉供水的最大破壞深度和多年平均破壞深度均顯著降低；各節流方案河谷林草供水的多年平均缺水量分別為0.35億m3、0.24億m3和0.19億m3，破壞時間分別為24 a、18 a和15 a，即農業灌溉水量的減少可顯著降低河谷林草缺水量和破壞時間，提高河谷林草供水保證率；各節流方案補湖供水的破壞時間分別為22 a、16 a和13 a，多年補湖總量分別為128.15億m3、170.56億m3和174.93億m3，即農業灌溉水量的減少可顯著降低補湖供水的破壞時間，提高補湖供水保證率，反映出灌溉用水擠占生態用水的問題較為嚴重。

由表3可知，在生態基流、生活供水、工業供水均滿足設計保證率的前提下，對比各方案發現，隨著灌溉需水量的減少，可有效提高河谷林草、補湖的供水保證率；與方案1相比，方案2和方案3的河谷林草和補湖的供水保證率分別提高了11%和17%，且均滿足設計保證率要求，驗證了節流方案的有效性；灌溉需水量減少后，方案3的灌溉保證率可達到設計保證率，但方案2的灌溉保證率仍達不到75%的設計要求，說明節流方案具有一定的局限性，證明了進行開源方案的必要性。

3.4.2開源+節流方案

由上文可知，在規劃遠景水平年僅節流方案2的灌溉保證率未能滿足設計保證率。因此，本節在方案2的基礎上兼顧開源策略，對開源+節流方案進行長系列計算，得到各用水部門需水、供水保證率、缺水、破壞深度等特征值見表4，各開源調度方案的SETH水庫調度過程如圖5所示，灌溉、河谷林草和補湖水量過程見圖6。

由圖5可知，與節流方案相比，開源方案中SETH水庫的庫空率降低、庫滿率上升，即隨著調水量的增加，SETH水庫維持較高水位運行；通過調水補給的開源策略，SETH水庫在連續枯水年能夠維持較大庫容運行，增加了供水保證率。

(a)方案4

由圖6和表4可知，方案5、方案6、方案7的開源+節流方案農業灌溉保證率分別為75%、81%和85%，即當開源方案的調水量超過1.0億m3時，即可滿足烏倫古河流域的灌溉設計保證率，驗證了開源+節流方案的有效性；與節流方案2的結果相比，隨著調水量增加到1.5億m3，方案7的農業灌溉、河谷林草及補湖的保證率分別提高了14%、10%和10%，且農業灌溉、補湖與河谷林草的供水保證率均滿足設計保證率；與方案2相比，各開源+節流方案農業灌溉的破壞深度分別減少了1.87%、2.53%、3.93%和5.97%，破壞時間分別減少了1 a、2 a、5 a和7 a，連續破壞時間不變，說明開源+節流方案能夠有效減少農業灌溉的破壞深度和年份；隨著調水量的增加，可以有效消除農業灌溉用水與生態用水之間的矛盾，提高各用水部門的供水保證率；當外調水量為1.0億m3時，各部門用水保證率均符合設計要求；但隨著調水量的持續增加，對于河谷林草和補湖影響不大。因此，本文推薦1.0億m3為最佳引額調水量。

表4 不同開源+節流調度方案下各用水部門調度結果

(a)農業灌溉

綜上所述，通過減少灌溉面積的節流方案，可有效緩解農業灌溉用水與生態用水之間的矛盾，對于提高生態保證率更為有效，但大部分方案農業灌溉保證率不能滿足設計要求；通過增加調水量和減少灌溉面積的開源+節流方案，完全能夠滿足農業灌溉、河谷林草和補湖的供水保證率需求，消除了農業灌溉用水與生態用水之間的矛盾。開源+節流方案先節水、后開源，體現了烏倫古河流域“節水優先”的治水方針，有效解決了烏倫古河流域的水資源短缺問題。

4 結 論

a.以生態缺水量和社會經濟缺水量最小為目標函數，建立了烏倫古河流域生態調度模型，設置多種開源+節流調度方案，采用人機對話模擬優化算法求解模型，獲得了SETH水庫現狀(2017)和近遠景水平年(2025年和2035年)的長系列計算結果，選取現狀水平年豐、平、枯典型年計算結果，驗證了模型及其算法的合理性、可靠性。

b.各節流方案的補湖和河谷林草供水保證率能夠滿足設計要求，在一定程度上能夠緩解農業灌溉用水與生態用水之間的矛盾，但方案1、方案2的農業灌溉保證率未能滿足75%的設計要求，體現了節流方案的局限性。

c.開源+節流方案先節水、后開源，當調水量超過1.0億m3時，開源+節流方案完全能夠滿足農業灌溉、河谷林草和補湖的供水保證率需求，消除了農業灌溉用水與生態用水之間的矛盾，體現了烏倫古河流域“節水優先”的治水方針。

d.隨著調水量超過1.0億m3并持續增加，各開源+節流調度方案對于減少河谷林草和補湖缺水量、破壞深度、破壞時間、連續破壞時間等影響不大。因此，本文推薦1.0億m3為最佳引額調水量。