皂市水库生态友好型优化调度

张 寒，陈启慧，陈 敏，王银丽

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210098;2.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

大坝工程建设在防洪、发电、灌溉、供水、航运等方面起着重要作用，推动着人类社会进步，然而同时也可对河流生态系统健康造成不利影响[1]。水库生态调度作为一种对筑坝河流的生态补偿方式，已经成为当前国际上恢复河流生态系统健康的重要举措之一[2-4]。笔者通过建立水库生态调度模型，并利用该模型采用动态规划法对皂市水库进行生态调度计算，成果可为综合协调皂市水库的社会效益、经济效益与生态效益，加强皂市水库的科学调度提供依据。

1 工程概况及对下游河道水生生物的影响

皂市水利枢纽位于湖南省石门县皂市镇上游约2 km的渫水上，下游距石门县城19 km，控制流域面积3000 km2，占渫水流域面积的93.7%。工程开发的主要任务是防洪，同时兼顾发电、灌溉、航运等其他综合利用要求。皂市水库总库容14.39亿m3，防洪库容7.83亿m3，正常蓄水位140 m，相应库容12亿m3，死水位112 m，死库容2.71亿 m3，有效库容11.68亿m3，库容系数0.3，为年调节水库。

根据相关调查结果，水库对下游河道水生生物的影响主要表现在:建库后，由于下游河道流速、水位改变较频繁，对浮游生物生长繁殖不利，坝下江段浮游生物主要依靠库区补给;在电站发电期间，水位的快速变化形成不稳定环境，还导致坝下附近江段内一些底栖生物搁浅或突然遭受急流冲击，影响底栖动物的丰度和组成，并导致生物量减少;对鱼类资源的影响主要表现为由于皂市水库水温呈稳定分层结构，春夏期间下泄水温比天然河道水温低，升温期下泄水温降低对坝下游鱼类产卵的影响较为显著。

2 皂市水库生态调度目标

2.1 生态调度目标的确定

目前国内外水利管理部门及研究人员愈来愈重视关于水库生态调度的实践及研究工作[5]，随着相关工作的深入开展，水库生态调度目标也呈多元化趋势，包括满足水库中下游综合性生态流量需求、指示性水生生物保护需求、库区水环境保护需求等[6]。由于目前研究收集的生物资料有限，皂市水库的生态调度设定为以维持水库下游河道生态径流过程为目标。生态径流过程的计算采用夏自强等[7]提出的逐月频率计算法，该方法属于水文学方法范畴，以恢复河流天然径流过程特征为目标，具有综合考虑包括河流两岸在内的整个河流生态系统的特点，可以避免运用水文-生物分析法、生境模拟法等其他河流生态流量计算方法时需要定量化生物资料，且仅将其重点放在一二种河流生物物种的保护上等的缺点[8]。

2.2 渫水生态流量过程

采用夏自强等[7]提出的逐月频率计算法对最小生态流量和适宜生态流量进行计算，并采用Tennant法[9]对计算结果进行评价。

利用皂市水库建库前皂市站1964—2003年(缺1977年)的日平均流量资料，采用逐月频率法计算皂市水库下游河道内生态径流过程。笔者取逐月频率P=90%为推荐最小生态流量;P=75%～25%为推荐适宜生态流量，计算结果见表1。对最小生态流量和适宜生态流量用Tennant方法评价得到结论:适宜生态流量的下限最为理想，因此选择适宜生态流量下限作为水库调度下泄流量的生态约束条件。

表1 皂市站河道内生态流量计算结果 m3/s

3 生态优化调度模型

以皂市水电站年发电量最大为优化目标，以满足水库下游生态流量为约束，构建皂市水库生态友好型优化调度模型。

3.1 目标函数

选择水库在整个调度期内总发电量最大作为目标函数，其表达式如下:

式中:f为整个调度期内的总发电量;T为总调度期时长，取T=12;K为皂市电站发电综合系数，取K=8.75;Qt为t时段皂市电站发电流量;Ht为t时段皂市电站发电净水头;Δt为计算时间长度，以月为计算时段。

3.2 约束条件

a.皂市水库水量平衡方程:

式中:Vt+1、Vt分别为皂市水库t时段末和时段始的库容;It为t时段皂市水库平均天然入库流量;St为t时段皂市水库弃水流量。

b.皂市水库蓄水位约束:

式中:Zt为皂市水库t时段的水位;Zmin和Zmax分别为皂市水库t时段的允许最低水位和最高水位，其中汛期(4—7月)允许最高水位为防洪限制水位125 m，非汛期(8月至翌年3月)允许最高水位为正常蓄水位140 m，最低水位为死水位112 m。

c.皂市水库下泄流量约束:

式中:qt为皂市水库t时段的下泄流量;qmin和qmax分别为皂市水库t时段的最小下泄流量和最大下泄流量，分别为30 m3/s和12526 m3/s。

d.皂市发电流量限制:

式中，Qmax为皂市水库两台机组的t时段的最大引用流量，为 273.6 m3/s。

e.皂市电站出力限制:

式中:Nt为皂市电站t时段的发电出力;Nmin和Nmax分别为皂市电站t时段的最小发电出力和最大发电出力，也即保证出力18.3 MW和装机容量120 MW。

f.生态约束。要求水库下泄流量满足下游河道适宜生态流量下限的要求。

3.3 模型求解方法

皂市水库优化调度模型采用动态规划法逐段递推求解。对水库蓄水量进行离散作为状态变量，把放水量作为决策变量，把水库水量平衡方程作为模型的状态转移方程。每一时段的放水量使整个周期内的目标函数值达到最大为最优调度方案。

4 皂市水库生态优化调度结果分析

考虑3种水库调度运行方式:①按水库调度图进行的常规调度;②不考虑生态流量的优化调度;③考虑适宜生态流量约束的生态优化调度。由于皂市水库运行年限较短，入库径流资料长度不足，选择皂市水库蓄水前皂市站流量资料作为皂市水库入库流量进行分析。对1964—2003年(缺1977年数据)皂市站年平均流量进行频率计算，选择丰、平、枯典型年进行分析，其中丰水年选取1980年(P=5%)、平水年选取1988年(P=50%)，枯水年选取1978年(P=95%)。对选取的丰、平、枯3个典型年按上述方案进行调度，常规调度与生态优化调度的下泄流量结果如图1所示，不同调度方式对水库发电量影响的统计结果如表2所示。

图1 不同调度方式典型代表年水库下泄流量逐月变化

表2 典型代表年不同调度方式的年发电量影响

在优先考虑防洪任务，满足防洪限制水位并保证出力的条件下，生态优化调度的结果表明典型丰水年(1980年)、平水年(1988年)、枯水年(1978年)均能满足适宜生态流量下限的要求，比常规调度有很大的改善。但是为满足生态流量的要求，在平水年生态优化调度的年末水位比常规调度降低0.02 m，枯水年降低了0.63 m。

鉴于在平水年与枯水年生态优化调度与常规调度年末消落水位不同，在比较不同调度方式对发电效益的影响时，常规调度与生态优化调度分别和与之降至相同水位的优化调度相比较。通过比较常规调度和与之降至相同水位的优化调度(优化1)发现在丰水年由于弃水的存在，优化调度提高的发电效益较大;而在平水年与枯水年较小。通过比较生态优化调度和与之降至相同水位的优化调度(优化2)的发电效益可知，生态约束会对水库的发电效益产生影响。在丰水年1980年，由于来水充足，缓解了生态约束与发电的冲突，考虑下游生态流量的生态优化调度对发电的影响非常小;平水年(1988年)和枯水年(1978年)，由于来水较少，生态需水与发电效益的矛盾会凸显，考虑下游生态流量的生态优化调度对发电的影响较大。总体平均而言，皂市水库优化调度比常规调度年发电量可增加1.8%，基于保障下游河段生态径流过程的皂市水库生态优化调度比优化调度年发电量减少0.95%。

5 结语

通过构建皂市水库生态友好型优化调度模型，选取丰、平、枯3个典型水平年，并采用动态规划法对皂市水库进行常规调度与优化调度的发电效益对比以及优化调度与生态优化调度的发电效益对比研究。总体平均而言，皂市水库优化调度比常规调度年发电量可增加1.8%，基于保障下游河段生态径流过程的皂市水库生态优化调度比优化调度年发电量减少0.95%。成果可为综合协调皂市水库的社会效益、经济效益与生态效益，加强皂市水库的科学调度提供依据。

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