梯级水库多目标生态优化调度研究

官云飞，郑芙蓉

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

经济社会发展伴随着能源需求膨胀，导致常规化石能源储量日渐枯竭，生态环境问题愈发严重，开辟清洁可再生新能源已成为社会各界共识。水电是一种清洁可再生能源，进入21世纪后，我国水电总装机容量日增猛进[1]。目前我国水电装机容量已具较大规模，水电站水库调度作用也日益突出。但是我国现行水库调度方式侧重于发挥水库社会经济功能，对水库下游河流生态环境功能发挥没有提到应有的高度，导致水生态环境问题逐渐突出[2]。综上所述，构建考虑生态目标的调度模型以及开展梯级水库多目标优化调度具有现实的意义。

1 多目标生态优化调度模型

1.1 建模思路

将河流生态需水要求纳入水库调度的重要目标中，根据河流两岸生态系统特征分析下游河道对下泄流量及过程的需求，明确影响河流生态系统健康稳定的生态因子，界定上游水库生态调度的内涵、准则、调度因子等，明确水库生态调度表征形式为下泄流量及流量过程，并以适宜生态流量作为非约束性目标，将最小生态流量作为约束性目标，从而构建考虑河流生态需水目标的梯级水库多目标优化调度模型[3]。

1.2 河流生态需水估算

估算河道最小生态流量的方法很多，其中水文学法以历史水文资料为基础，认为历史流量资料是生物生存繁衍过程中原有存在的栖息条件，能够满足河流生态系统生态需水要求，方法简单直接，普适性强。最小连续30d平均流量法[4]根据不同时期上游水库调节、来水条件、时段等，将河道内一定保证率条件下最小连续30d的平均流量当成最小生态径流。7Q10法[5]以控制污染源排放为目的，将河道内具有90%保证率条件下的最枯连续7d平均流量当成最小生态径流。7Q10法的要求一般较高，但是我国各地区水资源情况及社会经济发展水平差异较大，因此对于一般河流最小生态流量可以采用近10年来的最枯月平均流量或90%保证率条件下的最枯月平均流量[6]。逐月最小生态径流量法[7]认为在天然情况下，如果历史上该月实际发生最小月平均径流没有使生态系统遭到严重不可逆破坏，可以该流量作为最小生态径流，同时在该流量下水生生物能够适应并且安全度过。

一般认为最小生态流量能够基本维持河流生态系统内物种最低生存条件，如果长期处于此种极限环境，势必影响河流生态系统稳定健康发展。因此在水量允许前提下，应适当提高河流流量，营造近自然水流情势[8]，以创造更加适宜的栖息地环境。本文采用逐月频率计算法[9]估算河道适宜生态流量。逐月频率计算法的基本思路是响应不同时期生态系统互有差异的生态需水要求，将生态径流当成是一个年内有丰枯变化的径流过程。具体可按下述过程进行计算：首先以汛期对应频率≥75%、非汛期对应频率≤25%的流量作为划分丰水期、平水期、枯水期的临界流量；然后收集尽可能长的天然月(或日)径流系列并进行频率分析，枯水期、平水期、丰水期可分别采用90%、70%、50%保证率下的月平均径流过程当做适宜生态径流过程。各水期保证率的大小还可根据河流形态、区域气候、生物物种等不同对象需求适当进行修改加以确定。

1.3 模型构建

水库调度以调度期内产生的社会、经济、生态环境综合效益最大为目标。社会效益是指水库在调度期内保证防洪安全、保障供水水量等为社会所作的贡献；经济效益是指水库在调度期内产生的包括防洪、发电、供水、航运、灌溉、旅游等效益；生态环境效益是指水库在调度期内对维护河流水文情势、改善水体水质、提供生态需水保障等方面作出的贡献。

为更好地保障河流生态目标实现，将适宜生态流量与其他目标一样当做非约束性目标，而将最小生态流量作为约束性目标满足河流生态基本保障，从而梯级水库优化调度模型就具有多个非约束性目标。在构建模型时重点考虑梯级水库社会经济效益和生态环境效益的综合最大化，以调度期内梯级水库社会经济效益最大和最接近适宜生态流量作为非约束性目标，而将其他目标转化为约束条件构建模型。

1.3.1目标函数

以调度期内产生的社会经济和生态环境总体效益最大作为模型目标，其目标函数为：

maxE(x)=[E1(x)，E2(x)]

(1)

式中，E1—社会经济效益，对于以发电为主的水电站水库，以调度期内梯级水库总发电量最大作为目标函数：

(2)

式中，A—电站出力系数；Qi，t—第i个水库第t时段内的发电引用流量，m3/s；Hi，t—第i个水库第t时段内的平均水位，m；ΔTt—t时段长度。

E2为生态环境效益。河流生态需水不仅意味着水量，还包括一定的水量过程[10]，即在满足下游河道生活、生产、最小生态流量的基础上，尽可能贴近适宜生态流量变化过程，以避免河道下泄流量出现均一化趋势，因此以最接近适宜生态流量作为目标函数，以欧几里得范数作为距离测度。

(3)

式中，qi，t—第i个水库t时段内的下泄流量，包括发电流量，m3/s；qi，t，epro—第i个水库t时段内的适宜生态流量，m3/s。

1.3.2约束条件

梯级水库多目标生态优化调度模型约束条件包括水库水量平衡约束、水库水位或库容约束、水库出力约束、下泄流量约束(取水轮机允许过水流量、下游河道最小生态流量、保证航运最小流量、下游河道防洪安全流量等的交集部分)、水库供水流量约束、变量非负约束等。

1.4 模型求解

流域开发功能综合化使得梯级水库调度决策必须全面考虑多个目标，且目标之间存在不可公度性的同时，往往也伴随着矛盾性，因此采用多目标优化具有必要性和优越性[11]。多目标优化算法通过非支配解排序思想，能够获得多目标优化问题的非劣解集，并通过一定条件决策得到多目标优化问题最佳均衡解，实现综合效益最大化。研究表明，基于矢量距浓度的多目标免疫遗传算法(MOVIGA)[12- 13]和基于精英保留策略的快速非支配排序方法(NSGA- 2)[14]均能较快地收敛到全局Pareto最优解，同时还能保持解的良好分布度，具备求解梯级水库多目标优化调度的合理性和可行性。

2 实例研究

2.1 概况

汀江位于福建省西南部，广东省东部。棉花滩水库为汀江干流梯级第一级，位于福建省永定县境内，是一座以发电为主，兼顾防洪、航运等综合效益的大(1)型不完全年调节水库，下游距青溪水库13km，于2001年底完工。永定河属汀江支流，于棉花滩水库坝址下游700m、青溪水库上游的仙师乡芦下坝汇入汀江干流。青溪水电站位于广东省大埔县青溪镇境内，1994年5月4台机组全部投产，是一座以发电为主，不承担下游防洪任务的河床径流式电站，其水库来水量受棉花滩水库下泄水量及永定河来水量的影响。棉花滩、青溪水库主要特征参数见表1。

2.2 棉花滩-青溪梯级水库多目标生态优化调度模型构建

2.2.1河流生态需水估算

(1)最小生态流量

青溪水库有1951—2018年的长系列入库流量资料，棉花滩水库2002年投入运行在一定程度上影响了青溪水库入库流量资料的一致性，因此本次分析采用1951—2001年青溪水库入库流量资料。通过逐月最小流量法、最小连续30d平均流量法、7Q10法及近10a最枯月平均流量计算，取上述计算最大值作为河道最小生态需水流量，具体见表2，从而确定河道年最小生态需水量为23.29亿m3。

表1 棉花滩、青溪水库主要特征参数表

表2 青溪水库下游逐月最小生态需水流量 单位：m3/s

表3 青溪水库下游逐月适宜生态需水流量 单位：m3/s

(2)适宜生态流量

适宜生态流量计算需要划分汛期与非汛期。棉花滩和青溪汛期为5～8月，非汛期为9月—次年4月。以汛期、非汛期对应频率为≥75%、≤25%的流量作为划分丰水期、平水期、枯水期的临界流量。枯水期、平水期、丰水期分别采用90%、70%、50%保证率下的月平均径流作为河道适宜生态需水流量，见表3，从而确定河道年适宜生态需水量为60.87亿m3。

2.2.2基础数据资料

为合理准确分析棉花滩-青溪梯级水库优化调度存在的潜力，不仅需要大量的基础数据资料，对资料的完备性以及准确性也有很高的要求。棉花滩-青溪梯级水库优化调度的基础资料包括水库水位-库容曲线、水库下游水位-下泄流量曲线、水电站水头损失曲线、每月运行水位变化范围、长系列径流过程等，在此不一一列出。

2.2.3模型构建

棉花滩水库是一座以发电为主，兼顾防洪等综合利用效益的不完全年调节水库，青溪水库是一座以发电为主的日调节水库，不承担下游防洪任务，因此在构建棉花滩-青溪梯级优化调度模型是考虑以发电为主。同时为了兼顾河流下游生态环境效益，以调度期内发电、生态环境综合效益最大作为目标，构建考虑河流下游生态需水的梯级水库多目标优化调度模型：

目标函数：

maxE(x)=[E1(x)，E2(x)]

(4)

式中，E1(x)—棉花滩-青溪梯级总发电量目标函数。

(5)

式中，8.3、8.0—棉花滩、青溪水电站出力系数；Q1，t、Q2，t—棉花滩、青溪水库第t时段内的发电流量；

表4 棉花滩-青溪梯级水库多目标优化调度方案集

棉花滩、青溪水库第t时段内库水位；

棉花滩、青溪水库第t时段内下游平均水位；0.5—水头损失；Δt为t时段长度。

E2(x)—棉花滩- 青溪生态效益目标函数：

(6)

式中，q2，t—青溪水库t时段内的下泄流量；qt，epro—青溪水库下游t时段内的适宜生态流量。

约束条件：

棉花滩-青溪梯级水库优化调度约束条件包括水库水量平衡约束、库水位约束、出力约束、下泄流量约束等，其他约束如下：

(7)

式中，N1，t—棉花滩水电站出力；N2，t—青溪水电站出力；q2，t—青溪水库t时段内的下泄流量；qt，emin—青溪水库下游t时段内的最小生态流量。

2.3 棉花滩-青溪梯级水库多目标生态优化调度模型求解

根据棉花滩-青溪梯级水库多目标优化调度模型，选取与设计代表年径流相接近的实际代表年径流，采用MOVIGA分别求解丰、平、枯水年多目标优化调度模型，并与NSGA—2对比分析，设置算法参数为：种群规模200；进化代数400；变量维数24；交叉率0.9；变异率0.1；记忆种群规模2。通过计算得到丰、平、枯水年各10组典型的多目标优化调度方案集，见表4。

从表4可以看出，梯级总发电量目标和与适宜生态流量距离目标是互相矛盾的，当梯级总发电量越大，能够充分发挥水库发电效益，但同时与适宜生态流量距离也越大，有偏离适宜生态流量过程的趋势，导致下泄流量趋于均一化，造成生物生境的改变；相反，当梯级总发电量越小，水库发电效益不能得到保障，但是径流过程更接近适宜生态流量过程，营造近自然的水文情势，改善河流生态环境。因此为了更好地兼顾发电与生态环境效益，使综合效益最大化，需要对各调度方案进行权衡得到相对最优的梯级水库调度方案。

3 结论

流域梯级水库是一个与特定自然与社会经济环境紧密结合的开放式复杂系统，具有高维、非线性、时变、不确定性、多目标等属性[15]。随着流域梯级大规模开发利用，梯级水库目标多元化，联系复杂化已成为基本特征，传统优化调度理论有所局限。本文对构建梯级水库多目标生态优化调度模型及模型求解做了初步探索，如何根据河流生态系统实际需求更加合理地确定河道最小生态流量以及适宜生态流量值得进一步研究。同时为了更好地兼顾发电与生态环境效益，使综合效益最大化，应对模型求解得到的调度方案集进行多属性决策研究，以便得到最佳均衡方案。