基于水资源配置的水库群生态调度研究

高仕春，刘宇栋，程西方，李丽华

(1.武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室，武汉 430072；2.淮河水资源保护科学研究所，安徽 蚌埠 233001)

0 引 言

中国大部分流域水利工程密集，水资源开发利用程度高。由于对水生态环境保护的认识不足，使得大部分水利工程的运行调度规程中，没有关于水环境保护的相关内容，长期运行的结果就是大部分地区天然基流缺乏，河湖水生态系统退化严重。因此改善河流水生态状况，实现流域水量合理调度，是当前流域水资源管理关注的重点。

国内外对于水资源优化配置和水库群生态调度开展了一系列研究，取得了丰富的成果。Salman等[1]以寻求农业部门的最低成本为目标，通过建立线性规划模型，分析了农业用水的季节配置对农业生产的影响。Babel等[2]综合考虑社会经济，环境和技术等各个方面，以用水部门缺水量最小和净经济效益最大化为目标，建立了线性交互式综合水量配置模型。傅春等[1]首次提出了水资源持续利用(生态水利)的原理。在水库群生态调度方面，郭文献等[4]为三峡水库引入了生态调度目标，为三峡工程后续制定合理的调度运用方案提供参考。康玲等[5]针对汉江中下游的主要生态问题，建立了丹江口水库生态调度模型。郭旭宁等[6]将模拟和优化方法结合，模拟水库调度规则，优化水库供水方式，为水库群联合调度中复杂的多目标问题提供了一种解决方案。万芳等[7]扩大了水库联合调度范围，建立了跨流域水库群供水调度规则的三层规划模型,提出调水规则、引水规则和供水规则相结合的跨流域水库群优化调度规则。在水资源优化配置方面，朱彩琳等[8]开展了面向空间均衡的水资源优化配置研究，并以盐城市沿海地区为例,构建了盐城市沿海地区面向空间均衡的水资源优化配置模型。吴云等[9]运用改进飞蛾扑火算法，以区域缺水率最小和污染物排放量最小为目标函数，以汾河下游谷地供水区为例,预测其在不同来水频率下的供需水量。对于水库群调度和水资源配置中的多目标问题也已经有了大量研究。Dai L等[10]采用混沌遗传算法，开发了一种水库优化模型，以提高洞庭湖对最低生态需水量的满足程度，同时提高三峡水库的发电量。廖四辉等[11]在淮河生态用水调度平台的搭建过程中，建立了供用水单元的拓扑关系，通过设置河道生态断面，综合考虑社会经济和生态用水，得到考虑生态用水的优化调度方案。黄草等[12]通过设置目标权重，将包含发电、河道外供水和河道内生态用水等目标的多目标非线性优化问题线性化求解。陈悦云等[14]采用多目标粒子群算法进行求解,建立面向发电、供水、生态要求的赣江流域水库群优化调度模型,得到不同来水频率下发电、供水和生态3个目标的非劣解集,并对各目标之间的竞争关系进行了剖析。黄志鸿等[15]提出一种利用分时段加权法处理水库群多目标生态调度的方法。张连鹏等[16]针对水库群中长期生态调度问题，采用自迭代和大系统协调的方法，建立了调度函数并通过合理性检验。

以上研究成果大多针对水库群调度过程中的单一对象的研究，如解决生态流量过程、改善水库群调度算法、优化水资源配置结果等。相对而言，对于生态环境要求、水资源配置、与水库群联合调度的相互影响，以及如何实现各目标之间协同优化的研究较为缺乏，弱化了各个目标之间的有机联系。同时，大多数研究只提出某种对于水库生态调度的优化方法，并未从优化结果中总结出可供实际调度参考的生态调度图。

沙颍河是淮河最大的支流，它是淮河流域历史上航运和农业灌溉的重要水源，其水资源系统网络概化如图1。该流域由干流和一条支流组成，干流上建有5座有调节能力的水库(包括白沙水库、昭平台水库、白龟山水库、孤石滩水库、燕山水库)，由于昭平台和白龟山是梯级水库，供水对象均为平顶山市，因此将二者简化为一个联合水库，其有效库容为两个水库兴利库容的叠加。全流域用水划分为10个区域，河流上有8个控制断面(主要包括贾鲁河中牟站、颍河黄桥站、北汝河大陈站、沙河干流漯河站、沙颍河周口、沙颍河槐店站以及汾泉河沈丘站)，每个断面处均有河道内生态环境流量要求。 沙颍河全流域总面积约40 万km2，一直以来洪涝灾害严重，经多年治理有所好转，但近几十年来，由于流域上游工农业发展迅速，使得沙颍河严重污染，成为淮河流域污染最严重的支流。为了减少水利工程对生态环境的不利影响，需要对水库群进行有序的控制，在满足生活用水的前提下，以水资源可持续性利用为底线，达到社会经济生态环境综合效益最大化。

图1 沙颍河流域水资源系统网络图

1 水资源优化系统模型

水库群中长期生态调度模型需要解决河道内生态保护长期用水要求，其目标函数以综合缺水损失最小来表达。为表达简洁起见，设第t时段第i分区城镇用户的需水量为DIi,t、供水量为RIi,t，缺水水量的权重系数为αi1；第t时段第i分区农业用户的需水量为DAi,t、供水量为RAi,t，缺水水量的权重系数为αi2；第t时段第i分区河道内生态需水量为DEi,t、用水量为REi,t，缺水水量的权重系数为αi3。表达式如下：

αi2(DAi,t-RAi,t)+αi3(DEi,t-REi,t)]}

(1)

式中：T为计算期，一般为季度或年；M为分区数。

约束条件有：

(1)水库水量平衡约束。

Si,t+1=Si,t+(Ii,t-Ri,t-SUi,t)Δt

(2)

式中：Si,t为第i分区第t时段水库初、末的蓄水状态；Ii,t为第i分区第t时段入库流量；Ri,t为第i分区第t时段从库区的引水流量；SUi,t为第i分区第t时段水库下泄流量;Δt为计算时段，一般为月、旬。

(2)水库蓄水量约束。

Smin,i,t≤Si,t≤Smax,i,t

(3)

式中：Smin,i,t和Smax,i,t为第i分区第t时段水库允许的最小、最大的蓄水状态。

(3)泄流特性约束。

0≤SUi,t≤f(Zi,t)

(4)

式中：Zi,t为第i分区第t时段水库水位；f(Zi,t)为水库泄流函数。

(4)引水能力约束。

0≤Ri,t=RIi,t+RAi,t≤Rmax,i,t

(5)

式中：Rmaxi,t为第i分区第t时段水库引水能力。

(5)汇流节点水量平衡方程

REi,t=Ii,t+i,tF-Ri,t

(6)

式中：Fi,t为第i分区第t时段节点区间汇入流量；Ri,t为第i分区第t时段节点取水流量。

(6)水库边界条件。

Zi,t=Zi,T=Z0

(7)

式中：Zi,1和Zi,T为第i分区水库时段初和时段末的库水位；Z0为水库的死水位。

从以上数学模型结构可以看出，它具有以下特点：一是表达式都是线性函数；二是部分约束方程在时段之间相互关联；三是具有多阶段梯阶结构形式，各时段的约束条件和变量有十分类似的形式。采用改进的大规模线性规划方法(PFI)求解。

2 水资源优化配置结果分析

2.1 计算依据

2015年6月至2016年5月水利调度年的天然来水接近平水年，由于水文资料有限，以该年的实测径流资料为典型年，设置5种来水条件：10%、25%、50%、75%、90%。计算时段为月。假设在各种节水措施维持现有水平情况下，用水户需水预测都是在2017年的实际用水基础上进行。农业用水则是按照水资源公报提供的资料，以降雨频率与农业用水量做频率曲线进行预测，其他用水户的需水量维持基准年的用水水平。水库从库空(死水位)起算。

遵循地表水资源取水量建议值约束，在保证河道生态用水的前提下，根据用水户的重要程度，按照“生活、工业、其他、农业”四类用户，从“非常重要、很重要、重要、一般”赋予权重。

将以上资料，代入模型进行优化计算，对其优化计算结果进行统计分析。

2.2 配置结果分析

(1)河道内生态水量保证率。从表1可以看出，除汾泉河沈丘断面和北汝河大陈断面由于河道上没有控制性工程，在枯水年有不同程度的生态缺水外，其他河道都满足生态用水要求。

表1 不同来水频率下各断面河道内生态水量保证率情况 %

(2)用水户缺水。从表2可以看出，尽管优化配置是一个比较乐观的配置结果，但还是需要通过引进外来水源才能解决流域供水紧张的局面。总缺水量期望值为26 918 万m3，总缺水率期望值为8.46%。

表2 不同来水频率下各城市缺水情况 万m3

为了更加直观了解缺水情况，分析50%平水年的计算结果，统计实际供水情况，并与用水计划进行比较，得到统计结果如图2所示。

图2 缺水情况的时空分布

从缺水的空间分布来看，每个城市都存在不同程度的缺水。汝州和驻马店由于取水河道天然流量小，且无控制工程调节，存在工程性缺水。而周口市农业用水比值大，而用水优先权最低，因此周口缺水量最大，占总缺水量的93%，为自身计划用水量的27.4%。从缺水的时间分布来看，11-翌年5月整个枯水期都有不同程度的缺水，其中，12-翌年4月份缺水最为严重，占总缺水量的92%。

(3)地表水资源配置。从表3可以看出，所有指标都在建议值以内，期望总取水量距离建议值尚有38%的余地。从水源来讲，贾鲁河和沙河的剩余可分配地表水量较大。从用户来讲，许昌在贾鲁河的取水、周口在贾鲁河和沙河的取水都已经达到建议值。但是考虑到周口依然存在大量缺水，因此可以适当调整用水户在沙颍河各河道的取水比例。

表3 地表水资源配置期望值占常规建议值的比例 %

3 水库生态调度方案拟定

3.1 水库生态调度方案的生成

(1)地表水资源配置方案。以上结果表明，存在缺水的另外一个主因是地表水资源配置方式的不合理，因此取基于系统优化情景下的用水户地表水分配比例期望值作为生态调度的地表水分配比例，生成地表水资源配置方案，如表4。

表4 沙颍河流域地表水资源配置方案 %

从表4可以看出，基于系统优化的地表水资源配置方案比常规建议值更具合理性。以郑州和周口为例。相对于贾鲁河而言，颍河的天然流量相对较小，且下游有生态断面约束，因此郑州完全从贾鲁河取水，周口从贾鲁河的取水比例提高了20%。周口在沙河的取水点位于最下游，该点汇集了贾鲁河，北汝河，颍河等各支流，流量较大，因此周口在沙河下游的取水比例提高了59%，相对而言大大减少了在颍河的取水量。

(2)水库生态调度方案。统计沙颍河流域上的4个大型水库在不同来水条件以及地表水资源配置方案下，基于系统优化情景的蓄水量变化过程。现以白沙水库为例，如图3所示。

图3 白沙水库生态调度图

由于以上水库运行过程考虑了河道生态用水要求，因此，可以以该过程线为基础绘制水库生态调度控制线，从而绘制各水库的生态调度图。其中90%(实线)为符合河道生态用水保证率要求的水库生态调度基本控制线。

水库按照生态调度图进行生态调度。当水库实际蓄水处于生态调度控制线以上时，为生态用水保证区，水库应该满足河道生态用水要求；当水库实际蓄水处于生态调度控制以下时，为降低生态用水区，水库减少生态流量的下泄，此时河道生态用水不能满足。

3.2 基于水资源配置的水库生态调度方案的检验

由于水资源的有限性，水资源分配是一个多方参与的利益冲突问题。设置来水条件为85%，结合用水预报和给定多目标权重情况下，进行水库生态调度方案和常规调度方案的对比计算，对生态调度方案的效果进行检验。

(1)河道内生态保证率对比。将两种调度方案对于河道内生态用水保证率的影响进行对比，如图4所示。结果表明，各断面的河道内生态用水保证率相对于常规调度方案可以得到显著提高，各断面河道内共增加生态水量80 294 万m3。

(2)用水户缺水情况对比。将两种调度方案对于各用户缺水情况的影响进行对比，如表4所示。

从表4可以看出，由于生态调度将河道内生态用水的优先级设置为第一位，减少了用水户的河道外可用水量，导致用水户的总缺水量增加5 225 万m3，但是远远低于河道内增加的80 294 万m3生态水量。

图4 生态调度和常规调度河道内生态水量保证率对比

表4 生态调度和常规调度各用水户缺水情况对比 万m3

(3)水库调蓄过程对比。将两种调度方案对于水库的调蓄过程的影响进行对比，以“昭平台-白龟山”联合水库为例，如图5所示。

图5 生态调度和常规调度“昭平台-白龟山”联合水库调蓄过程对比

从图5中可以看出，“昭平台-白龟山”联合水库群在调度期末多动用兴利库容17 235 万m3，说明生态调度充分利用了水库的兴利库容，较大程度发挥了水库的调蓄作用。

从过程上来看，在枯水期末，生态调度的库水位基本上降到了死水位，然后，利用汛期，再将水位蓄上来。相应地，水库在枯水期泄流(供水量)增加，在汛期泄流(供水量)会减少。这正好和缺水情况分析的时间段一致，有效地解决了供需矛盾。

4 结 论

(1)水资源优化配置可以说是一个比较乐观的配置结果，但沙颍河流域还是需要通过引进外来水源才能解决流域供水紧张的局面。外调水大约在2.7 亿m3，调水时间应集中在枯水期。

(2)在保证河道生态流量的条件下，一般年份，各城市都有不同程度的缺水。考虑来水的随机因数，最终得到各城市地表水资源分配方案以及水库生态调度方案。生态调度发挥了水库的调蓄作用，能够显著提高沙颍河流域各断面的生态流量保证率，不过同时会少量增加用水户的总缺水量。

(3)沙颍河水文资料不全，外调水源与用水区的水文频率遭遇问题，将配置方案在水资源管理的具体工作中的应用问题，以及如何改进生态调度方案以减少缺水损失等问题待下一步进行深入研究。

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