二层结构的流域生态调度研究I：方法与模型

游进军，薛志春，林鹏飞，蒋云钟，魏 娜

（1. 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2. 北京市水科学技术研究院 北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，北京 100048；3. 西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西 西安 710048）

1 研究背景

随着社会用水需求增加，水利工程规模扩大，水资源开发强度增大。取用水和水利工程运行改变了自然水文过程，从而影响了适应自然水文节律的生态系统。为了维持生态健康，使供用水影响下的径流过程更好地适应生态水文节律，生态调度应运而生。生态调度是指能兼顾社会经济效益并维持河流生态健康安全的水资源调控模式，是水资源管理发展的新阶段。流域水量调控的社会经济效益主要是保障经济社会发展用水，河流生态健康主要体现为生态水量的保障，流域生态调度即是要实现二者的合理均衡。

生态需水以及相应的生态调度概念最先由发达国家所提出，强调水资源调配应考虑生态功能。1970年以来，国外学者针对水利工程运行带来的生态环境问题开展研究，包括调度方式的优化和调度对河流生态环境的影响评价两个方面［1］。Sale 等［2］通过数学方法确定了生物流量需求（INF）与传统用水目标间的关系，较早探索了生态调度理念。Petts［3］基于取用水改变径流过程和减少总径流的两方面影响，从河流的连通性、生境流量维持等方面分析最小生态流量，针对用水与水文年型组合下的生态流量优化提出了分析方法和模型；Hughes等［4］建立了满足生态需水的水库调度模型；Shiau等［5］提出以变化范围法（RVA）确定年内年际变化的生态流量目标，通过帕累托非劣解寻求经济生态均衡关系开展生态调度；Castelletti 等［6］考虑经济、社会与环境限制的影响，提出了计算河流最小生态流量的公式，并作为约束条件应用于水库优化调度研究；Steinschneider等［7］提出了考虑生态效应的流域水库群多目标调度方法；Nyatsanza 等［8］研究了赞比西河流域水电站在不同生态流量条件下的发电状况，取得了生态流量保障与发电的优化契合。Gillespie等［9］指出当前生态调度重点是提高水库下泄流量满足预定目标，忽视了河流生态系统的实际响应，提出生态调度应考虑流域整体生态效果并协调经济社会目标要求，反映了从工程生态调度到流域整体生态调度和利益均衡的新视角。如何通过生态调度实现生态和经济的共赢是当前的国际研究热点，需要深入认识河流水文节律与生态过程的密切关系，理解径流过程控制对生态系统直接和间接影响作用并动态评估，从而提出人工干预的目标和手段，目前的研究总体仍处于探索阶段［10］。

国内生态调度研究也是始于水库调度，此后逐步深入［11］。1980年以来，由于用水增加导致的河道断流、水体污染等生态环境问题日益严峻，以水环境水生态状况改善为目标的水库调度方式逐步得到重视［12］。傅春等［13］围绕水资源可持续开发理念提出了生态水利的基本概念及模型；蔡其华［14］提出适当的水库调度方式可以改善水体水质。此后，水库生态调度作为发挥水利工程社会、经济等综合效益的最直接方式得到广泛研究，闸坝调度的生态环境效应也得到重视［15-16］。董哲仁等［17］提出了既能满足水库现有任务要求并能适当保护河流生态系统的调度方案；康玲等［18］针对汉江下游不同类型生态用水需求建立了丹江口水库生态调度模型，并采用逐步优化算法求解，分析了不同来水条件下生态流量目标的保障状况及对发电效益的影响。张洪波等［19］认为水库生态调度应考虑多目标耦合协调与滚动修正机制，在此基础上提出模型构建方法。水库群的生态调度也逐步得到重视。王宗志等［20］建立了考虑河流生态系统的水库群生态调度模型；吕巍等［21］围绕乌江干流水电梯级开发和水生态保护的协调双赢开展了梯级水库群生态调度研究；邓铭江等［22］以保障河流健康、河谷生态系统安全为目标，构建多尺度耦合的水库群生态调度体系模型，并应用于额尔齐斯河生态淹灌；彭少明等［23］针对黄河上游梯级水库群运行对中下游河道形态与生态的影响，考虑供水、发电、泥沙和生态等流域综合需求，提出了水库群多目标生态调度实施方向。生态调度模型的求解计算方法也是一个研究方向，方国华等［24］采用改进遗传算法分析了满足最小生态流量和适宜生态流量下的水库发电优化调度。

在实际需求和相关研究的共同推动下，国内部分江河逐步开展了生态调度的工程实践，黄河小浪底水库人造洪峰输沙入海、引黄济淀应急补水遏制白洋淀生态恶化、桂林市水库群生态调度改善漓江水生态、三峡水库鱼类繁殖调度等都取得了实际成效，说明水利工程生态调度对改善流域生态具有积极作用。流域整体考虑生态效应的调度也逐步增多，黄河调水调沙实现干流不断流是流域生态调度实践的重大突破；黑河探索统一调度方式，通过生态输水实现东居延海全年不干涸，生态环境得以改观；新疆塔里木河生态应急补水显著改善了下游地下水位及河湖的整体生态环境；渭河通过生态调度增加了干流枯季水量提高了生态环境综合效益。上述调度实践工作说明了需求的迫切性，也证实了可行性，但仍存在生态和兴利目标协调关系不足的问题。

已有研究和实践表明，当前的生态调度仍然存在流域水量配置与工程调度分割的问题，流域水量配置调控对径流总量和过程的影响不能反映到工程调度，缺乏供用水对径流过程影响的反馈分析，工程调度决策对流域水量调控决策支撑不足。

2 流域生态调度需求分析

2.1 生态调度的目标变化生态调度源于解决水利工程建设运行导致的河流生态环境问题，其首要目标就是保障河流生态流量，满足水生生物的生存、繁衍需求，确保生态系统的多样性，防止河道萎缩甚至断流、维持河流生态系统的基本稳定。随着生态文明建设的深入推进，社会对生态环境的重视程度提高，满足更高要求的生态水量也成为重要的保障目标。由于生态与经济水需求的竞争关系，协调保障经济发展与生态保护用水成为新时代、新形势下流域生态调度的主要目标。从新的目标和要求看，生态水量保障存在几方面变化：一是范围从保障断面生态流量扩大到考虑整个河流、流域的生态水量需求；二是目标从静态的保障生态基流提升到动态的保障生态流量过程；三是手段从单一的满足生态流量调度需求发展到调控流域经济、生态的协调关系。

因此，随着生态水量保障要求从河流断面扩展到流域整体，生态调度需要从针对河流断面的水量调节扩大到整个流域层面的水量调控。流域生态调度目标应在充分考虑人类活动自律性和生态自适应性基础上，实现社会经济发展和生态保护的协调均衡。

2.2 流域角度实施生态调度的措施水利工程是天然水循环和供、用、耗、排社会水循环过程衔接转换的核心，在水资源系统中具有桥梁作用。现有生态调度主要确保工程下泄生态流量，或者在局部时段通过工程调节使径流满足重点保护生物的流量需求，重点就是水利工程的调度运行。因此，水利工程的实际入流对于指导水利工程实施生态调度至关重要。然而，水利工程实际入流除了水文随机性外，还受到流域水资源开发利用等多种因素的影响。单独的工程调度不能从整体协调区域层面经济和生态对水资源的竞争关系，难以考虑水量分配、利用和消耗等流域层面开发利用对河道内径流总量和过程的影响。因此，流域生态调度不仅需要包括水利工程的运行调度，还应当包括所有经济社会供用耗排水过程，纳入影响河道水量过程的主要因素。

分析影响流域水量过程的因素，生态调度调控措施可以分为两类：一类为流域层面的整体水量调控，另一类为工程调度决策。两类措施各有特点，均对满足河流生态需求起到重要作用。流域整体层面措施，如用水需求控制、节水、不同水源利用、调水等，可以减少河道取用水量，实施效果在于提高河道的总体水量，具有长效性影响。工程调控措施则更具针对性，直接对应断面生态需求，短时间改变径流过程，但不增加径流总量。两类措施相互关联，相辅相成。

综上，流域调控下的河道水量是水利工程实施生态调度的基础，工程调度是改善局部生态的直接手段。因此，分析流域整体水量调控下的水利工程入流对于生态调度至关重要。本研究主要针对现有生态调度中工程与流域水量调控缺乏联系的问题，建立两类措施共同作用的流域生态调度模型。解决上述问题的关键技术包括两方面：首先是流域水量配置调控与工程调度的耦合衔接，其次是流域社会经济与生态保护目标的协调关系和均衡决策。

3 二层结构流域生态调度模型

3.1 模型总体结构基于上述分析提出二层结构流域生态调度模型，基本结构如图1所示。上层调控包括区域需水控制、水源开发及水量配置等，采用水量模拟调控模型计算；下层工程调度根据流域水量调控确定的来水、供水目标对流量控制过程作进一步优化。二者的耦合关联体现在两个方面；（1）在上层水量模拟中基于供水要求与生态调度目标提出工程的入流和供水量；（2）建立重点工程与生态控制断面的映射关系，以断面的生态需水为目标提出对上游工程的调度要求。通过流域水量模拟辨识人类活动扰动对河流径流过程的影响，组合各类影响因子形成不同的边界控制情景，在全流域水量模拟基础上分析有利于河流生态的水量调控方案。通过上层提供的目标和边界条件，优化分析下层重点水库工程的调度规则，得出满足生态流量要求下对经济目标最有利的调度方式。

图1 流域生态调度模型二层结构

模型上层为流域水量调控，综合考虑各类影响因素对整个水循环系统的扰动，如用水需求增加、水利工程建设、非常规水源开发等，将各类影响因素相互组合，形成水量调度方案。对全流域的水量传递与转换关系进行总体调配，从而确定水量配置关系下主要工程的实际入流。此外，水利工程供水过程受到其他各类水源的影响，通过系统整体水量配置模拟，能够界定工程的供水范围，从而为水利工程生态调度计算提供边界条件。

模型下层是水利工程调度，在流域水量调控基础上寻找满足生态流量且最有利于经济目标的调度方式。工程调度需要在水量配置确定的工程入流和供水要求的前提下，考虑生态调度目标，利用水利工程库容和调控能力适时适量的调节下泄流量，统筹协调防洪、兴利、生态等各项要求。与单纯的水库优化调度不同的是，本研究是在上层流域水量调控后，将工程实际入流和供水任务作为上下两层结构的连接点，对工程的调度规则进行优化。通过两层模型的耦合实现全流域水量模拟控制下的水利工程调度优化计算，达到供水与生态综合改善的调度效果。

3.2 上层：流域水量模拟上层流域整体水量模拟系统概化建立复杂水资源系统的模型框架［25］，对天然水循环和人工水循环相关的各类实体进行概化处理。通过计算单元、水利工程、控制节点等点元素代表用水户、重要供水工程以及河流断面等，以不同的线代表供水、退水、弃水等水量传输过程。为明确系统中各类基本元素之间的水量传递关系，采用系统网络图反映水循环及开发利用过程，如图2所示。

图2 水资源系统循环要素及过程概化

模拟工具采用复杂水资源系统模拟模型（ROWAS）［26］。ROWAS 以水源运移转化的宏观物理机制为基础，能够模拟全流域水循环与水量供、用、耗、排二元水循环关系，针对经济用水、生态环境需求，通过规则模拟提供满足各类需求、结合用户经验的系统水量调配。根据各类水源的利用构建独立的模块，如本地河网水、地表水、地下水、外调水、非常规水源等，建立不同水源和用户以及整体水循环过程的传递关系，并通过参数设置分析不同水源利用的组合方式，形成不同水源组合供水的情景方案。每个计算时段内按水源利用顺序确定模块化的计算流程，如图3所示。

图3 流域水量调控配置计算流程

根据上述计算过程，可以得到考虑区域供水协调关系、不同水源用户配置要求和上下游供弃水关系的水利工程入流和供水要求。流域水量配置调控计算以月为计算时段，采用长系列模拟。

3.3 下层：水利工程优化调度下层水利工程优化调度是根据上层水量调控模型提供的来水和供水方案结果，对调度规则进行优化，得到满足生态流量目标下最有利于供水的调度规则，指导工程调度运行，给出满足流域水量配置目标下的工程调度结果。上层模型与下层模型之间的耦合关系如图4所示。

图4 流域水量模拟调控与工程调度的数据耦合关系

模型中引入调度线作为供水调度依据，当水库库容高于某一供水目标调度线时向其供水，低于该目标的调度线则停止供水。调度线一般设置三条，分别控制对城镇用户（含生活和工业）和农业灌溉的供水，以及生态流量的控制下泄。对于具有发电航运等河道内用水需求的水利工程目标，可以根据工程实际中的重要性和优先级参考上述三类目标控制下泄水量，或增加相应的调度控制线。本研究主要关注流域生态调度管理，水利工程按照生态调度线进行生态目标的控制，同时兼顾其他目标，生态调度线的优化以具体工程为对象，采用长系列月过程进行计算，来水过程由上层水量调控模型模拟得出。

根据上层模型确定的来水过程和供水任务构建单个水利工程的优化模型，以库容、供水任务、工程能力等设置约束条件，以供水量或供水效益最大为目标，采用长系列月过程优化得出生态调度线结果。调度线优化模型的目标函数和约束条件如下：

（1）目标函数。以供水量最大为目标，不能达到上层模型对应时段供水量时采用罚函数，其函数表达式为：

式中：F为总供水量；T为时段总数；M为需水用户数；W it为第t时段i用户供水量；P(Wi)为第i类用户不能满足流域配置模型供水时的罚函数，优先级高的用户如生活供水具有更高的罚函数。

（2）约束条件。

①水量平衡约束：

式中：Vt、Vt+1分别为第t时段初和时段末的水库库容；Wt，来为第t时段水库的来水量；Wt，损为第t时段水库蒸发渗漏等损失水量；Wt，供为第t时段供水量；Wt，内为第t时段水库弃水量，包括满足河道内生态的下泄流量与发电用水量。

②库容约束：

式中：Vmin、Vmax分别为第t时段末水库库容上、下限，其中下限一般为死水位对应库容，上限为正常蓄水位对应库容，汛期为汛限水位对应库容。

③生态流量约束：

式中：Wt,生态目标为工程t时段对应的生态流量目标；Wt,内为下泄水量，包括下泄河道的发电水量。

④可供水量约束：

式中：为第t时段、i类用户可供出的水量；Vt为可以供水的水库蓄水量，应为该时段初始库容叠加来水量扣除水库蒸发渗漏损失后的库容；为i用户对应时段的调度线库容，各个计算时段对应其所在月份的调度线作为计算依据。当Vt小于调度线对应库容时，则对应的用户不能供水。

⑤供水量约束，包括总供水量约束和分项供水量约束。总供水量约束时段内各类用户的总供水量不能超过该时段总的水库可供水量。总供水量约束：

分项供水约束：

⑥供水渠道（管道）规模约束：

式中：Q渠道为工程不同类别供水工程规模；Δt为计算时段长度。

按照上述目标和约束构建模型，采用粒子群等优化算法，通过初始化调度线-运行-识别-反馈-修正，获得满足生态流量控制要求且尽可能符合流域水量配置供水要求的调度准则。

将上述优化得出的调度线作为工程调度的依据，对工程进行以日为尺度的调度计算，保障其调度与流域水量调控目标一致。

4 流域生态调度方案设计

考虑保障生态目标的调度势必会影响经济效益，从流域角度分析水量调控中生态与经济的协调关系，需要采取科学合理的调控调度方案设置。根据对流域生态调度影响因素的分析，坚持开源与节流并举的水资源开发利用理念，综合考虑流域内部挖潜与外部调水，充分运用工程措施、非工程措施以及其他的综合调度管理等手段，并结合流域的社会经济发展用水与水生态的重要相关因素以及关键控制指标，在上层流域水量的总体调控中通过综合考虑需求控制、水源利用、工程调度三个层面9项相关措施与指标的组合，形成调度方案的总体框架，分析整体水量调控措施的作用，如图5所示。

图5 流域生态调度方案设计相关措施总体架构

需求控制。考虑社会经济发展模式和节水强度两方面。社会经济模式包括城镇化程度和产业结构，二者对于用水结构和水量消耗具有明显影响，根据二者的发展速度和预期目标进行方案设计。产业节水按照层次化需水分析方法［25］，确定不同部门、不同层次需求以及不同用水效率下的需水方案，体现通过节水实现用水总量减少、河道径流增加的作用。

水源利用。考虑重点水利工程建设、小型水利工程开发、跨流域调水、再生水利用以及地下水开发等不同水源的开发，组合形成水源利用方案。

工程调度。考虑防洪及蓄水安全要求以及供水目标优先级设置供水、发电以及生态流量的保障优先关系。按照是否考虑生态需求以及目标高低设置水量下泄的控制要求，分析流域调度中保障生态流量的作用。

在上述三个层面因素综合考虑基础上，进行流域调度总体方案设计；按上述三个层面9项措施进行排列组合，得出方案集；通过方案对比分析，以现状为基础综合考虑地区经济发展与生态需求之间的动态平衡，提出生态调度方案层次化的设计方法，得到六种典型方案设计模式，如图6所示。

图6 流域生态调度方案动态优化过程

通过上述方案设计方法，以现状模式调度方案为原型，从全流域层面来考虑发展与控制的方向，在经济侧与生态侧通过不考虑生态需求与最大程度的压缩经济发展，形成经济优先与生态优先两个倾向性非常明显的调度方案；此后再从水源开发利用层面进行控制，在发展优先的基础上增加偏生态的措施，在生态优先的基础上强化经济发展需求，分别形成发展均衡与生态均衡两个相对平衡的调度方案；最后在这两个方案的基础上，针对重点区域以及重点断面进行有针对性的、点对点式的调控措施，得到综合考虑经济与生态需求的调度方案。上述从基本方案到综合发展的动态优化过程反映了社会经济发展与生态环境保护之间利益均衡的互动博弈过程。

5 结论

当前以水利工程为核心进行生态调度的方式忽视了水资源利用和河道水量过程的有机联系，缺乏全局性的考量，生态与经济难以兼顾。二层结构的流域整体生态调度模型在流域水量综合调控的基础上进行工程运行优化调度，可以实现流域水资源调配与水利工程群调度的有机结合。模型中的上层流域整体模拟为下层工程调度提供总体目标和边界条件，下层模型通过优化调度规则实现与流域水量控制目标一致的工程调度，实现从流域整体角度构建经济与生态共赢的调度模式。在实际的流域水资源管理中，可以将水资源利用总体控制目标、生态与经济发展均衡关系等纳入到生态调度总体决策的实际操作中，使流域生态调度更具全面性与实用性，有利于提高生态调度的效果，完善决策分析手段。

由于流域整体水量调控与工程调度之间存在多重水量关系，且尺度不同，需要进一步分析流域整体调控与生态调度的水量衔接，从而更好实现流域整体水量调控下的水利工程生态调度。