基于物理栖息地模型的梯级水库优化调度研究

蒋任飞，王丽影，乔睿至，付意成

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610；2.珠江水利委员会水生态工程中心，广州 510610；3.湖南省水利水电勘测设计研究总院，长沙 410007；4.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

水电站梯级开发通常以发电作为主要目标，部分水库兼有灌溉、防洪、供水、航运等综合利用要求，流域生态环境保护具有与这些目标既协调一致，也相互矛盾的特性。生态调度是通过调整水电站的运行方式，使其能够在尽量满足综合利用要求的同时降低对流域生态环境的不利影响，保护流域特有、珍稀、濒危物种，维持河流生态系统稳定性[1]。水库进行生态调度是国家大力推行水生态文明建设的基本要求，也是我国保护生态环境基本国策的具体体现。

Schlueter于1971年提出水利工程不应该仅为满足人类对河流的利用要求，同时还应具有维护或创造河流的生态多样性的功能[2]。董哲仁于2007年提出水库多目标生态调度是指在实现防洪、发电、供水、灌溉、航运等社会经济多种目标的前提下，兼顾河流生态系统需求的水库调度方法[3]。在生态调度模型的研究方面，DA Hughe于1998年建立了满足生态需水的水库调度模型[4]。叶季平、王丽萍针对大型水库的运行方式特点，建立了大型水库生态调度模型[5]。随后，张洪波、钱会等提出了基于结构目标的水库生态调度模型，并采用遗传算法进行了求解[6]。在生态调度实践方面，我国已有部分案例。为保证黄河不断流，同时满足下游生活、生产和生态用水需求，小浪底水库2000年枯水期弃电放水12.2 亿m3。黑河流域中游8处取水口在2001年 “全线闭口，集中下泄”，滋润林草地，挽救胡杨树[7]。塔里木河自2001-2006年，先后8次向下游进行生态应急输水。尹正杰、黄薇等2008年对长江流域梯级水库生态调度管理体制进行探讨，提出建立科学合理的管理体制和机制是实施流域内水库生态调度管理的关键[8]。

总体来说，我国生态调度理论的提出相对于国外较晚，但随着生态文明建设理念的加强，当前我国对于生态调度的研究也已取得较多的理论成果，并应用于指导水库运行调度的实践中。但我国的生态调度实践大多着重于解决水环境恶化等问题，主要目的仍是为了满足人类的生产、生活需求，对于鱼类等水生生物的生存需求等考虑不多。鉴于此，本文将水生生态系统中最重要的一类生物——鱼类的生存需求作为梯级水库调度时需要考虑的因素，对梯级水库生态调度进行研究。

1 研究方法

1.1 物理栖息地模型

物理栖息地模型(Physical Habital Simulation Model，PHABSIM 模型)是关于河道内物理栖息地水力变量(深度、流速、底质和覆盖度)、栖息地指示物种参数及其变化的一种概念模型，是根据指示物种所需的物理生境条件，评价不同流量下的栖息地适宜度，从而得出适宜生物生存的流量条件[9]。与其他方法相比，该模型考虑了生物本身对物理生境的要求，被认为是目前生态需水计算方法中最复杂和最具科学依据的方法之一。模型的计算流程如下[10]。

(1)选定研究区域具有代表性的物种作为目标物种，详细调查该物种的生活情况，将栖息地适宜性指标与物种生境的影响因子(水深、流速、底质、水温等)关联，绘制该物种不同生命周期的生境适宜性曲线。

(2)根据生物调查情况选择目标物种较为敏感的河段作为研究河段，在各个研究河段设定几个代表性断面来控制河段的水力学特性。在距离最近的水文站测定至少3个高、中、低流量，作为校正流量。采集每个断面的河底高程及校正流量下的水深、流速等数据。

(3)输入研究河段的各个代表性断面的相对距离、大断面资料及校正流量对应的水位和流速，建立PHABSIM水力学模型，以一维水力学公式为基础进行水力学模拟，选择合适的方法进行模拟得到断面各分区的水深、流速。

(4)根据适宜生境调查及相关研究成果绘制目标物种生境适宜性曲线并输入PHABSIM物理栖息地模型，结合水力学模型模拟的水深、流速进行物理栖息地模拟，计算研究河段不同流量下的加权可利用面积(WUA)，其计算方法如下：

WUA=∑CSF(Vi,Di,Ci,Ti)Ai/河段长度

(1)

式中:WUA为研究河段每单位长度的生境适宜性；CSF(Vi，Di，Ci，Ti)为每个单元影响因子的组合适宜性(Combined Suitability Factor,CSF)；Vi为流速；Di为水深；Ci为河道指标(包括基质和覆盖物)；Ti为温度；Ai为长度为有效断面距离的每个单元水平面积。

1.2 梯级水库生态调度模型

梯级水库生态调度模型的目标函数与传统水库优化调度模型一致，以发电收入最大化为目标，且将需要保护的典型水生生物最适宜生态流量作为约束之一进行考虑。

1.2.1 目标函数

以梯级电站发电收入最大化体现，即：

(2)

式中：E为梯级电站发电收入，元；ki为第i个电站出力系数；Qi,t为第i个电站第t时段发电流量，m3/s；Hi,t为第i个电站在第t时段平均发电净水头，m；Mt为第t时段小时数，h；ηt为第t时段梯级电站上网电价，元/MWh。

1.2.2 约束条件

(1)生态流量约束：即电站下泄流量不应小于生态流量。

Qi,t+Si,t-Qdmin≥0

(3)

式中：Si,t为第i个电站第t时段弃水流量，m3/s；Qdmin为该时段适宜生物生存的电站的最小下泄生态流量限制，m3/s(若不考虑生态调度，则可设置为最小生态基流，一般为坝址多年平均流量的10%)。

(2)水量平衡约束：对于单个电站来说，入库与出库的水量之差应等于蓄水量的变化量，计算公式为：

Vi,t+1=Vi,t+(qi,t-Qi,t-Si,t)Δt-Zi,t∀t∈T

(4)

式中：Vi,t、Vi,t+1分别为第i个电站第t时段初、末水库蓄水量，m3；qi,t为第i个电站第t时段入库流量，m3/s；Zi,t为第i个电站第t时段因蒸发、渗漏导致的水量损失，m3；Δt为该时段时长，s。

(3)上下游水力联系：即上游水电站的下泄流量加上下游电站之间的区间流量成为下游水电站的来水：

qi,t=Qi-1,t+Si-1,t+qi-1,i,t

(5)

式中：qi-1,i,t为第i-1个水库与第i个水库间在第t时段的区间来水流量，m3/s。

(4)水库蓄水量约束：

Vi,t,min≤Vi,t≤Vi,t,max∀t∈T

(6)

式中：Vi,t,min为第i个电站第t时段应保证的水库最小蓄水量，m3(通常与水库兴利目标相关)；Vi,t,max为第i个电站第t时段允许的水库最大蓄水量，m3(通常与水库防洪限制水位相关)。

(5)电站过机流量约束：

qi,t,min≤Qi,t≤qi,t,max∀t∈T

(7)

式中：qi,t,min为第i个电站第t时段最小允许过机流量，m3/s；qi,t,max为第i个电站第t时段最大允许过机流量，m3/s。

(6)电站出力约束：

Ni,min≤kiQi,tHi,t≤Ni,max∀t∈T

(8)

式中：Ni,min为第i个电站的允许的最小出力，kW(取决于水轮机的种类与特性)；Ni,max为第i个电站允许的最大出力，kW(当某电站无机组检修计划时，最大出力等于其装机容量)。

(7)非负条件约束：上述所有变量均为非负变量(≥0)。

1.2.3 模型求解

目前，求解梯级水电站优化问题的方法主要有神经网络方法、逐步优化算法(POA算法)、遗传算法和动态规划算法等[11]。其中POA算法适合于解决由数个有调节能力水库组成的串联电站群的优化调度问题，且已在我国许多水电站优化调度中进行了成功的应用，因此本文模拟生态调度采用POA算法进行求解。

2 实例应用

为了说明水库考虑生态效益进行调度对鱼类生境的影响，本文以我国西南某流域为例，采用梯级水库生态调度模型对该流域4座梯级电站进行生态调度计算。电站按照自上而下的顺序，以电站α、β、γ、δ表示，其中电站α为龙头电站，具有年调节能力，电站β、δ具备季调节能力，γ为径流式电站，无调节能力。

根据实际调查，鱼类A、B均为该流域内重要经济鱼类，且B为该流域特有物种，本次模拟以这两种鱼类作为本流域的典型指示物种。鱼类A属非洄游性鱼类，电站β下游有鱼类A的产卵场；鱼类B属洄游性鱼类，洄游范围为δ电站下游至河口。鱼类A、B对电站β、δ下游河段的流量较为敏感，模型选定这两个河段作为研究河段，以河段a、b表示。

2.1 物理栖息地模型确定生态流量

考虑到水温不仅与流量相关，更主要的是与气温以及天气情况关系密切，且变化规律十分复杂，因此，本文仅考虑鱼类对水深、流速的喜好，其生境适宜性指数表及曲线图如表1、图1和图2所示。

本文将A和B产卵期、育幼期、成长期的流速、水深适宜性曲线输入到PHABSIM模型中，计算目标鱼类在各研究河段代表性断面的栖息地加权可利用面积(WUA)，结果见图3和图4。

表1 鱼类A、B生境适宜性指数表Tab.1 Physical habitat suitability data of fish A & B

查阅相关参考文献可知，根据流量-WUA关系图确定生态流量的判别方式有许多种，不同的学者有不同的看法，大多数专家学者建议可依据当地的河流形态来选择适宜的评估方法和数值基准。当以某种生物生态需水量需求作为下泄流量的唯一目标时，可选择该物种在不同流量条件下生境模拟结果表中的WUA(加权可利用面积)最大值所对应的流量[10]。但是这样得出的结果仅仅是理论意义上的一种数值，会与现实的情况存在一定的偏差：根据物理栖息地模型的计算原理可知，WUA最大值所对应的流量代表的是该物种的最适宜流量值，当流量继续增大时，其生境适宜度反而降低，即使是在天然来水情况下，其流量也是在“最适宜流量”的上下一定范围内进行波动，很难保证总是能满足理论计算最大数值的要求的。

图1 鱼类A生境适宜性曲线Fig.1 Physical habitat suitability curve of fish A

图2 鱼类B生境适宜性曲线Fig.2 Physical habitat suitability curve of fish B

图3 研究河段a中鱼类A各生长阶段流量-WUA关系图Fig.3 The relationship between weighted usable area and flux of fish A in segment a

图4 研究河段b中鱼类B各生长阶段流量-WUA关系图Fig.4 The relationship between weighted usable area and flux of fish B in segment b

考虑到以上实际情况，一些学者[9,12]提出以流量-WUA曲线图第一个明显转折点对应的流量作为生态流量。根据实际应用中的实用性和可操作性，本文在确定生态流量时，选取研究河段流量-WUA曲线图的第一个明显转折点(根据斜率变化选取)，以此所对应的流量当做生态所需的基本流量，即最小生态流量。本文结合研究河段的目标鱼类及生命周期，拟定的各研究河段的最小生态流量见表2。

2.2 生态调度优化计算结果

在各梯级电站坝址处1953年6月-2009年5月共56 a的径流资料中选取25%、50%、75% 3个典型频率水平年进行生态调度计算，并与无生态流量约束下的常规调度计算结果进行对比分析。生态调度计算时，生态流量约束设置按照2.1物理栖息地模型计算得到的生态流量；常规调度时，则只考虑下放生态基流(坝址处多年平均流量的10%)，并按调度图运行。计算结果见表3、表4、图5～图7。

表2 研究河段目标鱼类最小生态流量Tab.2 Minimum ecological flux of indicator fishes in study segments

表3 生态调度与常规调度对比表(一)Tab.3 The comparison of results between the ecological operation model and the regular operation model(1)

表4 生态调度与常规调度对比表(二)Tab.4 The comparison of results between the ecological operation model and the regular operation model(2)

图5 25%频率丰水年下泄流量过程与生态流量对比图Fig.5 Comparison of flux discharge and ecological flux demand in wet year ( 25% frequency)

图7 75%频率枯水年下泄流量过程与生态流量对比图Fig.7 Comparison of flux discharge and ecological flux Ldemand in dry year ( 75% frequency)

从上述梯级电站生态调度模拟结果可以看出：①梯级电站实行生态调度的生态环境效益巨大。常规调度时，不同典型年河段a生态流量保证率为100%、100%、72.2%，河段b生态流量保证率为88.9%、91.7%、72.2%；实行生态调度后，河段a和河段b生态流量保证率均可提高到100%、100%、100%，且各典型年生境适宜面积指数有较大增加，说明适于鱼类生存的栖息地面积增加，具有较大的生态环境效益。常规调度时，鱼类A的产卵期生态流量受到破坏，鱼类B的产卵期、育幼期的生态流量均有不同程度的破坏，这与梯级电站投产后，鱼类A、B的种群数量大幅减少的实际情况相符。若实行生态调度，则可较好地满足这两种鱼类各生命周期的适宜生态因子，对于这两种典型鱼类的保护意义巨大。②实行生态调度会对经济效益产生一定的影响。实行生态调度会对梯级电站的发电收入造成一定的影响，由表3可得，各频率典型年发电收入分别减少了200、1 500、1 400 万元，减少比例分别为0.2%、1.4%、1.6%。

3 结 语

梯级水库实行生态调度是我国贯彻水生态文明建设理念的基本要求与体现。本文针对目前我国的生态调度实践对于水生生物的生存需求等考虑不多的实际情况，用物理栖息地模型计算了流域内典型鱼类的生态流量需求，将其作为梯级水库生态调度的生态流量约束，并建立了梯级水库优化调度模型，采用POA算法进行求解，结果表明：梯级水库实行生态调度具有巨大的生态环境效益，对于保护水生生物意义重大，但会轻微影响发电效益。未来若要将生态调度推广应用，需进一步研究对生态调度的保障措施及补偿机制，并完善相关法律、法规，对生态调度提出明确的制度要求。

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参考文献：

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