摘要:夾巖水利樞紐的建設將對水庫上下游的生態環境產生一定影響,如何在保證區域防洪、灌溉、供水等多功能需求的前提下,最大程度上滿足河道生態流量要求,將成為水庫建成后在管理上的主要問題.根據夾巖水利樞紐的工程設計成果,以壩址處典型年的月均入庫量為邊界條件,綜合考慮防洪、灌溉、供水等約束條件,采用NSGA-Ⅱ算法,以夾巖水利樞紐的發電量、年內生態流量滿足率為目標,進行了多目標生態調度研究.結果表明:豐水年年發電量為2.791億kW·h,年內生態流量滿足率為100%;平水年年發電量為2.116億kW·h,年內生態流量滿足率為96.14%;枯水年年發電量為1.278億kW·h,年內生態流量滿足率為92.27%,即通過對夾巖水利樞紐開展水庫優化調度,可在滿足片區防洪安全、灌溉和生產生活用水等要求的情況下,最大程度提高不同典型年內的生態流量滿足率、保證水電站的發電量,研究成果可為水庫調度管理部門提供決策指導.

　　關鍵詞:夾巖水利樞紐;多目標優化;生態調度;NSGA-Ⅱ

　　夾巖水利樞紐工程是貴州省規模最大的水利工程,該工程的功能以供水和灌溉為主,兼顧發電、生態等綜合效益,建成后將對區域的經濟建設提供強大助力.但隨著水庫的建設,河流水文、水動力條件及河流生態系統也會發生一定的變化[1-2],如何能在保證各種生態要素健康穩定的條件下,最大程度上發揮工程的綜合效益是主管部門當下及以后值得長期探究的問題.

　　水庫的建設對河流生態系統會產生一定的影響已成為學者們的共識[3-5],水庫的建設會直接改變河流的水文情勢和水動力條件,進而降低河流的連通性,部分魚類洄游路線和產卵場發生變化,嚴重會導致部分物種的滅絕[6-8];水庫建設對河流水溫、水質也會有較大的影響,水庫大壩的建設會改變水體的垂向水溫結構,且水體下泄可能會導致水體中的溶解氣體過飽和,引起魚類的氣泡病等[9-12].

　　針對水庫建成后的生態影響進行生態補償,國內外諸多學者開展了相關研究.Schluter[13]等最早于1971年提出了通過開展水庫調度維持河流多樣性的命題;隨后20世紀90年代,美國的田納西河流域管理局(TennesseeValleyAuthority,TVA)開展了保護水庫下游魚類及大型無脊椎動物的生態調度實踐[14];Babel等[15]在已有實踐成果的基礎上,提出了以總經濟效益最大為目標,最大程度上滿足不同部門需水的水庫優化調度模型.國內關于水庫生態調度的研究起步稍晚.2002年,黃河萬家寨、三門峽、小浪底水庫開展了泥沙生態調度研究,通過人工異重流排沙,進而減少了水庫淤積,加快了黃河口造陸過程[16-17];2003年,郭生練等[18-19]研究了丹江口水庫枯水期調度的問題;2009年,粟曉玲等[20]以保障流域生態需水、用水等要素為目標。

　　建立了石羊河流域水資源多目標優化調度模型;2011年,盧有麟等[21]針對三峽梯級水庫的發電量和生態需水量等進行了研究;2016年,劉德富等[22]以三峽水庫支流水華頻發為目標,提出了“潮汐式”生態調度方法;2018年,張連鵬[23]等為保護額爾齊斯河的魚類棲息地、河谷林草等,開展了面向生態的水庫群中長期調度研究.總的來說,當前有關水庫生態調度的研究較為豐富,但主要基于已建成運行的水庫或已存在明顯生態影響的水庫,缺少對未建、待建水庫的生態調度研究.為此,本文主要基于夾巖水利樞紐的設計參數、工程位置水文情勢和生態需求等要素,采用NSGA-Ⅱ優化算法[24-26],對水庫建成后開展生態調度的可能性及生態調度方案進行探討,為水庫建成后實際生態調度決策提供指導.

　　1研究區域概況

　　夾巖水利樞紐的水庫壩址位于畢節市六沖河中游段,壩址以上流域面積4312km2,多年平均徑流量19億m3,多年平均流量為59.7m3/s,其中水庫校核洪水位為1326.01m,正常蓄水位為1323.0m,總庫容為13.23億m3,壩后電站裝機容量90MW,多年平均發電量2.198億kW·h.

　　工程的主要功能為供水和灌溉,同時兼顧發電、生態等綜合效益.水庫下游的生活、灌溉用水均由水庫供水,下游河道無航運功能,因此下泄流量主要保證下游生態景觀用水.根據已有研究成果[1-2],工程以壩址90%保證率最小月均流量值作為壩址斷面處的生態流量成果,為12.1m3/s.根據項目初設成果,水庫設計調度規則為:1)優先滿足下游河道基流,再保障供水、灌溉取水,最后多余水量經過壩后電站機組發電產能后下放;2)當天然來水流量不滿足最小下泄生態流量時,按天然實際來水流量下泄.

　　2模型建立

　　夾巖水利樞紐工程是對貴州水資源開發的關鍵性工程,根據設計調度規則,在滿足安全運行的條件下優先滿足下游河道基流,再滿足供水、灌溉用水要求,最后利用可發電水量保證發電效益最大化,據此工程的生態調度數學模型見式(1)~(8).

　　3求解方法

　　當前對水庫優化調度計算的方法較多,主要有動態規劃(DP)[27-29]、遺傳算法(GA)[30-31]、粒子群算法(PSO)[32-33]、神經網絡算法(ANN)[34-35]等,根據算法的特性可將諸多算法分為兩大類,一種是以動態規劃為代表的線性求解法,該類方法能求得數學模型的最優解,但計算效率較低;另一類是以遺傳算法為代表的智能優化算法,此類方法計算效率快,但無法保證計算結果為最優解.由于本研究對夾巖水利樞紐的生態調度目的是對未建成的水利樞紐,就施行生態調度方案可行性的探討.考慮到求解的生態調度方案缺少實際運行情況的對比分析,為此,在保證優化調度計算效率的前提下,提出可行的生態調度方案為目標.

　　本次研究主要采用成熟的智能優化算法對模型進行求解,未對計算方法做出較大改進.通過對比現行的求解方法,確定了采用NSGA-Ⅱ算法對模型進行求解.NSGA-Ⅱ算法是由Deb等[36-37]于2002年,通過改進非支配排序遺傳算法(NSGA)提出的一種求解多目標優化計算問題的方法,該方法主要采用非支配排序、Pareto最優等,具有良好的搜索速度和最優序列遺傳性.根據夾巖水利樞紐生態調度模型的目標函數和約束條件,結合NSGA-Ⅱ的計算流程,確定模型計算步驟,主要包含內容如下:

　　1)通過隨機創造一個父代種群P0,通過指定一個適應度值,采用非支配排序、交叉變異等方法,得到后代種群Q0,大小為N.2)以此類推,通過t次循環計算后,將子代Qt與父代Pt合并組成Rt,種群大小為2N,結合適應度值和非支配排序,得到系列非支配集F1,并計算擁擠度.3)由于Rt中包含子代和父代樣本,經過非支配排序以后的非支配集F1中所包含的樣本是最優良的子代,也是新的父代P(t+1).4)如果F1的樣本數小于N,則向P(t+1)中補充非支配集F2中的較優樣本,直到P(t+1)樣本數量為N,然后通過交叉變異得到新的子代Q(t+1),模型進化計算流程示意.如此逐步計算,得到最優的子代種群,進而得到計算成果中的最優解.

　　4計算結果與分析

　　根據夾巖水利樞紐的工程參數、調度規則、生態流量成果等,分別對不同典型水文年的來水過程進行了優化調度計算.參考夾巖水利樞紐項目設計方案中對夾巖壩址處1957—2012共55年的歷年逐月平均徑流量分析成果,確定選取1968—1969、2002—2003、1993—1994分別作為豐、平、枯各典型年的計算輸入條件。以各典型年的年徑流過程作為輸入條件,計算不同典型年來水條件下的生態優化調度方案。

　　以夾巖水利樞紐發電量和年內生態流量滿足率最大為生態調度目標,在考慮防洪、供水、灌溉等用水約束條件下,分別對豐、平、枯不同來水條件下的調度過程進行了計算.由計算結果可知:

　　1)通過實施生態調度,能夠在保證供水、灌溉的條件下,最大程度滿足生態流量要求,根據計算成果,豐水年的年內生態流量滿足率為100%,平水年次之為96.14%,枯水年最低為92.27%.2)開展生態調度,能最大程度利用水能,根據計算成果,豐水年的最大發電量為2.791億kW·h,高于設計發電量成果值;平水年最大發電量為2.116億kW·h,枯水年最大發電量為1.278億kW·h,均低于設計發電量成果值.

　　3)對比夾巖水利樞紐的多年平均發電量與優化調度計算得到的不同典型年發電量可知,豐水年水量豐沛,可以增加水庫的發電量;平水年、枯水年,水庫來水量偏低,且本研究考慮的年內生產生活供水量、灌溉供水量的滿足率均為100%,高于項目設計的灌溉80%保證率的要求,一定程度上減少了水庫的發電量.

　　通過實施生態調度,能夠保證灌溉需水和生產生活用水的需求,也能最大程度滿足生態流量要求,總體上開展生態調度并不會造成整體經濟效益的虧損.從社會生態角度分析,對夾巖水利樞紐工程展開生態調度的研究,致力于改善區域水環境,是生態文明建設的必要.

　　5結論

　　1)通過實施生態調度,在保證供水、灌溉的條件下,豐水年的最大發電量為2.791億kW·h,年內生態流量滿足率為100%;平水年最大發電量為2.116億kW·h,年內生態流量滿足率為96.14%;枯水年最大發電量為1.278億kW·h,年內生態流量滿足率為92.27%.

　　2)平水年、枯水年的發電量低于設計多年平均發電量,年內生態流量滿足率低于100%,主要是因為枯水年上游來水量較少.3)對夾巖水利樞紐開展生態調度,在保證灌溉需水和生產生活用水的情況下,能提高生態流量滿足率和發電量,有利于片區生態環境保護和社會經濟發展.

　　參考文獻:

　　[1]鄧偉鑄,徐婉明,劉斌,等.大型水庫不同取水方式對下游魚類生態環境影響研究:以貴州省夾巖水利樞紐工程為例[J].人民珠江,2019,40(8):57-62.

　　[2]鄧偉鑄,廉浩,等.大型水利樞紐工程最小下泄流量的確定:以貴州夾巖水利樞紐為例[J].人民珠江,2016,37(5):68-71.

　　[3]郭生練,陳炯宏,劉攀,等.水庫群聯合優化調度研究進展與展望[J].水科學進展,2010,21(4):496-503.

　　[4]董哲仁,孫東亞,趙進勇.水庫多目標生態調度[J].水利水電技術,2007,38(1):28-32.

　　[5]陳慶偉,劉蘭芬,劉昌明.筑壩對河流生態系統的影響及水庫生態調度研究[J].北京師范大學學報(自然科學版),2007,43(5):578-582.

　　[6]王俊娜,李翀,廖文根.三峽-葛洲壩梯級水庫調度對壩下河流的生態水文影響[J].水力發電學報,2011,30(2):84-90.

　　作者：侯業楹1,2萬曉安1,2姚軍1,2付占魁1,2