汉江中下游流域多水库群生态调度策略研究

工程4（2018）627研究分水岭-文章多水库群调度策略研究--以汉江中下游流域为例王浩a，雷晓辉a，王晓飞a，严登华a，王旭a，吴舒跃b，尹正杰c，万文华b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，北京100038b清华大学水利工程系水利科学与工程国家重点实验室，北京100084c长江科学研究院水利部，武汉430010阿提奇莱因福奥文章历史：2017年12月26日收到2018年4月26日修订2018年9月5日接受在线发售2018年关键词：多水库系统防洪调度汉江流域环境流量要求A B S T R A C T多水库系统的建设和运行改变了河流的自然流态，从而对河流生态系统产生不利影响。为了平衡人类需求和生态系统需求，提出了一种以生态为导向的多水库系统调度策略，将环境流量需求融入多水库系统的联合调度中，以维持整个河流的不同生态功能。该策略是一种常规的最优运行方案和一系列实时的生态运行方案的结合。在人类用水需求与生态系统对环境流量需求的不相容性相对较小的时段内，在最小放水量的约束下，实现人类多种用水效益最大化的常规最优调度方案。当水库引起的水文变化对河流的主要生态功能产生重大负面影响时以汉江中下游大型水库群为例，验证了该调度策略的实际应用结果表明，实时生态调度方案能保证河流关键生态功能的环境流量要求，定期优化调度方案能补偿对人类用水效益的不利影响。本文提出的水库群生态调度策略，丰富了考虑环境流量要求的水库群联合调度的理论应用©2018 The Bottoms.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍水库是流域水资源开发和管理的最有效工具之一。截至2017年，世界上大型水坝的数量超过58000座，其中约24000个位于中国[1]。水库群联合调度问题已受到广泛关注[2多水库联合调度是指水库的放水决策不仅取决于该水库的状态，而且还取决于系统内其他水库的状态，从而提高了调度效率，*通讯作者。电子邮件地址：lxh@iwhr.com（X. Lei）。整个系统的效率[4]。多水库系统联合调度的研究大多集中在开发满足人类用水需求的方法上，而明确纳入环境流量要求的研究较少[5]。多水库系统的建设和运行会阻塞河流并在流域形成蓄水池，导致从上游到下游的河流水流状态发生变化，并对河流生态系统产生负面影响[6环境流量的概念是为了定义河流中应保留的水量，以及维持特定生态系统条件所需的水量随时间的变化[9]。在油藏管理中，环境流量要求通常涉及满足最低流量要求。它们可以很容易地转化为最小值https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.09.0022095-8099/©2018 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。目录可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng628H. Wang et 其他/工程4 （2018）627水释放政策，并纳入目前使用的操作规则[5，10]。然而，这种方法忽略了重要的作用，流量的变化在维持生态健康的河流。人们普遍认为，河流水流状态（包括河流流量的大小、频率、持续时间、时间和变化率）是河流生态系统结构和功能及其生物群适应性的主要控制因素[11]。将环境流量要求纳入多水库系统运行是恢复河流生态系统的有效途径[12]。Richter和Thomas[12]提出了一个概念框架，用于规划和实施大坝再运行项目，以恢复有利于河流生态系统的自然水流特征许多研究致力于改进水库运行方法，以模拟自然流态[10]。例如，Yin et al.[13]将水库调度规则曲线和最小放水量策略结合起来，形成一个既能使下游河流水文变化最小，又能使供水短缺最小的常规最优调度方案Steinschneider等人[14]估算了整个流域关键位置的环境流量要求，并提出了一个大型水库系统的最佳运行模型，以检查生态目标和跨流域水库目标之间的权衡充分利用预报信息已成为提高水库系统调度效率的有效途径[15，16]。一些研究已将预报信息纳入水库生态调度中.例如，Yin等人[17]分别提出了丰水年、平水年和干旱年的三种环境流量管理策略。这些策略与水库运行规则曲线相结合，形成了一个水库运行方法，在给定的供水约束条件下优化Wang等人[18]提出了一个水库运行决策框架，包括：考虑到多种人为用水和环境流量要求。该框架被证明是预测流流量信息的实例。虽然许多研究将环境流量要求纳入水库调度，但很少关注确定河流的关键生态功能，并将其环境流量要求纳入当前使用的多水库系统调度规则。在这项研究中，我们提出了一个多水库系统的生态为导向的调度策略，结合定期优化调度方案与一系列的实时生态调度方案。这一战略以汉江中下游某大型水库群为例进行了仿真运行验证。本研究的其余部分组织如下：第二节提供了一个概念性的描述生态为导向的多水库系统的运行策略。第三部分描述了汉江中下游水库群系统。第4节和第5节分别介绍了该系统的常规优化运行方案和实时生态运行方案。第6节提供了结果，第7得出了结论。2. 生态化经营战略的概念描述提出了面向生态的水库群系统调度策略，明确了河流不同生态功能对环境流量的要求，并将其整合到目前使用的水库群系统调度规则中。为了平衡人类需求和生态系统需求，多水库系统运行分为两个阶段（图1）。将人类用水需求与生态系统对环境流量需求之间的矛盾相对较小的阶段称为正常调度阶段，将水库调度对河流主要生态功能产生重大负面影响的阶段在每个阶段中，采用不同的子策略在正常运行阶段，采用常规优化运行方案，通过最小放水策略考虑环境流量要求应用生态水文分区的概念，识别不同河段的主要生态功能，并采用相应的方法估算这些功能所需的最小环境流量。为了在最小放水量约束下实现人类综合用水效益最大化，对目前常用的水库群调度规则进行了优化。多目标优化方法被应用于研究多个人类用水效益，包括供水，防洪，发电，等等之间的权衡。可以根据决策者的偏好导出推荐的解决方案。在生态化运行阶段，制定了一系列实时运行方案，实现了生态化Fig. 1. 水库群生态调度策略的概念描述。FMCC：中国四大鲤鱼。×××H. Wang等人/工程学4（2018）627-634629目标优先。主要研究具有重要生态功能的河流生态过程的恢复，以及受河流水文变化影响较大的河流生态过程的恢复。利用水文生态学相关知识和建模方法，建立了描述流域流态的水文指标与描述流域生态状况的生态指标环境流量要求可以指定为流量分量保持在其中的数值范围;或者，它们可以表示为特定流量特性的阈值限制。并制定相应的实时调度方案，调整水库出库流量以满足环境流量要求。这些实时操作计划的实施与生态和水文预报信息的支持，以捕捉环境流量事件的时间和适应可用水资源的变化。因此，在生态调度阶段，实时的生态调度方案可以保证河流关键生态功能的环境流量要求在长期尺度上，实时生态运行对人类用水效益的不利影响可以通过定期优化调度方案得到部分补偿。第4节和第5以案例研究的形式展示了每个子战略所采用的关键方法。3. 系统描述汉江是长江最大的支流，干流长1577公里，流域面积1000平方公里，1.59 105 km2.本文以汉江中下游流域16座大中型水电站的水库群为研究对象。 2）。在这个系统中，丹江口水库具有防洪、供水、发电等多重功能。其他水库的主要功能是发电。该系统的总装机容量为3071.5 MW。丹江口水库是南水北调中线工程的水源地，向京、津、冀、豫调水9.5109立方米引江许多研究分析了这一多水库系统对汉江流域生态水文条件的影响1933 - 2008年，汉江中下游天然来水量呈下降趋势，水库和南水北调工程的建设加剧了这一下降趋势[19]。径流量的减少干扰了河流生物群落，导致水华频繁爆发。此外，汉江中下游是青鱼、草鱼、鲢鱼和鳙鱼等四大家鱼的主要栖息地。快速的水流上升是FMCC产卵的线索。然而，水库的建造和运行减小了水库的大小，图2. 汉江中下游流域水库群系统及生态节点图。××Y不不.XQin;t-Q out;tt1/2t1/2H. 630号 Wang et 其他/工程4 （2018）627流量上升的持续时间[20]。根据观测资料，汉江中下游已消失了3个FMCC产卵场，鱼卵数量从5.0枚减少到1.5枚，108个人（印度）在1970年代至3.2 2007年10月7日[21]。研究中使用的历史流量（水位）数据数据范围从1929年到2016年。根据中国水利部水生态研究所和中国科学院于1977 ~ 1978年、2004年和2006 ~ 2007年进行的3次鱼类资源调查资料，分析了长江三角洲鱼类的繁殖事件根据1992 - 2012年水质监测断面的水华暴发监测数据，分析了水华暴发的原因。4. 常规优化运行方案4.1.仿真模型将流量要求转化为最小释放政策，并与人类用水操作规则相结合。4.2. 优化模型4.2.1. 目标函数水库群系统的目标是最大化削峰率R、年平均发电量E和年平均供水量W。该多目标优化问题表示如下：最大值fR;E;Wg代表丹江口水库对下游碾盘山水电站防洪效益的洪峰扣除率R计算如下：“Xnf .#，Xnf针对汉江中下游水库群系统调度目标多的特点，将其划分为两个子系统。丹江口水库是位于长江上游的年调节水库，承担着长江流域的大部分防洪任务。其防洪目标是确保下游碾盘山水电站在水库泄洪时的安全江口水库遭遇百年一遇洪水。所有的储备-其中，Qin，t和Qout，t为第t时段丹江口水库的入库流量和出库流量，nf为在假定丹江口水库防洪功能不存在的情况下，碾盘山水电站遭遇超水位洪水的时段数代表水库群系统发电效益的年平均发电量E计算如下：系统中的燃料具有发电功能。的该系统的上层为ME¼1/1Xj1/4Xk1/4尼亚克！，Y2003发电站在模拟调度模型中，防洪模拟调度以设计洪水为输入，时间步长为6 h。发电模拟运行和供水模拟运行以历史径流量为输入，以日为时间步长。其中Nijk是第i个水库在j年第k天的产量，M是水库的数量，Y是年数，T是j年的总天数。南水北调中线工程年均供水量W代表中线工程年均供水效益，计算如下：4.1.1. 人类用水操作规程水库群系统的正常调度是在调度图的指导十次手术YW¼第1页Xk1/4SupJK！，2004年水库群系统目前采用了10张调度图，其中丹江口水库防洪调度图、供水调度图各1张，八大水电站发电调度图8张。每个操作图包括若干个操作规则曲线。在此基础上，根据水库现状水位与规则曲线的关系，以一定的减流量原则由于运行规律曲线是一条连接一系列拐点的曲线，因此可以通过系统所有运行图中所有拐点的水位和时间来描述人类用水运行用162个决策变量描述了人类用水的操作规则。4.1.2. 最低放行政策根据水文情势、地貌特征、水生生物和人为因素，将汉江中下游分为保护性河段、开发性河段、鱼类产卵河段和污染河段4种类型。2）。根据这四类河段的特点，分别采用湿周法[22]、Tennant法[23]、生境模拟法[24]和环境功能设定法[25]估算最小需水量。最小需水量为500m3·s-1。该最小其中Supjk为j年第k天的中线工程供水量。4.2.2. 约束优化模型的约束集反映了由于物理或策略考虑而不能违反的系统特征。这些约束包括对连续性要求、存储容量、闸门和涡轮机排放容量等的约束。连续性方程包括在约束集中，以确保在整个系统中保持质量平衡。蒸发蒸腾在质量平衡方程中被忽略。闸门和水轮机泄流能力用于限制出流流量。除了基础设施的物理限制外，符合环境要求的最低释水政策也是一种限制。4.2.3. 求解方法为了确定最佳的操作方案，最大限度地提高人类用水的最小释放限制下的整体效益，162个决策变量的操作图需要修改。非支配排序遗传算法II，这是基于一个可行域搜索（NSGA-II-FRS），被用来确定这些决策变量的帕累托最优集。NSGA-II经常用于解决多目标优化问题，并且基于进化算法来找到Pareto最优前沿[26]。可行域搜索.XR¼Qin;t2······×·×·H. Wang等/工程学4（2018）627-634631该方法考虑了运行规则曲线上各拐点的图形约束和运行经验约束，构造射线扫描公式，为各拐点处的水位寻找可行空间[27]。它保证了NSGA-II的种群采样、交叉和变异都在可行域内进行，大大提高了多目标优化的效率。5. 实时操作方案以刺激赤潮生物产卵和控制水华为生态目标，制定了汉江中下游水库群实时调度方案在实时调度方案中，水库的出流被修改以满足这两个生态目标所需的径流量。5.1. 考虑FMCC产卵的实时操作方案5.1.1. 环境流量要求FMCC的主要产卵期为每年的7月至8月，这段时间的水温一般高于18 °C，适合产卵。在此期间，洪水引起的径流上升作为刺激FMCC产卵的线索。径流量上升的规模和持续时间是决定产卵事件发生和规模的两个因素。选择位于鱼类产卵河段的沙洋水文站作为重点生态节点。通过分析1976年、2004年和2007年3次鱼类产卵期沙洋水文站实测流量上升特征（表1），确定鱼类产卵期的流量需求为流量上升速率大于390m3·s-1·d-1，持续时间大于3d。5.1.2. 触发条件选择丹江口水库作为实时调度的实施对象。在实时调度方案的指导下，对丹江口水库出库流量进行了调整，使出库流量与河流自然流量同步增加唐白河是丹江口-沙洋河段天然径流的主要来源.当唐白河天然流量增加到230m3 s- 1d-1以上，历时超过3d时，实施实时调度，将在沙洋水文站造成390 m3 s- 1d-1以上5.1.3. 操作方案为了适应可用水资源的变化，将丰水年、平水年和枯水年的三个子方案与实时运行方案相结合（表2）。这些子方案的选择取决于丹江口水库不同的蓄水位和不同的水库表1沙洋水文站年流量上升1976流量上升率（m3·s-1·d-1）410.0持续时间（d）420041250.03458.68990.032007393.26817.08流入条件。当水资源充足时，触发丰水年的“高”计划，释放更多的水，以确保大规模的FMCC产卵。当可用水量有限时，干旱年份的5.2. 考虑水华控制的实时运行方案5.2.1. 环境流量要求汉江中下游水华暴发主要集中在1 ~ 3月、钟祥水库周边及汉江口附近河段。引黄工程的建成和运行，增加了兴隆水库下泄流量，有利于控制水华暴发。于是，以兴隆水库为界，汉江中下游分为上游和下游。上游选择沙洋水文站作为生态节点，下游选择仙桃水文站作为生态节点。对汉江中下游水华暴发的长期调查表明，枯水期（1 ~ 3月）枯水过程持续7 d以上时，容易发生水华因此，我们选取1992 - 2012年7天最小流量的表层作为样本，计算了不同流量下水华暴发的概率。然后，我们绘制了相对于7 d最小流量不会发生藻华的概率，如图3所示。根据该图，沙洋站和仙桃站控制水华暴发的流量阈值分别为900和800m3 s-1。5.2.2. 触发条件及操作方案当观察到水华爆发趋势时，触发用于控制水华的实时水库调度方案（表3）。兴隆水库以上河段，若沙洋站藻类密度累积值接近1 106ind L-1，则增加丹江口水库出库流量，以保证沙洋站流量大于900m3s-1，历时7 d。兴隆水库以下河段，当仙桃水文站藻类密度累积接近1 106ind L-1时，联合运用引黄水厂和兴隆水库加大出流，保证仙桃水文站流量连续7 d大于80 0m3·s-16. 结果6.1. 常规优化运行方案与现行方案图图4给出了基于最优运行方案的长序列历史水文情势下R、E、W的帕累托前沿值。最后根据决策者的偏好给出了推荐方案。该方案保证了中线工程的供水量不低于现行规则下的年平均供水量，同时最大限度地发挥了发电和防洪的综合效益。 与现有方案的模拟运行结果相比，推荐方案的R提高了4.24%，E提高了1.41×108kW·h，W提高了3.5×107m3。×××·××H街632号 Wang et 其他/工程4 （2018）627表2考虑FMCC产卵的实时操作方案。子方案水文年丹江口水库水位（m）入库流量预测（m3·s-1）沙洋水文站流量增长目标（m3·s-1·d-1）‘‘Low” schemeDry year‘‘Middle” schemeNormal year160 (steady orwith downtrend)‘‘High”丹江口水库防洪水位为160 m。图3.沙洋水文站和仙桃水文站7天最小流量与不发生水华概率之间的关系。表3考虑水华控制的实时运行方案河段藻类密度放电对象的单持续时间目标兴隆水库上方（沙洋水文站）(ind·L-1）1×106（m3·s-1）≥900（d）≥7兴隆水库以下（仙桃水文站）1× 106≥800≥76.2. 实时调度方案对人类用水效益的影响6.2.1. 考虑FMCC产卵的实时操作方案的影响将考虑FMCC产卵的实时调度方案纳入常规优化调度方案。为了评估考虑FMCC产卵的实时调度方案对人类用水效益的影响，在丰水、平水和枯水三种水文条件下（分别为1968年、1976年和1998年），将基于该耦合调度方案的模拟运行结果与基于常规优化调度方案的模拟运行结果进行了比较，结果表明，图4.洪峰扣除率R、年均发电量E、年均供水量W的帕累托前沿值。表4推荐方案与现行方案的模拟运行结果对比场景R（%）E（×106kW·h）W（×106m3）推荐方案91.5678429963目前使用的方案87.3277019928差异4.24141351957年分别作为多雨、正常和干旱的典型年）。在丰水、平水、枯水工况下，实时运行分别使发电量减少3.05 × 108、1.69 × 108，和1.03×108kWh，分别减少供水量0、2.69× 108和7.01 ×107m3。 在一般情况下，实时运行方案，目标是高流量上升的发电和供水的影响更大。这些影响也受到水库入库流量的影响。如果水库实时运行后遇到较大的入库流量，这通常发生在丰水年，实时运行造成的水量损失可以很容易地得到补偿。6.2.2. 考虑水华控制将考虑水华控制的实时调度方案为评估考虑水华控制的实时调度方案对人类用水效益的影响，在1992、1998、2000、2008和2010年历史水文条件下，将该耦合调度方案与常规最优调度方案的模拟调度结果进行了比较，（发生藻类水华的年份实时运行使丹江口水库年发电量略有增加，×·H. Wang等人/工程学4（2018）627-634633平均增加1.6 × 107 kW h。但实时运行使中线工程年供水量平均减少1.21×108m3。6.3. 基于生态导向运行策略将推荐的常规优化调度方案、考虑FMCC产卵的实时调度方案的中间子方案和考虑水华控制的实时调度方案将基于生态导向运行策略的模拟运行结果与基于当前使用的运行方案的模拟运行结果进行比较（表5）。研究发现，在年度尺度上，实时运行造成的发电和供水效益损失可以通过长期的定期优化运行得到部分补偿。因此，以生态为导向的运营策略可以在维持河流关键生态功能的环境流量需求的7. 结论提出了一种基于两个水库调度阶段的水库群生态调度策略在水库群正常调度阶段，将最小放水策略与人类用水调度规则相结合，形成一个使人类多种用水效益最大化的水库群正常最优调度方案在生态调度阶段，实时调度方案的设置，以修改从水库流出，以满足河流的关键生态过程的环境流量要求该调度策略将常规优化调度方案与实时调度方案相结合，实现了人类用水需求与环境流量需求的协调。以汉江中下游大型水库群为例，验证了该调度策略的实用性。在常规调度阶段，与现行调度方案相比，常规优化调度保证了最小流量释放，提高了发电、防洪、供水的综合人类用水效益。在生态调度阶段，实时调度方案对水库出库流量进行修正，以满足鱼类产卵和水华控制的环境流量要求。在年度尺度上，实时运行造成的发电和供水效益损失可以通过长期的定期优化运行得到部分补偿本案例研究说明了使用该策略平衡人类用水需求与环境流量要求的可行性表5基于生态导向运行策略与现行方案的模拟运行结果比较。该战略可从以下三个方面进行改进：①该战略对河流关键生态功能的识别较为经验化，需要引入更多的生态水文学知识，使其更具科学性。②实时调度方案仅在历史水文形势下进行论证，以完善的预报为输入。研究预报的不确定性对水库生态调度的影响，并在制定水库生态调度方案时考虑这些不确定性是十分③该策略的实施效果仅以模拟运行为例进行说明这一战略一旦付诸实践，就需要对其实施效果进行长期的监测和评估，并不断进行调整。确认本研究得到了国家重点研发计划（2016YFC 0402208、2016YFC0401903、2016YFC 0400903）、国家自然科学基金（51709276）和流域水循环模拟与调控国家重点实验室（2016CG 05）的联合资助。遵守道德操守准则王浩、雷晓辉、严登华、王旭、吴舒跃、尹正杰和万文华声明，他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用[1] 按国家成员分列的水坝数量[互联网]。巴黎：ICOLD CIGB。[2018年4月16日]。可查阅：http://www.icold-cigb.org/article/GB/world_register/general_synthesis/number-of-dams-by-country-members。[2] Labadie JW.多水库系统的优化调度：最新进展。水资源规划管理杂志2004;130（2）：93-111.[3] Rani D，Moreira MM.模拟优化建模：水库系统运行的调查和潜在应用。水资源管理2010;24（6）：1107-38.[4] 王红，雷X，郭X，蒋Y，赵T，王X.水库群调度理论与实践。见：王力宏，杨静，王明华，编辑。水资源管理的进展。环境工程手册。Cham：Springer; 2016. p. 1-110[5] ChangL，Chang F，Wang K，Dai S. 多用途水库优化调度的约束遗传算法。JHydrol 2010;390（1-2）：66-74.[6] Bunn SE，Arthington AH.水生生物多样性水流变化的基本原理和生态后果。环境管理2002;30（4）：492-507.[7] Pamplege.可持续河流管理的内流科学。J AmerWater Resour Assumption 2009;45（5）：1071-86.[8] 温新，刘志，雷新，林荣，方刚，谭强，等。沅水生态水文学的未来变化：气候变化和梯级水电开发对径流和水生生境质量的个体和累积影响。SciTotal Environ2018;633：1403-17.[9] 王J，布朗C，萨比特H。河流环境流量评估的一种基于生态系统的整体方法。RiverRes Appl2003;19（5-6）：619-39.[10] Jager HI，Smith BT.可持续的水库运营：我们能发电并保护生态系统价值吗？River Res Appl 2008;24（3）：340-52.[11] Poff NLR，Allan JD，Bain MB，Karr JR，Prestegaard KL，Richter BD，et al.Thenatural flow regime.生物科学1997;47（11）：769-84.[12] 作者：Richard B.通过修改大坝运行来恢复环境流量。Ecol Soc 2007;12（1）：第12条。[13] 尹X，杨Z，杨W，赵Y，陈H.优化水库调度以平衡人类和河流生态系统需求：模型开发和案例设想E（×106kW·h）W（×106m3）中国汤河流域汤河水库的研究。Hydrol Processes2010;24（4）：461-71.[14] SteinschneiderS，Bernstein A，Palmer R，Polebitski A. 水库管理常规优化运行方案实时操作方案导致的衰减生态导向战略与现行方案141 35153 390-12-355优化康涅狄格河流域生态恢复。水资源规划管理杂志2014;140（9）：04014023.[15] 雷新，谭强，王新，王宏，文新，王超，等。基于Copula函数的水库随机优化调度。J Hydrol 2018;557：265-75.[16] 赵涛，赵杰，杨东，王宏.径流预报不确定性演化的广义鞅模型。Adv WaterResour2013;57：41-51.634H. 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