水库生态环境调度的研究

水库生态环境调度的研究

植国荣

广州水文分局三善滘水文站广东广州510000

摘要：水库生态环境调度能够有效降低水库建设和运行对生态的影响，改善和维护河流生态系统的健康。本文对水库生态环境调度展开了研究，分析了水库生态环境调度的方法，并结合实际案例，对水库生态环境调度情景设计进行了详细的介绍。

关键词：水库；生态环境调度；研究

0引言

随着我国国民经济的快速发展，水电水利工程的建设也日益增加，对经济的发展及社会的进步起到了重要的促进作用，但同时也对河流生态环境带来了负面的影响，如下流河道干涸、生态多样性锐减、水体富营养化等问题。为降低水库运行对河流生态系统的负面影响，开展以维护、改善河流生态环境为目标的水库生态环境调度十分必要。

1研究背景

本文选择各月平均流量、10d最大流量、高流量延时、低流量延时以及流量平均增加率等5个指标，作为某水库引水后的生态目标。设计了生态流量约束法与生态供水限制线法两种生态调度方法，计算其在不同用水户供水量分配情景下的调度结果。生态供水限制线法能够充分利用生态流量的其它方面属性，使相同工业与生活、农业供水量情景下的生态目标整体优越于生态流量约束法，可以作为该水库引水条件下的生态调度方法。

2方法

2.1生态目标计算方法

水文变化指标法(IHA)由于能够全面地对河流生态系统的整体状况进行描述，因此成为一种评价工具被人们广泛地应用于对河流的研究与管理中去。Brian等在水文变化指标法(IHA)的基础上，提出了利用RVA法对河道水文情势变化情况进行评价的新方法。但是，RVA法计算的只是各个指标落在目标范围内的频率，对于落在目标范围之外的指标，其值是位于目标范围的上限之上、还是下限之下，被完全忽略，导致其对流量序列评价不准确。

2.2生态调度方法设计

2.2.1生态流量约束法生态流量约束法，是根据给定的生态流量过程，在调度中以约束条件的形式进行满足。该种方法将生态需水作为必须满足的条件，在调度中给予100%的优先满足。

2.2.2生态供水限制线法为了使缺水时期生态环境用水不对水库其它用水户的供水产生较大的压力，满足工业与生活、农业供水的保证率需求，本文对生态环境设计了限制供水的策略，与生态流量约束法的调度结果进行对比，以确定效果较优的生态调度方式。该方法是在水库初始调度图中，增加生态环境供水限制线，通过优化生态环境供水限制线在调度图中的位置，确定水库在不同蓄水情况下的生态环境供水策略，获得对各个供水目标最优的供水规则。

3.1研究区概况

本文以某水库为研究对象，以水库输水应急入工程为研究背景，研究引水工程实施后，对于水库下游河道生态环境目标最优的生态调度方法。该水库主要有工业与生活、农业两个用水户，引水前其供水量分别为2.5亿m3与0.2442亿m3，设计供水保证率为95%与75%。

3.2调度情景设计

根据水文变化指标(IHA)对生态系统各个方面的响应关系及水库的河道生态环境特点，选择各月平均流量、10d最大流量、高流量延时、低流量延时以及流量平均增加率等5个指标作为本文的生态调度目标，以检验不同生态调度方法对调度目标的有效性，确定适合本文的生态调度方法。

另外，为了将生态流量约束法与设置生态调度线法两种不同生态调度方案的效果进行对比，本文在按最大引水能力引水后，对不同用水户实施不同的供水分配方案。受长距离高额引水成本的限制，引水工程实施后，设定水库对工业与生活增加的供水量不少于1亿m3，即引水后，水库对工业与生活的供水量不少于3.5亿m3，而对农业供水量设置0.2442、0.4、0.6、0.8、1亿m3等几种情况，分析在不同的农业供水情景下，工业与生活供水量以0.2亿m3的步长逐渐增加时，富余引水量在工业与生活、生态环境供水之间再分配的效率问题。对于两种不同的生态调度方法，其目标函数及约束条件等调度情形设置如下。

3.2.1生态流量约束法即在调度过程中，按照设计的时段生态需水量，以水库泄流的方式进行100%满足。优化变量为工业与生活、农业供水调度线上的水位参数。

3.2.2设置生态调度线法设置生态调度线法增加了生态环境供水调度线，因此，其优化变量除了工业与生活、农业供水调度线上的时段水位参数外(36+16=52)，还包括生态环境供水调度线上的时段水位参数。因此，其优化变量总个数为52+36=88个。该种情景下，水库对各用水户的供水顺序分别为工业与生活、农业、生态环境。当水库当前水量或未来来水不足时，水库对生态环境按照预先确定供水量的50%实行限制供水。除此之外，水库的调度目标及各项约束条件，与生态流量约束法设置相同。

4结果及讨论

利用带精英策略的非支配排序遗传算法－NSGA－Ⅱ，对最大引水能力条件下两种生态调度方法对于不同工业与生活、农业、生态供水组合方案下的调度情况进行求解。由于对于工业与生活和农业供水，其供水保证率分别为95%与75%，在调度中被要求强制满足，因此在确定最优生态调度方案时，只从每种情景的可行解中挑选出对生态环境目标最优的解，作为各种情景调度结果的对比情况，如图1所示。其中，算法基本参数设置如下:种群规模为100，交叉概率Pc为0.1，变异概率Pm为1/m(m为优化变量的个数)，最大进化迭代次数为30万代。

图1中，横坐标表示工业与生活供水量，横坐标表示生态环境目标值。根据公式(1)与(4)，生态环境目标是5个生态指标总体隶属度值的均值，为0～1之间的数值，无单位。

从图1可以看出，无论是对于方案①还是方案②，在同样的农业供水量条件下，随着工业与生活供水量的逐渐增加，生态环境目标值逐渐减小，并且随着工业与生活供水量的增加，生态环境目标的下降速率逐渐增大。这是因为工业与生活、生态环境供水量之间存在明显的竞争关系。当工业与生活供水量较少时，则可用于生态环境的供水量较多，生态目标值较大；随着工业与生活供水量的逐渐增加，可用于生态环境的供水量逐渐减少，使生态目标逐渐下降。并且当工业与生活供水量较少时，可用于生态环境的供水量较多，因工业与生活供水量增加而导致的生态环境减少量并不会对其目标造成非常大的影响，而当生态环境可供水量降低到一定程度时，其单位供水量的减少不仅会对生态流量的量值造成很大的影响，同时影响到生态流量的过程，从而使生态目标整体下降较大。

对于每种农业供水量情景，当生态环境供水量达到其设计最小值0.3亿m3时，其可以实现的最大工业与生活供水量，方案②都优于方案①。这是因为生态调度线法，即对生态环境实施限制供水的策略，通过对水库缺水时段的生态环境供水限制措施，很大程度上缓解了水库缺水时期的供水压力，从而提高了水库长系列的整体供水能力，使在相同的农业供水情景下，水库可以实现的最大工业与生活供水量增加。

另外对于任何农业供水量情景，相同工业与生活供水量条件下的生态环境目标值，方案②也都优于方案①。这是因为限制供水策略使水库在某些缺水时段对生态环境供水量减少的同时，使水库有更多的水量提升非供水紧张期、但对生态目标整体提升有利的时段供水量，使生态环境的年内供水过程向着更有利于目标函数的方向优化，从而使生态环境目标的整体值提升。

从图2还可以看出，随着农业供水量的增加，生态环境目标逐渐减小。说明虽然农业用水与生态环境用水存在共用部分，但是他们之间的竞争关系较协同关系更加明显。农业供水量的增加，会使有农业供水时段的生态环境供水量增加。但是这种量值的增加对于生态目标并不具有针对性，与其导致的可根据目标进行量值与过程同时调控的生态环境可供水量减少部分相比，其减少的效果更为明显，从而使生态环境目标值整体降低。

当工业与生活供水量为4.3亿m3、农业供水量为0.4亿m3时，其可以达到的生态环境目标值是最优的。因为在该种情景下，工业与生活供水量与之前的状况相比，有所增加却对生态环境目标降低不大，如果继续增加工业与生活供水量，则会使生态环境目标有较大幅度的降低；而在相同的工业与生活供水量情况下，该情景的农业供水量与0.2442亿m3的情景相比有所增加，而生态环境目标却基本保持不变，但如果继续增加农业供水量，则会使生态环境目标有较大幅度的降低，因此，无论是考虑特定农业供水量情景下，工业与生活供水量与生态环境目标之间的竞争关系，还是考虑一定工业与生活供水量情况下，农业供水量情景与生态环境目标之间的竞争关系，该种供水组合对各个用水户的调度结果都是最优的。因此，本文确定在跨流域引水条件下，通过设置生态环境供水限制线对水库下游河道的生态环境实施调控时，水库的工业与生活、农业、生态环境供水量分别设定为4.3亿、0.4亿以及1.6亿m3。该种情景下，水库的各项调度指标与引水前对比结果如表1所示。

5结语

综上所述，水库具有防洪、发电、灌溉、供水等重要功能，但也对河流生态环境带来了负面影响，而水库生态环境调度能够帮助改善水库调度方式，弥补或减缓水库对生态环境的不利影响。因此，水库管理人员要结合水库的实际情况，对生态目标进行合理的计算，并选择最优的方法进行水库生态调度。

参考文献

[1]再议水库生态环境调度[J].骆文广,杨国录,宋云浩,陆晶.水科学进展.2016(02)267.

[2]考虑不同生态需水方案的水库生态友好型调度研究[J].赵廷红,王鹏全,张永明,肖大太.干旱区资源与环境.2016(09)84.