二层结构的流域生态调度研究 I：方法与模型

二层结构的流域生态调度研究 I：方法与模型摘要：针对现有生态调度研究和实践以工程为中心、流域水量调控考虑缺乏的问题，提出在水量调控根底上进行工程调度的二层结构流域生态调度模型。模型上层先模拟水资源配置决策摘要：针对现有生态调度研究和实践以工程为中心、流域水量调控考虑缺乏的问题，提出在水量调控根底上进行工程调度的二层结构流域生态调度模型。模型上层先模拟水资源配置决策下的径流过程、水利工程入流以及供水结果，以此为目标和约束条件优化工程调度规那么，作为下层水利工程调度的依据，实现符合总体水量决策下的流域整体生态调度。根据影响河道水量过程的决策因素，从社会经济需求控制、水源开发利用和工程运行调度三方面分析流域生态调度调控措施，按照经济生态逐步协调均衡的原那么提出从现状模式到综合模式的方案设计方法，形成流域生态调度的整体方法和模型。游进军; 薛志春; 林鹏飞; 蒋云钟; 魏娜， 水利学报 发表时间：2022-08-02关键词：二层结构;生态调度;水资源配置;调度线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平安的水资源调控模式，是水资源管理开展的新阶段。流域水量调控的社会经济效益主要是保障经济社会开展用水，河流生态健康主要表达为生态水量的保障，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兴旺国家所提出，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。Petts3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，无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根本概念及模型;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，在此根底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、河谷生态系统平安为目标，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采用改良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，国内局部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;-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缺乏的问题。已有研究和实践说明，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响分析，工程调度决策对流域水量调控决策支撑缺乏。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根本稳定。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，协调保障经济开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开展到调控流域经济、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根底上，实现社会经济开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。工程调控措施那么更具针对性，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根底，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，根本结构如图 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。二者的耦合关联表达在两个方面;(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，在全流域水量模拟根底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那么，得出满足生态流量要求下对经济目标最有利的调度方式。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，在流域水量调控根底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，对工程的调度规那么进行优化。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，到达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。为明确系统中各类根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。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根底，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，通过规那么模拟提供满足各类需