二層結構的流域生態調度研究 I：方法與模型

　　摘要：針對現有生態調度研究和實踐以工程為中心、流域水量調控考慮不足的問題，提出在水量調控基礎上進行工程調度的二層結構流域生態調度模型。模型上層先模擬水資源配置決策下的徑流過程、水利工程入流以及供水結果，以此為目標和約束條件優化工程調度規則，作為下層水利工程調度的依據，實現符合總體水量決策下的流域整體生態調度。根據影響河道水量過程的決策因素，從社會經濟需求控制、水源開發利用和工程運行調度三方面分析流域生態調度調控措施，按照經濟生態逐步協調均衡的原則提出從現狀模式到綜合模式的方案設計方法，形成流域生態調度的整體方法和模型。

　　游進軍; 薛志春; 林鵬飛; 蔣云鐘; 魏娜， 水利學報 發表時間：2021-08-02

　　關鍵詞：二層結構;生態調度;水資源配置;調度線

　　1 研究背景

　　隨著社會用水需求增加，水利工程規模擴大，水資源開發強度增大。取用水和水利工程運行改變了自然水文過程，從而影響了適應自然水文節律的生態系統。為了維持生態健康，使供用水影響下的徑流過程更好地適應生態水文節律，生態調度應運而生。生態調度是指能兼顧社會經濟效益并維持河流生態健康安全的水資源調控模式，是水資源管理發展的新階段。流域水量調控的社會經濟效益主要是保障經濟社會發展用水，河流生態健康主要體現為生態水量的保障，流域生態調度即是要實現二者的合理均衡。

　　生態需水以及相應的生態調度概念最先由發達國家所提出，強調水資源調配應考慮生態功能。 1970 年以來，國外學者針對水利工程運行帶來的生態環境問題開展研究，包括調度方式的優化和調度對河流生態環境的影響評價兩個方面[1]。Sale 等[2]通過數學方法確定了生物流量需求(INF)與傳統用水目標間的關系，較早探索了生態調度理念。Petts[3]基于取用水改變徑流過程和減少總徑流的兩方面影響，從河流的連通性、生境流量維持等方面分析最小生態流量，針對用水與水文年型組合下的生態流量優化提出了分析方法和模型;Hughes 等[4]建立了滿足生態需水的水庫調度模型;Shiau 等[5]提出以變化范圍法(RVA)確定年內年際變化的生態流量目標，通過帕累托非劣解尋求經濟生態均衡關系開展生態調度;Castelletti 等[6]考慮經濟、社會與環境限制的影響，提出了計算河流最小生態流量的公式，并作為約束條件應用于水庫優化調度研究;Steinschneider等[7]提出了考慮生態效應的流域水庫群多目標調度方法;Nyatsanza 等[8]研究了贊比西河流域水電站在不同生態流量條件下的發電狀況，取得了生態流量保障與發電的優化契合。Gillespie 等[9]指出當前生態調度重點是提高水庫下泄流量滿足預定目標，忽視了河流生態系統的實際響應，提出生態調度應考慮流域整體生態效果并協調經濟社會目標要求，反映了從工程生態調度到流域整體生態調度和利益均衡的新視角。如何通過生態調度實現生態和經濟的共贏是當前的國際研究熱點，需要深入認識河流水文節律與生態過程的密切關系，理解徑流過程控制對生態系統直接和間接影響作用并動態評估，從而提出人工干預的目標和手段，目前的研究總體仍處于探索階段[10]。

　　國內生態調度研究也是始于水庫調度，此后逐步深入[11]。1980 年以來，由于用水增加導致的河道斷流、水體污染等生態環境問題日益嚴峻，以水環境水生態狀況改善為目標的水庫調度方式逐步得到重視[12]。傅春等[13]圍繞水資源可持續開發理念提出了生態水利的基本概念及模型;蔡其華[14]提出適當的水庫調度方式可以改善水體水質。此后，水庫生態調度作為發揮水利工程社會、經濟等綜合效益的最直接方式得到廣泛研究，閘壩調度的生態環境效應也得到重視[15-16]。董哲仁等[17]提出了既能滿足水庫現有任務要求并能適當保護河流生態系統的調度方案;康玲等[18]針對漢江下游不同類型生態用水需求建立了丹江口水庫生態調度模型，并采用逐步優化算法求解，分析了不同來水條件下生態流量目標的保障狀況及對發電效益的影響。張洪波等[19]認為水庫生態調度應考慮多目標耦合協調與滾動修正機制，在此基礎上提出模型構建方法。水庫群的生態調度也逐步得到重視。王宗志等[20]建立了考慮河流生態系統的水庫群生態調度模型;呂巍等[21]圍繞烏江干流水電梯級開發和水生態保護的協調雙贏開展了梯級水庫群生態調度研究;鄧銘江等[22]以保障河流健康、河谷生態系統安全為目標，構建多尺度耦合的水庫群生態調度體系模型，并應用于額爾齊斯河生態淹灌;彭少明等[23]針對黃河上游梯級水庫群運行對中下游河道形態與生態的影響，考慮供水、發電、泥沙和生態等流域綜合需求，提出了水庫群多目標生態調度實施方向。生態調度模型的求解計算方法也是一個研究方向，方國華等[24]采用改進遺傳算法分析了滿足最小生態流量和適宜生態流量下的水庫發電優化調度。

　　在實際需求和相關研究的共同推動下，國內部分江河逐步開展了生態調度的工程實踐，黃河小浪底水庫人造洪峰輸沙入海、引黃濟淀應急補水遏制白洋淀生態惡化、桂林市水庫群生態調度改善漓江水生態、三峽水庫魚類繁殖調度等都取得了實際成效，說明水利工程生態調度對改善流域生態具有積極作用。流域整體考慮生態效應的調度也逐步增多，黃河調水調沙實現干流不斷流是流域生態調度實踐的重大突破;黑河探索統一調度方式，通過生態輸水實現東居延海全年不干涸，生態環境得以改觀;新疆塔里木河生態應急補水顯著改善了下游地下水位及河湖的整體生態環境;渭河通過生態調度增加了干流枯季水量提高了生態環境綜合效益。上述調度實踐工作說明了需求的迫切性，也證實了可行性，但仍存在生態和興利目標協調關系不足的問題。

　　已有研究和實踐表明，當前的生態調度仍然存在流域水量配置與工程調度分割的問題，流域水量配置調控對徑流總量和過程的影響不能反映到工程調度，缺乏供用水對徑流過程影響的反饋分析，工程調度決策對流域水量調控決策支撐不足。

　　2 流域生態調度需求分析

　　2.1 生態調度的目標變化 生態調度源于解決水利工程建設運行導致的河流生態環境問題，其首要目標就是保障河流生態流量，滿足水生生物的生存、繁衍需求，確保生態系統的多樣性，防止河道萎縮甚至斷流、維持河流生態系統的基本穩定。隨著生態文明建設的深入推進，社會對生態環境的重視程度提高，滿足更高要求的生態水量也成為重要的保障目標。由于生態與經濟水需求的競爭關系，協調保障經濟發展與生態保護用水成為新時代、新形勢下流域生態調度的主要目標。從新的目標和要求看，生態水量保障存在幾方面變化：一是范圍從保障斷面生態流量擴大到考慮整個河流、流域的生態水量需求;二是目標從靜態的保障生態基流提升到動態的保障生態流量過程;三是手段從單一的滿足生態流量調度需求發展到調控流域經濟、生態的協調關系。

　　因此，隨著生態水量保障要求從河流斷面擴展到流域整體，生態調度需要從針對河流斷面的水量調節擴大到整個流域層面的水量調控。流域生態調度目標應在充分考慮人類活動自律性和生態自適應性基礎上，實現社會經濟發展和生態保護的協調均衡。

　　2.2 流域角度實施生態調度的措施 水利工程是天然水循環和供、用、耗、排社會水循環過程銜接轉換的核心，在水資源系統中具有橋梁作用。現有生態調度主要確保工程下泄生態流量，或者在局部時段通過工程調節使徑流滿足重點保護生物的流量需求，重點就是水利工程的調度運行。因此，水利工程的實際入流對于指導水利工程實施生態調度至關重要。然而，水利工程實際入流除了水文隨機性外，還受到流域水資源開發利用等多種因素的影響。單獨的工程調度不能從整體協調區域層面經濟和生態對水資源的競爭關系，難以考慮水量分配、利用和消耗等流域層面開發利用對河道內徑流總量和過程的影響。因此，流域生態調度不僅需要包括水利工程的運行調度，還應當包括所有經濟社會供用耗排水過程，納入影響河道水量過程的主要因素。

　　分析影響流域水量過程的因素，生態調度調控措施可以分為兩類：一類為流域層面的整體水量調控，另一類為工程調度決策。兩類措施各有特點，均對滿足河流生態需求起到重要作用。流域整體層面措施，如用水需求控制、節水、不同水源利用、調水等，可以減少河道取用水量，實施效果在于提高河道的總體水量，具有長效性影響。工程調控措施則更具針對性，直接對應斷面生態需求，短時間改變徑流過程，但不增加徑流總量。兩類措施相互關聯，相輔相成。

　　綜上，流域調控下的河道水量是水利工程實施生態調度的基礎，工程調度是改善局部生態的直接手段。因此，分析流域整體水量調控下的水利工程入流對于生態調度至關重要。本研究主要針對現有生態調度中工程與流域水量調控缺乏聯系的問題，建立兩類措施共同作用的流域生態調度模型。解決上述問題的關鍵技術包括兩方面：首先是流域水量配置調控與工程調度的耦合銜接，其次是流域社會經濟與生態保護目標的協調關系和均衡決策。

　　3 二層結構流域生態調度模型

　　3.1 模型總體結構 基于上述分析提出二層結構流域生態調度模型，基本結構如圖 1 所示。上層調控包括區域需水控制、水源開發及水量配置等，采用水量模擬調控模型計算;下層工程調度根據流域水量調控確定的來水、供水目標對流量控制過程作進一步優化。二者的耦合關聯體現在兩個方面;(1)在上層水量模擬中基于供水要求與生態調度目標提出工程的入流和供水量;(2)建立重點工程與生態控制斷面的映射關系，以斷面的生態需水為目標提出對上游工程的調度要求。通過流域水量模擬辨識人類活動擾動對河流徑流過程的影響，組合各類影響因子形成不同的邊界控制情景，在全流域水量模擬基礎上分析有利于河流生態的水量調控方案。通過上層提供的目標和邊界條件，優化分析下層重點水庫工程的調度規則，得出滿足生態流量要求下對經濟目標最有利的調度方式。

　　模型上層為流域水量調控，綜合考慮各類影響因素對整個水循環系統的擾動，如用水需求增加、水利工程建設、非常規水源開發等，將各類影響因素相互組合，形成水量調度方案。對全流域的水量傳遞與轉換關系進行總體調配，從而確定水量配置關系下主要工程的實際入流。此外，水利工程供水過程受到其他各類水源的影響，通過系統整體水量配置模擬，能夠界定工程的供水范圍，從而為水利工程生態調度計算提供邊界條件。

　　模型下層是水利工程調度，在流域水量調控基礎上尋找滿足生態流量且最有利于經濟目標的調度方式。工程調度需要在水量配置確定的工程入流和供水要求的前提下，考慮生態調度目標，利用水利工程庫容和調控能力適時適量的調節下泄流量，統籌協調防洪、興利、生態等各項要求。與單純的水庫優化調度不同的是，本研究是在上層流域水量調控后，將工程實際入流和供水任務作為上下兩層結構的連接點，對工程的調度規則進行優化。通過兩層模型的耦合實現全流域水量模擬控制下的水利工程調度優化計算，達到供水與生態綜合改善的調度效果。

　　3.2 上層：流域水量模擬 上層流域整體水量模擬系統概化建立復雜水資源系統的模型框架[25]，對天然水循環和人工水循環相關的各類實體進行概化處理。通過計算單元、水利工程、控制節點等點元素代表用水戶、重要供水工程以及河流斷面等，以不同的線代表供水、退水、棄水等水量傳輸過程。為明確系統中各類基本元素之間的水量傳遞關系，采用系統網絡圖反映水循環及開發利用過程，如圖 2 所示。

　　模擬工具采用復雜水資源系統模擬模型(ROWAS)[26]。ROWAS 以水源運移轉化的宏觀物理機制為基礎，能夠模擬全流域水循環與水量供、用、耗、排二元水循環關系，針對經濟用水、生態環境需求，通過規則模擬提供滿足各類需求、結合用戶經驗的系統水量調配。根據各類水源的利用構建獨立的模塊，如本地河網水、地表水、地下水、外調水、非常規水源等，建立不同水源和用戶以及整體水循環過程的傳遞關系，并通過參數設置分析不同水源利用的組合方式，形成不同水源組合供水的情景方案。每個計算時段內按水源利用順序確定模塊化的計算流程，如圖 3 所示。

　　根據上述計算過程，可以得到考慮區域供水協調關系、不同水源用戶配置要求和上下游供棄水關系的水利工程入流和供水要求。流域水量配置調控計算以月為計算時段，采用長系列模擬。

　　3.3 下層：水利工程優化調度 下層水利工程優化調度是根據上層水量調控模型提供的來水和供水方案結果，對調度規則進行優化，得到滿足生態流量目標下最有利于供水的調度規則，指導工程調度運行，給出滿足流域水量配置目標下的工程調度結果。上層模型與下層模型之間的耦合關系如圖 4 所示。

　　模型中引入調度線作為供水調度依據，當水庫庫容高于某一供水目標調度線時向其供水，低于該目標的調度線則停止供水。調度線一般設置三條，分別控制對城鎮用戶(含生活和工業)和農業灌溉的供水，以及生態流量的控制下泄。對于具有發電航運等河道內用水需求的水利工程目標，可以根據工程實際中的重要性和優先級參考上述三類目標控制下泄水量，或增加相應的調度控制線。本研究主要關注流域生態調度管理，水利工程按照生態調度線進行生態目標的控制，同時兼顧其他目標，生態調度線的優化以具體工程為對象，采用長系列月過程進行計算，來水過程由上層水量調控模型模擬得出。

　　根據上層模型確定的來水過程和供水任務構建單個水利工程的優化模型，以庫容、供水任務、工程能力等設置約束條件，以供水量或供水效益最大為目標，采用長系列月過程優化得出生態調度線結果。調度線優化模型的目標函數和約束條件如下：

　　(1)目標函數。以供水量最大為目標，不能達到上層模型對應時段供水量時采用罰函數，其函數表達式為： max F = åt = 1 T åi = 1 M W i t - P (W )i (1)式中：F 為總供水量;T 為時段總數;M 為需水用戶數; W i t 為第 t 時段 i 用戶供水量; P (W )i 為第 i類用戶不能滿足流域配置模型供水時的罰函數，優先級高的用戶如生活供水具有更高的罰函數。

　　(2)約束條件。 ①水量平衡約束： Vt + 1 = Vt + Wt,來 - Wt,損 - Wt,供 - Wt,內 (2)式中：Vt 、Vt+1分別為第 t 時段初和時段末的水庫庫容;Wt，來為第 t 時段水庫的來水量;Wt，損為第 t 時段水庫蒸發滲漏等損失水量;Wt，供為第 t時段供水量; Wt，內為第 t時段水庫棄水量，包括滿足河道內生態的下泄流量與發電用水量。 ②庫容約束： Vmin ≤ Vt + 1≤ Vmax (3)式中：Vmin、Vmax分別為第 t時段末水庫庫容上、下限，其中下限一般為死水位對應庫容，上限為正常蓄水位對應庫容，汛期為汛限水位對應庫容。 ③生態流量約束： Wt,內≥ Wt,生態目標 (4)式中：Wt,生態目標 為工程 t時段對應的生態流量目標;Wt,內 為下泄水量，包括下泄河道的發電水量。 ④可供水量約束： W i t ≤ Vt - V i t,調 (5)式中： W i t 為第 t 時段、i 類用戶可供出的水量; Vt 為可以供水的水庫蓄水量，應為該時段初始庫容疊加來水量扣除水庫蒸發滲漏損失后的庫容; V i 調 為 i 用戶對應時段的調度線庫容，各個計算時段對應其所在月份的調度線作為計算依據。當Vt 小于調度線對應庫容時，則對應的用戶不能供水。

　　⑤供水量約束，包括總供水量約束和分項供水量約束。總供水量約束時段內各類用戶的總供水量不能超過該時段總的水庫可供水量。總供水量約束： åi = 1 M W i t ≤ Vt - Vmin (6)分項供水約束： W i t ≥ W i t，供水目標 (7)式中：W i t，供水目標 為工程 t時段對 i用戶的供水量，該值由上層模型計算結果提供。 ⑥供水渠道(管道)規模約束： Wt ≤ Q渠道 Dt (8)式中：Q 渠道為工程不同類別供水工程規模; ?t 為計算時段長度。按照上述目標和約束構建模型，采用粒子群等優化算法，通過初始化調度線-運行-識別-反饋修正，獲得滿足生態流量控制要求且盡可能符合流域水量配置供水要求的調度準則。將上述優化得出的調度線作為工程調度的依據，對工程進行以日為尺度的調度計算，保障其調度與流域水量調控目標一致。

　　4 流域生態調度方案設計

　　考慮保障生態目標的調度勢必會影響經濟效益，從流域角度分析水量調控中生態與經濟的協調關系，需要采取科學合理的調控調度方案設置。根據對流域生態調度影響因素的分析，堅持開源與節流并舉的水資源開發利用理念，綜合考慮流域內部挖潛與外部調水，充分運用工程措施、非工程措施以及其他的綜合調度管理等手段，并結合流域的社會經濟發展用水與水生態的重要相關因素以及關鍵控制指標，在上層流域水量的總體調控中通過綜合考慮需求控制、水源利用、工程調度三個層面 9項相關措施與指標的組合，形成調度方案的總體框架，分析整體水量調控措施的作用，如圖 5所示。

　　需求控制。考慮社會經濟發展模式和節水強度兩方面。社會經濟模式包括城鎮化程度和產業結構，二者對于用水結構和水量消耗具有明顯影響，根據二者的發展速度和預期目標進行方案設計。產業節水按照層次化需水分析方法[25]，確定不同部門、不同層次需求以及不同用水效率下的需水方案，體現通過節水實現用水總量減少、河道徑流增加的作用。

　　水源利用。考慮重點水利工程建設、小型水利工程開發、跨流域調水、再生水利用以及地下水開發等不同水源的開發，組合形成水源利用方案。

　　工程調度。考慮防洪及蓄水安全要求以及供水目標優先級設置供水、發電以及生態流量的保障優先關系。按照是否考慮生態需求以及目標高低設置水量下泄的控制要求，分析流域調度中保障生態流量的作用。

　　在上述三個層面因素綜合考慮基礎上，進行流域調度總體方案設計;按上述三個層面 9 項措施進行排列組合，得出方案集;通過方案對比分析，以現狀為基礎綜合考慮地區經濟發展與生態需求之間的動態平衡，提出生態調度方案層次化的設計方法，得到六種典型方案設計模式，如圖 6 所示。

　　通過上述方案設計方法，以現狀模式調度方案為原型，從全流域層面來考慮發展與控制的方向，在經濟側與生態側通過不考慮生態需求與最大程度的壓縮經濟發展，形成經濟優先與生態優先兩個傾向性非常明顯的調度方案;此后再從水源開發利用層面進行控制，在發展優先的基礎上增加偏生態的措施，在生態優先的基礎上強化經濟發展需求，分別形成發展均衡與生態均衡兩個相對平衡的調度方案;最后在這兩個方案的基礎上，針對重點區域以及重點斷面進行有針對性的、點對點式的調控措施，得到綜合考慮經濟與生態需求的調度方案。上述從基本方案到綜合發展的動態優化過程反映了社會經濟發展與生態環境保護之間利益均衡的互動博弈過程。

　　5 結論

　　當前以水利工程為核心進行生態調度的方式忽視了水資源利用和河道水量過程的有機聯系，缺乏全局性的考量，生態與經濟難以兼顧。二層結構的流域整體生態調度模型在流域水量綜合調控的基礎上進行工程運行優化調度，可以實現流域水資源調配與水利工程群調度的有機結合。模型中的上層流域整體模擬為下層工程調度提供總體目標和邊界條件，下層模型通過優化調度規則實現與流域水量控制目標一致的工程調度，實現從流域整體角度構建經濟與生態共贏的調度模式。在實際的流域水資源管理中，可以將水資源利用總體控制目標、生態與經濟發展均衡關系等納入到生態調度總體決策的實際操作中，使流域生態調度更具全面性與實用性，有利于提高生態調度的效果，完善決策分析手段。

　　由于流域整體水量調控與工程調度之間存在多重水量關系，且尺度不同，需要進一步分析流域整體調控與生態調度的水量銜接，從而更好實現流域整體水量調控下的水利工程生態調度。