1、第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.:/基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:冯平()男教授博士主要从事水环境水生态研究:.通信作者:张婷()女副教授博士主要从事生态水文研究:.径流变异对滹沱河流域水库生态调度的影响冯 平白 粟张 婷李建柱(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津)摘要:分析了滹沱河中上游径流变异情况并计算了河道生态流量通过构建岗南 黄壁庄梯级水库供水及生态多目标优化调度模型并采用 求解多种情景方案探求入库径流变异对水库生态调度的影响 研究结果表明:小觉站和平山站径流分别在 年和 年发生变异流域径流整体呈显著下降趋势利用频率众值法、法和年内展布法计算的河道理想
2、、适宜及最小生态流量对应的年生态需水量分别为.亿、.亿、.亿 农业灌溉及生态需水缺水率随来水频率的增大而显著增大入库径流下降趋势显著且发生变异致使变异后不同水平年水库调度的供水保证率均有所降低农业灌溉需水和生态需水矛盾显著枯水年农业灌溉供水率降低 可提高 的生态供水率关键词:径流变异生态流量梯级水库多目标优化调度滹沱河流域中图分类号:.文献标志码:文章编号:()/():.:水库的建设运行可以有效地解决水资源时空分布不均的问题更好地实现水资源优化配置 但水库大坝的兴建不可避免地带来了生态问题如改变下游河道地貌特征及径流分布降低库区污染物扩散能力且容易产生水体富营养化现象以及影响底栖动物沿程分布等
3、 因此考虑社会经济、水资源与生态环境协调发展的水库生态调度逐渐成为研究热点生态调度的目标一般是保护河道生境及鱼类等水生生物资源将生态目标嵌入水库的常规运行方式中 等提出增加水库季节性枯水流量以保证下游水生生物栖息地需求 等针对澳大利亚墨累河水库生态调度问题提出增加下泄洪峰流量和持续时间以满足鱼类产卵和繁殖的流量 目前水库的生态调度主要集中在大流域梯级水库群的多目标调度问题 等在康涅狄格河流域实施水库群生态调度在不降低水库防洪能力的前提下实现了恢复河流生态系统持续性所需的自然水文流态的目标 等探讨了我国黄河流域梯级水库运行对水库自身及下游河道生态环境的影响以及发电与供水、防洪和防冰的关系董增川等
4、围绕防洪、航运、发电和生态等目标在金沙江流域开展了水库的生态调度研究评估生态调度对下游河道生态及四大家鱼产卵繁殖的影响白涛等针对融雪补给型河流基于开源及节流的方法开展了水库生态调度研究水库生态调度首先需要采用一定的方法确定河道的生态流量这些方法主要分为水文学法、水力学法、水文生物分析法、生境模拟法及整体分析法 等采用水力学的湿周法计算河道生态需水量张文鸽等在研究区域内选取指示物种采用生境模拟法中的物理栖息地模型推求河段控制断面的适宜生态流量 等在里海南部地区对 法、法以及物理栖息地模型进行了比较分析并确定最低生态流量及适宜生态流量 等运用整体分析法计算南非河流生态流量指出该方法在南非水资源管理
5、方面有较好的应用基础由于气候及人类活动的影响水文序列易发生不同程度的变异 许多学者利用参数和非参数检验对水文序列进行变异诊断并采用水文模型法和水文统计法对影响因素进行评估 王亚超等对于产生变异的径流根据划定的天然期运用水文学等方法求解河道的生态流量白涛等计算了水文变异条件下的生态流量通过构建多目标水库调度模型探究水文变异对水库生态调度的影响 等耦合二维水动力模型及降雨径流模型评估在未来气候变化情况下水库生态运行方案的有效性现有关于生态流量的研究中对径流变异的影响考虑不足在生态流量推求方法中主要选取人类影响较小时段的径流序列进行数据分析 此外在水库生态调度的求解过程中较少考虑入库径流变异对水库调
6、度的影响由此制定的方案不适用于变异后径流序列的生态调度针对水库生态调度中存在的不足选择受环境变化影响较大的滹沱河流域为研究对象对滹沱河中上游径流序列的变化进行检验基于径流变异序列采用水文学方法推求河道生态流量过程并构建岗南 黄壁庄梯级水库供水及生态多目标优化调度模型探求入库径流变异对水库生态调度的影响为子牙河流域水资源开发利用、水生态环境规划和管理提供理论依据 研究区概况滹沱河是子牙河上游的主要支流处于 发源于五台山北麓流经山西、河北两省在河北正定县穿越京广铁路至献县与滏阳河及滏阳新河汇流于子牙河 滹沱河全长 流域面积 其中山区面积为 平原面积为 岗南水库位于滹沱河干流中游控制面积 黄壁庄水库
7、位于滹沱河中下游距离岗南水库 控制面积 最大的支流冶河在岗南、黄壁庄水库区间汇入滹沱河冶河汇入滹沱河处建有平山水文站控制流域面积为 .占岗南 黄壁庄水库区间面积的.小觉水文站为岗南水库的入库径流监测站控制流域面积 .研究区域如图 所示图 研究区域.数据来源与分析.径流变化特征小觉站和平山站的月径流数据来源于海河流域水文年鉴 小觉站和平山站的径流特征如表 所示图 为小觉站和平山站的年径流序列趋势图小觉站、平山站多年平均径流量分别为.亿和 亿 整体上小觉站径流量以每年.亿 表 小觉站和平山站的径流特征 站点集水面积/检验 值阶段多年径流量均值/亿 多年径流量均值极值比多年径流量均值变差系数小觉站.
8、变异前.变异后.平山站.变异前.变异后.()小觉站()平山站图 小觉站和平山站径流序列趋势.的速率递减平山站径流序列呈现波动下降趋势以每 .亿 速率减少()趋势检验结果表明小觉站径流变化的 值绝对值超过了.显著性水平的临界值.下降趋势显著平山站年径流序列的 趋势检验 值为.绝对值低于.显著性水平的临界值.下降趋势未通过显著性检验 在 置信区间内小觉站和平山站的径流变异点分别为 年和 年 药芝星通过 检验对小觉站径流序列进行变异点分析同样得出径流变异点为 年 进一步研究表明滹沱河小觉站以上流域径流深呈显著下降趋势且流域降雨呈下降趋势和流域干旱化趋势明显是流域径流减少的主要原因 此外 世纪 年代以
9、来流域水资源开发利用程度超过 的国际公认警戒线水资源过度开发利用对径流变化的影响日益增强.河道生态流量 世纪 年代以来黄壁庄水库以下的滹沱河河道常年干涸断流黄壁庄水文站是滹沱河从山区流向平原的出口控制站将其作为生态流量的控制站对于保障滹沱河下游河道生态流量具有重要意义 黄壁庄水文站实测和径流还原后的天然月径流序列由海河流域委员会提供图 为黄壁庄水文站 的年径流序列 天然径流序列和实测径流序列的年均径流量分别为.亿和.亿 图 黄壁庄水文站天然及实测年径流序列.河道生态流量分为最小生态流量、适宜生态流量、理想生态流量采用 种方法计算:频率众值法采用四参数伯尔分布、有界约翰逊分布、三参数广义极值分布
10、等分布函数拟合黄壁庄断面的 月径流序列采用线性矩法计算各分布的参数并将分布函数中概率密度最大处对应的河道流量作为该月的生态流量 法以河道多年平均流量的百分数为基础将河道流量划分为高限、最佳及底限共计 个范围计算河道逐月生态流量本文选取 的多年平均流量进行计算年内展布法基于水文过程对径流的年内动态要求根据天然历史径流序列选取多年平均流量、各月最小流量组成的年均流量这两个典型的水文特征指标计算同期均值比并以多年月均径流过程计算河道生态流量的年内过程根据黄壁庄水文站 年的天然径流序列资料进行生态流量的计算结果如表 所示 根据表 的结果计算各月的生态需水量总和可得采用频率众值法计算的年生态需水量为.亿
11、 法计算的年均流量的年生态需水量为.亿年内展布法得到的年生态需水量为.亿表 生态流量计算结果 方法生态流量/(/)月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月频率众值法.法.年内展布法.根据/河湖生态需水计算规范滹沱河为北方高开发利用河流频率众值法得到的各月生态流量占年均流量的 以上可以很好地保障河流正常的生态功能设定为目标理想生态需水 法建议的 多年平均流量可为鱼类提供良好的活动区域设定为适宜生态流量年内展布法计算的生态流量约占年均流量的 为河流最低生态要求所需水量的下限目标设定为最小生态流量岗南 黄壁庄梯级水库多目标优化模型构建.目标函数岗南 黄壁庄梯级水库的调度涉及发电、防洪、供水、生
12、态等多个目标 供水目标主要包括下游石家庄城市生活用水、西柏坡电厂发电工业用水和下游石津灌区的灌溉用水 岗南 黄壁庄梯级水库的调度规则是供水优先可结合向下游供水下泄流量作为发电流量 因此在目标设定中不再考虑水库供水对发电的影响水库生态调度的最终目的即为综合考虑流域年内供水缺水率 最小和年内生态需水缺水率 最小.年内供水缺水率最小:()式中:、分别为用水户 在 时段的供水量及需水量 分别表示城市生活用水、工业用水和农业灌溉用水为不同用水户的优先级权重 为计算总时段.年内生态需水缺水率最小:()/()式中:为 时段黄壁庄水文站监测的水库下泄流量 为 时段黄壁庄水文站的生态流量 根据生态流量的计算结果
13、适宜生态流量可以较好地满足河流正常的生态功能且生态用水的保证率较高因此本文选取适宜生态流量标准下的年生态需水缺水率最小作为研究目标.约束条件.水位库容约束:()其中正常非汛期汛限汛期式中:为水库 在 时段的库容 分别为岗南水库和黄壁庄水库、正常、汛限分别为水库 最高水位、死水位、正常蓄水位和汛限水位对应的库容.水量平衡约束:()()式中:为水库 在 时段的平均入库流量 为水库 在 时段的平均下泄流量黄壁庄水库下泄流量包括河道生态用水、石津灌区灌溉水量及石家庄市的城市工业及生活供水.梯级水库水力联系:()式中 为 时段水库 的区间入流.下泄流量约束:()式中、为水库 在 时段下泄流量允许的最大和
14、最小值.变量非负约束:即梯级水库优化调度中各变量取值非负.模型求解多目标优化问题求解主要分为两种类型:一类是将多目标优化问题转化为单目标函数通过传统优化算法求解另一类是通过进化算法对多目标进行求解决策者通过提供多种备选方案根据需求选取最适合的趋于 的最优解主要方法有线性规划、动态规划、遗传算法、人工神经网络和蚁群算法 等 本 文 选 用 算 法 对 模 型 求 解算法是由 等提出的带精英策略的非支配排序遗传算法通过对种群分层排序提高整体运行速度 算法引入精英策略提高算法的鲁棒性还引入拥挤度比较算子提高搜索范围保证种群多样性 算法的主要求解步骤见文献.调度情景设置岗南水库入库径流为小觉站监测径流
15、黄壁庄水库入库径流为岗南水库下泄及平山站区间入流水量 由于小觉站和平山站的径流序列发生变异即水库的入库径流发生变异本文选取岗南水库及黄壁庄水库设计频率下的丰水年、平水年及枯水年的逐月入库径流依据变异前后径流序列的均值同倍比计算变异后设计水平年径流序列 小觉站和平山站径流序列变异前后不同水平年月径流过程如图 所示()小觉站()平山站图 径流变异前后不同水平年水文站月径流量.本文设计了 种生态调度情景对应径流变异前丰、平、枯(情景 )和变异后丰、平、枯(情景)不同水平年的调度情况 岗南水库和黄壁庄水库的灌溉供水主要是下游的石津灌区灌区内主要种植作物为冬小麦、夏玉米及棉花根据文献制定的灌溉制度和灌溉
16、定额采用定额法计算石津灌区在不同水平年的月灌溉需水量结果如表 所示 丰水年的灌溉需水量为.亿 平水年的灌溉需水量为.亿 枯水年的灌溉需水量为.亿 结果与分析算法中种群规模设定为迭代次数为 次交叉概率设置为.变异概率设定为 表 不同水平年各月灌溉需水量 月份灌溉需水量/万 丰水年平水年枯水年月份灌溉需水量/万 丰水年平水年 枯水年 .图 为 种情景各方案的生态需水缺水率及农业灌溉缺水率 散点图其中径流变异前后丰水年调度结果和径流变异前平水年调度结果的种群规模最优解大多分布在坐标系原点生态需水缺水率及农业灌溉缺水率均为 由于工业及生活用水的优先级最高调度过程中均优先保证工业及生活用水优化调度不考虑
17、工业及生活用水的缺水率()径流变异前调度结果()径流变异后调度结果图 各情景生态需水缺水率和农业灌溉缺水率 散点图.不同频率的入库径流变异对生态调度影响分析 图 为各情景生态调度后黄壁庄站的流量过程 从图 可以看出径流变异前丰水年和平水年的河道流量均可以满足适宜生态流量要求枯水年在 月流量较低与生态适宜流量差距较大 径流变异后只有丰水年可基本满足适宜生态流量需求枯水年的下泄流量整体偏低生态流量的保证程度较差 整体上由于入库径流呈现递减趋势河道的生态流量随之减少()径流变异前()径流变异后图 各情景生态调度后的流量过程.进一步分析入库径流变异对农业灌溉及生态需水的影响结果如图 所示 对比分析情景
18、、丰水年的调度结果径流变异前后丰水年的水库调度 ()农业灌溉()生态需水图 入库径流变异前后不同水平年生态调度后各月缺水量.均可以满足农业灌溉及生态需水因来水充沛水库的下泄水量基本可以满足农业灌溉及生态需水要求径流变异对丰水年水库调度的影响较小 对比分析情景、平水年的调度结果入库径流未发生变异时农业灌溉及生态需水保证率为 入库径流发生变异后农业灌溉在 月有轻微缺水情况发生总缺水量为 万 月均缺水率为生态需水在 月缺水量较大其余月份均可满足生态需水生态需水的缺水量为.亿 生态需水的月均缺水率增加了.对比分析情景、枯水年的调度结果枯水年缺水情况均较为严重情景 的农业灌溉和生态需水的缺水量分别为.亿
19、和.亿 情景 的缺水量较情景 分别增加.亿及.亿 入库径流变异引起的农业灌溉月均缺水率增加了.河道生态需水月均缺水率增加了.综上所述径流变异前后不同水平年随着入库径流的减少农业灌溉及生态需水缺水量均呈现增加趋势保证农业灌溉和河道生态需水的调度能力在减弱供水保证率降低河道生态引发负面效应径流变异扩大了不同水平年间的缺水量差异 缺水量的增加主要集中在枯水年枯水年农业灌溉缺水率较大是因为灌溉需水量在枯水年较大但来水量不足造成部分月份农业灌溉缺水严重生态需水缺水率较大是由于生态流量计算采用的是还原后的径流序列整体偏大且枯水年水库的来水量和生态需水量相近但由于兼顾农业灌溉要求使 月农业灌溉需水量较小月份
20、水库下泄流量较少河道生态保证率较低.典型方案调度过程分析模型求解的 种情景中每个非劣解集都包含 个调度方案根据农业灌溉缺水率的侧重程度由小到大分别为方案 为分析水库的调度特性在 种调度情景下选择非劣解集中的农业灌溉缺水率最小方案(方案)、生态需水缺水率最小方案(方案)以及二者综合考虑的方案(方案)进行比较 入库径流变异后的调度情景贴近实际情况可以反映不同方案间水库的调度能力因此选择情景、进行 种方案的对比分析情景 为径流变异后丰水年的调度情况 种方案的调度结果为生态需水及农业灌溉缺水率均为 的最优情况情景 为径流变异后平水年的调度结果各月缺水量情况如图 所示 方案 的全年农业灌溉缺水量为 万
21、全年生态需水缺水量为.亿 月生态需水缺水较为严重月均生态需水缺水率为 方案 的农业灌溉缺水量在 月和 月较为明显全年农业灌溉缺水量为 万 除、月外其他月份的生态需水缺水率下降显著 方案 的农业灌溉缺水量为 万 生态需水缺水量为.亿 月均生态需水缺水率较方案 下降()农业灌溉()生态需水图 情景 的 种方案调度后的各月缺水量.情景 为径流变异后枯水年调度结果缺水情况较为严重 种方案的库水位变化如图 所示岗南水库、黄壁庄水库水位的变化过程差别较大增长和消落趋势基本保持同步 种方案下岗南水库水位在 月至次年 月差异较为明显方案 的水位偏低方案 的水位最高黄壁庄水库的水位差异主要体现在 月方案 的水位
22、变化最剧烈 这主要由于方案 要保证水库下游灌区的春灌需水量加大供水两水库需共同调节尽可能满足农业灌溉及生态用水进一步分析情景 下 种调度方案各月农业灌溉和生态需水缺水量结果如图 所示 方案、的农业灌溉月均缺水率分别为、种方案的生态需水月均缺水率分别为、整体上农业灌溉及生态需水缺水的情况较为明显 方案 农业灌溉整体缺水量最少不同方案间缺水量差异主要集中在 月和 月枯水年生态需水缺水量在汛期较大()岗南水库()黄壁庄水库图 情景 的 种方案调度后水库水位变化过程.()农业灌溉()生态需水图 情景 的 种方案调度后的各月缺水量.综上所述水库调度如果过于追求经济效益而忽略生态需水对于河道会产生较为不利
23、的生态影响如果过于追求生态效益而放弃经济效益灌区农业会受到较大的影响 因此需要在二者之间做合理决策 以枯水年采用方案 为例农业灌溉供水率降低 会提高 的生态需水供水率 结 论.小觉站径流量以每年.亿 的速率递减下降趋势通过.的显著性水平检验平山站径流序列呈波动下降以每 .亿 的速率减少下降趋势不明显 小觉站和平山站的径流序列变异分别发生在 年及 年.根据黄壁庄断面 年的天然径流序列频率众值法得到的生态流量接近生物生存的最佳流量为理想生态流量年生态需水量为.亿 法计算的多年平均流量为河道适宜生态流量年生态需水量为.亿 年内展布法得到的生态流量约占多年平均流量的 以上为河道最小生态流量年生态需水量
24、为.亿.以水库供水缺水率最小和河道生态需水的缺水率最小为目标构建的岗南 黄壁庄梯级水库多目标优化模型采用 算法求解最优解集入库径流变异后不同水平年水库调度的供水保证率下降与综合考虑经济效益和生态效益的水库调度方案相比以枯水年为例农业灌溉优先的调度方案会增大 的生态缺水率生态需水优先的调度方案会增大 的农业灌溉缺水率因此应合理选择调度方式.基于调度结果的最优解在丰水年和平水年黄壁庄水库保持适宜生态流量为下泄流量即可满足河道生态需水及农业灌溉需水量在枯水年需适当减少春灌用水增加水库蓄水以满足 月的生态流量参考文献:.:.():.():.许栋张博曦及春宁等.梯级水库对南渡江干流底栖动物丰枯水期沿程变
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