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金沙江下游梯级蓄水期联合生态调度探究

2020-11-13 187 上传者：管理员

摘要：随着乌东德、白鹤滩电站的陆续建设投运，金沙江下游梯级电站对河流生态影响日益突出。为减轻梯级水库蓄水对金沙江生态系统的不利影响，实现水能资源开发和生态环境双赢，进行金沙江下游梯级蓄水期联合生态调度。基于逐月最小生态径流计算法确定河流最小生态流量，以河流生态需水满足度最大和梯级发电量最大为目标建立多目标优化调度模型，并采用改进NSGA-Ⅱ算法对模型进行求解。结果表明，乌东德、白鹤滩投产运行将会导致蓄水期下游河流生态缺水情况更加严峻，优化梯级水库运行方式、适当提前蓄水可提高下游河流生态需水满足度，缓解梯级发电效益与生态效益之间的竞争关系。研究结果可为金沙江下游梯级水库蓄水期生态调度提供参考。

关键词：
多目标优化
水能资源开发
生态调度
蓄水期
金沙江下游梯级
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1、引言

金沙江下游水能资源富集，由上至下依次规划建设乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4座大型水利枢纽[1]，其中向家坝、溪洛渡电站已建成投运，乌东德已进入蓄水运行阶段，白鹤滩水电站正在建设中。梯级电站的投产运行虽完成了发电、防洪、航运等任务，实现了社会经济价值的增长，但却改变了河流的天然特征，导致流域生态环境诸多问题日益严峻[2]。随着乌东德、白鹤滩电站的投产运行，下游河道的水文情势将进一步改变，梯级电站的累积生态效应日益加剧，特别是在蓄水期，各水库争相蓄水，下游河道流量大幅减少，严重威胁着鱼类及其他水生生物的生存。因此，开展金沙江下游梯级水库蓄水期生态调度研究对于减轻水库运行对河流生态的负面影响、保护河流生态健康具有重大意义。目前，有关蓄水期水库调度的研究大多集中在防洪、蓄水、发电与航运目标的蓄水时机及次序的确定[3]、蓄水时机与蓄水进程的协同优化[4]，考虑生态目标的研究较少，蔡卓森等[5]建立了考虑发电量和下游河道适宜生态流量改变度的多目标模型，并以溪洛渡-向家坝梯级为例分析了两个目标之间的对立关系，但其优化目标为适宜生态流量改变度，无法反映下游河道是否缺水及缺水程度；李英海等[6]提出基于调度图的改进提前蓄水方案，并对方案的生态流量满足度进行评价，但其仅在得到调度方案后对方案进行评价，未进行优化调度计算。因此，本文以金沙江下游梯级水库为研究对象，采用生态需水满足度评价河道缺水程度，将生态需水满足度作为生态目标构建考虑生态需求的梯级水库蓄水期多目标生态优化调度模型，采用改进NSGA-Ⅱ算法进行求解，分析并揭示了蓄水期梯级发电效益与河流生态效益的关系，旨在为金沙江下游梯级水库蓄水期生态调度提供参考。

2、多目标生态调度模型建立与求解

2.1 河流最小生态流量

河流最小生态流量是指能使河流当前生态要求得到满足的最小流量，当河流流量低于该流量时，水生生物的生存得不到保证，河流生态处于不合格状态。于龙娟等[7]提出逐月最小生态径流计算法计算河流最小生态径流，该方法是在天然月径流系列中取最小值作为该月的最小生态径流量。逐月最小生态径流计算法得到的最小生态径流是天然状态下水生生物所能容忍的干旱极限，河流长期处于这种最低生态条件下，河流生态会逐步恶化，不利于水生生物的生存。因此，为保证河流生态的健康，避免长期处于极限干旱情况，本文选取90%保证率流量作为最小生态流量。

2.2 目标函数

水库在蓄水初期快速蓄水抬高水头能充分发挥其水头效益、实现发电效益最大化，然而梯级水库集中大量蓄水会导致下游河流流量大幅减小，河流生态需水得不到满足，不利于河流生态健康。因此，本文以梯级发电量最大与河流生态需水满足度[8]最大作为优化目标，构建蓄水期多目标生态调度模型。

(1）梯级总发电量最大。其公式为：

式中，E为调度期梯级电站总发电量；N为梯级电站数；T为调度总时段数；Ki为i电站的出力系数；Hi,t、qi,t、Ni,t分别为i电站t时段的发电引用流量、水头和时段平均出力；Δt为时段长度。

(2）河流生态需水满足度最大，其公式为：

式中，IE为生态需水满足度；WE为河流生态需水量[8];WS为河流生态缺水量[8];E(t）为河流生态环境需水流量过程；Q(t）为河流径流过程。

2.3 约束条件

水库调度约束主要包括水量平衡约束、水位约束、下泄流量约束、出力约束等，具体约束条件如下。

(1）水量平衡约束。其公式为：

式中，Ii,t、Qi,t分别为i电站t时段平均入库流量和出库流量；Vi,t为i电站t时段的初库容。

(2）水位约束。其公式为：

式中，Zi,t、Zim,tin、Zim,tax分别为i电站t时段的末水位、最低水位、最高水位。

(3）水位变幅约束。其公式为：

式中，ΔZi为i电站时段内的最大允许水位变幅。

(4）出力约束。其公式为：

式中，Nim,tax、Nim,tin分别为i电站时段t的最大、最小出力。

(5）流量约束。其公式为：

式中，Qim,tax、Qim,tin分别为i电站时段t的最大、最小下泄流量。

(6）梯级水量平衡约束。其公式为：

式中，Qi-1,t为电站i的上游电站i-1的出库流量；ri,t为电站i-1与电站i之间的区间流量。

2.4 模型求解方法

NSGA-Ⅱ算法[9]是在非支配排序遗传算法（NSGA）的基础上改进的一种求解多目标优化问题的算法，其求解效率高、收敛性好，应用广泛。NSGA-Ⅱ算法包括初始化、选择、交叉和变异操作，由于梯级水库优化调度是一个具有多约束的高维、动态、非线性问题[10]，模型求解时不仅要考虑电站自身的水位、流量、出力等约束，还需考虑梯级之间的水力联系，完全随机地生成初始解难以保证解的可行性，而且进化过程中交叉、变异操作极易导致约束被破坏，大幅降低了算法的效率和优化解的质量。对此，采用NSGA-Ⅱ算法在求解本文模型时，采取初始解可行域生成策略[11]生成初始种群；交叉操作后采取正逆序回溯的约束处理策略[12]对新生成个体进行修正；变异操作改变的是电站某一时段的运行状态，由于上游电站状态改变会导致下游电站可行域变化，故变异操作时不仅要考虑当前电站约束，还需保证解对下游电站始终可行，变异操作步骤如下。

步骤1假设i电站t时段是变异点，变异前t时段末水位为Zt,ini，根据时段t/（t+1）初/末水位、入库流量It/It+1及水位约束[Zmin,Zmax]、流量约束[Qmin,Qmax]、水位变幅约束ΔZ，进行正/逆向计算t时段末水位的可行域，正逆序求得的水位范围取交集得到t时段末水位范围[Zt,min,Zt,max]，正/逆向计算公式为：

式中，Ztm,infwd、Ztm,axfwd分别为正向计算得到的t时段末水位最小、最大值；Ztm,inbkd、Ztm,axbkd分别为逆向计算得到的t时段末水位最小、最大值。

步骤2对t时段末水位进行变异操作，判断电站i是否为最后一级电站，若是，变异操作完成；否则，执行步骤3。变异操作计算公式为：

式中，rand(0,1）为0～1之间的随机数。

步骤3根据水量平衡方程计算i电站t、t+1时段的出库流量，由式（10）得到下一级电站i+1相应时段的入库流量，判断i+1电站相应时段在该来水情况下是否满足约束，若不满足，如果Zt>Zt,ini，则Zt,max=Zt；如果Zt

3、结果与分析

3.1 金沙江下游河道最小生态流量

屏山站位于向家坝坝址上游28.8km处，是金沙江流域的控制性水文站，该站流域控制面积占金沙江流域面积的97%，径流年内分配不均，年径流量1440×108m3，其中汛期6～9月流量占全年63%。以9月中旬至11月下旬为蓄水调度关键期，以旬为计算时段，采用屏山站1959～2007年共49年逐旬径流数据，选取90%保证率的旬径流值作为金沙江下游河道的最小生态流量，最小生态流量过程见表1。

表1金沙江下游河道最小生态流量

3.2 多目标调度结果分析

取1959～2007年共49年屏山站流量数据，对调度期9月11日至11月30日内各年平均流量进行排序，以累积频率作为各年调度期内流域来水频率。为分析不同来水情景下水库蓄水期发电量与生态需水满足度的关系，选取10%、30%、50%、70%、90%频率的来水过程进行调度计算。溪向梯级2库及金沙江下游梯级4库调度计算结果见表2,70%频率来水下4库调度非劣前沿计算结果见图1。

表2溪向梯级2库及金沙江下游梯级4库蓄水调度方案对比

图170%频率来水非劣前沿计算结果

由表2可看出，总体来说来水量越大，梯级总发电量越大，且生态需水满足度越高，发电效益与生态效益之间对立性较弱，说明来水量较大时，梯级水库在发电与生态效益之间有更大的协调空间。此外，对比50%、70%频率来水情况下溪向梯级2库计算结果，虽然50%频率下来水量更大，但其来水主要集中在9月中下旬，受溪向梯级发电能力限制，水能得不到充分利用，产生大量弃水，相比于70%频率来水下发电量更小、生态需水满足度基本相同，说明调度期内径流分配对梯级发电量、生态需水满足度的影响也不容忽视。同时还可看出，乌东德、白鹤滩电站投产运行后，金沙江下游梯级调节能力及发电能力更大，调度期内径流分配不均的影响减弱，能够更加充分地利用水能，弃水量更少，梯级电站发电量大幅提高，但下游河道生态缺水情况将更加严峻。

由图1可看出，随着梯级发电量逐渐增大，生态需水满足度逐渐降低，表明梯级电站发电量与生态需水满足度之间存在明显的负相关关系。金沙江下游河道最小生态流量在蓄水初期最大，在调度期内呈下降趋势，在蓄水初期尽可能满足生态需水，可提高调度期内河道生态需水满足度，但水库水位上升较慢，电站水头效益未得到充分发挥，因此梯级发电量随生态需水满足度的增大而减少。

为进一步分析不同调度方案梯级电站运行过程，图2给出70%频率来水发电最优方案、生态最优方案的梯级蓄水过程、向家坝出库流量过程。

图270%频率来水不同方案下梯级蓄水过程和向家坝出库流量过程

由图2可看出，发电最优方案在蓄水初期集中大量蓄水，迅速抬高水库水位，充分发挥梯级电站水头效益，从而使发电效益达到最大，同时集中大量蓄水导致9月中旬～10月上旬下游河道生态需水严重短缺；生态最优方案则放缓蓄水速度，将蓄水任务分摊到整个调度期，加大了蓄水初期向家坝电站的出库流量，在一定程度上缓解了下游河道的生态流量需求，同时降低了平均发电水头，梯级总发电量有所减少。

研究表明，在保障防洪安全的前提下，提前蓄水能够提高梯级水库的综合效益[5]，为分析不同电站提前蓄水对下游河道生态需水的影响，在梯级提前蓄水量相同的情况下，设定表3所示6种情景，选取70%频率来水过程进行多目标生态调度计算，计算结果见表4。

表3不同情景下各电站提前蓄水量

表4提前蓄水情景调度方案对比

由表4可知，在提前蓄水量相同的条件下，不同电站提前蓄水对下游河道生态需水的影响基本相同，梯级水库提前蓄水10×108m3，下游河道生态需水满足度提高3%；此外，情景1～6相比于不提前蓄水情况发电量最优方案梯级电站发电量分别增加17.63×108、14.68×108、14.36×108、9.29×108、6.12×108、3.49×108kW·h，由此可见，提前蓄水电站越靠上游，梯级电站总发电量越大。

4、结论

a．针对金沙江下游梯级水库蓄水对下游河流生态的影响，构建了考虑生态需求的多目标优化调度模型，采用改进NSGA-Ⅱ算法进行求解，分析了不同频率来水条件下溪向2库与乌白溪向4库联合调度的发电量及生态需水满足度；设置了梯级电站不同的提前蓄水情景，计算了不同蓄水情景下梯级4库联合调度的发电量及生态需水满足度。

b．乌东德、白鹤滩水库投产运行后，金沙江下游河道蓄水期生态需水短缺情况将更加严峻；金沙江下游梯级电站发电量与下游河流生态需水满足度之间存在明显的负相关关系，且来水越大，梯级水库在发电和生态效益之间的协调空间越大；优化梯级水库运行方式、适当提前蓄水可以提高下游河流生态需水满足度。

参考文献：

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