摘要：根据我国北方地区径流特征及供水水库调度的实际需求，构建了供水水库多目标生态调度模型。模型将下游生态需水过程分为最小生态需水及适宜生态需水两个等级，要求枯水期水库放水过程能够满足河流最小生态需水要求，确保下游生态不退化；丰水期放水过程贴近适宜生态需水过程，为下游提供良好生境。基于该模型，采用自适应遗传算法，对承德双峰寺水库生态调度问题进行了优化求解，结果表明该模型能够对北方供水水库生态调度决策提供支持。
关键词：供水水库；生态需水，多目标生态调度；自适应遗传算法
中图分类号：TV213.4 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2015）03-0463-05
Abstract：A multi-objective ecological operation model of water supply reservoir was developed according to the runoff characteristics and practical demand of reservoir operation in North China.The ecological water requirement of the downstream river was divided into two levels in the model：minimum ecological water requirement and suitable ecological water requirement.The discharge process of reservoir in the low flow period should meet the minimum ecological water requirement in order to sustain the ecological environment in the downstream，and the discharge process of reservoir in the high flow period should meet the suitable ecological water requirement in order to provide suitable habitat in the downstream.The multi-objective ecological operation model was applied to optimize the ecological operation in the Shuangfengsi Reservoir using adaptive genetic algorithm.The results showed that the model can provide technical support for the ecological operation of water supply reservoir in North China.
Key words：water supply reservoir；ecological water demand，multi-objective ecological operation；adaptive genetic algorithm
水库的修建运用将改变库区及下游河流水文情势，对河流生态系统造成影响及胁迫[1-3]。近年来，水库调度的生态效应越来越为人们关注[1-3]，生态调度逐渐成为水资源学、生态学领域的研究热点。与传统的调度方式相比，生态调度将生态目标纳入水库调度中来，调度过程综合考虑防洪、供水、灌溉、发电、航运、生态环境等多方面因素，在兴水利、除水害的同时维护或改善河流健康，实现河流水资源的可持续利用。国外对水库生态效应的系统研究始于20世纪70年代[4]；我国生态调度的研究起步较晚，但也有许多成果，如康玲等选择水文典型年对丹江口水库生态调度方案进行了优化[5]；许可、郭文献等采用差分进化算法、遗传算法对三峡水库生态调度问题进行了研究[6-7]；陈瑞等采用改进遗传算法对锦屏梯级水库生态调度方案进行了求解[8]；金鑫等对面向河流生态健康的水库群调度规则进行了研究[9]；尹心安等以唐河水库为例，对生态调度优化模型进行研究等[10]。
整体来看，现阶段我国生态调度研究多集中于南方水量充沛地区的发电水库、综合利用水库，北方地区供水水库生态调度的相关研究不多。本文从北方河流径流特征及供水水库调度实践需求出发，构建生态调度多目标优化模型，并以河北省承德市双峰寺水库为例进行实证研究，以期能够为北方地区供水水库生态调度提供理论与技术支持。
1 供水水库生态调度问题识别
水库生态调度的核心是社会经济效益与生态环境效益间的协调，通常需要放弃部分经济效益，以维系或改善库区及下游河流生态环境。在现行调度方式下，由于水资源短缺等原因，北方地区供水水库调度过程中往往社会经济用水挤占生态环境用水，导致下游部分河段的生态需水要求长期得不到满足，生态系统退化。与南方水量充沛地区相比，北方供水水库生态调度面临以下突出问题。
（1）供水水库承担的主要任务是生产、生活供水，为保障社会稳定及经济发展，调度过程中不能牺牲过多兴利供水，特别是当枯水年份，应优先满足生活用水。如何在保障生活用水的基础上协调生产用水及生态用水，是供水水库生态调度研究的核心问题。
（2）北方地区径流年内及年际分布极不均衡，丰、枯水年径流量相差悬殊，且来水多集中于汛期的几个月份。受库容所限，供水水库运用过程中缺水与弃水时常交替出现。如何合理利用水库弃水改善下游生态环境，是北方供水水库生态调度研究中的一个重要内容。
近年来，随着河流生态问题日益突出，河流健康、生态调度得到各方面的广泛重视。在水库规划设计各阶段，需通过专门的环境影响评价来避免或减缓建库的负面生态效应；同时，南水北调工程等一系列跨流域调水工程运行后，北方部分地区缺水问题也将得到一定程度的缓解，为北方供水水库生态调度实践提供了基础。
生态需水是确定水库生态调度方案的前提及依据[11-13]，目前国内外关于河流生态需水的相关研究较多，已形成水文学法、水力学法、栖息地模拟法、综合法等诸多计算方法[14-15]，生态需水评估技术的成熟为水库生态调度研究提供了支撑。
2 生态调度模型构建
2.1 模型构建
根据国内外相关成果及供水水库调度实践需求[16-17]，将生态用水作为水库的一个供水目标，以水库各时段的总供水量为决策变量构建供水水库多目标生态调度模型。考虑到我国北方地区水资源短缺，社会经济与生态环境用水矛盾突出，若在调度过程中过于强调水库调度的生态效益，则可能造成工业、农业、生活等供水要求得不到满足。针对此，研究将生态需水划分为最小生态需水、适宜生态需水两级，其中最小生态需水为维持下游基本生境需求，保障下游生态系统不退化所需要的最小流量过程；适宜生态需水为维持下游适宜生境，保障下游各物种正常生存、繁衍所需要的适宜流量过程。水库调度过程中，要求枯水时段按最小生态需水放水，保障下游生态系统不退化；丰水时段依据适宜生态需水放水，为下游生态系统提供良好的生境条件。
2.1.1 目标函数
（1）基本供水目标。供水水库调度的基本目标是调度运行期内缺水损失总和最小。本文以各时段总缺水量的平方和最小为优化目标。
2.2.2 适应度函数
本文构建的供水水库生态调度模型中各目标间的关系随水库承担任务的不同而有所差异。根据北方供水水库调度需求，采用如下原则对各优化目标进行协调：（1）优先考虑水库基本供水目标，即首先保证水库调度运行期内总缺水量平方和最小；（2）在总缺水量平方和相同的情况下，优先考虑下游适宜生态需水要求，即保证适宜生态需水缺水量平方和最小，（3）在上述两项相同的条件下，要求水电站机组维持高出力运行，提高水库发电量。
遗传算法寻优过程中，对生成种群的每一染色体分别计算总缺水量平方和、适宜生态需水缺水量平方和及总发电量，并按照上述原则进行排序。若第i条染色体的序号为order（i），则其适应度为
3 应用实例
3.1 双峰寺水库概况
为了验证模型的有效性，以承德双峰寺大（II）型水库为例进行模型应用。该水库位于滦河的一级支流武烈河之上。武烈河流域面积2 580 km2，天然径流过程丰枯变化显著，最大年径流量是最小年径流量的73倍，年内70%～80%的径流量集中在6月-9月。双峰寺水库工程以防洪为主，保障供水，兼顾发电及生态环境供水，电站厂房共设有3台水轮发电机组，装机容量合计1 270 kW。水库按设计标准供水时，每年向承德市供水5 600万m3，其中4 800万m3用于承德市生产生活，800万m3用于下游橡胶坝与避暑山庄湖区补水。为保障下游生态环境用水安全，水库供水全部放入下游河道，并通过下游沿河水源地、河口水源地取水[22-23]。
双峰寺水库总库容为1.373亿m3，死水位382.0 m，汛限水位387.0 m，正常高水位389.0 m。7月1日-8月15日为主汛期。水库设计标准年（2025年）正常供水过程及可行性研究阶段兴利调节计算采用的供水过程见表1。
3.2 下游河流生态需水过程
武烈河干流分布有鱼类26种、底栖动物18种（属）、浮游动物28种（属）、浮游植物7门44个种（属）以上。为保障坝址以下河流生态健康，双峰寺水库建成运行后，宜维持一定放水过程以满足下游生态系统需水要求。以承德水文站径流资料为基础，采用Tennant法中的“最小”标准推求最小生态需水过程，并以Tennant法的“中”标准计算适宜生态需水过程（表2）。
双峰寺水库供水全部放入下游河道，通过沿河水源地（2 100万m3/a）、河口水源地（2 700万m3/a）取水。考虑到各水源地设计取水量及实际取水能力，当水库按照设计标准供水时，下游全河段最小生态需水均能得到满足（10月至次年3月也可满足适宜生态需水要求）；若水库放水量低于设计供水量时，可通过缩减沿河水源井取水量来保证生态需水要求。此外，为满足4月-9月份适宜生态需水要求，期间水库放水量应为下游适宜生态需水量与沿河水源地设计取水量之和。水库按照不同生态需水等级供水时，其放水流量见表2。
3.3 水库生态调度方案及分析
选用丰、平、枯（P=10%、50%、90%）典型年为代表，采用上述模型及算法对双峰寺水库生态调度过程进行优化求解，并将之与可行性研究阶段的兴利调算过程[23]对比，识别不同调度方案的兴利、生态环境效应。
由于双峰寺水库装机容量较低，遗传算法寻优过程中可能出现部分时段水库未蓄满而放水“超量”的情况，故规定水库未蓄满时，水库放水不能超过机组最大出力对应值。此外，为便于对比分析，初、末水库蓄水量等边界条件亦采用可行性研究报告成果。优化调度结果见表3，水库放水流量过程见图1。
由表3、图1可知，生态调度方案与可行性研究阶段的调算方案相比调度过程有所差异，但不同典型年的差别程度不同。其中，受库容及边界条件的限制，平水年汛后调度过程基本没有改变；枯水年生态调度方案与可研调算方案差别较大，为保证生态用水，生态调度方案的放水过程趋于均一化。
从承德市的有效供水量来看（表4），可行性研究阶段的调算方案与生态调度方案相差不大。其中，丰水年、平水年承德市供水要求均能得到满足，而在枯水年，受水资源条件限制，两种方案均不能满足承德市供水要求，需适当限制供水。
从年发电量角度分析，丰、平、枯水年生态调度方案年发电量均较可研方案均有所增加，其原因为优化方案在汛期或汛后加大了放水量以提高水电站出力。考虑到库容及装机容量较小，前期增加放水提高出力不会对后期发电造成影响。
从下游生态需水角度分析，除个别月份外，生态调度方案在各个典型年均可满足下游最小生态需水要求，优于可研调算方案。特别是在丰水年，生态调度方案可以利用弃水来改善下泄过程，按照适宜生态需水控泄，为下游提供适宜的生境条件。
4 结语
本文构建的供水水库多目标生态调度模型，以各时段总供水量为决策变量，将生态用水作为水库的一个供水项，与工业、生活等供水目标联合求解。考虑到我国北方河流径流规律及供水水库调度实践需求，模型将下游河流生态需水过程划分为最小生态需水及适宜生态需水两个等级，要求枯水期水库放水过程满足河流最小生态需水要求，维持下游生态系统不发生退化；丰水期水库放水过程尽可能贴近适宜生态需水标准，为下游提供良好生境。
不过，目前对生态调度的研究尚不完善，理论方法还存在不足之处，如最小生态需水、适宜生态需水的计算方法，以及水库兴利效益与生态效益间协调方式等均需进一步研究。近年来，部分学者提出了“生态水库”的概念，即在传统兴利库容的基础上设置“生态库容”以保障下游生态安全，也是供水水库生态调度研究中的一个可行方向。
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