西南河流源区供水-发电-环境互馈关系及系统弹性研究

This study takes Lancang River as the research object and we summarized three key scientific issues, i.e., the interactions between the key variables identified and extracted from the coupled system, the water-hydropower-environment nexus, the tipping point and the system resilience in the system of runoff utilization. Based on these, we focused on the flowing research contents. Firstly, we identify and extract the key objective variables in the water-hydropower-environment coupled system and build simulation models from multidimensional spatial and temporal scales. Secondly, we establish the representative quantitative expression of the water-hydropower-environment nexus and analysis the dynamic evolution law of the nexus. Finally, we confirm the development threshold of runoff utilization from the perspective of system resilience. The innovation points are as followed: (1) identifying the key variables of water, hydropower and environment and excavating the interrelation between them under the typical operation schemes (2) analyzing and quantifying the water-hydropower-environment nexus in the single reservoir, cascaded reservoirs and the whole basin using the system analysis methods such as surrogate modeling , Support Vector Machine and so on; (3) proposing the method of quantifying the tipping point and resilience of the system, and determining the development threshold of runoff utilization. This study has important values in realizing the objective of the adaptive utilization of runoff which is the third part of the major research plan.

项目以澜沧江流域为研究对象，凝练三个科学问题：系统关键变量识别及相互影响关系、供水-发电-环境互馈机理、径流利用中临界阈值与系统弹性。重点研究内容：识别供水-发电-环境耦合系统的关键变量，明晰变量在径流调控下的相互影响机制，从多维时空尺度构建量-能-质模拟模型；量化供水-发电-环境代表性的互馈关系，分析互馈关系在变化条件下的演进特征；从系统弹性的角度识别径流利用的风险与开发阈值。主要创新点：(1)识别澜沧江流域供水、发电、环境关键变量，在典型调控方案下挖掘变量间的相互影响关系；（2）利用代理建模、SVM机器学习法等先进的系统分析方法在单库、梯级库群、全流域三个尺度分析并量化供水-发电-环境的互馈关系；（3）提出供水-发电-环境耦合系统临界阈值识别和系统弹性量化的方法，在此基础上确定西南河流源区径流开发阈值。本项目对重大计划中径流适应性利用研究目标的实现具有重要价值。

澜沧江流域的水资源和水能资源充沛，随着流域梯级水电站的开发，越来越多的问题逐步呈现：（1）然河道被“截断”进而导致径流过程发生改变，生态环境问题已经引起广泛关注，但如何针对重大计划关注的生源物质进行调控，尚无机理性的科学研究；（2）澜沧江是国际河流，下游国家对农业补水等方面提出要求，上游水电开发与湄公河下游多个国家所关注的农业、生态目标之间有何关系，尚缺乏科学分析。综上，澜沧江流域的径流调控涉及流域内外供水、发电与环境多个方面，它们之间具有复杂的联系而相互影响。.本项目以澜沧江流域水资源系统为研究对象，从系统特征分析入手，发展复杂水系统量-能-质耦合模拟方法，在此基础上研究不同空间尺度上的供水-发电-环境互馈关系，考虑气候变化和水利工程建设带来的影响，分析澜沧江-湄公河径流开发利用的合理范围。主要成果如下：（1）提出了一种生态优化调度新方法，旨在恢复天然河流中生源物质的健康循环。以水库磷通量拦截率最低为生态目标，建立梯级水电站多目标优化模型，并与以水文情势为生态目标的传统生态优化调度模型进行了比较。同时，研究了电网系统最小出力约束对发电量与排磷量之间的竞争关系的影响。在此基础上，分析了梯级水电站的排磷机理，提出了最优排磷时段的概念。（2）结合已有数据和社会经济数据，对澜沧江流域总磷负荷进行了核算，分析了不同来源总磷负荷的贡献率以及其时空分布特征。与此同时，对比分析澜沧江对整个湄公河总磷通量的贡献率，系统评估了澜沧江-湄公河跨境磷通量对中国水利工程建设的响应。（3）聚焦澜沧江干流梯级水电站发电调度的跨境影响，综合考虑与澜沧江干流梯级水库调度相关的供水、发电和环境3方面问题，建立以澜沧江干流梯级水库多年平均总发电量最大、最小出力最大、澜沧江流域出口断面天然流量指标最大、澜沧江流域出口排磷量最大和下游农业供水满足度最大的多目标优化模型，揭示流域供水-发电-环境互馈关系。