一种面向小尺度水流情势的多目标生态调度策略研究

Unscientific river ecological objective and non-negligible reservoirs social-economic loss are the main two problems in the development of ecologcial operation technology. Base on a long series of runoff and precipitation data, the project deep analyses and discusses the the matching degree of the process of river flow under different reservoir operation modes and natural runoff, seeking to find a more comprehensive, scientific, specific river ecological objective and put forward a kind of multi-objective control strategy that can effectively balance the reservoir social-economic duties and river ecological requirements. In order to better improve the operation performance of reservoirs to reduce the loss of reservoir economic benefit, the optimization technology is introduced into the multi-objective control strategy, which can help promoting the win-win solution for the exploitation and protection of rivers. The concrete content includes three aspects: (1) establishing and quantifying a small time scale-based river ecological objective which builds on the flow regime. (2) researching on an integration approach to couple the river ecological objective and reservoir social-economic objective. (3)proposing a multi-objective scheduling rules based on the simulation-optimization combination method and establishing an multi-objective model, aims at obtaining the optimal tradeoff of the river ecological requirement and reservoir social-economic duties.

生态目标不够科学、水库防洪兴利效益受影响较大，是目前生态调度技术发展中的两个主要难题。本项目拟利用长系列降水径流资料，对水库各种运行方式下的河道流量过程与天然径流过程的匹配程度进行深入分析和探讨，在更为全面、科学、具体地兼顾河流生态要求的基础上，提出一种可有效权衡河流生态要求与水库防洪兴利要求的多目标调控策略，并进行深入优化以更好地发挥水库的调节性能，减少水库的经济效益损失，推进实现河流开发与保护的双赢。具体内容包括三个方面：（1）建立基于水流情势、可模拟小尺度水流过程的河流生态管理目标，并进行量化。（2）研究水库防洪兴利目标与基于小尺度水流情势的河流生态管理目标的匹配途径。（3）提出基于模拟—优化组合技术的多目标调度规则，建立多目标调度模型，对生态要求与防洪兴利要求进行最优权衡。

进行生态友好型水库调度是缓解水库（大坝）对河流生态环境负面影响以保护河流生态功能的必要手段。为了同时兼顾河流的兴利效益和生态效益，本项目研究了可与水库兴利目标可在不同时间尺度上耦合的多目标生态调度模型和调度策略，并采用模拟-优化组合技术对模型进行了求解，得出的调度决策既保证了水库有效的社会经济效益，又较为理想地改善了河流生态流量条件。主要研究结果有：（1）分别采用变动范围法（Range of Variation Approach, RVA）和频次直方图匹配法(Histogram Matching Approach, HMA)对汉江下游河道水文情势在日尺度上的变化度进行了量化和评估，认为汉江下游河道建坝后的水文总体变化度为0.6236，与建坝前水流情势的不匹配度为0.334。（2）建立了小时间尺度的河流生态管理目标，分别评估了水库调蓄在丰、平、枯三种不同来水条件下对水流情势的影响，发现水库调蓄作用在丰水年最高，枯水年次之，在平水年影响度最弱，且主要影响的是水文过程的上涨/下降幅度。（3）提出了日尺度生态目标与水库供水、调水和发电目标在不同时间尺度上相匹配的方式及联合调度策略：在旬时间尺度上与水库兴利要求进行均衡以满足河流最小生态蓄水量，在旬内耦合日尺度的生态需水势，以满足河流生态环境对水流的涨落需求。（4）建立了同时兼顾水库兴利要求、水库下游河道最小生态需水量及水流涨落情势的多目标调度模型，基于模拟-优化结合技术采用多目标优化算法对模型进行求解。与只满足河流最小生态需水量的最优调度决策相比，考虑生态需水势后，水库的供水量多损失2.5%，调水量没有损失，发电量多损失2.8%，且相应保证率都有所下降。可见，在调度策略中考虑生态需水势对水库的兴利效益损失并不显著，且水库出流的波动性得到了较好的满足，其中，河道水流的上升/下降幅度提升了2倍，低脉冲平均发生次数从5.4提高到21.8，高脉冲平均发生次数则从0.3提升至0.9。该研究的可行性得到验证，为我国在已开发河流上进行生态友好型水库调度提供了技术支撑。