二層結(jié)構(gòu)的流域生態(tài)調(diào)度研究 I：方法與模型

　　摘要：針對(duì)現(xiàn)有生態(tài)調(diào)度研究和實(shí)踐以工程為中心、流域水量調(diào)控考慮不足的問題，提出在水量調(diào)控基礎(chǔ)上進(jìn)行工程調(diào)度的二層結(jié)構(gòu)流域生態(tài)調(diào)度模型。模型上層先模擬水資源配置決策下的徑流過程、水利工程入流以及供水結(jié)果，以此為目標(biāo)和約束條件優(yōu)化工程調(diào)度規(guī)則，作為下層水利工程調(diào)度的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)符合總體水量決策下的流域整體生態(tài)調(diào)度。根據(jù)影響河道水量過程的決策因素，從社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求控制、水源開發(fā)利用和工程運(yùn)行調(diào)度三方面分析流域生態(tài)調(diào)度調(diào)控措施，按照經(jīng)濟(jì)生態(tài)逐步協(xié)調(diào)均衡的原則提出從現(xiàn)狀模式到綜合模式的方案設(shè)計(jì)方法，形成流域生態(tài)調(diào)度的整體方法和模型。

　　游進(jìn)軍; 薛志春; 林鵬飛; 蔣云鐘; 魏娜， 水利學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-08-02

　　關(guān)鍵詞：二層結(jié)構(gòu);生態(tài)調(diào)度;水資源配置;調(diào)度線

　　1 研究背景

　　隨著社會(huì)用水需求增加，水利工程規(guī)模擴(kuò)大，水資源開發(fā)強(qiáng)度增大。取用水和水利工程運(yùn)行改變了自然水文過程，從而影響了適應(yīng)自然水文節(jié)律的生態(tài)系統(tǒng)。為了維持生態(tài)健康，使供用水影響下的徑流過程更好地適應(yīng)生態(tài)水文節(jié)律，生態(tài)調(diào)度應(yīng)運(yùn)而生。生態(tài)調(diào)度是指能兼顧社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益并維持河流生態(tài)健康安全的水資源調(diào)控模式，是水資源管理發(fā)展的新階段。流域水量調(diào)控的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益主要是保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用水，河流生態(tài)健康主要體現(xiàn)為生態(tài)水量的保障，流域生態(tài)調(diào)度即是要實(shí)現(xiàn)二者的合理均衡。

　　生態(tài)需水以及相應(yīng)的生態(tài)調(diào)度概念最先由發(fā)達(dá)國家所提出，強(qiáng)調(diào)水資源調(diào)配應(yīng)考慮生態(tài)功能。 1970 年以來，國外學(xué)者針對(duì)水利工程運(yùn)行帶來的生態(tài)環(huán)境問題開展研究，包括調(diào)度方式的優(yōu)化和調(diào)度對(duì)河流生態(tài)環(huán)境的影響評(píng)價(jià)兩個(gè)方面[1]。Sale 等[2]通過數(shù)學(xué)方法確定了生物流量需求(INF)與傳統(tǒng)用水目標(biāo)間的關(guān)系，較早探索了生態(tài)調(diào)度理念。Petts[3]基于取用水改變徑流過程和減少總徑流的兩方面影響，從河流的連通性、生境流量維持等方面分析最小生態(tài)流量，針對(duì)用水與水文年型組合下的生態(tài)流量優(yōu)化提出了分析方法和模型;Hughes 等[4]建立了滿足生態(tài)需水的水庫調(diào)度模型;Shiau 等[5]提出以變化范圍法(RVA)確定年內(nèi)年際變化的生態(tài)流量目標(biāo)，通過帕累托非劣解尋求經(jīng)濟(jì)生態(tài)均衡關(guān)系開展生態(tài)調(diào)度;Castelletti 等[6]考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境限制的影響，提出了計(jì)算河流最小生態(tài)流量的公式，并作為約束條件應(yīng)用于水庫優(yōu)化調(diào)度研究;Steinschneider等[7]提出了考慮生態(tài)效應(yīng)的流域水庫群多目標(biāo)調(diào)度方法;Nyatsanza 等[8]研究了贊比西河流域水電站在不同生態(tài)流量條件下的發(fā)電狀況，取得了生態(tài)流量保障與發(fā)電的優(yōu)化契合。Gillespie 等[9]指出當(dāng)前生態(tài)調(diào)度重點(diǎn)是提高水庫下泄流量滿足預(yù)定目標(biāo)，忽視了河流生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)，提出生態(tài)調(diào)度應(yīng)考慮流域整體生態(tài)效果并協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)社會(huì)目標(biāo)要求，反映了從工程生態(tài)調(diào)度到流域整體生態(tài)調(diào)度和利益均衡的新視角。如何通過生態(tài)調(diào)度實(shí)現(xiàn)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)的共贏是當(dāng)前的國際研究熱點(diǎn)，需要深入認(rèn)識(shí)河流水文節(jié)律與生態(tài)過程的密切關(guān)系，理解徑流過程控制對(duì)生態(tài)系統(tǒng)直接和間接影響作用并動(dòng)態(tài)評(píng)估，從而提出人工干預(yù)的目標(biāo)和手段，目前的研究總體仍處于探索階段[10]。

　　國內(nèi)生態(tài)調(diào)度研究也是始于水庫調(diào)度，此后逐步深入[11]。1980 年以來，由于用水增加導(dǎo)致的河道斷流、水體污染等生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，以水環(huán)境水生態(tài)狀況改善為目標(biāo)的水庫調(diào)度方式逐步得到重視[12]。傅春等[13]圍繞水資源可持續(xù)開發(fā)理念提出了生態(tài)水利的基本概念及模型;蔡其華[14]提出適當(dāng)?shù)乃畮煺{(diào)度方式可以改善水體水質(zhì)。此后，水庫生態(tài)調(diào)度作為發(fā)揮水利工程社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等綜合效益的最直接方式得到廣泛研究，閘壩調(diào)度的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)也得到重視[15-16]。董哲仁等[17]提出了既能滿足水庫現(xiàn)有任務(wù)要求并能適當(dāng)保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)度方案;康玲等[18]針對(duì)漢江下游不同類型生態(tài)用水需求建立了丹江口水庫生態(tài)調(diào)度模型，并采用逐步優(yōu)化算法求解，分析了不同來水條件下生態(tài)流量目標(biāo)的保障狀況及對(duì)發(fā)電效益的影響。張洪波等[19]認(rèn)為水庫生態(tài)調(diào)度應(yīng)考慮多目標(biāo)耦合協(xié)調(diào)與滾動(dòng)修正機(jī)制，在此基礎(chǔ)上提出模型構(gòu)建方法。水庫群的生態(tài)調(diào)度也逐步得到重視。王宗志等[20]建立了考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的水庫群生態(tài)調(diào)度模型;呂巍等[21]圍繞烏江干流水電梯級(jí)開發(fā)和水生態(tài)保護(hù)的協(xié)調(diào)雙贏開展了梯級(jí)水庫群生態(tài)調(diào)度研究;鄧銘江等[22]以保障河流健康、河谷生態(tài)系統(tǒng)安全為目標(biāo)，構(gòu)建多尺度耦合的水庫群生態(tài)調(diào)度體系模型，并應(yīng)用于額爾齊斯河生態(tài)淹灌;彭少明等[23]針對(duì)黃河上游梯級(jí)水庫群運(yùn)行對(duì)中下游河道形態(tài)與生態(tài)的影響，考慮供水、發(fā)電、泥沙和生態(tài)等流域綜合需求，提出了水庫群多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度實(shí)施方向。生態(tài)調(diào)度模型的求解計(jì)算方法也是一個(gè)研究方向，方國華等[24]采用改進(jìn)遺傳算法分析了滿足最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量下的水庫發(fā)電優(yōu)化調(diào)度。

　　在實(shí)際需求和相關(guān)研究的共同推動(dòng)下，國內(nèi)部分江河逐步開展了生態(tài)調(diào)度的工程實(shí)踐，黃河小浪底水庫人造洪峰輸沙入海、引黃濟(jì)淀應(yīng)急補(bǔ)水遏制白洋淀生態(tài)惡化、桂林市水庫群生態(tài)調(diào)度改善漓江水生態(tài)、三峽水庫魚類繁殖調(diào)度等都取得了實(shí)際成效，說明水利工程生態(tài)調(diào)度對(duì)改善流域生態(tài)具有積極作用。流域整體考慮生態(tài)效應(yīng)的調(diào)度也逐步增多，黃河調(diào)水調(diào)沙實(shí)現(xiàn)干流不斷流是流域生態(tài)調(diào)度實(shí)踐的重大突破;黑河探索統(tǒng)一調(diào)度方式，通過生態(tài)輸水實(shí)現(xiàn)東居延海全年不干涸，生態(tài)環(huán)境得以改觀;新疆塔里木河生態(tài)應(yīng)急補(bǔ)水顯著改善了下游地下水位及河湖的整體生態(tài)環(huán)境;渭河通過生態(tài)調(diào)度增加了干流枯季水量提高了生態(tài)環(huán)境綜合效益。上述調(diào)度實(shí)踐工作說明了需求的迫切性，也證實(shí)了可行性，但仍存在生態(tài)和興利目標(biāo)協(xié)調(diào)關(guān)系不足的問題。

　　已有研究和實(shí)踐表明，當(dāng)前的生態(tài)調(diào)度仍然存在流域水量配置與工程調(diào)度分割的問題，流域水量配置調(diào)控對(duì)徑流總量和過程的影響不能反映到工程調(diào)度，缺乏供用水對(duì)徑流過程影響的反饋分析，工程調(diào)度決策對(duì)流域水量調(diào)控決策支撐不足。

　　2 流域生態(tài)調(diào)度需求分析

　　2.1 生態(tài)調(diào)度的目標(biāo)變化 生態(tài)調(diào)度源于解決水利工程建設(shè)運(yùn)行導(dǎo)致的河流生態(tài)環(huán)境問題，其首要目標(biāo)就是保障河流生態(tài)流量，滿足水生生物的生存、繁衍需求，確保生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，防止河道萎縮甚至斷流、維持河流生態(tài)系統(tǒng)的基本穩(wěn)定。隨著生態(tài)文明建設(shè)的深入推進(jìn)，社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視程度提高，滿足更高要求的生態(tài)水量也成為重要的保障目標(biāo)。由于生態(tài)與經(jīng)濟(jì)水需求的競爭關(guān)系，協(xié)調(diào)保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)用水成為新時(shí)代、新形勢下流域生態(tài)調(diào)度的主要目標(biāo)。從新的目標(biāo)和要求看，生態(tài)水量保障存在幾方面變化：一是范圍從保障斷面生態(tài)流量擴(kuò)大到考慮整個(gè)河流、流域的生態(tài)水量需求;二是目標(biāo)從靜態(tài)的保障生態(tài)基流提升到動(dòng)態(tài)的保障生態(tài)流量過程;三是手段從單一的滿足生態(tài)流量調(diào)度需求發(fā)展到調(diào)控流域經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的協(xié)調(diào)關(guān)系。

　　因此，隨著生態(tài)水量保障要求從河流斷面擴(kuò)展到流域整體，生態(tài)調(diào)度需要從針對(duì)河流斷面的水量調(diào)節(jié)擴(kuò)大到整個(gè)流域?qū)用娴乃空{(diào)控。流域生態(tài)調(diào)度目標(biāo)應(yīng)在充分考慮人類活動(dòng)自律性和生態(tài)自適應(yīng)性基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的協(xié)調(diào)均衡。

　　2.2 流域角度實(shí)施生態(tài)調(diào)度的措施 水利工程是天然水循環(huán)和供、用、耗、排社會(huì)水循環(huán)過程銜接轉(zhuǎn)換的核心，在水資源系統(tǒng)中具有橋梁作用。現(xiàn)有生態(tài)調(diào)度主要確保工程下泄生態(tài)流量，或者在局部時(shí)段通過工程調(diào)節(jié)使徑流滿足重點(diǎn)保護(hù)生物的流量需求，重點(diǎn)就是水利工程的調(diào)度運(yùn)行。因此，水利工程的實(shí)際入流對(duì)于指導(dǎo)水利工程實(shí)施生態(tài)調(diào)度至關(guān)重要。然而，水利工程實(shí)際入流除了水文隨機(jī)性外，還受到流域水資源開發(fā)利用等多種因素的影響。單獨(dú)的工程調(diào)度不能從整體協(xié)調(diào)區(qū)域?qū)用娼?jīng)濟(jì)和生態(tài)對(duì)水資源的競爭關(guān)系，難以考慮水量分配、利用和消耗等流域?qū)用骈_發(fā)利用對(duì)河道內(nèi)徑流總量和過程的影響。因此，流域生態(tài)調(diào)度不僅需要包括水利工程的運(yùn)行調(diào)度，還應(yīng)當(dāng)包括所有經(jīng)濟(jì)社會(huì)供用耗排水過程，納入影響河道水量過程的主要因素。

　　分析影響流域水量過程的因素，生態(tài)調(diào)度調(diào)控措施可以分為兩類：一類為流域?qū)用娴恼w水量調(diào)控，另一類為工程調(diào)度決策。兩類措施各有特點(diǎn)，均對(duì)滿足河流生態(tài)需求起到重要作用。流域整體層面措施，如用水需求控制、節(jié)水、不同水源利用、調(diào)水等，可以減少河道取用水量，實(shí)施效果在于提高河道的總體水量，具有長效性影響。工程調(diào)控措施則更具針對(duì)性，直接對(duì)應(yīng)斷面生態(tài)需求，短時(shí)間改變徑流過程，但不增加徑流總量。兩類措施相互關(guān)聯(lián)，相輔相成。

　　綜上，流域調(diào)控下的河道水量是水利工程實(shí)施生態(tài)調(diào)度的基礎(chǔ)，工程調(diào)度是改善局部生態(tài)的直接手段。因此，分析流域整體水量調(diào)控下的水利工程入流對(duì)于生態(tài)調(diào)度至關(guān)重要。本研究主要針對(duì)現(xiàn)有生態(tài)調(diào)度中工程與流域水量調(diào)控缺乏聯(lián)系的問題，建立兩類措施共同作用的流域生態(tài)調(diào)度模型。解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)包括兩方面：首先是流域水量配置調(diào)控與工程調(diào)度的耦合銜接，其次是流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的協(xié)調(diào)關(guān)系和均衡決策。

　　3 二層結(jié)構(gòu)流域生態(tài)調(diào)度模型

　　3.1 模型總體結(jié)構(gòu) 基于上述分析提出二層結(jié)構(gòu)流域生態(tài)調(diào)度模型，基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。上層調(diào)控包括區(qū)域需水控制、水源開發(fā)及水量配置等，采用水量模擬調(diào)控模型計(jì)算;下層工程調(diào)度根據(jù)流域水量調(diào)控確定的來水、供水目標(biāo)對(duì)流量控制過程作進(jìn)一步優(yōu)化。二者的耦合關(guān)聯(lián)體現(xiàn)在兩個(gè)方面;(1)在上層水量模擬中基于供水要求與生態(tài)調(diào)度目標(biāo)提出工程的入流和供水量;(2)建立重點(diǎn)工程與生態(tài)控制斷面的映射關(guān)系，以斷面的生態(tài)需水為目標(biāo)提出對(duì)上游工程的調(diào)度要求。通過流域水量模擬辨識(shí)人類活動(dòng)擾動(dòng)對(duì)河流徑流過程的影響，組合各類影響因子形成不同的邊界控制情景，在全流域水量模擬基礎(chǔ)上分析有利于河流生態(tài)的水量調(diào)控方案。通過上層提供的目標(biāo)和邊界條件，優(yōu)化分析下層重點(diǎn)水庫工程的調(diào)度規(guī)則，得出滿足生態(tài)流量要求下對(duì)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)最有利的調(diào)度方式。

　　模型上層為流域水量調(diào)控，綜合考慮各類影響因素對(duì)整個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)的擾動(dòng)，如用水需求增加、水利工程建設(shè)、非常規(guī)水源開發(fā)等，將各類影響因素相互組合，形成水量調(diào)度方案。對(duì)全流域的水量傳遞與轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行總體調(diào)配，從而確定水量配置關(guān)系下主要工程的實(shí)際入流。此外，水利工程供水過程受到其他各類水源的影響，通過系統(tǒng)整體水量配置模擬，能夠界定工程的供水范圍，從而為水利工程生態(tài)調(diào)度計(jì)算提供邊界條件。

　　模型下層是水利工程調(diào)度，在流域水量調(diào)控基礎(chǔ)上尋找滿足生態(tài)流量且最有利于經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的調(diào)度方式。工程調(diào)度需要在水量配置確定的工程入流和供水要求的前提下，考慮生態(tài)調(diào)度目標(biāo)，利用水利工程庫容和調(diào)控能力適時(shí)適量的調(diào)節(jié)下泄流量，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)防洪、興利、生態(tài)等各項(xiàng)要求。與單純的水庫優(yōu)化調(diào)度不同的是，本研究是在上層流域水量調(diào)控后，將工程實(shí)際入流和供水任務(wù)作為上下兩層結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)，對(duì)工程的調(diào)度規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化。通過兩層模型的耦合實(shí)現(xiàn)全流域水量模擬控制下的水利工程調(diào)度優(yōu)化計(jì)算，達(dá)到供水與生態(tài)綜合改善的調(diào)度效果。

　　3.2 上層：流域水量模擬 上層流域整體水量模擬系統(tǒng)概化建立復(fù)雜水資源系統(tǒng)的模型框架[25]，對(duì)天然水循環(huán)和人工水循環(huán)相關(guān)的各類實(shí)體進(jìn)行概化處理。通過計(jì)算單元、水利工程、控制節(jié)點(diǎn)等點(diǎn)元素代表用水戶、重要供水工程以及河流斷面等，以不同的線代表供水、退水、棄水等水量傳輸過程。為明確系統(tǒng)中各類基本元素之間的水量傳遞關(guān)系，采用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖反映水循環(huán)及開發(fā)利用過程，如圖 2 所示。

　　模擬工具采用復(fù)雜水資源系統(tǒng)模擬模型(ROWAS)[26]。ROWAS 以水源運(yùn)移轉(zhuǎn)化的宏觀物理機(jī)制為基礎(chǔ)，能夠模擬全流域水循環(huán)與水量供、用、耗、排二元水循環(huán)關(guān)系，針對(duì)經(jīng)濟(jì)用水、生態(tài)環(huán)境需求，通過規(guī)則模擬提供滿足各類需求、結(jié)合用戶經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)水量調(diào)配。根據(jù)各類水源的利用構(gòu)建獨(dú)立的模塊，如本地河網(wǎng)水、地表水、地下水、外調(diào)水、非常規(guī)水源等，建立不同水源和用戶以及整體水循環(huán)過程的傳遞關(guān)系，并通過參數(shù)設(shè)置分析不同水源利用的組合方式，形成不同水源組合供水的情景方案。每個(gè)計(jì)算時(shí)段內(nèi)按水源利用順序確定模塊化的計(jì)算流程，如圖 3 所示。

　　根據(jù)上述計(jì)算過程，可以得到考慮區(qū)域供水協(xié)調(diào)關(guān)系、不同水源用戶配置要求和上下游供棄水關(guān)系的水利工程入流和供水要求。流域水量配置調(diào)控計(jì)算以月為計(jì)算時(shí)段，采用長系列模擬。

　　3.3 下層：水利工程優(yōu)化調(diào)度 下層水利工程優(yōu)化調(diào)度是根據(jù)上層水量調(diào)控模型提供的來水和供水方案結(jié)果，對(duì)調(diào)度規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化，得到滿足生態(tài)流量目標(biāo)下最有利于供水的調(diào)度規(guī)則，指導(dǎo)工程調(diào)度運(yùn)行，給出滿足流域水量配置目標(biāo)下的工程調(diào)度結(jié)果。上層模型與下層模型之間的耦合關(guān)系如圖 4 所示。

　　模型中引入調(diào)度線作為供水調(diào)度依據(jù)，當(dāng)水庫庫容高于某一供水目標(biāo)調(diào)度線時(shí)向其供水，低于該目標(biāo)的調(diào)度線則停止供水。調(diào)度線一般設(shè)置三條，分別控制對(duì)城鎮(zhèn)用戶(含生活和工業(yè))和農(nóng)業(yè)灌溉的供水，以及生態(tài)流量的控制下泄。對(duì)于具有發(fā)電航運(yùn)等河道內(nèi)用水需求的水利工程目標(biāo)，可以根據(jù)工程實(shí)際中的重要性和優(yōu)先級(jí)參考上述三類目標(biāo)控制下泄水量，或增加相應(yīng)的調(diào)度控制線。本研究主要關(guān)注流域生態(tài)調(diào)度管理，水利工程按照生態(tài)調(diào)度線進(jìn)行生態(tài)目標(biāo)的控制，同時(shí)兼顧其他目標(biāo)，生態(tài)調(diào)度線的優(yōu)化以具體工程為對(duì)象，采用長系列月過程進(jìn)行計(jì)算，來水過程由上層水量調(diào)控模型模擬得出。

　　根據(jù)上層模型確定的來水過程和供水任務(wù)構(gòu)建單個(gè)水利工程的優(yōu)化模型，以庫容、供水任務(wù)、工程能力等設(shè)置約束條件，以供水量或供水效益最大為目標(biāo)，采用長系列月過程優(yōu)化得出生態(tài)調(diào)度線結(jié)果。調(diào)度線優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件如下：

　　(1)目標(biāo)函數(shù)。以供水量最大為目標(biāo)，不能達(dá)到上層模型對(duì)應(yīng)時(shí)段供水量時(shí)采用罰函數(shù)，其函數(shù)表達(dá)式為： max F = åt = 1 T åi = 1 M W i t - P (W )i (1)式中：F 為總供水量;T 為時(shí)段總數(shù);M 為需水用戶數(shù); W i t 為第 t 時(shí)段 i 用戶供水量; P (W )i 為第 i類用戶不能滿足流域配置模型供水時(shí)的罰函數(shù)，優(yōu)先級(jí)高的用戶如生活供水具有更高的罰函數(shù)。

　　(2)約束條件。 ①水量平衡約束： Vt + 1 = Vt + Wt,來 - Wt,損 - Wt,供 - Wt,內(nèi) (2)式中：Vt 、Vt+1分別為第 t 時(shí)段初和時(shí)段末的水庫庫容;Wt，來為第 t 時(shí)段水庫的來水量;Wt，損為第 t 時(shí)段水庫蒸發(fā)滲漏等損失水量;Wt，供為第 t時(shí)段供水量; Wt，內(nèi)為第 t時(shí)段水庫棄水量，包括滿足河道內(nèi)生態(tài)的下泄流量與發(fā)電用水量。 ②庫容約束： Vmin ≤ Vt + 1≤ Vmax (3)式中：Vmin、Vmax分別為第 t時(shí)段末水庫庫容上、下限，其中下限一般為死水位對(duì)應(yīng)庫容，上限為正常蓄水位對(duì)應(yīng)庫容，汛期為汛限水位對(duì)應(yīng)庫容。 ③生態(tài)流量約束： Wt,內(nèi)≥ Wt,生態(tài)目標(biāo) (4)式中：Wt,生態(tài)目標(biāo) 為工程 t時(shí)段對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量目標(biāo);Wt,內(nèi) 為下泄水量，包括下泄河道的發(fā)電水量。 ④可供水量約束： W i t ≤ Vt - V i t,調(diào) (5)式中： W i t 為第 t 時(shí)段、i 類用戶可供出的水量; Vt 為可以供水的水庫蓄水量，應(yīng)為該時(shí)段初始庫容疊加來水量扣除水庫蒸發(fā)滲漏損失后的庫容; V i 調(diào) 為 i 用戶對(duì)應(yīng)時(shí)段的調(diào)度線庫容，各個(gè)計(jì)算時(shí)段對(duì)應(yīng)其所在月份的調(diào)度線作為計(jì)算依據(jù)。當(dāng)Vt 小于調(diào)度線對(duì)應(yīng)庫容時(shí)，則對(duì)應(yīng)的用戶不能供水。

　　⑤供水量約束，包括總供水量約束和分項(xiàng)供水量約束。總供水量約束時(shí)段內(nèi)各類用戶的總供水量不能超過該時(shí)段總的水庫可供水量。總供水量約束： åi = 1 M W i t ≤ Vt - Vmin (6)分項(xiàng)供水約束： W i t ≥ W i t，供水目標(biāo) (7)式中：W i t，供水目標(biāo) 為工程 t時(shí)段對(duì) i用戶的供水量，該值由上層模型計(jì)算結(jié)果提供。 ⑥供水渠道(管道)規(guī)模約束： Wt ≤ Q渠道 Dt (8)式中：Q 渠道為工程不同類別供水工程規(guī)模; ?t 為計(jì)算時(shí)段長度。按照上述目標(biāo)和約束構(gòu)建模型，采用粒子群等優(yōu)化算法，通過初始化調(diào)度線-運(yùn)行-識(shí)別-反饋修正，獲得滿足生態(tài)流量控制要求且盡可能符合流域水量配置供水要求的調(diào)度準(zhǔn)則。將上述優(yōu)化得出的調(diào)度線作為工程調(diào)度的依據(jù)，對(duì)工程進(jìn)行以日為尺度的調(diào)度計(jì)算，保障其調(diào)度與流域水量調(diào)控目標(biāo)一致。

　　4 流域生態(tài)調(diào)度方案設(shè)計(jì)

　　考慮保障生態(tài)目標(biāo)的調(diào)度勢必會(huì)影響經(jīng)濟(jì)效益，從流域角度分析水量調(diào)控中生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)關(guān)系，需要采取科學(xué)合理的調(diào)控調(diào)度方案設(shè)置。根據(jù)對(duì)流域生態(tài)調(diào)度影響因素的分析，堅(jiān)持開源與節(jié)流并舉的水資源開發(fā)利用理念，綜合考慮流域內(nèi)部挖潛與外部調(diào)水，充分運(yùn)用工程措施、非工程措施以及其他的綜合調(diào)度管理等手段，并結(jié)合流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水與水生態(tài)的重要相關(guān)因素以及關(guān)鍵控制指標(biāo)，在上層流域水量的總體調(diào)控中通過綜合考慮需求控制、水源利用、工程調(diào)度三個(gè)層面 9項(xiàng)相關(guān)措施與指標(biāo)的組合，形成調(diào)度方案的總體框架，分析整體水量調(diào)控措施的作用，如圖 5所示。

　　需求控制。考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和節(jié)水強(qiáng)度兩方面。社會(huì)經(jīng)濟(jì)模式包括城鎮(zhèn)化程度和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，二者對(duì)于用水結(jié)構(gòu)和水量消耗具有明顯影響，根據(jù)二者的發(fā)展速度和預(yù)期目標(biāo)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。產(chǎn)業(yè)節(jié)水按照層次化需水分析方法[25]，確定不同部門、不同層次需求以及不同用水效率下的需水方案，體現(xiàn)通過節(jié)水實(shí)現(xiàn)用水總量減少、河道徑流增加的作用。

　　水源利用。考慮重點(diǎn)水利工程建設(shè)、小型水利工程開發(fā)、跨流域調(diào)水、再生水利用以及地下水開發(fā)等不同水源的開發(fā)，組合形成水源利用方案。

　　工程調(diào)度。考慮防洪及蓄水安全要求以及供水目標(biāo)優(yōu)先級(jí)設(shè)置供水、發(fā)電以及生態(tài)流量的保障優(yōu)先關(guān)系。按照是否考慮生態(tài)需求以及目標(biāo)高低設(shè)置水量下泄的控制要求，分析流域調(diào)度中保障生態(tài)流量的作用。

　　在上述三個(gè)層面因素綜合考慮基礎(chǔ)上，進(jìn)行流域調(diào)度總體方案設(shè)計(jì);按上述三個(gè)層面 9 項(xiàng)措施進(jìn)行排列組合，得出方案集;通過方案對(duì)比分析，以現(xiàn)狀為基礎(chǔ)綜合考慮地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)需求之間的動(dòng)態(tài)平衡，提出生態(tài)調(diào)度方案層次化的設(shè)計(jì)方法，得到六種典型方案設(shè)計(jì)模式，如圖 6 所示。

　　通過上述方案設(shè)計(jì)方法，以現(xiàn)狀模式調(diào)度方案為原型，從全流域?qū)用鎭砜紤]發(fā)展與控制的方向，在經(jīng)濟(jì)側(cè)與生態(tài)側(cè)通過不考慮生態(tài)需求與最大程度的壓縮經(jīng)濟(jì)發(fā)展，形成經(jīng)濟(jì)優(yōu)先與生態(tài)優(yōu)先兩個(gè)傾向性非常明顯的調(diào)度方案;此后再從水源開發(fā)利用層面進(jìn)行控制，在發(fā)展優(yōu)先的基礎(chǔ)上增加偏生態(tài)的措施，在生態(tài)優(yōu)先的基礎(chǔ)上強(qiáng)化經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，分別形成發(fā)展均衡與生態(tài)均衡兩個(gè)相對(duì)平衡的調(diào)度方案;最后在這兩個(gè)方案的基礎(chǔ)上，針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域以及重點(diǎn)斷面進(jìn)行有針對(duì)性的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的調(diào)控措施，得到綜合考慮經(jīng)濟(jì)與生態(tài)需求的調(diào)度方案。上述從基本方案到綜合發(fā)展的動(dòng)態(tài)優(yōu)化過程反映了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間利益均衡的互動(dòng)博弈過程。

　　5 結(jié)論

　　當(dāng)前以水利工程為核心進(jìn)行生態(tài)調(diào)度的方式忽視了水資源利用和河道水量過程的有機(jī)聯(lián)系，缺乏全局性的考量，生態(tài)與經(jīng)濟(jì)難以兼顧。二層結(jié)構(gòu)的流域整體生態(tài)調(diào)度模型在流域水量綜合調(diào)控的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度，可以實(shí)現(xiàn)流域水資源調(diào)配與水利工程群調(diào)度的有機(jī)結(jié)合。模型中的上層流域整體模擬為下層工程調(diào)度提供總體目標(biāo)和邊界條件，下層模型通過優(yōu)化調(diào)度規(guī)則實(shí)現(xiàn)與流域水量控制目標(biāo)一致的工程調(diào)度，實(shí)現(xiàn)從流域整體角度構(gòu)建經(jīng)濟(jì)與生態(tài)共贏的調(diào)度模式。在實(shí)際的流域水資源管理中，可以將水資源利用總體控制目標(biāo)、生態(tài)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展均衡關(guān)系等納入到生態(tài)調(diào)度總體決策的實(shí)際操作中，使流域生態(tài)調(diào)度更具全面性與實(shí)用性，有利于提高生態(tài)調(diào)度的效果，完善決策分析手段。

　　由于流域整體水量調(diào)控與工程調(diào)度之間存在多重水量關(guān)系，且尺度不同，需要進(jìn)一步分析流域整體調(diào)控與生態(tài)調(diào)度的水量銜接，從而更好實(shí)現(xiàn)流域整體水量調(diào)控下的水利工程生態(tài)調(diào)度。