ABSTRACT

The cascade reservoir operation just considering power generation of the Lower Yellow River has caused serious environmental problems, because it ignored the ecological water requirement. Therefore, an ecological operation model of Xiaolangdi-Xixiayuan cascade reservoirs was developed to explore trade-offs between hydropower generation and ecological water requirement. The results show that the new ecological operation can greatly improve the ecological environment in the case of reducing the power generation, which has vital significance on the ecological environment management and restoration.

Keywords:Lower Yellow River, Reservoir Operation, Ecological Water Demand, Power Generation

小浪底–西霞院梯级水库生态
调度研究

孟雪姣，畅建霞，王学斌，田  甜

西安理工大学，西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，西安

Email: mengxuejiao@163.com

收稿日期：2014年10月1日；修回日期：2014年10月8日；录用日期：2014年10月15日

摘  要

黄河下游水库群调度主要以发电为目标，忽视了生态用水的要求，造成了严重的生态环境问题。针对这些问题，建立水库生态调度模型，并对小浪底西霞院梯级水库进行研究，结果发现，满足生态调度的水库调度，在减少少量发电的情况下，能很大程度的改善生态功能，对于生态环境的治理和恢复具有重要的意义。 

关键词

黄河下游，水库调度，生态需水，发电量

1. 引言

大量的水利工程改变了河流的天然水文情势，工程上下游的物理性质和生态环境特征也发生了剧烈变化，这些变化大部分对于河流健康和生态环境是不利的[1] 。其负面影响体现在：河流水资源量减少，水生生物多样性受到严重威胁；下游河道萎缩，河流过流能力下降；天然湿地面积萎缩，生物多样性衰减等。针对这些问题，人们提出生态调度的概念，即运用考虑生态的水库调度等技术手段，使得水资源开发利用既要为经济社会发展提供服务，又要减轻对河流健康和生态环境的不利影响，保护和改善河流系统和生态环境[2] -[4] ；文献[5] -[8] 指出水库生态调度是水库运行管理过程中兼顾生态因素的调度方式，在河流生态需水规律研究的基础上，通过调整水库调度运行方式，尽量满足河流生态系统的需水要求；文献[9] 探讨了水库生态调度的概念和任务，建立了水库生态调度多目标模型，并利用可行搜索离散微分动态规划算法对模型求解。文献[10] [11] 通过考虑生态流量目标需求，建立了水库群生态用水调度模型，并根据长系列优化运行的结果，对考虑生态的水库群调度规则和生态流量满足程度进行分析。黄河流域针对出现的生态问题做出了大量尝试，文献[12] 提出了黄河干流水库生态调度总体框架和实施步骤。当前黄河流域生态调度的研究主要集中于黄河上游，针对黄河下游水库群的生态调度的研究较少，本文以黄河下游小浪底–西霞院梯级水库为例，构建水库生态调度模型，用变动微分动态规划方法求解，研究满足生态需水的发电量最大模型，定量评估考虑生态因素对发电量造成的损失，并提出了调度折中方案选择的基本原则。

2. 模型建立

生态调度的问题是一个具有高度非线性、多约束条件的复杂动态控制问题[13] 。水库生态调度实质就是将生态因素纳入到现有的水库调度中去，制定相应的生态调度方案。其核心内容是满足流域水资源优化调度和河流生态健康为目标，建立调度函数。

2.1. 目标函数

本次调度在满足生态需水量的基础上，以发电量最大为目标进行优化调度，并对下游生态用水影响进行评估比较。

(1)

式中，为调度期总的发电量；为机组综合出力系数；为发电流量； 为净水头；为计算时段。

2.2. 约束条件

本次调度的约束条件包括生态需水约束，水量平衡约束，泄流量约束，电站出力约束，水位约束，具体约束条件如下：

1) 生态需水约束

(2)

式中，为总水量偏差；为生态、供水、灌溉等项用水量中的某一项；为需水流量；为供水流量；为计算时段；

2) 水量平衡约束

(3)

式中，，分别为时段和时段的库容，为时段水库平均入库流量，为出库流量。

3) 下泄流量约束

(4)

式中，表示水库时段的下泄流量；和分别为水库时段的最小下泄流量和最大下泄流量。本次调度对下泄流量最小值进行严格限制，即下泄流量最小值为当月最小生态径流和综合用水量之和。

4) 出力约束

(5)

式中，表示电站时段的发电出力；和分别为电站时段的保证出力和装机容量。

5) 水位约束

(6)

式中，表示水库时段的水位；和为水库时段允许最低水位和最高水位。

2.3. 模型求解

本文应用离散微分动态规划算法对生态调度模型求解。动态规划算法是一种成熟、稳定的计算方法，为了避免维数灾带来的不利结果，并力求计算精确，用变动微分动态规划进行计算，求出最优解。

3. 实例计算

黄河下游主要有小浪底、西霞院两座水库。两水库主要特征参数见表1。

小浪底水电站是一座大型常规水电站，6条发电引水洞进口高程195 m，单洞引水流量约300 m³/s。每一时段的发电量受来水来沙、下游减淤、下游用水和调节库容等制约。西霞院水库是小浪底水库的反调节水库，水库的任务以反调节为主，结合发电，兼顾灌溉、供水等综合利用。最小下泄流量是200 m³/s，最大下泄流量是800 m³/s。

本文的研究对象为黄河下游小浪底至河口段面，根据各河段的河道形态、河道特性不同，由小浪底、花园口、高村、艾山、利津将该河段划分为五个河段，本文中黄河下游生态需水计算原则为获取逐断面生态流量，扣除重复计算量，由下游反推至花园口的控制流量，获取黄河下游生态径流过程。

3.1. 逐断面生态需水

对于各断面生态需水量，本文主要考虑河流水污染防治需水量，维持河道内基本生态环境需水量，河流输沙需水量和河口区生态需水量。

1) 黄河下游水污染防治需水

黄河下游水污染防治需水量直接采取10年最枯月平均流量法计算河流最小污染防治需水量，对各控制断面从1950~2000进行计算，获得每10年最枯月平均流量，见表2。

由于黄河下游60年代三门峡水库建成造成的影响，本文采用50~60年代的最枯月平均流量作为黄河下游水污染防治需水量。

2) 河道内基本生态环境需水

河道内基本生态环境需水是指为维系和保护河流的最基本生态功能不受破坏，所必须在河道内保留的最小水量，具有优先满足性，本文中采用多年平均流量的1/10作为河道内基本生态环境需水量，计算得出不同河段生态基流见表3。

3) 河流输沙需水

黄河下游泥沙问题严重，水库运行时必须考虑河流的输沙需水，根据黄河下游不同断面的平均含沙量和输沙水量，计算出黄河下游不同时期的输沙需水量。考虑到黄河下游90年代以来河道断流和水库运行初期造成的来沙量变化引起的不一致性，本文拟采用80年代各河段平均输沙量计算，上游来沙量为

8.6亿吨。而由于黄河下游各断面形态不同，各断面的输沙需水量各异，据黄河下游高效输沙洪水研究和黄委会调水调沙实践，在汛初加大调水调沙流量，冲刷河床，枯水期减少输沙用水，全年输沙需水可以减少大约100亿m³。黄河输沙流量见表4。

4) 河口区生态需水

河口区生态需水量主要考虑维持河流三角洲形态需水量和维持河口生态系统需水量，其中维持河流三角洲形态主要考虑输沙和防治海岸侵蚀，河口生态系统包括陆域生态系统和海域生态系统，基于此，河口生态需水主要为河流输沙需水，河口区湿地需水，河口区陆域海域水生生物需水。河口生态需水过程见图1。

3.2. 小浪底控制断面生态流量

由各河段生态需水量，扣除重复计算量，从下游河段耦合至小浪底控制断面，得黄河下游生态径流见图2。

图1. 河口生态需水

图2. 黄河下游不同来水年份适宜生态径流

3.3. 实例计算

以黄河44年长系列来水资料，以2020年工业、农业、生活用水资料，和黄河不同年份适宜生态流量计算，得黄河下游生态调度结果。

4. 结果分析

选取1983年、1972年和1965年为丰水年、平水年、枯水年，如图3。

4.1. 多年平均发电量

由于生态需水过程和最大发电流量过程不一致，因此考虑生态的水库调度发电量有所下降，满足生态的水库调度和不考虑生态的水库调度相比，结果如表6。

由表5可见，小浪底水库满足生态需水的水库调度比不考虑河流生态需水的水库调度发电量减少1.32%，梯级水库减少1.02%，发电量有小幅减少。

图3. 丰、平、枯水年小浪底出库流量过程

4.2. 生态保证率和供水保证率

以生态用水和2020年工业、生活、农业用水为约束，保证率见表6，相比不考虑生态的水库调度，生态调度的生态用水保证率大大提高。本文中生态调度时供水优先次序为生态优先，其次是工业和生活需水，最后保证农业需水。

5. 结论

文章在研究黄河下游各断面生态需水量的基础上，计算了满足生态需水的小浪底控制断面下泄流量过程，建立水库生态调度模型，用动态规划求解。与不考虑生态的水库调度想比较，考虑河流生态需求的黄河下游梯级水库，在满足河流自净需水，冲沙需水，生态基流和河口湿地生态需水的前提下，梯级发电量减少1.02%，但是使河流自净、河道生态和河流泥沙输运等功能大大改善，对水库的生态调度具有一定的指导意义。

基金项目

国家自然科学基金(编号：51179149)。

参考文献 (References)

NOTES

作者简介：孟雪姣(1988-)，女，硕士研究生，主要从事水库调度研究。