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考虑河流生态系统保护因素 完善水库调度方式
充分考虑河流生态系统保护因素 完善水库调度方式长江水利委员会主任 蔡其华
　　长江流域已建成大中小水库4.4万多座(其中大型水库109座)，总库容1180亿m3。做好水库调度工作，对全流域水资源的综合开发利用和生态与环境的保护，具有重要意义。摆在我们面前的一项迫切任务，就是要充分考虑河流生态系统保护问题，完善水库调度方式，提高全流域水库的科学调度水平。 　　一、现行水库调度方式及存在的问题 　　目前，我国的水库调度主要是围绕防洪、发电、灌溉、供水、航运等综合利用效益所进行的。依据水库既定的水利任务和要求而制定的蓄泄规则，就是我们通常所说的水库调度方式。长江流域现行水库调度方式主要分为两大类，即防洪调度与兴利调度。防洪调度的主要任务是确保水库大坝安全和处理防洪与兴利的矛盾。对不承担下游防洪任务的水库而言，防洪调度的主要任务是在确保水库大坝安全的前提下，充分发挥水库兴利效益；对承担有下游防洪任务的水库，防洪调度的主要任务，是在确保水库大坝安全的前提下，处理好防洪与兴利之间的矛盾，通常采用的调度方式有：固定下泄（一级或多级）、补偿调节、预报预泄等，汛限水位是处理防洪与兴利矛盾的基本特征水位。兴利调度一般是在非汛期，按照水库所承担兴利任务的重要程度，合理分配水资源，谋求经济效益最大化的调度方式，按照工程任务一般分为：发电调度、灌溉调度、供水调度等类型。 　　以丹江口水利枢纽为例，其初期规模的综合利用任务为：防洪、发电、灌溉、航运及养殖。大坝加高后水库调节能力及承担各项水利任务的能力将有较大的改善和提高，其水利任务将调整为：防洪、供水、发电、航运。丹江口水库现状及大坝加高后，洪水调度方式均为预报预泄、补偿调节、分级控泄；兴利调度现状按水利任务主次，依据水库调度图进行控制运行。大坝加高后，丹江口水库按发电服从调水、调水服从生态的原则拟定控制水位和调度规则，在满足水源区用水发展要求的前提下，尽可能多调水，并按库水位高低和来水情况，分区进行调度，大水多调，小水少调。 　　现行水库的管理制度和调度运行模式的主要任务是，处理、协调防洪和兴利的矛盾以及兴利任务之间的利益。从河流生态系统保护的角度看，现行调度方式存在的主要问题：一是大多数的水库调度方案没有考虑坝下游生态保护和库区水环境保护的要求。目前一些大型水电站在进行调峰调度运行时以及支流中开发的引水式水电站，往往只重视发电效益，忽视了坝下游生态保护的要求，如电站在调峰运行和引水发电时，导致坝下游出现减水河段，甚至脱水河段，使坝下游水生物（尤其是鱼类）的生存环境遭受极大破坏，一些减水和脱水河段的生物多样性遭受严重破坏，直接威胁坝下游水生态的安全；由于水库对下泄流量的调节作用，也可能引起水库下游局部河段出现水体富营养化。二是受水库调度运行的影响，也会引发库区局部缓流区域或支流回水区出现水体富营养化，甚至“水华”现象的发生；水库消落带的利用与水库的调度运行不协调，可能造成消落带利用而污染水库水质。三是缺乏对水资源的统一调度与管理。目前长江上游干支流水电开发基本进入全面开发的状态，一些工程规模大、调节性能好、综合利用效益大的控制性水利枢纽工程正在加快建设。这些枢纽工程建成后，如果仍采用目前的调度与管理模式，各发电公司仅按枢纽各自的任务进行调度运用，势必会造成对水资源统一调度的不利，不仅会影响流域梯级水库整体的综合利用效益，而且还会导致生态与环境等一系列影响。例如，如果长江上游干支流水库同步蓄水、放水，下游河道水量大幅减少或增加，将对长江中下游的生态与环境产生较严重的影响。 　　从三峡水库调度运行面临的问题和沱、岷江流域梯级开发及水库调度存在的主要问题，可以更加清楚地看到现有水库调度方式存在的问题。 　　（一）三峡水库调度运行面临的问题 　　三峡水库首先考虑的是防洪，其次考虑发电和航运，坝下游生态保护和库区水环境保护将面临许多新的问题。一方面，在三峡水库泄水运行过程中，每年4月底至5月初，由于三峡水库坝前存在水温分层，水库升温期下泄水较天然情况的水温低，将会使坝下游“四大家鱼”的产卵时间推迟约20天；同时，三峡水库的削峰作用，也直接影响“四大家鱼”的产卵量，可能导致中下游“四大家鱼”的产量下降；水库泄洪时，可能使下泄水流中造成氮气过饱和，可能使坝下游鱼类（尤其是鱼苗）发生“气泡病”；水库的清水下泄，影响和改变了中下游的江湖关系，也相应的影响了中下游的水生态环境。另一方面，在三峡水库蓄水运行过程中，支流回水区受水库回水顶托的影响，在局部缓流区域可能会出现水体富营养化，甚至“水华”（如135m蓄水过程中香溪河发生的“水华”）；随着水库蓄水位抬高，水库消落带的利用，也可能影响水库水体的水质。 　　（二）沱江流域水库调度存在的问题严峻 　　沱江干流总长达600多km，经成都、资阳、内江、泸州后注入长江，流域面积约2.7万km2。两岸人口密集、工业企业众多。由于缺乏有效环境管理，沱江接连出现了两次严重污染事件，污染事件发生后紧急实施跨流域调水――通过都江堰和三岔水库分别调水5000万m3和500万m3为沱江冲污，调水流量甚至大于沱江上游来水。但在调水冲污过程中，由于对沱江干流的石桥、沱江、南津绎等梯级水电站缺乏统一调度与管理，污水团下泄缓慢，调水冲污效果并不理想。这一事件充分暴露了电调与水调的矛盾，暴露了企业在处理经济利益与生态保护中的局限性，也暴露出管理制度的薄弱。 　　（三）岷江流域水库调度存在的问题 　　岷江干流除在建电站紫坪铺和支流在建狮子坪电站外，目前干、支流上已建的其他水电站均采用引水式开发，各水电站为了获取最大的发电效益，尽量引水发电，基本不考虑河道内生态用水，导致干流约80km、支流约60km的河段出现时段性脱水。铜钟电站以上的茂县境内，断流现象十分突出，河道干涸，在40km的河段内，干涸河段长17km，占河段长度的42%。岷江上游干流和主要支流原生的近40种鱼类，包括国家二级保护鱼类虎嘉鱼，由于河流减水或断流，河床萎缩或干涸，直接影响鱼类的繁衍和生存，鱼类数量和种群急剧下降，许多河段生物多样性丧失殆尽。20世纪80年代以后，茂县以下河段虎嘉鱼已绝迹，曾是杂古脑河和岷江上游主要经济鱼类的重口裂腹鱼，也很少发现。此外，在脱水、断流河段，河床大部分甚至全部裸露，乱石堆积，两岸植被萎缩，河床出现沙化，在汛期大水时，易形成含沙高的洪水，加剧下游河道的淤积。 　　此外，岷江上游地区比较好的土地多集中于河道两岸，农田灌溉主要依靠抽、引岷江水灌溉。由于部分河段出现脱流或减水，使河流两岸农田的灌溉水源无法保证。 　　综上所述，一方面长江流域水资源和水力资源丰富，目前总体开发利用程度不高，开发利用潜力巨大，随着我国社会经济发展对水资源和能源要求的提高，长江流域的水资源和水力资源的开发利用，必将进入一个快速发展阶段。另一方面，现行的水库调度方式主要是处理、协调防洪和兴利的矛盾以及兴利任务之间的利益，对水库下游生态保护和库区水环境保护重视不够，对生态与环境造成一定的负面影响。这就要求我们把生态调度纳入水库调度统一考虑，努力提高防洪、兴利与生态协调统一的水库综合调度方式。 　　二、完善水库调度方式的基本思路和对策措施 　　完善水库调度方式的基本思路是：牢固树立和认真落实以人为本，全面、协调、可持续的科学发展观，以维护健康长江、促进人水和谐为基本宗旨，统筹防洪、兴利与生态，运用先进的调度技术和手段，在满足坝下游生态保护和库区水环境保护要求的基础上，充分发挥水库的防洪、发电、灌溉、供水、航运、旅游等各项功能，使水库对坝下游生态和库区水环境造成的负面影响控制在可承受的范围内，并逐步修复生态与环境系统。 　　（一）充分考虑下游水生态及库区水环境保护 　　水库的调度运用对生态与环境造成的不利影响不可忽视。根据目前长江流域水库的管理和调度现状，研究认为，在现有的调度方式中，根据各水库的实际情况可以通过下泄合理的生态基流（最小或适宜生态需水量），运用适当的调度方式控制水体富营养化、控制水体理化性状与水华爆发、控制河口咸潮入侵等，以达到减少或消除对水库下游生态和库区水环境不利影响的目的。 　　1.确定合理的生态基流 　　生态基流要根据坝下游河道的生态需水确定。生态需水是指维系一定环境功能状况或目标（现状、恢复或发展）下客观需求的水资源量。确定河流生态需水量，是保护河流生态系统功能的有效措施。河流生态需水量的确定，应根据河流所在区域的生态功能要求，即生物体自身的需水量和生物体赖以生存的环境需水量来确定。河流生态需水量，不但与河流生态系统中生物群体结构有关，而且还应与区域气候、土壤、地质和其它环境条件有关。 　　水资源开发利用程度的不断提高，使得水资源利用与生态用水的矛盾在全球范围都很突出，但生态流量大小的选取论证，目前尚缺乏比较完善、成熟的方法。美国、法国、澳大利亚等国家都先后开展了许多关于鱼类生长繁殖与河流流量关系的研究，提出了河流最小生态（或生物）流量的概念和计算方法，如湿周法、河道内流量增加法、Montana法等。对于最小河流生态用水，有些国家干脆做出强制性规定，例如，法国规定最小河流生态用水流量不应小于多年平均流量的1/10，对多年平均流量大于80m3/s的河流，最低流量的下限也不得低于多年平均流量的1/20。我国根据河流所处的地区，也提出了确定河流生态流量的不同方法。根据长江流域水资源综合规划的要求，长江流域河道生态基流可根据多年径流量资料，一般采用90%或95%保证率的最枯月河流平均流量。 　　根据生态基流控制水库下泄流量的措施多种多样，最经济的方法是设定在一定的发电水头下的电站最低出力值。通过电站引水闸的调节，使发电最低下泄流量不小于所需的河道生态基流，以维持坝下游生态用水。 　　2.控制水体富营养化 　　水库局部缓流区域水体富营养化的控制，可通过改变水库调度运行方式，在一定的时段内降低坝前蓄水位，使缓流区域水体的流速加大，破坏水体富营养化的形成条件；或通过在一定的时段内增加水库下泄流量，带动水库水体的流速加大，达到消除水库局部水体富营养化的目的。另外，对水库下游河段也可通过在一定的时段内加大水库下泄量，破坏河流水体富营养化的形成条件；或采取引水方式（如汉江下游的“引江济汉”工程），增加河流的流量，消除河流水体的富营养化。 　　3.控制“水华”爆发 　　可通过不同的调度方式，充分运用水动力学原理，改变污染物在水库中的输移和扩散规律以及营养物浓度场的分布，从而影响生物群落的演替和生物自净作用的变化。可利用水库调度对水资源配置的功能，蓄丰泄枯，增加枯水期水库泄放量，从而显著提高下游河道环境容量，改善水质。目前，汉江下游枯水期2月份前后频繁爆发水华，随着丹江口水库大坝加高，调蓄能力增强，以及引江济汉联合调度，可增加汉江下游2月份前后的河道流量，从而有效缓解汉江下游水体富营养化现象，控制蓝藻“水华”的爆发。 　　4.控制咸潮入侵 　　长江口属于受上游来水和口外咸潮入侵双重影响的敏感水域，上游来水和咸潮入侵直接关系到这一水域的生态安全。长江口盐水入侵是因潮汐活动所致的、长期存在的自然现象，一般发生在枯季11月至次年4月，其距离因各汊道断面形态、径流分流量和潮汐特性不同而存在较大差异。南支河段有两个盐水入侵源，即外海盐水经南北港直接入侵和北支向南支倒灌，北支倒灌是南支上段水域盐水入侵的主要来源。 　　三峡工程是长江干流上骨干水利枢纽工程，水库具有较大的调节库容，按设计的调度运用方式，可增加长江中下游干流枯季流量m3/s，对改善长江口枯季咸潮入侵的作用明显。但在三峡水库蓄水期，有一定的不利影响。水库调度在满足原定防洪、发电、航运等基本要求的前提下，可适当改变调度运行方式，以减少在10月份三峡工程蓄水期对咸潮入侵的不利影响。通过初步研究，可以考虑在不影响重庆河段输沙的条件下，适当延长三峡水库蓄水期，则可减少10月份的蓄水量，对长江口的影响便可明显减轻。在此基础上，还可以研究应急调度运用方式，如果长江出现了特枯水，长江口咸潮入侵形势特别严峻时，可视必要加大发电流量，以缓解这一关系到长江口地区可持续发展的重大问题。 　　（二）充分考虑水生生物及鱼类资源保护 　　水库形成后，一方面产生了一些有利于部分水生生物繁衍生息的条件，其种类和数量会大幅度增加，生产力将提高。另一方面，水库对径流的调节作用，使库区及坝下河流水文情势和水体物理特性发生变化，对水生生物的繁衍和鱼类的生长、发育、繁殖、索饵、越冬等均会产生不同程度的影响，如：库区原有的急流生境萎缩或消失，一些适宜流水性环境生存和繁殖的鱼类，因条件恶化或丧失，种群数量下降，个别分布区域狭窄、对环境条件要求苛刻的种类甚至消失；大坝阻隔作用使生境片段化，影响水生生物迁移交流，导致种群遗传多样性下降；水库低温水的下泄，对坝下游水生动物的产卵、繁殖具有不利影响；由于水库泄洪水流中进入了大量的氮气，使下泄水体中氮气过饱和，可能导致坝下游鱼类（尤其是鱼苗）发生“气泡病”。对这些不利影响，可采用以下调度措施减小或消除。 　　1.采取人造洪峰调度方式 　　水库的径流调节使坝下河流自然涨落过程弱化，一些对水位涨落过程要求较高的漂流性产卵鱼类繁殖受到影响。根据鱼类繁殖生物学习性，结合坝下游水文情势的变化，通过合理控制水库下泄流量和时间，人为制造洪峰过程，可为这些鱼类创造产卵繁殖的适宜生态条件。鉴于三峡工程对长江荆江段“四大家鱼”产卵场的不利影响，目前正着手进行“人造洪峰”诱导鱼类繁殖技术的研究与实践。 　　2.根据水生生物的生活繁衍习性灵活调度 　　水库及坝下江段水位涨落频繁，对沿岸带水生维管束植物、底栖动物和着生藻类等繁衍不利。特别是产粘性卵鱼类繁殖季节，水位的频繁涨落会导致鱼类卵苗搁浅死亡。因此，水库调度时，应充分考虑这些影响，尤其是产粘性卵鱼类繁殖季节，应尽量保持水位的稳定。我国很多渔业生产水平比较高的水库，在水库调度中都采取了兼顾渔业生产的生态调度措施。如黑龙江省龙凤山水库在调度上采取春汛多蓄，提前加大供水量的方式，然后在鱼类产卵期内按供水下限供水，使水库水位尽可能平稳，取得了较好的效果。 　　3.控制低温水下泄 　　水库低温水的下泄严重影响坝下游水生动物的产卵、繁殖和生长。可根据水库水温垂直分布结构，结合取水用途和下游河段水生生物生物学特性，利用分层取水设施，通过下泄方式的调整，如增加表孔泄流等措施，以提高下泄水的水温，满足坝下游水生动物产卵、繁殖的需求。 　　4.控制下泄水体气体过饱和 　　高坝水库泄水，尤其是表孔和中孔泄洪，需考虑消能易导致气体过饱和，对水生生物、鱼类产生不利影响，特别是鱼类繁殖期，对仔幼鱼危害较大，仔幼鱼死亡率高。水库调度可考虑在保证防洪安全的前提下，适当延长溢流时间，降低下泄的最大流量；如有多层泄洪设备，可研究各种泄流量所应采用的合理的泄洪设备组合，做到消能与防止气体过饱和的平衡，尽量减轻气体过饱和现象的发生。此外，气体过饱和在河道内自然消减较为缓慢，需要水流汇入以快速缓解，可以通过流域干支流的联合调度，降低下泄气体中过饱和水体流量的比重，减轻气体过饱和对下游河段水生生物的影响。 　　（三）充分考虑泥沙调控问题 　　长江是一条泥沙总量大的河流，在长江上修建水库，库区泥沙淤积与坝下游河床冲刷的调整，以及由此带来一系列的问题，是建库后的自然现象，无法避免。泥沙冲淤对防洪、发电、航运、生态等影响，是检验水利枢纽工程泥沙问题处理得成功与否的一个重要标志。水库的泥沙调度，须结合水库的综合利用、目的和水库本身的具体情况，全面考虑，慎重对待。 　　长江流域的河流一般水大沙多，且来水来沙量多集中在汛期，为减小库区泥沙淤积，长期保留水库大部分的有效库容，充分发挥工程的综合效益，一般采用汛期结合防洪降低库水位以排沙，非汛期蓄水抬高水位以兴利的“蓄清排浑”的水库调度方式运用，通过这种调度措施可在很大程度上减少泥沙冲淤带来的不利影响。 　　水库泥沙淤积将直接造成库容的损失、库尾段的淤积，会引起库尾水位的明显抬高、变动回水区航道与港口的运行安全等问题。通过采用“蓄清排浑”、调整运行水位以及底孔排沙等调度方式，可有效减少泥沙淤积和改善变动回水区的航运条件。如长江三峡水库属于河道型水库，滩库容相对较小，来水来沙量集中在汛期，大量水量需要下泄，水库正常调度采用175m-145m-155m方案，在水库运行100年后，库区泥沙淤积基本平衡，但可仍保留防洪库容约86%，保留兴利调节库容约92%。而采用“蓄清排浑”的调度方式运用，可有效的减少泥沙在库尾段的淤积，水库运用100年后，长寿以上的淤积量只约占总淤积量的3.6%左右。 　　水库的调蓄改变了天然河流的年径流分配和泥沙的时空分布，汛期洪峰削减，枯季流量增大，大量泥沙在库区淤积。坝下游河道将发生沿程冲刷，同时因流量过程调整，下泄沙量减少，河势将发生不同程度的调整。河床冲刷及河势调整对防洪与航运带来一定程度的影响。河床冲深，降低洪水位，增加河槽的泄洪能力；年内径流分配的调整，有利于浅滩航槽的改善。但在河势调整过程中，可能危及防洪大堤与护岸工程的安全，也可能出现局部浅滩恶化。水库可按“蓄清排浑”、调整泄流方式以及控制下泄流量等方式，通过调整出库水流的含沙量和流量过程，尽量降低下游河道冲刷强度，减少常规调度情况出库水流对下游河道冲刷范围并延缓其进程，以减小不利影响。 　　（四）充分考虑湿地保护需要 　　长江中下游为我国淡水湖泊湿地的集中分布区，河口地区在海陆交界处分布有大面积的滩涂湿地。长江流域水资源和水力资源开发利用，将会引起长江中下游及河口水文泥沙条件的变化，进而对洞庭湖、鄱阳湖和河口等湿地结构和功能产生一定影响。 水库对湿地的影响产生的根本原因，是水库改变了天然河流水沙特性，造成天然湿地水沙补给规律的改变。因此，水库的调度应根据长江中下游湿地的特点，从保护湿地的角度，可通过对水库下泄流量和含沙量作季节性调整等措施，将水库对湿地的影响减小。 　　（本文系作者在日召开的改进水库调度修复河流下游生态系统研讨会上的发言。研讨会由中国水利水电科学研究院、美国自然遗产研究所、全球水伙伴（中国）发起，旨在探讨通过改进水库调度和水利设施管理以修复河流下游生态系统和改善人类生活的可行性。） 　　来源：长江水利网&& 日 　
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桥梁工程专业工程师，硕士学历，擅长桥梁设计，结构有限元分析，岩土分析计算。
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面向生态需水的随机动态规划水库调度模型研究及应用局
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供水水库多目标生态调度研究
　　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。 中国论文网 http://www.xzbu.com/8/view-7043612.htm　　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：（3-05 　　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。 　　参考文献（References）： 　　[1] 　　YI Yu-jun，WANG Zhao-yin，YANG Zhi-feng.Impact of the Gezhouba and Three Gorges Dams on habitat suitability of carps in the Yangtze River[J].Journal of Hydrology，（3/4）：283-291. 　　[2] 蒋晓辉，赵卫华，张文鸽.小浪底水库运行对黄河鲤鱼栖息地的影响[J].生态学报，）：.（JIANG Xiao-hui，ZHAO Wei-hua，ZHANG Wen-ge.The impact of Xiaolangdi Dam operation on the habitat of Yellow River Carp[J].Acta Ecologica Sinica，）：.（in Chinese）） 　　[3] 王俊娜，李?，廖文根.三峡-葛洲坝梯级水库调度对坝下河流的生态水文影响[J].水力发电学报，）：84-90.（WANG Jun-na，LI Chong，LIAO Wen-gen.Impacts of the regulation of Three Gorges-Gezhouba cascaded reservoirs on downstream eco-hydrology[J].Journal of Hydroelectric Engineering，）：84-90.（in Chinese）） 　　[4] 徐杨，常福宣，陈进，等.水库生态调度研究综述[J].长江科学院院报，）：32-37.（XU Yang，CHANG Fu-xuan，CHEN Jin，et al.Review of research on ecological operation of reservoir[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，）：32-37.（in Chinese）） 　　[5] 康玲，黄云燕，杨正祥，等.水库生态调度模型及其应用[J].水利学报，）：134-141.（KANG Ling，HUANG Yun-yan，YANG Zheng-xiang，et al.Reservoir ecological operation model and its application[J].Journal of Hydraulic Engineering，）：134-141.（in Chinese）） 　　[6] 许可，周建中，顾然，等.基于流域生物资源保护的水库生态调度[J].水生态学杂志，）：134-138.（XU Ke，ZHOU Jian-zhong，GU Ran，et al.The effect of different reservoir operating on biological resource in the basin[J].Journal of Hydroecology，）：134-138.（in Chinese）） 　　[7] 郭文献.基于河流健康的水库生态调度模式研究[D].南京：河海大学，2008.（GUO Wen-xian.Research on reservoir ecological operation model for river health[D].Nanjing：Hohai University，2008.（in Chinese）） 　　[8] 陈端，陈求稳，陈进.基于改进遗传算法的生态友好型水库调度[J].长江科学院院报，）：1-6，12.（CHEN Rui，CHEN Qiu-wen，CHEN Jin.Reservoir operation in an eco-friendly manner based on adaptive genetic algorithm[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，）：1-6，12.（in Chinese）） 　　[9] 金鑫.面向河流生态健康的供水水库群联合调度研究[D].大连：[HJ1.85mm]大连理工大学，2012.（JIN Xin.Study on joint operation of feeding reservoir group for river ecosystem health[D].Dalian：Dalian University of Technology，2012.（in Chinese））
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