水利工程的科学调度方法研究

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摘  要
水利工程是确保人民生命财产安全，促进社会经济可持续发展的重要保障。但我们在享受着水利工程带来的经济与社会效益的同时，河流生态系统却承受着前所未有的压力。一方面，是由于水利工程本身对河流生态系统产生的影响，主要表现在对河流生态系统连续性的破坏；另一方面，水利工程建成以后，常规的水库调度方式存在许多不合理的现象，没有专门考虑生态的需求，从而引起了一些生态问题。本文分析了水利工程对生态环境的影响，针对芙蓉嶂水库生态因素的现状，提出了考虑生态环境为目标的水力工程生态调度方式研究。

关键词：预报信息   生态效益  科学调度
      

目    录
摘  要        2
前言        4
一、理论基础        5
（一）循环经济理论        5
（二）可持续发展理论        5
（三） 系统理论        6
二、 水库对河流生态系统的影响分析        6
（一）对河流上游库区和回水区影响        6
（二）对水库相邻地区的影响        7
（三）对下游水文力学及生态影响        7
（四） 水利工程的区域生态效益        8
三、 生态调度方案        9
（一）生态调度应遵循的原则        9
（二）下游河道生态环境现状及需水特点分析        9
（三）库下游河道生态需水量的确定        10
（四） 多目标模糊选优决策        11
（五） 水利工程生态调度方案        12
结论        13
后记        13
参考文献        14

前言
水利工程是确保人民生命财产安全，促进社会经济可持续发展的重要保障。但我们在享受着水利工程带来的经济与社会效益的同时，河流生态系统却承受着前所未有的压力。一方面，是由于水利工程本身对河流生态系统产生的影响，主要表现在对河流生态系统连续性的破坏；另一方面，水利工程建成以后，常规的水库调度方式（以防洪、发电、供水、航运等为主要目标）存在许多不合理的现象，没有专门考虑生态的需求，从而引起了一些生态问题。
因此，有必要对不合理的水库调度方式进行调整，或在新建的水利枢纽中考虑生态工程措施，以缓解水利工程建设对生态的影响。广义的“科学调度”可包括：在强调水利工程的经济效益与社会效益的同时，将生态效益提高到应有的位置；保护流域生态系统健康，对筑坝给河流带来的生态环境影响进行补偿；考虑河流水质的变化；以保证下游河道的生态环境需水量为准则等。
一、理论基础
（一）循环经济理论
循环经济是美国经济学家K•波尔丁在20世纪60年代提出的，旨在解决资源枯竭、环境恶化和经济发展的矛盾，实现经济增长与自然资源的乘l谐发展。所谓循环经济，本质上是一种生态经济，它要求运用生态学规律来指导人类社会的经济活动。
循环经济(Circular Economy)是物质闭环循环流动型经济(Closing Materiale CycleEconomy)的简称，以物质、能量的梯次使用和闭路循环为特征，要求经济活动按照自然生态系统模式，组成“资源一产品一消费一再生资源”的闭合型产业链，彻底改变“资源一产品一废物”的单向直线型传统模式，使所有的原料和能源都能得到合理的利用，最大限度地提高资源环境的配置效率，实现自然资源的低投入、高利用以及废弃物的减量化、资源化和无害化，把经济活动对自然环境的影响控制在尽可能小的程度。循环经济的核心原则是“3R”原则，具体包括：(1)减量化原则(Reduce)。减量化原则属于输入端方法，要求用较少的原料和能源投入来达到既定的产生目的或消费目的，从经济活动的源头就注意节约资源。(2)再利用原则(Reuse)，再利用属于过程性方法，目的是提高产品和服务的利用效率，要求制造产品和包装容器能够被反复使用。(3)再循环原则(Recycle)。再循环原则属于输出端方法，要求生产出米的物品在完成其使用功能后，能重新变成可以利用的资源，而不是不可恢复的垃圾。
循环经济理论强调资源的循环利用，水库的建设带来巨大的社会和经济效益，在水库综合利用问题上引入循环经济理论，意在指导运用生态学规律来指导人类社会的经济活动，有效合理地利用水库资源。
（二）可持续发展理论
可持续发展的内涵有三个最基本的要点：一是公平性原则；二是持续性原则；三是共同性原则。除此之外，可持续发展还包括四层含义：（1）可持续发展要以保护自然资源和环境为基础，同资源与环境的承载力相协调。发展与资源和环境保护是相互联系的，它们构成了一个有机的整体。（2）可持续发展呼吁人们放弃传统的高消耗、高增长、高污染的粗放型生产方式和高消费、高浪费的生活方式。“地球所面临的最严重的问题之一，就是不适当的生活和生产模式，导致环境恶化、资源短缺、贫困加剧和各国的发展失衡。若想达到持续的发展，需要提高生产效率以及改变生活模式，以最高限度地利用资源和最低限度地生产废弃物”。（3）可持续发展要以改善和提高人类生活质量为目的，与社会进步相适应。人既是社会存在和发展的前提，也是结果，满足人类需求是社会发展的永恒中心。可持续发展的核心是人的全面发展，这是一个全面的文化演进过程，需要深刻的社会变革(欧阳志远，1994)。（4）可持续发展思想是一种全新的价值观念，实现可持续发展也是全人类的共同目标。
水库资源的可持续利用是可持续发展的核心内容之一，是区域发展的立足之本。将可持续发展的思想引入到水库的科学利用中，能够提生态的保护意识，有利于水库资源的可持续利用。
（三） 系统理论
系统论具有五个基本原则：
（1）系统论的整理性原则。系统作为由若干相互作用和相互联系的要素的有机结合，具有整体大于部分之和的优势。
（2）系统论的结构性原则。任何系统都是有结构的，系统的“组合元素以及其间的联结表示特定结构”。
（3）系统的等级性原则。在分析系统对象是要注意各层次系统之间的相互联系，同时还要注意某一具体等级上的系统所具有的独特结构与功能，从而采取措施，以便达到整体最优化。
（4）系统的环境依存性原则。任何一个系统都是存在于一定的环境之中，系统和环境要保持物质、能量和信息的交换才能保证自己的生命。
（5）系统的目的性原则。一个系统环境不能直接决定事物的变化，必须通过“结构”来执行。
系统理论强调方法的系统性，系统方法主要有：整体统筹方法、循序渐进的方法、协调和谐的方法。
水库与他周边的环境构成很大的一个综合性系统。将系统论的理论观点弓|入水库资源利用中，旨在在系统理论的原则指导下，科学合理的利用水库资源。
二、 水库对河流生态系统的影响分析
水利工程在防洪、灌溉、供水和发电等方面起重要作用的同时。其建设和运行对河流生态系统结构和功能产生多种影响。正面的生态影响包括：
保证河流基本的生态需水量，维护河流生态平衡。我国水资源时空分布严重不均，加之水资源开发利用程度的不断提高，加剧了水资源供求矛盾。通过兴建水利工程在空间和时间上平衡水资源的分配，实现水资源的优化配置，合理安排生活、生产、生态用水需求。
防止河道断流，改善水生态环境。通过水库的合理调度运用等措施，有效防止河道断流。稀释污染水体，增加水环境容量，减轻河道水污染，改善水生态环境，充分发挥河流的各种服务功能。
提高河道调蓄能力，减轻水旱灾害损失。通过水库调节，削减洪峰，减少水旱灾害损失。改善人居生活环境，促进流域经济社会的协调发展。
（一）对河流上游库区和回水区影响  
水库蓄水后，使得河流上游部分河段及相连的湖泊等水域的水位升高。坝体上下游水位落差变大。水库运行期也是库区及库岸、水位升高区的重新平衡的过程，主要有三个方面的影响：库区淤积和库岸浸蚀；蓄水对地质环境的影响；蓄水对水生生物的影响。
（1）库区淤积和库岸浸蚀。水库蓄水后形成库盆，库区的淤积和库岸浸蚀，对库区水环境造成影响，并影响到水库的功能。大量的研究表明，水库淤积形成的主要来源为：从汇水流域进入水库的泥沙；由于库岸的改变、岛屿冲毁、库岸坡上不同的重力作用等产生的入库泥沙；由于水中悬移质沉降、淤积，成为库底沉积物，从而导致其重力固结、含水量减小、有机物质矿化。
（2）蓄水对地质环境的影响。由于水动力条件的变化，库岸地质条件不稳定。水库地震，即水库诱发地震。是指由于水库蓄水，水体的作用改变了水坝区域附近原有地震活动频度和强度的规律而发生的地震。
（3）蓄水对水生生物的影响。水库蓄水后，使部分陆地变成为水域，浅水变成了深水，流动的水变成相对静止的水，电站运行及汛期泄水等，都会对水生生物造成影响。对水生动物的影响：水域由河道型变为湖泊型，使得水生动物的区系组成发生了变化。对鱼类的影响较大，主要有迫迁，即水库蓄水和泄水淹没和冲毁鱼类原有的产卵场地，改变产卵的水文条件；对洄游鱼类的阻隔，大坝切断了天然河道或江河与湖泊之间的通道，使鱼类觅食洄游和生殖洄游受阻： 对水生植物的影响：主要是对浮游植物和高等水生植物的影响。水库形成的头几年，对浮游植物区系组成、生物量、初级生产力等都产生影响，常因藻类的大量繁殖而加重水库的富营养化，影响水库的水质。对高等水生植物的直接影响主要是淹没，简接改变了水域的形态特性、土壤、水的营养性能、水位状况和原始种源，而影响了高等水生植物的生存和生长。对底栖生物的影响：主要是建库后水文条件、水温、水质和底质的变化对底栖生物组成及生物量的影响。
（二）对水库相邻地区的影响
对水库相邻地区的影响，主要是对库周地区的生态环境的影响，即对生物地理群落的影响。水库淹没使林地减少，人为生产活动的增加，使林地等植被遭到破坏，人工生态恢复又需要一定的时间，使植物资源量减少．由此，破坏了部分野生动、植物的生境，使野生动物和植物种类减少，数量下降，森林植物群落减少。使生物多样性受到影响。
（三）对下游水文力学及生态影响
在河流上建坝就是人为地控制河流的径流过程。这种水文条件及特征变化主要表现在河流流量、入湖入海水量、河流水位、地下水水位变化等方面。闸坝可以改变河流自然流量变化模式。对洪水具有蓄泄调节的能力。通过闸坝、水库对河流流量的合理调蓄，并联合运用下游河道工程，可以减少河流的洪峰流量，防洪除涝。大坝拦蓄水量可使季节性河流变为常年河流。同时，河流洪峰流量减小也会导致入湖和入海水量减少，下游水域面积缩小。
水电站利用水的势能发电使得河流水位不仅仅因流域降水量变化而改变，还将因电力需求量、调峰等因素的变化而改变。为了满足水力发电高峰需要而从水库释放的水，有时会使河流水位变动数米。此时，下游河水流动模式主要取决于水的释放量与电力需求量之间的关系。水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，使坝下游生物(尤其是鱼类)的生存环境受到极大的威胁，一些减水河段脱水河段的生物多样性遭受严重破坏，直接威胁河流下游生态安全。
流域内的地表水与地下水有着密切的水力联系，河流水文条件的改变也会影响到地下水的水位、水质等。坝上游水库蓄水使其周围地下水水位抬高，从而扩大了水库淹没范围，导致土地的盐碱化和沼泽化。同时，拦河筑坝也减少了坝下游地区地下水的补给来源，致使地下水水位下降，大片原有地下水自流灌区失去自流条件，从而降低了下游地区的水资源利用率，对灌溉造成不利响。
坝下游下泻的高速水流侵蚀下游的河岸和河床，使得靠近大坝下游的河道逐渐变深变窄，河道逐渐萎缩，也使得下游由江心洲、沙洲、河滩地和多重河流交织的蜿蜒型河流变成相对笔直的单一河流，河床质沿河流也将发生变化。泥沙、营养物质、生境要素随水流在更远的河道沉积，使得该段河道的河床逐渐升高。另外，大坝对沉积物的拦蓄作用还会对三角洲及海岸线产生深远的影响。三角洲是由上千年的河流沉积物积累，并在沉积物压实与海洋侵蚀的相互作用下形成的，沉积物的减少会导致滨海地区严重侵蚀，而这种影响将从河口沿海岸线延伸到很远的地方。
河流水位的急剧变化加速了下游河道的冲刷与侵蚀，交替地暴露和淹没鱼群在浅水中有利的休息场所，影响鱼群产卵等。此外，河水水温的改变会改变水生生物的生存环境及生命周期，因为幼虫的繁殖、孵化和蜕变经常取决于温度的变化。季节性洪峰流量由于水库的消峰作用及水库运行调度等因素而减弱或丧失，鱼类产卵、孵化和迁徙所需的激发因素中断。大坝还阻隔了洄游性鱼类的洄游通道，影响了物种交流，改变了水库下游河段水生动植物及其栖息环境，这些变化都对下游的生物产生深远的影响。大坝削弱了洪峰，调节了水温，降低了下游河水的稀释作用，使得浮游生物数量大为增加，微型无脊椎动物的分布特征和数量(通常是种类减少)显著改变。大坝减少了洪水淹没和基层冲蚀，增加了富营养化细沙泥的沉积，使得大型水生植物能够生长繁殖。由于大量鹅卵石和砂石被大坝拦截，使得河床底部的无脊椎动物如昆虫、软体动物和贝壳类动物等失去了生存环境。
（四） 水利工程的区域生态效益
大坝通过改变下游水流、泥沙和生源要素等的流动，影响生物地球循环以及河流缓冲区域生态系统的结构和动态平衡；改变水流温度模式，影响河流生态系统中的生物能量和关键速率；对河流上下游的生物体和养分的运移产生障碍，阻止物质交换。上述生态效应具有明显的区域性。
研究表明，大坝蓄水引起下游河流水文条件、泥沙输送等变化，河流生态系统随之调整：大坝降低河流流量峰值，分割下游河流主河道与冲积平原的物质联系，导致冲积平原生态系统中部分物种退化、消失。水库长期蓄水和非季节性的泄流，严重影响下游河流生态系统的食物链。Collier等发现筑坝导致河流日流量急剧变化，降低下游栖息地和水生态系统的生产力和河道冲刷。大量颗粒泥沙在河道中大量沉降，改变下游河床质，降低下游附卵栖息地的生态环境。从而影响鱼类、底栖生物等的生存与繁殖。
洪泛平原生态系统适应洪水的季节性变化，而洪水脉动是维持洪泛平原生态系统平衡的关键因素，筑坝人为调节洪水脉动幅度和频率，从而降低洪泛平原生态系统生产力，导致洪泛平原生态系统结构、功能失稳，进而影响河流和流域的生态系统。梯级水库进一步促进河流生态系统的破碎化，影响鱼类的迁移，阻止陆地物种扩散和连续性，导致河流缓冲区域内物种多样性降低．同时，大坝蓄水和泥沙沉积在区域、全球尺度上改变地球物质流动梯变过程、改变海洋水位、产生温室气体(NO)、干扰海洋水文循环。梯级水库对河岸带生态系统结构、功能具有显著影响，导致河岸带生态功能退化。
不同的河流地貌、河道形态具有不同的生态学作用，其生态功能也是不尽相同的。河流地貌与河流形态在空间上的多样性和异质性是生境多样性的基础，河流形态的非均一化和连续性是生物多样性的决定性因素，复杂的河流地貌往往拥有复杂的生态系统和多样化的物种。由于水利工程而造成的生态环境影响和变化，河流地貌、河流形态与生物之间的关系，河道结构、形态及河床质的组成与颗粒级配等，这些因素的变化都将对生境条件造成影响。
三、 生态调度方案
（一）生态调度应遵循的原则
水库调度考虑生态目标时应遵循以下基本原则：(1)以满足人类基本需求为前提。(2)以河流的生态需水为基础。(3)遵循生活、生产和生态“三生’’用水共享的原则。其核心理念就是要将生态环境保护目标引入到水库调度中来，丰富、发展和完善水库现有的功能，提高水库的综合效益。
目前对生态环境需水在水库调度中各目标之中的定位还没有一个确切的标准。我国水法中强调，开发利用水资源，应当充分考虑生态环境用水需要，但是对于包含生态用水的各用水优先级没有明确定义。有文献认为生活用水处于用水顺序的第一位，生态用水处于用水顺序的第二位，而生产用水处于第三位。本文认为，生态环境用水在水库调度中的重要性应根据水库所在流域生态环境现状及流域经济发展情况具体确定，根据流域实际情况来协调社会经济发展和生态环境保护之间的关系。
在考虑生态目标完善水库调度方式之前，还要分析水库运行及泄流特点。分析水库的兴利用水在时空分布、水量、水质等方面能否满足下游生态需水过程的要求，有无可重复利用之处。在大致满足兴利要求的前提下，最大程度地将兴利用水和生态用水重复利用。
（二）下游河道生态环境现状及需水特点分析
首先将多年平均流量过程划分为枯水年、平水年和丰水年，划分时以多年平均流量系列为基础，在对应保证率75％以上的年份定义为枯水年，保证率75～25％之间的年份定义为平水年，保证率25％以下的年份定义为丰水年。对芙蓉嶂水库蓄水前1970 年～2008 年38 年逐日流量系列进行频率计算，得出枯水年、平水年和丰水年，如表3-1所示。
3-1 芙蓉嶂水库典型流量划分
年份划分        枯水年        平水年        丰水年
对应保证率        >25％        25％～75％        <75％
相应流量(m3/s)        1714        1036～1714        1036
同样，将年内流量过程划分为枯水期、平水期和丰水期，水期的划分以多年月平均流量系列为基础，保证率75％以上的月份定义为枯水期，保证率75～25％之间的月份定义为平水期，保证率25％以下的月份定义为丰水期，计算结果表3-2所示。
表3–2 芙蓉嶂水库年内丰平枯水期划分表
月 份        1        2        3        4        5        6        7        8        9        10        11        12
干
扰
前        枯水期        625        √        √        √                                                                        √
        平水期        625-
1875                                √        √        √                                √        √       
        丰水期        1875                                                        √        √        √                       
干
扰
后        枯水期        852        √        √        √                                                                        √
        平水期        852-
1276                                √        √        √                                √        √       
        丰水期        1276                                                        √        √        √                       

（三）库下游河道生态需水量的确定
河流生态系统的稳定和物种的生存条件繁衍规律在年际间和年内不同时期对河流流量的需求是不一样的，因此在生态流量的计算中，考虑将流量系列划分为不同的水平年即枯水年、平水年和丰水年来计算生态流量，更能体现水文过程的丰平枯变化特征和生物的需求。
采用逐月最小生态流量计算法对干扰前的最小生态流量进行分析计算，计算时需要考虑到年内水量多年变化的随机性，因为即使是在枯水年份，一般也不会每个月份的流量都是多年最小的，所以取实测月流量多年系列的最小值作为相应月的最小生态流量。
采用逐月排频法计算适宜生态流量，计算时同样考虑年内水量变化，分枯水期、平水期、丰水期进行计算，每个水期分别取80％，75％，50％保证率下的流量作为适宜生态流量过程。
采用上述方法对芙蓉嶂水文序列按枯水年、平水年、丰水年进行河流生态流量计算，结果如表3-3所示。
表3–3 芙蓉嶂水库生态流量过程
月份        1月        2月        3月        4月        5月        6月        7月        8月        9月        10月        11月        12月
枯水期
        最小        192        156        175        289        537        623        1676        1344        1451        624        386        576
        适宜        214        225        271        636        970        729        729        3352        1558        743        594        442
平水期        最小        244        210        378        473        473        471        913        1248        923        923        442        333
        适宜        268        401        796        920        737        2571        1789        1900        1900        1253        691        380
丰水期        最小        264        277        241        560        504        643        804        638        464        281        250        216
        适宜        295        327        329        606        828        828        1338        1338        999        999        423        291

（四） 多目标模糊选优决策
设方案集中各个方案之间公平竞争，无任何偏好关系，就某一目标而言，n个参加优选的方案重要性是相同的。考虑选优的各个目标的权重不同，设目标的权重向量为：

式中 为第i个目标的权重， 。
建立优化准则：方案j的加权距优距离平方与加权距劣距离平方之总和最小，即目标函数为：

解：


得到模糊优选模型为：

其中 。当方案j无限接近相对优方案时 ；当方案j无限接近相对劣方案时， ；当 时， ；当 时， 。据此可对方案进行排序选优。
对芙蓉嶂水库的正常蓄水位进行评价选优，其参与评判的目标集及其特征值的原始资料如表5．1所示。为方便比较各规格化公式，修改部分目标最小值不为0，其中校核水位、最高水位差及发电量为越大越优型目标，其余为越小越优型目标。本例中各目标特征值除校核水位与最高水位差以外变化范围均较大。选定目标权重向量为W2={O.225，0.213，0.2，0.187，0.175}。
表3-4 芙蓉嶂水库水库可行调度决策方案集
目标        方案
        1        2        3        4        5
校核水位与最高水位差        11.07        11,46        11.78        12.31        12.85
组合流量        94.03        178.68        284.4        357.96        497.52
发电量        212.3        153.6        307.2        307.2        307.2
弃水量        38.02        76.03        38.02        38.02        76.02
调洪末水位与某高度差        0.57        0.96        1.28        1.81        2.35
应用上面的选优方案及公式，对于本例的方案优选，进行模糊优选评价， 为:0.0739,0.02407, 0.0307,0.2854,0.2667。由公式知 值越大越接近最优方案。

（五） 水利工程生态调度方案
在遵循生态调度规则的前提下，分析下游生态需水特性，确定生态需水量，即确定起调水位经过多目标优化最终得到满意调度方案。考虑生态环境目标的水库调度规则的确定流程如图3-1所示。其中满意调度规则的确定是对多个可行调度规则，选定评价目标，通过多目标模糊选优决策方法优选确定，作为最终采用的水库调度规则。

图 3-1 生态调度规则流程
结论
本文分析了水利工程对生态环境的影响，针对我国目前水库调度中缺乏生态因素的现状，提出了利用预报信息考虑生态环境目标的水力工程生态调度调度方式研究。对于提高水利工程的生态利用，有一定的理论意义和实际参考价值。
后记
时光荏苒，转眼间又是毕业，当我论文接近尾声的时候，才真正的感觉到时光的短暂。突然感觉到对我学习、成长一直默默付出的各位老师的不舍。回忆我的求学路程，不禁心潮澎湃，心中感激之情难以言表。
首先，感谢我的老师们, 二年来老师对我们谆谆教诲和无私帮助，让我终身难忘。老师们博学多才，精益求精的科研精神，让我永远铭记在心。本论文是在论文指导老师的无限关怀和悉心指导下完成的。在整个论文的撰写期间，还得到了广东农业干部管理学院学习中心的老师帮助和大力支持，正是他们的热心帮助与无私奉献，才使得论文得以顺利完成，在此对所有老师们表示衷心感谢！在此还要感谢百忙之中评审论文的评审老师，谢谢你们批评指正！
其次，还要特别感谢我的父母，在精神上给予鼓励才使我能够顺利完成学业。
同时，还要感谢和我一起学习的同学和一直陪在我身边默默支持我的朋友们，谢谢你们的关心、信任和支持。
最后，我向所有曾关心、帮助过我的领导、老师、同学和家人，表示深深的谢意!
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