水库多目标生态调度研究进展

水库多目标生态调度研究是当前国内外河流生态恢复研究中的热点问题。综合分析了水库多目标生态调度国内外研究进展,指出了水库多目标生态调度研究存在的问题,提出了水库多目标生态调度研究的发展方向,认为今后水库多目标生态调度研究还需在水库生态调度理论框架体系、水库生态调度目标定量化研究、水库多目标生态调度优化和模拟技术研究、梯级水库多目标生态调度方案效果评价研究以及水库生态调度管理体制等方面进一步加强。     

基于3E决策的崆峒水库优化调度

传统的水库调度以兴利和除害为主要目的,而基于3E决策的水库调度则实现了水库经济、社会和生态的多目标优化调度。首先采用逐月最小和频率计算方法计算最小生态流量和适宜生态流量,选定适宜于崆峒水库的生态流量;然后建立3E模型,采用二元比较模糊决策分析方法确定各个目标的不同权重,将多目标单一化;最后采用粒子群算法对模型进行求解。求解结果表明:使水库供水效益最大的供水量为4 622×10~4m~3,其中农业总供水量3 630×10~4m~3,工业和生活总供水量992×10~4m~3,而维持生态基流的生态用水量为2 311×10~4m~3。这可为水库的后期调度提供决策依据,也为水库的供水矛盾体提出了加强水利改革的建议。     

水库生态调度的内涵与决策目标研究

针对传统水库调度存在的过分重视经济与社会效益、忽视流域生态环境保护的问题,提出水库生态调度应遵循保障基本生活与生态需水量、平衡防洪与生态保护的关系等原则,以及水库多目标生态调度的核心目标。在此基础上,在综合考虑库区以及下游防洪安全与生态环境目标的前提下,提出充分发挥水库水资源的经济、社会与生态效益的生态调度综合效益以及特征流态决策目标模型,并构建了基于指标体系法的黄河银川段实施水库生态调度的价值决策目标评估模型,同时探析了该区域实施分时段多目标协同调度模式的特征。针对水库生态调度中存在的问题,提出了实施分时段的多目标协同调度模式、完善生态需水量与生态适应性管理等对策。     

生态友好型水库调度及其研究进展

讨论水库调度对河流生态系统的影响机制;总结水库调度生态目标的4种设定和量化方法,即流量控制法、水力因子(水质)控制法、生物指标法和综合指标法;对生态友好型水库调度的模拟法和优化方法进行了较全面的评述;讨论了生态友好型水库调度需要进一步研究的问题。     

梯级水库多目标生态优化调度研究

现行水库调度方式侧重于发挥水库社会经济功能,对下游河流生态环境功能发挥没有提到应有高度。文章构建了考虑下游河道生态需水目标梯级水库多目标优化调度模型,并应用于汀江流域棉花滩-青溪梯级水库多目标生态优化调度。研究表明,调度模型合理可行,计算结果可为梯级水库多目标调度方案决策提供数据集。     

供水水库多目标生态调度研究

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。     

额尔齐斯河水库群多尺度耦合的生态调度研究

针对我国额尔齐斯河流域生态问题,给出了水库群生态调度的定义。以保障河流健康、河谷生态系统安全为目标,构建了宏观、中观、微观相互嵌套多尺度耦合的水库群生态调度体系;结合生态调度的原则和依据,建立了水库群多尺度耦合的生态调度多目标模型,以及水库群中长期、短期和实时生态调度模型;提出了多时间尺度耦合的水库生态调度技术、多目标非线性水库调度模型求解技术和生态系统漓漫灌溉技术;定义了漓漫灌溉,构建了生态漓漫灌溉系统。应用上述体系、模型和方法,计算结果表明,中长期调度方案能满足额尔齐斯河流域水资源综合利用各部门的供水量及保证率要求,尤其是满足河谷林草生态供水的破坏深度要求和最大连续缺水年数的限制;水库群实时生态调度模型的计算结果表明:模型计算的河谷林草、湿地的水库人工生态洪水过程与实测值比较接近,相对误差为0.04%,说明模型结果合理。实时监测了河谷林草的漓漫灌溉效果,包括范围、面积、水深等,监测结果表明:水库人工生态洪水过程基本满足河谷林草漓漫灌溉面积、水深等生态需水要求。研究成果对额尔齐斯河维持河流健康、保障生态安全、解决国际河流的水资源综合利用问题、发展水库群生态调度的理论和方法,具有重要的理论意义与应用价值,可供我国北方河流生态调度借鉴。     

基于生态流量区间的多目标水库生态调度模型及应用

传统的水库调度以兴利调度和防洪调度为主,常忽视生态环境问题,导致河流生态水文系统的健康状况不断恶化。相对传统的以水电站年发电量最大,发电保证率最高为目标函数,本研究还引入了生态保证率最高的目标函数,构建基于生态流量区间的多目标水库生态调度模型,并采用NSGA-Ⅱ算法对模型进行优化求解。利用该模型对天生桥一级水库1956年-2008年的来水过程进行优化调度,结果表明:经济效益最大的调度方案会对天然径流过程产生显著的改变,而兼顾经济效益和生态目标的建议调度方案对水库的经济效益产生影响较少的同时能保证生态系统的稳定性。     

水库生态调度现状与展望

生态调度是在兼顾水库调度的社会、经济效益的基础上重点考虑生态因素的水库调度新模式。简要介绍了生态流量、生态调度等概念,同时对世界各地生态调度实践的过去(2000年以前)和现在(2000～2019年)的研究情况进行了综述,并对未来的研究进行了展望。生态调度研究最早于20世纪40年代从研究河流最小生态流量开始,期间提出水文学方法、水力学方法、生境模拟法等200多种生态流量计算方法。现阶段有关生态调度的探索强调将生态因子纳入传统的水库调度过程,由早期的单目标生态调度发展成多目标生态调度,包括生态水量调度、水质调度、泥沙调度和水生生物资源调度。联合调度、梯级调度、分层取水调度等方式被应用于水库调度实践中并取得了显著的成效。此外,大量研究显示,通过工程措施、生物措施和管理措施可以很好地解决生态调度过程中的一些难题。然而,对生态调度机制的研究仍旧匮乏,大量基于经验统计的生态调度工作难以从本质上解决经济发展与生态效益之间的矛盾。因此,从机理层面构建生态调度模型是目前亟待解决的问题,也将成为生态调度领域的新热点。此外,如何对生态调度的效果特别是其对水生态系统健康的效果进行量化,也是当今亟待解决的现实问题。     

基于改进NSGA-Ⅱ的黄河下游水库多目标调度研究

水库兴利、防洪和生态等目标之间既非完全协调也非完全对立,这是多目标间协调的物理基础。本文综合考虑水库不同目标间的矛盾性和统一性,构建考虑生态和兴利的水库多目标优化调度模型,为提高模型求解效率,本文提出了一种基于个体约束和群体约束技术的改进快速非劣排序遗传算法(ICGC-NSGA-Ⅱ)。以黄河下游小浪底-西霞院梯级水库为例进行多目标优化调度,综合考虑下游不同时期各生态功能用水和综合利用需求,建立黄河下游梯级水库多目标调度模型,并采用ICGC-NSGA-Ⅱ求解,探究水库的供水效益、发电效益和生态效益之间的关系。实例研究表明,改进算法能在较短时间内获取一组反映多目标间非劣关系的调度方案集。黄河下游生态、综合供水和发电效益之间存在不对称竞争关系,一方面随发电量增加,生态供水和综合供水保证率均呈下降趋势;另一方面发电和生态供水竞争强烈,而与综合供水竞争关系较弱。研究成果可为制定黄河下游多目标共赢的调度方式提供理论基础和决策依据。     

考虑鱼类生态需水过程的漓江并联水库群生态调度

水库群联合运行带来巨大的经济和社会效益,同时也对河流生态造成诸多影响。为提升漓江流域水库群联合运行的发电、通航、生态保护和青狮潭水库蓄水综合效益,构建了考虑鱼类生态需水过程的并联水库群多目标调度模型,采用第三代非支配遗传算法（NSGA-Ⅲ）对模型优化求解。结果表明:（1）与常规调度相比,优化调度在保障发电工程效益的同时,实现了通航与生态效益的提升;（2）构建的并联水库群多目标生态调度模型,在枯、平、丰水年的生态流量满足率都维持在47%之上,尤其保障了鱼类越冬、产卵和繁殖期的生态需求;（3）实施漓江并联水库群联合生态调度,青狮潭水库在枯水年和丰水年蓄水量分别增加22.26×106 m3和 24.55×106 m3,缓解了青狮潭水库供水压力。研究可为并联水库群多目标生态调度提供相关参考。     

水库生态调度研究综述

水库在为人类带来经济与社会效益的同时,也对河流生态系统产生了一定的胁迫。针对传统水库调度对生态环境重视不够的问题,提出开展水库生态调度是减少筑坝带来的不利影响,维护河流健康,促进人水和谐,维持水资源的可持续发展的有效措施。在系统地分析了国内外大量水库生态调度实践的基础上,对水库生态调度的内涵及其研究状况进行了较全面的叙述和总结,并结合国内外生态调度的理论与实践,分析研究了水库水量、泥沙、水质的生态调度方式,为进一步开展水库生态调度研究提供参考。     

Multi-objective Decision-Making for the Ecological Operation of Built Reservoirs Based on the Improved Comprehensive Fuzzy Evaluation Method

With the social progress and economic development, people have put forward requirements for the ecological operation of built reservoirs. However, there are conflicts between the ecological landscape and the existing benefits such as irrigation and flood control, so it is necessary to build a decision-making model for the comprehensive value of the ecological operation of reservoirs. Taking a reservoir project which needs to satisfy multi-objective requirements as an example, this paper proposes a set of decision-making methods for ecological operation of built reservoirs based on improved comprehensive fuzzy comprehensive evaluation method and constructs a multi-objective decision-making model and optimization strategy combination. Through case analysis in this paper, the improved comprehensive fuzzy evaluation method has a good effect on multi-objective decision-making of ecological dispatching of built reservoirs. The research shows that the combination strategy of improving the reservoir’s water storage capacity and the water-saving supporting transformation measures has a good effect, which can reduce the waste of the reservoir diversion project and large-scale high-efficiency water-saving transformation project construction. It embodies the idea of water-saving priorities and space balance and has broad application prospects in the optimization of reservoir ecological dispatch.

     

基于图论的韩江流域水库群生态调度

采用水文学方法计算了韩江流域干支流重要控制断面的生态流量目标;基于图论原理,根据流域内干支流水系特征、重要水利工程和控制断面分布情况构建了韩江流域河网图模型;考虑河段区间来水、河道外取水、引调水等边界条件以及流域水库群水量调蓄作用,开展了河网水量平衡计算,确定了河网节点流量。通过计算水库坝址所在断面的天然生态基流,提出了耦合最小生态下泄流量要求的水库常规调度规则;借鉴大系统聚合-分解思想,提出了韩江流域河网图模型迭代优化求解思路;通过选取不同典型年来水过程,评估了常规调度情况下控制断面生态流量保障程度,并在此基础上进行优化调度,分析流域水库群生态调度保障潜力。结果显示,耦合最小生态下泄流量要求的水库常规调度规则能够让水库在独立运行的情况下,基本保障不同来水条件下的控制断面生态流量需求;韩江流域水库群可通过开展联合优化调度满足控制断面生态流量需求;基于图论方法开展流域水库群生态调度具有可行性和实用性。     

洪泽湖多目标水量调度决策模型及其应用

针对洪泽湖水量利用与生态水位维持这一矛盾开展多目标水量调度决策方法研究,构建贴近适宜生态水位 （生态效益）、缺水率最小、引水量最小、入湖水量改变度最小等目标的多目标调度模型,考虑生态效益目标与水 资源利用目标的不可共度性及决策者偏好模糊性特征,采用多目标模糊决策法从非劣解集中筛选最适宜调度方 案。结果表明：多目标模型解集反映生态效益和经济社会效益的置换关系,贴近适宜生态水位的调控方式在一定 程度上降低洪泽湖调蓄能力,与水资源利用形成矛盾关系;模糊决策法筛选的均衡调度策略可以有效反映决策者 的偏好情况,并提供适用于不同情景的优化调度方式;生态目标优先方案通过减少供水、增加引水量、调节入湖 水量等方式有效补充生态用水,可将生态水位偏离差降低至 0.30?m,可为生态优先原则下的适宜调度策略制定提 供参考。     

西北内陆河流域水库群生态调度模型

针对石羊河流域宏观的水资源配置和调度中的生态问题,探讨了西北内陆河流域水库群生态调度模型的内涵和准则,指出生态调度不仅仅要满足库区及水库下游的河道生态需求,并考虑水库控制的各供水片区的生态环境要求;以单个水库控制的虚拟供水片区作为计算单元进行概化,以供水过程相对均匀为目标函数,以减轻库群建设及运行对生态环境的负面影响为主要约束,建立了石羊河流域水库群生态调度数学模型,并给出具体的模型求解方法和水库群调度方式。     

二层结构的流域生态调度研究Ⅱ：松花江流域生态调度实践与应用

随着生态文明建设、人水和谐理念的深入,生态调度也从理论方法研究进入实践应用阶段,但从工程生态调度到流域生态调度仍有诸多技术问题。本文以流域生态调度需求迫切的松花江流域为例,在梳理流域经济发展与生态保护需求的基础上,构建松花江流域二层结构流域生态调度模型,在流域层面水量总体配置的基础上针对重点生态断面、水库进行生态优化调度。通过从流域水量调控到断面生态流量调度的耦合分析,给出不同方案流域水量供需平衡和水源配置基础上的重点断面生态调度结果,提出重点水库的调度规则优化方案,验证了二层结构流域生态调度模型的实际应用效果,可为流域生态调度实践和相关研究提供依据和参考。     

黄河上游梯级水库运行的生态影响研究

为科学揭示梯级水库群运行对河流生态的影响,基于黄河上游实测水沙序列,采用IHA(Indicators of Hydrologic Alteration)指标体系,对比分析了不同工程运行时期黄河上游水文情势变化,运用多系列贡献率分割法,量化了不同影响因子对水文情势变化的贡献率。通过输沙率法结合断面淤积形态分析揭示了黄河上游河道冲淤演变。结果表明,黄河上游水库运行对河流径流及河道形态产生了深刻影响,进而影响了河流生态。水库运行后非汛期月均流量上升、汛期月均流量下降、高流量事件发生频率与流量减少,径流趋于平缓,且宁蒙河段泥沙淤积、断面形态趋于宽浅。分析表明水库运行是造成黄河上游兰州水文情势变化的主要原因,以及石嘴山、头道拐水文情势变化的重要原因,高流量事件的减少加剧了河道淤积,使河流生态朝不利方向演化,为维护黄河上游生态健康有必要实施生态调度,提高涨水期和洪水期下泄流量并制造高流量事件。研究为评估梯级水库运行的生态影响、指导梯级水库生态调度提供方向性参考。