丹江口水库运用对下游水文情势影响研究

为了分析丹江口水库建成投入运行以后对下游河道水文情势的影响,利用黄家港站、襄阳站和皇庄站1961~2000年日平均流量资料,采用水文变化指标法(IHA)和变化范围法(RVA),定量分析了丹江口水库运用前后汉江中下游河道水文情势变化及改变程度。结果表明,在5组IHA水文指标中,除年极端流量发生时间变化不大以外,其他各组水文指标值均发生了较显著变化;黄家港站、襄阳站和皇庄站的整体水文改变度分别为中度、低度和中度改变,这对汉江中下游河道生态系统稳定性和生物多样性带来不利影响。研究成果为丹江口水库生态调度和汉江中下游河道生态修复提供了科学依据。     

调水背景下丹江口水库优化调度与效益分析

针对南水北调中线一期工程建成调水这一新常态下丹江口水库调度问题,从丹江口水库蓄水、供水、发电等不同运行任务出发,通过设定弃水最小化、发电量最大化调度目标函数和不同供水调度情景,建立了丹江口水库优化调度模型,构建满足丹江口水库调度运行方式的求解空间,采用1956—2015年丹江口天然入库径流系列,运用较成熟的动态规划优化算法对丹江口优化调度进行模拟,研究水源地枢纽丹江口水库不同调度目标函数和运行方式对下游区域水文情势和供需水平衡的影响,试图为提出可权衡汉江流域多方用水需求的丹江口调度运行方式提供基础支撑。结果表明:考虑南水北调中线一期工程引水后,采用丹江口优化调度方案的下泄水量>272亿m³,能够满足下游基础供水需求。     

基于NSGA-Ⅱ方法的三峡水库汛末蓄水期多目标生态调度研究

为充分发挥三峡水库的经济效益和生态效益,建立了以三峡水电站发电量最大和下游河道适宜生态流量改变度最小为目标的水库优化调度模型,基于生态水文学法量化了下游河道适宜生态流量。为有效求解多目标优化问题,引入带有精英保留策略的非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-II)作为调度模型的寻优算法。通过比较2015年调度期内三峡水库优化调度方案和现行调度方案的发电效益和生态效益表明:提高生态流量改变度0.63%可使发电量增加2.32%,降低0.58%的发电量将生态流量改变度降低8.86%。该算法避免了对多目标进行加权求解的盲目性,能获得多个兼顾两个目标且分布均匀、收敛性较好的优化调度方案,为决策者提供了多种可行的选择。研究成果为三峡水库蓄水优化调度提供理论依据和具体方案参考。     

基于长短期记忆模型的汉江中下游藻类防控调度

创建基于长短期记忆模型的藻类防控调度方法,可提高藻类的模拟精度,提升水库调度效益。以汉江中下游藻类及丹江口水库为研究对象,构建包括经济和生态目标函数的藻类防控调度模型,采用水体综合营养指数和浮游植物密度的长短期记忆模型建立生态目标函数,最后采用布谷鸟优化算法求解。结果显示：基于长短期记忆模型的综合营养指数和浮游植物密度模拟模型的模拟值与实测值在0.01水平相关性显著,藻类模拟效果良好;与常规调度相比,提出的藻类防控调度方案多年平均供水量可提高0.45%,多年平均发电量可提高1.06%,浮游植物平均密度降低1.57%,在有效控制汉江中下游藻类的同时,可进一步提升丹江口水库调度综合效益。研究成果可以为河流藻类防控提供技术支撑。     

官厅水库多目标调度规律与方案研究

为探究水文变异和外调水源补给对水电站发电和生态的影响,以官厅水库下游减水河段为例,在计算水文变异下生态流量的基础上,定义了减水河段的生态保证程度,建立了水库发电和生态保证程度多目标优化调度模型,采用非支配遗传算法(NSGA-II)求解多种情景方案。研究结果表明：官厅水库入库径流分别于1971年和1983年发生变异,水文变异后发电和平均生态保证程度显著降低;水电站发电和生态之间多目标关系显著,发电量减少37.4%可增加67.8%的生态效益;外调水源补给后发电量和平均生态保证程度均显著提高,特别是枯水年,分别提高56.9%和40.3%。     

水库生态调度模型及其应用

为了减轻水利工程对河流生态系统造成的不利影响,针对汉江中下游的主要生态问题,结合不同时期生态因子和水文观测资料,分析计算了汉江的最小生态流量、适宜生态流量以及四大家鱼产卵所需要的洪水脉冲过程。通过建立丹江口水库生态调度模型,选取典型代表年,对丹江口水库进行河流生态需水量和人造洪水调度。计算结果表明,丰水年和平水年能满足最小和适宜生态流量的需求,典型枯水年能满足最小生态流量,特枯年份无法满足适宜生态流量过程。分析了生态调度对水库发电效益产生的影响,丰水年影响甚微,平水年和枯水年的影响逐渐加大。通过水库的人造洪水调度可以满足四大家鱼产卵所需要的洪水脉冲环境。实施水库的生态调度有益于人水和谐的可持续发展。     

考虑天然水文情势的水库调度图优化

以河流整体水文改变度最小为生态目标,广义缺水指数最小为经济社会供水目标,构建了考虑天然水文情势的水库调度规则优化模型。以三亚市大隆水库为实例,基于NSGA-Ⅱ优化算法进行模型求解,得到大隆水库调度规则优化方案,分别从经济社会供水和生态水文指标改变情况对不同调度规则进行分析,确定兼顾经济社会供水和河流生态的调度规则优化方案作为大隆水库调度规则推荐方案。     

面向发电、供水、生态要求的赣江流域水库群优化调度研究

以赣江流域内已建成的大型控制性水库为研究对象,将赣江流域上游至下游用水区概化成7个主要用水区域,综合考虑各水库的运用目标、流域主要用水区域水量需求以及河道内生态流量的要求,以水库群总发电量最大、用水区域总缺水量最小和外洲控制站调度后流量与天然流量偏差最小为目标,建立面向发电、供水、生态要求的赣江流域水库群优化调度模型,采用多目标粒子群算法进行求解,得到不同来水频率下发电、供水和生态3个目标的非劣解集,并对3个目标之间的竞争关系进行了剖析。最后分析了各典型方案相应的水库水位过程和区域缺水情况。结果表明:各来水频率下,发电、供水、生态3个目标之间竞争程度有强有弱,其中发电目标与生态目标之间、供水目标与生态目标之间存在较强的竞争性,发电目标与供水目标之间则相对较弱。     

不同生态流量需求下雅砻江中下游梯级电站联合优化调度

为协同雅砻江干流水力发电与河道生态流量需求,以中下游7座电站为研究对象,进行不同生态流量需求下雅砻江中下游梯级电站联合优化调度。基于改进型可变月径流法,计算了雅砻江主要生态控制断面最小、适宜及最佳生态流量过程;构建了以梯级发电量最大化为目标的雅砻江中下游梯级电站联合优化调度模型,并用遗传算法对其求解。结果表明：（1）随河道生态流量需求的提高,梯级电站发电效益和水资源利用效率均下降,其中锦屏二级电站发电量下降最为显著;（2）梯级电站保障发电效益正常发挥的同时,实施联合优化调度,其下游河道能维持更高层次的生态流量,一定程度缓解了流域水能开发利用与河道生态保护间的关系。     

汉江中下游“水华”成因分析及其对策初探

通过对汉江中下游水体"水华"现象及其成因的初步分析,提出了汉江中下游 "水华"发生的临界流量计算方法和汉江中下游"水华"防治对策.并根据丹江口水库补偿调节下泄流量和引江济汉工程引水流量关系,建立补偿调节模型.由模型计算结果可知,通过丹江口水库增加枯水期下泄流量和引江济汉工程加大调水流量联合调度提供生态基流,可降低汉江中下游 "水华"发生的概率.     

An Optimal Reservoir Operation Model Based on Ecological Requirement and Its Effect on Electricity Generation

Rather than optimizing water regimes for one or a few species, a better approach is to approximate the natural flow regime that maintains the entire panoply of species. RVA method generally describes flow regimes through 32 hydrologic indicators, quantifies the changes of the indicators post-dam, and distinguishes the highly changed indicators. Based on this function, an ecological objective which takes natural flow regimes into consideration is established. The objective synthesize highly changed indicators selected from the 32 hydrologic indicators and minimize their degree of change to approximate the natural status. The function of the hydrologic indicators are quantified through fuzziology according to their effect on river environment when changed. The model is applied to Xiangyang section of the Han River downstream the Danjiangkou reservoir, which maximizes the ecological objective to close to a natural flow regime. By optimization, model results indicate that the maximum synthetical membership of the selected indicators is 0.5, which means that the post-regulation optimum release is 50?% closer to the natural flow regime. It is much better than the traditional power generation regulation model, the membership of which is only 0.2. The result indicates that the ecological model is better in improving the river ecosystem, but with reduced power generation because of excessive abandon water. However, when deeply evaluate the effect of the new model, it shows the possibility of a win-win scenario between maintaining ecosystem health and power generation.     

一种新的水文情势改变度综合估算法

基于 33 个水文改变指标,分别采用变化范围法、直方图匹配法、直方图比较法和修正变化范围法 4 种方法, 计算汉江中下游黄家港水文站的水文变异性,并对比分析各方法的优缺点。变化范围法忽略了水文指标在极值 和目标范围的具体变化;直方图匹配法和比较法考虑了水文指标在各范围的分布;修正变化范围法涵盖了形态变 化的概念。通过主客观组合赋权,融合直方图比较法和修正变化范围法的结果,提出一种新的综合估算法,既保 留水文情势的分布、频率和时空变化信息,又避免数据冗余。综合估算法结果表明：各月月均流量和极端流量大 小的改变度均为中度改变,分别为 41.28% 和 64.83%;流量增减变化率的改变度为高度改变（80.53%）;汉江中下游 水文情势的整体改变度为中度改变（55.70%）。该法可降低计算结果的不确定性,避免水文变异性结果出现异常, 从而更加合理可靠。     

水文改变指标体系在生态水文研究中的应用综述

回顾了水文改变指标体系的发展历程,详细介绍了水文改变指标体系所包含的水文改变指标、变化范围法和环境流量成分3部分内容,总结了水文改变指标体系在水文情势改变评估、生态环境影响评估、生态环境流量估算等方面的应用;指出水文改变指标体系是一种简便有效的评估工具,在水文情势变化及其生态效应评估和水资源管理实践上具有广泛的应用前景,但水文改变指标体系也存在参数冗余问题,未来发展可以耦合生态水文模型。     

气候变化和水利工程对丹江口大坝下游水文情势的影响

采用变化范围法划分不同影响期,并对丹江口下游的黄家港站1965—2017年水文情势的变化趋势进行评估。结果表明:丹江口大坝蓄水使下游河道枯水期的流量增加,丰水期和平水期的流量减少;气候变化引起的降雨减少使各月份的月中值流量和年极大值流量减少,低流量脉冲次数增加;梯级大坝的修建使黄家港水文站受回水影响,月中值流量和年极小值流量增加,发生时间提前。受南水北调中线工程调水影响,月中值流量和年极小值流量大幅度减少,高/低流量脉冲次数增加。不同时期影响造成汉江中下游水文情势的波动,并影响了汉江中下游水生态系统的稳定性。     

变化范围法评估北江流域水文情势变化

通过分析北江石角站实测径流资料,应用变化范围法(RVA)评估北江流域水文情势变化.认为总体上属低改变度到中改变度阶段,个别指标达到高改变度;干支流径流式水库,其枯水期运行调度对北江流域水文情势影响较大,而汛期运行调度对水文情势影响较小;飞来峡水库运行对北江中下游水文情势的改变幅度不大,但个别水文改变指标(IHA)改变度较高,有必要进一步优化飞来峡水库调度方案,减轻对北江河流自然生态的破坏,把IHA改变度降至最低,实现人水和谐.     

考虑生态流量的水电站下闸蓄水方案研究

针对西部某水电站,为满足下游生态环境需要的流量,深入研究了导流建筑物下闸程序.考虑了蓄水进度、施工组织、下闸难度、下游供水、生态流量、上游电站出力泄水和下游电站运行水位等条件和要求,制定了最优的下闸封堵方案,使大型水利水电工程的建设技术与生态文明兼顾融合.     

考虑生态流量需求的梯级水库汛末蓄水调度研究——以溪洛渡-向家坝水库为例

针对溪洛渡-向家坝梯级水电站在汛末期发电兴利、汛末蓄水、无效弃水、下游生态需水等多方面存在的水资源利用矛盾,开展了考虑生态流量需求的汛末蓄水调度研究。首先借助于逐月最小生态径流法,计算了两库水电站蓄水期下游的最小生态流量过程,进而提出了基于调度图的改进提前蓄水方案,并引入了生态流量满足度结合其他兴利指标对蓄水方案进行了评价。研究结果表明：考虑到生态流量需求的改进提前蓄水方案,在提高梯级汛末蓄满率、增大发电效益以及减少弃水量的同时,两座水电站的运行出力、下泄流量过程更加平稳,生态流量满足度也得到了明显提高。研究成果可为溪洛渡-向家坝梯级调度运行、提高蓄水兴利与生态效益提供科学的指导依据。     

丹江口水库汛期水位动态控制方案研究

丹江口水库加高完成后,为保障汉江中下游防洪安全和南水北调供水的顺利进行,防洪和蓄水的矛盾更加突出,根据目前的蓄水方案,蓄满率可能进一步降低。以62 a实测洪水资料为输入,对丹江口水库的运行方式进行了模拟调度和预泄能力分析,并根据汉江流域洪水特性,提出了不同时期丹江口水库的运行水位动态控制方案。根据提出的运行方案,丹江口水库在保证各项设计功能正常发挥的前提下,可进一步挖掘水库的防洪效益,并做到风险可控,供水保证率可提高10%左右,发电效益可增加5%左右。     

Invertebrate response to impacts of water diversion and flow regulation in high‐altitude tropical streams

Water supply systems are critical infrastructure that provides food and energy security for developed societies. The operation of reservoirs (flow regulation) and water intakes (water diversion) has known negative impacts on aquatic ecosystems; however, quantification of ecological impacts and examination of these two types of flow alteration remain a developing area of research. We investigated the individual and combined impact of flow regulation and water diversion on stream ecosystem integrity, the freshwater macroinvertebrate community, and the population structure of flow‐sensitive insects. For 2 years, we monitored quarterly discharge, physical and chemical stream conditions, and benthic invertebrates of four high‐altitude tropical streams that are part of the water supply system of Quito, Ecuador. Flow regulation caused a loss of the hydrological seasonality of these streams, including a decrease in stream depth and biotic quality. Water diversion caused a decrease in dissolved oxygen and overall ecosystem integrity. Freshwater invertebrate density and richness decreased as a result of water diversion and flow regulation. The combined flow alteration in these streams decreased the density of nymphal stages of the widely distributed mayfly Andesiops peruvianus. Given the societal needs for food and energy security, water management for diversion (e.g., irrigation) and in‐line storage practices (e.g., hydroelectric dams) are anticipated to increase. This research suggests that the negative environmental impacts of flow alteration could be mitigated with discharge releases designed to approximate the natural hydrologic regime of undisturbed streams.