面向洞庭湖生态需水的三峡水库枯水期调度方案研究

摘要

洞庭湖是长江中游重要的通江湖泊之一，在洪水调蓄、生物多样性保护、鱼类洄游、水资源利用等方面发挥重要作用。近年来受流域内降雨偏少、降水时间分配不均、极端气候及围湖造田活动等影响，洞庭湖季节性缺水灾害现象频繁发生，对生产生活用水、通航、渔业等造成巨大影响，威胁着湖泊湿地生态系统健康，三峡水库优化调度最有可能成为近期改善湖泊生态环境问题的有力措施。然而枯水期水库来水较少而且具有随机性，开展满足洞庭湖生态需水的水库优化调度可能影响三峡水电站发电量和发电保证率，使三峡发电达不到设计发电计划，损失发电效益。因此如何开展既能满足水库下泄流量尽可能接近洞庭湖适宜生态水位的要求，又能保证三峡水电站发电量损失最小的三峡水库枯水期优化调度，仍是当前需要解决的难题。 为充分发挥三峡水库巨大生态效益、满足洞庭湖的生态需水要求，本文以长江中游典型的通江湖泊洞庭湖为研究对象，采取历史资料统计分析、定性和定量评价相结合的综合技术手段，构建以三峡水电站发电量最大和洞庭湖适宜生态水位改变度最小为调度目标的水库优化调度模型，开展不同典型年下的三峡水库枯水期优化调度研究，揭示洞庭湖适宜生态水位改变度与发电效益之间的互馈关系，初步提出维护洞庭湖生态健康的水库优化调度方案。主要内容及结论如下： （1）选取城陵矶站作为洞庭湖代表性站点，以城陵矶水位站1978~2015年长时间水位序列数据为分析对象，基于水文变异法和排频法量化城陵矶站的适宜生态水位，计算结果表明：1月上旬~4月下旬适宜生态水位分别为20.52 m，20.68 m，20.83 m，20.59 m，21.00 m，19.32 m，22.22 m，22.04m，22.79 m，22.91 m，23.96 m，23.13 m，对应的湖泊面积为436~570 km2，从维护自然保护区面积的角度看，适宜生态水位所提供的湖泊面积能满足保护核心区对水面的要求，计算结果合理。 （2）分析了洞庭湖城陵矶站水位变化的影响因素，分别对各因素与城陵矶水位作相关性分析，结果表明三峡水库下泄流量对城陵矶站水位的影响分量是最显著的，但也不能忽略“四水”入湖流量、清江流量的共同影响。为探究三峡水库的下泄流量和洞庭湖城陵矶水位间的定量关系，建立基于支持向量回归的水位预测模型，以2006年~2008年三峡水库下泄流量、清江流量和“四水”入湖流量为输入变量，对城陵矶水位序列进行训练，并利用2009年城陵矶实测水位数据对训练后的模型精度进行检验，得出均方误差MSE为1.477?10-3，决定系数R2为0.9807，说明经训练后的模型可以较好的模拟三峡水库下泄流量与洞庭湖出口城陵矶站水位的动态关系。 （3）介绍了非支配排序遗传算法及在此基础上改进的带精英策略的快速非支配排序遗传算法（NSGA-II）的基本原理，研究了NSGA-II算法应用于求解水库双目标优化调度时的具体步骤和计算流程，根据该算法的计算流程，考虑本文调度目标，选定关键调度期，划分计算时段，并选取水库水位约束、水量平衡约束、下泄流量约束和电站出力约束等必要的约束条件，构建了以三峡水电站发电量最大和洞庭湖适宜生态水位改变度最小为目标的三峡水库枯水期优化调度模型。 （4）选择丰水年、平水年和枯水年作为典型年，采用NSGA-II算法求出各典型年条件下的一系列pareto最优解，分析得到：与常规调度相比，丰水年优化调度后，生态水位改变度可减小8.211%的同时使发电量增加0.989%，或者以损失2.544%的发电量的代价换取生态水位改变度减少 19.36%；平水年优化调度后，生态水位改变度可减小10.845%的同时使发电量增加2.911%，或以损失0.234%的发电量的代价换取生态水位改变度减少 20.563%；枯水年优化调度后，生态水位改变度可减小 3.390%的同时使发电量增加0.865%，或以损失4.166%的发电量的代价换取生态水位改变度减少20.339%；说明通过水库优化调度增加发电量或减小适宜生态水位改变度的方案是可行的。

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