面向河流生境改善的水庫調(diào)度建模理論與方法研究.pdf

1、水資源是一種清潔可再生能源，它對人類社會經(jīng)濟發(fā)展起著舉足輕重的作用。通過水利工程的建設(shè)和運行，人類對自然徑流過程進行人工干預(yù)從而實現(xiàn)天然徑流能量的轉(zhuǎn)換和資源的重新分配。水利樞紐在防洪、供水、發(fā)電、航運、灌溉等方面產(chǎn)生了巨大的社會及經(jīng)濟效益。但是，大壩阻隔造成河道破碎化、片段化現(xiàn)象嚴重，水庫的調(diào)度運行對水資源時空分布也產(chǎn)生了劇烈的改變，這些不利影響導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)遭到較為嚴重的破壞，引發(fā)了一系列生態(tài)問題如庫區(qū)富營養(yǎng)化、生物多樣性下降、濕地

2、退化等。隨著生態(tài)問題的日益凸顯以及社會環(huán)保意識的逐漸增強，如何通過水庫合理運行減輕水利工程對生態(tài)系統(tǒng)造成的不利影響已成為水庫調(diào)度研究領(lǐng)域中的熱點問題。目前，我國已建大壩數(shù)量位居世界首位，大規(guī)模的流域水電建設(shè)對河流生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重甚至不可逆轉(zhuǎn)的破壞。傳統(tǒng)以經(jīng)濟效益最大化為核心的調(diào)度理念已無法適應(yīng)實現(xiàn)河流生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù)的工程需求，加之我國水庫生態(tài)調(diào)度研究與實踐起步較晚，因此亟需研究并發(fā)展具有科學(xué)性且符合我國國情的生態(tài)調(diào)度建模理論與方法

3、。本文圍繞長江中游主要水生態(tài)問題，以河流生境改善和修復(fù)為目標，采用生態(tài)水文學(xué)、生態(tài)水力學(xué)、復(fù)雜系統(tǒng)建模理論相結(jié)合的建模途徑，對水庫生態(tài)調(diào)度建模理論與方法進行了深入的研究，初步取得了以下具有理論意義及工程實際應(yīng)用價值的研究成果。
　?。?）考慮到已有物理棲息地模型僅能在具有較完備生態(tài)監(jiān)測資料河段使用的局限性，本文提出了基于Mamdani型模糊推理和基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊系統(tǒng)的物理棲息地模擬方法。研究采用三角形網(wǎng)格上求解二維淺水方程的Go

4、dunov型有限體積模型進行流場模擬，從而計算得到棲息地內(nèi)各單元的流速及水深。以此為基礎(chǔ)，分別采用Mamdani型模糊推理機及自適應(yīng)神經(jīng)模糊系統(tǒng)將河流物理要素轉(zhuǎn)換為適宜度，最終建立研究河段流量-加權(quán)可用面積關(guān)系曲線，并以此確定生態(tài)需水量。為驗證模型有效性，以長江珍稀保護物種中華鱘為研究對象，對其葛洲壩下產(chǎn)卵場進行物理棲息地模擬。與已有研究及生態(tài)監(jiān)測資料的對比結(jié)果表明，本文提出的模型可靠有效，有助于生態(tài)監(jiān)測資料匱乏的河流開展相關(guān)生態(tài)保護及

5、河流管理。
　　（2）以水利工程對河流天然徑流過程的影響為切入點，采用水文變指標法、變異范圍法、Mann-Kendall趨勢檢驗法以及R/S法定量計算并分析了三峽梯級建設(shè)運行對河流生態(tài)水文特征的影響。此外，提出采用生態(tài)水力學(xué)指標評價水利工程對生態(tài)系統(tǒng)影響的方法，并以中華鱘為目標物種，定量評價了三峽水庫蓄水對中華鱘自然繁殖的影響，從而為實施水庫生態(tài)調(diào)度提供了理論支撐與數(shù)據(jù)支持。
　?。?）針對長江中游生境改善與修復(fù)的需求，提出

6、了一種考慮多重生態(tài)需水的水庫多目標生態(tài)調(diào)度模型。研究以月為時間尺度，考慮生態(tài)系統(tǒng)、四大家魚產(chǎn)卵、中華鱘產(chǎn)卵的生態(tài)需水量及防止氣體過飽和與河口咸潮入侵發(fā)生的臨界流量，建立了以生態(tài)溢缺水量最小及年發(fā)電量最大為目標的水庫多目標調(diào)度模型，采用智能優(yōu)化算法對模型進行求解，快速得到了關(guān)于不同目標的非劣調(diào)度方案集，并以此為基礎(chǔ)對各調(diào)度目標間的相互影響規(guī)律進行解析。研究結(jié)果表明，實施水庫生態(tài)調(diào)度可在犧牲部分經(jīng)濟效益的同時，有效提高下游河流生態(tài)系統(tǒng)需水的

7、保證率。研究成果可為三峽梯級水庫實施生態(tài)調(diào)度提供理論支撐與技術(shù)指導(dǎo)。
　?。?）生態(tài)需水量計算方法眾多，針對不同的對象和保護目標，可得到不同的河流生態(tài)需水量。由于生態(tài)系統(tǒng)的特殊性和復(fù)雜性，這些生態(tài)流量難以通過實驗進行檢驗和確認。此外，徑流在年內(nèi)分配不均，使得河道內(nèi)流量對生態(tài)系統(tǒng)健康的影響呈現(xiàn)高度非線性。針對這些問題，本文建立了基于Vague集相似度量的水庫生態(tài)多目標調(diào)度模型。模型將適宜生態(tài)流量的邊界定義為區(qū)間，將針對不同生態(tài)保護目