周涛 董增川 武婕 林梦然

摘要：采用湿周法、Tennant法、频率曲线法等生态需水计算方法，计算汾河的生态基流量，综合考虑河道下渗、植被需水等因素，提出合理的汾河上中游的生态需水要求。在此基础上，建立汾河水库与汾河二库联合调度模型，制定合理的、考虑生态的水库调度规则。考虑近年来引黄水量增加，运用遗传算法对调度线进行优化，以提高水资源利用率。

关键词：生态需水；遗传算法；水库优化调度；汾河

中图分类号：TV697.1+2

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.015

水资源是社会经济发展的重要资源，近年来人们逐渐意识到水资源在河流生态系统中的重要作用，提出了在保证河流生态需水量的情况下合理安排社会发展用水量的用水理念，一系列河道内生态需水量计算方法应运而生。河道内生态需水量计算方法分为水文学方法和水力学方法，水文学方法以径流的水文特性及水文参数的频率作为依据来计算河流的生态需水量：水力学方法则是将保护河流生态系统的要求与传统的水力学物理量联系起来，并从这些物理量出发提出河流的生态需水量。

本文采用水文学和水力学两种方法，分别计算汾河上中游河段的生态需水量，并在此基础上进行水资源优化调度研究，运用遗传算法得到水资源利用效率更高的水库调度规则。

1 研究区概况

选取汾河流域上中游地区汾河太原段为研究区域。汾河长约323km，流域面积14030km2，上游建有多年调节水库汾河水库和年调节水库汾河二库。汾河水库承担着下游调洪错峰、农田灌溉、工业及城市生活供水任务，是太原市最重要的饮用水水源。汾河二库位于汾河上游末端，距上游的汾河水库80km，距太原市中心30km，是汾河干流上一座以防洪为主、兼有生态供水等综合任务的水利枢纽工程。研究区水资源概化见图1。

1.1 社会经济需水

根据《山西统计年鉴》人口数据和《城市居民生活用水量标准》各行业、居民生活用水量数据，采用定额法计算太原市城市生活需水量。农业需水主要为汾河灌区的灌溉需水，根据《山西统计年鉴》和汾河灌区相关统计资料，考虑汾河灌区的主要种植作物，确定用水定额。工业需水量采用《太原市计划用水方案编制与实施研究报告》和《山西经济年鉴》提供的数据。经计算，汾河水库承担的供水任务中，生活需水量0.62亿m3，工业需水量1.03亿m3，农业需水量3.10亿m3。

1.2 汾河上中游生态状况

汾河流域是山西省经济最发达、人口密度最大的区域。黄河水调入之前，汾河上中游的水资源开发利用率为85.1%，下游的为62.8%，过度开发使汾河的生态系统遭到破坏，2000年汾河上中游的二坝水文站断流天数达180d。黄河水调入之后，在满足社会经济用水的同时，兼顾河流生态需水，实现汾河干流河道每年不少于290d的长流水、上中游河道流量不低于1.0m3/s的生态保护目标。

2 生态需水计算模型

2.1 河道内生态需水计算

采用水文学和水力学两种方法研究河道内生态需水，通过综合分析，取流量过程的外包线作为推荐的河道生态需水量。

2.1.1 水文学方法

河道内生态保护目标中生态环境功能对水量的需求分别用基本生态需水量和目标生态需水量表示。基本生态需水量是生态需水要求的下限值，目标生态需水量是河流、湖泊、沼泽生态环境保护目标中为保证生态环境功能正常发挥而需要保留在河道内的水量。

采用Qp法、频率曲线法、Tennant法和流量历时曲线法分别计算河道内基本生态需水量。選取汾河水库、兰村、二坝3个断面计算生态基流，对计算结果进行可靠性分析，排除误差较大的计算结果。根据《河湖生态需水计算规范》，采用Tennant法和逐月频率法，计算河道内目标生态需水量。

2.1.2 水力学方法

水力学方法选取湿周法计算。湿周法假设湿周和水生生物柄息地的有效性有直接的联系，保证一定水生生物柄息地的湿周，也就满足了水生生物正常生存的要求。首先，利用实测断面资料绘制湿周和水深关系曲线，据此确定该断面的水位一流量关系，估算基本生态需水量。

水文学方法是利用排频计算对径流系列进行分析，水力学方法是将生态流量和具体的物理量建立联系，从而给出推荐的基本生态流量。本文将两者结合，将湿周法的计算结果作为基本生态流量进行控制，对水文学方法的计算结果进行合理性分析，选取合适值作为当月的生态需水量推荐值，从而给出同时考虑经验频率和河道断面具体情况的生态流量，计算结果见表1和表2。

2.2 蒸发量和渗漏量计算

汾河流域降水量较少、蒸发量较大，时空分布不均，降水多集中在6-9月。基于河流系统水量平衡原理，净蒸发损失量计算公式为式中：We为计算时段内水体的净蒸发损失量，m3；A为水体平均水面面积，m2：E为计算时段内水体蒸发量，mm；P为计算时段内的降水量，mm。

采用党跃军在晋祠泉域汾河干流古交段河道渗漏研究中得出的河道渗漏系数，结合汾河上游的天然径流量，可以计算出上游河道蒸发量和渗漏量（见表3）。

3 水量供需平衡计算

采用1960-2000年的天然径流数据进行计算。若按照目标生态需水量供水，则水库平均每年需对农业供水2.00亿m3（其中：位于汾河二库下游的一坝取水口供水0.53亿m3，位于太原城区段下游的二坝和三坝取水口供水1.47亿m3），对生态供水2.92亿m3（其中：汾河水库至兰村河段供水1.60亿m3，兰村至二坝河段供水1.32亿m3），城市生活和工业供水合计1.62亿m3。若按照基本生态需水量供水，则水库平均每年需对农业供水2.00亿m3，对生态供水1.46亿m3（其中：汾河水库至兰村河段供水0.78亿m3，兰村至二坝河段供水0.68亿m3），城市生活和工业供水合计1.62亿m3。

兰村水文站多年平均天然径流量为3.83亿m3，引黄水量从2003年的0.07亿m3到2014年的2.64亿mi，逐年递增。以2014年为例，研究区的可利用水资源量为6.47亿m3，能够满足生态供水目标要求。

4 考虑生态的梯级水库水资源优化调度

考虑生态的水资源优化调度是一个多约束条件下的多目标复杂寻优过程，在优化过程中既要考虑各个用水户之间的协调，又要考虑水库在水资源时空分配不均时的调蓄作用。将生态系统视为一个独立的用水户，其特征有两个：一是该用水户的优先级分为基本生态用水和目标生态用水两个等级：二是供给该用水户的水量可以再次供给下游的其他用水户。通常运用长系列时历法，绘制多年调节水库灌溉防破坏线、灌溉降低线和城市供水防破坏线，作为水库调度的依据。根据《水利工程水利计算规范》，将调度图分为4个区：①加大供水区，上限为防洪限制水位线或正常蓄水位线，下限为灌溉防破坏线；②保证供水区，上限为灌溉防破坏线，下限为灌溉降低线：③降低供水区，上限为灌溉降低线，下限为城市供水防破坏线：④防破坏区，上限为城市供水防破坏线，下限为死水位线。

长系列时历法绘制调度图中采取外包线的做法容易受到个别枯水年的影响，在来水量充足的情况下不能充分发挥水库蓄水的效益。本文采用遗传算法对灌溉降低线进行优化，寻找联合调度规则的全局最优解，实现社会发展和生态保护的综合效益最大化。各用水户的优先级别依次为生活用水、工业用水、基本生态用水、农业用水和目标生态用水，其中目标生态用水和农业用水享有同等优先级，在供水不足时两者会保持同样的缺水率。

由于汾河二库的兴利库容较小，仅为汾河水库的1/5，主要承担防洪、旅游和生态供水任务，因此在模型计算中，汾河二库主要调蓄区间来水和上游汾河水库的下泄水量，以满足下游的生态需水，不再承担其他供水任务。当汾河水库的下泄水量和区间来水不足以满足下游生态需水要求时，汾河二库会对汾河水库进行补偿调节。

4.1 遗传算法模型求解

遗传算法使用群体搜索技术，对当前群体进行选择、杂交和变异等操作，使群体进化到包含或接近最优解的状态。遗传算法具有抗干扰性强、搜索范围大和不依赖初始解等优点，被广泛应用于水库调度和水资源优化配置中。遗传算法模型建立步骤如下。

（1）选择灌溉降低线每个月对应的库容作为染色体，将长系列时历法的计算结果作为初始解代人模型，设置最大代数，选择合适的种群数量并初始化种群。

（2）考虑水库库容约束，水库t时刻的有效库容应在最大库容和死库容之间。

①水量平衡约束：式中：Vt+l和vt分别为t+l与t时刻的水库蓄水量；Qi和qi分别为t时刻水库的人流量和出流量。

②水库蓄水量约束：式中：Vmax和Vmin分别为水库蓄水量的上限、下限。

③染色体变幅约束，染色体的基因代表该月的灌溉降低线，其变化范围应在灌溉防破坏线到城市供水防破坏线之间：式中：qmax和qmin分别为水库t时刻下泄流量的上、下限。

对于上述约束条件采用搜索空间限定法和罚函数法相结合的策略。

（3）建立水库模拟调度模型，对每一代种群的每一条染色体对应的调度规则进行模拟调度，模拟调度模型依据水库蓄水量确定当月的供水准则。水庫调度以相对缺水率最小为目标函数：式中：ai（i=1，2，3）分别为生态、生活、生产的权重；Din为生态、生活、生产第n月的需水量；Qin为生态、生活、生产第n月的供水量。

（4）设置罚函数，对灌溉降低线设置过低导致城市供水或基本生态需水遭到破坏的现象进行适应度惩罚，保证水库蓄放水过程在合理的范围内寻优。

（5）采用比例选择方法，从旧群体中选出适应性强的染色体，为交叉和变异产生新种群做准备，保持种群数量不变。

（6）运用双点交叉和均匀变异来全局搜索最优解或次优解。

（7）判断是否达到最大代数来决定是否终止程序。

4.2 计算结果分析

以1960-2000年的天然径流系列加上引黄水作为模型输人，灌溉降低线每个月对应的库容作为决策变量，用遗传算法进行优化得到的调度规则见图2，对优化前后的调度规则分别进行模拟计算，得到多年平均缺水率（见图3、图4）。

由图3、图4可以看出，遗传算法优化后的结果可以降低非汛期的缺水率，并且在计算过程中没有出现生活用水和基本生态需水遭到破坏的情况，原因是优化后的调度线消除了个别枯水年对调度线的影响。

由于生活需水和工业需水设计保证率相同，因此将生活供水和工业供水合并为城镇供水。模拟计算结果表明，2014年引黄水量达到2.64亿m3后，农业多年平均月缺水率在15%以内，并且计算中没有发生城市用水和基本生态用水被破坏的情况。因此，在优化后的调度规则下，可以在满足城市用水和基本生态用水保证率的同时，降低灌溉用水的缺水率。

5 结语

采用水文学和水力学两种方法计算汾河上中游流域的生态需水量，结合生活、工业和农业需水，建立考虑生态需水量的水库调度规则，并运用遗传算法对其进行优化，计算结果表明：在2014年引黄水量达到2.64亿m3/之后，基本可以在满足供水的同时兼顾生态要求：在现状水平年水量平衡状态下，可以使用遗传算法对调度规则进行优化，提高水资源利用率。