金沙江下游鱼类繁殖最优生态流量计算及其水库调度效益评价

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金沙江下游河段是长江流域水能资源最丰富的河段,由上至下依次规划建设乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝4座大型水电站。梯级水电站在发挥巨大经济效益的同时,不可避免改变了上下游河道水文情势,进而影响水生生物栖息地生境,尤其是处于食物链顶端的鱼类。如何通过生态流量的优化在为下游鱼类提供更好生境条件的同时兼顾防洪和发电具有重要意义。本文结合工程实际开展基于鱼类产卵繁殖所需生态流量的金沙下游梯级水电站发电优化调度研究,首先采用多种计算方法量化了下流河道所需的生态流量;其次应用层次分析法对已建成运行的溪洛渡、向家坝联合生态调度效果进行评价,对比分析生态调度前后鱼类繁殖期实际下泄流量与生态流量过程;最后构建了兼顾鱼类繁殖的梯级水库发电优化调度模型,采用混合动态规划算法(DP-POA-DPSA)对模型进行求解,得到不同典型年下考虑不同生态流量过程约束的金沙江下游梯级水库消落方案。主要内容和结论如下:(1)在水利工程影响下的河道生态流量计算方面,在非敏感期选取行业相关规范中推荐的4种常规水文学生态流量计算方法,并在此基础上提出一种充分考虑年月来水频次且还原度最高的水文学生态流量计算方法--基于改进Copula函数概率加权法,该方法以流量历时法(FDC)为基础,结合蒙大拿法(Tennant)等差数列分级思想,首先计算出最优生态流量下限值,再基于年、月来水不同遭遇组合情况,采用Copula函数构建不同年来水情况下月丰枯遭遇概率权重,计算得到各月基于不同年来水情况下的最优生态流量。以金沙江下游梯级水电站为例,分别计算出非敏感期不同水平年控制性水文站宜宾站和乌东德、白鹤滩控制性水文站巧家站的各生态流量值,为生态调度提供更优的生态流量约束条件。(2)在珍稀特有鱼类繁殖的敏感期(3-6月),通过构建物理栖息地模型量化了鱼类产卵所需生态流量。以向家坝下游宜宾江段为例,分别选择胭脂鱼为产粘沉性卵鱼类的代表,选取铜鱼为产漂流性卵鱼类的代表,基于所构建的物理栖息地模型(PHABSIM),量化了向家坝水库不同出库流量下对应的栖息地加权可利用面积(WUA)。结果表明:栖息地加权可利用面积整体上随着流量的增加呈先增大再缓慢减小的趋势,推算宜宾江段适合胭脂鱼产卵的出库流量在2200-4200m3/s,最适宜出库流量为3200m3/s;铜鱼的适宜生态流量范围为2800-5300m3/s,最适宜生态流量为3700m3/s。(3)在水库优化调度效益评价方面,针对目前尚无权威和完整水库生态调度评价指标系统的不足,进一步完善了梯级水库生态调度评价指标系统。结合相关规范和文献提出适用于金沙江流域的针对鱼类繁殖的水库生态调度效果评价指标体系,以溪洛渡、向家坝开展的水文过程联合生态调度为例,采用层次分析法(AHP)对各年的生态调度效果进行评价和打分,结果显示2018年生态调度效果最好。同时对溪洛渡、向家坝开展生态调度前后下泄流量情况进行分析,结果显示开展生态调度期间的下泄流量与本文提出的丰、平、枯生态流量值阀区间相吻合,且满足鱼类产卵繁殖期所需的最佳生态流量,佐证了本文生态流量计算方法和结果的合理性。(4)在改善下游重要水生生物栖息地生境方面,通过构建水库生态调度模型,提出了兼顾金沙江下游鱼类繁殖的梯级水电站消落方法。调度模型采用混合动态规划算法(DP-POA-DPSA)求解,得到了不同生态流量约束条件下的梯级水库优化调度方法。结果显示采用各水电站运行规范中的生态流量要求约束所产生的年度发电效益最低;采用基于改进Copula函数概率加权法、各水电站运行规范、物理栖息地模型法相结合的方案可以获得较好的经济效益,并且当消落期溪洛渡水库出现超低水位(水位低于白鹤滩水电站发电尾水位580m)时,白鹤滩电站可以提供较优下泄流量以便为下游鱼类繁殖提供更好的生境条件。
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