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高志强 丁伟 唐榕 李昱 张弛
摘要：针对丰满水库下游鱼类多样性减少的问题，在满足最小生态流量需求的基础上，开展了营造适宜鱼类的水文情势研究。通过筛选改变度大且适宜鱼类的水文情势指标构建生态完整度函数，将此作为生态目标建立水库多目标优化调度模型。调度结果表明，所建立的生态调度模型在满足发电、供水和最小生态需水量的基础上，可将生态完整度至少提高48%，其中，涨水率、高流量脉冲数指标隶属度分别增加了0.112、0.261，且涨水率指标在枯水年改善程度好，高流量脉冲数指标在枯水年改善程度大、丰水年改善程度小。本文所建立的模型显著提高了适宜鱼类水文情势的生态完整度，可为有鱼类修复任务的流域提供参考。
关键词：丰满水库；水文情势；鱼类；生态完整度；生态调度
中图分类号：TV697.1文献标志码：A文章编号：
16721683（2018）02001407
Abstract：
To solve the problem of the dwindling fish resources in the lower reaches of the Fengman reservoir，we conducted the study on hydrological regime suitable for fishes on the basis of satisfying the minimum ecological water demand.We selected hydrological regime indicators that changed severely and were suitable for fishes，and used them to establish an ecological integrity function.Using the proposed function as the ecological objective，we established a multiobjective optimal scheduling model.Results showed that this model could improve ecological integrity by at least 48%.The memberships of flow rising rate and high flow pulse number increased by 0112 and 0261 respectively.The flow rising rate was well improved in dry years.The high flow pulse number was improved greatly in dry years and slightly in wet years.This model can significantly improve the ecological integrity，and can provide a reference for the watershed with fish restoration tasks.
Key words：
Fengman reservoir；hydrological regime；fish；ecological integrity；reservoir scheduling considering ecology
1研究背景
自然條件下，河流水文情势的丰枯变化维持着水生态系统的稳定[1]。然而水库的“蓄丰补枯”调节坦化了天然径流，极大地改变了天然水文情势的变化，产生了河流连通能力下降、下游湿地萎缩、生物栖息地丧失等一系列的生态问题[23]，因此在水库调度中必须要考虑生态问题。
目前水库生态调度主要是保证泄流满足最小生态需水量[4]，然而这种调度方式没有反映河流天然[HJ1.98mm]状态下的峰现时间、洪水脉冲、涨水次数等水文情势信息，对生物的洄游、产卵、生长等过程带来不利影响[5]，因此生态调度除了满足水量的需求外，还需营造适宜的水文情势[6]。水文情势可通过生态指标量化，在调度时进行调控满足，由于指标众多[711]，如何合理地筛选关键指标进行控制十分重要。当生态监测资料比较充分时，可以采用数据挖掘法筛选指标，如YiChen E.Yang[12]利用GP挖掘法筛选了IHA指标，并建立了鱼类丰度和IHA指标之间的函数关系；当生态监测资料缺乏时，一般按个人经验[1316]和生态指标改变度大小的顺序[1718]进行筛选，如Suen[13]根据个人经验挑选代表石门水库下游生态系统的指标，研究了生态指标改善对兴利目标的影响；杨娜[17]通过筛选改变度最大的前6个水文情势指标，研究了丹江口水库在水量分配和天然模式两种调度情境下各指标的改善程度。但这两种方法都没有结合流域的生态保护对象筛选指标，可能导致所修复水文情势指标对保护对象的作用并不明显，达不到修复目的。
本文针对第二松花江流域丰满水库下游河段产漂浮性卵洄游鱼类资源严重衰退问题，筛选水文改变度大且适合鱼类需求的生态指标构建生态完整度函数，在保证发电和供水任务的基础上，建立考虑生态完整度的水库多目标优化调度模型，探讨调度结果对发电和供水的影响，分析各生态指标多年平均隶属度的变化情况以及年际变化情况。
2.1丰满水库特征及流量数据
丰满水库位于我国第二松花江流域，坝址在吉林省吉林市城区上游24 km处，是一座以发电为主，兼有防洪、供水、养殖的综合水利枢纽工程，其电站装机为1 002.5 MW，保证出力为166 MW；水库下游的主要供水任务包括：长春市引水11 m3/s，下游生态下泄150 m3/s，吉林市区以下灌溉期（5月-6月）取水350 m3/s，且生态下泄水量可兼作为下游的灌溉用水。
丰满水库始建于1937年，没有建库前河道的天然水文数据序列，只在1946年以后有连续的出库流量资料，为此本文在判别水文指标改变度时，以1946-1990年（1991年丰满水库上游修建了白山水库）反推的入库流量数据序列作为下游河道天然水文数据序列；在水库调节计算时，采用1946-2009年丰满水库的入库流量数据。
2.2漂浮性洄游鱼类调查
丰满水库坝址至饮马河口区段是产漂浮性卵的[HJ]洄游鱼类如“四大家鱼”的主要产卵区，分布有鳌龙河口、榆树、龙王庙、饮马河口等产卵场，见图1。根据文献[19]，丰满水库下游鱼类多样性不断降低，主要是由于水库修建及调度管理、环境污染、私捕滥捞、河道采砂等造成的，其中水库的调度管理影响较大，对鱼类的洄游产卵、觅食生长过程带来不利影响，为此，丰满水库在满足发电和供水任务的基础上，还急需开展营造适宜鱼类水文情势的研究。
2.3生态目标函数确定方法
本文所提出的生态目标确定方法，首先计算生态指标改变度，然后选择改变度大且影响鱼类的指标作为待修复对象，最后利用二元比较法确定生态目标函数。
（1）水文情势指标改变度计算。
首先根据出流过程对水文情势改变程度进行评价，采用Richer[7]所提出的水文变化指标体系（Indicators of Hydrologic Alteration，IHA）来衡量水文情势的变化。
为了便于水库实际调度的控制管理，这里定义涨水（落水）率指标的单位为流量，即首先求每次涨水（落水）前后的流量差值，然后将年内各次涨水（落水）前后流量差值的均值作为该年涨水率（落水）率指标。
在判断水文情势变化程度时，主要评价调度后各水文情势指标相对于天然状态下的改变程度，本文采用高斯隶属度函数（式（1））反映水文情势指标相对于天然状态的隶属程度[15]，采用改变度函数评价各指标的改变程度（式（2））。鉴于丰满水库没有建库前的水文资料，本文以1946-1990年反推的入库流量序列作为下游河道天然流量序列。
μ（xi）=e-[SX（]（xi-mi）2[]2σ2i[SX）][JY]（1）
v（xi）=1-μ（xi）[JY]（2）
式中：μ（xi）、v（xi）分别为第i个水文指标的隶属度函数和改变度函数；xi为调度后第i个水文指标年值；mi、σi分别为天然状态下第i个水文指标的均值和标准差。
在天然水文情势变化评估时，IHA指标改变度大于067的，认为是高度改变；在033～067之间，认为是中度改变；小于033的认为是低度改变；其中高度和中度改变的指标需要修复[20]。根据丰满水库各指标的改变程度，如表1所示，需要修复的指标有26个，说明丰满水库的调度极大地改变了下游的天然水文情势。
（2）鱼类需求指标确定。
由于丰满水库坝址至饮马河口区段产漂浮性卵的洄游鱼类处于严重衰退状态，洄游产卵规模减少，本文以产漂浮性卵的洄游鱼类为保护对象，选择水文情势改变度大且对洄游产卵及鱼卵发育有重要作用的指标进行修复。根据洄游产卵以及鱼卵发育时所需要的洪水脉冲、涨落水率以及涨水持续时间等水文情势刺激[2122]，确定鱼类需求指标如下：a.高流量脉冲发生次数以及高流量脉冲持续时间指标，许多鱼类已经适应了在高流量脉冲时节产卵，高流量脉冲作为鱼类洄游产卵的信号，决定鱼类产卵的次数与规模；b.最大1日、3日平均流量指标，一般完成一次產卵过程需要2～3日，这就要求有足够长时间的高流量阈值来保证产卵的进行；c.最大流量出现时间指标，该指标表征了鱼类产卵进入高峰期；d.涨水率和落水率指标，鱼类产卵的完成还需要一定的涨、落水率，涨水时流速加快刺激鱼类排卵，而排卵后需要一定的落水过程才能使鱼卵顺利漂向下游；e.6月-8月份平均流量指标，第二松花江流域鱼类的洄游产卵集中在6月-8月份，产卵后鱼卵的漂浮以及发育都需要一定的流量环境。
据此需求，可从改变度比较大的IHA指标中选择跟鱼类相关的指标：其中IHA高流量脉冲次数指标改变度为0502，高流量脉冲持续时间指标改变度为0514，均为中度改变，需要修复；平均最大1日、3日流量指标改变度为0292、0302，属于低度改变，不用考虑修复；最大流量出现时间指标改变度为0452，属中度改变，需要修复；涨、落水率指标的改变度分别为0636、0633，属于中度改变，需要修复；6月-8月份中只有7月平均流量指标改变度为0397，属于中度改变，需要修复。经以上分析，按改变度大小排序，需要修复的指标有落水率、涨水率、高脉冲流量持续时间、高流量脉冲数、最大流量出现时间及7月平均流量。
（3）生态完整度函数的构建。
由于所要修复的指标比较多，都作为调度目标难以实现，为此需要由所筛选的指标构建生态完整度函数（式（3）），作为水库生态调度的目标。
Pe=∑[DD（]6[]i=1[DD）]ωi×μi[JY]（3）
式中：Pe为年生态完整度；ωi为第i个生态指标权重；μi为第i个生态指标隶属度值。
在确定指标权重时，目前的研究均按等权重处理[510]，但各生态指标值的改变程度不同，其修复时的重要程度就不同，在确定生态目标时各指标权重也应不同。为此，本文根据各指标值多年平均改变度大小的不同，利用二元比较法确定落水率、涨水率、高流量脉冲持续时间、高流量脉冲数、最大流量出现时间及7月平均流量指标的权重ωi分别为0244、0244、0163、0163、0105及0081。
2.4水库调度模型构建
（1）目标函数。
本文将生态改变度函数作为生态目标加入调度中，由于丰满水库以发电为主，模型考虑以生态完整度多年平均值、多年平均发电量和发电保证率作为调度目标，各目标越大越好：
式中：Vt+1、Vt分别为t+1、t时段末库容；It、Dt、SUt分别为t时段入库水量、泄流量、蒸发渗漏损失量；Zt为t时段的水位；Zd为死水位；Zl为汛限水位；Zn为正常高水位；m、n、l为长春市供水、下游生态流量、灌溉不发生破坏的时段数；Ps、Pt、Pa分别为长春市供水、下游生态流量、灌溉的保证率。
（3）模型求解。
以丰满水库实际调度图作为初始解，调度图中防弃水线、加大出力线和保证出力线上的水位作为模型优化变量，采用NSGAⅡ算法对上述多目标优化调度模型进行编程求解。
3结果与讨论
以丰满水库1946-2009年入库流量作为输入资料，通过对模型求解得到108个帕累托（Pareto）解集，即108个生态调度方案，为了便于分析现有调度（实际出流）方案和考虑生态完整度调度方案的结果变化，选出使各目标及供水保证率取得最大值和最小值作为代表性方案，对应结果见表2。
与现有调度方案所得结果相比，本文所建立的生态调度模型可将生态完整度由0437增大到0650以上，至少提高48%，生态效益改善显著。为使水库泄流的水文情势更贴近天然状态，在非汛期（9月-次年5月），为贴近入流小的情势，与现有调度图中各调度线相比，考虑生态完整度所得的调度图中各条调度线在非汛期比较高，使得泄流减少；在汛期（6月-8月），为贴近汛期入流大的情势，各条调度线比较低，使得泄流增大。调度图变化使发电量增加07%～26%，这是由于考虑生态完整度的调度线在非汛期3月-5月份比较高，即在较高水位时，水库仍进行限制供水，从而使得水库水位抬高，增加发电量；发电保证率降低24%～51%，但满足75%的约束，这主要是3月-5月份泄流受到限制，出力减少造成发电保证率降低；供水保证率都满足约束，但均有所降低：长春市用水保证率降低05%～08%，最小生态保证率降低32%～48%，灌溉保证率降低18%～80%，同样由于调度图在3月-5月份较高，泄流受到限制所致。总体来看，本文所建立的生态调度模型，在保证发电和供水任务的基础上，可显著增大生态完整度，具有可行性。
进一步分析各生态指标多年平均改善程度，选生态完整度最大的调度方案与现有调度方案相比较，考虑生态完整度调度方案中的落水率、涨水率、高流量脉冲持续时间、高流量脉冲数、最大流量出现时间、7月平均流量指标隶属度分别增加0083、0112、0397、0261、0273、0153，见图2。各指标变化及其生态意义如下：（1）落水率指标隶属度由0367增加到0450，天然状态下落水率為1098 m3/s，由现有调度方案的175 m3/s降低到1241 m3/s，减缓了现有调度方案落水过快所导致的鱼卵搁浅问题；（2）涨水率指标隶属度由0364增加到0476，天然状态下1173 m3/s，由现有调度方案的558 m3/s增加到704 m3/s，从而增强了对鱼类产卵刺激，加大了鱼类的产卵规模；（3）高脉冲持续时间指标隶属度由0486增加到0883，天然状态下为91 d，由现有调度方案68 d增加到87 d，从而有利于加大鱼类的产卵规模；（4）高流量脉冲数指标隶属度由0498增加到0759，天然状态下发生247次，由现有调度方案119次增加到185次，增加鱼类产卵的可能性；（5）最大流量出现时间指标隶属度由0548增加到0821，天然状态下出现时间为第202 d（7月下旬），由现有调度方案第175 d（6月下旬）推迟到第195 d（7月中旬）；（6）7月平均流量指标隶属度由0603增加到0756，天然状态下平均流量为9142m3/s，由现有调度方案下的5397m3/s增加到7783 m3/s，为鱼类的产卵以及鱼类的漂浮提供了良好的流量环境。
两方案下生态完整度年际变化过程见图3，考虑生态完整度调度方案大部分年份的生态完整度比现有调度方案大，尤其在枯水年及连续枯水年更为显著，生态完整度增加到04左右。以下简要分析对鱼类产卵影响最大的涨水率和高流量脉冲数的年际变化过程：（1）如图4所示，总体上涨水率在丰水年和平水年的隶属度比枯水年大，需要对枯水年涨水率指标进行改善，该模型使涨水率在枯水年由现有调度方案下的1024 m3/s 增加到3112 m3/s，使鱼类在枯水年产卵刺激增强，这是由于考虑生态完整度的调度线在汛期相对较低，使得泄流更加容易；（2）由于在汛期调度线比较低，使得水库弃水量及弃水次数增加，高流量脉冲次数也随之增加；但对于汛期来水比较大的丰水年，见图5，在1954年、1956年等特丰水年，汛期泄流次数多，使得高流量脉冲次数比天然状态下的次数多，反而造成其相对于天然状态下的指标隶属度降低。
4结论
本文主要针对丰满水库下游天然水文情势改变，产漂流性卵洄游鱼类资源衰退问题，在满足发电和供水的基础上，进一步营造了适宜鱼类的水文情势。通过筛选水文情势改变度大且和鱼类洄游产卵相关的指标构建生态完整度函数，建立了考虑生态完整度的水库多目标优化调度模型，探讨了调度结
果对发电和供水的影响，分析了各生态指标多年平均隶属度的变化情况以及下游生态流量年际变化情况，主要有以下结论。
（1）丰满水库坝址至饮马河口区段营造适宜水文情势的研究表明，该调度模型在满足发电和用水的基础上，可将下游水文情势的生态完整度提高48%，但会降低发电量以及长春市、下游生态下泄和灌溉供水保证率。
（2）各指标多年平均隶属度的分析表明，生态完整度中落水率、涨水率、高流量脉冲持续时间、高流量脉冲数、最大流量出现时间、7月平均流量指标隶属度分别增加0083、0112、0397、0261、0273、0153，为鱼类的洄游产卵以及鱼卵发育创造了更有利的条件。
（3）生态完整度和指标隶属度年际变化分析表明，生态完整度在枯水年及连续枯水年改善程度更佳，生态完整度达到04左右；涨水率指标在枯水年改善程度比较好，高流量脉冲数指标在枯水年改善程度大、丰水年改善程度小。
由于第二松花江流域的生态资料所限，本文仅从流量角度为下游河段营造适宜的水流下泄模式，后期[JP3]研究还应进一步考虑水温、营养物质分布等生态要素。[HJ1.55mm]
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