一、调度分析

 1.泥沙调度

泥沙是河流物质循环和水质控制的重要组成部分它对河道的稳定及河岸带栖息地的创建至关重要也会影响水生生物的群落组成、繁殖及鱼类洄游。河流筑坝以后上游的泥沙淤积在水库严重影响水库经济效益的发挥更会对河流生物产生不利影响。研究表明大范围泥沙淤积事件后无脊椎动物群落的恢复时间可能需要数月或几年。大坝也切断了河流的正常泥沙输送导致下游河道严重侵蚀、生物栖息地退化、河口萎缩；而且由于泥沙等沉积物的减少会造成水流浊度的降低和营养物质的缺失影响水生生物的生长和繁殖。鉴于泥沙淤积会造成水库效益下降各国水库运行调度均考虑泥沙问题。但传统的泥沙调度多属于工程泥沙调度在减少水库淤积和维持河道稳定方面起了积极的作用对生态系统的恢复考虑不够。国际上泥沙生态调度研究主要集中在以下3个方面。一是泥沙对河道演变的影响，防止河道泥沙淤积的生态需水量定量计算方法并确定防止黄河下游河道淤积维持河道平衡的年平均水量为184亿t等。二是泥沙对水生物及其栖息地的影响这类研究主要集中建立预测模型定量地研究泥沙含量和输移规律的变化对生物及其栖息地的影响。如建立河流含沙量与生物反应的关系特别是对水生无脊椎动物的影响。三是泥沙对水环境的影响主要是研究泥沙对污染物的吸附作用。考虑生态影响针对泥沙的生态调度国内外鲜有报道。然而传统的水库泥沙调度仍具有一定的生态意义。在国内水库调水调沙的主要运行方式是“蓄清排浑”即汛期降低库水位泄流排沙在入库沙量较小的非汛期蓄水充分发挥水库的综合效益促使库区年内泥沙冲淤平衡。三峡、三门峡、小浪底等水库通过这种调度方式减少了水库淤积防止了河口萎缩发挥了特定的生态效应。另外国外将泥沙生态调度与洪水调度结合起来利用洪水对沉积物和泥沙的搬运作用来维持河道形态和恢复生物栖息地取得了不错的效果。1996年美国格伦峡大坝进行洪水调沙试验试验后50多处航拍照片表明曾经被侵蚀的河滩上出现了新泥并出现了一部分沙洲。

2.水量调度

水库通过其调蓄作用改变了河流的水量时空分布影响了河流的天然径流模式使下游河道短期的和长期的流量减少甚至断流严重威胁河流的生态健康。

挪威和加拿大相关学者研究调峰运行的水电站下泄流量对水生态系统的影响后发现冬季白天调峰的低流量会使幼鱼因搁浅而死亡大型无脊椎动物的分布和组成也受到严重干扰。而引水式水电站运行时由于进水口以下不向河流泄水导致大段的河流断流、干涸造成沿河动植物的灭绝。因此以尽量维持河流的自然水文特征为目的的水量生态调度要达到以下2个典型目标一是保证最小生态径流量二是营造接近自然态的水文情势（洪水过程）。前者在汛期与非汛期都是应该保证的后者应该在防洪和维持河流生态系统健康之间寻求一个平衡点。

（1）保证最小生态径流量目标

最小生态径流量是指在受人类活动影响的情况下河流为保证生态稳定所需要的水量。这个水量可认为是河流的最小生态需水量。生态调度要满足河流一定的生态需水要求维持河流生态平衡不允许时段下泄的径流量小于最小生态径流量更不能造成河段断流、干涸。河道的最小生态径流量是以生态需水量研究为理论基础的。目前全球约有207种不同的计算生态需水量的方法可分为水文学方法、水力学方法、生物栖息地模拟法、整体法以及综合法等。美国的萨瓦纳河、澳大利亚的麦克夸利河津巴布韦的奥迪兹河、我国的黄河、黑河等均进行了河流的最小生态需水量研究。欧美一些国家的管理决策部门还据此制定了水库下泄的最小生态径流法案指导水电站运行调度。英国1991年的水资源法和1995年的环境法中规定水库下泄水量不能低于当局规定的最小流量。美国联邦能源委员会（FERC）在水电站运行许可审查过程中也要求针对最小生态径流制定水库新的运行方案。1991年美国Tal-lapoosa河Thurlow大坝实施最小生态流量运行法案的实践表明该河鱼种的丰度增加2倍多。20世纪90年代起通过改变水库的泄流量、泄流方式和泄流时间来满足下游河道最小生态径流量的应用越来越多。挪威的尼德河、叙纳河、达勒河、曼达尔和加拿大的西萨蒙以发电为主的水库［18］在水电调峰运行时遵循以下原则：在冬季有光照的白天不应降低调峰流量；停止调峰时水位下降速度要低于14 cm／h；水电调峰应不定期进行要保持基本流量和环境流量。这种调度方式实施后鲑鱼的数量大大增加。另外统一优化调度流域水库群能确保流域不断流。我国的黄河在进行流域尺度的水资源配置研究后联合调度流域库湖实现黄河7年不断流为黄河生态恢复作出巨大贡献。利用河流水工建筑物建立工程辅助设施也能提高河道的流量。如建设拦河闸延长湖库泄流在河道内的滞留时间或者通过涡轮机脉动运行、设置小型机组、再调节堰等来满足下游河道最小流量。。

（2）营造自然洪水过程目标

洪水是河道水位急剧涨落的一种自然现象。洪水有它不可替代的生态作用。国内外学者均认为适度的洪水干扰对自然环境恢复起到积极作用。研究表明洪水能够控制河流沉积过程、物质和能量循环促进湿地和生物栖息地的恢复。洪水还能补充生态用水和地下水改善水质平衡土壤水盐关系等。同时在鱼类繁殖季节洪水形成涨水过程能刺激产卵。如果洪水长期受到遏制生态系统会变得脆弱。另外在汛期科学调蓄洪水资源利用洪水冲淤、冲污、洗碱、淋咸可以起到增加林草植被、水面面积与改善生态环境的作用［25 ］。因此我们在防治灾害性洪水的同时要充分认识到洪水的重要生态意义利用洪水带来的巨大能量和水量优化配置水资源促进生态系统恢复。国外在研究自然洪水过程与生态环境的关系后优化水库的调度过程在保证防洪安全的前提下提高汛期下泄流量周期性的进行“人造洪水”放水试验模拟有益的生态洪水脉冲为重要生物的繁殖创造有利条件。例如美国科罗拉多河流域水库春季泄水释放春季洪峰是为了在河流中形成更为天然的洪水水情刺激鱼类产卵。St．Mary河的St．Mary大坝从1994年起通过研究自然的洪水过程引入了洪水逐渐消退的泄水模式实施后结果表明：新洪水管理方案的实施使三叶杨（在北美一种重要的河岸带树种其生命周期受洪水模式影响强烈）和柳树大范围增加。

3.水质调度

水质良好是河流生态健康的重要标志。河流的水质因子包括营养盐、溶解氧、pH值、透明度、水温等。筑坝破坏了河流原有水环境的物理、化学特性造成水质因子的失衡影响了水生生物的生长、发育、繁殖、行为及分布威胁着人类的用水安全。水库形成后库区水流变缓营养盐沉积水体富营养化容易导致水华；而下游河道水量减少会使水体污染加重。大坝下泄温度较低的下层水会导致鱼卵和仔鱼的存活率下降鱼类的成长也大大推迟。同时高坝泄洪会引起水中气体过饱和不仅会导致鱼类气泡病还会给其他水生生物带来严重的危害。以改善水质为重点的生态调度是指水库在保证工程和防洪安全的前提下控制水质因子变幅使其落在天然状况的变化范围之内；通过湖库联合调度为污染物稀释、自净创造有利的水文、水力条件从而改善区域水体环境利用水库调度来缓解水质恶化防止水华现象频繁发生的效果不错。例如在容易发生水质污染的季节水库加大放水可以缓解下游的水体污染。在乌克兰德涅斯特河针对河流无机氮化合物污染率高的情况于1987－1992年间在德涅斯特罗夫水库进行了若干次生态性放水试验确定4月底到5月初水库加大放水后能显著改善水质、恢复生态环境。进行跨流域的科学调水合理配置水资源能起到降低水体污染提高水质的作用。太湖流域管理局自上世纪90年代就开展以改善太湖水质为目标的2次“引江济太”调度工程初步缓解太湖水质型缺水的局面。同样利用渠道、闸门、泵站等设施的调度把多条河流联系起来进行水质统一调度可以缓解突发性水体污染的状况和加快河流自净的速度。如2004年2月下旬四川省水利厅联合调度都江堰、三岔水库的清洁水源缓解了沱江上游突发水污染事件。2004－2005年珠委针对河口咸潮上溯的情况联合调度天生桥一级电站、岩滩水库、飞来峡水库共调水8．51亿m3入珠江压咸补淡使珠江沿途的水环境状况得到了明显的改善。针对水温和溶解氧失衡的调度一般是合理利用泄水建筑物、调整水库下泄方式以及建立相关的工程辅助措施来进行调节。例如在确定水库水温垂直分布结构的基础上结合水库取水用途和下游河段水生生物的生物学特性利用分层取水设施来解决下泄水温问题或者改变下泄方式如增加表孔泄流等措施来提高下泄水的水温。同样在保证防洪安全的前提下采用多层泄水设施适当延长溢流时间降低水库下泄的最大流量可以防止水中气体过饱的现象发生。南非的mohale大坝设计中就包含一个多级水位泄水工程。这些泄水设施能够通过3～4 m3／s的流量利用这一方法改善了泄入下游生态系统的水温和溶解氧水平.另一方面调节水库下泄流量、调整机组、建立反调节堰等措施能够在枯水期增加水体的溶解氧含量。美国田纳西河流域管理局（TVA）在就其管理的20个水库通过涡轮机通风、涡轮机掺气、表面水泵、掺氧装置、复氧堰等设施提高下游河道的水质和溶解氧。

二、水库调度方式

为满足既定的防洪、兴利任务和要求而拟定的具体蓄泄规划。它是使水库能安全地、经济地运行的关键。

防洪调度方式可分为水库对下游无防洪任务和有防洪任务两类。前者只需解决大坝安全渡汛问题，一般采取库水位达到一定高程后即敞泄的调度方式；后者应统一考虑大坝安全渡汛及下游防洪安全，在调度中严格按照所用的判别条件（如防洪特征库水位、入库洪峰流量等）决定水库的蓄泄量，在水库防洪标准以内按下游防洪要求调度，来水超过水库防洪标准，则以保大坝安全为主进行调度。下游防洪调度方式一般有固定下泄量方式及补偿调节方式。

兴利调度方式包括灌溉、发电、供水、航运等方面，一般要求尽量提高需水期的供水量，常采用以实测入库径流资料为依据绘制的水库调度图进行调度，以具体控制水库的供水量。调度图由调度线划分为若干个运行区，其中主要包括：①以保证正常供水为目标的保证运行区；②以充分利用多余水量扩大效益为目标的加大供水区；③遇枯水年降低供水量幅度以尽量减少损失的降低供水区。在运行中由库水位所在运行区决定水库的运行方式及供水量。对于发电方面，除了尽可能减少弃水、充分利用水量以外，还要十分注意利用水头的问题。

综合利用调度方式承担防洪、兴利两种以上水利任务的水库的调度方式，除了考虑以上所述防洪、兴利的调度方式之外，还要着重研究处理防洪与兴利的结合及兴利各任务之间结合的问题。

三、水库调度现状

1.国内现状

在我国, 水库优化调度研究相对起步较晚, 20 世纪 70 年代开始一些科研机构、大专院校、设计与运行等单位, 应用随机序列理论, 按动态规划原理研究水电站水库优化调度。但比较深入的研究是近 20 年才开始的.20 世纪 80 年代以来, 许多单位和研究学者用不同的理论和方法对水库优化调度进行了研究, 开辟了水库优化调度的新局面, 无论在理论上、方法上、实践上均取得了一定的成效.如叶秉如提出了一种解一般线性规划( LP) 问题的新方法———分解筛选法, 它把一个 n 维的 LP 问题分解为 n 个一维的子 LP 问题, 由此筛选出通过最优解角点的有效约束, 并把它看作等价于一个等式约束.利用这一思路和特性, 可大大简化整个求解步骤。

随着研究的深入, 研究的目标逐渐从单目标扩展到了多目标, 研究对象从单一水库扩展到了多水库乃至整个流域或系统库群, 其模型也由单一模型发展到了组合模型。

在防洪调度方面, 由于我国江河湖泊众多, 洪涝灾害频繁, 1949 年以后, 我国兴建了大量的防洪工程, 在消化吸收国外先进技术的同时, 防洪调度理论方法的研究工作也得到了长足的发展。

2.国内研究进展

水库调度决策是一项复杂的系统工程, 涉及自然、经济、社会、环境等方面的因素, 十分复杂, 需要对大量资料进行统计分析.同时, 水库调度决策中存在大量半结构、非结构化问题, 难以用数学模型来描述, 必须结合实践经验和专家的知识, 对各种调度方案进行不断的修正。另外, 实施调度决策要求很高的时效性, 调度系统不仅能为决策者提供信息支持, 而且要求迅速、及时, 人机交互性好.由于决策支持系统具有上述功能, 所以从它诞生起, 就受到水利调度专家和学者的重视。

自从 20 世纪 70 年代 DSS 产生以来, 国内外先后开发了许多用于水情数据处理与洪水预报、水资源规划和管理、水环境管理和控制、防洪调度、水电站水库运行调度以及水利工程管理等方面的决策支持系统。如Ahmad 设计的洪水管理智能决策支持系统, 在该系统中, 他采用了一种称为空间系统动力学的方法, 利用该方法在同一个模型环境中集成各种不同的模型.该决策支持系统采用神经网络进行洪水预测, 利用专家系统选择最佳洪水减灾方案, 还可以建立洪水控制模型并进行经济评价。其他的决策支持系统还有加拿大 Manitoba 大学土木系开发的 IDSSREZES, 以及后来的水库管理评价 DSS 系统 HERMES, 等等。我国自 20 世纪 80 年代以来, 首先在水库优化调度领域进行研究, 其后在梯级水电站开发规划、水库水电站参数优选、区域水资源规划管理等方面也取得了不少进步, 开发研制了许多与水资源管理有关的决策支持系统( WRMDSS) 。

3.国外现状

水库的优化调度研究在国外已有很长的历史.1955年, 美国的 Little 提出了水电系统随机动态规划调度模型, 对水库优化调度问题进行了研究, 从而标志着用系统科学的方法研究水库优化调度的开始。在水库优化调度中, 所采用的方法主要有动态规划法, 如:Saad 等在 1988 年提出了一种水库调度的方法, 在水库调度过程中, 首先对系统进行主成分分析( PCA) , 寻求一个降维模型, 然后使用随机动态规划对降维模型求解.这种方法被用在加拿大魁北克省的 LaGrande 河的一个 5 水库系统;Foufoula 等在1988 年提出了一个梯度动态规划算法(GDP) , 可以有效减少由于水库数目增加造成的“维数灾”; Karamouz 等在 1992 年提出了一个贝叶斯随机动态规划( BSDP);Oliveira 等在 1997 年使用遗传算法生成水库群系统的调度规则, 等等.此外, Slobodam, Hasan 等进行了水库风险调度研究, Philbrick 等进行了水库调度确定性优化的局限性研究, Chandramouli 等利用动态规划和神经网络进行水库群建模研究, Teegavarapu 等提出了基于模拟退火法的水库系统调度优化方法, 等等.防洪调度研究, 国外始于 20 世纪初, 初期的防洪调度主要是半经验、半理论的方法, 即通过防洪控制图来进行操作, 并注意到前期水文气象因素对预留库容的影响.随着科学技术的进步, 国外于 20 世纪 50年代末, 将优化理论引入到洪水调度中, 到了 90年代后期, 国外开始注重于工程措施和非工程措施联合的防洪系统研究。