1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
在我国幅员辽阔的西北内陆地区，终年流淌着大小 500 余条河流，共同维系着地区经济社会发展和生态环境平衡，因其最终注入尾闾湖泊或消失于茫茫荒漠而被人们称为西北内陆河[1]。随着西北内陆河流域主要经济带的人口聚集和增长、生产力的迅速发展，需水量大幅度增加，经济社会用水挤占生态环境用水、上游过量截流导致下游河道干涸，使中下游地区本就脆弱的戈壁生态雪上加霜，一度爆发严重的生态环境危机。水资源精细化调度管理成为西北内陆河流域生态、经济可持续发展的共识，而在流域上游修建大中型水利枢纽工程成为实现该目标的重要手段。水利枢纽工程建成生效后，就形成了包括上游来水、区间补水、输水损失、经济社会用水、生态环境需水、梯级水电站引水发电的综合水资源调度系统，涉及水库多目标优化调度问题，而且是关键性重要问题，直接影响着水库下游河段的城乡生产生活、生态环境保护，以及水能资源开发利用[2]，这就是本课题研究的大背景。
黑河是我国第二大内陆河，纵贯青海、甘肃两省和内蒙古自治区，形成了冰川、雪山、森林、草甸、湿地、绿洲、戈壁、大漠、湖泊等较为完整的生态系统，是我国西北地区重要的生态安全屏障。黑河上游地处祁连山国家公园腹地，中游孕育着甘肃省重要的商品农业生产基地，下游维系着国家军事科研基地酒泉卫星发射中心（下称“东风场区”）和巴丹吉林沙漠腹地内蒙古自治区额济纳绿洲。自 20 世纪 50 年代，随着黑河中游地区人口急剧增加、垦荒面积扩大，农业灌溉用水截留挤占下游生态环境用水，黑河尾闾西居延海、东居延海先后于 1961 年、1992 年干涸[3]，下游河道断流、地下水位下降进一步导致绿洲胡杨林面积锐减、草地植被快速退化，戈壁荒漠面积增加，成为我国西北、华北地区沙尘暴策源地之一。党中央、国务院对此高度重视，以恢复黑河下游绿洲生态为目标逐步深化流域水资源综合治理：1992 年国家计委批准《黑河干流（含梨园河）水利规划报告》（下称“92 分水方案”），该方案以恢复黑河下游生态为原则，首次制定了黑河中下游地区取水标准；1997 年国务院批准《黑河干流水量分配方案》（水政资〔1997〕496 号）（下称“97 分水方案”），该方案在充分考虑黑河流域经济社会发展趋势、兼顾各方利益的基础上，对“92 分水方案”进行了补充和完善；1999 年中央机构编制委员会办公室批复成立黄河水利委员会黑河流域管理局，负责黑河干流水资源的统一管理与调度，落实“97 分水方案”和《黑河流域近期治理规划》确定的黑河中下游地区分水指标；2016 年黑河干流上游唯一一座骨干控制性工程黑河黄藏寺水利枢纽工程（下称“黄藏寺水库”）开工建设，进一步为黑河干流分水方案的顺利实施创造了工程条件。
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1.2 国内外研究进展
水利枢纽工程水资源精细化调度是借助水库调蓄功能改善上游天然来水过程满足下游各用水户用水需求、调解各用水户之间用水矛盾的一种重要手段，涉及防洪、发电、农业灌溉、绿洲生态、旅游娱乐等多种用途[8,9]，需要统筹考虑和权衡各方利益，解决这类多用途调度问题的数学方法就是多目标优化算法。
在国外，多目标优化问题的起源可以追溯到 18 世纪。1772 年，Franklin 首次提出了多目标协调问题。1836 年，Cournot 从经济学角度出发提出了多目标问题模型。1896年，V.Pareto 在经济平衡的研究中提出了多目标优化问题，从数学角度把原本不可比的若干个目标转变成可相互比较的单一目标进行求解。1951 年，T.C.Koopmans 从生产与分配活动的角度研究了多目标优化问题，引入了 Pareto 最优的概念，同年，Kuhn 和 Tucker从数学规划角度提出了向量极值问题的 Pareto 最优解及充分必要条件。而后经历了近20 年的相关研究，Z.Johnsen 于 1968 年系统性提出了多目标决策模型的研究报告，开启了多目标优化学科大发展的新篇章。在水利领域，1955 年，J.D.C.Little 首次将动态规划优化调度模型实际应用于美国大古力水电站，拉开了水库优化调度研究的序幕。此后，计算机技术的迅速发展使大规模数据处理成为可能，各种智能优化算法相继应用于包括水库优化调度在内的各领域多目标优化问题中，这些算法包括 1995 年 Kennedy 和Eberhart[10]基于鸟群觅食行为设计的粒子群优化算法（PSO）、1975 年 J.Holland[11]基于自然进化过程提出的遗传算法（GA）、以及 1992 年 Dorigo[12]基于蚁群最短路径寻优设计的蚁群优化算法（ACO）等，这些智能优化算法的引入极大程度上丰富了水库多目标优化调度问题的解决途径，提高了水库优化调度模型针对具体问题的求解效率。1994年 Srinivas 和 Deb[13]首次提出非劣排序遗传算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithms，NSGA），这是一种基于 Pareto 最优概念的遗传算法，2002 年 Deb[14]等对该算法进行了改进，提出带精英策略的非劣排序遗传算法（NSGA-II），NSGA-II 算法具有运行速度快、解集收敛性好等特点，使其成为当前最流行的多目标优化算法之一，也成为其他多目标优化算法性能检验的基准。
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2 西北内陆河流域水资源系统及配置理论方法
2.1 西北内陆河流域水资源系统概述
我国河流数量众多，约有 10 万多条，这些河流中绝大多数都是外流河，内陆河占比很少且多不为人所知，主要分布于我国远离海洋的西北内陆地区。我国第一大内陆河是地处新疆维吾尔自治区天山脚下的塔里木河，全长 2179 公里，发源于天山山脉和喀喇昆仑山，沿塔里木盆地北缘自西向东注入尾闾台特玛湖；黑河是我国第二大内陆河，全长 928 公里，发源于青海省祁连山脉，流经河西走廊中段，最终在内蒙古自治区额济纳绿洲形成尾闾东居延海。过去几十年，西北内陆河都面对着同样的生存发展瓶颈，中游地区水资源的过度开采导致下游地区生态环境恶化，经济社会用水与生态环境用水矛盾突出，而矛盾的根源正是水资源系统供需关系的失调[22-24]。
西北内陆河流域水资源系统由若干个相互联系、相互促进且相互制约的有机体组成，包括水源系统、经济社会系统和生态环境系统[25-27]，见图 2.1。对于气候干旱、水资源短缺的西北内陆河流域而言，水是经济社会发展的命脉，也是湿地绿洲生命的源泉，它发源于上游冰川雪山，山区降水和冰川融水是其最主要的补给源，上游地区良好的岩石地质条件和原始生态地貌，有效促进了地表径流的形成，源源不断的输送至中游平原和下游荒漠，是联系经济社会系统和生态环境系统的重要纽带。地表径流出山后进入中游洪积平原，这里海拔较低、四季分明、地面开阔平坦且土壤肥沃，上游产流区形成的地表径流都汇集于此，透水性极强的山前洪积扇群带使较小支流出山后大量渗漏转化为地下水形成天然水窖，集齐了发展大规模农业的所有必要条件，中游地区通过大量修建闸坝、人工渠道、平原水库、泵站和机井等水利设施，有效改善了出山径流时空分布不均的问题，为大规模发展农业经济创造了良好条件，成为流域内经济社会用水最主要地区。生态环境用水贯穿于整个流域，丰富的森林草场资源和湿地绿洲资源一方面为旅游业、畜牧业、林业、种植业、养殖业等行业的发展提供了广阔空间，一方面为水源净化、水源涵养、水土保持和生活环境改善提供了有效途径。
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2.2 水资源开发利用方式与生态环境危机
2.2.1 水资源开发利用方式
剖析内陆河流域水循环过程是了解内陆河流域水资源开发利用方式的最有效途径之一，它将整个流域水源供给、经济社会用水、生态环境用水有机联系在一起，内陆河流域水循环模式[7,27]见图 2.2。
上游为产流区，存在着山区降水、冰川积雪融水、地表径流和地下径流等多种水资源形式。但由于地处高寒高海拔山区，不适宜大规模发展种植业，畜牧业和旅游业为当地居民主要收入来源，对自然环境下形成的天然林草有较强的依赖性，水资源需求量相对于中下游地区很小。因此，上游产流区山区降水和冰川积雪融水为水源输入项，出山地表径流和地下径流为输出项。
中游为径流消耗区，对于光热资源充足、土地开阔平坦、交通条件便利的山前平原来说，上游输入水源只有形成径流出山后才有利用价值，根据《黑河黄藏寺水利枢纽工程初步设计报告》相关调查成果，黑河流域各出山口合计多年平均地表径流24.75亿m3，地下水与地表径流不重复量仅为 3.33 亿 m3，地表径流是中游地区地下水最主要的补给来源。出山径流一方面受地质条件和农业生产活动影响，地表、地下水转换形式多样且关系复杂[33,34]，平原浅层地下水补给形式包括河道渗漏补给、侧向补给、田间入渗补给、渠系渗漏补给、降水入渗补给和平原水库渗漏补给等，地表水补给形式包括地下水开采、泉水出溢和降水补给等[35]；一方面由于中游地区气候干旱且降水稀少，一般程度降雨均耗散于蒸发，偶尔一次强降雨也通过下渗补给了地下水，自然环境下地表水缺少有效补给源，却承担着整个流域城镇最多、人口密度最大、经济最发达地带的用水需求。因此，中游径流消耗区出山径流为水源输入项，农业灌溉用水、林草用水、城乡生活用水、工业用水，以及进入下游的地表径流为输出项。
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3 水库精细化调度模型构建思路及求解方法 ................................... 13
3.1 调度模型符号编制规则 .............................. 13
3.2 模型层次结构分析 ................................... 13
3.3 决策变量和输入参数设定 ...................................... 14
4 研究区域基本情况及特征分析 ............................ 23
4.1 黑河流域概况 ............................................. 23
4.1.1 自然经济环境状况 ..................................... 23
4.1.2 水资源开发利用现状 .......................................... 25
5 黄藏寺水库精细化调度模型构建与应用 ........................................... 51
5.1 供水单元 ........................................ 51
5.1.1 供水单元划分 ...................................... 51
5.1.2 供水目标确定和供水时段划分 ........................... 51
6 黄藏寺水库调度运行结果分析
6.1 分析要点和关键问题
关于黄藏寺水库调度运行方式的探讨，源于传统调度模式仍局限于时间上的管控，而缺少上游来水量的控制，受天然来水过程影响，黑河下游额济纳绿洲植物关键生长期用水保证难度大，延长生态调度历时又会挤占农业灌溉引水时间，加剧中下游地区用水矛盾；中下游农业灌区用水量居高不下，很难按照《黑河流域近期治理规划》中确定的黑河中下游灌区灌溉面积有计划的分配农业灌溉用水，节水改造、种植结构调整和水权交易等措施节省下的水资源也多用于浇种其他土地，无法用于生态集中调度。现阶段，关于黄藏寺水库优化黑河水资源配置问题，也多集中于以下三个方面，一是，黄藏寺水库能否实现黑河中下游农业灌区水资源精细化调度目标，当前应开展的基础性工作和研究要点；二是，黑河下游额济纳绿洲植物关键生长期黄藏寺水库应采取的调度运行方式，生态调度效果和对黑河上游梯级水电站发电影响；三是，黄藏寺水库极限死水位运用和不同来水特征年黄藏寺水库年发电量情况。综上所述，本文利用黄藏寺水库精细化调度模型逐年计算 1968—2019 年度黄藏寺水库调度运行方式，采用长系列和代表年模拟运行结果对以上问题进行综合分析。
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7 结论与展望
7.1 结论
本文以实现黑河流域水资源精细化调度管理为目标，立足流域现状，建立了面向农业灌溉、绿洲生态和水力发电的黄藏寺水利枢纽工程精细化调度模型，该模型为综合性可拓展模型，是以黑河流域水资源系统特点、黄藏寺水库综合利用要求、供水单元水资源需求分析、河道渠网输水能力等为基础，以黑河上游区间补水模型、中下游河道输水效率模型、黄藏寺水库库容—蓄水位关系等为框架搭建而成，模型组成形态随流域水资源管理认识转变、相关研究成果涌现、相应配套设施完工而更加复杂且全面，水资源调度的精细化程度也将不断提高。
将黄藏寺水库精细化调度模型编程录入基于 Matlab 软件编写的 PlatEMO 演化多目标优化平台后，即可实现通过调整计算年度黄藏寺水库月入库径流量数据，采用NSGA-II 算法或其它智能演化算法求解模型获得 Pareto 解集，Pareto 前沿可较为完整的刻画黄藏寺水库供水范围内的水资源供需关系，流域水资源管理者也可根据初步计算结果调整月供水量约束以获得满意的水库调度运行方式。通过对黑河流域水资源管理单位走访调查，本文拟定了现阶段黄藏寺水库精细化调度模型满意解评价标准，经长系列模拟运行分析，总结不同来水情景下的黄藏寺水库调度运行规律、供水目标间相互关系、供水目标完成情况等，主要研究成果如下：
(1) 黄藏寺水库精细化调度模型有助于实现农业灌溉用水精细化管理。利用黄藏寺水库精细化调度模型可有效提升黄藏寺水库对黑河中下游农业灌区引水控制能力，为农业灌溉提供稳定水源、提高春灌和冬灌用水保证率、代替灌区平原水库发挥灌溉调节功能。但农业灌溉调度精细化程度仍较依赖于黄藏寺水库入库径流量预报，相关预报模型至少能够较为准确的反映黄藏寺水库坝址当年和次月来水情况，才能最大程度上发挥黄藏寺水库精细化调度模型水资源优化配置作用。
(2) 上游来水偏枯时，黄藏寺水库已基本不能满足黑河中下游农业灌区全年用水需要。偏枯水年黑河中下游农业灌区多年平均缺水量为 0.61 亿 m3、最高缺水量为 1.55 亿m3，对应缺水率分别为 7.6%和 19.3%；特枯水年多年平均缺水量为 2.52 亿 m3、最高缺水量为 3.22 亿 m3，对应缺水率分别为 31.4%和 40.2%。建议利用当前黑河上游连续丰水年有利势头，持续推进黑河中游地区高效节水灌溉工程建设，以降低枯水期农业经济损失。
参考文献（略）