优化级联水库的多目标运行，在洪水来临前的水位下降期间提升水力发电量并满足鱼类产卵需求，实现两者之间的协同效应

《Journal of Hydrology X》：Optimizing multi-objective operation of cascade reservoirs to enhance hydropower generation and fish spawning demand synergies during the pre-flood drawdown period

本研究提出PFMODO框架，通过动态配置生态目标与多目标优化模型，平衡梯级水库预泄期的水电生产与鱼类产卵需求。以金沙江中游6座大型水库为案例，基于1966-2018年 June流量数据，构建了识别产卵窗口、动态生态目标配置、多目标优化及多属性评估模块。结果表明：在干、平、湿年型情景下，推荐调度方案使水电产量提升2.66%，鱼类产卵触发效率提高81.6%。研究揭示了水电生产与生态目标间的竞争关系，并通过NSGA-II算法获得Pareto前沿解，为梯级水库协同调度提供科学依据。

　　在水文与生态管理领域，水库的建设和运行显著改变了河流的流态，导致河流网络的碎片化，并对河流生态功能造成不利影响，尤其是鱼类繁殖活动。针对这一问题，研究人员提出了一种新的“预洪水多目标抽水调度”（PFMODO）框架，旨在通过结合水流变化的动态性，优化生态目标与水文目标的协同效益，以实现生态效益与发电效益的平衡。该研究聚焦于中国金沙江中游区域，这是多个大型水库的所在地，这些水库的运行对鱼类繁殖条件产生了深远影响。研究人员发现，这些水库的抽水调度可以在不同水文条件下，为鱼类繁殖创造适宜的流态，从而提高生态效益和发电效益。这一研究为环境管理者和决策者提供了科学依据，以实现可持续的水资源管理。

在过去的几十年中，许多研究致力于探讨鱼类繁殖与水文条件之间的关系。例如，Kiernan 等（2012）发现，通过调节水温、增加繁殖期间的水流，可以为鱼类创造更适宜的繁殖环境，从而提升鱼类种群数量。Yao 和 Rutschmann（2015）开发了一个生态水文模型，以识别 Glen Canyon 大坝下游鱼类繁殖所需的水流指标，包括流速、水深和水温。Li 等（2019）指出，特定的水流增加量和持续时间可以有效刺激鱼类繁殖活动。Chen 等（2021）则强调了水流速度对鱼类繁殖的影响，并通过量化其与鱼类繁殖之间的关系来指导水库调度。此外，一些研究探索了通过单个水库的运行来恢复自然水流模式，以优化发电、防洪和生态目标之间的权衡。例如，Yang 和 Cai（2011）开发了一个多目标水库调度模型，以最小化洪水损失，同时最大化鱼类繁殖输出，从而改善鱼类栖息地。Li 等（2016）建立了一个综合水文-生态环境-栖息地模型，以定义鱼类繁殖栖息地所需的生态水量，为实际水库管理提供操作约束。Li 等（2020）提出了一种双目标优化模型，通过分析繁殖期间的水流上升过程，同时增强鱼类栖息地和发电效益，并将其应用于中国黄河上游的一个单水库。Qiu 等（2024）构建了一个多目标优化模型，以协调鱼类繁殖所需的环境水流与发电稳定性的需求。

尽管已有研究在识别促进鱼类繁殖的水流上升过程和制定生态水库运行策略方面取得了进展，但这些研究大多基于静态的生态优化目标。然而，鱼类繁殖适宜性与水流模式密切相关，尤其是在年际和季节性水流变化的背景下。考虑到年际水流变化，干旱年份的低流域水流和水库入流往往对创造适合鱼类繁殖的水流上升事件构成挑战。相比之下，在湿润年份，充足的自然水流即使不需要水库调控，也能促进鱼类繁殖所需的水流上升过程。就季节性水流变化而言，受水库调控影响的水流过程通常被划分为三个运行阶段：抽水期、防洪期和蓄水期。在防洪期，水库水位通常保持在较低的水平，即防洪限制水位，以确保足够的蓄水能力用于防洪。而在蓄水期，水库出流低于入流，以最大化水库蓄水，从而支持发电和供水。因此，预洪水抽水期为创造连续的水流上升事件提供了战略机会，这有助于在适宜的水温和其他条件下刺激鱼类繁殖。鉴于鱼类繁殖活动与水流上升过程之间的关系，生态目标的优化应根据不同水文条件（如干旱年、正常年和湿润年）的水流特征进行动态配置。

本研究创新性地提出了一个名为“预洪水多目标抽水调度”（PFMODO）的新框架，以解决多级水库系统中鱼类繁殖刺激的生态运行问题。该框架包括四个模块：鱼类繁殖窗口识别模块（IWFSP）、动态生态目标配置模块（DEOC）、多目标运行模型（MOOM）以及多属性评估模块（MAE）。PFMODO 框架的核心在于通过动态配置生态优化目标，结合水流的变动性，来优化水文与生态目标的协同效益。首先，IWFSP 模块用于识别鱼类繁殖所需的水流上升窗口，通过分析鱼类繁殖需求、水库入流和调节能力存储之间的关系。然后，DEOC 模块根据水库入流和调节能力存储动态确定生态目标。MOOM 模块则用于处理三个优化目标：最小化水库出流与鱼类繁殖所需水流上升之间的偏离度（APFD）、最大化多级水库的发电量以及最小化自然水流与水库出流之间的偏离度（APFDN）。最后，MAE 模块用于评估 MOOM 模块获得的帕累托前沿解，并选择适合不同水文年类型的适应性运行方案。

研究选取了中国金沙江中游的六个大型水库（如李源、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉和观音岩）作为案例研究对象，并使用了1966年至2018年6月的每日径流数据。这些水库的建设显著改变了区域内的自然水文格局，导致鱼类繁殖条件的变化。在这些水库下游，某些特有鱼类和溯河性洄游鱼类（如中华鳑鲏、黄颡鱼和长鳍??）的繁殖地较为集中。研究发现，这些鱼类的繁殖期通常在5月底到6月底，与水库预洪水抽水期相吻合。因此，研究提出了一个基于水文条件的动态优化框架，以适应不同年份的水流特征，并通过调整水库出流，实现鱼类繁殖刺激与发电效益的协同优化。

研究还提出了一个“鱼类繁殖窗口识别”（IWFSP）模块，用于识别适合鱼类繁殖的水流上升窗口。根据水流上升过程、水库入流和调节能力存储的关系，研究将水流条件划分为三种场景：第一种场景是水库入流不足，即使使用全部调节能力也无法满足鱼类繁殖所需的水流上升；第二种场景是水库出流可以满足鱼类繁殖所需的水流上升过程；第三种场景是水库入流充足，可以自然满足鱼类繁殖所需的水流上升，无需进行水库调节。针对这三种场景，研究分别制定了相应的生态目标优化策略，并通过多目标优化模型（MOOM）和非支配排序遗传算法（NSGA-II）进行优化计算。研究还提出了多属性评估（MAE）模块，用于评估不同帕累托前沿解的生态和水文效益，并选择适合不同水文年类型的运行方案。

在实际应用中，研究选择了1979年、2007年和1989年作为三种典型水文年份的代表，以验证所提出的PFMODO框架的有效性。对于1979年（代表干旱水文年），研究发现，由于水库入流不足，无法满足鱼类繁殖所需的水流上升，因此，选择最大化发电的运行方案。对于2007年（代表低正常水文年），研究发现，水库出流可以满足鱼类繁殖所需的水流上升，因此，选择最小化APFD的运行方案。对于1989年（代表湿润水文年），由于水库入流充足，自然水流已能满足鱼类繁殖所需的水流上升，因此，选择最大化发电的运行方案。研究结果表明，与标准运行方案（SOP）相比，所提出的PFMODO框架在不同水文年份中，可以显著提高鱼类繁殖刺激的生态效益，同时提高发电量。例如，在1989年，通过PFMODO框架优化后的运行方案（ROS）将鱼类繁殖刺激的生态效益提高了81.6%，而发电量也提高了2.66%。

此外，研究还分析了不同优化目标之间的相互作用。例如，在干旱水文年，鱼类繁殖刺激和发电目标之间存在竞争关系，因为增加水流上升以促进鱼类繁殖会减少水库的蓄水能力，从而影响发电效益。而在湿润水文年，鱼类繁殖所需的水流上升可以自然满足，因此，水库运行可以同时实现发电和生态目标。研究还发现，不同优化目标之间可能存在协同关系。例如，在某些情况下，增加发电量可以促进鱼类繁殖刺激，因为水库出流的增加可以创造更适宜的水流上升条件。然而，在其他情况下，增加发电量可能会导致鱼类繁殖刺激的下降，因为水库需要减少出流以维持较高的水位，从而影响鱼类繁殖所需的水流条件。

在实际应用中，研究还对PFMODO框架的运行效果进行了多属性评估。评估指标包括APFD（水库出流与鱼类繁殖所需水流上升的偏离度）、HG（多级水库在预洪水抽水期的发电量）、APFDN（自然水流与水库出流的偏离度）、SW（预洪水抽水期的溢流量）以及QC（定量轮廓指标）。这些指标用于衡量不同运行方案对鱼类繁殖刺激和水文目标的影响。研究发现，与SOP相比，ROS在不同水文年份中，能够更有效地满足鱼类繁殖所需的水流上升条件，同时提高发电效益。例如，在1989年，ROS将鱼类繁殖刺激的生态效益提高了81.6%，而发电量也提高了2.66%。这表明，PFMODO框架能够在保持发电效益的同时，有效提升鱼类繁殖刺激的生态效益。

研究还讨论了PFMODO框架的局限性和未来研究方向。例如，水流速度、水深和水温等水文因素也对鱼类栖息地和繁殖活动产生影响。因此，未来研究可以进一步考虑这些因素，以提高PFMODO框架的适用性和效果。此外，由于水流预测的不确定性，研究建议在实际应用中结合水文预测模型，以提高框架的适应性和灵活性。同时，研究还指出，需要进一步探索鱼类生命周期对水流需求的影响，以优化生态运行方案，实现更全面的生态效益。

总之，本研究通过提出PFMODO框架，结合水流变化的动态性，为多级水库系统的生态运行提供了创新性的解决方案。该框架不仅能够提高鱼类繁殖刺激的生态效益，还能优化发电效益，为环境管理者和决策者提供了科学依据，以实现可持续的水资源管理。研究结果表明，PFMODO框架在不同水文条件下均能有效提升水文与生态目标的协同效益，为其他地区的水库运行提供了技术参考和支持。未来，随着对鱼类生命周期和水文条件的进一步研究，PFMODO框架有望在更多地区得到应用，以实现更广泛的生态和水文效益。