一種面向環(huán)境保護的聯(lián)合調度水庫群的生態(tài)庫容確定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種面向環(huán)境保護的聯(lián)合調度水庫群的生態(tài)庫容確定方法，屬于環(huán)境保護與資源綜合利用【技術領域】。首先根據(jù)河流管理部門規(guī)定的河流生態(tài)流量和需水量要求，確定優(yōu)化目標和約束條件，建立水庫群生態(tài)用水調度優(yōu)化模型，隨機生成多目標的權重集合并求解，確定滿足人類社會經(jīng)濟和生態(tài)缺水率特定協(xié)調值的優(yōu)化供水方案；然后計算每年各水庫補水所需的調節(jié)庫容，選取90％保證率對應的調節(jié)庫容；最后計算無生態(tài)目標下的調節(jié)庫容，將其差值確定為生態(tài)庫容。本發(fā)明的優(yōu)點是彌補了傳統(tǒng)水庫群調度中庫容設置未能考慮生態(tài)供水的弊端，根據(jù)水庫群生態(tài)用水調度優(yōu)化模型和情景分析，能得到更為合理的生態(tài)庫容，有利于保障水庫群生態(tài)調度規(guī)則的實施。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種面向環(huán)境保護的聯(lián)合調度水庫群的生態(tài)庫容確定方法，屬于環(huán)境 保護與資源綜合利用【技術領域】。 一種面向環(huán)境保護的聯(lián)合調度水庫群的生態(tài)庫容確定方法

【背景技術】
[0002] 水庫群的聯(lián)合調度是流域水資源利用和管理的重要手段，傳統(tǒng)水庫群的運行與調 度，都是以防洪、供水、發(fā)電等社會功能和經(jīng)濟功能極大化為目標。這些水庫的調度運用， 改變了河流水文的自然過程及規(guī)律，影響到魚類等水生生物的棲息生存，對河流生態(tài)系統(tǒng) 造成威脅。隨著生態(tài)環(huán)境問題的日益突出，河流生態(tài)環(huán)境需水也就成為水庫調度中越來越 重要的任務，一些學者紛紛提出了生態(tài)調度的概念（董哲仁，2007)，并將生態(tài)流量與水庫 調度結合，發(fā)展了考慮生態(tài)需水量的水庫調度方案和規(guī)則（楊志峰，2010 ;戴會超，2012 ;劉 攀，2013)。
[0003] 這些方法都是從水庫的傳統(tǒng)庫容和調度方法角度出發(fā)，按下游河道內生態(tài)需水要 求約束下泄生態(tài)水量，在具體實施中，容易產(chǎn)生經(jīng)濟用水和生態(tài)用水的矛盾，難以協(xié)調。近 年有學者提出了水庫生態(tài)庫容概念（廖四輝，2011)，并討論了其對保障生態(tài)流量的必要性 (雍婷，2013 ;呂孫云，2013)，其確定方法是對設置的生態(tài)限制供水線進行優(yōu)化，仍是在傳 統(tǒng)庫容和調度方法上的約束調度，容易使枯水季節(jié)只有生態(tài)供水，而人類生活生產(chǎn)需水缺 口較大，矛盾依然突出。此外，傳統(tǒng)的水庫設計管理中庫容設置僅有死庫容、興利庫容和防 洪庫容確定方法（顧圣平，2009)，根據(jù)現(xiàn)實需要，有必要在傳統(tǒng)庫容的基礎上專設生態(tài)庫 容，發(fā)展生態(tài)庫容確定方法。目前，運行的水庫中還未有生態(tài)庫容的確定計算方法，難以明 晰和協(xié)調人類社會經(jīng)濟、防洪和生態(tài)目標的水量調度。生態(tài)庫容的確定因有三種情形而方 法不同，即單一待建水庫的生態(tài)庫容確定，單一已有水庫的生態(tài)庫容確定和聯(lián)合調度水庫 群的生態(tài)庫容確定。聯(lián)合調度水庫群的河流上因各個斷面的生態(tài)流量目標各不相同，上游 水庫的生態(tài)供水量同時成為下游水庫的入流量，無法區(qū)分該水量是專門用于生態(tài)流量還是 向下游人類經(jīng)濟社會供水，至今尚無聯(lián)合調度的水庫群的生態(tài)庫容的確定方法。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種面向環(huán)境保護的聯(lián)合調度水庫群的生態(tài)庫容確定方法， 結合當前生態(tài)流量需求和優(yōu)化模型工具，建立聯(lián)合調度水庫群的生態(tài)庫容確定方法，使水 庫群在發(fā)揮河川徑流調蓄和經(jīng)濟社會供水作用的同時，動用專門庫容進行生態(tài)供水，保障 河道內環(huán)境流量，實施環(huán)境保護和生態(tài)友好的生態(tài)調度。
[0005] 本發(fā)明提出的面向環(huán)境保護的聯(lián)合調度水庫群的生態(tài)庫容確定方法，包括以下各 步驟：
[0006] (1)根據(jù)河流管理部門的要求，分別確定水庫群中各水庫下游河流的各生態(tài)控制 斷面各月份的生態(tài)需水量作為生態(tài)流量目標，其中k為月份，k = 1，2,…，12, j代表 第j個水庫下游河流的生態(tài)控制斷面，j = 1，2，…，m，m為水庫群中的水庫總數(shù)，每個水庫 下游河流有一個生態(tài)控制斷面和一個匯流節(jié)點；
[0007] (2)建立一個水庫群生態(tài)用水調度優(yōu)化模型，優(yōu)化模型的目標函數(shù)為： n m
[0008] Μν?Ζ = Σ(Μ^^+Μ-2^,+Μ·3^ /=1 /=1
[0009] 上式中：為水庫群的第i個供水區(qū)的生活缺水量，i = 1，2, ···，!!，，n為由水 庫群供水的供水區(qū)總數(shù)，為第i個供水區(qū)的工業(yè)及城市缺水量，為第i個供水區(qū) 的農(nóng)業(yè)缺水量，為水庫群中下游河流的第j個生態(tài)控制斷面的生態(tài)缺水量，Wp w2、w3、 W4為權重系數(shù)，通過隨機或人工生成，滿足= 1 ;
[0010] (3)設定關于水庫群、水庫群所在河流、供水區(qū)、水庫群下游河流的生態(tài)控制斷面、 匯流節(jié)點和渠道的優(yōu)化模型的約束條件，如下：
[0011] 供水水庫：
[0012] VJ (t + l) = VJ (t) + WiJn (t) - W,i_0li! (t) - W,i_mp (t) - Lies (t)
[0013] Vjs<V\i)<V^
[0014] ,i-〇ul ⑴幺
[0015] -(0<切腿
[0016] 供水水庫所在河流：
[0017] WiJn{t) = Wi_otitit) + ^irit)
[0018] WiJn(t)<Q^_msx
[0019] 供水區(qū)：
[0020] W：v(t) = W；on(t) + W；Jt)
[0021]
[0022] 生態(tài)控制斷面：
[0023] WJ (t) = Wj (t)-WJ (t) + W{ (〇 eco edem slack erne
[0024] 匯流節(jié)點：
[0025] Wj it) = YWlmi in{t) con out * - - /=1
[0026]渠道：
[0027] ir (/)-(i-a)xir (t) 匕 J sup ras_sup
[0028] 其中，t為優(yōu)化模型的時段指標，t = 1，2，···，T，T為模型計算的總 時間，爐(t)、V\t+1)分別為第t時段和第t+1時段的第j個水庫的蓄水量， d，）、的、圪(0分別為第t時段的第j個水庫的入流量、下泄 流量、向供水區(qū)的供水量和損失量，U為第j個水庫的下限庫容，匕x為第j個水 庫的上限庫容，SL_max為第j個水庫的的下泄能力，0imax為第j個水庫的引水能 力，RU)、R.U)、私,.(0分別為第t時段的第j個水庫的上游河流入流量、 下游河流出流量和所在河流的損失量，0i_ max為第j個水庫下游河流的過流能力， 〇)、⑴、Κω、⑴為第t時段水庫群第i個供水區(qū)得到的供 水量、耗水量、回歸下游河流的水量、需水量和缺水量，、?,,ω、 為第t時段第j個水庫下游河流的生態(tài)控制斷面的生態(tài)供水量、需水量、缺水量和加大 量，為第t時段第j個水庫下游的匯流節(jié)點的出流量，表示第t時段 第j個水庫的匯流節(jié)點的第1個分支入流量，n為流入同一匯流節(jié)點的分支總數(shù)，％ρω、 %S_SUP?分別表示水庫群與第i個供水區(qū)之間的渠道的入流量和出流量，α為渠道的損失 系數(shù)，取值范圍為0-1的實數(shù)，上述約束條件中，供水水庫的下限庫容、供水水庫的上限庫 容、供水水庫的下泄能力、供水水庫的引水能力、下游河流的過流能力、河流的引水能力和 渠道的損失系數(shù)由河流管理部門提供；
[0029] (4)采用線性規(guī)劃方法求解，以旬為時間步長，根據(jù)近30年水文歷史資料中的水 庫群的上游河流入流量W& in(t)，求解上述步驟（2)和步驟（3)構成的優(yōu)化模型，得到優(yōu)化 的第j個水庫t時段向供水區(qū)的供水量以sup(〇和第j個水庫t時段的生態(tài)供水量(0 ;
[0030] (5)隨機或人工生成多組￥1、￥2、'\￥3、'\￥4，滿足￥ 1+￥2+￥3+￥4=1，得到權重集合￥￡2，重 復步驟（4)，計算得到多組優(yōu)化的第j個水庫向供水區(qū)的供水量Mi_ sup(0和第j個水庫的生 態(tài)供水量，形成一個由多組優(yōu)化的第j個水庫向供水區(qū)的供水量％i_supW和第j個 水庫的生態(tài)供水量?⑴組成的非劣解集H(0);
[0031] (6)根據(jù)上述多組優(yōu)化的第j個水庫向供水區(qū)的供水量％i_sup⑴和第j個水庫的 生態(tài)供水量，通過下式得到人類社會經(jīng)濟缺水率R s_ladt和生態(tài)缺水率R__ladt:

【權利要求】
1. 一種面向環(huán)境保護的聯(lián)合調度水庫群的生態(tài)庫容確定方法，其特征在于該計算方法 包括以下各步驟： (1) 根據(jù)河流管理部門的要求，分別確定水庫群中各水庫下游河流的各生態(tài)控制斷面 各月份的生態(tài)需水量％匕，作為生態(tài)流量目標，其中k為月份，k = 1，2，…，12, j代表第j 個水庫下游河流的生態(tài)控制斷面，j = 1，2,…，m，m為水庫群中的水庫總數(shù)，每個水庫下游 河流有一個生態(tài)控制斷面和一個匯流節(jié)點； (2) 建立一個水庫群生態(tài)用水調度優(yōu)化模型，優(yōu)化模型的目標函數(shù)為：
上式中為水庫群的第i個供水區(qū)的生活缺水量，i = 1，2,…，n，，n為由水庫群 供水的供水區(qū)總數(shù)，MLt為第i個供水區(qū)的工業(yè)及城市缺水量，為第i個供水區(qū)的農(nóng) 業(yè)缺水量，為水庫群中下游河流的第j個生態(tài)控制斷面的生態(tài)缺水量，Wl、w2、w3、 W4為 權重系數(shù)，通過隨機或人工生成，滿足= 1 ; (3) 設定關于水庫群、水庫群所在河流、供水區(qū)、水庫群下游河流的生態(tài)控制斷面、匯流 節(jié)點和渠道的優(yōu)化模型的約束條件，如下： 供水水庫：
) 其中，t為優(yōu)化模型的時段指標，t = 1，2，···，T，T為模型計算的總時 間，爐⑴、V\t+1)分別為第t時段和第t+Ι時段的第j個水庫的蓄水量， M.U)、、dup(HW分別為第t時段的第j個水庫的入流量、下 泄流量、向供水區(qū)的供水量和損失量，U為第j個水庫的下限庫容，為第j個 水庫的上限庫容，2L_max為第j個水庫的的下泄能力，0i max為第j個水庫的引水能 力，％」"(0、，U)、私.④分別為第t時段的第j個水庫的上游河流入流量、 下游河流出流量和所在河流的損失量，ai,._ max為第j個水庫下游河流的過流能力， 心⑴、⑴、I』）為第t時段水庫群第i個供水區(qū)得到的供 水量、耗水量、回歸下游河流的水量、需水量和缺水量，H w 為第t時段第j個水庫下游河流的生態(tài)控制斷面的生態(tài)供水量、需水量、缺水量和加大 量，為第t時段第j個水庫下游的匯流節(jié)點的出流量，表示第t時段 第j個水庫的匯流節(jié)點的第1個分支入流量，N為流入同一匯流節(jié)點的分支總數(shù)，p：p(o、 fi_sup(〇分別表示水庫群與第i個供水區(qū)之間的渠道的入流量和出流量，α為渠道的損失 系數(shù)，取值范圍為0-1的實數(shù)，上述約束條件中，供水水庫的下限庫容、供水水庫的上限庫 容、供水水庫的下泄能力、供水水庫的引水能力、下游河流的過流能力、河流的引水能力和 渠道的損失系數(shù)由河流管理部門提供； (4) 采用線性規(guī)劃方法求解，以旬為時間步長，根據(jù)近30年水文歷史資料中的水庫群 的上游河流入流量W& in(t)，求解上述步驟（2)和步驟（3)構成的優(yōu)化模型，得到優(yōu)化的第 j個水庫t時段向供水區(qū)的供水量⑴和第j個水庫t時段的生態(tài)供水量; (5) 隨機或人工生成多組￥1、￥2、'\￥3、'\￥4，滿足￥ 1+￥2+￥3+￥4=1，得到權重集合￥￡2，重復步 驟（4)，計算得到多組優(yōu)化的第j個水庫向供水區(qū)的供水量％L_ sup(0和第j個水庫的生態(tài) 供水量，形成一個由多組優(yōu)化的第j個水庫向供水區(qū)的供水量Mi_sup⑷和第j個水 庫的生態(tài)供水量組成的非劣解集^ (dP(〇，H(⑴； (6) 根據(jù)上述多組優(yōu)化的第j個水庫向供水區(qū)的供水量R4_sup⑴和第j個水庫的生態(tài) 供水量，通過下式得到人類社會經(jīng)濟缺水率Rod和生態(tài)缺水率RecOack :
當滿足人類社會經(jīng)濟缺水率Rs_ladt與生態(tài)缺水率R__ladt的值相等時（或某一個特定的 協(xié)調值），從上述非劣解集W"中檢索出與人類社會經(jīng)濟缺水率Rs ladt和生態(tài)缺水率R_ ladt 相等條件下（或某一個特定的協(xié)調值）相應的％ii_SUpW和 (7) 根據(jù)上述步驟（6)計算得到的Ri_sup(〇和計算一年內第j個水庫非汛期 所需的調節(jié)庫容
其中，t為非汛期的時段指標，? = ν ·? tjPtn分別為非汛期的起止時段， Ri_sup(〇是從優(yōu)化模型得到的第j個供水水庫t時段的向供水區(qū)的供水量，F(xiàn)丄(0是從優(yōu) 化模型得到的第j個供水水庫t時段的生態(tài)供水量，％U0是第j個供水水庫下游河流生 態(tài)控制斷面t時段的生態(tài)需水量，是第j個水庫非汛期的社會經(jīng)濟供水目標的總需水 量，從該水庫的管理部門獲得； (8) 重復步驟（7)，分別計算得到30年中每年的調節(jié)庫容_，將每年的調節(jié)庫容 按照從小到大順序排序，繪制調節(jié)庫容頻率曲線，從調節(jié)庫容頻率曲線中選取與 90%頻率相對應的調節(jié)庫容值作為第j個水庫調節(jié)庫容 (9) 設生態(tài)目標的權重系數(shù)％ = 0,^^ = w2 = w3 = 1/3,根據(jù)步驟（5)計算的一組第j 個水庫向供水區(qū)的供水量<_sup(〇和第j個水庫的生態(tài)供水量重復步驟（7)和步驟 (8)，計算第j個供水水庫無生態(tài)目標的調節(jié)庫容 (?ο)將上述有生態(tài)目標的調節(jié)庫容和無生態(tài)目標的調節(jié)庫容的差值，作 為第j個水庫的生態(tài)庫容Ki:
(11)重復步驟（7)、（8)、（9)、（10)，計算水庫群中各水庫的生態(tài)庫容。
【文檔編號】E02B1/00GK104047258SQ201410284077
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權日:2014年6月23日
【發(fā)明者】王忠靜, 朱金峰, 尚文繡, 趙建世, 鄭航, 黃草 申請人:清華大學