一種面向環(huán)境保護(hù)的聯(lián)合調(diào)度水庫(kù)群的生態(tài)庫(kù)容確定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種面向環(huán)境保護(hù)的聯(lián)合調(diào)度水庫(kù)群的生態(tài)庫(kù)容確定方法，屬于環(huán)境保護(hù)與資源綜合利用【技術(shù)領(lǐng)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(biāo)和約束條件，建立水庫(kù)群生態(tài)用水調(diào)度優(yōu)化模型，隨機(jī)生成多目標(biāo)的權(quán)重集合并求解，確定滿足人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)缺水率特定協(xié)調(diào)值的優(yōu)化供水方案；然后計(jì)算每年各水庫(kù)補(bǔ)水所需的調(diào)節(jié)庫(kù)容，選取90％保證率對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)庫(kù)容；最后計(jì)算無生態(tài)目標(biāo)下的調(diào)節(jié)庫(kù)容，將其差值確定為生態(tài)庫(kù)容。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水庫(kù)群調(diào)度中庫(kù)容設(shè)置未能考慮生態(tài)供水的弊端，根據(jù)水庫(kù)群生態(tài)用水調(diào)度優(yōu)化模型和情景分析，能得到更為合理的生態(tài)庫(kù)容，有利于保障水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度規(guī)則的實(shí)施。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種面向環(huán)境保護(hù)的聯(lián)合調(diào)度水庫(kù)群的生態(tài)庫(kù)容確定方法，屬于環(huán)境 保護(hù)與資源綜合利用【技術(shù)領(lǐng)域】。 一種面向環(huán)境保護(hù)的聯(lián)合調(diào)度水庫(kù)群的生態(tài)庫(kù)容確定方法

【背景技術(shù)】
[0002] 水庫(kù)群的聯(lián)合調(diào)度是流域水資源利用和管理的重要手段，傳統(tǒng)水庫(kù)群的運(yùn)行與調(diào) 度，都是以防洪、供水、發(fā)電等社會(huì)功能和經(jīng)濟(jì)功能極大化為目標(biāo)。這些水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)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(duì)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(kù)調(diào)度中越來越 重要的任務(wù)，一些學(xué)者紛紛提出了生態(tài)調(diào)度的概念（董哲仁，2007)，并將生態(tài)流量與水庫(kù) 調(diào)度結(jié)合，發(fā)展了考慮生態(tài)需水量的水庫(kù)調(diào)度方案和規(guī)則（楊志峰，2010 ;戴會(huì)超，2012 ;劉 攀，2013)。
[0003] 這些方法都是從水庫(kù)的傳統(tǒng)庫(kù)容和調(diào)度方法角度出發(fā)，按下游河道內(nèi)生態(tài)需水要 求約束下泄生態(tài)水量，在具體實(shí)施中，容易產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)用水和生態(tài)用水的矛盾，難以協(xié)調(diào)。近 年有學(xué)者提出了水庫(kù)生態(tài)庫(kù)容概念（廖四輝，2011)，并討論了其對(duì)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(duì)設(shè)置的生態(tài)限制供水線進(jìn)行優(yōu)化，仍是在傳 統(tǒng)庫(kù)容和調(diào)度方法上的約束調(diào)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(kù)設(shè)計(jì)管理中庫(kù)容設(shè)置僅有死庫(kù)容、興利庫(kù)容和防 洪庫(kù)容確定方法（顧圣平，2009)，根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要，有必要在傳統(tǒng)庫(kù)容的基礎(chǔ)上專設(shè)生態(tài)庫(kù) 容，發(fā)展生態(tài)庫(kù)容確定方法。目前，運(yùn)行的水庫(kù)中還未有生態(tài)庫(kù)容的確定計(jì)算方法，難以明 晰和協(xié)調(diào)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)、防洪和生態(tài)目標(biāo)的水量調(diào)度。生態(tài)庫(kù)容的確定因有三種情形而方 法不同，即單一待建水庫(kù)的生態(tài)庫(kù)容確定，單一已有水庫(kù)的生態(tài)庫(kù)容確定和聯(lián)合調(diào)度水庫(kù) 群的生態(tài)庫(kù)容確定。聯(lián)合調(diào)度水庫(kù)群的河流上因各個(gè)斷面的生態(tài)流量目標(biāo)各不相同，上游 水庫(kù)的生態(tài)供水量同時(shí)成為下游水庫(kù)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(jì)社會(huì)供水，至今尚無聯(lián)合調(diào)度的水庫(kù)群的生態(tài)庫(kù)容的確定方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種面向環(huán)境保護(hù)的聯(lián)合調(diào)度水庫(kù)群的生態(tài)庫(kù)容確定方法， 結(jié)合當(dāng)前生態(tài)流量需求和優(yōu)化模型工具，建立聯(lián)合調(diào)度水庫(kù)群的生態(tài)庫(kù)容確定方法，使水 庫(kù)群在發(fā)揮河川徑流調(diào)蓄和經(jīng)濟(jì)社會(huì)供水作用的同時(shí)，動(dòng)用專門庫(kù)容進(jìn)行生態(tài)供水，保障 河道內(nèi)環(huán)境流量，實(shí)施環(huán)境保護(hù)和生態(tài)友好的生態(tài)調(diào)度。
[0005] 本發(fā)明提出的面向環(huán)境保護(hù)的聯(lián)合調(diào)度水庫(kù)群的生態(tài)庫(kù)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(kù)群中各水庫(kù)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(biāo)，其中k為月份，k = 1，2,…，12, j代表 第j個(gè)水庫(kù)下游河流的生態(tài)控制斷面，j = 1，2，…，m，m為水庫(kù)群中的水庫(kù)總數(shù)，每個(gè)水庫(kù) 下游河流有一個(gè)生態(tài)控制斷面和一個(gè)匯流節(jié)點(diǎn)；
[0007] (2)建立一個(gè)水庫(kù)群生態(tài)用水調(diào)度優(yōu)化模型，優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為： n m
[0008] Μν?Ζ = Σ(Μ^^+Μ-2^,+Μ·3^ /=1 /=1
[0009] 上式中：為水庫(kù)群的第i個(gè)供水區(qū)的生活缺水量，i = 1，2, ···，!!，，n為由水 庫(kù)群供水的供水區(qū)總數(shù)，為第i個(gè)供水區(qū)的工業(yè)及城市缺水量，為第i個(gè)供水區(qū) 的農(nóng)業(yè)缺水量，為水庫(kù)群中下游河流的第j個(gè)生態(tài)控制斷面的生態(tài)缺水量，Wp w2、w3、 W4為權(quán)重系數(shù)，通過隨機(jī)或人工生成，滿足= 1 ;
[0010] (3)設(shè)定關(guān)于水庫(kù)群、水庫(kù)群所在河流、供水區(qū)、水庫(kù)群下游河流的生態(tài)控制斷面、 匯流節(jié)點(diǎn)和渠道的優(yōu)化模型的約束條件，如下：
[0011] 供水水庫(kù)：
[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(kù)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(diǎn)：
[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(shí)段指標(biāo)，t = 1，2，···，T，T為模型計(jì)算的總 時(shí)間，爐(t)、V\t+1)分別為第t時(shí)段和第t+1時(shí)段的第j個(gè)水庫(kù)的蓄水量， d，）、的、圪(0分別為第t時(shí)段的第j個(gè)水庫(kù)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(gè)水庫(kù)的下限庫(kù)容，匕x為第j個(gè)水 庫(kù)的上限庫(kù)容，SL_max為第j個(gè)水庫(kù)的的下泄能力，0imax為第j個(gè)水庫(kù)的引水能 力，RU)、R.U)、私,.(0分別為第t時(shí)段的第j個(gè)水庫(kù)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(gè)水庫(kù)下游河流的過流能力， 〇)、⑴、Κω、⑴為第t時(shí)段水庫(kù)群第i個(gè)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(shí)段第j個(gè)水庫(kù)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(shí)段第j個(gè)水庫(kù)下游的匯流節(jié)點(diǎn)的出流量，表示第t時(shí)段 第j個(gè)水庫(kù)的匯流節(jié)點(diǎn)的第1個(gè)分支入流量，n為流入同一匯流節(jié)點(diǎn)的分支總數(shù)，％ρω、 %S_SUP?分別表示水庫(kù)群與第i個(gè)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(shí)數(shù)，上述約束條件中，供水水庫(kù)的下限庫(kù)容、供水水庫(kù)的上限庫(kù) 容、供水水庫(kù)的下泄能力、供水水庫(kù)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(shí)間步長(zhǎng)，根據(jù)近30年水文歷史資料中的水 庫(kù)群的上游河流入流量W& in(t)，求解上述步驟（2)和步驟（3)構(gòu)成的優(yōu)化模型，得到優(yōu)化 的第j個(gè)水庫(kù)t時(shí)段向供水區(qū)的供水量以sup(〇和第j個(gè)水庫(kù)t時(shí)段的生態(tài)供水量(0 ;
[0030] (5)隨機(jī)或人工生成多組￥1、￥2、'\￥3、'\￥4，滿足￥ 1+￥2+￥3+￥4=1，得到權(quán)重集合￥￡2，重 復(fù)步驟（4)，計(jì)算得到多組優(yōu)化的第j個(gè)水庫(kù)向供水區(qū)的供水量Mi_ sup(0和第j個(gè)水庫(kù)的生 態(tài)供水量，形成一個(gè)由多組優(yōu)化的第j個(gè)水庫(kù)向供水區(qū)的供水量％i_supW和第j個(gè) 水庫(kù)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(gè)水庫(kù)向供水區(qū)的供水量％i_sup⑴和第j個(gè)水庫(kù)的 生態(tài)供水量，通過下式得到人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)缺水率R s_ladt和生態(tài)缺水率R__ladt:

【權(quán)利要求】
1. 一種面向環(huán)境保護(hù)的聯(lián)合調(diào)度水庫(kù)群的生態(tài)庫(kù)容確定方法，其特征在于該計(jì)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(kù)群中各水庫(kù)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(biāo)，其中k為月份，k = 1，2，…，12, j代表第j 個(gè)水庫(kù)下游河流的生態(tài)控制斷面，j = 1，2,…，m，m為水庫(kù)群中的水庫(kù)總數(shù)，每個(gè)水庫(kù)下游 河流有一個(gè)生態(tài)控制斷面和一個(gè)匯流節(jié)點(diǎn)； (2) 建立一個(gè)水庫(kù)群生態(tài)用水調(diào)度優(yōu)化模型，優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為：
上式中為水庫(kù)群的第i個(gè)供水區(qū)的生活缺水量，i = 1，2,…，n，，n為由水庫(kù)群 供水的供水區(qū)總數(shù)，MLt為第i個(gè)供水區(qū)的工業(yè)及城市缺水量，為第i個(gè)供水區(qū)的農(nóng) 業(yè)缺水量，為水庫(kù)群中下游河流的第j個(gè)生態(tài)控制斷面的生態(tài)缺水量，Wl、w2、w3、 W4為 權(quán)重系數(shù)，通過隨機(jī)或人工生成，滿足= 1 ; (3) 設(shè)定關(guān)于水庫(kù)群、水庫(kù)群所在河流、供水區(qū)、水庫(kù)群下游河流的生態(tài)控制斷面、匯流 節(jié)點(diǎn)和渠道的優(yōu)化模型的約束條件，如下： 供水水庫(kù)：
) 其中，t為優(yōu)化模型的時(shí)段指標(biāo)，t = 1，2，···，T，T為模型計(jì)算的總時(shí) 間，爐⑴、V\t+1)分別為第t時(shí)段和第t+Ι時(shí)段的第j個(gè)水庫(kù)的蓄水量， M.U)、、dup(HW分別為第t時(shí)段的第j個(gè)水庫(kù)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(gè)水庫(kù)的下限庫(kù)容，為第j個(gè) 水庫(kù)的上限庫(kù)容，2L_max為第j個(gè)水庫(kù)的的下泄能力，0i max為第j個(gè)水庫(kù)的引水能 力，％」"(0、，U)、私.④分別為第t時(shí)段的第j個(gè)水庫(kù)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(gè)水庫(kù)下游河流的過流能力， 心⑴、⑴、I』）為第t時(shí)段水庫(kù)群第i個(gè)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(shí)段第j個(gè)水庫(kù)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(shí)段第j個(gè)水庫(kù)下游的匯流節(jié)點(diǎn)的出流量，表示第t時(shí)段 第j個(gè)水庫(kù)的匯流節(jié)點(diǎn)的第1個(gè)分支入流量，N為流入同一匯流節(jié)點(diǎn)的分支總數(shù)，p：p(o、 fi_sup(〇分別表示水庫(kù)群與第i個(gè)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(shí)數(shù)，上述約束條件中，供水水庫(kù)的下限庫(kù)容、供水水庫(kù)的上限庫(kù) 容、供水水庫(kù)的下泄能力、供水水庫(kù)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(shí)間步長(zhǎng)，根據(jù)近30年水文歷史資料中的水庫(kù)群 的上游河流入流量W& in(t)，求解上述步驟（2)和步驟（3)構(gòu)成的優(yōu)化模型，得到優(yōu)化的第 j個(gè)水庫(kù)t時(shí)段向供水區(qū)的供水量⑴和第j個(gè)水庫(kù)t時(shí)段的生態(tài)供水量; (5) 隨機(jī)或人工生成多組￥1、￥2、'\￥3、'\￥4，滿足￥ 1+￥2+￥3+￥4=1，得到權(quán)重集合￥￡2，重復(fù)步 驟（4)，計(jì)算得到多組優(yōu)化的第j個(gè)水庫(kù)向供水區(qū)的供水量％L_ sup(0和第j個(gè)水庫(kù)的生態(tài) 供水量，形成一個(gè)由多組優(yōu)化的第j個(gè)水庫(kù)向供水區(qū)的供水量Mi_sup⑷和第j個(gè)水 庫(kù)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(gè)水庫(kù)向供水區(qū)的供水量R4_sup⑴和第j個(gè)水庫(kù)的生態(tài) 供水量，通過下式得到人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)缺水率Rod和生態(tài)缺水率RecOack :
當(dāng)滿足人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)缺水率Rs_ladt與生態(tài)缺水率R__ladt的值相等時(shí)（或某一個(gè)特定的 協(xié)調(diào)值），從上述非劣解集W"中檢索出與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)缺水率Rs ladt和生態(tài)缺水率R_ ladt 相等條件下（或某一個(gè)特定的協(xié)調(diào)值）相應(yīng)的％ii_SUpW和 (7) 根據(jù)上述步驟（6)計(jì)算得到的Ri_sup(〇和計(jì)算一年內(nèi)第j個(gè)水庫(kù)非汛期 所需的調(diào)節(jié)庫(kù)容
其中，t為非汛期的時(shí)段指標(biāo)，? = ν ·? tjPtn分別為非汛期的起止時(shí)段， Ri_sup(〇是從優(yōu)化模型得到的第j個(gè)供水水庫(kù)t時(shí)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(gè)供水水庫(kù)t時(shí)段的生態(tài)供水量，％U0是第j個(gè)供水水庫(kù)下游河流生 態(tài)控制斷面t時(shí)段的生態(tài)需水量，是第j個(gè)水庫(kù)非汛期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)供水目標(biāo)的總需水 量，從該水庫(kù)的管理部門獲得； (8) 重復(fù)步驟（7)，分別計(jì)算得到30年中每年的調(diào)節(jié)庫(kù)容_，將每年的調(diào)節(jié)庫(kù)容 按照從小到大順序排序，繪制調(diào)節(jié)庫(kù)容頻率曲線，從調(diào)節(jié)庫(kù)容頻率曲線中選取與 90%頻率相對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)庫(kù)容值作為第j個(gè)水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容 (9) 設(shè)生態(tài)目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)％ = 0,^^ = w2 = w3 = 1/3,根據(jù)步驟（5)計(jì)算的一組第j 個(gè)水庫(kù)向供水區(qū)的供水量<_sup(〇和第j個(gè)水庫(kù)的生態(tài)供水量重復(fù)步驟（7)和步驟 (8)，計(jì)算第j個(gè)供水水庫(kù)無生態(tài)目標(biāo)的調(diào)節(jié)庫(kù)容 (?ο)將上述有生態(tài)目標(biāo)的調(diào)節(jié)庫(kù)容和無生態(tài)目標(biāo)的調(diào)節(jié)庫(kù)容的差值，作 為第j個(gè)水庫(kù)的生態(tài)庫(kù)容Ki:
(11)重復(fù)步驟（7)、（8)、（9)、（10)，計(jì)算水庫(kù)群中各水庫(kù)的生態(tài)庫(kù)容。
【文檔編號(hào)】E02B1/00GK104047258SQ201410284077
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:清華大學(xué)