一种兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法.docx

一种兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法专利名称：一种兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法技术领域：本发明涉及一种水库调度方法，具体的说是一种兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法背景技术：中华鲟是一种大型溯河洄游性鱼类，亲鱼每年4月至6月由海洋进入江河进行生殖洄游中华鲟主要分布于长江干流，繁殖季节一般在10月上旬至11月中旬自上世纪80年代以来，受大坝阻隔、水质、航运、水库滞温等因素影响，中华鲟种群数量急剧下降，处于濒危状态，1988年被列为我国I级保护动物长江上游水利工程的运行使中华鲟仅存的产卵场水文水动力环境发生改变，加剧了中华鲟数量的减少为保护中华鲟资源，进行兼顾中华鲟资源保护的水库生态调度研究势在必行大量实践证明，水电工程运行期间，生态调度是缓解水电开发对生态与环境产生不利影响的有效措施之一在国外发达国家已广泛将生态调度运用于河流自然径流过程的修复，亦有不少成功经验可供借鉴然而，生态与环境问题具有地域特性，这些经验不可能照搬使用目前，大型水利工程的生态调度在国内也逐渐受到重视，并通过实践取得了一些初步经验，但在流域梯级电站生态调度的理论、广泛性和保障机制等方面，我国与发达国家还存在巨大差距。

在已有的水库生态调度方法中，有的将生态需水以最低下泄流量的形式作为一个约束条件而存在，这种调度方式虽然可操作性强，易于监督，但是由于仅仅考虑了最小生态需水的量，因而往往不能遏制生态系统恶化，更达不到维持和修复生态系统健康的要求另外最小生态需水量并不是决定生态是否恶化的唯一因素，河床水动力及地形地质变化也是造成生态恶化的主因因此生态调度不仅要满足最小生态需水量要求，还要满足水生动植物水动力环境需求有的将生态需水作为唯一目标，水库调度运行完全按照生态需水量节律进行这种方式虽然可以在最大程度上满足生态系统的需求，但由于弱化了水库建设的原有目标，使得水库丧失 了应有的社会经济功能，目前仅理论上探讨，难以实践利用发明内容本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法，同时考虑中华鲟自然繁殖的水文水动力需求及水库的社会经济效益，使水库发挥巨大社会经济效益的同时，有效的保护中华鲟资源本发明解决以上技术问题的技术方案是一种兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法，按以下步骤进行(一 )根据中华鲟产卵期多年跟踪监测资料统计得出中华鲟产卵所需水文水动力条件及相关参数的适宜性曲线，以产卵场产卵加权可利用面积(WUA)表征中华鲟产卵场产卵适合度，依据河流内流量增量法(IFM)建立中华鲟产卵适合度模型；( 二)针对中华鲟产卵场建立水动力数学模型，数值模拟大坝不同运行工况下的中华鲟产卵场水动力环境，将产卵场数值模拟结果代入产卵适合度模型得出不同大坝运行工况下的产卵场产卵适合度；(三)以水库运行参数(包括下泄流量、下泄方式)为自变量，产卵场产卵适合度为因变量，将步骤(二)的计算工况及结果作为学习样本输入三层BP神经网络进行学习训练，建立水库调度与中华鲟产卵场适合度函数关系表达式；(四)以中华鲟产卵场适合度最大作为产卵期(10 11月)水库调度生态目标，建立水库调度生态效益目标函数，以发电量最大建立水库调度经济效益目标函数；(五)明确水库调度的约束条件水量平衡约束、航运上游水位变幅约束、航运上游通航水位约束、水库最大下泄流量约束、供水最小下泄流量约束、水轮机工作水头约束、水轮机出力限制约束、水轮机最大过水量约束；(六)建立包括步骤(五)约束条件及步骤(四)目标函数的多目标水库优化调度模型，模型以大坝出库流量、电厂发电泄流流量、泄水闸弃水流量为变量，采用理想点优化方法将多目标转化为单目标函数进行优化求解；(七)应用逐步优化算法(POA)及复合形优化算法对转换得到的单目标调度模型进行优化求解，得到中华鲟产卵期兼顾中华鲟繁殖需求的水库最优调度过程及最优运行方式。

本发明进一步限定的技术方案是前述的兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法，步骤(一)中，中华鲟产卵适合度模型为权利要求1.一种兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法，其特征在于按以下步骤进行 (-)根据中华鲟产卵期多年跟踪监测资料统计得出中华鲟产卵所需水文水动力条件及相关参数的适宜性曲线，以产卵场产卵加权可利用面积表征中华鲟产卵场产卵适合度，依据河流内流量增量法建立中华鲟产卵适合度模型； (二)针对中华鲟产卵场建立水动力数学模型，数值模拟大坝不同运行工况下的中华鲟产卵场水动力环境，将产卵场数值模拟结果代入产卵适合度模型得出不同大坝运行工况下的产卵场产卵适合度； ㈢以水库运行参数为自变量，产卵场产卵适合度为因变量，将步骤㈡的计算工况及结果作为学习样本输入三层BP神经网络进行学习训练，建立水库调度与中华鲟产卵场适合度函数关系表达式； ㈣以中华鲟产卵场适合度最大作为产卵期水库调度生态目标，建立水库调度生态效益目标函数，以发电量最大建立水库调度经济效益目标函数； (5)明确水库调度的约束条件水量平衡约束、航运上游水位变幅约束、航运上游通航水位约束、水库最大下泄流量约束、供水最小下泄流量约束、水轮机工作水头约束、水轮机出力限制约束、水轮机最大过水量约束； ㈥建立包括步骤㈤约束条件及步骤㈣目标函数的多目标水库优化调度模型，模型以大坝出库流量、电厂发电泄流流量、泄水闸弃水流量为变量，采用理想点优化方法将多目标转化为单目标函数进行优化求解； ⑴应用逐步优化算法及复合形优化算法对转换得到的单目标调度模型进行优化求解，得到中华鲟产卵期兼顾中华鲟繁殖需求的水库最优调度过程及最优运行方式。

2.如权利要求1所述的兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法，其特征在于所述步骤(-)中，中华鲟产卵适合度模型为 (1)(2) WUA :产卵场产卵加权可利用面积， :每个单元影响因子的组合适宜值， :流速适宜值， :水深适宜值， :河道指标，包括河床质和遮蔽物， 每个单元在水平面上的投影面积3.如权利要求1所述的兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法，其特征在于所述步骤(二)中，水动力数学模型采用基于N-S方程推导的雷诺平均方程的三维浅水方程，包括连续方程、两个水平动量方程及标准k-e湍流模型4.如权利要求1所述的兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法，其特征在于所述步骤曰中，所述水库调度与中华鲟产卵场适合度函数关系表达式为 y :产卵场底层产卵加权可利用面积，产卵场产卵适合度， X :大坝运行方式表征变量， wl、w2 :神经网络学习权值，Thetal、Theta2 :神经网络学习阈值5.如权利要求1所述的兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法，其特征在于所述步骤㈣中，水库调度生态效益目标函数和水库调度经济效益目标函数为 :水电站机组出力， A :水电站出力系数， :发电流量(实施例中)， 水轮机最大限制出力， 调节周期为10 11月，计算时段取等时段，以天为计算时段时长，=24小时。

6.如权利要求1所述的兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法，其特征在于所述步骤㈤中， 所述水量平衡约束表达式 t时段入库流量， t时段出库流量， :计算时段， t+l时段水库库容， t时段水库库容； 所述航运上游水位变幅约束表达式 :上游最小通航水位， t时段上游库水位， :上游最大通航水位； 所述航运上游水位变幅约束表达式 :航运允许上游水位最大变幅； 所述水库最大下泄流量约束和供水最小下泄流量约束表达式 :供水最小下泄流量， t时段水库下泄流量(出库流量)， :水库允许最大下泄流量； 所述水轮机工作水头约束表达式 :水轮机运行运行的最小水头， t时段下游水位， :水轮机运行运行的最大水头； 所述水轮机出力限制约束表达式 t时段水电站水力发电机组出力，:水轮机技术最小出力， :水轮机限制最大出力； 所述水轮机最大过水量约束表达式 :t时段水电站发电用水流量， :水电站水轮机最大过水流量7.如权利要求1所述的兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法，其特征在于所述步骤(六)中，分别计算时段内无约束可能最大产卵场适合度和水电站最大发电量，=24小时，在时段内根据理想点法将双目标转换为单目标函数，其中无约束可能最大产卵场适合度指的是在给定大坝出库流量下不考虑水库其他运行条件约束优化大坝泄流方式获得的最大产卵场产卵适合度；无约束水电站最大发电量指的是在给定大坝出库流量下仅考虑水电站发电量不考虑其他大坝运行约束优化得到的最大发电量；转换得到的单目标函数为 :时段产卵场产卵适合度， :时段水电站发电量。

8.如权利要求1所述的兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法，其特征在于所述步骤㈦中，求解步骤如下 ①确定阶段变量，以中华鲟产卵期为调度周期，以天为计算时段； ②确定决策变量，以水库下泄流量及下泄方式为决策变量； ③确定状态转移方程，以水量平衡方程为状态转移方程； ④确定初始决策变量，根据常规调度计算结果确定初始变量； ⑤固定第n时段和第n-2时段的水位和不变，也就是保持不变，调整和，得到和，采用复合形优化方法使得第n和第n-1时段目标函数和取得最小值； ⑥固定和，保持不变，调整和，得到和，使得n-3到n-1时段目标函数和取得最小值； ⑦重复步骤6，直到初始时刻为止，得到在当前初始状态和约束条件下的水库调度线； ⑧以得到调度线为新的初始决策状态，用同样的步骤再次寻优，直到两次求得的水库调度线达到精度要求全文摘要本发明涉及一种水库调度方法，是一种兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法，本发明针对中华鲟产卵期(10～11月)，将中华鲟产卵场产卵适合度作为水库生态效益评价指标，结合水利工程该时期的社会经济效益目标，建立在满足防洪效益、航运效益、水资源利用效益基础上以发电效益与生态效益为双目标的水库生态调度模型，采用逐步优化算法(POA)及复合形优化方法进行模型求解，得到综合效益最大的水库生态调度过程。

该发明能使水库充分发挥经济效益的同时有效保护中华鲟资源，达到综合效益最大化。