CN101833609A - 一种面向河流生态流量维持的水库优化调度方法 - Google Patents

Abstract

一种面向河流生态流量维持的水库优化调度方法，根据流量大小将水库的入流流量分为四个区间，运用上调度曲线、下调度曲线和死库容曲线将水库的库容分为四个区间，并制定出入流在不同流量区间、水位位于不同库容区间的不同的供水和下泄规则。当流量位于包含了平滩流量的区间时，对该入流量在满足供水需求后全部用于满足河流生态流量；当入流位于最小流量区间时，水库减小下泄，维持河流枯水生态脉冲；当水位位于上调度曲线以上的区间时，水库加大下泄，以保证防洪功能；其次，采用变化范围法量化调度的目标值，以满足规划的供水保证率为约束，运用遗传算法，对调度规则中的参数进行同时优化，得出满足规划保证率下的最优的调度参数。

Description

一种面向河流生态流量维持的水库优化调度方法

技术领域

本发明属于流域水资源管理领域，涉及一种面向河流生态流量维持的水库优化调度方法。

背景技术

水库在满足人类需求的同时，通过它的调度满足河流生态流量的需求，是水库调度的一项基本工作，也是河流生态系统保护的一项基本需求。现有的面向河流生态流量维持的水库优化调度方法只能有效的满足河流的最小生态需水，即在确定河流最小生态需水量后，把该值作为水库下泄的最小流量，在此基础上对水库的运行参数进行调整，使供水量或发电量最大化。然而这种调度方式必然会造成水库下游河道流量的单一化，进而使得河流中洪水和枯水的减小或缺失。洪水和枯水是重要的生态脉冲，具有多种生态功能，比如：洪水是多种鱼类洄游、产卵的生命信号，其淹没洪泛区为多种鱼类提供必需的繁殖地，洪泛区和河道之间的联通，促进了两者之间的营养、水份、沉积物和能量的交换；枯水可实现对竞争力强的生物的数量的有效限制，为竞争力弱的生物提供生存机会。因此，现有生态流量调度方法难以充分保护河流生态系统。一方面，洪水会造成人类的伤亡和财产损失，另一方面，洪水是重要的水资源，必须对其进行控制与合理利用。如何在保障人类的生命、财产安全并满足人类对水的基本需求的基础上，将洪水生态脉冲、枯水生态脉冲和最小生态需水相结合，满足河流生态系统对生态流量的需求，实现河流生态系统的最大保护是现有面向河流生态流量维持的水库优化调度方法未解决的问题。

发明内容

针对现有面向河流生态流量维持的水库优化调度的不足，本发明拟建立一种新的调度方法，该方法可在保障人类的生命、财产安全和满足人类对水的基本需求的同时，满足河流生态系统所需的洪水和枯水等生态流量要素，实现河流生态系统的最大程度的保护。本发明所采用的方案如下：首先，根据流量大小将水库的入流流量分为四个区间，即运用上调度曲线、下调度曲线和死库容曲线将水库的库容分为四个区；然后，按照入流流量区间的不同和水库库容区间的不同制定出不同的供水和下泄规则，其中，当流量位于包含了平滩流量的区间时，该入流量主要用于下泄，以维持河流健康所需的关键洪水生态脉冲；当入流量位于枯水区间时，水库减小下泄，以维持河流所需的枯水生态脉冲；当水库水位位于上调度曲线以上的区时，水库加大下泄，以保证水库的防洪功能；当入流位于各个入流区间、水位位于各个库容区间时，采用不同的供水限制，以保证人类所需的基本供水需求；最后，为实现河流生态系统的最大保护，运用遗传算法，以满足规划的供水保证率为基本约束，以减小河流水文情势的扰动为优化目标，对调度规则中的参数同时进行优化，从而得出最优的参数值。其具体的步骤如下：

1.水库入流流量区间分割及参数范围确定

运用多年日径流数据，统计出历史最高洪峰流量(F₁)；通过水文学或水力学方法计算确定河流的平滩流量(F₂)，当仅有水文数据时，可运用对数-皮尔逊III型概率分布函数得出重现期为1.5年的洪水的洪峰流量作为平滩流量的近似值；计算确定水库断面多年日径流量的第75百位数(F₃)；计算多年日径流量的第5百分位数，将其作为极枯水文状态上限值(F₄)；运用多年日径流数据，统计出历史最小日流量(F₅)；采用三个数值M₁、M₂和M₃，将水库日入流(F)分为四个区间：F≥M₁(区间1)；M₂≤F＜M₁(区间2)；M₃≤F＜M₂(区间3)；F＜M₃(区间4)；M₁，M₂和M₃的范围分别为：F₂+Q＜M₁＜F₁；F₃＜M₂＜F₂+Q；F₅＜M₃＜F₄，其中Q为水库各个月内规划的供水量的最大值。

2.水库空间分区及参数范围确定

运用两条水库调度曲线(上调度曲线和下调度曲线)和死库容线将水库分为四个区(图1)，分别称为泄洪区、正常供水区、减缩供水区和禁止供水区。为了保持水库的防洪功能，上调度曲线采用各个水库已有的曲线，在本发明中保持不变。死库容线与水库的物理结构相关，在本发明中也保持不变。下调度曲线可以通过6个参数来表示，其中两个参数用来表示曲线的上、下水位高度(X₁和X₂)，另外四个参数用来表示曲线转折的时间(T₁，T₂，T₃和T₄)。水位高度参数X₁、X₂和时间参数T_i(i＝1，2，...，4)的范围为MAXlevel＞X₁＞X₂＞MINlevel和1≤T₁＜T₂＜T₃＜T₄≤36。式中，MAXlevel和MINlevel分别为水库最高和最低允许水位。

3.确定河流最小生态需水量

通过水文学、水力学或生态模拟等方法确定河流的最小生态需水量，当仅有水文数据时，可采用Tennant法确定。

4.水库调度规则构建

将入流流量分区和水库空间分区相结合，同时融合河流最小生态需水，制定以下利于满足河流的洪水、枯水等各个生态流量要素需求并同时兼顾人类需求的水库调度规则：

1)当水库的上一日入流流量位于区间1，即F≥M₁时，水库调度的主要目标是向水库蓄水和向人类供水，具体的调度规则为：

·当水库水位高于上调度线时，通过溢洪道泄流使水库的水位降到上调度线水位，并向用水户提供规划的水量；

·当水库水位位于上调度线和死库容线之间时，水库正常供水；此时水库下泄流量等于该入流区间的下限值M₁减去从水库中的取水量；

·当水库水位低于死库容线时，水库不供水也不下泄；

2)当水库的上一日入流流量位于区间2，即M₂≤F＜F＜M₁时，水库调度的主要目标是满足河流洪水生态脉冲的需求和向人类供水，具体的调度规则为：

·当水库水位高于上调度线时，通过溢洪道泄流使水库的水位降到上调度线水位，并向用水户提供规划的水量；

·当水库水位位于上调度线和死库容线之间时，水库正常供水，并把正常供水后剩余的当日入流量全部下泄，用于满足河流洪水生态脉冲的需求；

·当水库水位低于死库容线时，水库不供水也不下泄；

3)当水库的上一日入流流量位于区间3，即M₃≤F＜M₂时，水库调度的主要目标是蓄水和向人类供水，具体的调度规则为：

·当水库水位高于上调度线时，通过溢洪道泄流使水库的水位降到上调度线水位，并向用水户提供规划的水量；此时如果水库的实际下泄流量不能满足最小生态需水，需要加大下泄以满足最小生态需水；

·当水库水位位于上调度线和下调度线之间时，水库正常供水；同样，此时水库下泄只需满足最小生态需水；

·当水库水位位于下调度线和死库容线之间时，水库供水减小α％；同样，水库下泄需保证最小生态需水；

·当水库水位低于死库容线时，水库不供水也不下泄；

4)当水库的上一日入流流量位于区间4，即F＜M₃时，水库调度的主要目标是满足枯水生态脉冲需求和向人类供水，具体的调度规则为：

·当水库水位高于上调度线时，通过溢洪道泄流使水库的水位降到上调度线水位，并向用水户提供规划的水量；

·当水库水位位于上调度线和下调度线之间时，水库正常供水，且水库下泄流量等于当日入流量与规划的下游取水量之和；

·当水库水位位于下调度线和死库容线之间时，水库供水减小α％；同样，将当日入流量与规划的下游取水量的(1-α)％之和作为下泄流量；

·当水库水位低于死库容线时，水库不供水也不下泄；

其中α为参数，并且0＜α＜100。

5.水库调度目标量化

本发明采用变化范围法(Range of Variability Approach，RVA)衡量河流水文情势扰动程度。该方法首先选取了32个具有重要生态意义的水文指标(表1)，并运用公式(1)确定各个指标的水文扰动程度D_m，然后运用公式(2)求出这32个指标的水文情势扰动程度的算术平均值D。

$D_m=\left|\frac{N_{a,m}-N_{b,m}}{N_{b,m}}\right|\×100\%---\left(1\right)$

$D=\frac{1}{32}\underset{m=1}{\overset{32}{\mathrm{\Σ}}}{D}_m---\left(2\right)$

式中D_m是第m个水文指标的扰动程度；N_a，m是人为扰动后第m个水文指标的数值落在其目标变化范围的次数；N_b，m是人为扰动前该水文扰动指标的数值落在其目标变化范围的次数；D为水文情势的平均扰动程度。

同时，水库的调度需满足人类所需的供水保证率。水库供水的供水保证率S可通过公式(3)计算。

$S=\frac{1}{N}\×\underset{b=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{a=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{RR}}_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{PR}}_{\mathrm{ab}}}\×100\%---\left(3\right)$

其中：N表示水库供水的年数，RR_ab表示第b年中第a天的实际供水量，PR_ab表示第b年中第a天的规划供水量，T表示第b年的天数。

水库调度需要同时考虑人类的需求和河流生态保护的需求。本发明将水库调度的目标量化为：在满足规划的供水保证率的前提下，使河流水文情势扰动值D最小，可用式(4)和(5)表示。根据河流生态需水理论，河流的水文情势扰动越小，生态流量维持的效果越好，河流生态系统越健康。

L＝Min(D)     (4)

s.t.R≥R₀     (5)

6.水库调度参数优化

采用遗传算法，以河流水文扰动程度D最小化为目标，对水库的调度曲线参数X_i(i＝1，2)和T_j(j＝1，2，...，4)以及入流流量区间分割参数M_k(k＝1，2，3)同时进行优化，按照步骤4中建立的调度规则，对不同参数下的水库运行情况进行模拟，得出不同参数下的实际供水保证率R和水文情势扰动D值，进而得出实际供水保证率不小于R₀且能使D值最小的调度参数值。遗传算法中个体的形式为I＝[X₁，X₂，T₁，T₂，T₃，T₄，M₁，M₂，M₃]。

本发明具有两个优点：1)通过流量区间的分割，根据入流量所在的流量区间调整下泄规则，能够维持河流生态系统健康所需的关键洪水和枯水生态脉冲，可以更有效的保护河流生态系统健康；2)将规划的供水保证率作为约束，通过遗传算法对调度方法进行优化，在满足供水保证率的前提下，可以实现生态系统的最大保护。

附图说明

图1为面向河流生态流量维持的水库优化调度方法确定过程的流程图；

图2为水库库容分区图示例。

具体实施方式

下面以某流域的一个水库为实施例进一步说明本发明。

(1)水库入流流量区间分割及参数范围确定

运用多年日径流数据，统计出历史最高洪峰流量F₁为295.08m³/s，运用对数-皮尔逊III型概率分布函数得出重现期为1.5年的洪水的洪峰流量为42.38m³/s作为平滩流量F₂，水库断面多年日径流量的第75百分位数F₃为6.43m³/s，多年日径流量的第5百分位数F₄为0.57m³/s，历史最小日流量F₅为0.27m³/s；采用三个数值M₁、M₂和M₃，将水库日入流(F)分为四个区间：F≥M₁(区间1)；M₂≤F＜M₁(区间2)；M₃≤F＜M₂(区间3)；F＜M₃(区间4)；各个月的规划的供水量Q相同都为5.79m³/s。M₁，M₂和M₃的范围分别为：F₂+Q＜M₁＜F₁；F₃＜M₂＜F₂+Q；F₅＜M₃＜F₄。

(2)水库空间分区及参数范围确定

运用两条水库调度曲线(上调度曲线和下调度曲线)和死库容曲线将水库分为四个区。上调度曲线和死库容曲线采用水库原有值，在本实施例中不变，下调度曲线用6个参数来表示，其中两个参数用来表示曲线的上、下水位高度(X₁和X₂)，另外四个参数用来表示曲线转折的时间(T₁，T₂，T₃和T₄)。水库最高和最低允许水位分别为107.86m和85.26m。水位高度参数X₁、X₂和时间参数T_i(i＝1，2，...，4)需满足的约束条件为107.86＞X₁＞X₂＞85.26和1≤T₁＜T₂＜T₃＜T₄≤36。

(3)采用Tennant法确定该水库下游河道的最小生态需水量，结果见表2。

(4)构建调度规则

1)当水库的上一日入流流量位于区间1时，调度规则为：

·当水库水位高于上调度线时，通过溢洪道泄流使水库的水位降到上调度线水位，并向用水户提供规划的水量；

·当水库水位位于上调度线和死库容线之间时，水库正常供水。此时水库下泄流量等于该入流区间的下限值M₁减去从水库中的取水量；

·当水库水位低于死库容线时，水库不供水也不下泄；

2)当水库的上一日入流流量位于区间2时，调度规则为：

·当水库水位高于上调度线时，通过溢洪道泄流使水库的水位降到上调度线水位，并向用水户提供规划的水量；

·当水库水位位于上调度线和死库容线之间时，水库正常供水，并把正常供水后剩余的当日入流量全部下泄，用于满足河流洪水生态脉冲的需求；

·当水库水位低于死库容线时，水库不供水也不下泄。

3)当水库的上一日入流流量位于区间3时，调度规则为：

·当水库水位高于上调度线时，通过溢洪道泄流使水库的水位降到上调度线水位，并向用水户提供规划的水量。此时如果水库的实际下泄流量低于最小生态需水，需要加大下泄以满足最小生态需水；

·当水库水位位于上调度线和下调度线之间时，水库正常供水。同样，此时水库下泄只需满足最小生态需水；

·当水库水位位于下调度线和死库容线之间时，水库供水减小20％。同样，水库下泄需保证最小生态需水；

·当水库水位低于死库容线时，水库不供水也不下泄。

4)当水库的上一日入流流量位于区间4，调度规则为：

·当水库水位高于上调度线时，通过溢洪道泄流使水库的水位降到上调度线水位，并向用水户提供规划的水量；

·当水库水位位于上调度线和下调度线之间时，水库正常供水，且水库下泄流量等于当日入流量与规划的下游取水量之和；

·当水库水位位于下调度线与死库容线之间时，水库供水减小20％。同样，将当日入流量与规划的下游取水量的80％之和作为下泄流量。

·当水库水位低于死库容线时，水库不供水也不下泄。

(5)调度目标量化

本实施例中的供水保证率设为70％，水库调度的目标量化为在实际的供水保证率不小于70％的前提下，使河流水文情势扰动值D最小，可用式(4)和(5)表示。

(6)调度参数优化

调度规则中的参数为X_i(i＝1，2)、T_j(j＝1，2，...，4)和M_k(k＝1，2，3)，本发明采用遗传算法对这些参数同时进行优化，确定最优的水库调度方法，遗传算法的种群个数设为500，进化代数也为1000，具体的计算步骤为：

步骤1：实数编码。遗传算法中个体的形式为I＝[X₁，X₂，T₁，T₂，T₃，T₄，M₁，M₂，M₃]，实数编码采用线性变换将各个优化变量对应到[0，1]区间上的随机数；

步骤2：生成初始父代个体。在可行域范围内随机产生n个初始父代群体；

步骤3：水库运行模拟及适应度评价。分别按照上一步生成的n个初始父代个体代表的水库入流流量分区和水库库容分区进行水库的运行模拟，得出各个个体对应的供水保证率R和实际水文情势扰动D。当实际供水保证率R大于或等于70％时，将D的倒数作为适应度值，而当实际供水保证率R小于70％时，适应度值设置为0，适应度值越大说明该个体的适应能力越强；

步骤4：选择操作。把已有父代个体按其对应的适应度值从小到大排序，从这些父代个体中，用转轮方法进行个体选择；

步骤5：交叉和变异操作；

步骤6：进化迭代。由上步得到的子代个体作为新的父代个体，转入遗传算法的步骤3，进入下一代进化过程，重新评价、选择、交叉和变异，如此循环，直到迭代次数达到1000次终止；

遗传算法在运行450代后达到稳定，可以得到各个参数的最优值为X₁＝100.37，X₂＝99.24，T₁＝14，T₂＝20，T₃＝26，T₄＝30，M₁＝56.83，M₂＝22.45，M₃＝0.52，对应的生态目标值D为0.53。将这些优化出来的参数值代入建立的调度规则中，即为最优的水库调度方法。

表1变化范围法的水文指标表

表2各月最小生态需水量(m³/s)

 

Claims (1)

1.一种面向河流生态流量维持的水库优化调度方法，其确定步骤如下：

(1)水库入流流量区间分割及参数范围确定

运用多年日径流数据，统计出历史最高洪峰流量(F₁)；通过水文学或水力学方法确定出河流的平滩流量(F₂)；计算出多年日径流量的第75百分位数(F₃)；计算出多年日径流量的第5百分位数(F₄)；统计出历史最小日流量(F₅)；采用三个数值M₁、M₂和M₃，将水库日入流(F)分为四个区间：F≥M₁(区间1)；M₂≤F＜M₁(区间2)；M₃≤F＜M₂(区间3)；F＜M₃(区间4)；M₁，M₂和M₃的范围分别为：F₂+Q＜M₁＜F₁；F₃＜M₂＜F₂+Q；F₅＜M₃＜F₄，其中Q为水库各个月内规划的供水量的最大值；

(2)水库空间分区及参数范围确定

运用两条水库调度曲线(上调度曲线和下调度曲线)和死库容曲线将水库分为四个区；调度曲线用六个参数来表示，其中两个参数用来表示曲线的上、下水位高度(X₁和X₂)，另外四个参数用来表示曲线转折的时间(T₁，T₂，T₃和T₄)；水位高度参数X_i(i＝1，2)和时间参数T_j(j＝1，2，...，4)的范围分别为MAXlevel＞X₁＞X₂＞MINlevel和1≤T₁＜T₂＜T₃＜T₄≤36；式中，MAXlevel和MINlevel分别为水库最高和最低允许水位；

(3)通过水文学、水力学、生态模拟等方法确定河流的最小生态需水量；

(4)水库调度规则构建

将入流流量分区和水库空间分区相结合，同时融合河流最小生态需水，制定以下利于满足河流的洪水、枯水等各个生态流量要素需求并同时兼顾人类需求的水库调度规则：

1)当水库的上一日入流流量位于区间1，即F≥M₁时，水库调度的主要目标是向水库蓄水和向人类供水，具体的调度规则为：

●当水库水位高于上调度线时，通过溢洪道泄流使水库的水位降到上调度线水位，并向用水户提供规划的水量；

●当水库水位位于上调度线和死库容线之间时，水库正常供水；此时水库下泄流量等于该入流区间的下限值M₁减去从水库中的取水量；

●当水库水位低于死库容线时，水库不供水也不下泄；

2)当水库的上一日入流流量位于区间2，即M₂≤F＜M₁时，水库调度的主要目标是满足河流洪水生态脉冲的需求和向人类供水，具体的调度规则为：

●当水库水位高于上调度线时，通过溢洪道泄流使水库的水位降到上调度线水位，并向用水户提供规划的水量；

●当水库水位位于上调度线和死库容线之间时，水库正常供水，并把正常供水后剩余的当日入流量全部下泄，用于满足河流洪水生态脉冲的需求；

●当水库水位低于死库容线时，水库不供水也不下泄；

3)当水库的上一日入流流量位于区间3，即M₃≤F＜M₂时，水库调度的主要目标是蓄水和向人类供水，具体的调度规则为：

●当水库水位高于上调度线时，通过溢洪道泄流使水库的水位降到上调度线水位，并向用水户提供规划的水量；此时如果水库的实际下泄流量不能满足最小生态需水，需要加大下泄以满足最小生态需水；

●当水库水位位于上调度线和下调度线之间时，水库正常供水；同样，此时水库下泄只需满足最小生态需水；

●当水库水位位于下调度线和死库容线之间时，水库供水减小α％；同样，水库下泄需保证最小生态需水；

●当水库水位低于死库容线时，水库不供水也不下泄；

4)当水库的上一日入流流量位于区间4，即F＜M₃时，水库调度的主要目标是满足枯水生态脉冲需求和向人类供水，具体的调度规则为：

●当水库水位高于上调度线时，通过溢洪道泄流使水库的水位降到上调度线水位，并向用水户提供规划的水量；

●当水库水位位于上调度线和下调度线之间时，水库正常供水，且水库下泄流量等于当日入流量与规划的下游取水量之和；

●当水库水位位于下调度线和死库容线之间时，水库供水减小α％；同样，将当日入流量与规划的下游取水量的(1-α)％之和作为下泄流量；

●当水库水位低于死库容线时，水库不供水也不下泄；

其中α为参数，并且0＜α＜100；

(5)水库调度目标量化

采用变化范围法(Range of Variability Approach，RVA)量化河流水文情势的扰动(D)；将满足规划的供水保证率作为调度的主要约束；水库调度的目标量化为：在满足规划的供水保证率的前提下，使水文情势扰动(D)最小化；

(6)水库调度参数优化

采用遗传算法，以使水文情势扰动(D)最小化为目标，对水库的调度曲线参数X_i(i＝1，2)和T_j(j＝1，2，...，4)以及入流流量区间分割参数M_k(k＝1，2，3)同时进行优化，按照步骤4中构建的调度规则，对不同优化参数下的水库运行情况进行模拟，得出不同参数下的实际供水保证率D和实际水文情势扰动，进而得出实际供水保证率不小于规划供水保证率且能使D值最小的调度参数值，即为满足规划供水保证率的最优的水库调度方法。

Images