CN101899820B - 面向河流生态系统保护的流域地表水可利用量确定方法 - Google Patents

Abstract

一种面向河流生态系统保护的流域地表水可利用量确定方法，首先确定河流最小生态需水量，并选取AAPFD指数衡量河流水文情势的扰动程度，建立了水库调度曲线和生态流量调度规则相结合的水库调度规则，然后在保证河流最小生态需水和河流水文情势扰动维持在可接受的范围内的基础上，运用遗传算法，对水库调度曲线参数、水库各个月的适宜生态下泄流量和流域月规划供水量等三类优化变量进行优化，得到最大可供水量，即流域地表水可利用量。该发明能更充分保证河流生态系统健康，同时克服了传统计算方法中对汛期不可利用洪水量计算不够精确的不足，能更加准确的确定流域地表水可利用量。

Description

面向河流生态系统保护的流域地表水可利用量确定方法

技术领域

本发明属于环境保护与资源综合利用技术领域，涉及一种面向河流生态系统保护的流域地表水可利用量确定方法。

背景技术

《全国水资源综合规划技术细则(试行)》指出确定流域地表水可利用量是全国水资源综合规划的一项基本工作。流域地表水可利用量的确定一般采用扣损法，即流域地表水可利用量等于地表水资源量减去河道内最小生态环境需水量和汛期不可利用洪水量(王建生，钟华平，耿雷华，徐澎波，刘翠善.水资源可利用量计算[J].水科学进展，2006，17(4)：549-553)。扣损法存在两个不足：1)该方法只能保证河流最小生态需水，可能会造成河流自然水文情势的过度扰动，要维持河流生态系统健康，不仅要保证河流最小生态需水量，还应该使河流自然水文情势的扰动在可接受的范围内；2)扣损法中确定汛期不可利用洪水量采用的三种方法(将汛期流域出口断面的实测径流量作为不可利用洪水量；根据最大月流量和最小月流量的比值确定洪水的弃水系数，进而估算出不可利用洪水量；汛期天然径流量减去控制利用的水量，即为汛期不可利用洪水量)，都是对该量的粗略估计，从而会造成最终的流域地表水可利用量的计算不精确。

综上所述，流域地表水可利用量确定时经常采用的扣损法存在两方面的不足：仅维持河流最小生态需水，会造成河流自然水文情势的过度扰动，进而难以保证河流生态系统健康；汛期不可利用洪水量的计算不够精确，会造成流域地表水可利用量的计算不精确。

发明内容

针对现有的流域地表水可利用量计算方法存在的不足，本发明要解决的技术问题是建立一种新的确定流域地表水可利用量的方法，不仅能够保证河流自然水文情势不发生过度的扰动，并能够避开汛期不可利用洪水量的计算不够精确的问题，提高流域地表水可利用量计算的精确度。

本发明解决这些技术问题所采用的技术方案如下：在确定河流最小生态需水并确定了合适的河流水文情势扰动指数及其阈值的基础上，将水库调度曲线和生态流量调度规则相结合，制定新的水库调度措施，然后在确定了影响流域地表水可利用量的优化变量及约束条件后，采用遗传算法，以实际可供水量最大化为目标，对各优化变量同时进行优化，通过水库运行模拟的方式，得出不同参数下的实际供水量和水文情势扰动程度，进而得出水文情势扰动在可接受范围内的流域实际最大可供水量，即流域地表水可利用量。其具体的步骤如下：

1.河流最小生态需水量确定

通过水文学、水力学或生态模拟等方法确定河流各个月的最小生态需水量MINEFR_k(k＝1，2，…，12)，当仅有水文数据时，可采用Tennant法确定。

2.选取河流水文情势扰动指数并确定其阈值

采用AAPFD(amended annual proportional flow deviation)指数衡量河流水文情势扰动程度。将AAPFD指数小于5作为保证河流生态系统健康的河流水文情势扰动阈值。AAPFD指数的定义如下：

$\mathrm{AAPFD}=\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\underset{k=1}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{C_{\mathrm{kj}}-N_{\mathrm{kj}}}{\stackrel{\‾}{N_j}}\right)}^2\right]}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

式中，M表示时间序列的年数，C_kj表示第j年第k月的实际流量；N_kj表示第j年第k月的天然流量；

表示第j年的平均天然月径流量。

3.建立水库调度规则

图1表示的是M-5型水库调度曲线，它包括三条曲线：上调度曲线(upper limit curve)，下调度曲线(lower limit curve)和关键调度曲线(critical limit curve)。为了保持水库的防洪功能，上调度曲线可事先通过模拟的方式得到，在本发明中保持不变。其它两条曲线都可以通过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，X₂：下调度曲线；X₃，X₄：关键调度曲线)，另外四个参数用来表示曲线转折的时间(T₁，T₂，T₃，T₄：下调度曲线；T₅，T₆，T₇，T₈：关键调度曲线)。仅向河流提供最小生态需水量MINEFR_k(k＝1，2，…，12)，AAPFD指数可能会大于5，超过了能维持河流生态系统健康的水文情势扰动阈值，为此规定各个月适宜的生态下泄流量E_k(k＝1，2，…，12)，该流量不小于最小生态需水量，并且在入流量小于E_k时，将生态下泄流量设置为入流量，以更好的保持河流自然的水文情势。水库调度规则包括生态流量调度规则和人类用水调度规则。

a)生态流量调度规则为：

●当水库入流量大于或等于适宜生态下泄流量E_k时，水库需维持的河流生态流量为适宜生态下泄流量E_k；

●当水库入流量小于适宜生态下泄流量E_k时，水库需维持的河流生态流量等于水库入流量；

b)人类用水调度规则为：

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

●当水库水位位于上调度曲线和下调度曲线之间时，水库正常供水；

●当水库水位位于下调度曲线和关键调度曲线之间时，水库供水减小α％；

●当水库水位位于关键调度曲线和死库容线之间时，水库供水减小β％；

●当水库水位低于死库容线时，水库不供水也不下泄；

其中α和β为参数，并且0＜α＜β＜100。

4.确定影响流域地表水可利用量的优化变量及约束条件

流域地表水可利用量AWR，即流域实际可供水量S的最大值。运用多年入库流量数据，在给定的水库运行参数下，对水库的运行供水情况进行模拟，可以得到此运行参数下流域的多年实际可供水量。水库的运行参数不同，能提供的实际供水量不同，其中，实际能提供的最大供水量就是流域地表水可利用量。因此，确定流域地表水可利用量，是一个以流域实际能提供的供水量S最大化为目标函数的优化问题，即：

AWR＝Max(S)                                                   (2)

优化变量是与水库运行调度相关的一系列参数，除了包括水库的调度曲线参数X_i(i＝1，2，3，4)、T_j(j＝1，2，…，8)，各个月的适宜生态下泄流量E_k(k＝1，2，…，12)外，还包括流域月规划供水量P。从而，式2可细化为式3的形式：

AWR＝Max(S)＝Max[f(X_i，T_j，E_k，P)]                                        (3)

本优化问题需要满足多个约束条件。首先，水库的运行和取水需要保证河流水文情势扰动在可接受的范围内，即AAPFD指数小于5：

AAPFD＜5                                                            (4)

其次，月规划供水量P需不大于流域历史最大月平均径流量；各个月的适宜生态下泄流量E_k(k＝1，2，…，12)需不小于河流最小生态需水量，即：

E_k≥MINEFR_k                                                                (5)

另外，水库调度曲线参数X_i和T_j需要满足以下约束条件：

MAXlevel＞X₁＞X₂                                             (6)

MAXlevel＞X₁＞X₃                                             (7)

X₂＞X₄＞MINlevel                                             (8)

X₃＞X₄＞MINlevel                                             (9)

1≤T₁＜T₂＜T₃＜T₄≤36                                        (10)

1≤T₅＜T₆＜T₇＜T₈≤36                                        (11)

式中，MAXlevel和MINlevel分别为水库最高和最低允许水位。

5.确定流域地表水可利用量

采用遗传算法，以实际可供水量最大化为目标，对水库的调度曲线参数X_i和T_j、各个月的适宜生态下泄流量E_k以及规划供水量P这些优化参数同时进行优化，按照步骤3中建立的水库调度规则，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量和水文情势扰动程度，进而得出水文情势扰动在可接受范围内的流域实际最大可供水量，即流域地表水可利用量。其中遗传算法中个体的形式为I＝[X₁，…，X₄，T₁，…，T₈，E₁，…，E₁₂，P]。

本发明的有两个优点：首先能同时保证河流最小生态需水和河流水文情势扰动在可接受的范围内，因此可以更有效的保护河流生态系统健康；其次避开了对汛期不可利用洪水量的计算，采用水库运行模拟的方式直接确定出流域地表水可利用水量，提高了流域地表水可利用水量计算的精确度。

附图说明

图1为M-5型水库调度图示例；

图2为实施例中优化出的水库调度图；

图3为本发明的建立的确定方法的流程图。

具体实施方式

下面以中国北方流域某水库为实施例进一步说明本发明。

(1)采用Tennant法确定水库下游河流的最小生态需水量，结果见表1。

(2)采用AAPFD指数衡量水库下游河流的河流水文情势扰动程度，并将AAPFD指数小于5作为水库下游河流的河流水文情势扰动阈值。

(3)建立该水库调度规则

a)生态流量调度措施为：

●当水库入流量大于或等于适宜生态下泄流量E_k时，水库需维持的河流生态流量等于适宜生态下泄流量E_k；

●当水库入流量小于适宜生态下泄流量E_k时，水库需维持的河流生态流量等于水库入流量；

b)人类用水调度措施为：

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

●当水库水位位于上调度曲线和下调度曲线之间时，水库正常供水；

●当水库水位位于下调度曲线和关键调度曲线之间时，水库供水减小20％；

●当水库水位位于关键调度曲线和死库容线之间时，水库供水减小30％；

●当水库水位低于死库容线时，水库不供水也不下泄。

(4)确定影响该流域地表水可利用量的优化变量及约束条件

影响流域地表水可利用量的优化变量包括水库的调度曲线参数X_i(i＝1，2，3，4)、T_j(j＝1，2，…，8)，各个月的适宜生态下泄流量E_k(k＝1，2，…，12)和流域月规划供水量P。约束条件主要包括四个：(a)河流水文情势扰动约束：水库的运行和取水需要保证河流水文情势扰动在可接受的范围内，即AAPFD指数小于5，即式(4)；(b)月规划供水量P需不大于流域历史最大月平均径流量；(c)河流最小生态需水约束：各个月的适宜生态下泄流量E_k(k＝1，2，…，12)需不小于河流最小生态需水量，即式(5)；(d)水库调度曲线参数X_i和T_j自身需满足的约束条件，即式(6)-(11)。

(5)确定该流域地表水可利用量

采用遗传算法对优化变量进行优化，确定流域地表水可利用量，算法的种群个数设为500，进化代数也为500，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，…，X₄，T₁，…，T₈，E₁，…，E₁₂，P]，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：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调度曲线、各个月的适宜生态下泄流量和规划供水量进行汤河水库的运行模拟，得出各个个体对应的实际供水量S，将实际供水量S作为适应度值，供水量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实际供水量S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500次终止；

遗传算法在运行300代后达到稳定，可以得到该流域年平均地表水可利用量为1.63×10⁸m³，此时对应的规划月供水流量为8.2m³/s，水库调度曲线如图2所示，对应的各个月的适宜生态下泄流量见表2。

表1水库下游河流各月最小生态需水量(m³/s)

表2水库各个月的适宜生态下泄流量表(m³/s)

Claims (1)

1.面向河流生态系统保护的流域地表水可利用量确定方法，其计算步骤如下：

（1）通过水文学、水力学或生态模拟方法确定河流各个月的最小生态需水量MINEFR _k (k=1,2,…,12)；

（2）采用AAPFD（amended annual proportional flow deviation）指数衡量河流水文情势扰动程度，并将AAPFD指数小于5作为保证河流生态系统健康的河流水文情势扰动阈值；

（3）建立水库调度规则

水库下调度曲线（lower limit curve）和关键调度曲线（critical limit curve）分别用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（X ₁, X ₂：下调度曲线； X ₃, X ₄ ：关键调度曲线），另外四个参数用来表示曲线转折的时间（T ₁，T ₂，T ₃，T ₄：下调度曲线；T ₅，T ₆，T ₇，T ₈ ：关键调度曲线）；规定各个月适宜的生态下泄流量E _k (k=1,2,…,12)，该流量不小于相应月的最小生态需水量；水库调度规则包括生态流量调度规则和人类用水调度规则，具体如下：

a) 生态流量调度规则为：

a-1) 当水库入流量大于或等于适宜生态下泄流量E _k 时，水库需维持的河流生态流量等于适宜生态下泄流量E _k ；

a-2) 当水库入流量小于适宜生态下泄流量E _k 时，水库需维持的河流生态流量等于水库入流量；

b) 人类用水调度规则为：

b-1) 当水库水位高于上调度曲线时，通过溢洪道泄流使水库的水位降到上调度曲线水位，并向用水户提供规划的水量；

b-2) 当水库水位位于上调度曲线和下调度曲线之间时，水库正常供水；

b-3) 当水库水位位于下调度曲线和关键调度曲线之间时，水库供水减小α%；

b-4) 当水库水位位于关键调度曲线和死库容线之间时，水库供水减小β%；

b-5) 当水库水位低于死库容线时，水库不供水也不下泄；

其中α和β为参数，并且0<α<β<100；

（4）确定影响流域地表水可利用量的优化变量及约束条件

流域地表水可利用量AWR为流域实际可供水量S的最大值；因此，确定流域地表水可利用量是一个以流域实际能提供的供水量S最大化为目标函数的优化问题，优化变量包括水库的调度曲线参数X _i (i=1,2,3,4)、T _j (j=1,2,…,8)、各个月的适宜生态下泄流量E _k (k=1,2,…,12)、流域月规划供水量P，即：

AWR=Max(S)=Max [f (X _i , T _j , E _k , P)]                        （1）

本优化问题需要满足多个约束条件，首先，水库的运行和取水需要保证河流水文情势扰动在可接受的范围内，即AAPFD指数小于5；其次，各个月的适宜生态下泄流量E _k (k=1,2,…,12)需不小于河流最小生态需水量，月规划供水量P需不大于流域历史最大月平均径流量；另外，水库调度曲线参数X _i和T _j需要满足以下约束条件：

MAXlevel>X ₁>X ₂                                           （2）

MAXlevel>X ₁>X ₃                                           （3）

X ₂>X ₄>MINlevel                                            （4）

X ₃>X ₄>MINlevel                                            （5）

1≤T ₁<T ₂<T ₃<T ₄≤36                                       （6）

1≤T ₅<T ₆<T ₇<T ₈≤36                                       （7）

式中，MAXlevel和MINlevel分别为水库最高和最低允许水位；

（5）确定流域地表水可利用量

采用遗传算法，以实际可供水量最大化为目标，对水库的调度曲线参数X _i 和T _j 、各个月的适宜生态下泄流量E _k 以及规划供水量P这些优化参数同时进行优化，按照步骤（3）中建立的水库调度规则，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量和水文情势扰动程度，进而得出水文情势扰动在可接受范围内的流域实际最大可供水量，即流域地表水可利用量。

Images