CN106407671B - 面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库调控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库调控系统，由水温气象智能监测平台、系统运行支持平台和梯级水库生态调度决策平台构成；其中水温气象智能监测平台由水温监测单元、数据接收基站、电站监控中心和系统监控中心构成，系统运行支持平台由通信传输系统和网络系统构成，梯级水库生态调度决策平台由调度信息层、调度决策层和调度操作层这三层架构组成。本发明所述的调控方法根据调控系统进行调控。本发明用于在产粘沉性卵鱼类繁殖期间，采用上游水库配合叠梁门运行调控水温和末级水库调节流量的协同调控技术，为产粘沉性卵鱼类繁殖提供适宜的水温和流量条件，能够减轻梯级水库运行对产粘沉性卵鱼类繁殖的影响。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程生态调控技术领域，特别涉及一种面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库调控系统及方法。
背景技术
我国水利工程发展迅速，在金沙江、雅砻江、大渡河、乌江、南盘江、澜沧江等水电基地已形成初具规模的世界级水电工程群，水利水电工程在防洪、发电、灌溉、航运等方面发挥巨大效益的同时也对河流生物资源及其生存环境带来不利影响。水库蓄水后，库区形成了巨大的停滞水域，一方面改变了河流的天然径流过程，使得下游河道的水动力环境发生改变，另一方面由于库内水流变缓，库水更新期加长，水体在太阳辐射和对流混合及热量传输作用下，垂向水温呈现分层现象，在春夏之交的升温期，水库深层取水导致下层低温水体排入下游河道，改变了下游河道的水温条件，又由于水生生物自然繁殖对栖息环境较为敏感，对水文、水动力和水环境有着独特需求和喜好，所以下游水动力条件和水温结构的变化会对水生生物的产卵繁殖和生长发育产生不利影响，而电站的梯级开发加剧了这种影响。
白鲟、达氏鲟、胭脂鱼等产粘沉性卵鱼类受大坝阻隔、水质、航运等因素影响，数量急剧下降，处于濒危状态，梯级电站的运行使这些鱼类产卵场的水文水动力环境和水温结构发生改变，加剧了产粘沉性卵鱼类的减少，因此需要充分认知重大水利水电工程对河流重要水生生物的影响，继而形成科学可行的生态调控方法和技术，在发挥水电工程效益的同时减轻其生态环境影响，这对生态文明建设具有重要意义。
近年来，为减小水利工程建设对下游河道生态环境的影响，尤其是对珍稀鱼类繁殖的影响，许多措施被应用到水利工程中，专利申请号CN201210007401.0公开了一种兼顾中华鲟繁殖需求的水库生态调度方法，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；专利申请号CN201210113940.2公开了一种适合家鱼繁殖需求的河道型水库生态调度方法，为家鱼产卵创造合适的水流条件，有效地减轻大坝运行对家鱼产卵造成的影响；专利申请号CN200920113798.5公开了大流量高水头叠梁门型通仓流道分层取水进水口结构，可达到灵活控制下泄水温的目的。上述生态调度方法都是针对特有鱼类繁殖对水动力条件的需求，尚未考虑目标鱼类繁殖对水温结构的需求，且这些生态调度方法都是针对单一水库的；叠梁门分层取水结构因为可以灵活控制下泄水温，在大型水利水电工程中得以广泛应用，但由于单节叠梁门的高度限制，叠梁门顶淹没水深变化较大，叠梁门在取水库表层水时效果有限；此外，在进行生态调控时，对工程措施的配合使用考虑不够，在工程措施与非工程措施配合使用方面仍是空白。
因此，如何配合叠梁门运行对梯级水库进行生态调控，同时改善产粘沉性卵鱼类产卵场的水动力条件和水温条件，促进产粘沉性卵鱼类繁殖，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库调控系统及方法，采用上游水库配合叠梁门运行调控水温和末级水库调节流量的协同调度方案，通过工程措施与非工程措施的配合使用，为产粘沉性卵鱼类繁殖提供适宜的水温流量条件，减轻梯级水库运行对产粘沉性卵鱼类繁殖的影响。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库调控系统，由水温气象智能监测监测平台、系统运行支持平台和梯级水库生态调度决策平台构成；
水温气象智能监测平台由水温监测单元、数据接收基站、电站监控中心和系统监控中心构成：用于自动、连续获取流域内水温及气象信息，为生态调度提供数据基础；
系统运行支持平台由通信传输系统和网络系统构成，为系统运行提供物理保障，完成数据的传输及交流共享；
梯级水库生态调度决策平台由调度信息层、调度决策层和调度操作层这三层架构组成：用于提供面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库生态调度决策。
进一步的，所述水温监测单元由用于监测水库水温的垂向温度链和用于监测干支流及产卵场水温的表层温度球构成，水温监测单元用于监测采集流域的水温数据；所述数据接收基站由数据收发装置和气象监测装置构成，数据接收基站用于接收水温数据及采集气象数据，同时负责将水温气象数据上传至电站监控中心及接收和传达电站监控中心的监测命令；所述电站监控中心设于各梯级电站的管理中心，用于对数据接收基站上传的数据进行存储及管理，并实现与系统监控中心的信息共享；所述系统监控中心设于流域调度中心，负责向各梯级电站监控中心发布监测命令及接收电站监控中心上传的数据，并与梯级水库生态调度决策平台共享实时数据；
所述通信传输系统由有线信道为主、无线信道为备用的组网方式构成，通信传输系统完成水温气象智能监测平台数据的传输，实现水温监测单元、数据接收基站、电站监控中心及系统监控中心的四层双向通信；所述网络系统由在梯级电站内部及流域调度中心组建的局域网和在各机构之间组建的专用广域网构成，网络系统通过提供网络服务完成数据的交流共享及多用户的异地会商；
所述调度信息层用于搜集各类数据，并对数据进行存储及管理，为生态调度决策提供数据支撑；所述调度决策层由水温预测模块、上游水库水温调控模块、末级水库流量调节模块和地理信息系统构成，调度决策层用于在产粘沉性卵鱼类繁殖期，提供上游水库配合叠梁门运行调控水温和末级水库调节流量的协同调度方案，为鱼类繁殖提供适宜的水温流量条件；所述调度操作层用于为用户提供与系统交互的界面，基于地理信息系统提供的运行环境，实现不同用户的接入、信息的查询与展示以及多用户的异地会商。
进一步的，所述用于监测水库水温的垂向温度链由浮筒、带定滑轮的重物、调节浮子、两端连接浮筒以及调节浮子并绕过定滑轮的第一钢丝绳和固定设置在第一钢丝绳上的温度链构成，所述浮筒中设置有数据采集控制装置、通信装置、供电装置和定位装置，所述带定滑轮的重物沉于库底，所述温度链由若干个固定于防水电缆上的温度传感器和水位传感器构成，温度链上传感器的分布可根据水库水温分层特性进行调节，其中针对水温分层型水库，在同温层和滞温层内均匀布置传感器，在温跃层加密布置传感器；在水温过渡型水库均匀布置传感器；对于水温混合型水库，可加大传感器的布置间距；温度链上的温度传感器及水位传感器采集的数据通过防水电缆传输至浮筒中的数据采集控制装置进行存储管理，通信装置再将水深、水温及位置信息传输至数据接收基站；
所述用于监测干支流及产卵场水温的表层温度球由漂浮球、锚系和两端连接漂浮球和锚系的第二钢丝绳构成，所述漂浮球中设置有温度传感器、数据采集控制装置、通信装置、供电装置和定位装置，所述漂浮球通过锚系固定设置在河道中，所述锚系由有挡链和抓地锚构成；温度传感器及定位装置采集的水温数据及位置信息经数据采集控制装置存储管理后，通过通信装置传输至数据接收基站。
进一步的，所述通信传输系统通过布设通信线路实现监测数据在水温监测单元、数据接收基站、电站监控中心和系统监控中心的四层双向传输；
所述水温监测单元与数据接收基站之间采用CDMA无线通信方式传输数据，数据接收基站与电站监控中心之间通过布设专用线路采用有线通信方式传输数据，电站监控中心与系统监控中心之间通过租用公网采取有线通信方式传输数据，数据在传输过程中均通过加密处理。
进一步的，所述调度信息层由基础信息数据库、实时信息数据库、业务数据库、鱼类信息数据库和空间信息数据库构成，调度信息层用于搜集各类数据，并对数据进行存储及管理，为生态调度决策提供数据支撑；
所述基础信息数据库用于存储流域水文、气象历史数据和水利工程数据；实时信息数据库通过网络系统与水温气象智能监测平台共享实时监测数据，与气象部门共享流域的实时气象信息及气象预报信息、与水文监测站共享水文信息及水文预报信息以及与水电站共享水库实时运行信息；业务数据库用于存储生态调度决策中需要与产生的业务数据，业务数据包括调度规则、调度参数和调度方案；鱼类信息数据库用于存储产粘沉性卵鱼类的生存现状、生长繁殖特性、生活习性和产卵场分布的信息；空间信息数据库用于存储所有描述水资源要素空间分布特征的数据，包括行政区划、地形、河流和水系信息；
所述调度决策层由水温预测模块、上游水库水温调控模块、末级水库流量调节模块和地理信息系统构成，调度决策层用于在产粘沉性卵鱼类繁殖期，提供上下游水库协同调度的调度决策方案，为鱼类繁殖提供适宜的水温、流量条件；
所述水温预测模块，通过调度信息层长期、连续的水温气象监测数据及水文数据，运用BP神经网络对气象、水文与水库水温分层的相互关系进行训练学习，得出水库水温分布的预测模型，用于在生态调度期，根据水库水温实时信息、水文预报及气象预报，利用水库水温分布的预测模型预测下一调度时段水库水温的垂向分布，并计算叠梁门顶进水口处的水温梯度；
所述上游水库水温调控模块由调控水库确定单元、调度方案生成单元和分层取水操控单元构成，上游水库水温调控模块用于在产粘沉性卵鱼类繁殖期，对除末级水库之外的上游水库实施水温优化调控；所述调控水库确定单元用于对上游水库中用叠梁门分层取水的水温分层型水库进行综合效益评估，将综合效益最大的水库确定为生态调度期的水温调控水库；所述调度方案生成单元用于对水温调控水库采取配合叠梁门运行消落库水位或者常规调度和提前降低库水位的调度措施，改善产粘沉性卵鱼类产卵场的水温条件；所述分层取水操控单元用于对上游水库中有分层取水措施的水库实施分层取水；
所述末级水库流量调节模块由水温响应单元和流量调控单元构成，末级水库流量调节模块根据上游水库水温用于调控过程中产粘沉性卵鱼类产卵场的水温情况，对末级水库的下泄流量进行调控，使满足产粘沉性卵鱼类繁殖的流量需求；所述水温响应单元用于调用调度信息层的产卵场实时水温，并判断产卵场水温是否满足鱼类繁殖需求；所述流量调控单元用于对末级水库的下泄流量进行调节，在产卵场水温满足鱼类繁殖需求前，流量调控单元考虑上游水库的下泄流量及用电需求对末级水库进行调度，当产卵场水温满足鱼类繁殖需求后，流量调控单元根据鱼类繁殖对流量过程的特定需求及流量的响应关系，调整末级水库的下泄流量；
所述地理信息系统用于为调度操作层提供空间运行环境和空间分析应用的功能，具体包括空间可视化、空间查询、空间分析、相关的地图操作和数据图表的浏览功能，使具有空间属性的数据可以在地图上直接显示与查询。
进一步的，所述调控水库确定单元采用如下公式用于对符合要求的水库进行综合效益评估：
V＝α1f1+α2f2
式中：V为水库的综合效益，f1表示目标水库进行水温调控时的生态效益，f2表示目标水库进行水温调控时的经济效益，α1为生态效益的权重值，α2为经济效益的权重值，且α1+α2＝1，在生态调度期时α1、α2根据调度目标进行确定；
f1表示水库的生态效益，具体表现为水库进行水温调控时对产卵场水温的改善程度：
式中：ΔT为水库进行水温调控时产卵场水温的变化量，为正值，T0表示不进行水温调控时产卵场的水温；
f2表示水库的经济效益，具体表现为水库进行水温调控时对发电量的影响程度：
式中：ΔE表示水库进行水温调控时发电量的变化量，为负值，E0表示不进行水温调控时水库的发电量。
进一步的，所述调度方案生成单元的具体实现步骤如下：
步骤1：在产粘沉性卵鱼类繁殖期，基于同期水库常规调度过程，以每节叠梁门工作的上下限水位对应的时间为边界，将调度期分为若干分期，在每一分期内，水库水位在该节叠梁门工作的上下限水位间变动，将不同典型年调度方案的分期情况进行输入并存入调度信息层的业务数据库；
步骤2：根据来水情况，从业务数据库中提取相似匹配度高的常规调度方案及分期情况，然后根据水库水温预测，判断下一分期叠梁门顶进水口处的水温梯度是否大于0.3℃/m，若大于，结合水文预报生成配合叠梁门运行消落库水位的调度方案，以分期内叠梁门顶的淹没水深和最小为目标函数，求取该分期的调度方案，充分发挥叠梁门的作用，若小于，则按常规调度过程线进行调度；当库水位消落至无叠梁门挡水时，加大下泄流量，在最短时间内将水库水位降至死水位，实现提前降低库水位。
进一步的，上述步骤2中当调度方案生成单元在叠梁门顶进水口处的水温梯度大于0.3℃/m时，以分期内的水位为自变量，在满足水库水量平衡约束、水库蓄水位及水位日变幅约束、水库下泄流量约束及流量日变幅约束和电站出力约束的约束条件下，分期内叠梁门顶的淹没水深和F最小的目标函数如下：
式中，ht表示分期内t时段叠梁门顶的淹没水深，ht的单位为m，n表示分期内计算时段总数，ht＝Zt-H，其中，Zt表示分期内t时段的水库水位，H表示分期内叠梁门顶高程，在每一分期内H相同；
其中水库水量平衡约束为：
Vt+1＝(Q1-Q2)×Δt+Vt
式中：Δt为计算时段长度，Q1表示Δt时段内水库的入流量，Q2表示Δt时段内水库的泄流量，Q1和Q2的单位均为m3/s；Vt+1表示t+1时段末水库蓄水量，Vt表示t时段末水库蓄水量，Vt+1和Vt的单位均为亿m3；
其中水库蓄水位及水位日变幅约束为：
式中：Zt表示水库在t时段内的水位，ΔZt表示水库在t时段内的水位变幅，Zt和ΔZt的单位均为m；表示水库在t时段内的最低水位约束即该分期内叠梁门工作的下限水位，表示水库在t时段内的最高水位约束即该分期内叠梁门工作的上限水位；表示水库在t时段内允许的水位最小变幅，表示水库在t时段内允许的水位最大变幅；
其中水库下泄流量约束及流量日变幅约束为：
式中：Qt表示水库在t时段内的下泄流量，ΔQt表示水库在t时段内的下泄流量变幅，Qt和ΔQt的单位均为m3/s；表示水库在t时段的最小下泄流量约束，表示水库在t时段的最大下泄流量约束，同时考虑防洪、航运要求；表示水库在t时段内允许的下泄流量最小变幅，表示水库在t时段内允许的下泄流量最大变幅；
其中电站出力约束为：
Nmin≤AQtHt≤Nmax
式中：AQtHt表示t时段电站的平均出力且单位为MW，AQtHt中A为水轮机出力系数，Qt为t时段的发电流量且单位为m3/s，Ht为t时段的水轮机工作水头且单位为m；Nmin表示电站允许的最小出力，Nmax表示电站允许的最大出力，Nmin和Nmax的单位均为MW。
一种如上述所述的梯级水库生态调度系统的调度方法包括如下步骤：
步骤一、水温气象智能监测：首先水温气象智能监测平台的系统监控中心发布监测命令，监测命令通过电站监控中心传输至数据接收基站，数据接收基站接收监测命令后并远程控制水温监测单元，垂向温度链和表层温度球根据接收到的监测命令进行自动、连续地监测流域内的水温数据，同时数据接收基站同步采集气象数据，将获取的水温数据和气象数据此类监测数据经过数据接收基站传至电站监控中心，电站监控中心对接收到的监测数据进行存储和管理，并与系统监控中心共享；
步骤二、实时信息接入：梯级水库生态调度决策平台的调度信息层通过多种数据接口与不同的信息系统连接实现实时信息的共享，包括与水温气象智能监测平台共享水温气象监测数据，与气象部门共享流域的实时气象信息及气象预报信息，与水文监测站共享水文信息及水文预报信息，与水电站共享水库实时运行信息，所共享的实时信息分类存入实时信息数据库；
步骤三、水库水温预测：在生态调度期，水温预测模块根据水库水温实时信息、水文预报及气象预报，利用水库水温分布的预测模型预测下一调度时段水库水温的垂向分布，并计算叠梁门顶进水口处的温度梯度；
步骤四、上游水库水温调控：上游水库水温调控模块对上游水库进行水温调控，以改善产卵场的水温条件；
步骤五、末级水库流量调节：在水温调控过程中，水温响应单元调用存储在实时信息数据库中的产卵场实时水温，判断是否满足鱼类繁殖需求，如果产卵场水温不满足鱼类繁殖需求，则流量调控单元考虑上游水库的下泄流量及用电需求对末级水库进行常规调度；如果产卵场水温满足鱼类繁殖需求，则流量调控单元根据鱼类繁殖对流量过程的特定需求及流量的响应关系，调整末级水库的下泄流量以满足鱼类繁殖需求。
上述步骤四中上游水库水温调控的具体实现步骤如下：
步骤4.1：调控水库确定单元对上游水库中用叠梁门分层取水的水温分层型水库进行综合效益评估，将综合效益最大的水库确定为生态调度期的水温调控水库；
步骤4.2：调度方案生成单元根据来水情况，以水温调控水库为目标水库，从业务数据库中提取相似匹配度高的常规调度方案及分期情况，基于此，结合水文预报和水库水温预测，生成下一分期内配合叠梁门运行消落库水位或者常规调度和提前降低库水位的调度方案；位于水温调控水库上游的水库按照常规调度过程进行调度，位于水温调控水库下游的水库在按常规调度过程进行调度时需考虑水温调控水库的泄流过程；
步骤4.3：上游各水库根据生成的调度方案进行调度，当上游水库有分层取水措施时，需进行分层取水，分层取水操控单元调用调度信息层中相应水库的分层取水方案及实时水位，向各水库的分层取水操控中心发送命令，对水库进行分层取水，其中，水温调控水库利用叠梁门进行分层取水。
有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明以梯级水库为调度对象，针对产粘沉性卵鱼类的繁殖需求，采取上游水库配合叠梁门运行调控水温和末级水库调节流量的调度措施，通过上下游水库的协同调度，为产粘沉性卵鱼类繁殖创造较好的水温和流量条件，可操作性强，相对于只考虑水动力条件的生态调度方法，本发明更有效地促进了鱼类的繁殖。
(2)本发明通过配合叠梁门运行消落库水位的调度措施，实现了工程措施与非工程措施的配合使用，在利用叠梁门对水库分层取水的同时，改变库水位消落方式，使叠梁门尽可能取得水库表层水，最大限度地减缓了下泄低温水对下游生态环境，尤其对产粘沉性卵鱼类繁殖的影响，充分发挥了叠梁门分层取水的作用。
(3)本发明中的水温气象智能监测平台及系统运行支持平台，充分考虑了流域及监测对象的特点，采用的垂向温度链、表层温度球、气象监测装置等实现了长期、定点、连续监测流域内水温、气象变化，多种通信方式保证了监测数据的高效传输，监测数据的共享为生态调度方案的制定提供了有力的数据支撑，进而保证了生态调度的可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中垂向温度链的结构示意图；
图3为图1中表层温度球的结构示意图；
图4为本发明的调度方法流程图；
图5为本发明实施例中水温气象智能监测平台平面布置图；
图6为本发明实施例中水温分层水库所用的叠梁门示意图；
图7为本发明实施例中水温调控水库在生态调度期的水位过程线；
图8为本发明实施例中末级水库考虑鱼类繁殖需求的逐时出库流量过程线。
1、浮筒，2、温度链，3、重物，4、定滑轮，5、第一钢丝绳，6、调节浮子，7、漂浮球，8、第二钢丝绳，9、锚系，10、有挡链，11、抓地锚，12、叠梁门。
具体实施方式
以下将结合具体实施例来详细地说明本发明的技术方案，如图1至8所示，本发明提供一种面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库生态调度系统及其调度方法。
如图1所示，面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库生态调度系统，由水温气象智能监测平台、系统运行支持平台及梯级水库生态调度决策平台组成。
水温气象智能监测平台的构成及工作原理如下所述：
所述水温气象智能监测平台包括水温监测单元、数据接收基站、电站监控中心及系统监控中心，水温气象智能监测平台用于自动、连续获取流域内水温及气象信息，为生态调度提供必要的数据基础；所述水温监测单元包括在库区布设的垂向温度链及在干支流和产卵场布设的表层温度球，水温监测单元用于监测采集流域的水温数据；所述数据接收基站配有数据收发装置及气象监测装置，数据接收基站用于接收水温数据及采集气象数据，同时负责将水温气象数据上传至电站监控中心及接收和传达电站监控中心的监测命令；所述电站监控中心设于各梯级电站的管理中心，用于对数据接收基站上传的数据进行存储及管理，并实现与系统监控中心的信息共享；所述系统监控中心设于流域调度中心，负责向各梯级电站监控中心发布监测命令及接收电站监控中心上传的数据，并与梯级水库生态调度决策平台共享实时数据；
具体地，所述垂向温度链由浮筒1、温度链2、第一钢丝绳5、带定滑轮4的重物3及调节浮子6组成，如图2所示，浮筒1中配有数据采集控制装置、通信装置、供电装置及定位装置，温度链2由多个固定于防水电缆上的温度传感器及水位传感器组成，带定滑轮4的重物3沉于库底，第一钢丝绳5绕过定滑轮4在两端分别连接浮筒1及调节浮子6，调节浮子6根据水库水位的变化自动调节第一钢丝绳5的长度，温度链2固定于第一钢丝绳5上；所述垂向温度链用于监测库区的水温，在水库库尾、库中及进水口附近选取三个水温监测断面，在库尾和库中的监测断面上布设左、中、有三条采样垂线，在进水口附近的监测断面上，三条垂线平均布设在进水口前；温度链2上传感器的分布取决于水库水温分层特性，对于水温分层型水库，在同温层和滞温层每隔2.5m布设一个传感器，在温跃层每隔1m布设一个传感器；对于水温过渡型水库，垂向温度链上的传感器每隔2.5m布设一个；对于水温混合型水库，垂向温度链上的传感器每隔4m布设一个；温度链2上的温度传感器及水位传感器采集的数据通过防水电缆传输至浮筒1中的数据采集控制装置进行存储管理，通信装置再将水深、水温及位置信息传输至数据接收基站，实现长期、定点、连续、多层次监测水库水温变化；
所述表层温度球由漂浮球7、第二钢丝绳8及锚系9组成，如图3所示，漂浮球7中配有温度传感器、数据采集控制装置、通信装置、供电装置及定位装置，第二钢丝绳8两端分别连接漂浮球7及锚系9，漂浮球7通过锚系9固定在河道中，锚系9由有挡链10和抓地锚11构成，温度传感器及定位装置采集的水温数据及位置信息经数据采集控制装置存储管理后，通过通信装置传输至数据接收基站；所述表层温度球用于监测干支流及产卵场的水温，在最上游水库库尾的上游10km处、干支流交汇处、距支流河口上游10km处的河道深泓线上布设表层温度球，在鱼类产卵场控制断面的近左岸、近右岸及深泓线处布设表层温度球；
所述数据接收基站配有数据收发装置及气象监测装置，气象监测装置包括雨量计、气温传感器、光照计、风速/风向传感器等；所述数据接收基站布置在各梯级水库库中监测断面的左右两岸、干支流交汇口处及产卵场附近，垂向温度链和表层温度球在向数据接收基站传输数据时采取就近传输方式。
系统运行支持平台的构成及工作原理如下所述：
所述系统运行支持平台包括通信传输系统及网络系统，为系统运行提供物理保障，完成数据的传输及交流共享；所述通信传输系统采用有线信道为主、无线信道为备用的组网方式，完成水温气象智能监测平台数据的传输，实现水温监测单元、数据接收基站、电站监控中心及系统监控中心的四层双向通信；所述网络系统包括在梯级电站内部及流域调度中心组建局域网及在各机构之间组建专用广域网，通过提供网络服务完成数据的交流共享及多用户的异地会商；
具体地，所述通信传输系统采用如下方式布设通信线路：水温监测单元与数据接收基站之间采用CDMA无线通信方式传输数据，数据接收基站与电站监控中心之间通过布设专用线路采用有线通信方式传输数据，电站监控中心及系统监控中心之间通过租用公网采取有线通信方式进行数据传输，数据在传输过程中均通过加密处理。
梯级水库生态调度决策平台的构成及工作原理如下所述：
所述梯级水库生态调度决策平台按三层架构，分别为调度信息层、调度决策层及调度操作层，提供面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库生态调度决策；所述调度信息层搜集各类数据，并对数据进行存储及管理，为生态调度决策提供数据支撑；所述调度决策层在产粘沉性卵鱼类繁殖期，提供上游水库配合叠梁门运行调控水温和末级水库调节流量的协同调度方案，为鱼类繁殖提供适宜的水温流量条件，包括水温预测模块、上游水库水温调控模块、末级水库流量调节模块及地理信息系统；所述调度操作层为用户提供与系统交互的界面，基于地理信息系统提供的运行环境，实现不同用户的接入、信息的查询与展示以及多用户的异地会商，其中：系统会根据用户的身份授予不同的权限，用户可用多种客户端接入系统，包括电脑客户端、手机客户端等；
具体地，所述调度信息层具体包括基础信息数据库、实时信息数据库、业务数据库、鱼类信息数据库及空间信息数据库，其中：基础信息数据库中存储流域水文、气象历史数据、水利工程数据等；实时信息数据库通过网络系统与水温气象智能监测平台共享实时监测数据，与气象部门共享流域的实时气象信息及气象预报信息，与水文监测站共享水文信息及水文预报信息，与水电站共享水库实时运行信息；业务数据库中存储生态调度决策中需要与产生的业务数据，包括调度规则、调度参数及调度方案；鱼类信息数据库存储产粘沉性卵鱼类的生存现状、生长繁殖特性、生活习性、产卵场分布等信息；空间信息数据库中存储所有描述水资源要素空间分布特征的数据，包括行政区划、地形、河流、水系等信息；
所述调度决策层包括水温预测模块、上游水库水温调控模块、末级水库流量调节模块及地理信息系统，在产粘沉性卵鱼类繁殖期，提供上下游水库协同调度的调度决策方案，为鱼类繁殖提供适宜的水温、流量条件，其中：
所述水温预测模块，根据调度信息层长期、连续的水温气象监测数据及水文数据，运用BP神经网络对气象、水文与水库水温分层的相互关系进行训练学习，得出水库水温分布的预测模型，在生态调度期，根据水库水温实时信息、水文预报及气象预报，利用水库水温分布的预测模型预测下一调度时段水库水温的垂向分布，并计算叠梁门顶进水口处的水温梯度；
所述上游水库水温调控模块由调控水库确定单元、调度方案生成单元与分层取水操控单元组成，用于在产粘沉性卵鱼类繁殖期，对除末级水库之外的上游水库实施水温优化调控；所述调控水库确定单元对上游水库中用叠梁门分层取水的水温分层型水库进行综合效益评估，将综合效益最大的水库确定为生态调度期的水温调控水库；所述调度方案生成单元对水温调控水库采取配合叠梁门运行消落库水位或者常规调度和提前降低库水位的调度措施，改善产粘沉性卵鱼类产卵场的水温条件；所述分层取水操控单元用于对上游水库中有分层取水措施的水库实施分层取水；
所述末级水库流量调节模块由水温响应单元与流量调控单元组成，根据上游水库水温调控过程中产粘沉性卵鱼类产卵场的水温情况，对末级水库的下泄流量进行调控，使满足产粘沉性卵鱼类繁殖的流量需求；所述水温响应单元调用调度信息层的产卵场实时水温，并判断产卵场水温是否满足鱼类繁殖需求；所述流量调控单元对末级水库的下泄流量进行调节，在产卵场水温满足鱼类繁殖需求前，流量调控单元考虑上游水库的下泄流量及用电需求对末级水库进行调度，当产卵场水温满足鱼类繁殖需求后，流量调控单元根据鱼类繁殖对流量过程的特定需求及流量的响应关系，调整末级水库的下泄流量；
所述地理信息系统为调度操作层提供空间运行环境及空间分析应用多种功能，包括空间可视化、空间查询、空间分析、相关的地图操作及数据图表的浏览等，使具有空间属性的数据可以在地图上直接显示与查询。
下面对上游水库水温调控模块的工作原理进行详细说明：
所述调控水库确定单元采用如下公式对上游水库中用叠梁门分层取水的水温分层型水库进行综合效益评估，将综合效益最大的水库确定为生态调度期的水温调控水库：
V＝α1f1+α2f2
式中：V为水库的综合效益，f1表示目标水库进行水温调控时的生态效益，f2表示目标水库进行水温调控时的经济效益，α1为生态效益的权重值，α2为经济效益的权重值，且α1+α2＝1，在生态调度期时α1、α2根据调度目标进行确定；
f1表示水库的生态效益，具体表现为水库进行水温调控时对产卵场水温的改善程度：
式中：ΔT为水库进行水温调控时产卵场水温的变化量，为正值，T0表示不进行水温调控时产卵场的水温；
f2表示水库的经济效益，具体表现为水库进行水温调控时对发电量的影响程度：
式中：ΔE表示水库进行水温调控时发电量的变化量，为负值，E0表示不进行水温调控时水库的发电量；
所述调度方案生成单元对水温调控水库采取配合叠梁门运行消落库水位或者常规调度和提前降低库水位的调度方式，改善产粘沉性卵鱼类产卵场的水温条件，具体实现方式为：
①在产粘沉性卵鱼类繁殖期，基于同期水库常规调度过程，以每节叠梁门工作的上下限水位对应的时间为边界，将调度期分为若干分期，在每一分期内，水库水位在该节叠梁门工作的上下限水位间变动，将不同典型年调度方案的分期情况存入调度信息层的业务数据库；
②根据来水情况，从业务数据库中提取相似匹配度高的常规调度方案及分期情况，基于此，根据水库水温预测，判断下一分期叠梁门顶进水口处的水温梯度是否大于0.3℃/m，若大于，结合水文预报生成配合叠梁门运行消落库水位的调度方案，具体实现方式为：以分期内叠梁门顶的淹没水深和最小为目标函数，求取该分期的调度方案，充分发挥叠梁门的作用，反之，则按常规调度过程线进行调度；当库水位消落至无叠梁门挡水时，加大下泄流量，在最短时间内将水库水位降至死水位，实现提前降低库水位；
具体地，所述调度方案生成单元在叠梁门顶进水口处的水温梯度大于0.3℃/m时，以分期内的水位为自变量，在满足航运、防洪、电站出力等约束条件下，求取分期内叠梁门顶的淹没水深和F最小的调度方案：
(A)目标函数
式中，ht表示分期内t时段叠梁门顶的淹没水深，ht的单位为m，n表示分期内计算时段总数，ht＝Zt-H，其中，Zt表示分期内t时段的水库水位，H表示分期内叠梁门顶高程，在每一分期内H相同；
(B)约束条件
1)水库水量平衡约束
Vt+1＝(Q1-Q2)×Δt+Vt
式中：Δt为计算时段长度，Q1表示Δt时段内水库的入流量，Q2表示Δt时段内水库的泄流量，Q1和Q2的单位均为m3/s；Vt+1表示t+1时段末水库蓄水量，Vt表示t时段末水库蓄水量，Vt+1和Vt的单位均为亿m3；
2)水库蓄水位及水位日变幅约束
式中：Zt表示水库在t时段内的水位，ΔZt表示水库在t时段内的水位变幅，Zt和ΔZt的单位均为m；表示水库在t时段内的最低水位约束即该分期内叠梁门工作的下限水位，表示水库在t时段内的最高水位约束即该分期内叠梁门工作的上限水位；表示水库在t时段内允许的水位最小变幅，表示水库在t时段内允许的水位最大变幅；
3)水库下泄流量约束及流量日变幅约束
式中：Qt表示水库在t时段内的下泄流量，ΔQt表示水库在t时段内的下泄流量变幅，Qt和ΔQt的单位均为m3/s；表示水库在t时段的最小下泄流量约束，表示水库在t时段的最大下泄流量约束，同时考虑防洪、航运要求；表示水库在t时段内允许的下泄流量最小变幅，表示水库在t时段内允许的下泄流量最大变幅；
4)电站出力约束
Nmin≤AQtHt≤Nmax
式中：AQtHt表示t时段电站的平均出力且单位为MW，AQtHt中A为水轮机出力系数，Qt为t时段的发电流量且单位为m3/s，Ht为t时段的水轮机工作水头且单位为m；Nmin表示电站允许的最小出力，Nmax表示电站允许的最大出力，Nmin和Nmax的单位均为MW。
使用上述面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库生态调度系统进行调度的调度方法如图4所示，包括：
(一)水温气象智能监测：水温气象智能监测平台的系统监控中心发布监测命令，监测命令通过电站监控中心传至数据接收基站，数据接收基站远程控制水温监测单元，垂向温度链和表层温度球根据命令自动、连续地监测流域水温数据，数据接收基站同步采集气象信息，所获取的水温气象数据经数据接收基站传至电站监控中心，电站监控中对数据进行存储及管理，并与系统监控中心共享；
(二)实时信息接入：梯级水库生态调度决策平台的调度信息层通过多种数据接口与不同的信息系统连接实现实时信息的共享，包括与水温气象智能监测平台共享水温气象监测数据，与气象部门共享流域的实时气象信息及气象预报信息，与水文监测站共享水文信息及水文预报信息，与水电站共享水库实时运行信息，所共享的实时信息均分类存入实时信息数据库；
(三)水库水温预测：在生态调度期，水温预测模块根据水库水温实时信息、水文预报及气象预报，利用水库水温分布的预测模型预测下一调度时段水库水温的垂向分布，并计算叠梁门顶进水口处的温度梯度；
(四)上游水库水温调控：上游水库水温调控模块对上游水库进行水温调控，以改善产卵场的水温条件，具体包括以下步骤：
①调控水库确定单元对上游水库中用叠梁门分层取水的水温分层型水库进行综合效益评估，将综合效益最大的水库确定为生态调度期的水温调控水库；
②调度方案生成单元根据来水情况，以水温调控水库为目标水库，从业务数据库中提取相似匹配度高的常规调度方案及分期情况，基于此，结合水文预报和水库水温预测，生成下一分期内配合叠梁门运行消落库水位或者常规调度和提前降低库水位的调度方案；位于水温调控水库上游的水库按照常规调度过程进行调度，位于水温调控水库下游的水库在按常规调度过程进行调度时需考虑水温调控水库的泄流过程；
③上游各水库根据生成的调度方案进行调度，当上游水库有分层取水措施时，需进行分层取水，分层取水操控单元调用调度信息层中相应水库的分层取水方案及实时水位，向各水库的分层取水操控中心发送命令，对水库进行分层取水，其中，水温调控水库利用叠梁门进行分层取水；
(五)末级水库流量调节：在水温调控过程中，水温响应单元调用存储在实时信息数据库中的产卵场实时水温，判断是否满足鱼类繁殖需求，如果产卵场水温不满足鱼类繁殖需求，则流量调控单元考虑上游水库的下泄流量及用电需求对末级水库进行常规调度；如果产卵场水温满足鱼类繁殖需求，则流量调控单元根据鱼类繁殖对流量过程的特定需求及流量的响应关系，调整末级水库的下泄流量以满足鱼类繁殖需求。
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在本实施例中，选取长江上游某河段的四个梯级水库为调度对象，该河段全长约为768km，总落差为719m，具有径流丰沛且较稳定、河道落差大、水能资源丰富、开发条件较好等特点，为合理开发利用水资源，在该河段从上游到下游分别建设了大坝D1、大坝D2、大坝D3、大坝D4共四座水电站(如图5所示)，形成了梯级水库，均为高坝大库，兼具发电、防洪、航运、生态等综合效益，其中：D1、D2、D3水库水温分层明显，采用叠梁门分层取水(叠梁门12如图6所示)，D4水库水温分层不明显；梯级水库的修建及运行，严重影响了D4水库下游白鲟、达氏鲟、胭脂鱼等产粘沉性卵鱼类的繁殖和生长，运用本发明提供的面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库生态调度系统及其调度方法，开展所述四个梯级水库的生态调度。
如图5所示，在上述河段内布设水温监测单元、数据接收基站、电站监控中心及系统监控中心，构成水温气象智能监测平台。
在水库D1、D2、D3、D4的库尾、库中及进水口附近选取三个水温监测断面布设垂向温度链，在库尾和库中的监测断面上布设左、中、右三条采样垂线，在进水口附近的监测断面上，三条垂线平均布设在进水口前，温度链2上传感器的分布取决于水库水温分层特性，对于水库水温分层明显的水库D1、D2、D3，在同温层和滞温层每隔2.5m布设一个传感器，在温跃层每隔1m布设一个传感器，对于水温分层不明显的水库D4，垂向温度链上的传感器每隔2.5m布设一个；在D1水库库尾上游10km处、干支流交汇处、距支流河口上游10km处设置水温监测断面，在监测断面的河道深泓线上布设表层温度球，在鱼类产卵场控制断面的近左岸、近右岸及深泓线处布设表层温度球。
垂向温度链由浮筒1、温度链2、第一钢丝绳5、带定滑轮4的重物3及调节浮子6组成，如图2所示，其中：浮筒1中配有数据采集控制装置、通信装置、供电装置及定位装置，温度链2由多个固定于防水电缆上的温度传感器及水位传感器组成，带定滑轮4的重物3沉于库底，第一钢丝绳5绕过定滑轮4在两端分别连接浮筒1及调节浮子6，调节浮子6根据水库水位的变化自动调整第一钢丝绳5的长度，温度链2固定于第一钢丝绳5上；所述表层温度球由漂浮球7、第二钢丝绳8及锚系9组成，如图3所示，漂浮球7中配有温度传感器、数据采集控制装置、通信装置、供电装置及定位装置，第二钢丝绳8两端分别连接漂浮球7及锚系9，漂浮球7通过锚系9固定在河道中，锚系9由有挡链10和抓地锚11构成。
数据采集装置采用华云仪器设备有限公司的CJ-1型数据采集器，完成数据采集、存储、传输和过程控制等功能，通信装置采用广州迈思电子有限公司提供的DMX512收发器，供电装置采用硅太阳能电池和铅酸蓄电池组组合供电，定位装置采用GPS定位仪；垂向温度链上的温度传感器采用北京时域通科技有限公司提供的链式温度传感器，测量精度为0.1℃，分辨率为0.05℃，测量范围为-20～80℃，最大长度为300m，水位传感器采用杭州美控自动化技术有限公司提供的MIK-P260型号，测量精度为0.01m，测量范围为0～300m；表层温度球上的温度传感器采用佛山顺德区卓新传感科技有限公司提供的DS18B20型号，测量精度为0.1℃，分辨率为0.05℃，测量范围为-50℃～125℃。
在水库D1、D2、D3、D4的库中监测断面的左右两岸、干支流交汇口处及产卵场附近布置数据接收基站，数据接收基站配有数据收发装置及气象监测装置，气象监测装置包括雨量计、气温传感器、光照计、风速/风向传感器等，垂向温度链和表层温度球在向数据接收基站传输数据时采取就近传输方式。
雨量计采用华云仪器设备有限公司的SRY-2型号，测量范围为0.1～6mm/min，测量精度为±0.2mm，分辨率为0.1mm，承水口径为200mm；气温传感器采用上海同倍监测科技有限公司的DT-8891D型号，测量范围为-30～55℃，精度为0.5℃，分辨率为0.1℃；光照计采用海华岩仪器设备有限公司的LI-250A型号，可以显示瞬时光照强度或15秒内光照强度的平均值；风速/风向传感器采用上海森创电子的CEM感应式传感器，测量范围为0～80m/s，精度为0.3m/s，分辨率为0.1m/s，风向测量范围为0～360°，精度为4°，分辨率为1°。
在D1、D2、D3、D4电站的管理中心分别布设电站监控中心，电站监控中心负责对数据接收基站上传的数据进行接收、存储及管理，并实现与系统监控中心的信息共享，D1电站监控中心接收数据的范围为D1上游，D2、D3电站监控中心接收数据的范围为该电站至上级电站，D4电站监控中心接收数据的范围上至上级电站，下至产粘沉性卵鱼类产卵场。
在该河段调度中心设置系统监控中心，负责向各梯级电站监控中心发布监测命令及接收电站监控中心上传的数据，并与梯级水库生态调度决策平台共享实时数据。
在上述河段内通信传输系统通过布设通信线路实现监测数据在水温监测单元、数据接收基站、电站监控中心及系统监控中心的四层双向传输，其中：水温监测单元与数据接收基站之间采用CDMA无线通信方式传输数据，数据接收基站与电站监控中心之间通过布设专用线路采用有线通信方式传输数据，电站监控中心及系统监控中心之间通过租用公网采取有线通信方式进行数据传输，数据在传输过程中均通过加密处理。
网络系统在D1、D2、D3、D4电站内部及河段调度中心组建局域网，并在各机构之间组建专用广域网，通过提供网络服务完成数据的交流共享及多用户的异地会商。
如图4所示，为本发明的调度方法流程图，具体调度过程包括：
(一)水温气象智能监测：位于河段调度中心的系统监控中心向各梯级电站的监控中心发布监测命令，监测命令通过电站监控中心传至数据接收基站，数据接收基站远程控制水温监测单元，垂向温度链和表层温度球根据命令自动、连续地监测流域水温数据，水温数据传至最近的数据接收基站，同时，数据接收基站同步采集气象信息，所获取的水温气象数据经数据接收基站传至电站监控中心，电站监控中心对数据进行存储及管理，并与系统监控中心共享；
(二)实时信息接入：梯级水库生态调度决策平台的调度信息层通过多种数据接口与不同的信息系统连接实现实时信息的共享，包括与水温气象智能监测平台共享水温气象监测数据，与气象部门共享流域的实时气象信息及气象预报信息，与水文监测站共享水文信息及水文预报信息，与水电站共享水库实时运行信息，所共享的实时信息均分类存入实时信息数据库；
(三)水库水温预测：在生态调度期，水温预测模块根据各水库水温实时信息、水文预报及气象预报，利用水库水温分布的预测模型预测下一调度时段水库水温的垂向分布，并计算叠梁门顶进水口处的温度梯度；
(四)上游水库水温调控：上游水库水温调控模块对上游水库进行水温调控，以改善产卵场的水温条件，具体包括以下步骤：
①调控水库确定单元采用如下公式对上游水库中用叠梁门分层取水的水温分层型水库进行综合效益评估，并将综合效益最大的水库确定为生态调度期的水温调控水库：
V＝α1f1+α2f2
式中：V为水库的综合效益，f1表示目标水库进行水温调控时的生态效益，f2表示目标水库进行水温调控时的经济效益，α1为生态效益的权重值，α2为经济效益的权重值，且α1+α2＝1，在生态调度期时α1、α2根据调度目标进行确定；
f1表示水库的生态效益，具体表现为水库进行水温调控时对产卵场水温的改善程度：
式中：ΔT为水库进行水温调控时产卵场水温的变化量，为正值，T0表示不进行水温调控时产卵场的水温；
f2表示水库的经济效益，具体表现为水库进行水温调控时对发电量的影响程度：
式中：ΔE表示水库进行水温调控时发电量的变化量，为负值，E0表示不进行水温调控时水库的发电量；
经计算，将D2水库确定为水温调控水库；
②调度方案生成单元根据来水情况，以水温调控水库D2为目标水库，从业务数据库中提取相似匹配度高的常规调度方案及分期情况，对调度期进行分期的具体方法为：在产粘沉性卵鱼类繁殖期，基于同期水库常规调度过程，以每节叠梁门工作的上下限水位对应的时间为边界，将调度期分为若干分期，在每一分期内，水库水位在该节叠梁门工作的上下限水位间变动，如图7所示；
基于选取的调度方案及分期情况，根据水库水温预测，判断下一分期叠梁门顶进水口处的水温梯度是否大于0.3℃/m，若大于，结合水文预报生成配合叠梁门运行消落库水位的调度方案，具体实现方式为：以分期内叠梁门顶的淹没水深和最小为目标函数，求取该分期的调度方案，充分发挥叠梁门的作用，反之，则按常规调度过程线进行调度；当库水位消落至无叠梁门挡水时，加大下泄流量，在最短时间内将水库水位降至死水位，实现提前降低库水位，如图7所示；位于水温调控水库上游的水库按照常规调度过程进行调度，位于水温调控水库下游的水库在按常规调度过程进行调度时需考虑水温调控水库的泄流过程；其中，以分期内叠梁门顶的淹没水深和最小为目标函数，求取该分期调度方案的方法如下：
以分期内的水位为自变量，在满足航运、防洪、电站出力等约束条件下，求取分期内叠梁门顶的淹没水深和F最小的调度方案：
(A)目标函数
式中，ht表示分期内t时段叠梁门顶的淹没水深，ht的单位为m，n表示分期内计算时段总数，ht＝Zt-H，其中，Zt表示分期内t时段的水库水位，H表示分期内叠梁门顶高程，在每一分期内H相同；
(B)约束条件
1)水库水量平衡约束
Vt+1＝(Q1-Q2)×Δt+Vt
式中：Δt为计算时段长度，Q1表示Δt时段内水库的入流量，Q2表示Δt时段内水库的泄流量，Q1和Q2的单位均为m3/s；Vt+1表示t+1时段末水库蓄水量，Vt表示t时段末水库蓄水量，Vt+1和Vt的单位均为亿m3；
2)水库蓄水位及水位日变幅约束
式中：Zt表示水库在t时段内的水位，ΔZt表示水库在t时段内的水位变幅，Zt和ΔZt的单位均为m；表示水库在t时段内的最低水位约束即该分期内叠梁门工作的下限水位，表示水库在t时段内的最高水位约束即该分期内叠梁门工作的上限水位；表示水库在t时段内允许的水位最小变幅，表示水库在t时段内允许的水位最大变幅；
3)水库下泄流量约束及流量日变幅约束
式中：Qt表示水库在t时段内的下泄流量，ΔQt表示水库在t时段内的下泄流量变幅，Qt和ΔQt的单位均为m3/s；表示水库在t时段的最小下泄流量约束，表示水库在t时段的最大下泄流量约束，同时考虑防洪、航运要求；表示水库在t时段内允许的下泄流量最小变幅，表示水库在t时段内允许的下泄流量最大变幅；
4)电站出力约束
Nmin≤AQtHt≤Nmax
式中：AQtHt表示t时段电站的平均出力且单位为MW，AQtHt中A为水轮机出力系数，Qt为t时段的发电流量且单位为m3/s，Ht为t时段的水轮机工作水头且单位为m；Nmin表示电站允许的最小出力，Nmax表示电站允许的最大出力，Nmin和Nmax的单位均为MW；
③上游各水库根据生成的调度方案进行调度，当上游水库有分层取水措施时，需进行分层取水，分层取水操控单元调用调度信息层中相应水库的分层取水方案及实时水位，向各水库的分层取水操控中心发送命令，对水库进行分层取水，其中，水温调控水库利用叠梁门进行分层取水；
(五)末级水库流量调节：在水温调控过程中，水温响应单元调用存储在实时信息数据库中的产卵场实时水温，判断是否满足鱼类繁殖需求，如果产卵场水温不满足鱼类繁殖需求，则流量调控单元考虑上游水库的下泄流量及用电需求对末级水库进行常规调度；如果产卵场水温满足鱼类繁殖需求，则流量调控单元根据鱼类繁殖对流量过程的特定需求及流量的响应关系，调整末级水库的下泄流量以满足鱼类繁殖需求，如图8所示。
按上述步骤对梯级水库实施生态调度，极大地改善了梯级电站下游产粘沉性卵鱼类产卵场的水动力及水温条件，促进了产粘沉性卵鱼类的繁殖，显著提升了梯级水库的生态效益。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库调控系统，其特征在于：由水温气象智能监测平台、系统运行支持平台和梯级水库生态调度决策平台构成；
水温气象智能监测平台由水温监测单元、数据接收基站、电站监控中心和系统监控中心构成，用于自动、连续获取流域内水温及气象信息，为生态调度提供数据基础；
系统运行支持平台由通信传输系统和网络系统构成，为系统运行提供物理保障，完成数据的传输及交流共享；
梯级水库生态调度决策平台由调度信息层、调度决策层和调度操作层这三层架构组成，用于提供面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库生态调度决策；
所述水温监测单元由用于监测水库水温的垂向温度链和用于监测干支流及产卵场水温的表层温度球构成，水温监测单元用于监测采集流域的水温数据；所述数据接收基站由数据收发装置和气象监测装置构成，数据接收基站用于接收水温数据及采集气象数据，同时负责将水温气象数据上传至电站监控中心及接收和传达电站监控中心的监测命令；所述电站监控中心设于各梯级电站的管理中心，用于对数据接收基站上传的数据进行存储及管理，并实现与系统监控中心的信息共享；所述系统监控中心设于流域调度中心，负责向各梯级电站监控中心发布监测命令及接收电站监控中心上传的数据，并与梯级水库生态调度决策平台共享实时数据；
所述调度信息层由基础信息数据库、实时信息数据库、业务数据库、鱼类信息数据库和空间信息数据库构成，调度信息层用于搜集各类数据，并对数据进行存储及管理，为生态调度决策提供数据支撑；
所述基础信息数据库用于存储流域水文、气象历史数据和水利工程数据；实时信息数据库通过网络系统与水温气象智能监测平台共享实时监测数据，与气象部门共享流域的实时气象信息及气象预报信息、与水文监测站共享水文信息及水文预报信息以及与水电站共享水库实时运行信息；业务数据库用于存储生态调度决策中需要与产生的业务数据，业务数据包括调度规则、调度参数和调度方案；鱼类信息数据库用于存储产粘沉性卵鱼类的生存现状、生长繁殖特性、生活习性和产卵场分布的信息；空间信息数据库用于存储所有描述水资源要素空间分布特征的数据，包括行政区划、地形、河流和水系信息；
所述调度决策层由水温预测模块、上游水库水温调控模块、末级水库流量调节模块和地理信息系统构成，调度决策层用于在产粘沉性卵鱼类繁殖期，提供上下游水库协同调度的调度决策方案，为鱼类繁殖提供适宜的水温、流量条件；
所述水温预测模块，通过调度信息层长期、连续的水温气象监测数据及水文数据，运用BP神经网络对气象、水文与水库水温分层的相互关系进行训练学习，得出水库水温分布的预测模型，用于在生态调度期，根据水库水温实时信息、水文预报及气象预报，利用水库水温分布的预测模型预测下一调度时段水库水温的垂向分布，并计算叠梁门顶进水口处的水温梯度；
所述上游水库水温调控模块由调控水库确定单元、调度方案生成单元和分层取水操控单元构成，上游水库水温调控模块用于在产粘沉性卵鱼类繁殖期，对除末级水库之外的上游水库实施水温优化调控；所述调控水库确定单元用于对上游水库中用叠梁门分层取水的水温分层型水库进行综合效益评估，将综合效益最大的水库确定为生态调度期的水温调控水库；所述调度方案生成单元用于对水温调控水库采取配合叠梁门运行消落库水位或者常规调度和提前降低库水位的调度措施，改善产粘沉性卵鱼类产卵场的水温条件；所述分层取水操控单元用于对上游水库中有分层取水措施的水库实施分层取水；
所述末级水库流量调节模块由水温响应单元和流量调控单元构成，末级水库流量调节模块根据上游水库水温用于调控过程中产粘沉性卵鱼类产卵场的水温情况，对末级水库的下泄流量进行调控，使满足产粘沉性卵鱼类繁殖的流量需求；所述水温响应单元用于调用调度信息层的产卵场实时水温，并判断产卵场水温是否满足鱼类繁殖需求；所述流量调控单元用于对末级水库的下泄流量进行调节，在产卵场水温满足鱼类繁殖需求前，流量调控单元考虑上游水库的下泄流量及用电需求对末级水库进行调度，当产卵场水温满足鱼类繁殖需求后，流量调控单元根据鱼类繁殖对流量过程的特定需求及流量的响应关系，调整末级水库的下泄流量；
所述地理信息系统用于为调度操作层提供空间运行环境和空间分析应用的功能，具体包括空间可视化、空间查询、空间分析、相关的地图操作和数据图表的浏览功能，使具有空间属性的数据可以在地图上直接显示与查询；
所述调度操作层用于为用户提供与系统交互的界面，基于地理信息系统提供的运行环境，实现不同用户的接入、信息的查询与展示以及多用户的异地会商。
2.根据权利要求1所述的面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库调控系统，其特征在于：
所述通信传输系统由有线信道为主、无线信道为备用的组网方式构成，通信传输系统完成水温气象智能监测平台数据的传输，实现水温监测单元、数据接收基站、电站监控中心及系统监控中心的四层双向通信；所述网络系统由在梯级电站内部及流域调度中心组建的局域网和在各机构之间组建的专用广域网构成，网络系统通过提供网络服务完成数据的交流共享及多用户的异地会商。
3.根据权利要求2所述的面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库调控系统，其特征在于：所述用于监测水库水温的垂向温度链由浮筒、带定滑轮的重物、调节浮子、两端连接浮筒以及调节浮子并绕过定滑轮的第一钢丝绳和固定设置在第一钢丝绳上的温度链构成，所述浮筒中设置有数据采集控制装置、通信装置、供电装置和定位装置，所述带定滑轮的重物沉于库底，所述温度链由若干个固定于防水电缆上的温度传感器和水位传感器构成，温度链上的温度传感器及水位传感器采集的数据通过防水电缆传输至浮筒中的数据采集控制装置进行存储管理，通信装置再将水深、水温及位置信息传输至数据接收基站；
所述用于监测干支流及产卵场水温的表层温度球由漂浮球、锚系和两端连接漂浮球和锚系的第二钢丝绳构成，所述漂浮球中设置有温度传感器、数据采集控制装置、通信装置、供电装置和定位装置，所述漂浮球通过锚系固定设置在河道中，所述锚系由有挡链和抓地锚构成；温度传感器及定位装置采集的水温数据及位置信息经数据采集控制装置存储管理后，通过通信装置传输至数据接收基站。
4.根据权利要求1所述的面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库调控系统，其特征在于：所述通信传输系统通过布设通信线路实现监测数据在水温监测单元、数据接收基站、电站监控中心和系统监控中心的四层双向传输；
所述水温监测单元与数据接收基站之间采用CDMA无线通信方式传输数据，数据接收基站与电站监控中心之间通过布设专用线路采用有线通信方式传输数据，电站监控中心与系统监控中心之间通过租用公网采取有线通信方式传输数据，数据在传输过程中均通过加密处理。
5.根据权利要求1至4任一项所述的面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库调控系统的调控方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、水温气象智能监测：首先水温气象智能监测平台的系统监控中心发布监测命令，监测命令通过电站监控中心传输至数据接收基站，数据接收基站接收监测命令后并远程控制水温监测单元，垂向温度链和表层温度球根据接收到的监测命令进行自动、连续地监测流域内的水温数据，同时数据接收基站同步采集气象数据，将获取的水温数据和气象数据此类监测数据经过数据接收基站传至电站监控中心，电站监控中心对接收到的监测数据进行存储和管理，并与系统监控中心共享；
步骤二、实时信息接入：梯级水库生态调度决策平台的调度信息层通过多种数据接口与不同的信息系统连接实现实时信息的共享，包括与水温气象智能监测平台共享水温气象监测数据，与气象部门共享流域的实时气象信息及气象预报信息，与水文监测站共享水文信息及水文预报信息，与水电站共享水库实时运行信息，所共享的实时信息分类存入实时信息数据库；
步骤三、水库水温预测：在生态调度期，水温预测模块根据水库水温实时信息、水文预报及气象预报，利用水库水温分布的预测模型预测下一调度时段水库水温的垂向分布，并计算叠梁门顶进水口处的温度梯度；
步骤四、上游水库水温调控：上游水库水温调控模块对上游水库进行水温调控，以改善产卵场的水温条件；
步骤五、末级水库流量调节：在水温调控过程中，水温响应单元调用存储在实时信息数据库中的产卵场实时水温，判断是否满足鱼类繁殖需求，如果产卵场水温不满足鱼类繁殖需求，则流量调控单元考虑上游水库的下泄流量及用电需求对末级水库进行常规调度；如果产卵场水温满足鱼类繁殖需求，则流量调控单元根据鱼类繁殖对流量过程的特定需求及流量的响应关系，调整末级水库的下泄流量以满足鱼类繁殖需求。
6.根据权利要求5所述的面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库调控系统的调控方法，其特征在于：所述步骤四中上游水库水温调控的具体实现步骤如下：
步骤4.1：调控水库确定单元对上游水库中用叠梁门分层取水的水温分层型水库进行综合效益评估，将综合效益最大的水库确定为生态调度期的水温调控水库；
步骤4.2：调度方案生成单元根据来水情况，以水温调控水库为目标水库，从业务数据库中提取相似匹配度高的常规调度方案及分期情况，基于此，结合水文预报和水库水温预测，生成下一分期内配合叠梁门运行消落库水位或者常规调度和提前降低库水位的调度方案；位于水温调控水库上游的水库按照常规调度过程进行调度，位于水温调控水库下游的水库在按常规调度过程进行调度时需考虑水温调控水库的泄流过程；
步骤4.3：上游各水库根据生成的调度方案进行调度，当上游水库有分层取水措施时，需进行分层取水，分层取水操控单元调用调度信息层中相应水库的分层取水方案及实时水位，向各水库的分层取水操控中心发送命令，对水库进行分层取水，其中，水温调控水库利用叠梁门进行分层取水。
7.根据权利要求6所述的面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库调控系统的调控方法，其特征在于：所述步骤4.1中调控水库确定单元采用如下公式用于对符合要求的水库进行综合效益评估：
V＝α1f1+α2f2
式中：V为水库的综合效益，f1表示目标水库进行水温调控时的生态效益，f2表示目标水库进行水温调控时的经济效益，α1为生态效益的权重值，α2为经济效益的权重值，且α1+α2＝1，在生态调度期时α1、α2根据调度目标进行确定；
f1表示水库的生态效益，具体表现为水库进行水温调控时对产卵场水温的改善程度：
<mrow>
<msub>
<mi>f</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>T</mi>
</mrow>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
式中：ΔT为水库进行水温调控时产卵场水温的变化量，为正值，T0表示不进行水温调控时产卵场的水温；
f2表示水库的经济效益，具体表现为水库进行水温调控时对发电量的影响程度：
<mrow>
<msub>
<mi>f</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>E</mi>
</mrow>
<msub>
<mi>E</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
式中：ΔE表示水库进行水温调控时发电量的变化量，为负值，E0表示不进行水温调控时水库的发电量。
8.根据权利要求6所述的面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库调控系统的调控方法，其特征在于：所述步骤4.2中调度方案生成单元的具体实现步骤如下：
步骤4.2.1：在产粘沉性卵鱼类繁殖期，基于同期水库常规调度过程，以每节叠梁门工作的上下限水位对应的时间为边界，将调度期分为若干分期，在每一分期内，水库水位在该节叠梁门工作的上下限水位间变动，将不同典型年调度方案的分期情况进行输入并存入调度信息层的业务数据库；
步骤4.2.2：根据来水情况，从业务数据库中提取相似匹配度高的常规调度方案及分期情况，然后根据水库水温预测，判断下一分期叠梁门顶进水口处的水温梯度是否大于0.3℃/m，若大于，结合水文预报生成配合叠梁门运行消落库水位的调度方案，以分期内叠梁门顶的淹没水深和最小为目标函数，求取该分期的调度方案，充分发挥叠梁门的作用，若小于，则按常规调度过程线进行调度；当库水位消落至无叠梁门挡水时，加大下泄流量，在最短时间内将水库水位降至死水位，实现提前降低库水位。
9.根据权利要求8所述的面向产粘沉性卵鱼类繁殖需求的梯级水库调控系统的调控方法，其特征在于：所述步骤4.2.2中当调度方案生成单元在叠梁门顶进水口处的水温梯度大于0.3℃/m时，以分期内的水位为自变量，在满足水库水量平衡约束、水库蓄水位及水位日变幅约束、水库下泄流量约束及流量日变幅约束和电站出力约束的约束条件下，分期内叠梁门顶的淹没水深和F最小的目标函数如下：
<mrow>
<mi>F</mi>
<mo>=</mo>
<mi>m</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>t</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>n</mi>
</munderover>
<msub>
<mi>h</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
</mrow>
式中，ht表示分期内t时段叠梁门顶的淹没水深，ht的单位为m，n表示分期内计算时段总数，ht＝Zt-H，其中，Zt表示分期内t时段的水库水位，H表示分期内叠梁门顶高程，在每一分期内H相同；
其中水库水量平衡约束为：
Vt+1＝(Q1-Q2)×Δt+Vt
式中：Δt为计算时段长度，Q1表示Δt时段内水库的入流量，Q2表示Δt时段内水库的泄流量，Q1和Q2的单位均为m3/s；Vt+1表示t+1时段末水库蓄水量，Vt表示t时段末水库蓄水量，Vt+1和Vt的单位均为亿m3；
其中水库蓄水位及水位日变幅约束为：
<mrow>
<msubsup>
<mi>Z</mi>
<mi>t</mi>
<mi>min</mi>
</msubsup>
<mo>&le;</mo>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
<mo>&le;</mo>
<msubsup>
<mi>Z</mi>
<mi>t</mi>
<mi>max</mi>
</msubsup>
</mrow>
<mrow>
<msubsup>
<mi>&Delta;Z</mi>
<mi>t</mi>
<mi>min</mi>
</msubsup>
<mo>&le;</mo>
<msub>
<mi>&Delta;Z</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
<mo>&le;</mo>
<msubsup>
<mi>&Delta;Z</mi>
<mi>t</mi>
<mi>max</mi>
</msubsup>
</mrow>
式中：Zt表示水库在t时段内的水位，ΔZt表示水库在t时段内的水位变幅，Zt和ΔZt的单位均为m；表示水库在t时段内的最低水位约束即该分期内叠梁门工作的下限水位，表示水库在t时段内的最高水位约束即该分期内叠梁门工作的上限水位；表示水库在t时段内允许的水位最小变幅，表示水库在t时段内允许的水位最大变幅；
其中水库下泄流量约束及流量日变幅约束为：
<mrow>
<msubsup>
<mi>Q</mi>
<mi>t</mi>
<mi>min</mi>
</msubsup>
<mo>&le;</mo>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
<mo>&le;</mo>
<msubsup>
<mi>Q</mi>
<mi>t</mi>
<mi>max</mi>
</msubsup>
</mrow>
<mrow>
<msubsup>
<mi>&Delta;Q</mi>
<mi>t</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</msubsup>
<mo>&le;</mo>
<msub>
<mi>&Delta;Q</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
<mo>&le;</mo>
<msubsup>
<mi>&Delta;Q</mi>
<mi>t</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msubsup>
</mrow>
式中：Qt表示水库在t时段内的下泄流量，ΔQt表示水库在t时段内的下泄流量变幅，Qt和ΔQt的单位均为m3/s；表示水库在t时段的最小下泄流量约束，表示水库在t时段的最大下泄流量约束，同时考虑防洪、航运要求；表示水库在t时段内允许的下泄流量最小变幅，表示水库在t时段内允许的下泄流量最大变幅；
其中电站出力约束为：
Nmin≤AQtHt≤Nmax
式中：AQtHt表示t时段电站的平均出力且单位为MW，AQtHt中A为水轮机出力系数，Qt为t时段的发电流量且单位为m3/s，Ht为t时段的水轮机工作水头且单位为m；Nmin表示电站允许的最小出力，Nmax表示电站允许的最大出力，Nmin和Nmax的单位均为MW。
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