CN107506909A - 鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统及方法，系统由信息收集模块、数据监测模块、栖息地模拟模块、调度模拟模块与实时调控模块构成。本发明充分结合上、下游各河段多种鱼类栖息地的基本信息和实时信息，并通过对各河段多种鱼类栖息地模拟及调度模拟分析，给各河段设定不同的生态保证率，并且明确生态保证率与生态流量范围之间的关系，提高了生态调度控制的灵活性和高效性，实现了梯级水库水电站群的联合生态调度，实用性强、推广前景广阔。

Description

鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统及方法，属于水利水电领域的工程运行调度技术领域。

背景技术

梯级水库水电站群优化调度是多目标、多约束和复杂水利工程的优化调度问题，特别是对于承担发电、供水、生态等多任务的水电站系统，优化调度技术的研究以及调度控制系统的开发都有一定难度。

我国已建成金沙江、雅砻江、长江上游、澜沧江、黄河上游等水电基地，梯级水库水电站群在各处已初具规模。目前常规水库水电站调度是基于水资源充分利用、经济效益最大化的目标，主要任务是协调防洪安全和发电效益之间的关系，而往往忽视由于水利水电工程对生态环境造成的重大影响。近年来，我国对生态文明建设提出了明确要求，因此逐渐开始关注水利工程的生态效益以及同时带来的一系列生态问题。由于水利工程的兴建与运用，给与之有水力联系的河道、河口等生态系统造成了负面影响，关于这方面的研究，一开始是研究某类特定由水库调度运行影响造成的生态环境问题及相应缓解方法，目前正逐渐形成综合考虑生态需求的水利工程调度技术，将生态保护的各方面工作引进水利水电工程调度，通过结合生态需水量和生态需水过程的评估来制定工程生态调度方案。

随着水利工程生态调度问题逐渐成为研究热点，水文学法、水力学法、栖息地模拟法及综合法都在该领域得到广泛运用，但一般以应用于具体工程进行研究为主，考虑单一生态系统特别是将下游近坝段的生态需水作为研究对象的研究成果较多，而对整条河流各段生态系统的统筹保护、梯级水利工程系统的生态调度技术还不成熟，相关的数据监测、信息整合、预估模拟、调度决策等平台也都还有待建立、完善并进行相互耦合，基于各种技术方案的不同生态调度控制系统还在探索和初步应用的阶段。专利申请号CN201510702468.X公开了一种梯级水电站群生态调控智能控制系统，在各生态目标的调控中多采用简化过程，例如基于实时监测信息的智能推理分析，当四大家鱼繁殖水域需要生态调控时则持续增加下泄流量，从而保障家鱼的繁殖，这样的调控手段能够有效缓解生态问题，但存在一定滞后性，优化方案也缺乏精准性，因此在技术手段方面还有很大的提高空间。

其他关于考虑鱼类栖息地保护的水库调度研究成果主要有：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，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，文章《三峡水库生态调度目标研究》、《基于WUA的戛洒江一级水库生态调度研究》都是基于物理栖息地模型提出了确定水库生态调度目标的方法，并进行水库优化调度。不过，上述研究都是针对单一水库的。

在梯级水库群的系统调度中，应从各局部河段、各个生态系统的生态需水机制出发，考虑各系统间的重复部分从而整合梯级水库系统的生态要求，系统、综合地实现梯级水库的生态调度。然而，各河段不同鱼类的栖息地的生态需水情况各不相同，往往无法同时保证各河段都达到最优状态。同时，梯级水库水电站群的多目标优化调度最基本的要求就是要统筹好上下游的防洪安全、发电效益和生态效益之间的关系，要在各方面作不同程度的让步以获得最大的整体综合效益。在相关研究中，专利申请号CN201610808570.2基于叠梁门可灵活控制下泄水温的特点，公开了一种配合叠梁门运行对梯级水库进行生态调控改善产粘沉性卵鱼类产卵场的水温及水动力条件的梯级水库调控系统及方法，《基于改进遗传算法的生态友好型水库调度》一文结合了锦屏梯级水库河段当地情况，选取了本地细鳞裂腹鱼的生态需水过程作为河段生态需水量，设置锦屏一级和二级电站水轮机组下泄的流量生态约束，但将鱼类栖息地模型中的最适宜生态流量作为约束条件，一定程度上忽略了多目标问题的统筹考虑，在该文结论部分也指出这一问题，但未对生态保证率的定义及多目标方案的制定与实现作具体分析。

因此，为了克服上述问题，需要一种能够集成数据监测与分析技术、多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统及方法，需要解决的关键问题有：如何在河流的综合效益最大化的背景下确定生态目标的保证程度，如何实现上、下游各河段多种鱼类栖息地不同的生态流量目标，如何定义在一定生态保证率水平下的栖息地适宜流量以作为生态流量约束，实现梯级水库水电站群的优化调度。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统。

技术方案：一种多种鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统，包括信息收集模块、数据监测模块、栖息地模拟模块、调度模拟模块与实时调控模块，其中：

所述信息收集模块用于采集流域内水利工程基本参数、生态保护目标等基础信息，通过与梯级水库水电站控制中心以及所涉及到的工程运行管理部门的信息交互系统实现信息收集，形成河流的水力学要素数据库及生境适宜性曲线，为其他模块做信息基础；

所述数据监测模块用于实现自动实时获取流域内的水文、生态信息，为实现生态优化调度提供数据基础，通过布置监测设备实现数据的实时监测、传输及整合，对系统内信息进行实时整合与修正；

所述栖息地模拟模块是基于物理栖息地模型，通过模型计算获得各河段多种鱼类栖息地的生态流量，作为的生态需求，为生态优化调度模型的构建提供各河段的生态目标和约束条件信息；

所述调度模拟模块是基于栖息地模拟模块的结果，进行系统生态优化调度模型的构建和求解，模拟在各河段多种鱼类栖息地的不同生态保证率条件下的优化调度，为在梯级水库水电站群的实际调度中合理的多目标决策提供支持；

所述实时调控模块是将调度模拟模块模拟结果提供给决策者作决策参考，决策者确定各河段目标鱼类栖息地保护的生态保证率水平，制定多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度方案，并且通过该模块发挥通讯功能。

多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统的控制方法，按以下步骤进行：

步骤1：终端准备和预启动阶段

对调度控制系统各模块涉及的终端设备进行布置、调试和检查，包括对信息收集模块在梯级水库水电站控制中心以及所涉及到的工程运行管理部门的信息交互系统进行调试和检查，对数据监测模块的各类监测设备根据流域特点及现场实际进行布设及调整、设备启动与调试，对栖息地模拟模块、调度模拟模块的内置模型进行初步构建，对实时调控模块信息的决策信息交互和指令通讯系统管控模块的通讯站网进行调试和检查；所有终端准备好以后进行预启动，即通过启动系统的实时调控模块指令单元，通过各通讯网络调试并返回各终端的准备情况，若系统提示有终端不满足运行条件，则及时进行检查及重置，直至满足启动条件；

步骤2：信息收集及数据监测阶段

通过系统的启动，信息收集模块和数据监测模块自动运行，模块中各单元开始向梯级水库水电站控制中心以及所涉及到的工程运行管理部门、流域河道内各河段敏感生态系统进行信息搜集及数据测量，包括流域内水利工程基本参数、生态保护目标、流域实时水文、生态信息，通过各模块的内置单元以数据监测模块的综合层为主进行信息实时整合与修正，当信息收集模块与数据监测模块运行结果稳定后，初步实现栖息地模拟模块的物理栖息地模型中水动力模型选取、参数率定、栖息地适宜度曲线参数等具体参数的数据准备，初步实现调度模拟模块中的典型水文年的选取以及调度模型的初步建立。在系统运行过程中，当实际观测生态流量低于设定最低水平时，在此阶段提示警报信息，显示生态风险区域和风险状况，供决策者寻找问题所在，并作出作出判断是否需要进行调度方案的调整；

步骤3：栖息地模拟和调度模拟阶段

运行栖息地模拟模块，计算各河段不同流量下的加权可利用面积WUA，建立流量－WUA的关系曲线，明确河段生态保证率和生态流量约束范围之间的关系；运行调度模拟模块，基于上述信息和数据进行生态优化调度模型的构建和求解，模拟在各河段不同生态保证率条件下的生态优化调度，得到各河段的生态保证率-电量损失率关系曲线图，为梯级水库水电站群调度的多目标决策提供理论支持；

步骤4：决策和生态调度实施阶段

实时调控模块需在系统运行初时就一直保持通讯正常，承担主要通讯网络的功能。在进行决策时，运行模块中的决策单元评估分析不同调度方案的生态效益及发电效益，由决策者根据水文信息判断当前水文条件，结合调度模拟模块提供的信息，即由鱼类栖息地生态保证率-电量损失率关系曲线的形状特点和数据信息对各河段调度模拟结果进行利弊权衡分析，以整条河流的综合效益最大化为目标，结合各河段的效益权重及河流的上、下游关系，确定各河段的生态保证率水平并得到相应的调度方案；最后通过实时调控模块中的指令单元，是将决策者制定的调度方案通过通讯网络下达给各级部门，由各级部门实施调度并通过通讯网络进行信息获取、数据反馈；

步骤5：动态数据分析更新

在步骤4执行后，运用信息收集模块、数据监测模块、栖息地模拟模块对数据进行动态分析与更新，实现该系统对设备和数据的实时监管、及时更新，实现实时风险状况的监测和防范，保证系统中模型的可靠性以及制定的生态调度方案的有效性；

步骤6：系统运行、管理与维护

在系统运行过程中，运用实时调控模块的通讯网络保持系统内的各子部门之间的联系，如有问题及时向控制中心的系统反馈，并且及时进行问题诊断和修复，定期安排系统硬件、软件的检修和维护，保障系统高效持续正常运行；

步骤7：在整个系统运行期间重复执行步骤1至步骤6。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明首次提出了多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统及方法，该系统实现了梯级水库水电站群的联合生态调度，该方法实现对上、下游多河段多种鱼类栖息地的保护，同时不影响水库、水电站发挥发电、防洪等其他功能，实用性强、推广前景广阔；

(2)本发明的梯级水库水电站群调控方法充分结合上、下游各河段多种鱼类栖息地的基本信息和实时信息，并通过对各河段多种鱼类栖息地模拟及调度模拟分析，给各河段有针对性的设定不同的生态保证率，为多河段多种鱼类栖息地实施合理且恰当的保护方案，科学合理地进行梯级水库群的联合调度，实现流域水资源在各河段的优化配置，达到流域生态保护综合效益最优；

(3)本发明相对于传统生态调度的研究方法，在生态调度目标及约束上提出了生态流量范围的概念，避免了对最佳生态流量的苛求，通过在生态流量范围内求解水库水电站群联合调度的多目标问题，有利于在一定生态保证率水平下提高调度的发电效益，从而真正实现整条河流的综合效益最大化。

(4)本发明通过生态保证率来明确不同流量条件下的生态效益，有利于决策部门预估调度方案的生态保护效果和潜力，并且当决策者进行方案的制定或调整时，直接确定各河段的生态保证率水平即可得到相应的生态调度方案，提高了调度控制的灵活性和高效性。

(4)本发明通过对鱼类栖息地生态保证率-电量损失率关系分析以及利弊权衡分析，实现在河流的综合效益最大化的背景下确定生态目标的保证程度，解决多目标问题制定最优方案的难题，为梯级水库水电站群优化生态调度提供了一种有效途径。

附图说明

图1为本发明实施例的系统模块图；

图2为实施例的流量－WUA曲线及生态流量范围示意图；

图3为实施例的不同来水水平下各河段目标鱼类栖息地生态保证率-发电效益关系示意图图，其中(a)为生态保证率-总发电量关系图，(b)为生态保证率-电量损失率关系曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所，多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统，包括信息收集模块、数据监测模块、栖息地模拟模块、调度模拟模块与实时调控模块，其中：

信息收集模块用于采集流域内水利工程基本参数、生态保护目标等基础信息，通过与梯级水库水电站控制中心以及所涉及到的工程运行管理部门的信息交互系统实现信息收集，形成河流的水力学要素数据库及生境适宜性曲线，为其他模块做信息基础；

数据监测模块用于实现自动实时获取流域内的水文、生态信息，为实现生态优化调度提供数据基础，通过布置监测设备实现数据的实时监测、传输及整合，对系统内信息进行实时整合与修正；

栖息地模拟模块是基于物理栖息地模型，通过模型计算获得各河段多种鱼类栖息地的生态流量，作为的生态需求，为生态优化调度模型的构建提供各河段的生态目标和约束条件信息；

调度模拟模块是基于栖息地模拟模块的结果，进行系统生态优化调度模型的构建和求解，模拟在各河段多种鱼类栖息地的不同生态保证率条件下的优化调度，为在梯级水库水电站群的实际调度中合理的多目标决策提供支持；

实时调控模块是将调度模拟模块模拟结果提供给决策者作决策参考，决策者确定各河段目标鱼类栖息地保护的生态保证率水平，制定多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度方案，并且通过该模块发挥通讯功能。

信息收集模块包括工程参数单元和生态信息单元；其中，工程参数单元用于获取目标流域内梯级水库系统的基本信息数据，包括水利工程个数、地理位置、调度准则、工程参数，其中工程参数包括系统中水库、泵、闸等过流能力值q，水库初末库容限制V，水库的正常蓄水位Z_正、防洪限制水位Z_防、死水位Z_死，湖泊以及水库容积-水位关系曲线S～Z，水库下游水位-下泄流量关系曲线Z～Q信息，水库发电机组出力约束值N，来水量W等，从而构建河流的水力学要素数据库；生态信息单元获取敏感生态系统的历史资料，确定各河段目标鱼类及鱼类特征信息，同时获取各目标鱼类栖息地生态环境需求的信息，重点用以下形式的内容进行概化：栖息地适宜性指标与水速、水深要素之间的函数关系，各敏感河段的最小自然流量，从而绘制各河段的生境适宜性曲线。

数据监测模块由监测层与综合层这两层架构而成；其中，监测层包括水文监测单元、生态监测单元，由各种实时数据采集与监测终端构成；综合层是实现对监测层中水文监测单元和生态监测单元的实时水文、生态数据与信息收集模块中现有数据之间的综合，更新并丰富水力学要素数据库数据，根据最新生态数据信息重新绘制生境适宜性曲线，并将综合结果输入到信息收集模块中，从而实现信息数据的实时整合与修正；

监测层包括水文监测单元、生态监测单元；其中，水文监测单元采用固定监测断面与生态重点监测断面相结合的方式，在河道里安置若干水文监测设备，获取流速、水深、水量、河床断面形状的水文水动力要素信息；生态监测单元是在生态保护关键区域内固定点与移动点对目标鱼类进行多参数监测，获取鱼类繁衍、生长的实时生态信息。

栖息地模拟模块是基于物理栖息地模型，由水力学单元和栖息地单元构成，在信息收集模块和数据监测模块正常运行后启动并进行运算；其中，水力学单元是调用水力学模型用于模拟不同流量条件下的流速、水深分布的水动力要素；栖息地单元是根据水力学单元的模拟结果，基于物理栖息地模型，计算各河段不同流量下的加权可利用面积WUA，建立流量－WUA的关系曲线，为调度模拟模块的生态流量的确定提供信息；

水力学单元中的水力学模型调用，是根据研究河流的实际情况和特点，特别是结合信息收集模块中的河流的水力学要素数据库，采用已知信息满足参数要求的模型，模拟不同流量条件下的流速、水深分布，通过判断信息模块的参数情况，调用合适的水力学模型。

栖息地单元是以物理栖息地模型为基础，计算各河段不同流量下的加权可利用面积WUA并建立流量－WUA的关系曲线，提供生态需求流量信息，具体实现方法为：

(1)获取信息收集模块中的河流的水力学要素数据库及生境适宜性曲线的基本信息；

(2)获取栖息地模拟模块水力学单元中不同流量条件下的流速、水深分布模拟结果；

(3)计算不同流量条件下目标河段物种的栖息地加权可利用面积(WUA)，其计算公式为：

WUA_i＝(v_i×d_i×S_i)A_i (1)

式中：A_i为研究第i个河段分区的水域面积；v_i为第i个河段分区的流速适应度值；d_i为第i个河段分区的水深适应度值；S_i为第i个河段分区的河床底质适应度值；

(4)根据(3)的结果绘制各河段流量－WUA的关系曲线；

(5)根据曲线分析鱼类栖息地生态流量的数据信息；具体的，流量－WUA曲线的最高点即第一个明显转折点，为目标鱼类栖息地最佳生态条件，其对应流量为最佳生态流量，其对应WUA值为最大栖息地生态面积M，以此为基础定义一个生态流量范围用于寻求发电、生态等效益的平衡和综合最优；生态流量范围的确定是通过给定生态保证率的百分比水平，计算最大栖息地生态面积M的相应百分比值，确定流量－WUA的关系曲线中位于该百分比值上方的区域，该上部区域的左右边界所对应的流量值即为生态流量范围的上、下界EFR_max及EFR_min，为最大、最小生态流量限制，如图2所示。

调度模拟模块包括模型单元和结果单元；其中，模型单元是在获取了各河段生态流量范围相关数据信息的基础上，进行系统生态优化调度模型的构建；结果单元是基于模型的各河段不同生态保证率水平下生态优化调度的模拟结果，并根据各调度方案下的发电效益和生态保证率，进行方案利弊权衡。

模型单元构建生态优化调度模型的具体实现方法如下：

梯级水库水电站群调度必须满足综合利用的目标和要求，针对流域的梯级水库中长期优化调度问题，由于调度时段尺度较长，防洪目标暂不作考虑，常定量分为发电、生态等多个目标函数，包括调度期内发电量最大的发电目标函数，生态需水量最小的生态目标函数。将目标函数中的发电量最大目标作为所研究调度问题的主要目标函数，将生态流量的目标转换为约束条件进行处理。处于同一河流上下游的梯级水库是由不同入库径流特性和不同调节性能的水库群组成的，约束条件通常用水量平衡条件、发电水头、下泄流量、水电站出力、上下游水位、额定用水等指标组成的等式或不等式组来表示：

具体的目标函数为：

(1)调度期内发电量最大

式中：E_发电为总发电量(MW·h)，N为梯级水库个数，T为调度周期内所划分的时段数，Δt为调度期内每时段的时长(s)，c_i为第i个水库的发电效率,Q_i,t第i个水库在第t时段的机组发电流量，H_i,t为第i个水库在第t时段的平均水头。

具体的约束条件为：

(1)水量平衡约束

梯级某水电站的水量平衡条件跟其上下游电站在时间上和空间上都有联系，时间上的水量平衡是指水库不同时刻的水库水量必须满足连续性方程，空间上的水量平衡是指下游水库的入库流量为上级水库的出库流量与二者之间的区间流量之和，具体的：

时间上：

空间上：

I(i+1,t)＝Q_泄(i,t)+q_i-1,i(t) (4)

式中：V(i,t)、V(i,t+1)分别为第i水库在第t、第t+1时刻的水库容量，I(i,t)、Q_泄(i,t)分别为第i水库在第t时段的入库径流量和下泄流量，W_k(i,t)为第i个水库在第t时段向第k供水区的供水量，I(i+1,t)为第i+1水库在第t时段的入库径流，q_i-1,i(t)为在第t时段第i、i+1水库的区间汇流量；

(2)水库下泄流量约束

水库必须下泄的最小流量是用来满足水库下游河道的航运基流、灌溉用水等多方面的要求，在汛期，水库的下泄流量须控制在下游河道的安全泄量范围以内来保证下游城镇、堤防等的防洪安全，具体的：

Q_min(i,t)＜Q_泄(i,t)＜Q_max(i,t) (5)

式中：Q_min(i,t)、Q_max(i,t)分别为第t时段第i水库所允许下泄的最小和最大流量，这两个值一般由航运最小流量和流量波动范围、水轮机组过流能力限制、防洪限制下的最大下泄流量综合确定；

(3)电站出力约束

电站出力约束约束包括电站的保证出力、最大装机容量和电力系统对电站的出力要求，具体的：

N_min(i,t)＜N(i,t)＜N_max(i,t) (6)

式中：N(i,t)为第i水库在第t时段的电站出力，N_min(i,t)、N_max(i,t)分别为第i水库在第t时段电站所允许的最小和最大出力；

(4)水位或库容约束

水位约束或库容约束其实是一种约束条件，二者可根据“库容—水位关系曲线”相互转换，具体运用中可根据实际情况自由选择，该约束包括水库本身具有的死水位、正常蓄水位或防洪限制水位、调度期对库容的特殊限制等，具体的：

Z_min(i,t)＜Z(i,t)＜Z_max(i,t)或V_min(i,t)＜V(i,t)＜V_max(i,t) (7)

式中：Z(i,t)、V(i,t)分别为第i水库第t时段的水位和库容，Z_min(i,t)、Z_max(i,t)，V_min(i,t)、V_max(i,t)分别为第i水库在第t时刻水库所允许的最低最高水位和最小最大库容；

(5)生态流量约束

式中，EFR_i,t,min和EFR_i,t,max分别为在t时段第i水库下游河段最小和最大生态流量约束，每个河段均由该河段目标鱼类栖息地保护生态保证率下的生态流量范围分别确定。另外，一般最小生态流量需大于10％自然河道径流，以满足极端干旱条件下基本生态需求。

(6)非负约束

模型中各决策物理参变量均非负：

X≥0 (9)

式中：X为决策变量组成的向量。

结果单元，基于年径流数据，选取三种典型水文年，即25％,50％和75％对应的丰、平、枯水年，进行模型在各河段目标鱼类栖息地保护的多种生态保证率水平下生态优化调度模拟，最后分析结果中各河段的发电效益和生态保证率的对应关系以进行利弊权衡分析，具体实现方法为：因为不考虑生态流量的调度模拟结果中的发电量E_m为最大值，将之作为生态调度模拟结果的对比基础，定义电量损失率E_损失，绘制不同来水水平下各河段目标鱼类栖息地生态保证率-电量损失率关系曲线图供决策者参考，如图3所示。其中的电量损失率E_损失计算公式如下：

E_损失＝(E_m-E)/E_m (10)

式中，E_m为模拟结果中的最大发电量，E为不同生态保证率下进行的生态调度模拟结果的发电量。

实时调控模块是由决策单元和指令单元这两层架构而成；其中，决策单元是将调度模拟模块的结果信息提供给决策者作决策参考，由决策者结合各河段的水文情况，根据各河段的生态保证率-电量损失率关系曲线图，综合考虑所涉河流所有河段的发电、生态效益，确定当前各河段不同的生态保证率水平，制定多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度方案；指令单元是将决策者制定的调度方案通过通讯网络下达给各级部门，由各级部门实施调度并通过通讯网络进行信息获取、数据反馈，实现该系统对设备和数据的实时监管、及时更新，保证系统中模型的可靠性以及制定的生态调度方案的有效性；

决策单元决策者根据调度模拟模块提供的信息，即鱼类栖息地生态保证率-电量损失率关系曲线的形状特点和数据信息，评估分析各河段不同调度方案的生态效益及发电效益并做利弊权衡，具体实现方法如下：

(1)决策者结合信息模块中的来水水文信息判断当前水文条件，确定该河段适用于该时段的生态保证率-电量损失率关系曲线；

(2)在各河段的生态保证率-电量损失率关系曲线图中，生态保证率即调度实现的栖息地生态面积占最大栖息地生态面积的百分比，反映生态效益，发电损失率反映发电效益在生态调度中的损失程度，总体上，生态保证率水平越高，发电效益损失越大，而且当生态保证率水平较高时更易对发电效益产生更多的负面影响，因此往往考虑选择曲线斜率突变点附近的值确定为河段生态保证率的目标值；

(3)结合梯级水库水电站群所涉河流整体情况，特别是承担重要发电任务的水电站、面临重要鱼类栖息地保护需求的河段，决策者对各河段进行发电、生态效益的权重分配；

(4)综合各河段调度模拟结果的效益分析和各河段发电、生态效益的权重，决策者以整条河流的综合效益最大化为目标，结合河流的上、下游关系，确定各河段的生态保证率水平；

(5)根据各河段的生态保证率，明确各河段的生态调度流量约束范围，通过调度模拟模块制定相应调度方案，最后将方案提供给指令单元进行具体的通讯和方案的实施。

多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制方法，按以下步骤进行：

步骤1：终端准备和预启动阶段

对调度控制系统各模块涉及的终端设备进行布置、调试和检查，包括对信息收集模块在梯级水库水电站控制中心以及所涉及到的工程运行管理部门的信息交互系统进行调试和检查，对数据监测模块的各类监测设备根据流域特点及现场实际进行布设及调整、设备启动与调试，对栖息地模拟模块、调度模拟模块的内置模型进行初步构建，对实时调控模块信息的决策信息交互和指令通讯系统管控模块的通讯站网进行调试和检查；所有终端准备好以后进行预启动，即通过启动系统的实时调控模块指令单元，通过各通讯网络调试并返回各终端的准备情况，若系统提示有终端不满足运行条件，则及时进行检查及重置，直至满足启动条件；

步骤2：信息收集及数据监测阶段

通过系统的启动，信息收集模块和数据监测模块自动运行，模块中各单元开始向梯级水库水电站控制中心以及所涉及到的工程运行管理部门、流域河道内各河段敏感生态系统进行信息搜集及数据测量，包括流域内水利工程基本参数、生态保护目标、流域实时水文、生态信息，通过各模块的内置单元以数据监测模块的综合层为主进行信息实时整合与修正，当信息收集模块与数据监测模块运行结果稳定后，初步实现栖息地模拟模块的物理栖息地模型中水动力模型选取、参数率定、栖息地适宜度曲线参数等具体参数的数据准备，初步实现调度模拟模块中的典型水文年的选取以及调度模型的初步建立。在系统运行过程中，当实际观测生态流量低于设定最低水平时，在此阶段提示警报信息，显示生态风险区域和风险状况，供决策者寻找问题所在，并作出判断是否需要进行调度方案的调整；

步骤3：栖息地模拟和调度模拟阶段

运行栖息地模拟模块，计算各河段不同流量下的加权可利用面积WUA，建立流量－WUA的关系曲线，明确河段生态保证率和生态流量约束范围之间的关系；运行调度模拟模块，基于上述信息和数据进行生态优化调度模型的构建和求解，模拟在各河段不同生态保证率条件下的生态优化调度，得到各河段的生态保证率-电量损失率关系曲线图，为梯级水库水电站群调度的多目标决策提供理论支持；

步骤4：决策和生态调度实施阶段

实时调控模块需在系统运行初时就一直保持通讯正常，承担主要通讯网络的功能。在进行决策时，运行模块中的决策单元评估分析不同调度方案的生态效益及发电效益，由决策者根据水文信息判断当前水文条件，结合调度模拟模块提供的信息，即由鱼类栖息地生态保证率-电量损失率关系曲线的形状特点和数据信息对各河段调度模拟结果进行利弊权衡分析，以整条河流的综合效益最大化为目标，结合各河段的效益权重及河流的上、下游关系，确定各河段的生态保证率水平并得到相应的调度方案；最后通过实时调控模块中的指令单元，是将决策者制定的调度方案通过通讯网络下达给各级部门，由各级部门实施调度并通过通讯网络进行信息获取、数据反馈；

步骤5：动态数据分析更新

在步骤4执行后，运用信息收集模块、数据监测模块、栖息地模拟模块对数据进行动态分析与更新，实现该系统对设备和数据的实时监管、及时更新，实现实时风险状况的监测和防范，保证系统中模型的可靠性以及制定的生态调度方案的有效性；

步骤6：系统运行、管理与维护

在系统运行过程中，运用实时调控模块的通讯网络保持系统内的各子部门之间的联系，如有问题及时向控制中心的系统反馈，并且及时进行问题诊断和修复，定期安排系统硬件、软件的检修和维护，保障系统高效持续正常运行；

步骤7：在整个系统运行期间重复执行步骤1至步骤6。

Claims (10)

1.一种多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统，其特征在于：包括信息收集模块、数据监测模块、栖息地模拟模块、调度模拟模块与实时调控模块，其中：

所述信息收集模块用于采集流域内水利工程基本参数、生态保护目标等基础信息，通过与梯级水库水电站控制中心以及所涉及到的工程运行管理部门的信息交互系统实现信息收集，形成河流的水力学要素数据库及生境适宜性曲线，为其他模块做信息基础；

所述数据监测模块用于实现自动实时获取流域内的水文、生态信息，为实现生态优化调度提供数据基础，通过布置监测设备实现数据的实时监测、传输，对系统内信息进行实时整合与修正；

所述栖息地模拟模块是基于物理栖息地模型，通过模型计算获得各河段多种鱼类栖息地的生态流量，作为的生态需求，为生态优化调度模型的构建提供各河段的生态目标和约束条件信息；

所述调度模拟模块是基于栖息地模拟模块的结果，进行系统生态优化调度模型的构建和求解，模拟在各河段多种鱼类栖息地的不同生态保证率条件下的优化调度，为在梯级水库水电站群的实际调度中合理的多目标决策提供支持；

所述实时调控模块是将调度模拟模块模拟结果提供给决策者作决策参考，决策者确定各河段目标鱼类栖息地保护的生态保证率水平，制定多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度方案，并且通过该模块发挥通讯功能。

2.如权利要求1所述的多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统，其特征在于：所述信息收集模块包括工程参数单元和生态信息单元；其中，工程参数单元用于获取目标流域内梯级水库系统的基本信息数据，包括水利工程个数、地理位置、调度准则、工程参数，其中工程参数包括系统中水库、泵、闸等过流能力值q，水库初末库容限制V，水库的正常蓄水位Z_正、防洪限制水位Z_防、死水位Z_死，湖泊以及水库容积-水位关系曲线S～Z，水库下游水位-下泄流量关系曲线Z～Q信息，水库发电机组出力约束值N，来水量W，从而构建河流的水力学要素数据库；生态信息单元获取敏感生态系统的历史资料，确定各河段目标鱼类及鱼类特征信息，同时获取各目标鱼类栖息地生态环境需求的信息，重点用以下形式的内容进行概化：栖息地适宜性指标与水速、水深要素之间的函数关系，各敏感河段的最小自然流量，从而绘制各河段的生境适宜性曲线。

3.如权利要求1所述的多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统，其特征在于：所述数据监测模块由监测层与综合层这两层架构而成；其中，监测层包括水文监测单元、生态监测单元，由各种实时数据采集与监测终端构成；综合层是实现对监测层中水文监测单元和生态监测单元的实时水文、生态数据与信息收集模块中现有数据之间的综合，更新并丰富水力学要素数据库数据，根据最新生态数据信息重新绘制生境适宜性曲线，并将综合结果输入到信息收集模块中，从而实现信息数据的实时整合与修正；

所述监测层包括水文监测单元、生态监测单元；其中，水文监测单元采用固定监测断面与生态重点监测断面相结合的方式，在河道里安置若干水文监测设备，获取流速、水深、水量、河床断面形状的水文水动力要素信息；生态监测单元是在生态保护关键区域内固定点与移动点对目标鱼类进行多参数监测，获取鱼类繁衍、生长的实时生态信息。

4.如权利要求1所述的多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统，其特征在于：所述栖息地模拟模块是基于物理栖息地模型，由水力学单元和栖息地单元构成，在信息收集模块和数据监测模块正常运行后启动并进行运算；其中，水力学单元是调用水力学模型用于模拟不同流量条件下的流速、水深分布的水动力要素；栖息地单元是根据水力学单元的模拟结果，基于物理栖息地模型，计算各河段不同流量下的加权可利用面积WUA，建立流量－WUA的关系曲线，为调度模拟模块的生态流量的确定提供信息；

水力学单元中的水力学模型调用，是根据研究河流的实际情况和特点，特别是结合信息收集模块中的河流的水力学要素数据库，采用已知信息满足参数要求的模型，模拟不同流量条件下的流速、水深分布，通过判断信息模块的参数情况，调用合适的水力学模型。

5.如权利要求4所述的多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统，其特征在于：栖息地单元是以物理栖息地模型为基础，计算各河段不同流量下的加权可利用面积WUA并建立流量－WUA的关系曲线，提供生态需求流量信息，具体实现方法为：

(1)获取信息收集模块中的河流的水力学要素数据库及生境适宜性曲线的基本信息；

(2)获取栖息地模拟模块水力学单元中不同流量条件下的流速、水深分布模拟结果；

(3)计算不同流量条件下目标河段物种的栖息地加权可利用面积(WUA)，其计算公式为：

WUA_i＝(v_i×d_i×S_i)A_i (1)

式中：A_i为研究第i个河段分区的水域面积；v_i为第i个河段分区的流速适应度值；d_i为第i个河段分区的水深适应度值；S_i为第i个河段分区的河床底质适应度值；

(4)根据(3)的结果绘制各河段流量－WUA的关系曲线；

(5)根据曲线分析鱼类栖息地生态流量的数据信息；具体的，流量－WUA曲线的最高点即第一个明显转折点，为目标鱼类栖息地最佳生态条件，其对应流量为最佳生态流量，其对应WUA值为最大栖息地生态面积，以此为基础定义一个生态流量范围用于寻求发电、生态等效益的平衡和综合最优；生态流量范围的确定是通过给定生态保证率的百分比水平，计算最大栖息地生态面积的相应百分比值，确定流量－WUA的关系曲线中位于该百分比值上方的区域，该上部区域的左右边界所对应的流量值即为生态流量范围的上、下界，为最大、最小生态流量限制。

6.如权利要求1所述的多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统，其特征在于：所述调度模拟模块包括模型单元和结果单元；其中，模型单元是在获取了各河段生态流量范围相关数据信息的基础上，进行系统生态优化调度模型的构建；结果单元是基于模型的各河段不同生态保证率水平下生态优化调度的模拟结果，并根据各调度方案下的发电效益和生态保证率，进行方案利弊权衡。

7.如权利要求6所述的多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统，其特征在于：所述模型单元构建系统生态优化调度模型的具体实现方法如下：

梯级水库水电站群调度必须满足综合利用的目标和要求，基于可持续发展，寻求各目标效益之间的非劣转换关系，从而确定系统最佳的运行方式；多目标生态调度模型描述为：

式中：E_i(x)为第i个效益目标，包括生态环境、社会和经济效益等目标；X是所有自变量(水位、出力、库容等)组成的向量；n为效益目标的个数；S为约束条件集合；

针对流域的梯级水库中长期优化调度问题，由于调度时段尺度较长，防洪目标暂不作考虑，常定量分为发电、生态等多个目标函数，包括调度期内发电量最大的发电目标函数，生态需水量最小的生态目标函数，具体的目标函数模型描述为：

(1)调度期内发电量最大

式中：E_发电为总发电量(MW·h)，N为梯级水库个数，T为调度周期内所划分的时段数，Δt为调度期内每时段的时长(s)，c_i为第i个水库的发电效率,Q_i,t第i个水库在第t时段的机组发电流量，H_i,t为第i个水库在第t时段的平均水头。

(2)生态需水量最小

式中：E_生态为生态缺水量(m³)；N为梯级水库个数；T为调度周期内所划分的时段数；Δt为调度期内每时段的时长(s)；Q_i,t为第i个水库在第t时段发电流量(m³/s)；S_i,t为第i个电站在第t时段弃水流量(m³/s)；为某时段为满足生态要求的电站的最小下泄生态流量限制(m³/s)；M为梯级水库总数；

处于同一河流上下游的梯级水库是由不同入库径流特性和不同调节性能的水库群组成的，约束条件通常用水量平衡条件、发电水头、下泄流量、水电站出力、上下游水位、额定用水等指标组成的等式或不等式组来表示，具体的约束条件模型描述为：

(1)水量平衡约束

梯级某水电站的水量平衡条件跟其上下游电站在时间上和空间上都有联系，时间上的水量平衡是指水库不同时刻的水库水量必须满足连续性方程，空间上的水量平衡是指下游水库的入库流量为上级水库的出库流量与二者之间的区间流量之和，具体的：

时间上：

空间上：

I(i+1,t)＝Q_泄(i,t)+q_i-1,i(t) (6)

式中：V(i,t)、V(i,t+1)分别为第i水库在第t、第t+1时刻的水库容量，I(i,t)、Q_泄(i,t)分别为第i水库在第t时段的入库径流量和下泄流量，W_k(i,t)为第i个水库在第t时段向第k供水区的供水量，I(i+1,t)为第i+1水库在第t时段的入库径流，q_i-1,i(t)为在第t时段第i、i+1水库的区间汇流量；

(2)水库下泄流量约束

具体的水库下泄流量约束：

Q_min(i,t)＜Q_泄(i,t)＜Q_max(i,t) (7)

式中：Q_min(i,t)、Q_max(i,t)分别为第t时段第i水库所允许下泄的最小和最大流量，这两个值一般由航运最小流量和流量波动范围、水轮机组过流能力限制、防洪限制下的最大下泄流量综合确定；

(3)电站出力约束

具体的电站出力约束：

N_min(i,t)＜N(i,t)＜N_max(i,t) (8)

式中：N(i,t)为第i水库在第t时段的电站出力，N_min(i,t)、N_max(i,t)分别为第i水库在第t时段电站所允许的最小和最大出力；

(4)水位或库容约束

水位约束或库容约束其实是一种约束条件，二者可根据“库容—水位关系曲线”相互转换，具体运用中可根据实际情况自由选择，具体的水位或库容约束：

Z_min(i,t)＜Z(i,t)＜Z_max(i,t)或V_min(i,t)＜V(i,t)＜V_max(i,t) (9)

式中：Z(i,t)、V(i,t)分别为第i水库第t时段的水位和库容，Z_min(i,t)、Z_max(i,t)，V_min(i,t)、V_max(i,t)分别为第i水库在第t时刻水库所允许的最低最高水位和最小最大库容；

(5)生态流量约束

式中，EFR_i,t,min和EFR_i,t,max分别为在t时段第i水库下游河段最小和最大生态流量约束,每个河段均由该河段目标鱼类栖息地保护生态保证率下的生态流量范围分别确定。另外，一般最小生态流量需大于10％自然河道径流，以满足极端干旱条件下基本生态需求。

(6)非负约束

模型中各决策物理参变量均非负：

X≥0 (11)

式中：X为决策变量组成的向量。

8.如权利要求6所述的多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统，其特征在于：所述结果单元，基于年径流数据，选取三种典型水文年，即25％,50％和75％对应的丰、平、枯水年，进行模型在各河段目标鱼类栖息地保护的多种生态保证率水平下生态优化调度模拟，最后分析结果中各河段的发电效益和生态保证率的对应关系以进行利弊权衡分析，具体实现方法为：因为不考虑生态流量的调度模拟结果中的发电量E_m为最大值，将之作为生态调度模拟结果的对比基础，定义电量损失率E_损失，绘制不同来水水平下各河段目标鱼类栖息地生态保证率-电量损失率关系曲线图供决策者参考，其中的电量损失率E_损失计算公式如下：

E_损失＝(E_m-E)/E_m (12)

式中，E_m为模拟结果中的最大发电量，E为不同生态保证率下进行的生态调度模拟结果的发电量。

9.如权利要求1所述的多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统，其特征在于：所述实时调控模块是由决策单元和指令单元这两层架构而成；其中，决策单元是将调度模拟模块的结果信息提供给决策者作决策参考，由决策者结合各河段的水文情况，根据各河段的生态保证率-电量损失率关系曲线图，综合考虑所涉河流所有河段的发电、生态效益，确定当前各河段不同的生态保证率水平，制定多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度方案；指令单元是将决策者制定的调度方案通过通讯网络下达给各级部门，由各级部门实施调度并通过通讯网络进行信息获取、数据反馈，实现该系统对设备和数据的实时监管、及时更新，保证系统中模型的可靠性以及制定的生态调度方案的有效性；

决策单元决策者根据调度模拟模块提供的信息，即鱼类栖息地生态保证率-电量损失率关系曲线的形状特点和数据信息，评估分析各河段不同调度方案的生态效益及发电效益并做利弊权衡，具体实现方法如下：

(1)决策者结合信息模块中的来水水文信息判断当前水文条件，确定该河段适用于该时段的生态保证率-电量损失率关系曲线；

(2)在各河段的生态保证率-电量损失率关系曲线图中，生态保证率即调度实现的栖息地生态面积占最大栖息地生态面积的百分比，反映生态效益，发电损失率反映发电效益在生态调度中的损失程度，总体上，生态保证率水平越高，发电效益损失越大，而且当生态保证率水平较高时更易对发电效益产生更多的负面影响，因此往往考虑选择曲线斜率突变点附近的值确定为河段生态保证率的目标值；

(3)结合梯级水库水电站群所涉河流整体情况，特别是承担重要发电任务的水电站、面临重要鱼类栖息地保护需求的河段，决策者对各河段进行发电、生态效益的权重分配；

(4)综合各河段调度模拟结果的效益分析和各河段发电、生态效益的权重，决策者以整条河流的综合效益最大化为目标，结合河流的上、下游关系，确定各河段的生态保证率水平；

(5)根据各河段的生态保证率，明确各河段的生态调度流量约束范围，通过调度模拟模块制定相应调度方案，最后将方案提供给指令单元进行具体的通讯和方案的实施。

10.一种多河段鱼类栖息地保护的梯级水库水电站群调度控制系统的控制方法，按以下步骤进行：

步骤1：终端准备和预启动阶段

对调度控制系统各模块涉及的终端设备进行布置、调试和检查，包括对信息收集模块在梯级水库水电站控制中心以及所涉及到的工程运行管理部门的信息交互系统进行调试和检查，对数据监测模块的各类监测设备根据流域特点及现场实际进行布设及调整、设备启动与调试，对栖息地模拟模块、调度模拟模块的内置模型进行初步构建，对实时调控模块信息的决策信息交互和指令通讯系统管控模块的通讯站网进行调试和检查；所有终端准备好以后进行预启动，即通过启动系统的实时调控模块指令单元，通过各通讯网络调试并返回各终端的准备情况，若系统提示有终端不满足运行条件，则及时进行检查及重置，直至满足启动条件；

步骤2：信息收集及数据监测阶段

通过系统的启动，信息收集模块和数据监测模块自动运行，模块中各单元开始向梯级水库水电站控制中心以及所涉及到的工程运行管理部门、流域河道内各河段敏感生态系统进行信息搜集及数据测量，包括流域内水利工程基本参数、生态保护目标、流域实时水文、生态信息，通过各模块的内置单元以数据监测模块的综合层为主进行信息实时整合与修正，当信息收集模块与数据监测模块运行结果稳定后，初步实现栖息地模拟模块的物理栖息地模型中水动力模型选取、参数率定、栖息地适宜度曲线参数等具体参数的数据准备，初步实现调度模拟模块中的典型水文年的选取以及调度模型的初步建立。在系统运行过程中，当实际观测生态流量低于设定最低水平时，在此阶段提示警报信息，显示生态风险区域和风险状况，供决策者寻找问题所在，并作出判断是否需要进行调度方案的调整；

步骤3：栖息地模拟和调度模拟阶段

运行栖息地模拟模块，计算各河段不同流量下的加权可利用面积WUA，建立流量－WUA的关系曲线，明确河段生态保证率和生态流量约束范围之间的关系；运行调度模拟模块，基于上述信息和数据进行生态优化调度模型的构建和求解，模拟在各河段不同生态保证率条件下的生态优化调度，得到各河段的生态保证率-电量损失率关系曲线图，为梯级水库水电站群调度的多目标决策提供理论支持；

步骤4：决策和生态调度实施阶段

实时调控模块需在系统运行初时就一直保持通讯正常，承担主要通讯网络的功能。在进行决策时，运行模块中的决策单元评估分析不同调度方案的生态效益及发电效益，由决策者根据水文信息判断当前水文条件，结合调度模拟模块提供的信息，即由鱼类栖息地生态保证率-电量损失率关系曲线的形状特点和数据信息对各河段调度模拟结果进行利弊权衡分析，以整条河流的综合效益最大化为目标，结合各河段的效益权重及河流的上、下游关系，确定各河段的生态保证率水平并得到相应的调度方案；最后通过实时调控模块中的指令单元，是将决策者制定的调度方案通过通讯网络下达给各级部门，由各级部门实施调度并通过通讯网络进行信息获取、数据反馈；

步骤5：动态数据分析更新

在步骤4执行后，运用信息收集模块、数据监测模块、栖息地模拟模块对数据进行动态分析与更新，实现该系统对设备和数据的实时监管、及时更新，实现实时风险状况的监测和防范，保证系统中模型的可靠性以及制定的生态调度方案的有效性；

步骤6：系统运行、管理与维护

在系统运行过程中，运用实时调控模块的通讯网络保持系统内的各子部门之间的联系，如有问题及时向控制中心的系统反馈，并且及时进行问题诊断和修复，定期安排系统硬件、软件的检修和维护，保障系统高效持续正常运行；

步骤7：在整个系统运行期间重复执行步骤1至步骤6。