CN111400881B - 丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法，属于调度技术领域，包括以下步骤：S1、提出生态补水调度规则，构建生态补水调度模型，明确多目标生态调度目标和边界条件；S2、采用多目标ε‑NSGAII优化算法获得最优生态补水调度线和生态补水调度方案集；S3、进一步分析生态补水调度规模、调度时机以及生态补水与其他供水目标间的竞争与协同关系；S4、得出结果，丹江口水库年均生态补水量达7.617亿m³，生态补水时机集中在汛前3—6月，生态补水分别与弃水均值和缺水率目标呈竞争关系，可为南水北调中线生态补水调度规划决策提供一定的参考。

Description

丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法

技术领域

本发明涉及补水调度技术领域，更具体地说，涉及丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法。

背景技术

丹江口水库位于湖北省丹江口市，汉江干流与支流丹江汇合处下游约800m，控制流域面积9.52万km²，坝址处多年平均径流量388亿m³，具有防洪、供水、发电、航运等综合利用效益，是南水北调中线的供水水源工程。丹江口水利枢纽大坝加高后，水库正常蓄水位为170m、死水位150m、极限消落水位145m，最大调节库容190.5亿m³，为多年调节水库。水库的供水目标主要向汉江中下游、清泉沟、陶岔三方向供水，多年平均供水量分别为162.22亿m³、6.28亿m³、94.93亿m³，然而多年平均弃水量可达50亿m³，如何利用丹江口水库弃水向受水区进行生态补水，是提升调水工程综合效益的关键。

丹江口水库向受水区生态补水作为兼顾目标，没有保证率或者保证程度概念，体现为“相机”补水。丹江口水库生态补水调度需要在保证汉江中下游、清泉沟、陶岔三方向供水的基础上，明确在什么补水条件(包括水源来水蓄水情况、受水区供用水情况、工况等)下，何时启动生态补水、补水量是多少、以及生态补水对其他用水户供水影响等。在中线规划设计阶段没有专门研究生态补水问题，后来学者们针对生态补水调度方面开展了少量研究工作，取得了一些研究成果，如殷峻暹等提出了包含水源区生态补水调度启动机制、受水区生态补水对象识别技术、中线干线生态补水调度分水机制3方面内容的中线生态补水调度技术框架。张丽丽等基于风险分析和风险决策的基本原理，分析了不同调度策略下收益(农业及生态补水量)与风险(受水区城市缺水风险)，构建了丹江口水库的农业及生态可补水量规模。靖立玲等在分析丹江口水库入库径流变化趋势的基础上，构建了水库多目标优化调度模型，研究丹江口水库在满足汉江中下游及北调城市供水的同时，向调水受水区进行生态补水的潜力。

随着生态文明建设推进、华北地下水超采治理、华北地区水生态环境改善的需要，自2017年开始，水利部组织开展南水北调中线干线工程生态补水探索，尤其是2018年4月至6月实施了南水北调中线一期工程第一次大规模向受水区生态补水，已累计补水超过20亿m³。因此，如何科学制定丹江口水库生态补水调度方案，成为完善生态补水顶层设计、编制实施规划所亟需的重大研究课题，是我们需要解决的问题。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法，它利用1956年1月-2017年12月共62年设计来水、需水序列等资料，构建丹江口水库生态补水调度模型，研究生态补水调度方案，科学提出生态补水启动条件、补水时机和补水量等问题，并重点探讨与其他用水目标间的影响关系。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法，包括以下步骤：

S1、提出生态补水调度规则，构建生态补水调度模型，明确多目标生态调度目标和边界条件；

S2、采用多目标ε-NSGAII优化算法获得最优生态补水调度线和生态补水调度方案集；

S3、进一步分析生态补水调度规模、调度时机以及生态补水与其他供水目标间的竞争与协同关系；

S4、得出结果。

作为本发明的一种优选方案，步骤S1中，其具体方法为：

S11：以2016年水利部批复的《丹江口水利枢纽调度规程(试行)》(水建管[2016]377号)的供水调度规则和方式为基础，考虑对现有的供水不产生明显影响的前提下，尽量在加大供水区考虑生态补水，设相应的生态补水规则，规则如下：

(a)RULE-1：在丹江口水库有弃水的情况下启动生态相机补水；

(b)RULE-2：以加大供水线1作为生态补水启动控制水位；

(c)RULE-3：在加大供水线1之上拟定生态补水控制线作为生态补水启动控制水位，RULE-1以当丹江口水库有弃水时，启动生态补水，其他规则以当时段初水位位于或高于生态补水控制线时，启动生态补水；丹江口水库按加大流量(420m³/s)的供水能力向受水区供水，优先满足规划的受水区城市生活与工业需水后，富余水量用于补充生态用水；

S12：以生态补水调度规则为基础，根据水库历史径流统计资料和相应设计需水流量资料设计确定，以时间为横坐标，水库水位或蓄水量为纵坐标，由控制供水方式的指导线划分出不同的供水调度区，其数学描述可表示为：

Q_t＝f(Z,T) 公式(1)

式中，Q_t、Z、T分别表示供水流量、水位和相应时间，本发明依据丹江口水库供水调度任务及原则，尽可能满足设计供水过程，提出基于供水调度图形式的丹江口水库生态补水调度优化模型方法，构建生态补水调度模型，明确多目标生态调度目标和边界条件。

作为本发明的一种优选方案，在步骤S2中，水库决策变量为水库各目标的时段供水量，状态变量为水库蓄水量，优化变量为调度参数，根据生态补水调度规则的预设形式，采用模拟-优化方法求解优化调度方案，RULE-1和RULE-2规则采用模拟方法获取直接获取调度方案，而基于RULE-1规则构建的模型，采用模拟与优化嵌套方法进行求解，其中优化模块中采用ε-支配的带精英策略的非支配排序遗传算法(ε-NSGAII优化算法)进行调度参数(生态补水调度线)优化计算，模拟模块嵌入优化模块循环进行寻优迭代，最终获得满意的生态补水调度方案集和最优生态补水调度线。

作为本发明的一种优选方案，在步骤S3中，所述生态补水与其他供水目标间的竞争与协同关系包括生态补水与目标函数间关系和生态补水与三方向供水关系。

作为本发明的一种优选方案，在步骤S4中，所述结果为：

(1)结果显示年均生态补水量为7.617亿m³，生态补水分别与弃水均值和三方向总缺水率呈竞争关系，生态补水主要来自于减少的弃水量；

(2)生态供水最佳时机主要集中汛前3—6月，可以减少汛期水库弃水；供水期1—2月，生态补水量也相对较大，但生态需水较小且为降低冰期北调供水风险，可不向北方进行生态补水。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本发明以水源区丹江口水库为对象，在提出生态补水调度规则基础上，构建了生态补水调度模型，明确了多目标生态调度目标和边界条件，采用多目标ε-NSGAII优化算法得到生态补水调度方案集和最优生态补水调度线，进一步分析丹江口水库的生态补水调度规模、调度时机以及生态补水与其他供水目标间的竞争与协同关系，结果表明，丹江口水库年均生态补水量为7.617亿m³，生态补水时机集中在汛前3—6月，生态补水分别与弃水均值和缺水率目标呈竞争关系，本发明可为南水北调中线生态补水调度规划决策提供一定的参考。

附图说明

图1为本发明丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法的流程图；

图2为本发明丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法中考虑生态补水的丹江口水库供水调度图

图3为本发明丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法中目标函数间的竞争协同关系图；

图4为本发明丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法中生态补水与三方向总供水关系图；

图5为本发明丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法中年内时段生态补水量分布图

图6为本发明丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法中年际生态补水量分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

请参阅图1，丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法，包括以下步骤：

S1、提出生态补水调度规则，构建生态补水调度模型，明确多目标生态调度目标和边界条件；

S11：以2016年水利部批复的《丹江口水利枢纽调度规程(试行)》(水建管[2016]377号)的供水调度规则和方式为基础，考虑对现有的供水不产生明显影响的前提下，尽量在加大供水区考虑生态补水，设相应的生态补水规则，规则如下：

(a)RULE-1：在丹江口水库有弃水的情况下启动生态相机补水；

(b)RULE-2：以加大供水线1作为生态补水启动控制水位；

(c)RULE-3：在加大供水线1之上拟定生态补水控制线作为生态补水启动控制水位，RULE-1以当丹江口水库有弃水时，启动生态补水，其他规则以当时段初水位位于或高于生态补水控制线时，启动生态补水；丹江口水库按加大流量(420m3/s)的供水能力向受水区供水，优先满足规划的受水区城市生活与工业需水后，富余水量用于补充生态用水；

S12：以生态补水调度规则为基础，根据水库历史径流统计资料和相应设计需水流量资料设计确定，以时间为横坐标，水库水位或蓄水量为纵坐标，由控制供水方式的指导线划分出不同的供水调度区，其数学描述可表示为：

Q_t＝f(Z,T) 公式(1)

式中，Q_t、Z、T分别表示供水流量、水位和相应时间，本发明依据丹江口水库供水调度任务及原则，尽可能满足设计供水过程，提出基于供水调度图形式的丹江口水库生态补水调度优化模型方法，构建生态补水调度模型，明确多目标生态调度目标和边界条件；

具体的，丹江口水库调度实际上是一个多目标调度问题，涉及发电、防洪、生态等多个目标，其中供水调度中的防洪问题由防洪调度线进行控制；汉江中下游的补偿下泄水量包括了中下游的生产、生活、生态、航运用水需求；此外，由于丹江口水库调度原则是发电服从供水，结合向中下游下泄流量作为发电流量，所以目标中不再考虑供水调度对发电的影响，因此，本发明保证水库对汉江中下游、清泉沟、陶岔三方向设计供水的基础上，尽量多向汉江中下游、清泉沟、陶岔和生态供水，减少丹江口水库弃水，其中，三方向设计供水过程的满足程度在模型中作为约束进行处理，同时综合考虑生态补水目标关系，设置生态供水量最大、三方向总缺水率最小和总弃水量最小三个目标函数：

式中，T为总调度时段数，M为三方向总供水目标数(M＝3)；分别为时段t供水目标i的设计需水量和实际供水流量，Q_ST,t为时段t生态补水的供水流量，Q_su,t为时段t水库弃水量；k是用来反映缺水社会经济影响的指数，取值为2，Δt为供水时段的时间间隔；

其约束条件如下：

(1)水量平衡约束：

式中，V_t+1、V_t分别为水库在t时段的初、末库容；I_t、表示水库在第t时段平均入、出库流量；

(2)水库库容约束

式中，V_t ^min为水库在时段t的死水位对应库容，V_t ^正常为在非汛期正常蓄水位对应的水库库容、V_t ^汛限为汛期防洪限制水位对应的水库库容；

(3)下泄流量约束

式中，Q_Down,t为向汉江中下游供水的下泄流量；分别为其流量最大、最小值，由水库综合利用需求、下游河道行洪、航运、大坝泄流能力等确定；

(4)陶岔渠首、清泉沟枢纽过流能力

式中，Q_QQG,t为清泉沟第t个时段的供水流量，Q_TC,t为陶岔第t个时段的供水流量；分别表示清泉沟枢纽、陶岔渠首最大过流能力，可通过清泉沟枢纽、陶岔渠首过流能力曲线查询；

(5)用水户优先级约束：用水户的优先级约束表现在用水户供水限制线的位置上，优先级越高的用水户供水限制线越低，从而可以保证不同类型用水户的供水限制线不发生交叉，满足用水户优先级约束的过程实质是一个排序过程，按照RULE-3生态补水预设规则，若加大供水线1位置低于生态补水线时，则交换位置，以此类推，直到所有用水户都满足优先级要求；

(6)其他约束，包括汉江中下游、清泉沟、陶岔三方向设计供水满足度、非负约束等；

上述约束条件处理中，当水库蓄水量超过库容上限时产生弃水、三方向供水保证不满足或水库蓄水量小于死库容时通过罚函数的形式进行处理，其他约束基本可以通过水量平衡模拟中进行直接处理；

S2、采用多目标ε-NSGAII优化算法得到生态补水调度方案集和最优生态补水调度线：水库决策变量为水库各目标的时段供水量，状态变量为水库蓄水量，优化变量为调度参数，根据生态补水调度规则的预设形式，采用模拟-优化方法求解优化调度方案，RULE-1和RULE-2规则采用模拟方法获取直接获取调度方案，而基于RULE-1规则构建的模型，采用模拟与优化嵌套方法进行求解，其中优化模块中采用ε-支配的带精英策略的非支配排序遗传算法(ε-NSGAII优化算法)进行调度参数(生态补水调度线)优化计算，模拟模块嵌入优化模块循环进行寻优迭代，最终获得满意的生态补水调度方案集和最优生态补水调度线；

具体的，以2016年水利部批复的《丹江口水利枢纽调度规程(试行)》(水建管[2016]377号)的供水调度规则和方式为基础，采用1956年1月-2017年12月共62年来水、三方向设计需水资料序列以及丹江口水库的特征资料等，根据3种生态补水规则与调度方式进行模拟或优化计算，模拟计算时段选取旬时段，计算结果见表1，RULE-1规则，其完全按照原规划进行模拟计算，利用弃水进行生态补水，以此结果作为基准方案，即生态补水对原三方向供水无影响的调度方案，可以利用弃水为生态年均补水2.618亿m³，RULE-2规则，由于三方向供水按同一优先级设定，所以生态补水与原三方向供水有一定竞争关系：虽然生态补水量增大，但明显降低了供水保证率，增加了水库破坏深度，RULE-3规则，以批复规划设计供水调度图为基础，优化生态补水调度线，相比其他规则方案，在保证水库不发生深度破坏条件下，稍微牺牲三方向供水，但显著增加生态供水和减少总弃水；

表1不同规则下的生态补水调度方案 单位：亿m³/年

综上分析，选用RULE-3规则的调度方式进行分析，获得优化供水调度图见图2，从图中可以看出，生态补水调度线主要位于原加大供水线2和加大供水线1之间，可见在保证规划的三方向平均供水量的基础上，利用水库富余水进行生态补水具有合理性；

S3、进一步分析生态补水调度规模、调度时机以及生态补水与其他供水目标间的竞争与协同关系，生态补水与其他供水目标间的竞争与协同关系包括生态补水与目标函数间关系和生态补水与三方向供水关系；

具体的，生态补水与目标函数间关系：

分析弃水均值、总缺水率和生态补水目标函数间的协同竞争关系，见图3，由图可知，生态补水量越大，总缺水率越大(三方向供水减少)，弃水量也减少，由于由于受到管道引水能力限制，三方向供水与生态补水会存在一定的竞争关系，减少的弃水量和三方向供水量为生态补水增加量，并且结合表1中生态供水量与总弃水的减少量和生态补水量与总弃水量之间近乎线性拟合关系，可知生态补水量的增加主要是利用水库弃水；

具体的，生态补水与三方向供水关系：受水区供水、清泉沟供水、中下游供水三方向供水优先级一致，都表现为与生态补水之间具有的竞争关系，生态补水与三方向总供水关系见图4，可知生态补水量挤占三方向供水，但在挤占量相对较小的情况下，可以大幅度提高生态补水量；

进一步需要说明的是：

通过分析年内时段生态补水量分布，见图5可知，生态供水主要集中在供水期，其中：①汛前3—6月，生态补水量较大，该时段增加生态供水，可以减少汛期弃水；②汛后10月—12月，生态补水较少，该时段生态补水线较高，来水主要用于水库蓄水，减少除三线供水必须供水外的其他供水；③其他时段1—2月，生态补水量也相对较大，但是由于该时期北线输水区处于冰期且生态需水小，为降低北调供水风险，该时期可不向北方进行生态补水；

通过分析年际生态补水量分布，见图6可知，三方向供水相对较为均衡，来水与生态补水基本同步；最大补水量出现在1964年，为24.653亿m³，包括2013-2016年苦水系列或枯水年未进行生态补水；进一步拟合年生态补水量(WST)与年来水量(I)、年三方向需水量(WD)与年初蓄水位(Z)关系曲线；经分析生态补水量与年初蓄水位呈现显著指数关系，且年初蓄水位对生态补水影响较大，与年来水量呈正相关，与年需水量呈反相关；初步构造拟合的模型为：

W_ST＝24430×W_D ^-1+0.09419×lg(I²)+exp(0.02468×Z)-134.2

公式(7)

通过该模型模拟的确定系数(R2)大于0.75，可提高生态补水调度决策的实用性；

S4、得出结果：

(1)结果显示年均生态补水量为7.617亿m³，生态补水分别与弃水均值和三方向总缺水率呈竞争关系，生态补水主要来自于减少的弃水量；

(2)生态供水最佳时机主要集中汛前3—6月，可以减少汛期水库弃水；供水期1—2月，生态补水量也相对较大，但生态需水较小且为降低冰期北调供水风险，可不向北方进行生态补水；

本发明可为南水北调中线生态补水调度规划决策提供一定的参考。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、以生态补水调度规则为基础，构建生态补水调度模型，明确多目标生态调度目标和边界条件；

S2、采用多目标ε-NSGAII优化算法获得最优生态补水调度线和生态补水调度方案集；

S3、进一步分析生态补水调度规模、调度时机以及生态补水与其他供水目标间的竞争与协同关系；

S4、得出结果；

步骤S1中，其具体方法为：

S11：以2016年水利部批复的《丹江口水利枢纽调度规程(试行)》(水建管〔2016〕377号)的供水调度规则和方式为基础，考虑对现有的供水不产生明显影响的前提下，尽量在加大供水区考虑生态补水，设相应的生态补水规则，规则如下：

(a)RULE-1：在丹江口水库有弃水的情况下启动生态相机补水；

(b)RULE-2：以加大供水线1作为生态补水启动控制水位；

(c)RULE-3：在加大供水线1之上拟定生态补水控制线作为生态补水启动控制水位；

S12：以生态补水调度规则为基础，提出丹江口水库生态补水调度优化模型方法，明确多目标生态调度目标和边界条件；

在步骤S2中，水库决策变量为水库各目标的时段供水量，状态变量为水库蓄水量，优化变量为调度参数，即生态补水调度线，根据生态补水调度规则的预设形式，采用模拟-优化方法求解优化调度方案，RULE-1和RULE-2规则采用模拟方法直接获取调度方案，而基于RULE-3规则构建的模型，采用模拟与优化嵌套方法进行求解，其中优化模块中采用ε-NSGAII优化算法进行调度参数优化计算，模拟模块嵌入优化模块循环进行寻优迭代，最终获得满意的生态补水调度方案集和最优生态补水调度线。

2.根据权利要求1所述的丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法，其特征在于，在步骤S3中，所述生态补水与其他供水目标间的竞争与协同关系包括生态补水与目标函数间关系和生态补水与三方向供水关系。

3.根据权利要求1所述的丹江口水库向受水区生态补水调度研究方法，其特征在于，在步骤S4中，所述结果为：

(1)结果显示年均生态补水量为7.617亿m³，生态补水分别与弃水均值和三方向总缺水率呈竞争关系，生态补水主要来自于减少的弃水量；

(2)生态供水最佳时机主要集中汛前3—6月，可以减少汛期水库弃水；供水期1—2月，生态补水量也相对较大，但生态需水较小且为降低冰期北调供水风险，可不向北方进行生态补水。