專利名稱：一種兼顧中華鱘繁殖需求的水庫生態調度方法
技術領域：
本發明涉及一種水庫調度方法，具體的說是一種兼顧中華鱘繁殖需求的水庫生態調度方法。
背景技術：
中華鱘是一種大型溯河洄游性魚類，親魚每年4月至6月由海洋進入江河進行生殖洄游。中華鱘主要分布于長江干流，繁殖季節一般在10月上旬至11月中旬。自上世紀80年代以來，受大壩阻隔、水質、航運、水庫滯溫等因素影響，中華鱘種群數量急劇下降，處于瀕危狀態，1988年被列為我國I級保護動物。長江上游水利工程的運行使中華鱘僅存的產卵場水文水動力環境發生改變，加劇了中華鱘數量的減少。為保護中華鱘資源，進行兼顧中華鱘資源保護的水庫生態調度研究勢在必行。大量實踐證明，水電工程運行期間，生態調度是緩解水電開發對生態與環境產生不利影響的有效措施之一。在國外發達國家已廣泛將生態調度運用于河流自然徑流過程的修復，亦有不少成功經驗可供借鑒。然而，生態與環境問題具有地域特性，這些經驗不可能照搬使用。目前，大型水利工程的生態調度在國內也逐漸受到重視，并通過實踐取得了一些初步經驗，但在流域梯級電站生態調度的理論、廣泛性和保障機制等方面，我國與發達國家還存在巨大差距。在已有的水庫生態調度方法中，有的將生態需水以最低下泄流量的形式作為一個約束條件而存在，這種調度方式雖然可操作性強，易于監督，但是由于僅僅考慮了最小生態需水的量，因而往往不能遏制生態系統惡化，更達不到維持和修復生態系統健康的要求。另外最小生態需水量并不是決定生態是否惡化的唯一因素，河床水動力及地形地質變化也是造成生態惡化的主因。因此生態調度不僅要滿足最小生態需水量要求，還要滿足水生動植物水動力環境需求。有的將生態需水作為唯一目標，水庫調度運行完全按照生態需水量節律進行。這種方式雖然可以在最大程度上滿足生態系統的需求，但由于弱化了水庫建設的原有目標，使得水庫喪失 了應有的社會經濟功能，目前僅理論上探討，難以實踐利用。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是，克服現有技術的缺點，提供一種兼顧中華鱘繁殖需求的水庫生態調度方法，同時考慮中華鱘自然繁殖的水文水動力需求及水庫的社會經濟效益，使水庫發揮巨大社會經濟效益的同時，有效的保護中華鱘資源。本發明解決以上技術問題的技術方案是一種兼顧中華鱘繁殖需求的水庫生態調度方法，按以下步驟進行(一 )根據中華鱘產卵期多年跟蹤監測資料統計得出中華鱘產卵所需水文水動力條件及相關參數的適宜性曲線，以產卵場產卵加權可利用面積(WUA)表征中華鱘產卵場產卵適合度，依據河流內流量增量法(IFM)建立中華鱘產卵適合度模型；( 二)針對中華鱘產卵場建立水動力數學模型，數值模擬大壩不同運行工況下的中華鱘產卵場水動力環境，將產卵場數值模擬結果代入產卵適合度模型得出不同大壩運行工況下的產卵場產卵適合度；(三)以水庫運行參數(包括下泄流量、下泄方式)為自變量，產卵場產卵適合度為因變量，將步驟(二)的計算工況及結果作為學習樣本輸入三層BP神經網絡進行學習訓練，建立水庫調度與中華鱘產卵場適合度函數關系表達式；(四)以中華鱘產卵場適合度最大作為產卵期(10 11月)水庫調度生態目標，建立水庫調度生態效益目標函數，以發電量最大建立水庫調度經濟效益目標函數；(五)明確水庫調度的約束條件水量平衡約束、航運上游水位變幅約束、航運上游通航水位約束、水庫最大下泄流量約束、供水最小下泄流量約束、水輪機工作水頭約束、水輪機出力限制約束、水輪機最大過水量約束；(六)建立包括步驟(五)約束條件及步驟(四)目標函數的多目標水庫優化調度模型，模型以大壩出庫流量、電廠發電泄流流量、泄水閘棄水流量為變量，采用理想點優化方法將多目標轉化為單目標函數進行優化求解；(七)應用逐步優化算法(POA)及復合形優化算法對轉換得到的單目標調度模型進行優化求解，得到中華鱘產卵期兼顧中華鱘繁殖需求的水庫最優調度過程及最優運行方式。本發明進一步限定的技術方案是前述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫生態調度方法，步驟(一)中，中華鱘產卵適合度模型為
權利要求
1.一種兼顧中華鱘繁殖需求的水庫生態調度方法，其特征在于按以下步驟進行 (-)根據中華鱘產卵期多年跟蹤監測資料統計得出中華鱘產卵所需水文水動力條件及相關參數的適宜性曲線，以產卵場產卵加權可利用面積表征中華鱘產卵場產卵適合度，依據河流內流量增量法建立中華鱘產卵適合度模型； (二)針對中華鱘產卵場建立水動力數學模型，數值模擬大壩不同運行工況下的中華鱘產卵場水動力環境，將產卵場數值模擬結果代入產卵適合度模型得出不同大壩運行工況下的產卵場產卵適合度； ㈢以水庫運行參數為自變量，產卵場產卵適合度為因變量，將步驟㈡的計算工況及結果作為學習樣本輸入三層BP神經網絡進行學習訓練，建立水庫調度與中華鱘產卵場適合度函數關系表達式； ㈣以中華鱘產卵場適合度最大作為產卵期水庫調度生態目標，建立水庫調度生態效益目標函數，以發電量最大建立水庫調度經濟效益目標函數； (5)明確水庫調度的約束條件水量平衡約束、航運上游水位變幅約束、航運上游通航水位約束、水庫最大下泄流量約束、供水最小下泄流量約束、水輪機工作水頭約束、水輪機出力限制約束、水輪機最大過水量約束； ㈥建立包括步驟㈤約束條件及步驟㈣目標函數的多目標水庫優化調度模型，模型以大壩出庫流量、電廠發電泄流流量、泄水閘棄水流量為變量，采用理想點優化方法將多目標轉化為單目標函數進行優化求解； ⑴應用逐步優化算法及復合形優化算法對轉換得到的單目標調度模型進行優化求解，得到中華鱘產卵期兼顧中華鱘繁殖需求的水庫最優調度過程及最優運行方式。
2.如權利要求1所述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫生態調度方法，其特征在于所述步驟(-)中，中華鱘產卵適合度模型為 (1)(2) WUA :產卵場產卵加權可利用面積， :每個單元影響因子的組合適宜值， :流速適宜值， :水深適宜值， :河道指標，包括河床質和遮蔽物， 每個單元在水平面上的投影面積。
3.如權利要求1所述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫生態調度方法，其特征在于所述步驟(二)中，水動力數學模型采用基于N-S方程推導的雷諾平均方程的三維淺水方程，包括連續方程、兩個水平動量方程及標準k-e湍流模型。
4.如權利要求1所述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫生態調度方法，其特征在于所述步驟曰中，所述水庫調度與中華鱘產卵場適合度函數關系表達式為 y :產卵場底層產卵加權可利用面積，產卵場產卵適合度， X :大壩運行方式表征變量， wl、w2 :神經網絡學習權值，Thetal、Theta2 :神經網絡學習閾值。
5.如權利要求1所述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫生態調度方法，其特征在于所述步驟㈣中，水庫調度生態效益目標函數和水庫調度經濟效益目標函數為 :水電站機組出力， A :水電站出力系數， :發電流量(實施例中)， 水輪機最大限制出力， 調節周期為10 11月，計算時段取等時段，以天為計算時段時長，=24小時。
6.如權利要求1所述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫生態調度方法，其特征在于所述步驟㈤中， 所述水量平衡約束表達式 t時段入庫流量， t時段出庫流量， :計算時段， t+l時段水庫庫容， t時段水庫庫容； 所述航運上游水位變幅約束表達式 :上游最小通航水位， t時段上游庫水位， :上游最大通航水位； 所述航運上游水位變幅約束表達式 :航運允許上游水位最大變幅； 所述水庫最大下泄流量約束和供水最小下泄流量約束表達式 :供水最小下泄流量， t時段水庫下泄流量(出庫流量)， :水庫允許最大下泄流量； 所述水輪機工作水頭約束表達式 :水輪機運行運行的最小水頭， t時段下游水位， :水輪機運行運行的最大水頭； 所述水輪機出力限制約束表達式 t時段水電站水力發電機組出力，:水輪機技術最小出力， :水輪機限制最大出力； 所述水輪機最大過水量約束表達式 :t時段水電站發電用水流量， :水電站水輪機最大過水流量。
7.如權利要求1所述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫生態調度方法，其特征在于所述步驟(六)中，分別計算時段內無約束可能最大產卵場適合度和水電站最大發電量，=24小時，在時段內根據理想點法將雙目標轉換為單目標函數，其中無約束可能最大產卵場適合度指的是在給定大壩出庫流量下不考慮水庫其他運行條件約束優化大壩泄流方式獲得的最大產卵場產卵適合度；無約束水電站最大發電量指的是在給定大壩出庫流量下僅考慮水電站發電量不考慮其他大壩運行約束優化得到的最大發電量；轉換得到的單目標函數為 :時段產卵場產卵適合度， :時段水電站發電量。
8.如權利要求1所述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫生態調度方法，其特征在于所述步驟㈦中，求解步驟如下 ①確定階段變量，以中華鱘產卵期為調度周期，以天為計算時段； ②確定決策變量，以水庫下泄流量及下泄方式為決策變量； ③確定狀態轉移方程，以水量平衡方程為狀態轉移方程； ④確定初始決策變量，根據常規調度計算結果確定初始變量； ⑤固定第n時段和第n-2時段的水位和不變，也就是保持不變，調整和，得到和，采用復合形優化方法使得第n和第n-1時段目標函數和取得最小值； ⑥固定和，保持不變，調整和，得到和，使得n-3到n-1時段目標函數和取得最小值； ⑦重復步驟6，直到初始時刻為止，得到在當前初始狀態和約束條件下的水庫調度線； ⑧以得到調度線為新的初始決策狀態，用同樣的步驟再次尋優，直到兩次求得的水庫調度線達到精度要求。
全文摘要
本發明涉及一種水庫調度方法，是一種兼顧中華鱘繁殖需求的水庫生態調度方法，本發明針對中華鱘產卵期(10～11月)，將中華鱘產卵場產卵適合度作為水庫生態效益評價指標，結合水利工程該時期的社會經濟效益目標，建立在滿足防洪效益、航運效益、水資源利用效益基礎上以發電效益與生態效益為雙目標的水庫生態調度模型，采用逐步優化算法(POA)及復合形優化方法進行模型求解，得到綜合效益最大的水庫生態調度過程。該發明能使水庫充分發揮經濟效益的同時有效保護中華鱘資源，達到綜合效益最大化。
文檔編號G06F19/00GK103065033SQ20121000740
公開日2013年4月24日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者戴會超, 王煜, 吳建華 申請人:戴會超