一種面向環(huán)境保護(hù)的單一供水水庫的生態(tài)庫容確定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種面向環(huán)境保護(hù)的單一供水水庫的生態(tài)庫容確定方法，屬于環(huán)境保護(hù)與資源綜合利用【技術(shù)領(lǐng)域】。首先根據(jù)河流管理部門規(guī)定的河流生態(tài)流量要求，確定水庫生態(tài)用水調(diào)度的優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合優(yōu)化變量與約束條件，建立水庫生態(tài)用水調(diào)度優(yōu)化模型，構(gòu)造多目標(biāo)的權(quán)重集合，將多目標(biāo)化成單目標(biāo)進(jìn)行求解；然后根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會和生態(tài)缺水率的分析，確定優(yōu)化供水方案；最后根據(jù)優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)社會和生態(tài)供水量，按比例進(jìn)行生態(tài)庫容的計算。本發(fā)明彌補了傳統(tǒng)供水水庫庫容設(shè)置未能考慮生態(tài)供水的弊端，符合未來水庫進(jìn)行生態(tài)用水調(diào)度的需求；根據(jù)優(yōu)化模型結(jié)果計算，能夠得到更為合理的生態(tài)庫容，具有理論意義明確、可操作性強(qiáng)、容易得到實際應(yīng)用的優(yōu)點。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種面向環(huán)境保護(hù)的單一供水水庫的生態(tài)庫容確定方法，屬于環(huán)境保 護(hù)與資源綜合利用【技術(shù)領(lǐng)域】。 一種面向環(huán)境保護(hù)的單一供水水庫的生態(tài)庫容確定方法

【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)水庫的運行與調(diào)度，都是以防洪、供水、發(fā)電等社會功能和經(jīng)濟(jì)功能極大化為 目標(biāo)。這些水庫的調(diào)度運用，改變了河流水文的自然過程及規(guī)律，影響到魚類等水生生物的 棲息生存，對河流生態(tài)系統(tǒng)造成威脅。隨著生態(tài)環(huán)境問題的日益突出，河流生態(tài)環(huán)境需水 也就成為水庫調(diào)度中越來越重要的任務(wù)，一些學(xué)者紛紛提出了生態(tài)調(diào)度的概念（董哲仁， 2007)，并將生態(tài)流量與水庫調(diào)度結(jié)合，發(fā)展了考慮生態(tài)需水量的水庫調(diào)度方案和規(guī)則（楊 志峰，2010 ;戴會超，2012 ;劉攀，2013)。
[0003] 這些方法都是從水庫的傳統(tǒng)庫容和調(diào)度方法角度出發(fā)，按下游河道內(nèi)生態(tài)需水要 求約束下泄生態(tài)水量，在具體實施中，容易產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)用水和生態(tài)用水的矛盾，難以協(xié)調(diào)。近 年有學(xué)者提出了水庫生態(tài)庫容概念（廖四輝，2011)，并討論了其對保障生態(tài)流量的必要性 (雍婷，2013 ;呂孫云，2013)，其確定方法是對設(shè)置的生態(tài)限制供水線進(jìn)行優(yōu)化，仍是在傳 統(tǒng)庫容和調(diào)度方法上的約束調(diào)度，容易使枯水季節(jié)只有生態(tài)供水，而人類生活生產(chǎn)需水缺 口較大，矛盾依然突出。此外，傳統(tǒng)的水庫設(shè)計運行中庫容設(shè)置僅有死庫容、興利庫容和防 洪庫容確定方法（顧圣平，2009)，根據(jù)現(xiàn)實需要，有必要在傳統(tǒng)庫容的基礎(chǔ)上專設(shè)生態(tài)庫 容，發(fā)展生態(tài)庫容確定方法。目前，在供水水庫中，還未有生態(tài)庫容的確定計算方法，水庫運 行中還難以明晰和協(xié)調(diào)人類社會經(jīng)濟(jì)、防洪和生態(tài)目標(biāo)的水量調(diào)度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種面向環(huán)境保護(hù)的單一供水水庫的生態(tài)庫容確定方法，結(jié) 合當(dāng)前生態(tài)流量需求和優(yōu)化模型工具，建立已有單一供水水庫的生態(tài)庫容確定方法，使供 水水庫在發(fā)揮河川徑流調(diào)蓄和經(jīng)濟(jì)社會供水作用的同時，動用專門庫容進(jìn)行生態(tài)供水，保 障河道內(nèi)環(huán)境流量，實施環(huán)境保護(hù)和生態(tài)友好的生態(tài)調(diào)度。
[0005] 本發(fā)明提出的面向環(huán)境保護(hù)的單一供水水庫的生態(tài)庫容確定方法，其流程框圖如 圖1所示，包括以下步驟：
[0006] (1)根據(jù)河流管理部門的要求，分別確定供水水庫下游河流的生態(tài)控制斷面各月 份的生態(tài)需水量其中k為月份，k = 1，2,…，12,將各月份的生態(tài)需水量》;作為生 態(tài)流量目標(biāo)；
[0007] (2)建立一個水庫生態(tài)用水調(diào)度優(yōu)化模型，優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為：
[0008] Μ?ηΖ = + + ^W：ihlck) + ±w4W^k /=1 /.=1
[0009] 上式中為供水水庫的第i個供水區(qū)的生活缺水量，》為第i個供水區(qū) 的工業(yè)及城市缺水量，PLrf為第i個供水區(qū)的農(nóng)業(yè)缺水量，為供水水庫下游河流的 第j個生態(tài)控制斷面的生態(tài)缺水量，Wp w2、w3、w4為權(quán)重系數(shù)，通過隨機(jī)或人工生成，滿足 = 1，η為由供水水庫供水的供水區(qū)總數(shù)，m為水庫下游河流的生態(tài)控制斷面總 數(shù)；
[0010] (3)設(shè)定關(guān)于供水水庫、供水水庫所在河流、供水區(qū)、水庫下游河流的生態(tài)控制斷 面、匯流節(jié)點和渠道的優(yōu)化模型的約束條件，如下：
[0011] 供水水庫：
[0012] V (t+1) = V (t) +ffresin (t) -Wresout (t) -Wres_sup (t) -Lres (t)
[0013] Vds^ V(t) ^ Vfflax
[0014] Wres-out (t) < Qres max
[0015] Wres_sup(t) ^
[0016] 供水水庫所在河流：
[0017] Wriv in (t) = ffriv out (t) +Lriv (t)
[0018] ffriv in(t) ^ Qriv max
[0019] Wriv out(t)彡 Qriv max
[0020] 供水區(qū)：
[0021 ] wsuP(t) = ffcon(t)+wret(t)
[0022] Wsup(t) = Wdem(t)-fflack(t)
[0023] 生態(tài)控制斷面：
[0024] Weco (t) = ffedem (t) -ffelack (t) +ffeinc (t)
[0025] 匯流節(jié)點： N
[0026] WcdYj￥:m,」n(t) /-1
[0027] 渠道：
[0028] Wsup(t) = (l-a)Xffres_sup(t)
[0029] 其中，t為優(yōu)化模型的時段指標(biāo)，t = 1，2，···，T，T為模型計算的總時間，V(t)、 V(t+1)分別為第t時段和第t+1時段的供水水庫的蓄水量，WMS in(t)、WMS 、WMS sup(t)、 L_(t)分別為第t時段的供水水庫的入流量、下泄流量、向供水區(qū)的供水量和損失量，Vds為 供水水庫的下限庫容，為供水水庫的上限庫容，Q MS _為供水水庫的下泄能力，Qd_為 供水水庫的引水能力，WHv in(t)、WHv ^(t)、Liv(t)分別為第t時段的供水水庫的上游河 流入流量、下游河流出流量和所在河流的損失量，Q&_ max為下游河流的過流能力，Wsup(t)、 Wcon(t)、Wret (t)、Wdem(t)、Wlack(t)分別為第t時段供水區(qū)得到的供水量、耗水量、回歸下游河 流的水量、需水量和缺水量，W_(t) 、W eladi(t)、Weinc;(t)分別為第t時段供水水庫下 游河流的生態(tài)控制斷面的生態(tài)供水量、需水量、缺水量和加大量，W_ _α)為第t時段匯流 節(jié)點的出流量，表示第t時段匯流節(jié)點的第1個分支入流量，N為流入同一匯流節(jié) 點的分支總數(shù)，α為渠道的損失系數(shù)，取值范圍為〇-1的實數(shù)，上述約束條件中，供水水庫 的下限庫容、供水水庫的上限庫容、供水水庫的下泄能力、供水水庫的引水能力、下游河流 的過流能力和渠道的損失系數(shù)由河流管理部門提供；
[0030] (4)采用線性規(guī)劃方法求解，以10天為時間步長，根據(jù)30年水文歷史資料中的供 水水庫的上游河流入流量W& in(t)，求解上述步驟（2)和步驟（3)構(gòu)成的優(yōu)化模型，得到優(yōu) 化的供水水庫向供水區(qū)的供水量W Ms sup(t)和供水水庫的生態(tài)供水量W_(t);
[0031] (5)隨機(jī)或人工生成多組權(quán)重系數(shù)，滿足A+W2+W3+W4 = 1，得到權(quán)重集 合，，重復(fù)步驟（4)，計算得到多組優(yōu)化的供水水庫向供水區(qū)的供水量W_sup(t)和供水水 庫的生態(tài)供水量1。。(〇,形成一個由多組優(yōu)化的供水水庫向供水區(qū)的供水和 供水水庫的生態(tài)供水量W_ (t)組成的非劣解集f (WMS_SUP (t)，W_ (t));
[0032] (6)根據(jù)上述多組優(yōu)化的供水水庫向供水區(qū)的供水量WMs sup(t)和供水水庫的生 態(tài)供水量W_ (t)，通過下式計算人類社會經(jīng)濟(jì)缺水率Rs ladt和生態(tài)缺水率R_ ladt :

【權(quán)利要求】
1. 一種面向環(huán)境保護(hù)的單一供水水庫的生態(tài)庫容確定方法，其特征在于該計算方法包 括以下各步驟： (1) 根據(jù)河流管理部門的要求，分別確定供水水庫下游河流的生態(tài)控制斷面各月份的 生態(tài)需水量其中k為月份，k = 1，2，…，12,將各月份的生態(tài)需水量d,作為生態(tài)流 量目標(biāo)； (2) 建立一個水庫生態(tài)用水調(diào)度優(yōu)化模型，優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為： /=1 /=1 上式中為供水水庫的第i個供水區(qū)的生活缺水量，為第i個供水區(qū)的工業(yè) 及城市缺水量，為第i個供水區(qū)的農(nóng)業(yè)缺水量，KLr為供水水庫下游河流的第j個生 態(tài)控制斷面的生態(tài)缺水量，為權(quán)重系數(shù)，通過隨機(jī)或人工生成，滿足Wi+WfwfWj =1，η為由供水水庫供水的供水區(qū)總數(shù)，m為水庫下游河流的生態(tài)控制斷面總數(shù)； (3) 設(shè)定關(guān)于供水水庫、供水水庫所在河流、供水區(qū)、水庫下游河流的生態(tài)控制斷面、匯 流節(jié)點和渠道的優(yōu)化模型的約束條件，如下： 供水水庫： V (t+1) = V (t) +ffres in (t) -Wres out (t) -ffres_sup (t) -Lres (t) Vds ^ V(t) ^ Vfflax Wres-out (t) Qres-max Wres-sup (t) Qdmax 供水水庫所在河流： Wrivjn(t) = Wriv out (t)+Lriv (t) Wriv-in ⑴彡 Q riv-max Wfiv-out (t) Qriv-max 供水區(qū)： WsuP(t) = Wcon(t)+ffret(t) Wsup (t) = Wdem (t) -fflack (t) 生態(tài)控制斷面： weco (t) = ffedem (t) -welack (t) +ffeinc (t) 匯流節(jié)點： υ)=?υ /=1 渠道： wsup ⑴=(l-a)XWres-sup(t) 其中，t為優(yōu)化模型的時段指標(biāo)，t = 1，2，一,111為模型計算的總時間，V(t)、V(t+l) 分別為第t時段和第t+1時段的供水水庫的蓄水量，WMS in(t)、WMS wt(t)、WMS sup(t)、Lres(t) 分別為第t時段的供水水庫的入流量、下泄流量、向供水區(qū)的供水量和損失量，V ds為供水 水庫的下限庫容，為供水水庫的上限庫容，Qras _為供水水庫的下泄能力，為供水 水庫的引水能力，WHv in(t)、WHv Mt(t)、L,iv(t)分別為第t時段的供水水庫的上游河流入流 量、下游河流出流量和所在河流的損失量，Q&_max為下游河流的過流能力，Wsup(t)、W_(t)、 WMt(t)、Wd"(t)、Wladi(t)分別為第t時段供水區(qū)得到的供水量、耗水量、回歸下游河流的水 量、需水量和缺水量，W_(t) 、W eladi(t)、Weinc;(t)分別為第t時段供水水庫下游河流 的生態(tài)控制斷面的生態(tài)供水量、需水量、缺水量和加大量，w__α)為第t時段匯流節(jié)點的 出流量，ML」,#)表示第t時段匯流節(jié)點的第1個分支入流量，N為流入同一匯流節(jié)點的分 支總數(shù)，α為渠道的損失系數(shù)，取值范圍為〇-1的實數(shù)，上述約束條件中，供水水庫的下限 庫容、供水水庫的上限庫容、供水水庫的下泄能力、供水水庫的引水能力、下游河流的過流 能力和渠道的損失系數(shù)由河流管理部門提供； (4) 采用線性規(guī)劃方法求解，以10天為時間步長，根據(jù)30年水文歷史資料中的供水水 庫的上游河流入流量W& in(t)，求解上述步驟（2)和步驟（3)構(gòu)成的優(yōu)化模型，得到優(yōu)化的 供水水庫向供水區(qū)的供水量W Ms sup(t)和供水水庫的生態(tài)供水量W_(t); (5) 隨機(jī)或人工生成多組權(quán)重系數(shù)％、w2、w3、w4，滿足Wi+w 2+w3+w4 = 1，得到權(quán)重集合 ?Ω，重復(fù)步驟（4)，計算得到多組優(yōu)化的供水水庫向供水區(qū)的供水量W_ sup(t)和供水水庫 的生態(tài)供水量W_ (t)，形成一個由多組優(yōu)化的供水水庫向供水區(qū)的供水量sup (t)和供 水水庫的生態(tài)供水量W_ (t)組成的非劣解集f (WMS_SUP (t)，W_ (t)); (6) 根據(jù)上述多組優(yōu)化的供水水庫向供水區(qū)的供水量WMs sup(t)和供水水庫的生態(tài)供 水量W_ (t)，通過下式計算人類社會經(jīng)濟(jì)缺水率Rs ladt和生態(tài)缺水率R_ ladt :
當(dāng)人類社會經(jīng)濟(jì)缺水率Rs_ladt與生態(tài)缺水率R__ladt的值相等時（或某一個特定的協(xié)調(diào) 值），從非劣解集W" (WMS sup (t)，W_ (t))中檢索出與人類社會經(jīng)濟(jì)缺水率Rs ladt和生態(tài)缺水 率&。?！筤相等條件下（或某一個特定的協(xié)調(diào)值）相應(yīng)的Ls_sup(t)和^。。(〇 ; (7) 根據(jù)上述_和W_，利用下式計算生態(tài)庫容入。。：
其中，Vactive為從河流管理部門獲取的當(dāng)前供水水庫的興利庫容。
【文檔編號】E02B1/02GK104047257SQ201410283712
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】王忠靜, 朱金峰, 尚文繡, 趙建世, 鄭航, 黃草 申請人:清華大學(xué)