專利名稱：一種兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水庫(kù)調(diào)度方法，具體的說(shuō)是一種兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法。
背景技術(shù)：
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(jìn)入江河進(jìn)行生殖洄游。中華鱘主要分布于長(zhǎng)江干流，繁殖季節(jié)一般在10月上旬至11月中旬。自上世紀(jì)80年代以來(lái)，受大壩阻隔、水質(zhì)、航運(yùn)、水庫(kù)滯溫等因素影響，中華鱘種群數(shù)量急劇下降，處于瀕危狀態(tài)，1988年被列為我國(guó)I級(jí)保護(hù)動(dòng)物。長(zhǎng)江上游水利工程的運(yùn)行使中華鱘僅存的產(chǎn)卵場(chǎng)水文水動(dòng)力環(huán)境發(fā)生改變，加劇了中華鱘數(shù)量的減少。為保護(hù)中華鱘資源，進(jìn)行兼顧中華鱘資源保護(hù)的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度研究勢(shì)在必行。大量實(shí)踐證明，水電工程運(yùn)行期間，生態(tài)調(diào)度是緩解水電開發(fā)對(duì)生態(tài)與環(huán)境產(chǎn)生不利影響的有效措施之一。在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已廣泛將生態(tài)調(diào)度運(yùn)用于河流自然徑流過(guò)程的修復(fù)，亦有不少成功經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。然而，生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題具有地域特性，這些經(jīng)驗(yàn)不可能照搬使用。目前，大型水利工程的生態(tài)調(diào)度在國(guó)內(nèi)也逐漸受到重視，并通過(guò)實(shí)踐取得了一些初步經(jīng)驗(yàn)，但在流域梯級(jí)電站生態(tài)調(diào)度的理論、廣泛性和保障機(jī)制等方面，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在巨大差距。在已有的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法中，有的將生態(tài)需水以最低下泄流量的形式作為一個(gè)約束條件而存在，這種調(diào)度方式雖然可操作性強(qiáng)，易于監(jiān)督，但是由于僅僅考慮了最小生態(tài)需水的量，因而往往不能遏制生態(tài)系統(tǒng)惡化，更達(dá)不到維持和修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)健康的要求。另外最小生態(tài)需水量并不是決定生態(tài)是否惡化的唯一因素，河床水動(dòng)力及地形地質(zhì)變化也是造成生態(tài)惡化的主因。因此生態(tài)調(diào)度不僅要滿足最小生態(tài)需水量要求，還要滿足水生動(dòng)植物水動(dòng)力環(huán)境需求。有的將生態(tài)需水作為唯一目標(biāo)，水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行完全按照生態(tài)需水量節(jié)律進(jìn)行。這種方式雖然可以在最大程度上滿足生態(tài)系統(tǒng)的需求，但由于弱化了水庫(kù)建設(shè)的原有目標(biāo)，使得水庫(kù)喪失 了應(yīng)有的社會(huì)經(jīng)濟(jì)功能，目前僅理論上探討，難以實(shí)踐利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法，同時(shí)考慮中華鱘自然繁殖的水文水動(dòng)力需求及水庫(kù)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，使水庫(kù)發(fā)揮巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，有效的保護(hù)中華鱘資源。本發(fā)明解決以上技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是一種兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法，按以下步驟進(jìn)行(一 )根據(jù)中華鱘產(chǎn)卵期多年跟蹤監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)得出中華鱘產(chǎn)卵所需水文水動(dòng)力條件及相關(guān)參數(shù)的適宜性曲線，以產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積(WUA)表征中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度，依據(jù)河流內(nèi)流量增量法(IFM)建立中華鱘產(chǎn)卵適合度模型；( 二)針對(duì)中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)建立水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬大壩不同運(yùn)行工況下的中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境，將產(chǎn)卵場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果代入產(chǎn)卵適合度模型得出不同大壩運(yùn)行工況下的產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度；(三)以水庫(kù)運(yùn)行參數(shù)(包括下泄流量、下泄方式)為自變量，產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度為因變量，將步驟(二)的計(jì)算工況及結(jié)果作為學(xué)習(xí)樣本輸入三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，建立水庫(kù)調(diào)度與中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)適合度函數(shù)關(guān)系表達(dá)式；(四)以中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)適合度最大作為產(chǎn)卵期(10 11月)水庫(kù)調(diào)度生態(tài)目標(biāo)，建立水庫(kù)調(diào)度生態(tài)效益目標(biāo)函數(shù)，以發(fā)電量最大建立水庫(kù)調(diào)度經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)函數(shù)；(五)明確水庫(kù)調(diào)度的約束條件水量平衡約束、航運(yùn)上游水位變幅約束、航運(yùn)上游通航水位約束、水庫(kù)最大下泄流量約束、供水最小下泄流量約束、水輪機(jī)工作水頭約束、水輪機(jī)出力限制約束、水輪機(jī)最大過(guò)水量約束；(六)建立包括步驟(五)約束條件及步驟(四)目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型，模型以大壩出庫(kù)流量、電廠發(fā)電泄流流量、泄水閘棄水流量為變量，采用理想點(diǎn)優(yōu)化方法將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解；(七)應(yīng)用逐步優(yōu)化算法(POA)及復(fù)合形優(yōu)化算法對(duì)轉(zhuǎn)換得到的單目標(biāo)調(diào)度模型進(jìn)行優(yōu)化求解，得到中華鱘產(chǎn)卵期兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)最優(yōu)調(diào)度過(guò)程及最優(yōu)運(yùn)行方式。本發(fā)明進(jìn)一步限定的技術(shù)方案是前述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法，步驟(一)中，中華鱘產(chǎn)卵適合度模型為
權(quán)利要求
1.一種兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行 (-)根據(jù)中華鱘產(chǎn)卵期多年跟蹤監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)得出中華鱘產(chǎn)卵所需水文水動(dòng)力條件及相關(guān)參數(shù)的適宜性曲線，以產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積表征中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度，依據(jù)河流內(nèi)流量增量法建立中華鱘產(chǎn)卵適合度模型； (二)針對(duì)中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)建立水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬大壩不同運(yùn)行工況下的中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境，將產(chǎn)卵場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果代入產(chǎn)卵適合度模型得出不同大壩運(yùn)行工況下的產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度； ㈢以水庫(kù)運(yùn)行參數(shù)為自變量，產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度為因變量，將步驟㈡的計(jì)算工況及結(jié)果作為學(xué)習(xí)樣本輸入三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，建立水庫(kù)調(diào)度與中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)適合度函數(shù)關(guān)系表達(dá)式； ㈣以中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)適合度最大作為產(chǎn)卵期水庫(kù)調(diào)度生態(tài)目標(biāo)，建立水庫(kù)調(diào)度生態(tài)效益目標(biāo)函數(shù)，以發(fā)電量最大建立水庫(kù)調(diào)度經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)函數(shù)； (5)明確水庫(kù)調(diào)度的約束條件水量平衡約束、航運(yùn)上游水位變幅約束、航運(yùn)上游通航水位約束、水庫(kù)最大下泄流量約束、供水最小下泄流量約束、水輪機(jī)工作水頭約束、水輪機(jī)出力限制約束、水輪機(jī)最大過(guò)水量約束； ㈥建立包括步驟㈤約束條件及步驟㈣目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型，模型以大壩出庫(kù)流量、電廠發(fā)電泄流流量、泄水閘棄水流量為變量，采用理想點(diǎn)優(yōu)化方法將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解； ⑴應(yīng)用逐步優(yōu)化算法及復(fù)合形優(yōu)化算法對(duì)轉(zhuǎn)換得到的單目標(biāo)調(diào)度模型進(jìn)行優(yōu)化求解，得到中華鱘產(chǎn)卵期兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)最優(yōu)調(diào)度過(guò)程及最優(yōu)運(yùn)行方式。
2.如權(quán)利要求1所述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法，其特征在于所述步驟(-)中，中華鱘產(chǎn)卵適合度模型為 (1)(2) WUA :產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積， :每個(gè)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(biāo)，包括河床質(zhì)和遮蔽物， 每個(gè)單元在水平面上的投影面積。
3.如權(quán)利要求1所述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法，其特征在于所述步驟(二)中，水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型采用基于N-S方程推導(dǎo)的雷諾平均方程的三維淺水方程，包括連續(xù)方程、兩個(gè)水平動(dòng)量方程及標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型。
4.如權(quán)利要求1所述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法，其特征在于所述步驟曰中，所述水庫(kù)調(diào)度與中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)適合度函數(shù)關(guān)系表達(dá)式為 y :產(chǎn)卵場(chǎng)底層產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積，產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度， X :大壩運(yùn)行方式表征變量， wl、w2 :神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)權(quán)值，Thetal、Theta2 :神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)閾值。
5.如權(quán)利要求1所述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法，其特征在于所述步驟㈣中，水庫(kù)調(diào)度生態(tài)效益目標(biāo)函數(shù)和水庫(kù)調(diào)度經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)函數(shù)為 :水電站機(jī)組出力， A :水電站出力系數(shù)， :發(fā)電流量(實(shí)施例中)， 水輪機(jī)最大限制出力， 調(diào)節(jié)周期為10 11月，計(jì)算時(shí)段取等時(shí)段，以天為計(jì)算時(shí)段時(shí)長(zhǎng)，=24小時(shí)。
6.如權(quán)利要求1所述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法，其特征在于所述步驟㈤中， 所述水量平衡約束表達(dá)式 t時(shí)段入庫(kù)流量， t時(shí)段出庫(kù)流量， :計(jì)算時(shí)段， t+l時(shí)段水庫(kù)庫(kù)容， t時(shí)段水庫(kù)庫(kù)容； 所述航運(yùn)上游水位變幅約束表達(dá)式 :上游最小通航水位， t時(shí)段上游庫(kù)水位， :上游最大通航水位； 所述航運(yùn)上游水位變幅約束表達(dá)式 :航運(yùn)允許上游水位最大變幅； 所述水庫(kù)最大下泄流量約束和供水最小下泄流量約束表達(dá)式 :供水最小下泄流量， t時(shí)段水庫(kù)下泄流量(出庫(kù)流量)， :水庫(kù)允許最大下泄流量； 所述水輪機(jī)工作水頭約束表達(dá)式 :水輪機(jī)運(yùn)行運(yùn)行的最小水頭， t時(shí)段下游水位， :水輪機(jī)運(yùn)行運(yùn)行的最大水頭； 所述水輪機(jī)出力限制約束表達(dá)式 t時(shí)段水電站水力發(fā)電機(jī)組出力，:水輪機(jī)技術(shù)最小出力， :水輪機(jī)限制最大出力； 所述水輪機(jī)最大過(guò)水量約束表達(dá)式 :t時(shí)段水電站發(fā)電用水流量， :水電站水輪機(jī)最大過(guò)水流量。
7.如權(quán)利要求1所述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法，其特征在于所述步驟(六)中，分別計(jì)算時(shí)段內(nèi)無(wú)約束可能最大產(chǎn)卵場(chǎng)適合度和水電站最大發(fā)電量，=24小時(shí)，在時(shí)段內(nèi)根據(jù)理想點(diǎn)法將雙目標(biāo)轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)函數(shù)，其中無(wú)約束可能最大產(chǎn)卵場(chǎng)適合度指的是在給定大壩出庫(kù)流量下不考慮水庫(kù)其他運(yùn)行條件約束優(yōu)化大壩泄流方式獲得的最大產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度；無(wú)約束水電站最大發(fā)電量指的是在給定大壩出庫(kù)流量下僅考慮水電站發(fā)電量不考慮其他大壩運(yùn)行約束優(yōu)化得到的最大發(fā)電量；轉(zhuǎn)換得到的單目標(biāo)函數(shù)為 :時(shí)段產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度， :時(shí)段水電站發(fā)電量。
8.如權(quán)利要求1所述的兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)生態(tài)調(diào)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(chǎn)卵期為調(diào)度周期，以天為計(jì)算時(shí)段； ②確定決策變量，以水庫(kù)下泄流量及下泄方式為決策變量； ③確定狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程，以水量平衡方程為狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程； ④確定初始決策變量，根據(jù)常規(guī)調(diào)度計(jì)算結(jié)果確定初始變量； ⑤固定第n時(shí)段和第n-2時(shí)段的水位和不變，也就是保持不變，調(diào)整和，得到和，采用復(fù)合形優(yōu)化方法使得第n和第n-1時(shí)段目標(biāo)函數(shù)和取得最小值； ⑥固定和，保持不變，調(diào)整和，得到和，使得n-3到n-1時(shí)段目標(biāo)函數(shù)和取得最小值； ⑦重復(fù)步驟6，直到初始時(shí)刻為止，得到在當(dāng)前初始狀態(tài)和約束條件下的水庫(kù)調(diào)度線； ⑧以得到調(diào)度線為新的初始決策狀態(tài)，用同樣的步驟再次尋優(yōu)，直到兩次求得的水庫(kù)調(diào)度線達(dá)到精度要求。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水庫(kù)調(diào)度方法，是一種兼顧中華鱘繁殖需求的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法，本發(fā)明針對(duì)中華鱘產(chǎn)卵期(10～11月)，將中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵適合度作為水庫(kù)生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合水利工程該時(shí)期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)，建立在滿足防洪效益、航運(yùn)效益、水資源利用效益基礎(chǔ)上以發(fā)電效益與生態(tài)效益為雙目標(biāo)的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型，采用逐步優(yōu)化算法(POA)及復(fù)合形優(yōu)化方法進(jìn)行模型求解，得到綜合效益最大的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度過(guò)程。該發(fā)明能使水庫(kù)充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)有效保護(hù)中華鱘資源，達(dá)到綜合效益最大化。
文檔編號(hào)G06F19/00GK103065033SQ20121000740
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者戴會(huì)超, 王煜, 吳建華 申請(qǐng)人:戴會(huì)超