[发明专利]一种面向环境保护的联合调度水库群的生态库容确定方法

摘要

本发明涉及一种面向环境保护的联合调度水库群的生态库容确定方法，属于环境保护与资源综合利用技术领域。首先根据河流管理部门规定的河流生态流量和需水量要求，确定优化目标和约束条件，建立水库群生态用水调度优化模型，随机生成多目标的权重集合并求解，确定满足人类社会经济和生态缺水率特定协调值的优化供水方案；然后计算每年各水库补水所需的调节库容，选取90％保证率对应的调节库容；最后计算无生态目标下的调节库容，将其差值确定为生态库容。本发明的优点是弥补了传统水库群调度中库容设置未能考虑生态供水的弊端，根据水库群生态用水调度优化模型和情景分析，能得到更为合理的生态库容，有利于保障水库群生态调度规则的实施。

主权项

一种面向环境保护的联合调度水库群的生态库容确定方法，其特征在于该计算方法包括以下各步骤：(1)根据河流管理部门的要求，分别确定水库群中各水库下游河流的各生态控制断面各月份的生态需水量作为生态流量目标，其中k为月份，k＝1,2，…，12，j代表第j个水库下游河流的生态控制断面，j＝1,2，…，m，m为水库群中的水库总数，每个水库下游河流有一个生态控制断面和一个汇流节点；(2)建立一个水库群生态用水调度优化模型，优化模型的目标函数为：$\mathrm{MinZ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(w_1{W}_{\mathrm{Dlack}}^i+w_2{W}_{\mathrm{Ilack}}^i+w_3{W}_{\mathrm{Alack}}^i)+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_4{W}_{\mathrm{elack}}^j$上式中：为水库群的第i个供水区的生活缺水量，i＝1,2，…，n，，n为由水库群供水的供水区总数，为第i个供水区的工业及城市缺水量，为第i个供水区的农业缺水量，为水库群中下游河流的第j个生态控制断面的生态缺水量，w₁、w₂、w₃、w₄为权重系数，通过随机或人工生成，满足w₁+w₂+w₃+w₄＝1；(3)设定关于水库群、水库群所在河流、供水区、水库群下游河流的生态控制断面、汇流节点和渠道的优化模型的约束条件，如下：供水水库：$V^j(t+1)=V^j\left(t\right)+W_{\mathrm{res}\_\mathrm{in}}^j\left(t\right)-W_{\mathrm{res}\_\mathrm{out}}^j\left(t\right)-W_{\mathrm{res}\_\sup }^j\left(t\right)-L_{\mathrm{res}}^j\left(t\right)$$V_{\mathrm{ds}}^j\≤V^j\left(t\right)\≤V_{\max }^j$$W_{\mathrm{res}\_\mathrm{out}}^j\left(t\right)\≤Q_{\mathrm{res}\_\max }^j$$W_{\mathrm{res}\_\sup }^j\left(t\right)\≤Q_{d\max }^j$供水水库所在河流：$W_{\mathrm{riv}\_\mathrm{in}}^j\left(t\right)=W_{\mathrm{riv}\_\mathrm{out}}^j\left(t\right)+L_{\mathrm{riv}}^j\left(t\right)$$W_{\mathrm{riv}\_\mathrm{in}}^j\left(t\right)\≤Q_{\mathrm{riv}\_\max }^j$供水区：$W_{\sup }^i\left(t\right)=W_{\mathrm{con}}^i\left(t\right)+W_{\mathrm{ret}}^i\left(t\right)$$W_{\sup }^i\left(t\right)=W_{\mathrm{sdem}}^i\left(t\right)-W_{\mathrm{slack}}^i\left(t\right)$生态控制断面：$W_{\mathrm{eco}}^j\left(t\right)=W_{\mathrm{edem}}^j\left(t\right)-W_{\mathrm{elack}}^j\left(t\right)+W_{\mathrm{einc}}^j\left(t\right)$汇流节点：$W_{\mathrm{con}\_\mathrm{out}}^j\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{con}\_\mathrm{in}}^{l,j}\left(t\right)$渠道：$W_{\sup }^i\left(t\right)=(1-\mathrm{\α})\×W_{\mathrm{res}\_\sup }^i\left(t\right)$其中，t为优化模型的时段指标，t＝1，2，…，T，T为模型计算的总时间，V^j(t)、V^j(t+1)分别为第t时段和第t+1时段的第j个水库的蓄水量，分别为第t时段的第j个水库的入流量、下泄流量、向供水区的供水量和损失量，为第j个水库的下限库容，为第j个水库的上限库容，为第j个水库的的下泄能力，为第j个水库的引水能力，分别为第t时段的第j个水库的上游河流入流量、下游河流出流量和所在河流的损失量，为第j个水库下游河流的过流能力，为第t时段水库群第i个供水区得到的供水量、耗水量、回归下游河流的水量、需水量和缺水量，为第t时段第j个水库下游河流的生态控制断面的生态供水量、需水量、缺水量和加大量，为第t时段第j个水库下游的汇流节点的出流量，表示第t时段第j个水库的汇流节点的第l个分支入流量，N为流入同一汇流节点的分支总数，分别表示水库群与第i个供水区之间的渠道的入流量和出流量，α为渠道的损失系数，取值范围为0‑1的实数，上述约束条件中，供水水库的下限库容、供水水库的上限库容、供水水库的下泄能力、供水水库的引水能力、下游河流的过流能力、河流的引水能力和渠道的损失系数由河流管理部门提供；(4)采用线性规划方法求解，以旬为时间步长，根据近30年水文历史资料中的水库群的上游河流入流量W_{riv_in}(t)，求解上述步骤(2)和步骤(3)构成的优化模型，得到优化的第j个水库t时段向供水区的供水量和第j个水库t时段的生态供水量(5)随机或人工生成多组w₁、w₂、w₃、w₄，满足w₁+w₂+w₃+w₄＝1，得到权重集合w^Ω，重复步骤(4)，计算得到多组优化的第j个水库向供水区的供水量和第j个水库的生态供水量形成一个由多组优化的第j个水库向供水区的供水量和第j个水库的生态供水量组成的非劣解集(6)根据上述多组优化的第j个水库向供水区的供水量和第j个水库的生态供水量通过下式得到人类社会经济缺水率R_{s_lack}和生态缺水率R_{eco_lack}：$R_{s\_\mathrm{lack}}=\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{sdem}}^i\left(t\right)-(1-\mathrm{\α})\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{res}\_\sup }^j\left(t\right))/\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{sdem}}^i\left(t\right)$$R_{\mathrm{eco}\_\mathrm{lack}}=\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(W_{\mathrm{edem}}^j\left(t\right)-(1-\mathrm{\α})W_{\mathrm{res}\_\mathrm{out}}^j\left(t\right))/\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{edem}}^j\left(t\right)$当满足人类社会经济缺水率R_{s_lack}与生态缺水率R_{eco_lack}的值相等时(或某一个特定的协调值)，从上述非劣解集W^Ω中检索出与人类社会经济缺水率R_{s_lack}和生态缺水率R_{eco_lack}相等条件下(或某一个特定的协调值)相应的和(7)根据上述步骤(6)计算得到的和计算一年内第j个水库非汛期所需的调节库容$V_{\mathrm{res}\_\mathrm{eco}}^j=\underset{t=t_0}{\overset{t_n}{\mathrm{\Σ}}}(W_{\mathrm{dem}}^j+W_{\mathrm{edem}}^j\left(t\right)-W_{\mathrm{res}\_\sup }^j\left(t\right)-W_{\mathrm{eco}}^j\left(t\right))$其中，t为非汛期的时段指标，t＝t₀、…、t_n，t₀和t_n分别为非汛期的起止时段，是从优化模型得到的第j个供水水库t时段的向供水区的供水量，是从优化模型得到的第j个供水水库t时段的生态供水量，是第j个供水水库下游河流生态控制断面t时段的生态需水量，是第j个水库非汛期的社会经济供水目标的总需水量，从该水库的管理部门获得；(8)重复步骤(7)，分别计算得到30年中每年的调节库容将每年的调节库容按照从小到大顺序排序，绘制调节库容频率曲线，从调节库容频率曲线中选取与90％频率相对应的调节库容值作为第j个水库调节库容(9)设生态目标的权重系数w₄＝0，w₁＝w₂＝w₃＝1/3，根据步骤(5)计算的一组第j个水库向供水区的供水量和第j个水库的生态供水量重复步骤(7)和步骤(8)，计算第j个供水水库无生态目标的调节库容(10)将上述有生态目标的调节库容和无生态目标的调节库容的差值，作为第j个水库的生态库容$V_{\mathrm{eco}}^j=V_{\mathrm{res}\_\mathrm{eco}}^{j90}-v_{\mathrm{non}\_\mathrm{eco}}^{j90};$(11)重复步骤(7)、(8)、(9)、(10)，计算水库群中各水库的生态库容。