基于改进遗传算法的生态友好型水库调度

以锦屏梯级水库为案例,从系统工程论的角度出发,将梯级水库作为物理系统,以年发电量为目标函数,建立了梯级水库调度优化模型。为减少水库调度对河道生态系统的影响,在鱼类栖息地模拟的研究基础上,引入目标物种的生态需水过程对调度模型进行动态约束,并采用改进的遗传算法进行求解。研究得到了满足目标鱼类生态需水条件下发电量最大的梯级水库调度策略,并对生态流量满足程度与工程效益损失之间的定量响应关系进行了研究,提出了折中方案选择的基本原则。     

皂市水库生态友好型优化调度

以水电站年发电量最大为优化目标,以满足由逐月频率法计算的水库下游适宜生态流量下限为约束条件,构建皂市水库生态友好型优化调度模型,并利用该模型选取典型年,采用动态规划法进行皂市水库常规调度与优化调度的发电效益对比以及优化调度与生态优化调度的发电效益对比研究。结果表明,总体平均而言,皂市水库优化调度比常规调度年发电量可增加1.8%,基于保障下游河段生态径流过程的皂市水库生态优化调度比优化调度年发电量减少0.95%。     

供水水库多目标生态调度研究

根据我国北方地区径流特征及供水水库调度的实际需求,构建了供水水库多目标生态调度模型。模型将下游生态需水过程分为最小生态需水及适宜生态需水两个等级,要求枯水期水库放水过程能够满足河流最小生态需水要求,确保下游生态不退化;丰水期放水过程贴近适宜生态需水过程,为下游提供良好生境。基于该模型,采用自适应遗传算法,对承德双峰寺水库生态调度问题进行了优化求解,结果表明该模型能够对北方供水水库生态调度决策提供支持。     

基于NSGA-Ⅱ方法的三峡水库汛末蓄水期多目标生态调度研究

为充分发挥三峡水库的经济效益和生态效益,建立了以三峡水电站发电量最大和下游河道适宜生态流量改变度最小为目标的水库优化调度模型,基于生态水文学法量化了下游河道适宜生态流量。为有效求解多目标优化问题,引入带有精英保留策略的非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-II)作为调度模型的寻优算法。通过比较2015年调度期内三峡水库优化调度方案和现行调度方案的发电效益和生态效益表明:提高生态流量改变度0.63%可使发电量增加2.32%,降低0.58%的发电量将生态流量改变度降低8.86%。该算法避免了对多目标进行加权求解的盲目性,能获得多个兼顾两个目标且分布均匀、收敛性较好的优化调度方案,为决策者提供了多种可行的选择。研究成果为三峡水库蓄水优化调度提供理论依据和具体方案参考。     

基于耦合随机排序SCE算法的多目标生态调度研究

针对水库优化调度问题的多维性、非线性和强约束性特点,提出了耦合SCE算法与随机排序法的SCE-SR算法。在进行个体比较时综合考虑目标函数值和约束违反量,以实现群体优劣排序。同时,在迭代进化过程中加入精英保留机制,保证优化结果为可行解。将SCE-SR算法应用于三峡水库的优化调度研究,以发电量最大为经济目标及生态保障率最大为优化目标,基于水文学法量化下游河道生态流量适宜区间,并与遗传算法结果进行比较。结果表明:SCE-SR算法相较于遗传算法计算结果更优,枯水年SCE-SR算法所得年发电量比遗传算法增加0.48%,生态保证率增加2.78%。SCE-SR算法在优化过程中简单易行,需要调整的参数少,有机结合确定性方法和随机性方法,能快速定位可行域,兼具全局收敛性与鲁棒性,避免了遗传算法易"早熟"的缺点,所得优化调度方案在对经济效益影响较小的同时能保证生态流量需求,为多约束的水库优化调度问题提供了新思路。     

水电站水库长期优化调度模型及调度图

为绘制高效可靠的水库运行调度图,以平衡保证出力保证率与发电量矛盾的惩罚系数为优化变量、以保证出力设计保证率满足条件下发电量最大为目标函数,综合集成以黄金分割法为时段决策优选法的随机动态规划核心模型,以及评估调度方案优劣时历法长系列模拟计算模块,利用遗传算法的并行计算能力,结合电站调度方案制定与有效性检验,构建水电站水库长期优化调度模型。应用结果表明:所建模型具有不受年调节和多年调节库容机械划分约束、快速获得满足发电保证率所要求的优化调度图的优秀特性;较之常规调度方法,可增发电量2.0%以上,保证率更高,决策信息更丰富。     

额尔齐斯河水库群多尺度耦合的生态调度研究

针对我国额尔齐斯河流域生态问题,给出了水库群生态调度的定义。以保障河流健康、河谷生态系统安全为目标,构建了宏观、中观、微观相互嵌套多尺度耦合的水库群生态调度体系;结合生态调度的原则和依据,建立了水库群多尺度耦合的生态调度多目标模型,以及水库群中长期、短期和实时生态调度模型;提出了多时间尺度耦合的水库生态调度技术、多目标非线性水库调度模型求解技术和生态系统漓漫灌溉技术;定义了漓漫灌溉,构建了生态漓漫灌溉系统。应用上述体系、模型和方法,计算结果表明,中长期调度方案能满足额尔齐斯河流域水资源综合利用各部门的供水量及保证率要求,尤其是满足河谷林草生态供水的破坏深度要求和最大连续缺水年数的限制;水库群实时生态调度模型的计算结果表明:模型计算的河谷林草、湿地的水库人工生态洪水过程与实测值比较接近,相对误差为0.04%,说明模型结果合理。实时监测了河谷林草的漓漫灌溉效果,包括范围、面积、水深等,监测结果表明:水库人工生态洪水过程基本满足河谷林草漓漫灌溉面积、水深等生态需水要求。研究成果对额尔齐斯河维持河流健康、保障生态安全、解决国际河流的水资源综合利用问题、发展水库群生态调度的理论和方法,具有重要的理论意义与应用价值,可供我国北方河流生态调度借鉴。     

面向双保证率的水库供水能力优化计算方法研究

随着城市化进程的推进和生态文明理念的深入,水库供水任务日趋复杂,涵盖城镇供水、农业灌溉、生态保障多类目标,分析水库多目标供水能力对于工程的功能调整等决策十分必要。本文综合考虑水库供水目标的竞争性与保证率差异性,提出面向双保证率的水库供水能力双层优化计算方法,通过调度线控制和城镇供水能力区间迭代实现满足不同保证率的多目标供水能力计算。外层基于粒子群算法以城镇供水能力最大为目标对水库调度线进行优化,协调不同用户的供水关系;内层在给定规则下通过迭代计算满足双保证率要求的城镇供水能力。通过内外层嵌套计算实现对水库调度规则和供水能力的同步优化。以三亚市赤田水库为实例进行研究,在城镇供水保证率为95%、农业灌溉保证率为90%时,通过优化调度规则得出水库总供水能力为9400万m~3。设置不同农业保证率和农业需水情景作分析对比,二者均对城镇供水能力有影响,总供水能力随农业保证率降低而提高。分析表明,双层优化计算方法可以实现对调度线的优化,得出满足城镇、农业双保证率要求的供水能力,且计算方法收敛稳定性较高,优化生成的调度线年内分布合理,可为水库多目标供水能力的计算和相关决策提供参考。     

基于改进萤火虫算法的水库多目标调度决策研究

水库不同调度目标之间既非完全协调也非完全对立,如何快速获取多目标调度方案集,科学进行调度方案决策优选,是实现水库水资源高效利用的重要问题。以年发电量最大和生态效益最优作为目标函数,建立水库发电-生态多目标优化调度模型,进而提出该模型优化求解的改进多目标萤火虫算法,并结合组合权重改进的多准则妥协解排序法进行调度方案决策,最后将其应用于三峡水库调度实例。研究结果表明：改进算法能够获得更高质量的非劣解集,方案集优选方法能够在折中最大化群体效益和最小化个体遗憾的基础上寻求最优解,且能够同时体现决策者偏好以及各个决策指标客观特征。研究成果可为水库多目标调度决策提供科学依据。     

考虑水文改变生态指标的丹江口水库多目标优化调度

对水文改变指标进行分类、筛选并赋权,构建流量等级和流量波动 2 个生态指标;使用高斯径向基函数拟合 水库调度规则,以供水量、发电量和水文改变生态指标为目标函数,在丹江口水库开展多目标优化调度研究;分析 供水、发电与生态效益各指标间的竞争关系,寻求社会经济和生态效益均较佳的调度方案,论证生态流量的合理 性。结果表明：丹江口水库调度的供水、发电和生态效益之间存在目标冲突;同时考虑供水、发电、流量等级、流 量波动 4 个目标的推荐方案,可在确保防洪安全并维持供水和发电量不变的前提下,保证流量等级和流量波动水 文改变生态指标与天然状态相近;推荐方案尽可能达到适宜生态流量,满足了汉江中下游水生物自然繁衍需求。 研究成果可为丹江口水库优化调度以及汉江中下游水生态环境保护提供参考。     

基于生态补水的缺水河流生态修复研究

为研究河流生态修复所需的补水量和补水关键期,以永定河官厅山峡段为例,采用环境需水量和生态需水量两种方法,计算不同阶段河流生态修复所需的生态水量。结果表明:水文变异后,永定河生态严重退化,实施生态补水迫在眉睫;现状1. 7×10~8m~3补水水量具有一定的积极作用,但不能满足河流正常需水;未来3个典型年(75%、90%和95%)最低的生态补水量为4. 88×10~8、6. 11×10~8和6. 37×10~8m~3,同时推荐3-6月份为生态补水关键期。通过对生态补水量和补水时机的研究,为永定河生态修复提供一定的理论依据。     

基于生态安全的阿瓦提灌区生态需水量研究

阿瓦提灌区地处塔里木盆地西北边缘,气候极端干旱,降水稀少,蒸发强烈。近年来,由于大批开荒、水资源不合理利用、土壤盐渍化等导致灌区生态环境越发脆弱,阻碍其经济的可持续发展。在灌区实地考察、分析整理多年新疆统计资料的基础上,考虑灌区生态用水安全,针对不同植被生态需水特点,分别采用彭曼公式法、定额法和比值法等相适宜的生态需水研究方法,计算其生态需水量。结果表明:阿瓦提灌区生态需水总量为13. 37×10~8m~3,其中,河道外生态需水量为6. 8×10~8m~3,河道内生态需水量为6. 57×10~8m~3。通过生态需水量研究,提出适宜的用水建议,为阿瓦提灌区生态系统的健康与稳定提供一定的理论依据。     

基于生态足迹的半干旱牧区生态承载力分析

可持续发展的定量测度是当前国际上生态经济研究的前沿问题,也是生态水利关注的热点之一。生态足迹分析法是近年来发展的用于定量研究和判断一个国家或地区可持续发展状况的新方法。本文以内蒙古典型半干旱牧区乌审旗2000—2003年统计资料为依据,基于生态足迹理论与生态足迹计算模型,对其生态足迹与生态承载力进行了计算与分析评价。结果表明,当地生态足迹呈现上升趋势,生态赤字不断增加,地区发展处于一种不可持续状态。本研究对牧区生态水利建设具有一定指导作用。     

基于生态水深-流速法的河段生态需水量计算方法

在界定了生态流速和生态水深概念的基础上，提出了一种同时考虑河道本身参数(湿 周、糙率、水力坡度)和维持某一生态功能所需河流流量的水力学方法，避免了湿周法不能反映复式断面真实水位流量关系的缺点，并用于验证黄河上游小川河段生态需水量，同时用Tennant法作了对比。结果表明：用生态水深-流速法得到的小川河段生态流量优于Tennant法所计算的生态需水量，由于该方法考虑了生态流速和生态水深，故所得的结果符合实际情况。     

基于生态水力半径法的武江流域生态流量研究

采用综合反映水生生物需求和河道断面信息的生态水力半径法,对武江河上北江特有珍稀鱼类省级自然保护区内的生态流量和生态水位进行估算。结果表明:生态水力半径法计算的生态流量过程线上存在明显的低流量、高流量和流量脉冲等水文要素,符合鱼类的自然需求;天然径流量下生态水力半径法估算的生态需水均可得到满足,但武江上梯级开发较多,需进行生态水位开展闸坝联合调度来保障河道的生态需水,确保犁市(二)站断面处各月份水深不小于平均生态水深。     

水库生态调度模型及其应用

为了减轻水利工程对河流生态系统造成的不利影响,针对汉江中下游的主要生态问题,结合不同时期生态因子和水文观测资料,分析计算了汉江的最小生态流量、适宜生态流量以及四大家鱼产卵所需要的洪水脉冲过程。通过建立丹江口水库生态调度模型,选取典型代表年,对丹江口水库进行河流生态需水量和人造洪水调度。计算结果表明,丰水年和平水年能满足最小和适宜生态流量的需求,典型枯水年能满足最小生态流量,特枯年份无法满足适宜生态流量过程。分析了生态调度对水库发电效益产生的影响,丰水年影响甚微,平水年和枯水年的影响逐渐加大。通过水库的人造洪水调度可以满足四大家鱼产卵所需要的洪水脉冲环境。实施水库的生态调度有益于人水和谐的可持续发展。     

塔里木河生态输水的累积生态响应

以塔里木河第12～18次生态输水为例,采用经验统计模型和克里金插值法分析了输水前后塔里木河下游地下水埋深和夏季归一化差异植被指数(NDVI)的时空变化,剖析了地下水和植被对生态输水的累积生态响应规律。结果表明:累积生态输水量与最小地下水埋深呈对数曲线正相关关系,其累积效应的增长性由强到弱;地下水埋深对生态输水的累积时间响应具有滞后性,输水80 d后累积效应最显著;沿河道方向,库尔干监测断面累积空间效应最显著;垂直河道方向,地下水对累积输水的空间响应随河道距离增加而减弱;NDVI与近3 a累积输水量呈显著正相关关系,大西海子水库、台特玛湖及河道附近NDVI增长显著。推荐近期输水量为2.5亿～5.0亿m~3/次,合理输水时间为4—6月和9—11月,适宜输水间隔5～12个月,预期连续年份5次输水后累积效应可达最小地下水埋深3.5 m、平均地下水埋深4.2 m。     

大尺度生态调度研究与实践

通过分析总结国内外生态调度与生态恢复研究进展、发展趋势及其特点,提出水库调度已从将"生态目标"嵌入兴利调度的简单调控过程,转变为"后坝工时代"大尺度生态调度的综合调控过程,即:全流域-大空间尺度、长系列-大时间尺度、水循环-大系统尺度。指出生态调度是生态恢复和保护最有效的措施之一,提出了干旱区内陆河流域生态保护面临的挑战和需要研究解决的关键技术。以塔里木河下游生态输水和额尔齐斯河生态调度为研究对象,通过连续20年的动态监测、资料收集、野外数据采集及实验室数据处理,对生态输水方式、生态恢复响应、生态调度策略和生态保护模式等,进行了深入研究。结果表明:①生态恢复是一个长期的过程,需对地表水、地下水、植被响应、生境条件、生物多样性等开展长期监测,以掌握其动态情况,采取更为科学有效的调控措施;②为了提高塔里木河下游生态恢复成效,研究提出在实施双通道、汊河和面状输水的同时,采用"沟汊渗灌"延伸扩大受水区范围,快速有效补给地下水,建立了基于地下水位调控的"地下水银行"及生态修复平台。③创建了额尔齐斯河"七库一干"、"三次脉冲"、漓漫灌溉等多尺度耦合的生态调度技术体系和科学化、系统化、制度化的管理体系,初步形成水河湖联通、水网通达、水势漫溢的河谷林草漓漫灌溉系统。改变以往生态调度"只放不灌"和"大水漫灌"的粗放式管理模式,丰富了生态调度的研究内涵与实践。     

河流生态流量特征图及生态流量评价方法

以水电站大坝下游河道为研究对象,从分析天然日流量特征出发,基于月中值流量和月内典型特征流量绘制了河流生态流量特征图,作为水库下泄生态流量的确定依据。基于此河流生态流量特征图,建立了判断生态流量满足程度的7 d流量偏差率、7 d生态需水保证率、月均生态需水适宜度及基于此3个指标的生态需水综合指标,并给出了各指标的评价依据和评价方法。结果表明,河流生态流量特征图符合各时段河流天然流量的基本特征,可作为指导水库生态泄流的依据;所建立的生态流量评价方法能够反映实际下泄流量与天然流量的变化程度,可用于评价河流的生态流量满足程度。     

生态用水量计算分析

针对我国目前的水资源问题及用水计算问题,提出生态用水包括工业、农业、生活用水和自然环境用水两部分的思想,同时,从这4个方面进行生态用水量计算分析,得出可以实现的结论。