申请/专利权人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院

申请日：2024-04-02

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN117973706B

主分类号：G06Q10/063

分类号：G06Q10/063;G06Q50/06;G06Q50/26

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2024.05.21#实质审查的生效;2024.05.03#公开

摘要：本发明公开了一种融合鱼类生态流量过程水温过程需求的水库生态调度方法，包括如下步骤：构建目标鱼类栖息地模型，推求目标鱼类生命史生态流量过程；计算水库建坝前和现行水库调度规程影响下的目标鱼类产卵临界水温与性腺发育积温阈值；构建多目标水库调度模型，得到水库优化调度后的流量过程和水位；耦合水温模型，构建融合鱼类生流量和水温过程的水库多目标生态调度模型，计算水库优化调度前后的水库出流水温；计算经过水库生态调度后目标鱼类的临界水温阈值与积温阈值到达日期对比优化调度前的改善差值，经过水库生态调度后目标鱼类的临界水温阈值与积温阈值与建坝前自然河流最理想状态下之间的差值。本发明有效地实现河流鱼类的最大保护。

主权项：1.一种融合鱼类生态流量过程水温过程需求的水库生态调度方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）构建目标鱼类栖息地模型，推求目标鱼类生命史生态流量过程；所述步骤（1）具体包括如下步骤：（1.1）基于层次分析法确定目标鱼类；（1.2）建立水环境模型，模拟目标鱼类主要栖息地河段的水动力变化情况和水质因子浓度变化情况；所述步骤（1.2）具体包括如下步骤：（1.2.1）收集DEM数据、地形数据、日均流量、日均水位数据和水温数据，结合补充监测，分析确定研究流域特征水文年；结合水库运行模式，针对整个研究流域建立水库调节下区域的一维非恒定水动力模型，模拟特征水文年中在水库调度作用下，下游河道的水力特性，水力特性包括流量、水位和流速，确定目标鱼类主要栖息地河段；（1.2.2）针对目标鱼类主要栖息地河段建立二维水动力模型，一维非恒定水动力模型的流量和水位输出结果作为二维水动力模型的边界条件，耦合一维非恒定水动力模型和二维水动力模型形成耦合后的水动力模型，模拟目标鱼类主要栖息地河段的水动力变化情况；（1.2.3）针对整个研究流域建立水库调节下区域的一维水质模型，针对目标鱼类主要栖息地河段建立二维水质模型，一维水质模型的溶解氧和水温输出结果作为二维水质模型的边界条件，耦合一维水质模型和二维水质模型形成耦合后的水质模型，模拟目标鱼类主要栖息地河段的水质因子浓度变化情况；（1.3）调查目标鱼类产卵场、越冬场、幼鱼肥育场的水域出现频率、分布位置、面积范围大小、活动及洄游规律，并记录对应场所的流量、水温、水位、流速及溶解氧，作为鱼类栖息地模型的验证数据；（1.4）开展目标鱼类行为实验，建立目标鱼类行为对流量、流速、水温以及溶解氧的响应关系，获得目标鱼类出现频率与水力特性的响应曲线和目标鱼类出现频率与水质因子的响应曲线；（1.5）从目标鱼类主要栖息地河段的水动力变化情况提取出流量和流速的结果，从目标鱼类主要栖息地河段的水质因子浓度变化情况提取出水温和溶解氧的结果，综合流量、流速、水温和溶解氧的结果、目标鱼类出现频率与水力特性的响应曲线以及目标鱼类出现频率与水质因子的响应曲线，基于模糊隶属度建立目标鱼类出现频率与水力水质特性间的隶属度函数，建立目标鱼类栖息地模型；（1.6）水力特性中流量和流速及水质因子中水温和溶解氧作为输入，目标鱼类出现频率作为输出；目标鱼类出现频率设为遗传算法优化的目标函数，设置遗传算法的种群大小、迭代次数、交叉概率和变异概率，使用遗传算法优化鱼类栖息地模型的隶属度函数和模糊规则，验证目标鱼类栖息地模型的目标鱼类出现频率与实地调查目标鱼类出现频率是否一致；如果目标鱼类栖息地模型的目标鱼类出现频率与实地调查目标鱼类出现频率不一致，误差在10%以上，则调整遗传算法的种群大小、迭代次数、交叉概率和变异概率，对目标鱼类栖息地模型重新优化；直到误差小于10%，得到最优隶属度和模糊规则对应的目标鱼类栖息地模型；（1.7）对优化后的目标鱼类栖息地模型，以栖息地适应性指数和连通性指数作为评价指标，建立栖息地流量—适应性指数和流量—连续性曲线之间的动态响应关系；（1.8）基于栖息地流量—适应性指数和流量—连续性曲线之间的动态响应关系，以栖息地适宜性指数-连通性指数最优对应的流量，计算目标鱼类生活史生态流量过程，分为最小生态流量过程和适宜生态流量过程；其中栖息地恢复目标为60%对应的生态流量过程，作为最小生态流量过程，表示鱼类生活史60%的鱼类栖息地得到恢复；栖息地恢复目标为100%对应的生态流量过程，作为适宜生态流量过程，表示鱼类生活史100%的鱼类栖息地得到恢复；（2）基于建坝前历史河流水温数据计算水库建坝前的目标鱼类产卵临界水温与性腺发育积温阈值，基于建坝后河流水温数据计算现行水库调度规程影响下的目标鱼类产卵临界水温与性腺发育积温阈值；所述步骤（2）具体包括如下步骤：（2.1）基于建坝前历史河流水温数据，计算多年历史河流水温日均值；基于现行调度规程下河流水温数据，计算现行调度规程下坝下河流水温日均值；（2.2）根据建坝前历史河流水温日均值，计算建坝前目标鱼类临界水温与积温阈值；（2.3）根据现行调度规程下坝下水温日均值，计算现行水库调度规程影响下目标鱼类的临界水温与积温阈值；所述步骤（2.2）、步骤（2.3）和步骤（5.1）中选取河流水温日均值首次稳定达到触发目标鱼类产卵行为的河流水温，作为临界水温阈值，首次稳定达到是指往后3天连续高于该水温值；所述步骤（2.2）、步骤（2.3）和步骤（5.1）中积温计算通过将高于生物个体发育温度的部分，从发育期至成熟期以天为单位进行累加来确定；积温阈值计算假设多个生物个体发育温度来最大程度地减少各调查年内积温值的差异程度；目标鱼类个体发育温度的变化范围多依据鱼类发育期开始的温度，假定在0~15℃的范围内；目标鱼类积温阈值的计算公式表示为： （1） （2） （3） （4） （5） （6）其中为目标鱼类的积温阈值，单位为℃·d；为目标鱼类个体发育温度，单位为℃；是假定的个体发育温度，单位为℃；是假定生物学零度的数量；为达到最小标准偏差的假定；为每日有助于鱼类发育部分的水温，单位为℃；为统计年年数；为所有调查年份的积温的标准偏差，单位为℃·d；为所有调查年份的平均积温，单位为℃·d；是年数；以年为计的积温值，单位为℃·d；为物种的发育时间，单位为天d；为河流水位，单位为℃；（3）构建面向目标鱼类生活史生态流量过程需求的多目标水库调度模型，得到水库优化调度后的流量过程和水位；所述步骤（3）具体包括如下步骤：（3.1）以发电量最大、目标鱼类生态流量满足率最高、供水满足率最高与适宜通航时段最长作为面向鱼类生态流量过程的多目标水库调度模型的目标函数；a）发电量最大 （7） （8）其中，为发电量目标函数；T为总计算期长度；为第i座水库在t个时间步长的电站出力，单位为kw；为单位计算时间步长；为第i座水库的水力发电系数；为第i座水电站t期的发电流量，单位为m3s；为第i座水库t个时间步长的平均水头，单位为m；b）目标鱼类生活史生态流量满足率最大当水库出库流量低于步骤（1）目标鱼类生活史中最小生态流量时，生态流量满足率为0；当水库出库流量位于步骤（1）目标鱼类生活史中最小生态流量与适宜生态流量之间时，生态流量满足率随流量的增加而增大；当水库出库流量高于步骤（1）目标鱼类生活史中适宜生态流量时，生态流量满足率为1；目标鱼类生态流量满足率的目标函数如下： （9） （10）式中：为目标鱼类生态流量满足率的目标函数；和分别为第t个时段鱼类最小生态流量和鱼类适宜生态流量需求，单位为m3s；为第i个水库在第t个时间步长的出库流量，m3s；T为总计算期长度；c）供水满足率最大 （11）其中，为供水满足率的目标函数；为第t个时间步长总需水量，m3s，从水资源公报中提取；为第t个时间步长供水流量，m3s；T为总计算期长度；d）适宜通航时段最长 （12） （13）其中，为通航目标函数；T为总计算期长度；为适宜通航时段；和分别为第i个水库下游适宜通航流量范围的下界和上界，单位为m3s；为第i个水库在第t个时间步长的出库流量，单位为m3s；（3.2）确定面向鱼类生态流量过程的多目标水库调度模型的约束条件，约束条件包括水库水位约束、库容约束、出力约束、出库流量约束和变量非负约束；a）水库水位约束 （14）其中，为第i座水库的最低水位，等于死水位，单位为m；为第i座水库在第t个时间步长的水位，单位为m；为第i座水库在第t个时间步长的最高水位，汛期为水库的汛限水位，非汛期为水库的正常蓄水位，单位为m；b）库容约束 （15） （16）其中，为第i个水库在第t+1个时间步长的库容，单位为m3；为第i个水库在第t个时间步长的库容，单位为m3；为第i个水库的入库流量，单位为m3s；为梯级水库之间的区间流量，单位为m3s；为第i个水库在第t个时间步长的出库流量，单位为m3s；为第i个水库的发电引水流量，单位为m3s；为第i个水库的弃水，单位为m3s；c）出力约束 （17）其中，和是第i个水库的最小和最大出力，单位为kw；为第i座水库在t个时间步长的电站出力，单位为kw；d）出库流量约束 （18）其中，和分别是第i个水库的最小和最大允许出流量，单位为m3s；为第i个水库在第t个时间步长的出库流量，单位为m3s；e）变量非负约束 （19） 为第i个水库在第t个时间步长的库容，单位为m3；为第i座水库在t个时间步长的电站出力，单位为kw；为第i个水库在第t个时间步长的出库流量，单位为m3s；（3.3）基于第三代非支配遗传算法NSGAⅢ，对面向鱼类生态流量过程需求的多目标水库调度模型优化求解，当目标函数值随着迭代次数增加，不再更新时，迭代停止，得到水库优化后的流量过程和水位；（4）在面向鱼类生态流量过程需求的多目标水库调度模型的基础上，耦合水温模型，构建融合鱼类生态流量过程和水温过程需求的水库多目标生态调度模型，计算水库优化调度前后的水库出流水温；所述步骤（4）具体包括如下步骤：（4.1）搜集水库坝前剖面垂向水温实测数据以及水库坝下时间序列实测水温数据；（4.2）构建水温模型，设置水温模型的纵向涡流粘度、纵向涡流扩散率、曼宁系数和风遮系数、表层太阳辐射吸收系数和纯水消光系数的初始值，在水温模型中输入同一时刻水温实测数据相应的水库入库流量、出库流量、水位，以及气象数据，气象数据包括气温、风速、风向、露点温度和短波辐射；（4.3）水温模型的取水口设置为现行调度规程的2个取水高程，计算水库出流水温；（4.4）对计算得到的水库出流水温，与实测的水温数据对比；当计算得到的出流水温与实测的出流水温的误差大于10%，调整水温模型的纵向涡流粘度、纵向涡流扩散率、曼宁系数和风遮系数、表层太阳辐射吸收系数和纯水消光系数的初始值；直到计算出流水温与实测出流水温的误差小于10%，得到率定验证后的纵向涡流粘度、纵向涡流扩散率、曼宁系数和风遮系数、表层太阳辐射吸收系数和纯水消光系数；（4.5）把率定验证后的纵向涡流粘度、纵向涡流扩散率、曼宁系数和风遮系数、表层太阳辐射吸收系数和纯水消光系数，以及步骤（3.3）中多目标优化调度模型计算得到的水位与水库出库流量，即水库优化后的流量过程和水位，及相应的气象数据，气象数据包括气温、风速、风向、露点温度和短波辐射，输入到水温模型中，设置现行调度规程的取水口高程，计算水库优化调度前的水库出流水温；（4.6）在水温模型的取水口设置中，设置8个取水口，8个取水口包括基于现行调度规程的2个取水口，以及4个提高取水高程的取水口，2个降低取水高程的取水口；在3月到6月，4个提高取水高程的取水口设为候选取水口；在10月至次年1月，2个降低取水高程的取水口设为候选取水口；其余月份使用基于现行调度规程的2个取水口设为候选取水口；（4.7）在水温模型的取水口设置中，以水库建坝前的历史水温日均值作为目标，在候选取水口中，使用遗传算法分别优化3月到6月的4个候选取水口的取水高程，以及10月至次年1月2个候选取水口的取水高程，得到优化后的3月到6月以及10月至次年1月的取水口高程，其余月份按照现行调度规程设置；（4.8）将步骤（3.3）中面对向鱼类生态流量过程需求的多目标水库调度模型计算得到的水位与水库出库流量，即水库优化后的流量过程和水位，及相应的气象数据，气象数据包括气温、风速、风向、露点温度和短波辐射，输入到水温模型中，设置为优化后的取水高程，计算水库优化调度后的水库出流水温；所述步骤（4）中水温模型的控制方程如下： （20） （21） （22） （23） （24） （25）式中为水平流速，为河道宽度，为重力加速度，、和分别表示对x、z和t求偏导数，为垂直流速，为河道角度，为水面高程，为密度，为单位宽度的流量，为压力，为浓度或温度，为水温，为溶解性总固体浓度或盐度，为无机悬浮固体浓度，为深度；（5）计算经过水库生态调度后目标鱼类的临界水温阈值与积温阈值到达日期对比优化调度前的改善差值，以及经过水库生态调度后目标鱼类的临界水温阈值与积温阈值与建坝前自然河流最理想状态下之间的差值；所述步骤（5）具体包括如下步骤：（5.1）水库优化调度后的水库出流水温即为水库生态调度后的河流水温日均值，计算经过水库生态调度后目标鱼类的临界水温阈值与积温阈值；（5.2）水库生态调度后目标鱼类的临界水温阈值到达日期，减去现行水库调度规程，即常规调度下临界水温阈值到达日期，即为水库生态调度后目标鱼类临界水温阈值改善差值；水库生态调度后目标鱼类的临界水温阈值，减去建坝前目标鱼类的临界水温阈值，即为水库生态调度后目标鱼类临界水温阈值与建坝前自然河流理想状态下临界水温阈值的差值；（5.3）水库生态调度后目标鱼类的积温阈值，减去现行水库调度规程，即常规调度下目标鱼类的积温阈值，即为水库生态调度后目标鱼类的积温阈值改善差值；水库生态调度后目标鱼类的积温阈值，减去建坝前目标鱼类的积温阈值，即为水库生态调度后目标鱼类积温阈值与建坝前自然河流理想状态积温阈值的差值。

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