一种基于输水效率与生态效益的流域多水库联合调度方法

技术领域

本发明涉及水资源调度技术领域，具体涉及一种基于输水效率与生态效益的流域多水库联合调度方法。

背景技术

近年来，由于水资源短缺与水资源的不合理开发利用导致河流生态水量严重不足。为大力推进生态文明建设，各区域尤其北方缺水地区开始利用流域大中型水库或外调水对缺水河流进行生态补水调度，旨在抢救或恢复已受损的河流生态系统，促进河流生态系统自我修复能力提高。通常做法是通过研究大中型水利工程下游河道生态环境需水，充分考虑水库调节库容，合理利用水利工程调节性能，改善下游河流生态系统。

(1)由于我国水资源较为有限，而调水成本较高，目前生态模型仅考虑生态需水，均未考虑地表水资源利用效率的层面，没有兼顾输水效率和生态效益。特别是华北地区永定河流域，水资源短缺，且引黄生态补水利用天然河道进行长距离输水，输水路线长，不同时期、不同补水流量下河道输水效率相差较大，如何合理调度外调水与本地水，提高输水效率，保障更多的生态效益，显得尤为重要。

(2)目前生态调度仍局限在单水库对水库下游河流生态需水的调度，而没有上升到全流域的视角，在识别流域生态水量保障空间异质性的基础上，通过利用补水沿线的水利工程对当地径流及外调水进行统一生态调度，实现全流域生态效益最大化。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于输水效率与生态效益的流域多水库联合调度方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于输水效率与生态效益的流域多水库联合调度方法，包括以下步骤：

S1、根据入库流量过程、河道外供水过程和水库库容约束条件进行水库调度计算，得到水库出库流量过程；

S2、构建基于Horton下渗原理的一维水动力学模型，将水流演算至下游收水断面，得到沿线生态水量控制断面的流量过程和收水断面的流量过程；

S3、根据各水库出库流量过程和收水断面流量过程，累计计算各水库补水量和下游收水量；

S4、构建包含输水效率目标函数和河流生态效益目标函数的多水库联合调度模型，根据各水库补水量和下游收水量、及生态水量控制断面的流量过程对多水库联合调度模型进行求解；

S5、根据求解得到的各目标函数值生成各水库生态联合调度方案。

进一步地，所述步骤S2中构建基于Horton下渗原理的一维水动力学模型包括以下分步骤：

S21、构建考虑下渗过程的圣维南方程组；

S22、采用Preissmann四点加权隐式差分方法对步骤S21构建的圣维南方程组进行离散求解；

S23、利用改进后的Horton下渗原理模拟下渗过程；

S24、根据历史补水实测流量过程对下渗参数进行率定。

进一步地，所述步骤S21构建的考虑下渗过程的圣维南方程组具体表示为：

其中，A为断面面积，Q为流量，x为河流距某起始断面沿程距离，t为时间，Z为水位，q

进一步地，所述步骤S23模拟的下渗过程具体表示为：

f＝α[f

其中，f为t时刻河段的下渗能力，f

进一步地，所述步骤S24根据历史补水实测流量过程对下渗参数进行率定具体包括：

构建生态补水过程中下游水文站的径流量模型；

根据构建的径流量模型计算生态补水过程中模拟径流量；

以生态补水过程中模拟径流量与实测径流量相对误差平方和最小作为模拟精度目标函数；

根据历史补水实测流量过程对模拟精度目标函数进行求解，得到率定的下渗参数。

进一步地，所述模拟精度目标函数具体表示为：

其中，min F为模拟精度目标函数，m为模拟生态补水过程的场次数，W

进一步地，所述步骤S4中多水库联合调度模型具体包括：

多水库联合调度目标函数和约束条件；其中，

所述多水库联合调度目标函数包括输水效率最大化目标函数和河流生态效益最大化目标函数；

所述约束条件包括可供水量约束条件、下泄能力约束条件和水库库容约束条件。

进一步地，所述多水库联合调度目标函数表示为：

其中，max f

进一步地，所述约束条件表示为：

W

Q

VD

其中，W

进一步地，所述方法还包括根据预设优化策略对生成的各水库生态联合调度方案进行筛选，得到最优水库生态联合调度方案。

本发明具有以下有益效果：

本发明综合考虑河流输水效率和流域层面生态效益，一方面通过构建Horton下渗原理的一维水动力学模型来演算下渗过程及水流演进过程，通过假定不同放水流量过程来推求各方案的收水流量过程，从而精确计算各方案的输水效率目标，另一方面通过不同放水流量过程求解各生态水量控制断面的生态水量过程，依据生态需水目标，求解各生态水量控制断面的生态水量满足程度，从而计算生态效益目标，实现从全流域角度优化生态效益目标，不仅能提高输水效率，而且能提高生态水量保障程度。

附图说明

图1为本发明基于输水效率与生态效益的流域多水库联合调度方法流程示意图；

图2为本发明实施例中不同方案的输水效率目标和生态效益目标的关系示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于输水效率与生态效益的流域多水库联合调度方法，包括以下步骤S1至S5：

S1、根据入库流量过程、河道外供水过程和水库库容约束条件进行水库调度计算，得到水库出库流量过程；

在本实施例中，本发明获取水库最大库容、最小库容、供水能力等约束条件，水库可供水量，河道外社会经济需水量，河流生态需水过程，河流下渗参数，大断面资料及糙率等原始数据。

本发明根据入库流量过程和河道外供水过程，采用水库库容约束条件限制，进行水库调度计算，得到水库出库流量过程。

S2、构建基于Horton下渗原理的一维水动力学模型，将水流演算至下游收水断面，得到沿线生态水量控制断面的流量过程和收水断面的流量过程；

在本实施例中，构建基于Horton下渗原理的一维水动力学模型包括以下分步骤：

S21、构建考虑下渗过程的圣维南方程组；

为准确反映河道下渗过程及下断面流量过程，提高河流洪水演进的模拟精度，本发明将入渗过程考虑到圣维南方程组中，在河流演算过程中建立基于Horton下渗原理的一维水动力学模型。具体而言，基于圣维南方程组，利用水流连续方程和动量守恒方程来描述水流运动，在考虑下渗的情况下，入渗水流形成的阻力项理应体现在动量守恒方程中，但因入渗速度相对断面平均流速要小得多，因此将其忽略，从而在构建下渗过程的圣维南方程组时，只考虑调整水流连续性方程，根据水量平衡原理，将入渗的过程纳入连续方程，具体表示为：

其中，A为断面面积，Q为流量，x为河流距某起始断面沿程距离，t为时间，Z为水位，q

S22、采用Preissmann四点加权隐式差分方法对步骤S21构建的圣维南方程组进行离散求解；

S23、利用改进后的Horton下渗原理模拟下渗过程；

河道下渗率是一个随时间复杂变化的量，其既与河床地质岩性条件有关，也与河道上游来水流量、河道累计下渗量等因素有关。历年集中补水资料显示，补水初期，河道下渗率较大，但下降速度很快，随后逐渐进入了稳定下渗阶段。河道下渗形式与霍顿饱和入渗理论十分相似，因此在河道流量演算公式中的入渗量采用霍顿下渗容量曲线的经验公式来进行模拟，表示为

f＝f

q

其中，f为t时刻河段的下渗能力，f

根据补水监测资料，同等补水量的前提下，下渗量主要受输水流量、地下水埋深等影响。输水流量在局部范围内变化对下渗率的影响较小，主要通过下渗面积影响下渗量。Horton模型通过f

f＝α[f

其中，α为调整系数。

S24、根据历史补水实测流量过程对下渗参数进行率定，具体包括：

构建生态补水过程中下游水文站的径流量模型；

根据构建的径流量模型计算生态补水过程中模拟径流量；

以生态补水过程中模拟径流量与实测径流量相对误差平方和最小作为模拟精度目标函数；

根据历史补水实测流量过程对模拟精度目标函数进行求解，得到率定的下渗参数。

本发明需要率定的参数包括f

由于没有渗漏损失的监测数据，因此本发明采用上、下游水文站实测径流量来验证模型参数。对于每次生态补水过程，补水期间下游水文站的径流量W

W

将模拟精度目标函数具体表示为：

其中，min F为模拟精度目标函数，m为模拟生态补水过程的场次数，W

率定参数后的考虑下渗的水流演进模型用于调度模型中水流节点之间的连接。

S3、根据各水库出库流量过程和收水断面流量过程，累计计算各水库补水量和下游收水量；

在本实施例中，水库补水量即补水断面累计径流量，下游收水量即收水断面累计径流量。

S4、构建包含输水效率目标函数和河流生态效益目标函数的多水库联合调度模型，根据各水库补水量和下游收水量、及生态水量控制断面的流量过程对多水库联合调度模型进行求解；

在本实施例中，本发明构建的多水库联合调度模型具体包括：

多水库联合调度目标函数和约束条件；其中，

多水库联合调度目标函数包括输水效率最大化目标函数和河流生态效益最大化目标函数；

约束条件包括可供水量约束条件、下泄能力约束条件和水库库容约束条件。

考虑到水资源紧张、河道下渗较为强烈的缺水河流现状，为提高下游生态水量保障程度，需要尽量提高地表水资源利用效率，提高输水期间上游向下游输水效率。因此本发明设定输水效率最大化目标函数表示为：

其中，max f

考虑河流的生态效益，本发明通过水库生态调度，最大发挥水流的生态效益。具体而言，通过反映河流健康程度的水文指标生态水量满足程度，评估河流的生态效益。本发明设定流域各控制断面生态水量满足程度的平方和平均值达到最大作为河流生态效益最大化目标函数，表示为：

其中，max f

可供水量约束条件表示为：

W

式中，W

下泄能力约束条件表示为：

Q

即水利工程下泄流量不能超过下泄能力。其中，Q

水库库容约束条件表示为：

VD

其中，VD

V

其中，V

本发明各水库补水量及下游收水量，计算输水效率目标，根据生态水量控制断面流量过程，计算生态效益目标；对各方案的目标函数值按优到劣进行排序。通过设定的选择概率，对初始方案进行选择、交叉、变异，重复以上计算过程，直至计算的目标函数值满足精度要求。

S5、根据求解得到的各目标函数值生成各水库生态联合调度方案。

在本实施例中，本发明根据求解得到的各目标函数值生成各水库生态补水方案集，并根据预设优化策略对生成的各水库生态补水方案集进行筛选，得到最优水库生态联合调度方案。

以2019年秋季永定河流域生态补水方案研究为例，结合生态水量目标，合理确定桑干河册田水库，洋河友谊水库、洋河水库以及引黄北干线1#隧洞的补水规模。采用遗传算法生成不同方案的水库放水流量，通过基于Horton下渗原理的一维水动力学模型演算，推求不同方案下下游目标水库收水过程，从而计算不同方案的输水效率目标f

不同方案的输水效率目标f

根据往年河道情况，下游目标水库上游河道12月中下旬开始结冰，该时间段输水不仅会减缓水流流速，不利于河道输水，而且有可能会产生流冰，对工程设施及人类有可能产生危害。因此，选择调度方案时尽量避开此时段输水。

从提高输水效率，尽量保障生态效益，避开河道冰封期、灌溉期输水等方面综合考虑，确定2019年秋季永定河生态水量调水方案：

(1)引黄北干线1#隧洞从9月1日开始维持最大规模12.6m

(2)册田水库9月1日开始集中生态补水，补水流量8m

(3)响水堡水库9月20日开始集中生态补水，补水流量10m

(4)友谊水库9月27日开始集中生态补水，补水流量15m

该方案集中输水效率目标值为f

本发明基于精细化的生态水量联合调度方法，综合考虑河流输水效率和流域层面生态效益的特点，一方面通过构建Horton下渗原理的一维水动力学模型来演算下渗过程及水流演进过程，通过假定不同放水流量过程来推求各方案的收水流量过程，从而精确计算各方案的输水效率目标，另一方面通过不同放水流量过程求解各生态水量控制断面的生态水量过程，依据生态需水目标，求解各生态水量控制断面的生态水量满足程度，从而计算生态效益目标，在流域层面上来平衡各断面生态水量满足程度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。