一种面向环境保护的单一供水水库的生态库容确定方法.pdf

本发明涉及一种面向环境保护的单一供水水库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要求，确定水库生态用水调度的优化目标，结合优化变量与约束条件，建立水库生态用水调度优化模型，构造多目标的权重集合，将多目标化成单目标进行求解；然后根据经济社会和生态缺水率的分析，确定优化供水方案；最后根据优化的经济社会和生态供水量，按比例进行生态库容的计算。本发明弥补了传统供水水库库容设置未能考虑生态供水的弊端，符合未来水库进行生态用水调度的需求；根据优化模型结果计算，能够得到更为合理的生态库容，具有理论意义明确、可操作性强、容易得到实际应用的优点。

1.  一种面向环境保护的单一供水水库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，分别确定供水水库下游河流的生态控制断面各月份的生态需水量其中k为月份，k＝1,2，…，12，将各月份的生态需水量作为生态流量目标；
(2)建立一个水库生态用水调度优化模型，优化模型的目标函数为：
MinZ=Σi=1n(w1WDlacki+w2WIlacki+w3WAlacki)+Σj=1mw4Welackj]]>
上式中：为供水水库的第i个供水区的生活缺水量，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，为供水水库下游河流的第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，n为由供水水库供水的供水区总数，m为水库下游河流的生态控制断面总数；
(3)设定关于供水水库、供水水库所在河流、供水区、水库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(t+1)＝V(t)+W_{res_in}(t)-W_{res_out}(t)-W_{res_sup}(t)-L_res(t)
V_ds≤V(t)≤V_max
W_{res_out}(t)≤Q_{res_max}
W_{res_sup}(t)≤Q_dmax
供水水库所在河流：
W_{riv_in}(t)＝W_{riv_out}(t)+L_riv(t)
W_{riv_in}(t)≤Q_{riv_max}
W_{riv_out}(t)≤Q_{riv_max}
供水区：
W_sup(t)＝W_con(t)+W_ret(t)
W_sup(t)＝W_dem(t)-W_lack(t)
生态控制断面：
W_eco(t)＝W_edem(t)-W_elack(t)+W_einc(t)
汇流节点：
Wcon_out(t)=Σl=1NWcon_inl(t)]]>
渠道：
W_sup(t)＝(1-α)×W_{res_sup}(t)
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(t)、V(t+1)分别为第t时段和第t+1时段的供水水库的蓄水量，W_{res_in}(t)、W_{res_out}(t)、W_{res_sup}(t)、L_res(t)分别为第t时段的供水水库的入流量、下泄流量、向供水区的供水量和损失量，V_ds为供水水库的下限库容，V_max为供水水库的上限库容，Q_{res_max}为供水水库的下泄能力，Q_dmax为供水水库的引水能力，W_{riv_in}(t)、W_{riv_out}(t)、L_riv(t)分别为第t时段的供水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，Q_{riv_max}为下游河流的过流能力，W_sup(t)、W_con(t)、W_ret(t)、W_dem(t)、W_lack(t)分别为第t时段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，W_eco(t)、W_edem(t)、W_elack(t)、W_einc(t)分别为第t时段供水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，W_{con_out}(t)为第t时段汇流节点的出流量，表示第t时段汇流节点的第l个分支入流量，N为流入同一汇流节点的分支总数，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10天为时间步长，根据30年水文历史资料中的供水水库的上游河流入流量W_{riv_in}(t)，求解上述步骤(2)和步骤(3)构成的优化模型，得 到优化的供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)；
(5)随机或人工生成多组权重系数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供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)，形成一个由多组优化的供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)组成的非劣解集W^Ω(W_{res_sup}(t)，W_eco(t))；
(6)根据上述多组优化的供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)，通过下式计算人类社会经济缺水率R_{s_lack}和生态缺水率R_{eco_lack}：
Rs_lack=(Σt=1TWdem(t)-Σt=1TWres_sup(t))/Σt=1TWdem(t)]]>
Reco_lack=(Σt=1TWedem(t)-Σt=1TWeco(t))/Σt=1TWedem(t);]]>
当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)，从非劣解集W^Ω(W_{res_sup}(t)，W_eco(t))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W_{res_sup}(t)和W_eco(t)；
(7)根据上述W_{res_sup}和W_eco，利用下式计算生态库容V_eco：
Veco=Vactiveg(Σt=1TWeco(t)/(Σt=1TWres_sup(t)+Σt=1TWeco(t)))]]>
其中，V_active为从河流管理部门获取的当前供水水库的兴利库容。

一种面向环境保护的单一供水水库的生态库容确定方法
技术领域
本发明涉及一种面向环境保护的单一供水水库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。
背景技术
传统水库的运行与调度，都是以防洪、供水、发电等社会功能和经济功能极大化为目标。这些水库的调度运用，改变了河流水文的自然过程及规律，影响到鱼类等水生生物的栖息生存，对河流生态系统造成威胁。随着生态环境问题的日益突出，河流生态环境需水也就成为水库调度中越来越重要的任务，一些学者纷纷提出了生态调度的概念(董哲仁，2007)，并将生态流量与水库调度结合，发展了考虑生态需水量的水库调度方案和规则(杨志峰，2010；戴会超，2012；刘攀，2013)。
这些方法都是从水库的传统库容和调度方法角度出发，按下游河道内生态需水要求约束下泄生态水量，在具体实施中，容易产生经济用水和生态用水的矛盾，难以协调。近年有学者提出了水库生态库容概念(廖四辉，2011)，并讨论了其对保障生态流量的必要性(雍婷，2013；吕孙云，2013)，其确定方法是对设置的生态限制供水线进行优化，仍是在传统库容和调度方法上的约束调度，容易使枯水季节只有生态供水，而人类生活生产需水缺口较大，矛盾依然突出。此外，传统的水库设计运行中库容设置仅有死库容、兴利库容和防洪库容确定方法(顾圣平，2009)，根据现实需要，有必要在传统库容的基础上专设生态库容，发展生态库容确定方法。目前，在供水水库中，还未有生态库容的确定计算方法，水库运行中还难以明晰和协调人类社会经济、防洪和生态目标的水量调度。
发明内容
本发明的目的是提出一种面向环境保护的单一供水水库的生态库容确定方法，结合当前生态流量需求和优化模型工具，建立已有单一供水水库的生态库容确定方法，使供水水库在发挥河川径流调蓄和经济社会供水作用的同时，动用专门库容进行生态供水，保障河道内环境流量，实施环境保护和生态友好的生态调度。
本发明提出的面向环境保护的单一供水水库的生态库容确定方法，其流程框图如图1所示，包括以下步骤：
(1)根据河流管理部门的要求，分别确定供水水库下游河流的生态控制断面各月份的生态需水量其中k为月份，k＝1,2，…，12，将各月份的生态需水量作为生态流量目标；
(2)建立一个水库生态用水调度优化模型，优化模型的目标函数为：
MinZ=Σi=1n(w1WDlacki+w2WIlacki+w3WAlacki)+Σj=1mw4Welackj]]>
上式中：为供水水库的第i个供水区的生活缺水量，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，为供水水库下游河流的第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，n为由供水水库供水的供水区总数，m为水库下游河流的生态控制断面总数；
(3)设定关于供水水库、供水水库所在河流、供水区、水库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(t+1)＝V(t)+W_{res_in}(t)-W_{res_out}(t)-W_{res_sup}(t)-L_res(t)
V_ds≤V(t)≤V_max
W_{res_out}(t)≤Q_{res_max}
W_{res_sup}(t)≤Q_dmax
供水水库所在河流：
W_{riv_in}(t)＝W_{riv_out}(t)+L_riv(t)
W_{riv_in}(t)≤Q_{riv_max}
W_{riv_out}(t)≤Q_{riv_max}
供水区：
W_sup(t)＝W_con(t)+W_ret(t)
W_sup(t)＝W_dem(t)-W_lack(t)
生态控制断面：
W_eco(t)＝W_edem(t)-W_elack(t)+W_einc(t)
汇流节点：
Wcon_out(t)=Σl=1NWcon_inl(t)]]>
渠道：
W_sup(t)＝(1-α)×W_{res_sup}(t)
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(t)、V(t+1)分别为第t时段和第t+1时段的供水水库的蓄水量，W_{res_in}(t)、W_{res_out}(t)、W_{res_sup}(t)、L_res(t)分别为第t时段的供水水库的入流量、下泄流量、向供水区的供水量和损失量，V_ds为供水水库的下限库容，V_max为供水水库的上限库容，Q_{res_max}为供水水库的下泄能力，Q_dmax为供水水库的引水能力，W_{riv_in}(t)、W_{riv_out}(t)、L_riv(t)分别为第t时段的供水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，Q_{riv_max}为下游河流的过流能力，W_sup(t)、W_con(t)、W_ret(t)、W_dem(t)、W_lack(t)分别为第t时段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，W_eco(t)、W_edem(t)、W_elack(t)、W_einc(t)分别为第t时段供水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，W_{con_out}(t)为第t时段汇流节点的出流量，表示第t时段汇流节点的第l个分支入流量，N为流入同一汇流节点的分支总数，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10天为时间步长，根据30年水文历史资料中的供水水库的上游河流入流量W_{riv_in}(t)，求解上述步骤(2)和步骤(3)构成的优化模型，得到优化的供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)；
(5)随机或人工生成多组权重系数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供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)，形成一个由多组优化的供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)组成的非劣解集W^Ω(W_{res_sup}(t)，W_eco(t))；
(6)根据上述多组优化的供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)，通过下式计算人类社会经济缺水率R_{s_lack}和生态缺水率R_{eco_lack}：
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Reco_lack=(Σt=1TWedem(t)-Σt=1TWeco(t))/Σt=1TWedem(t);]]>
当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)，从非劣解集W^Ω(W_{res_sup}(t)，W_eco(t))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W_{res_sup}(t)和W_eco(t)；
(7)根据上述W_{res_sup}和W_eco，利用下式计算生态库容V_eco：
Veco=Vactiveg(Σt=1TWeco(t)/(Σt=1TWres_sup(t)+Σt=1TWeco(t)))]]>
其中，V_active为从河流管理部门获取的当前供水水库的兴利库容。
本发明提出的基于环境保护的单一供水水库的生态库容计算方法，首先根据河流管理部门规定的河流生态流量要求和社会经济需水，综合确定水库生态用水调度的优化目标和约束条件，建立水库生态用水调度优化模型，构造多目标的权重集合，将多目标化成单目标进行求解，确定人类社会经济和生态缺水率相等的优化供水方案或某一特定偏好的优化供水方案，进行供水水库生态库容的计算。本发明方法弥补了传统供水水库库容设置未能考虑生态供水的弊端，在已有兴利库容、防洪库容的基础上设置生态库容，充分考虑了生态库容在实际水库生态调度中的重要作用，符合未来水库进行生态用水调度的需求；其次是根据水库生态用水调度优化模型，通过随机权重生成多组情景，进行人类社会经济和生态缺水率的分析，能够得到更为合理的生态库容，也能够更好地保障供水水库考虑生态的调度规则的实施，具有理论意义明确、可操作性强、容易得到实际应用和推广的优点。
附图说明
图1为本发明提出的面向环境保护的单一供水水库的生态库容确定方法的流程框图。
图2是本发明建立的供水水库生态用水调度优化模型的示意图。
图2中，1是河流，2是渠道，3是汇流分支，4是水库，5是汇流节点，6是生态控制断面，7是供水区农业用水，8是供水区工业、城市和生活用水。
具体实施方式
本发明提出的面向环境保护的单一供水水库的生态库容确定方法，其流程框图如图1所示，供水水库生态用水调度优化模型的示意图如图2所示，图2中，1是河流，2是渠道，3是汇流分支，4是水库，5是汇流节点，6是生态控制断面，7是供水区农业用水，8是供水区工业、城市和生活用水。该方法包括以下各步骤：
(1)根据河流管理部门的要求(或采用水文水力学方法计算河流最小生态流量，一般可取多年平均径流量的10％)，分别确定供水水库下游河流的生态控制断面各月份的生态需水量其中k为月份，k＝1,2，…，12，将各月份的生态需水量作为生态流量目标；
(2)建立一个水库生态用水调度优化模型，优化模型的目标函数为：
MinZ=Σi=1n(w1WDlacki+w2WIlacki+w3WAlacki)+Σj=1mw4Welackj]]>
上式中：为供水水库的第i个供水区的生活缺水量，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，为供水水库下游河流的第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，n为由供水水库供水的供水区总数，m为水库下游河流的生态控制断面总数；
(3)设定关于供水水库、供水水库所在河流、供水区、水库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(t+1)＝V(t)+W_{res_in}(t)-W_{res_out}(t)-W_{res_sup}(t)-L_res(t)
V_ds≤V(t)≤V_max
W_{res_out}(t)≤Q_{res_max}
W_{res_sup}(t)≤Q_dmax
供水水库所在河流：
W_{riv_in}(t)＝W_{riv_out}(t)+L_riv(t)
W_{riv_in}(t)≤Q_{riv_max}
W_{riv_out}(t)≤Q_{riv_max}
供水区：
W_sup(t)＝W_con(t)+W_ret(t)
W_sup(t)＝W_dem(t)-W_lack(t)
生态控制断面：
W_eco(t)＝W_edem(t)-W_elack(t)+W_einc(t)
汇流节点：
Wcon_out(t)=Σl=1NWcon_inl(t)]]>
渠道：
W_sup(t)＝(1-α)×W_{res_sup}(t)
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(t)、V(t+1)分别为第t时段和第t+1时段的供水水库的蓄水量，W_{res_in}(t)、W_{res_out}(t)、W_{res_sup}(t)、L_res(t)分别为第t时段的供水水库的入流量、下泄流量、向供水区的供水量和损失量，V_ds为供水水库的下限库容，V_max为供水水库的上限库容，Q_{res_max}为供水水库的下泄能力，Q_dmax为供水水库的引水能力，W_{riv_in}(t)、W_{riv_out}(t)、L_riv(t)分别为第t时段的供水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，Q_{riv_max}为下游河流的过流能力，W_sup(t)、W_con(t)、W_ret(t)、W_dem(t)、W_lack(t)分别为第t时段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，W_eco(t)、W_edem(t)、W_elack(t)、W_einc(t)分别为第t时段供水 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，W_{con_out}(t)为第t时段汇流节点的出流量，表示第t时段汇流节点的第l个分支入流量，N为流入同一汇流节点的分支总数，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10天为时间步长，根据30年水文历史资料中的供水水库的上游河流入流量W_{riv_in}(t)，求解上述步骤(2)和步骤(3)构成的优化模型，得到优化的供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)；
(5)随机或人工生成多组权重系数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供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)，形成一个由多组优化的供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)组成的非劣解集W^Ω(W_{res_sup}(t)，W_eco(t))；
(6)根据上述多组优化的供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)，通过下式计算人类社会经济缺水率R_{s_lack}和生态缺水率R_{eco_lack}：
Rs_lack=(Σt=1TWdem(t)-Σt=1TWres_sup(t))/Σt=1TWdem(t)]]>
Reco_lack=(Σt=1TWedem(t)-Σt=1TWeco(t))/Σt=1TWedem(t);]]>
当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)，从非劣解集W^Ω(W_{res_sup}(t)，W_eco(t))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W_{res_sup}(t)和W_eco(t)；
(7)根据上述W_{res_sup}和W_eco，利用下式计算生态库容V_eco：
Veco=Vactiveg(Σt=1TWeco(t)/(Σt=1TWres_sup(t)+Σt=1TWeco(t)))]]>
其中，V_active为从河流管理部门获取的当前供水水库的兴利库容。
以下介绍本发明方法的一个实施例子：
某个供水水库位于河流上游，死水位为2560m，死库容为0.145亿m³，兴利水位2624m，对应的调节库容为3.52亿m³。该水库的生态需水量是由流域管理部门确定的水量。为协调河流中游供水区和下游生态需水量，改善生态环境，采用本发明方法计算生态库容，专门向下游生态进行供水。
确定目标函数和约束条件，建立包含该供水水库的生态用水调度优化模型，构造多目标的权重集合，将多目标化成单目标进行求解。根据经济社会和生态缺水率的分析，确定优化供水方案。根据优化的经济社会和生态供水量，按生态供水量所占的比例进行生态库容的计算，如下：
V_eco＝V_activeg(W_eco/(W_{res_sup}+W_eco))
其中V_eco是生态库容，V_active是从河流管理部门获取的当前供水水库的兴利库容，W_eco是供水水库的生态供水量，W_{res_sup}是供水水库的经济社会供水量。
计算得到该供水水库的生态库容为0.64亿m³，占兴利库容的18.3％。比较设置该生态库容和无生态库容下的生态缺水情况，如下表所示：