基于物理栖息模型的梯级水库多目标生态调度研究.docVIP

基于物理栖息地模型的梯级水库多目标生态调度研究 摘 要：本。 1.序言 河流梯级以发电作为主要目标，部分兼有灌溉、防洪、供水、航运等综合利用，这些目标与生态环境保护既协调一致相互矛盾2001年，黑河流域中游取水口8处“全线闭口，集中下泄”，滋润林草地，挽救胡杨树[]；2001～2006 年，塔里木河先后8 次向下游进行生态应急输水。大多着重于解决水环境问题，是为了满足人类的生产、生活需求，对于鱼类等水生生物的生存需求等考虑 2.物理栖息地模型 物理栖息地模型（Physical Habital Simulation Model，PHABSIM 模型）是关于河道内物理栖息地水力变量（深度、流速、底质和覆盖度）、栖息地指示物种参数及其变化的一种概念模型，是根据指示物种所需的物理生境条件，评价不同流量下的栖息地适宜度，从而得出适宜生物生存的流量条件[9]。与其他方法相比，该模型考虑了生物本身对物理生境的要求，被认为是目前生态需水计算方法中最复杂和最具科学依据方法之一，可以作为计算生态流量的一种科学方法。模型的计算流程如下[10]： （1）选定研究区域具有代表性的物种作为目标物种，详细调查该物种的生活情况，将栖息地适宜性指标与物种生境的影响因子（水深、流速、底质、水温等）关联，绘制该物种不同生命周期的生境适宜性曲线。 （2）根据生物调查情况选择目标物种较为敏感的河段作为研究河段，在各个研究河段设定几个代表性断面来控制河段的水力学特性。在最近的水文站处测定至少3个高、中、低流量，作为校正流量。采集每个断面的河底高程及校正流量下的水深、流速等数据。 （3）输入研究河段的各个代表性断面的相对距离、大断面资料及校正流量对应的水位和流速，建立PHABSIM水力学模型，以一维水力学公式为基础进行水力学模拟，选择合适的方法进行模拟得到断面各分区的水深、流速。 （4）根据适宜生境调查及相关研究成果绘制目标物种生境适宜性曲线并输入PHABSIM物理栖息地模型，结合水力学模型模拟的水深、流速数据进行物理栖息地模拟，计算研究河段不同流量下的加权可利用面积（WUA），其计算方法如下： （1） 式中: WUA是研究河段每单位长度的生境适宜性；CSF（Vi，Di，Ci，Ti）是每个单元影响因子的组合适宜性（combined suitability factor, CSF），Vi是流速指标，Di是水深指标，Ci是河道指标（包括基质和覆盖物），Ti是温度指标；Ai是长度为有效断面距离的每个单元水平面积。 3.梯级水库多目标生态调度模型的建立 1）目标函数 水库生态调度以水库调度所产生的生态环境效益社会效益和经济效益等的综合效益最大为目标函数，将水库多目标优化决策模型描述 （） 式中：Ei (x)为第i个综合利用目标，包括生态环境、社会和经济效益等目标；X是所有自变量组成的向量；n为综合利用目标的个数；S为所有综合利用要求的约束条件集合。 （1）生态环境效益最大化 生态效益最大化可以用生态缺水量最小这一目标体现，即 （） 式中：E1为生态缺水量（m3）；为第i个电站在第t时段发电流量（m3/s）；为第i个电站在第t时段弃水流量（m3/s）；Qdmin为某时段为满足生态要求的电站的最小下泄生态流量限制（m3/s）；为每个计算时段长度（s）；T为年内计算总时段数；N为梯级电站总数。 （2）社会效益最大化 水库社会效益通常包括防洪效益和供水效益。 ①防洪效益最大化可以用超标水量最小这一目标体现，即 （） 式中：E2为超标水量（m3）；Qdmax为某时段水库下游的防洪安全下泄流量（m3/s）；其它符号意义同前。 ②供水效益 供水效益最大化可以用供水缺量最小这一目标体现，即 （） 式中：E3为供水缺量（m3）；Gi,t为水库某时段的供水量（m3）；Gmin为水库满足某时段工、农业、生活取水的最小供水量（m3）；其它符号意义同前。 （3）经济效益最大化 经济效益最大化以梯级电站发电收入最大化体现，即 （） 式中：E4为梯级电站发电收入（元）；为第i个电站出力系数； 为第i个电站在第t时段平均发电净水头（m）；为第t时段小时数（h）；为第t时段梯级电站上网电价（元/MW?h），其它符号意义同前。 约束条件 梯级电站生态调度模型中的约束条件如下： （1）水量平衡约束： 对于单个电站来说，入库与出库的水量之差应等于蓄水量的变化量。 （） 式中：为第i个电站第t时段末水库蓄水量（m3）；为第i个电站第t时段初水库蓄水量（m3）；为第i个电站第t时段入库流量（m3/s）。其它符号意义同前。 （2）上下游水力联系： 梯级水库之间的水力联系的主要内容是流量联系，即上游水