面向河流生境改善的水庫調度建模理論與方法研究.pdf

1、水資源是一種清潔可再生能源，它對人類社會經濟發(fā)展起著舉足輕重的作用。通過水利工程的建設和運行，人類對自然徑流過程進行人工干預從而實現天然徑流能量的轉換和資源的重新分配。水利樞紐在防洪、供水、發(fā)電、航運、灌溉等方面產生了巨大的社會及經濟效益。但是，大壩阻隔造成河道破碎化、片段化現象嚴重，水庫的調度運行對水資源時空分布也產生了劇烈的改變，這些不利影響導致河流生態(tài)系統(tǒng)遭到較為嚴重的破壞，引發(fā)了一系列生態(tài)問題如庫區(qū)富營養(yǎng)化、生物多樣性下降、濕地

2、退化等。隨著生態(tài)問題的日益凸顯以及社會環(huán)保意識的逐漸增強，如何通過水庫合理運行減輕水利工程對生態(tài)系統(tǒng)造成的不利影響已成為水庫調度研究領域中的熱點問題。目前，我國已建大壩數量位居世界首位，大規(guī)模的流域水電建設對河流生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重甚至不可逆轉的破壞。傳統(tǒng)以經濟效益最大化為核心的調度理念已無法適應實現河流生態(tài)環(huán)境保護與修復的工程需求，加之我國水庫生態(tài)調度研究與實踐起步較晚，因此亟需研究并發(fā)展具有科學性且符合我國國情的生態(tài)調度建模理論與方法

3、。本文圍繞長江中游主要水生態(tài)問題，以河流生境改善和修復為目標，采用生態(tài)水文學、生態(tài)水力學、復雜系統(tǒng)建模理論相結合的建模途徑，對水庫生態(tài)調度建模理論與方法進行了深入的研究，初步取得了以下具有理論意義及工程實際應用價值的研究成果。
　　（1）考慮到已有物理棲息地模型僅能在具有較完備生態(tài)監(jiān)測資料河段使用的局限性，本文提出了基于Mamdani型模糊推理和基于自適應神經模糊系統(tǒng)的物理棲息地模擬方法。研究采用三角形網格上求解二維淺水方程的Go

4、dunov型有限體積模型進行流場模擬，從而計算得到棲息地內各單元的流速及水深。以此為基礎，分別采用Mamdani型模糊推理機及自適應神經模糊系統(tǒng)將河流物理要素轉換為適宜度，最終建立研究河段流量-加權可用面積關系曲線，并以此確定生態(tài)需水量。為驗證模型有效性，以長江珍稀保護物種中華鱘為研究對象，對其葛洲壩下產卵場進行物理棲息地模擬。與已有研究及生態(tài)監(jiān)測資料的對比結果表明，本文提出的模型可靠有效，有助于生態(tài)監(jiān)測資料匱乏的河流開展相關生態(tài)保護及

5、河流管理。
　?。?）以水利工程對河流天然徑流過程的影響為切入點，采用水文變指標法、變異范圍法、Mann-Kendall趨勢檢驗法以及R/S法定量計算并分析了三峽梯級建設運行對河流生態(tài)水文特征的影響。此外，提出采用生態(tài)水力學指標評價水利工程對生態(tài)系統(tǒng)影響的方法，并以中華鱘為目標物種，定量評價了三峽水庫蓄水對中華鱘自然繁殖的影響，從而為實施水庫生態(tài)調度提供了理論支撐與數據支持。
　　（3）針對長江中游生境改善與修復的需求，提出

6、了一種考慮多重生態(tài)需水的水庫多目標生態(tài)調度模型。研究以月為時間尺度，考慮生態(tài)系統(tǒng)、四大家魚產卵、中華鱘產卵的生態(tài)需水量及防止氣體過飽和與河口咸潮入侵發(fā)生的臨界流量，建立了以生態(tài)溢缺水量最小及年發(fā)電量最大為目標的水庫多目標調度模型，采用智能優(yōu)化算法對模型進行求解，快速得到了關于不同目標的非劣調度方案集，并以此為基礎對各調度目標間的相互影響規(guī)律進行解析。研究結果表明，實施水庫生態(tài)調度可在犧牲部分經濟效益的同時，有效提高下游河流生態(tài)系統(tǒng)需水的

7、保證率。研究成果可為三峽梯級水庫實施生態(tài)調度提供理論支撐與技術指導。
　?。?）生態(tài)需水量計算方法眾多，針對不同的對象和保護目標，可得到不同的河流生態(tài)需水量。由于生態(tài)系統(tǒng)的特殊性和復雜性，這些生態(tài)流量難以通過實驗進行檢驗和確認。此外，徑流在年內分配不均，使得河道內流量對生態(tài)系統(tǒng)健康的影響呈現高度非線性。針對這些問題，本文建立了基于Vague集相似度量的水庫生態(tài)多目標調度模型。模型將適宜生態(tài)流量的邊界定義為區(qū)間，將針對不同生態(tài)保護目