面向生态需水的随机动态规划水库调度模型研究及应用

面向生态需水的随机动态规划水库调度模型研究及应用 , ,,,,,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,, ,, ,,,,,, ,,, ,,,,,,;, ,,, ,,,,,;,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,;,,,,,;,,,, ,,,,,,; ,,,,,,,,,,, ,,;,,, ,,, ,;,,,,,;,, ,,,,, ,,,,,, ,, ,,,？,,, ,,,, ,,,,,,,,,,:,,,,(,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,, ,,,,,,;,, ,;,,,, ,, ,,,,, ,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,, ,,,，,,,, 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 (，一 学位论文作者: 日期:加,,年,月，,阳 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅;本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者 摘要 摘 要 水库调度是关系到全流域，尤其是坝下生态的重大事件。以往水库调度，主要注重发挥水库在防洪、发电、供水、灌溉、航运等方面的作用，以追逐社会经济效益的最大化为目的，对下游河流生态环境保护的考虑较少。在全国各流域生态环境日益恶化，生态系统功能逐渐丧失，水污染问题日益严重的情况下，研究面向生态需水的调度模式对改善河流生态环境、维持生态系统功能和人类的生命健康具有重大的现实意义。 本文首先 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了该领域国内外的研究历程和现状，并针对现状总结了目前存在的问题和难点，提出了本文的研究思路和内容。其次，从四个方面分析了水库建设及调度对河流生态环境的影响，并研究了河流生态对筑坝的响应;第三，对研究区的基本情况作了简明扼要的概括，并分析了其来水径流特性，为后文建立“面向生态需水的随机动态规划水库调度模型”提供了必需的数据资料;第四，介绍了建模所需的理论基础;第五，建立了“面向生态需水的随机动态规划水库调度模型”，阐述了求解方法，并以燕山水库为实地应用区域，绘制了调度图以指导燕山水库日常生态调度工作;最后，对全文的研究成果进行了总结，提出了下一步的研究重点。关键词:生态需水随机动态规划水库调度模型调度规则 ,,,,,,;, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,, , ,,,, ,,,,, ,,, ,, ,,,,, ,,,,, ,;,,,,,,,，,,,,;,,,,, ,,, ,,,,,,,,,, ,;,,,,,,,( ，, ,,,,, ,, ,,, ,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,, ,, ,,;,,。,;,,,,,，,,,,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,,, ,,, ,, ,,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,, ;,,,,,,，,,,,, ,,,,,,,,,,，,,,,, ,,,,,,，,,,,,,,,,,，,,,,,,,,，,,, ,, ;,,, ,,,, ,,,, ,, ,,, ,;,,,,,;,, ,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,;,,,, ,,, ,,, ,,,,, ,,,;,,,(,, ,;,,,,,;,, ,,,,,,,,,,, ,, ,,, ;,,,,,, ,,,, ,,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,,，,,,,, ,, , ,,,,, ,, ,,,;,,;,, ,,,,,,,;,,;, ,, ,,,,,,, ,;,,,,,;,, ,,,,,,,,,,,，,,,,,,, ,;,,,,,,,如,;,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,, ,, ,,,,,,;,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,, ,,;,,, ,,, ,,, ,;,,,,,;,, ,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,;,,,,( ,,,,,,,，,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,, ,,, ;,,,,,, ,,,,,,,,, ,, ,,, ，(,,,,矿,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,;,,,？,,, ,,, ,,, ,,, ,;,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,;,,, ;,, ,,,,, ,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,,，,,,,,,,,, ,, ;,,,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,;,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,, ,,, ;,,,,,,, ,, ,,,, ,,,,,(,,;,,,,,，,,,,,,, ,,,, ,,,,;, ,, ,,,,,,,;,,，,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,, ;,,,,,,;,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,,,, ,;,,,,,,,， ,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,, ,;,,,,,,,(,,,,,,,，,,,, ,,,,, ,,,,, , ,,;,,,;, ,,,,,,, ,, ,,, ,,,,; ,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,, ;,,,,;,,,,,,,;, ,, ,,, ,,,,,,, ,,,,,,，,,,,,,,,, ,,;,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,“,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,,;,,,,,;,,,, ,,,,,,; ,,,,,,,,,,, ,,;,,, ,,, ,,,,, ,,,,,,,，，: ,;,,,,,;,, ,,,,,,,,，,,,, ,,,,, ,,,,,,,;,, ,,, ,,,,; ,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,,,,;, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,;,,,,,,,，,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,, ,,,,,,,，,,,,,,,,,,, ,,,„?,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,,;,,,,,;,,,,,,,,,,; ,,,,,,,,,,, ,,;,,, ,,, ,;,,,,,;,, ,,,,, ,,,,,,”，,,,;,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,, ,,,,,，,,,, ,,, ,,,,,,,,, ;,,,, ,, ,,,,, ,,, ,,,,,,(,,, ,;,(,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,，,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,, ,,,, ,, ,,, ,,,,,,;, ,;,,,,锄,,,(,,,,,,,,,,,,,,, ,,, ,,;,, ,, ,,, ,,,, ,,,,, ,,,,(,,,,,,,,:,;,,,,,;,, ,,,,, ,,,,,,;,,,;,,,,,;,,,, ,,,,,,; ,,,,,,,,,,,; ,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,;,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ，， 目录 目录摘要…………………………………………((，,,,,,,;,(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((， ，图和附表清单……………………………………(,，第一章绪 论……………………………………(, ,(,研究背景及意 义………………………………………, ,(,国内外研究历程及现状………………………………((, ,(, 目前存在的主要问题和难点……………………………(, ,(,本文研究思路及技术路 线………………………………,第二章水库建设及调度对河流生态环境的影 , 筑坝对河流水文特性的影响……………………………(, 响……………(, ,( ,(, 筑坝对河流物理、化学及生物特性的影响…………………(, ,(, 筑坝对河床形状及两岸地形的影响………………………(, ,(,(,对河道、河床的影响……………………………………(, ,(,(,对河口及岸边的影响……………………………………(, ,(, 筑坝对河床两岸生态功能的影 ,(, 流域生态对筑坝的响响…………………………, 应………………………………((, ,(, 本章小 结…………………………………………((,第三章研究区径流特性分析…………………………,, ,(, 燕山水库概 况………………………………………,, ,(,天然径流统计分 析…………………………………((,, 目录 ,(,(,天然径流特性统计分析…………………………………((,, ,(,(,天然径流超越机率曲线…………………………………((,, ,(,(,月径流理论频率曲线的配制………………………………,, ,(,本章小 结…………………………………………(,,第四章建模理论介?堋 保?,(, 天然径流过程的随机化处理……………………………,, ,(,(, 天然径流过程的时间及状态离散…………………………((,, ,(,(,简单马尔科夫 链………………………………………(,, ,(,转移概率矩阵的求解…………………………………,, ,(,人工径流系 列………………………………………,, ,(,(,人工径流系列的模拟……………………………………,, ,(,(,人工径流序列的修正……………………………………,, ,(,生态需水量计 算……………………………………(,, ,(,(,改进的,,,,法………………………………………((,, ,(,(,水文序列法…………………………………………((,, ,(,(,经验估算法…………………………………………((,, ,(,(,最小月平均流量法……………………………………((,, ,(,(, ,,,,,,, 法…………………………………………((,, ,(,(,各方法计算结果………………………………………(,, ,(,本章小 结…………………………………………(,,第五章面向生态需水的随机动态规划水库调度模型的建立…((,, ,(, 面向生态需水的水库调度的原则及任务…………………((,, ,(,(, 面向生态需水的水库调度原则……………………………(,, ,(,(,面向生态需水的水库调度的任务…………………………((,, ,(,面向生态需水的随机动态规划水库调度模型的建立…………(,, ,(,(,目标函 数…? 矗?，, 目录 ,(,(,阶段、状态、决策变量…………………………………(,, ,(,(,模型约束条件…………………………………………,, ,(,(,系统平衡方程…………………………………………,, ,(,模型求 解…………………………………………(,, ,(,(,模型求解方法…………………………………………,, ,(,(,模型求解结果…………………………………………,, ,(,(,随机动态规划调度与确定性动态规划调度的结果对比…………((,, ,(,本章小 结…………………………………………(,,第六章总结及展 望………………………………((,, ,(, 主要结论和创新 点…………………………………((,, ,(,研究展 望…………………………………………(,,参考文 献………………………………………((,,致 谢…………………………………………((,,附: 硕士研究生期间发表论文及研究成果………………(,, ,个人简历……………………………………………((,, ,发表论文……………………………………………((,, ,参加课题……………………………………………((,,附 录…………………………………………(,, , 图和附表清单 图和附表清单图,(,本文技术路线图……………………………………………,图,(,燕山水库坝址示意图………………………………………(,,图,(,天然入流月平均流量曲线图…………………………………(,,图,(,燕山水库多年平均米水径流量………………………………((,,图,(,燕山水库入库径流超越机率曲线………………………………,,图,(,优化适线上机流稃 图………………………………………(,,图,(,人工径流修正示意图………………………………………(,,图,(,面向生态需水的随机动态规划水库调度建模流程图………………((,,图,(,模型编程实现流程图………………………………………(,,图,(,六月份调度 图……………………………………………(,,图,(,七月份调度图……………………………………………(,,图,(,八月份调度图……………………………………………(,,图,(,九月份调度图……………………………………………(,,图,(,十月份调度图……………………………………………(,,图,(,十一月份调度图…………………………………………((,,图,(,十二月份调度 图…………………………………………((,,图,(,,一月份调度图……………………………………………(,,图,(,，二月份调度图……………………………………………(,,图,(,,三月份调度图……………………………………………(,,图,(,,四月份调度图……………………………………………(,,图,(,,五月份调度图……………………………………………(,,图,(,, ,,年随机动态规划与确定动态规划的调度过程…………………((,,表,(,各月份最大、最小流量表……………………………………,,表,(, ,，,，,的初步矩估计值表………………………………((,,表,(, ,，,，,优化适线理论值…………………………………(,,表,(,六、七月份一步转移概率矩阵………………………………((,,表,(,七、八月份一步转移概率矩阵………………………………((,,表,(,八、九月份一步转移概率矩阵………………………………((,,表,(,九、十月份一步转移概率矩阵………………………………((,,表,(,十、十一月份一步转移概率矩阵………………………………,,表,(,十一、十二月份一步转移概率矩阵……………………………(,,表,(,十二、次年一月份一步转移概率矩阵…………………………((,,表,(,一、二月份一步转移概率矩阵………………………………((,,表,(,二、三月份一步转移概率矩阵………………………………((,,表,(,,三、四月份一步转移概率矩阵………………………………((,, ,， 图和附表清单表,(,,四、五月份一步转移概率矩阵………………………………((,,表,(,,均值及方差检验表…………………………………………,,表,(,,六、七月份一步转移概率矩阵………………………………((,,表,(,,七、八月份一步转移概率矩阵………………………………((,,表,(,,八、九月份一步转移概率矩阵………………………………((,,表,(,,九、十月份一步转移概率矩阵………………………………((,,表,(,,十、十一月份一步转移概率矩阵………………………………,,表,(,,十一、十二月份一步转移概率矩阵……………………………(,,表,(,,十二、次年一月份一步转移概率矩阵…………………………((,,表,(,,一、二月份一步转移概率矩阵………………………………((,,表,(,,二、三月份一步转移概率矩阵………………………………((,,表,(,,三、四月份一步转移概率矩阵………………………………((,,表,(,,四、五月份一步转移概率矩阵………………………………((,,表,(,,河流流量等级标准表………………………………………(,,表,(,,近十年最小月流量表………………………………………(,,表,(,,各年流量统计表(?,,,天)………………………………((,,表,(,,年平均流量表(扣除三个月最小流量后)………………………(,,表,(,,系列各年最小月平均实测流量表………………………………,,表,(,,各方法计算结果对比分析表…………………………………(,,表,(,,燕山水库下游河道的最小生态需水量方案表……………………((,,表,(,模型调度结 果……………………………………………(,,表,(, ,,年调度结果对比 表………………………………………,, ,，， 第一章绪论 第一章 绪论,(,研究背景及意义 为了生活水平的不断进步，社会的不断向前迈进，人类正在积极的改造自然，使自然环境、自然资源更好的顺应人类的意志，为人类所利用。在人类积极改造自然过程中修建了大量的水库，就国内而言，我国的水电工程建设已进入高峰期，预计到,,,,年，水电装机总容量将达到,(,,亿千瓦，水能资源开发利用程度达到百分之六十，我国将成为名副其实的世界水电大国【,】。大量水库的建设调蓄了时空分布不平衡的水资源，降低、减轻了洪灾频度，提供了清洁的电能，为人类带来了巨大的经济效益，同时也保障了人类的生命、财产安全。但与正面积极效用相伴而生的是巨大的负面影响——以经济效益最大化为目标的水库调度控制着河流的行进，改变了流量的季节变化，破坏了河流的连续性，使整个河流生态系统发生变化【,】，导致了下游河道缺水干涸、河床淤沙、 生态环境恶化等等一系列生态问题。例如，非洲尼罗河上阿斯旺大坝和美国科罗拉多河上的格伦峡大坝的修建，改变了下游径流和排沙过程，造成下游物种减少、生态环境破坏等危害;我国黄河上三门峡水库的建设造成越来越严重的淤沙问题，等等。为维持水库下游河流生态系统健康及可持续发展，,,世纪,,年代以来，欧美等发达国家开始重视水库建设及调度对生态环境的影响，并开始调整水库调度运行方式;而在我国，对水库建设及调度对生态环境影响的研究还相对薄弱，也未引起足够的重视，但是河流的生态健康问题已相当严重，已成不容忽视的事实【,】。所以，旨在改善下游河道的生态环境的面向生态需水的水库调度模式的研究必须提到研究日程中来。 水库的生态调度需要结合防洪、供水、灌溉、发电、航运，还要兼顾下游河道生态环境几个方面，兼容并包，择优而行，选出社会经济效益与生态效益综合最优的调度措施进行调度。因此，一些水利科学家、工程专家就自然地将擅长求解寻优的动态规划方法与水库日常调度规划或方案结合起来，从此便产生了基于动态规划的调度模式、模型。动态规划调度模型分为确定性动态规划和非确定性动态规划。确定性动态规划应用于水库调度多是在长系列历史实测资料的基础上，建立模型，进行反演计算，求其目标函数的最优值或是最优路径，从而总结出一定的规律，为同后水库同常调度提供一定的理论和经验支持; 第一章绪论 而随机动态规划也是在长系列历史实测资料的基础上，进行建模求解目标最优 值。两者的主要区别在于:确定性动态规划是在过去每个时段来水都已定格成 为确定值的情况下寻求过去所求时段的使目标值达到最优的路径，而根据这条 路径所总结出来的规律和理论对于指导未来水库调度却具有一定的经验性和模 糊性，不能明确地给出针对未来各种可能来水流量情况的具体调度措施、放水 过程;而随机性动态规划则更着重考虑未来时段来水流量大小不确定性，运用 相邻时段的转移概率矩阵推求未来来水流量各种可能情况的效益目标的最优期 望，并能根据求解结果绘制出针对未来各阶段各种来水可能情况的调度图。 可以说，随机型动态规划是对由确定性动态规划所得出的规律和经验的具 体的细化和科学化，相比之下更能实际应用于水库,,常调度操作中。 面向生态需水的随机动态规划水库调度模式，通过对水库蓄泄水过程的优化调控，既能实现社会经济目标，又兼顾河流生态环境的需求，达到了社会经济效益以及生态效益的总体最优，融合了河流的生态环境保护理念，必将对人类的环境保护意识的提高产生较大影响【,】。,(,国内外研究历程及现状 在国外， 上世纪,,年代，美国陆军工程兵团在哥伦比亚河与斯内克河下游修建了,座梯级水电站， 这些水电站通过各种工程措施维持鱼类洄游通道【,】。到,,年代，生态调度的研究及相关工作逐渐展开。,,,,, ,(,,;,,,,等通过分析罗阿诺克水坝建坝前后的水文数据，发现水坝对河流水文情势产生了很大影响【,，,】 , ,,,,—,,,,年，田纳西河流域管理局在其管理的,,多个水库中，对水库调度运行方式进行了调整，具体措施包括:通过适当的日调节(,,,,,,,,,,, ,,,,,,;,,,,,,,,)、涡轮机脉动运行(,,,,,,, ,,,,,,,)、设置小型机组(,,,,, ,,,,, ,,,,,)等提高下游河道最小流量;通过涡轮机通风(,,,,,,, ,,,,,,,)、涡轮机掺气 (,,,,,,, ,,, ，,,,;,,,,)等设施，提高水库下泄水流的溶解氧浓度，对改善下游水域生态环境起了重要作用【『,,。 ,,,,年，墨尔本大学的河流水文联合研究中心以汤姆森河为例，对河道最小生态流量及河流脉冲事件的优化调度进行了研烈,,。 , 第一章绪论 从论述可知，在以美国为代表的西方发达国家，实施水库调度时除了提供生活用水、防洪、发电、灌溉、航运以外，均考虑到其他重要因素的影响，包括下游堤岸保护、水质保护、维持溯河产卵鱼类种群的寻址需求、生物栖息环境等因子。 在国内，自上世纪,,年代以来，长江干流鱼类资源就呈现出衰退迹象，研究发现，主要是由于长江干支流水利水电工程的建设改变了天然的河流水文情势，水利工程建设引起生态环境的碎片化。国内大型水库调度在巨大的防洪压力以及持续不断的电力需求情况下，河流生态问题没有引 ”在国内目前仍处于理论探讨和初步尝试的阶段〔,起相关部门的重视。 “生态调度 ,。 随着水库带来的生态问题的日益凸显，生态调度的研究也在逐步开展。,,,,年，董哲仁指出水利工程对于生态系统胁迫的主要原因，是水利工程在不同程度上造成河流形态的不连续化和均一化，从而导致生物群落多样性减少。同时提出了保持生态系统健康性与完整性的技术对策要点【, ,,。,,,,年，汪恕诚在《论大坝与生态》一文中明确指出，水利水电工作者必须高度重视水利水电发展建设中的生态问题，正确认识和处理开发与生态的关系，全面系统的评价水坝可能导致的生态环境问题，用科学发展和人与自然和谐相处的理念正确认识并妥善处理现阶段遇到的问题，以确保我国水利水电建设事业快速健康发展…,。,,,,年,,月蔡其华提出现行水库调度实施方式主要存.