面向河流生境改善的水库调度建模理论与方法研究

摘要

水资源是一种清洁可再生能源，它对人类社会经济发展起着举足轻重的作用。通过水利工程的建设和运行，人类对自然径流过程进行人工干预从而实现天然径流能量的转换和资源的重新分配。水利枢纽在防洪、供水、发电、航运、灌溉等方面产生了巨大的社会及经济效益。但是，大坝阻隔造成河道破碎化、片段化现象严重，水库的调度运行对水资源时空分布也产生了剧烈的改变，这些不利影响导致河流生态系统遭到较为严重的破坏，引发了一系列生态问题如库区富营养化、生物多样性下降、湿地退化等。随着生态问题的日益凸显以及社会环保意识的逐渐增强，如何通过水库合理运行减轻水利工程对生态系统造成的不利影响已成为水库调度研究领域中的热点问题。目前，我国已建大坝数量位居世界首位，大规模的流域水电建设对河流生态系统造成了严重甚至不可逆转的破坏。传统以经济效益最大化为核心的调度理念已无法适应实现河流生态环境保护与修复的工程需求，加之我国水库生态调度研究与实践起步较晚，因此亟需研究并发展具有科学性且符合我国国情的生态调度建模理论与方法。本文围绕长江中游主要水生态问题，以河流生境改善和修复为目标，采用生态水文学、生态水力学、复杂系统建模理论相结合的建模途径，对水库生态调度建模理论与方法进行了深入的研究，初步取得了以下具有理论意义及工程实际应用价值的研究成果。
　　（1）考虑到已有物理栖息地模型仅能在具有较完备生态监测资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适应神经模糊系统的物理栖息地模拟方法。研究采用三角形网格上求解二维浅水方程的Godunov型有限体积模型进行流场模拟，从而计算得到栖息地内各单元的流速及水深。以此为基础，分别采用Mamdani型模糊推理机及自适应神经模糊系统将河流物理要素转换为适宜度，最终建立研究河段流量-加权可用面积关系曲线，并以此确定生态需水量。为验证模型有效性，以长江珍稀保护物种中华鲟为研究对象，对其葛洲坝下产卵场进行物理栖息地模拟。与已有研究及生态监测资料的对比结果表明，本文提出的模型可靠有效，有助于生态监测资料匮乏的河流开展相关生态保护及河流管理。
　　（2）以水利工程对河流天然径流过程的影响为切入点，采用水文变指标法、变异范围法、Mann-Kendall趋势检验法以及R/S法定量计算并分析了三峡梯级建设运行对河流生态水文特征的影响。此外，提出采用生态水力学指标评价水利工程对生态系统影响的方法，并以中华鲟为目标物种，定量评价了三峡水库蓄水对中华鲟自然繁殖的影响，从而为实施水库生态调度提供了理论支撑与数据支持。
　　（3）针对长江中游生境改善与修复的需求，提出了一种考虑多重生态需水的水库多目标生态调度模型。研究以月为时间尺度，考虑生态系统、四大家鱼产卵、中华鲟产卵的生态需水量及防止气体过饱和与河口咸潮入侵发生的临界流量，建立了以生态溢缺水量最小及年发电量最大为目标的水库多目标调度模型，采用智能优化算法对模型进行求解，快速得到了关于不同目标的非劣调度方案集，并以此为基础对各调度目标间的相互影响规律进行解析。研究结果表明，实施水库生态调度可在牺牲部分经济效益的同时，有效提高下游河流生态系统需水的保证率。研究成果可为三峡梯级水库实施生态调度提供理论支撑与技术指导。
　　（4）生态需水量计算方法众多，针对不同的对象和保护目标，可得到不同的河流生态需水量。由于生态系统的特殊性和复杂性，这些生态流量难以通过实验进行检验和确认。此外，径流在年内分配不均，使得河道内流量对生态系统健康的影响呈现高度非线性。针对这些问题，本文建立了基于Vague集相似度量的水库生态多目标调度模型。模型将适宜生态流量的边界定义为区间，将针对不同生态保护目标计算所得的生态流量纳入考虑，采用Vague集描述水库下泄流量对生态系统需求的满足程度，推求该满足程度Vague集与理想情况Vague集的相似度，建立了以该相似度最大为生态目标和年发电量最大的水库多目标生态调度模型。研究工作以三峡梯级为实例，进行了模拟仿真演算，取得了合理的结果。研究成果不仅丰富了水库生态调度的建模思路，而且也拓展了模糊数学在该领域的应用。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 选题背景与研究目标

1.3 国内外研究进展及存在的问题

1.4 研究内容

2 研究区域概况及生境现状

2.1 引言

2.2 研究区域概况

2.3 长江流域生境现状

2.4 面向河流生境改善的生态调度研究思路

2.5 本章小结

3 河流生态水力学建模方法

3.1 引言

3.2 目标物种及研究河段特征分析

3.3 物理栖息地模拟概述

3.4 河流二维水动力模拟

3.5 应用模糊逻辑推理的物理栖息地模拟研究

3.6 本章小结

4 水库调度对河流生态水文特征及生境的影响研究

4.1 引言

4.2 研究方法

4.3 生态水文指标要素变化分析

4.4 水库调度运行对下游鱼类栖息地的影响评价

4.5 本章小结

5 水库多目标生态优化调度研究

5.1 引言

5.2 多目标优化问题的数学建模基础

5.3 考虑多重生态需水的水库多目标生态调度

5.4 基于Vague集相似度量的水库多目标生态调度

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1: 攻读博士期间发表的论文

附录2: 攻读博士期间奖励与授权研究成果