面向生态的水库多利益主体协调调度模式研究

摘要

随着经济社会快速发展，水资源供需矛盾突出，水安全成为热点。尤其对于北方流域及区域，资源性缺水已经成为了限制区域经济社会可持续发展和长治久安的主要因素。资源性缺水同时也让水库服务的各利益主体之间用水中出现了不同程度的竞争，强化竞争用水的状况下，就不断挤占生态环境用水，导致生态环境的恶化。在国家生态文明建设的新形势下，不但要退还生态环境用水，而且要更高标准的满足生态用水，生态保护力度空前。生态用水成为水库服务的第一利益主体，同时也让竞争用水的矛盾升级，水库要服务于生态，对水库的生态调度更为复杂。 渭河是北方资源性缺水流域的典型代表，干流上的林家村水库的用水利益主体之间竞争十分激烈，宝鸡市城市河段的生态用水最为关注，生态环境需水不但要求满足，而且还要持续增加，导致林家村水库各利益主体之间的竞争白热化，亟需改善水库调度模式，发挥出水库的生态服务潜力，协调处理好多利益主体之间的关系。本文针对这一难题，从模式内涵、模式构建及技术支撑，研究了面向生态的水库多利益主体协调调度模式；基于知识可视化综合集成平台搭建了水库多利益主体协调调度系统；系统中，采用了快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对基础调度模型求解，通过实例应用讨论了模式的可行性。论文主要内容如下： (1)结合利益主体用水特点及水库来水条件分析，以层次化用水和区间化协调为核心，在保证多利益主体各自基本利益的前提下，提出了面向生态的水库多利益主体协调调度模式。探讨了区间化协调调度模式内涵、模式构建及技术支撑，基于综合集成平台搭建了水库多利益主体协调调度系统。 (2)在协调调度模式的指导下，采用层次化用水方法，确定各利益主体最低需水临界点和最大需水临界点，作为区间边界值；在保证利益主体基本区间用水的前提下，建立了各利益主体用水的博弈区问：采用带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)，构建了水库多利益主体基础调度模型：拟定不同情景，并得到可行的调度方案集。保证多利益主体基本利益，具有可执行性；寻求各利益主体之间的均衡，得到了相对公平的协调方案。 (3)以渭河流域宝鸡峡林家村水库为研究对象，在利益主体用水特点分析后，确定了利益主体区间边界。对于生态用水，采用蒙大拿法确定其最低需水临界点和最高需水临界点分别为7.1m3/s和141.4m3/s；对于灌溉用水，采用定额法确定其50%典型年最低灌溉需水量和适宜灌溉需水量分别为2.25亿m3和4.32亿m3，75%典型年最低灌溉需水量和适宜灌溉需水量分别为2.51亿m3和5.75亿m3，90%典型年最低灌溉需水量和适宜灌溉需水量分别为2.98亿m3和6.31亿m3；对于发电用水，结合灌溉引水发电，机组最小过机流量与机组最大过机流量分别为5m3/s和52m3/s。 (4)考虑不同的典型年来水，以最大发电效益、最小生态流量与天然流量偏差AAPFD值和最大灌溉效益为目标函数，拟定各利益主体优先次序并组合生成水库调度策略，得到不同情景下的协调方案。情景1，协调方案的发电效益为0.129亿元，AAPFD值为1.249，灌溉效益为7.831亿元；情景2，协调方案的发电效益为0.124亿元，AAPFD值为1.348，灌溉效益为7.828亿元；情景3，协调方案的发电效益为0.112亿元，AAPFD值为1.562，灌溉效益为7.795亿元；其中灌溉效益基本都大于多年平均效益，发电效益基本大于或接近设计发电量所得效益。从协调过程中，处理了竞争关系，挖掘了水库调度潜力，提高了用水效率。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外相关研究进展

1.渭河流域治理与调度

2.水库优化调度

1.3存在问题

1.4研究内容及技术路线

1.4.1研究内容

1.4.2技术路线

2面向生态的水库多利益主体协调调度模式研究

2.1多利益主体及其用水特点

2.1.1生活用水

2.1.2工业用水

2.1.3农业用水

2.1.4发电用水

2.1.5生态用水

2.2来水分析

2.3层次化用水方法

1. 层次化用水遵循原则

2. 层次化用水方法内涵

2.4区间化协调调度模式内涵

2.5区间化协调调度模式构建

2.6区间化协调调度模式技术支撑

2.6.1综合集成平台

2.6.2可视化技术

2.6.3组件技术

2.6.4Web Service技术

2.7水库多利益主体协调调度系统实现

1. 数据库的建立

2. 组件库的建立

3. 知识图的建立

4. 组件定制与添加

2.8本章小结

3.基于NSGA-Ⅱ的水库多利益主体生态调度模型与方法

3.1水库多利益主体生态调度模型的建立

3.1.1目标函数

3.1.2约束条件

3.2模型求解方法

3.2.1遗传算法

3.2.2 NSGA与NSGA-Ⅱ

3.3本章小结

4林家村水库多利益主体协调调度方案研究

4.1渭河流域水资源与生态环境现状

1.渭河流域概况

2. 水资源

3. 水利工程概况

4. 水环境概况

5. 水生态概况

6. 存在问题

4.2林家村水库概况

4.2.1水库概况

4.2.2水库基本资料

4.3林家村水库多利益主体协调调度系统搭建

4.4利益主体区间边界确定

4.4.1生态流量区间边界确定

4.4.2灌溉水量区间边界确定

4.5水库调度策略

4.5.1典型年选择

4.5.2调度策略

4.6调度方案研究

4.6.1情景1方案比选

4.6.2情景2方案比选

4.6.3情景3方案比选

4.7本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2创新点

5.3展望

参考文献

攻读学位期间主要研究成果

致谢