面向温室气体净通量管控的梯级水库提前蓄水调度方法及系统技术方案

本发明专利技术提供面向温室气体净通量管控的梯级水库提前蓄水调度方法及系统，构建与高效求解梯级水库提前蓄水调度的通用模型，提出了可协同优化防洪、兴利和温室气体净通量调度目标的梯级水库提前蓄水调度技术。梯级水库提前蓄水调度方法包括：步骤1，调度模型构建：构建面向防洪调度、兴利调度和温室气体净通量调度需求的多目标函数，以水库出库流量为决策变量的梯级水库提前蓄水调度模型；步骤2，温室气体净通量确定：模拟水库变动回水区河滩地植被生态和土壤的碳源与碳汇过程，用于确定蓄水期的温室气体净通量；步骤3，调度方案生成：求解调度模型，推求梯级水库提前蓄水调度方案，以实现最小化防洪风险和温室气体净通量、最大化蓄水率和发电量调度目标。率和发电量调度目标。率和发电量调度目标。

【技术实现步骤摘要】
面向温室气体净通量管控的梯级水库提前蓄水调度方法及系统


[0001]本专利技术属于水库调度
，具体涉及面向温室气体净通量管控的梯级水库提前蓄水调度方法及系统。

技术介绍

[0002]水库提前蓄水调度是在确保防洪安全前提下，通过管控水库起蓄时间和分阶段蓄水进程两个关键抓手，以提高水库防洪、发电、供水、航运及生态等综合效益。从研究对象角度考虑，已从单个水库向梯级水库群发展，水库蓄水调度的理论方法和应用模式有了长足进步。从调度技术层面考虑，侧重考虑防洪、兴利、生态流量调度需求，关于水库蓄水调度中温室气体净通量管控调度技术鲜有报道。面向高质量发展引领下水资源、双碳目标新需求，梯级水库提前蓄水调度的技术难点和挑战包括：
①
评估水库蓄水调度的起蓄时间和蓄水进程对变动回水区河滩地温室气体(如CH4和CO2)的源、汇影响难度大；
②
如何耦合温室气体净通量评估，构建面向碳中和目标的梯级水库提前蓄水调度模型，以实现防洪、兴利和温室气体管控的协同调度难度大。

技术实现思路

[0003]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供面向温室气体净通量管控的梯级水库提前蓄水调度方法及系统，运用水文学、生物学、热运动方程、仿生进化算法等理论方法，构建与高效求解梯级水库提前蓄水调度的通用模型，提出了可协同优化防洪、兴利和温室气体净通量调度目标的梯级水库提前蓄水调度技术，可为流域水库群协同蓄水调度方案的科学制定提供理论依据与技术支撑。
[0004]本专利技术为了实现上述目的，采用了以下方案：
[0005]<方法>
[0006]本专利技术提供一种面向温室气体净通量管控的梯级水库提前蓄水调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤1，调度模型构建：构建面向防洪调度、兴利调度和温室气体净通量调度需求的多目标函数，以水库出库流量为决策变量的梯级水库提前蓄水调度模型；
[0008]其中，最小化温室气体净通量的调度目标函数如下：
[0009][0010]式中，φi(CH4(t))为第i个水库t时刻变动回水区河滩地土壤厌氧环境下甲烷的排放量函数，与变动回水区河滩地的土壤质地、土壤温度、土壤氧化还原电位及水库运行水位密切相关；和ψi(CO2(t))分别为第i个水库t时刻变动回水区河滩地植被生态系统进行自氧呼吸的二氧化碳排放量函数和进行光合作用的二氧化碳吸收量函数，两个函数均与变动回水区河滩地的地面植被、光照、空气温度、土壤湿度及水库运行水位密切相关；
[0011]步骤2，温室气体净通量确定：模拟水库变动回水区河滩地植被生态和土壤的碳源与碳汇过程，用于确定蓄水期的温室气体净通量；
[0012]水库变动回水区河滩地土壤厌氧环境下CH4的排放量计算式如下：
[0013][0014]式中，和分别为t时刻土壤质地s(t)、氧化还原电位e(t)和土壤温度T
soil
(t)与土壤厌氧环境的关系函数；Z
i
(t)为第i个水库t时刻的运行水位；
[0015]水库变动回水区河滩地植被生态系统进行自氧呼吸的CO2排放量计算式如下：
[0016][0017]式中，和分别为t时刻光照L(t)、气温T
air
(t)和土壤湿度ω(t) 与植被生物自氧呼吸的关系函数；
[0018]水库变动回水区河滩地植被生态系统进行光合作用的CO2吸收量计算式如下：
[0019][0020]式中，和分别为t时刻光照L(t)、气温T
air
(t)和土壤湿度ω(t) 与植被生物光合作用的关系函数；
[0021]步骤3，调度方案生成：求解调度模型，推求梯级水库提前蓄水调度方案，以实现最小化防洪风险和温室气体净通量、最大化蓄水率和发电量调度目标。
[0022]优选地，本专利技术提供的面向温室气体净通量管控的梯级水库提前蓄水调度方法，在步骤1中，最小化防洪风险的防洪调度目标函数如下：
[0023][0024]式中，F1为防洪风险目标；V
i
(t)为第i个水库t时刻的库容；和分别为第i个水库的死库容和防洪库容；
[0025]最大化蓄水率和最大化发电量的兴利调度目标函数分别如下：
[0026][0027][0028]式中，F2和F3分别为蓄水和发电调度目标；为第i个水库的兴利库容；η、ρ和g分别为机组发电效率系数、水密度和重力加速度；为第i个水库t时刻的发电流量；为第i个水库t时刻的发电水头；Δt为计算时段长。
[0029]优选地，本专利技术提供的面向温室气体净通量管控的梯级水库提前蓄水调度方法，在步骤1中，水库提前蓄水调度需满足以下约束条件：
[0030]①
水量平衡约束
[0031][0032]式中，和分别为第i个水库t时刻入流和出流。
[0033]②
水力联系方程
[0034][0035]式中，M
i
‑1[
·
]为将第i
‑
1个水库出库流量过程演算到防洪控制断面的流量过程计算方法，有时滞影响时，采用马斯京根法进行演算，否则直接叠加；为第i个水库上游区间入流。
[0036]③
水位约束
[0037][0038]式中，Z
i
(t)为第i个水库t时刻的库水位；和分别为第i个水库出力的下限和上限，下限和上限分别取原设计蓄水调度线和分期汛限水位。
[0039]④
水位变幅约束
[0040]|Z
i
(t+1)
‑
Z
i
(t)|≤δ
i
ꢀꢀ
(1
‑
8)
[0041]式中，δ
i
为第i个水库相邻时刻的水位变幅阈值。
[0042]⑤
出库流量约束
[0043][0044]式中，和分别为第i个水库出力的下限和上限，下限一般由生态需求和通航要求决定，上限由泄流能力决定。
[0045]⑥
出力约束
[0046][0047][0048]式中，P
i
(t)为第i个水库t时刻的出力；和分别为第i个水库出力的下限和上限。
[0049]优选地，本专利技术提供的面向温室气体净通量管控的梯级水库提前蓄水调度方法，在步骤3中，采用NSGA
‑
III求解调度模型，具体按如下步骤进行：
[0050]①
设置参数和初始化种群：设置种群规模N
pop
、最大迭代次数G
max
、交叉概率P
c
、变异概率P
m
，以出库流量为决策变量，采用实数编码方式初始化种群；
[0051]②
生成子代种群：采用拥挤竞标赛选择操作从初始种群中选择适应度较大的个体以生成子代种群；通过概率为P
c
的交叉操作重组两个亲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.面向温室气体净通量管控的梯级水库提前蓄水调度方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，调度模型构建：构建面向防洪调度、兴利调度和温室气体净通量调度需求的多目标函数，以水库出库流量为决策变量的梯级水库提前蓄水调度模型；其中，最小化温室气体净通量的调度目标函数如下：式中，φ
i
(CH4(t))为第i个水库t时刻变动回水区河滩地土壤厌氧环境下甲烷的排放量函数，与变动回水区河滩地的土壤质地、土壤温度、土壤氧化还原电位及水库运行水位密切相关；和ψ
i
(CO2(t))分别为第i个水库t时刻变动回水区河滩地植被生态系统进行自氧呼吸的二氧化碳排放量函数和进行光合作用的二氧化碳吸收量函数，两个函数均与变动回水区河滩地的地面植被、光照、空气温度、土壤湿度及水库运行水位密切相关；步骤2，温室气体净通量确定：模拟水库变动回水区河滩地植被生态和土壤的碳源与碳汇过程，用于确定蓄水期的温室气体净通量；水库变动回水区河滩地土壤厌氧环境下CH4的排放量计算式如下：φ
i
(CH4(t))＝φ
i
[f
i1
(s(t)),f
i2
(e(t)),f
i3
(T
soil
(t)),Z
i
(t)]
ꢀꢀꢀꢀ
(2
‑
1)式中，f
i1
(s(t))、f
i2
(e(t))和f
i3
(T
soil
(t))分别为t时刻土壤质地s(t)、氧化还原电位e(t)和土壤温度T
soil
(t)与土壤厌氧环境的关系函数；Z
i
(t)为第i个水库t时刻的运行水位；水库变动回水区河滩地植被生态系统进行自氧呼吸的CO2排放量计算式如下：式中，f
i4
(L(t))、f
i5
(T
air
(t))和f
i6
(ω(t))分别为t时刻光照L(t)、气温T
air
(t)和土壤湿度ω(t)与植被生物自氧呼吸的关系函数；水库变动回水区河滩地植被生态系统进行光合作用的CO2吸收量计算式如下：ψ
i
(CO2(t))＝ψ
i
[f
i7
(L(t)),f
i8
(T
air
(t)),f
i9
(ω(t)),Z
i
(t)]
ꢀꢀꢀꢀ
(2
‑
3)式中，f
i7
(L(t))、f
i8
(T
air
(t))和f
i9
(ω(t))分别为t时刻光照L(t)、气温T
air
(t)和土壤湿度ω(t)与植被生物光合作用的关系函数；步骤3，调度方案生成：求解调度模型，推求梯级水库提前蓄水调度方案，以实现最小化防洪风险和温室气体净通量、最大化蓄水率和发电量调度目标。2.根据权利要求1所述的面向温室气体净通量管控的梯级水库提前蓄水调度方法，其特征在于：其中，在步骤1中，最小化防洪风险的防洪调度目标函数如下：式中，F1为防洪风险目标；V
i
(t)为第i个水库t时刻的库容；V
is
和V
if
分别为第i个水库的死库容和防洪库容；最大化蓄水率和最大化发电量的兴利调度目标函数分别如下：
式中，F2和F3分别为蓄水和发电调度目标；V
iu
为第i个水库的兴利库容；η、ρ和g分别为机组发电效率系数、水密度和重力加速度；为第i个水库t时刻的发电流量；为第i个水库t时刻的发电水头；Δt为计算时段长。3.根据权利要求1所述的面向温室气体净通量管控的梯级水库提前蓄水调度方法，其特征在于：其中，在步骤1中，水库提前蓄水调度需满足以下约束条件：
①
水量平衡约束式中，和分别为第i个水库t时刻入流和出流；
②
水力联系方程式中，M
i
‑1[
·
]为将第i
‑
1个水库出库流量过程演算到防洪控制断面的流量过程计算方法，有时滞影响时，采用马斯京根法进行演算，否则直接叠加；为第i个水库上游区间入流；
③
水位约束式中，Z
i
(t)为第i个水库t时刻的库水位；和分别为第i个水库出力的下限和上限，下限和上限分别取原设计蓄水调度线和分期汛限水位；
④
水位变幅约束|Z
i
(t+1)
‑
Z
i
(t)|≤δ
i
ꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
8)式中，δ
i
为第i个水库相邻时刻的水位变幅阈值；
⑤
出库流量约束式中，和分别为第i个水库出力的下限和上限，下限一般由生态需求和通航要求决定，上限由泄流能力决定；
⑥
出力约束出力约束式中，P
i
(t)为第i个水库t时刻的出力；P
imin
和P
imax
分别为第i个水库出力的下限和上限。4.根据权利要求1所述的面向温室气体净通量管控的梯级水库提前蓄水调度方法，其特征在于：其中，在步骤3中，采用NSGA
‑
III求解调度模型，具体为：
①
设置参数和初始化种群：设置种群规模N
pop
、最大迭代次数G
max
、交叉概率P
c
、变异概率P
m
，以出库流量为决策变量，采用实数编码方式初始化种群；
②
生成子代种群：采用拥挤竞标赛选择操作从初始种群中选择适应度较大的个体以生成子代种群；通过概率为P
c

【专利技术属性】
技术研发人员：周研来，郭生练，许崇育，熊立华，洪兴骏，周密，
申请(专利权)人：长江勘测规划设计研究有限责任公司，
类型：发明
国别省市：