平衡WEE关系的径流式水电站生态流量确定方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种平衡WEE关系的径流式水电站生态流量确定方法和系统，该方法包括获取预存储的待分析数据，读取水文数据并确定出不少于N种生态流量，形成生态流量集合；构建生态流量与水力发电耦合模型，计算每种发电流量下的总发电量；构建水动力和鱼类栖息地模拟模型，得到鱼类栖息地可利用总面积；以总发电量最大、鱼类栖息地可利用总面积最大和水文情势变化最小作为目标函数，选取多目标函数计算方法求解，并采用优选方法对计算结果进行排序，给出最终生态流量参数。本发明专利技术能够平衡水

【技术实现步骤摘要】
平衡WEE关系的径流式水电站生态流量确定方法和系统


[0001]本专利技术涉及流量模拟计算方法，尤其是一种平衡WEE（Water、Energy、Ecosystem）关系的径流式水电站生态流量确定方法和系统。

技术介绍

[0002]在众多可再生能源中，水电在全球电力组成中扮演着不可或缺的角色，占全球总发电量的17%。小水电站的发展，主要是径流式水电站，在世界范围内引起了广泛的关注。与大型水电站相比，小水电站的效率和盈利能力完全依赖于水资源的可获得性，较高的流量变异性导致小水电站的效率较低。因此，在这种情况下，为了保证预期的盈利能力，通常一个小水电站会安装多个不同尺寸的水轮机。然而过度开发水资源，特别是在枯水期，可能会损害河流生态系统，比如引发鱼类种群的分裂，破坏大型无脊椎动物的聚集，影响纵向连通性并减少激流栖息地，也可能引起水峰，影响河岸斑块，可能会改变沉积物的运移。
[0003]为了解决这些问题，现有技术给出了多种技术思路，但是生态流量作为生态修复的重要手段还处于初步研究阶段，推求方法五花八门，尤其缺乏考虑水资源、能源与生态系统之间复杂的相互联系。
[0004]所以，需要进一步的研究和创新。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：一方面，提供一种平衡WEE关系的径流式水电站生态流量确定方法，以解决现有技术存在的上述问题。另一方面，提供一种实现上述方法的系统。兼顾水电生产和保护河流生态系统，为水库面向生态友好调度提供约束条件，并为流域水资源分配及管理提供切实可靠的依据。
[0006]技术方案：根据本申请的一个方面，提供一种平衡WEE关系的径流式水电站生态流量确定方法，包括如下步骤：步骤S1、获取预存储的待分析数据，所述待分析数据至少包括研究区域的基础地理空间数据、水文数据、电站数据和鱼类栖息地数据；步骤S2、读取水文数据并逐一采用预配置的至少N种计算方法确定出不少于N种生态流量，形成生态流量集合；计算每种生态流量与最小水轮机流量之和作为发电流量阈值，构建生态流量与水力发电耦合模型，计算每种发电流量下的总发电量；步骤S3、读取水文数据和鱼类栖息地数据，构建水动力和鱼类栖息地模拟模型，使用有限元法求解二维深度平均圣维南方程组，模拟每一发电流量和生态流量下河流网格每个单元的水深和流速；基于水深、流速和预采集的底质适宜性指数计算每一目标鱼类的综合适宜性指数，获取每一综合适应性指数对应的每个河流网格周围的贡献面积并相乘，得到鱼类栖息地面积，并基于河流日均流量时间序列计算每一目标鱼类在每个生命阶段的最大加权可用鱼类栖息地面积，得到鱼类栖息地可利用总面积；步骤S4、读取生态流量集合并采用M个全局指标计算水文情势变化，所述全局指标
包括月平均流量变化指数、极值流量大小变化指数、极值流量出现时间变化指数、极值流量频率和历时变化指数，以及速率和频率变化指数；N、M为预定的正整数；步骤S5、以总发电量最大、鱼类栖息地可利用总面积最大和水文情势变化最小作为目标函数，选取多目标函数计算方法求解，并采用优选方法对计算结果进行排序，给出最终生态流量参数。
[0007]根据本申请的一个方面，所述步骤S1进一步为：步骤S11、获取研究区域的基础地理空间数据，并获取河段数据，构建河网拓扑矢量地图；步骤S12、获取各个河网的预定断面的生态水位及不同丰枯年的自然流量水位；步骤S13、获取电站的位置坐标并插入所述河网拓扑矢量地图，采集电站的装机容量和最小水轮机流量；步骤S14、获取目标鱼类，将每一目标鱼类分成至少K个生长阶段，并在所述河网拓扑矢量地图中标定每一目标鱼类每一生长阶段的偏好栖息地和每一偏好栖息地的偏好监测数据，K为预定的正整数。
[0008]根据本申请的一个方面，所述步骤S13进一步为：步骤S13a、读取河网拓扑矢量地图和每一电站的坐标，将每个电站顺次插入至河网矢量拓扑图中；步骤S13b、从河网拓扑矢量地图中任选一个河段，沿每一河段上游至下游的方向，查找电站并标注序号，形成电站位置关系有向图；步骤S13c、采集电站对于每一目标鱼类的通过指数，形成电站过鱼指数矩阵；步骤S13d、采集电站的装机容量和最小水轮机流量，以及电站上游河段预定时间段的自然水量，形成时变的电站水量权重集合。
[0009]根据本申请的一个方面，所述步骤S14进一步为：步骤S14a、获取P个目标鱼类，并将每一目标鱼类分成至少K个生长阶段，形成P
×
K个目标鱼类生长阶段集合；P为预定的正整数；步骤S14b、针对每个目标鱼类的每一生长阶段，采集偏好栖息地并标注在河网拓扑矢量地图中，并针对该生长阶段所处时期的偏好栖息地的自然水量及偏好栖息地上下游的电站过鱼指数，判断该目标鱼类在该生长阶段的活动距离，以及是否能够达到与该偏好栖息地相邻的其他偏好栖息地；若否，去除相邻的其他偏好栖息地，以该目标鱼类在该阶段能够达到的偏好栖息地构建偏好栖息地备选集；步骤S14c、读取所有目标鱼类在所有生长阶段的偏好栖息地备选集及对应偏好栖息地的偏好监测数据。
[0010]根据本申请的一个方面，所述步骤S2进一步为：步骤S21、构建生态流量的计算方法集，所述计算方法包括：年最小值法、夏季平均流量法、年平均流量法、月最小值法和组合法；步骤S22、读取水文数据，并逐一采用上述计算方法分别确定出各河段的至少一种生态流量，形成生态流量集合；并获取该河段的电站中最小水轮机流量，将最小水轮机流量分别与每一生态流量求和，得到电站发电流量阈值集合；步骤S23、构建生态流量与水力发电耦合模型，沿河网拓扑矢量地图各河段的上游
向下依序查找电站并计算每种发电流量下的总发电量，形成第一总发电量集合；步骤S24、计算各个电站的上游电站数量，若不为零，计算该电站上游的各电站的发电流量中可调度发电流量之和，构建可调度发电流量有向序列，并在可调度发电流量调度情况下计算每种发电流量下的总发电量，形成第二总发电量集合。
[0011]根据本申请的一个方面，所述步骤S3进一步为：步骤S31、读取水文数据和每个目标鱼类每一生长阶段的偏好栖息地数据，以及栖息地在河网拓扑矢量地图中的连通关系；为每个目标鱼类赋予权重，获得目标鱼类权重集合；步骤S32、构建水动力模拟模型，采用有限元法求解二维深度平均圣维南方程组，包括质量守恒方程和两个方向上的动量守恒方程，模拟每一发电流量和生态流量下河流网格每个单元的水深和流速；其中发电流量包括可调度发电流量情况下的系统发电流量和未调度发电流量下的系统发电流量；步骤S33、每一目标鱼类的采集底质适宜性指数，并计算该底质适宜性指数与水深和流速的乘积，作为每一目标鱼类的综合适宜性指数；步骤S34、获取每一综合适应性指数对应的每个河流网格周围的贡献面积并相乘，得到鱼类栖息地面积；并进一步计算该目标鱼类能够达到的相邻的其他偏好栖息地，得到鱼类栖息地总面积；步骤S35、基于河流日均流量时间序列计算每一目标鱼类在每个生命阶段的最大加权可用鱼类栖息地面积，乘以每一目标鱼类的权重，得到鱼类栖息地可利用总面积。
[0012]根据本申请的一个方面，所述步骤S34中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.平衡WEE关系的径流式水电站生态流量确定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、获取预存储的待分析数据，所述待分析数据至少包括研究区域的基础地理空间数据、水文数据、电站数据和鱼类栖息地数据；步骤S2、读取水文数据并逐一采用预配置的至少N种计算方法确定出不少于N种生态流量，形成生态流量集合；计算每种生态流量与最小水轮机流量之和作为发电流量阈值，构建生态流量与水力发电耦合模型，计算每种发电流量下的总发电量；步骤S3、读取水文数据和鱼类栖息地数据，构建水动力和鱼类栖息地模拟模型，使用有限元法求解二维深度平均圣维南方程组，模拟每一发电流量和生态流量下河流网格每个单元的水深和流速；基于水深、流速和预采集的底质适宜性指数计算每一目标鱼类的综合适宜性指数，获取每一综合适应性指数对应的每个河流网格周围的贡献面积并相乘，得到鱼类栖息地面积，并基于河流日均流量时间序列计算每一目标鱼类在每个生命阶段的最大加权可用鱼类栖息地面积，得到鱼类栖息地可利用总面积；步骤S4、读取生态流量集合并采用M个全局指标计算水文情势变化，所述全局指标包括月平均流量变化指数、极值流量大小变化指数、极值流量出现时间变化指数、极值流量频率和历时变化指数，以及速率和频率变化指数；N、M为预定的正整数；步骤S5、以总发电量最大、鱼类栖息地可利用总面积最大和水文情势变化最小作为目标函数，选取多目标函数计算方法求解，并采用优选方法对计算结果进行排序，给出最终生态流量参数。2.如权利要求1所述的平衡WEE关系的径流式水电站生态流量确定方法，其特征在于，所述步骤S1进一步为：步骤S11、获取研究区域的基础地理空间数据，并获取河段数据，构建河网拓扑矢量地图；步骤S12、获取各个河网的预定断面的生态水位及不同丰枯年的自然流量水位；步骤S13、获取电站的位置坐标并插入所述河网拓扑矢量地图，采集电站的装机容量和最小水轮机流量；步骤S14、获取目标鱼类，将每一目标鱼类分成至少K个生长阶段，并在所述河网拓扑矢量地图中标定每一目标鱼类每一生长阶段的偏好栖息地和每一偏好栖息地的偏好监测数据，K为预定的正整数。3.如权利要求2所述的平衡WEE关系的径流式水电站生态流量确定方法，其特征在于，所述步骤S13进一步为：步骤S13a、读取河网拓扑矢量地图和每一电站的坐标，将每个电站顺次插入至河网矢量拓扑图中；步骤S13b、从河网拓扑矢量地图中任选一个河段，沿每一河段上游至下游的方向，查找电站并标注序号，形成电站位置关系有向图；步骤S13c、采集电站对于每一目标鱼类的通过指数，形成电站过鱼指数矩阵；步骤S13d、采集电站的装机容量和最小水轮机流量，以及电站上游河段预定时间段的自然水量，形成时变的电站水量权重集合。4.如权利要求3所述的平衡WEE关系的径流式水电站生态流量确定方法，其特征在于，所述步骤S14进一步为：
步骤S14a、获取P个目标鱼类，并将每一目标鱼类分成至少K个生长阶段，形成P
×
K个目标鱼类生长阶段集合；P为预定的正整数；步骤S14b、针对每个目标鱼类的每一生长阶段，采集偏好栖息地并标注在河网拓扑矢量地图中，并针对该生长阶段所处时期的偏好栖息地的自然水量及偏好栖息地上下游的电站过鱼指数，判断该目标鱼类在该生长阶段的活动距离，以及是否能够达到与该偏好栖息地相邻的其他偏好栖息地；若否，去除相邻的其他偏好栖息地，以该目标鱼类在该阶段能够达到的偏好栖息地构建偏好栖息地备选集；步骤S14c、读取所有目标鱼类在所有生长阶段的偏好栖息地备选集及对应偏好栖息地的偏好监测数据。5.如权利要求4所述的平衡WEE关系的径流式水电站生态流量确定方法，其特征在于，所述步骤S2进一步为：步骤S21、构建生态流量的计算方法集，所述计算方法包...

【专利技术属性】
技术研发人员：查伟，吴时强，吴修锋，戴江玉，俞雷，张宇，聂贝，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：