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面向生态保护和恢复的梯级水电站联合优化调度研究

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【摘要】:大型水利枢纽工程在防洪、发电、供水、航运等诸多方面发挥巨大作用的同时,也对河流生态系统造成了胁迫效应,从而不同程度地影响了流域的生态过程,在此背景下,研究并开展水利工程的生态调度,从而保护和恢复河流健康生境显得尤为重要。面向生态修复与保护的水电能源联合优化运行和管理及其效益响应的综合研究与经济、生态、环境等诸多方面密切相关,是水利水电工程学科的一个前瞻性研究论题,面临众多理论瓶颈和技术难题,是现代流域尺度复杂水电能源与生态环境、经济环境耦合系统跨学科理论与技术研究的前沿领域。生态安全背景下长江中上游梯级水电能源联合优化运行问题是在生态需求、水文循环、调度模式等复杂约束集合条件下的大型、动态、离散、非凸的非线性多目标优化问题,较传统水电能源优化调度复杂得多。为此,本文针对梯级水库群水电联合优化调度亟需考虑的诸多生态安全问题,引入现代水电能源科学、系统科学、生态学和经济学原理与方法,对面向生态调度的流域梯级电站联合优化调度及决策的理论和方法开展了深入的研究,取得了一些具有理论意义和工程实际价值的成果,主要研究工作及创新成果如下: (1)对流域水电开发对河流生境造成的影响进行了归纳总结,在此基础上利用统计学的方法,从水文角度分析了三峡水库建设运行对流域生境的胁迫,并通过R/S法、Mann-Kendall法等方法解析天然河道建坝前后水文序列的变化趋势,从而确定了典型河道生境胁迫的起始年份,并应用数理统计方法进行了检验。 (2)对生态调度目标中可控性较强的生态径流过程进行了重点研究,在总结了国内外广泛应用的生态径流过程确定方法的基础上,结合河流自然水文节律分析,提出了面向生态流组的生态径流过程确定方法,并分别从流域整体生态需求和典型生物资源需求两个角度对长江中上游宜昌断面的生态径流过程进行了全面的实证分析,为流域生态径流过程研究提供了新的思路。 (3)针对三峡梯级水利枢纽建成后生态调度的新要求,建立了以生态径流过程为约束的梯级水电站生态调度模型,该模型以梯级系统总发电量最大为目标函数,分别考虑流域整体生态需求和典型生物资源需求两个角度的复杂生态约束,并提出基于全局寻优的离散微分动态规划算法对该模型进行了有效求解。 (4)针对三峡梯级电站调度过程中生态效应和经济效益均衡问题,建立了综合考虑生态和经济目标的多目标生态调度模型,提出了衡量生态效益的指标体系用以量化生态目标。提出了一种新的多目标进化算法一基于ε支配的自适应多目标差分进化算法,典型测试函数的优化结果表明,算法在求解过程中表现出的收敛性能和多样性能,较有代表性的多目标进化算法有一定程度的改善。结合上述算法和三峡梯级多目标生态调度模型,仿真模拟得出一系列非劣调度方案集,为三峡梯级生态调度提供了可靠的决策依据。 (5)多目标调度和决策的目的是根据决策者的需要确定最佳调度方案,本文提出了一种基于模糊测度分类融合的多属性决策方法,该决策方法使用模糊测度分类融合的方法综合各种决策方法的评估结果,并在过程中通过历史训练确定决策方法的重要性,并依据上述信息对梯级电站多目标生态调度方案进行优选排序,获得了令决策者满意的最终生态调度方案,从而提供了新的有效方法解决梯级电站生态调度多属性决策问题。


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