一种基于多目标约束的水库生态清淤方案决策方法

1.本发明涉及水库清淤领域，具体涉及一种基于多目标约束的水库生态清淤方案决策方法。


背景技术：

2.水库生态清淤可有效增加水库库容、改善库区水环境条件，恢复水库调蓄功能，同时也有利于供水、灌溉、发电等功能的发挥。清淤泥沙可用于堤防填筑、建筑和工业材料、土壤修复等，可缓解目前砂石等矿产资源紧缺的状况。
3.目前水库清淤的决策方法尚有不足。过去清淤行为多参考航道疏浚工程和河道采砂工程，即清理碍航河段，或者清理砂石资源富集的河段，但水库清淤与航道疏浚和河道采砂的根本目的并不相同，水库清淤首要目的是恢复水库库容，保障水库功能的可持续发挥，促进水库的长期使用。同时，水库清淤与上述二者的制约条件也有区别，大部分水库因年代久远、淤积物富集的同时也使淤积中赋存了大量的污染物，因此水库清淤必须使用生态清淤设备并确保其污染物扩散范围符合有关规范规定。因此，水库清淤的决策是相对复杂的，除了考虑一般的费效比等经济因子，还需要考虑环境等综合影响以及水库功能恢复等因素，其决策过程难度非常大。因此，其改进和创新势在必行。


技术实现要素：

4.针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种基于多目标约束的水库生态清淤方案决策方法，可有效解决水库求解最优清淤方案的问题，可以指导水库清淤方案决策、设计及评价工作。
5.本发明解决的技术方案是：
6.一种基于多目标约束的水库生态清淤方案决策方法，通过库区淤积特征，结合水库功能，开展地质勘察，确定水库清淤备选方案，从各方案的清淤效果、不利影响和费效比构建多目标约束体系：
7.首先根据清淤规模，结合淤积物成分地质勘探，测算清淤工程可能产生的经济效益、社会效益、生态效益，根据清淤规模测算清淤工程的成本费用，建立费效比函数；其次，模拟各方案实施后库区水流条件和水环境因子的变化，评价各清淤方案对河势稳定、河道行洪、航道安全、生态环境产生的影响，量化比较各方案的不利影响程度，建立影响程度目标函数；再次，模拟计算清淤工程实施后库区泥沙输移变化和河床地形变化，评价清淤工程输沙效果，计算清淤区域回淤速率，定义并求解库容可持续发展指数，从而构建多目标约束的优化体系模型，对费效比、不利影响和库容可持续效果等函数值进行归一化处理，确定各目标函数权重系数，求解多目标模型的最优解，从而确定不利影响最小、库容可持续效果最佳、费效比最小的最优清淤方案。
8.优选的，确定水库清淤备选方案时，首先基于水库现状地形和初始地形进行淤积分布，以及未来10年水库淤积趋势分析，得到现状水库总库容淤损率、兴利库容淤损率、淤
积部位以及未来10年的兴利库容淤损率和淤积部位；按照只清理取水口现状局部淤积体、清理现状兴利库容内淤积体、清理未来10年兴利库容内淤积体、清淤水库成库以来所有淤积4个清淤范围，同时避让生态红线和生态敏感区，避让库区涉水工程及设施运行规定要求的安全距离，确定微、小、中、大4个清淤备选方案的清淤范围。
9.未来10年水库淤积趋势分析的具体方法是基于hec模型，建立一维库区全沙河床冲淤数学模型，按照一般河流模拟方案，选取包含丰水丰沙、枯水少沙和中水中沙典型水沙年的10年水沙序列，以现状实测地形为初设条件，进行库区泥沙淤积预测计算，统计未来10年库区兴利库容的淤积部位。
10.具体包括以下步骤：
11.a、筛选库区泥沙淤积区域；收集空库或建库初期库区地形测量，对现状库区开展1:2000库区校核洪水位以下地形测量，对空库地形和现状地形进行套绘，得到库区泥沙冲淤分布情况，包括总体淤积分布、兴利库容内的淤积分布和坝前取水口局部的淤积分布；
12.b、基于hec模型，建立一维库区全沙河床冲淤数学模型，选取包含丰水丰沙、枯水少沙和中水中沙典型水沙年的10年水沙序列，以现状实测地形为初设条件，进行库区泥沙淤积预测计算，统计未来10年库区兴利库容的淤积部位。
13.c、对库区生态红线和环境敏感区进行调查，包括自然保护区、饮用水水源地、水产种质资源保护区、湿地公园等生态红线范围；按照只清理取水口现状局部淤积体、清理现状兴利库容内淤积体、清理未来10年兴利库容内淤积体、清淤水库成库以来所有淤积4个清淤范围，同时避让生态红线和生态敏感区，避让库区涉水工程及设施运行规定要求的安全距离，确定微、小、中、大4个清淤备选方案的清淤范围。
14.对确定的清淤范围进行地质勘察，得到淤积物垂向分布特性，确定清淤区域平面面积a(m2)、清淤深度h(m)、开挖边坡s，测算清淤总量q(m3)：
[0015][0016]
式中，n为清淤区域数量，i为清淤区域编号；
[0017]
清淤区域平面面积a通过上述清淤范围步骤确定；开挖边坡s通过相关规范确定；对于微、小、中、大4个清淤备选方案的清淤深度h为：微：清理至兴利库容对应的水位线；小：清理至兴利库容对应的水位线；中：考虑未来10年增加的淤积厚度，在清理至兴利库容对应的水位线的基础上向下多开挖相同的淤积厚度；大：一致清理到初始库底；
[0018]
地质勘察具体方法为：对上述步骤确定的清淤范围行地质勘察，每个区域每隔1km布置一条勘探剖面，每个剖面布置2个钻孔，每个钻孔至少每3m取一组原状样，对淤积物物理性质进行检测，包括淤积物粒径、密度、含水率、比重，得到各区域适宜开采的淤积物垂向分布，从而确定清淤区域平面面积a(m2)、清淤深度h(m)、、开挖边坡s，测算清淤总量q(m3)，初步制定水库清淤备选方案。
[0019]
最终确定与清淤范围一一对应的微、小、中、大四个水库清淤备选方案；
[0020]
所述水库清淤备选方案相关变量表示为x＝[q,n,a,h,s]；
[0021]
优选的，建立费效比函数的具体方法包括以下步骤：
[0022]
一、制定淤沙全级配资源化利用方案
[0023]
根据地质勘察的结果，按照粒径大小将清淤物粒径划分为不同级别：[d0,d1]，[d1,
d2]
…
[d
m-1
,dm]，不同粒径区间物质总量分别表示为q1、q2、
…
qm，对清淤物中不同粒径泥沙提出资源化利用方案：清淤物中粒径小于0.15mm的用于土壤修复、粒径为0.15mm～5mm用于建筑材料，粒径大于5mm用于道路路基、堤防工程填筑；
[0024]
二、测算工程产生的经济效益，包括资源收益、供水效益、发电效益，建立效益目标函数
[0025]
清淤物质资源化产生的收益表示为：
[0026]
b1＝∑qjpj[0027]
其中：qj表示各粒径物质总量(m3)；
[0028]
pj表示各粒径物质的单方纯收益(元/m3)；
[0029]
供水效益指水库库容恢复后可增加的供水量产生的经济效益，供水方式包括农业用水、工业用水、生活用水，供水效益b2用下式计算：
[0030]
b2＝∑w
lrl
[0031]
其中：w
l
表示各种用途水量(m3)；
[0032]rl
表示各用途水价(元/m3)；
[0033]
发电效益指恢复库容部分水量发电所产生收益，其计算公式如下：
[0034]
b3＝ewq
[0035]
其中：w表示每方水的发电量(kwh/m3)；
[0036]
e表示上网电价(元/kwh)；
[0037]
总的效益b：
[0038]
b＝b1+b2+b3[0039]
三、进行清淤工程的成本测算，建立成本目标函数。
[0040]
成本c与清淤方案各变量均有关系，成本包括前期工作费用和施工阶段费用，则成本函数表示为：
[0041]
c＝g1(x)+g2(x)
[0042]
g1(x)为前期工作费用，参照《建设项目前期工作咨询收费暂行规定》(国家计委，1999[1283]号文)计算；g2(x)为施工阶段费用，参照《水利工程施工机械台时费定额》、《水利建筑工程预算定额》(水总2002[116]号文)计算；
[0043]
四、求解费效比
[0044]
费效比函数为：
[0045]
优选的，建立影响程度目标函数的具体方法为：
[0046]
反映影响程度的量化指标指的是清淤工程实施后导致的河道水流及河床的变化值，包括工程前后的流速变化(δv)、流向变化(δa)以及底泥扰动带来的污染物影响范围(δl)；
[0047]
基于efdc软件，建立二维水流水质数学模型或物理模型，模拟不同水库清淤备选方案的清淤工程实施引起的河道水流条件及水质的变化情况，统计各水库清淤备选方案实施后的流速变化(δv)、流向变化(δa)、底泥扰动带来的污染物影响范围(δl)；其中，δv不大于0.4m/s，δa不超过5度(依据《疏浚与吹填工程技术规范》和《内河通航标准》)，δl不超过50m(依据《环境影响评价技术导则》)；由于各变化量量纲及数量级均不同，因此首先将
各变化量进行归一化，再将归一化后数值直接相加得到各方案工程影响的总体量化指标：
[0048]
f＝δv’+δa’+δl’[0049]
即建立了影响程度目标函数，对各方案的f值进行比较，f值越小表示影响越小；
[0050]
优选的，求解库容可持续发展指数的方法为：
[0051]
基于hec软件，建立库区一维水沙数学模型，模拟计算不同水库清淤备选方案清淤工程实施后库区泥沙输移变化和河床地形变化，统计工程实施后水库排沙比(η)和回淤至原始地形所需时间(t)，分别代表清淤工程对水库排沙输沙效果和清淤方案可持续性的量化指标，将各变化量进行归一化，得到库容可持续发展指数：
[0052]
w＝η’+t’[0053]
优选的，构建多目标约束的优化体系模型时，多目标约束条件包括最小不利影响、最佳的库容可持续效果、最小费效比，模型表示如下：
[0054][0055]
工程应用中，为简化计算，将多目标合成单一目标，由于各函数量纲不统一，因此首先对其进行归一化，建立加权和评价函数，多目标约束的优化体系模型转化为：
[0056][0057]
水库清淤工程的首要目标是恢复水库功能，清淤工程应具有可持续性，但前提是工程实施不能对水库河势、行洪、生态环境等产生不利影响，最后，工程应具有一定的经济效益，因此，按照上述最小不利影响、最佳的库容可持续效果、最小费效比对各目标变量进行线性赋值，得到ω1＝0.17、ω2＝0.50、ω3＝0.33；
[0058]
将各水库清淤备选方案自变量带入约束函数各方程，求解u(x)值，使其值最小的方案即为多目标约束框架下的最优方案，即不利影响最小、库容可持续最有利、费效比最小的清淤方案。
[0059]
与现有技术相比，本发明提供了一种基于多目标约束的水库生态清淤方案决策方法，量化工程产生的效益、影响以及库容可持续性，构建水库清淤工程的多目标优化体系模型，建立了线性评价目标函数，明确了最优解确定原则。本方法可快速确定最小不利影响、最佳库容可持续效果、最小费效比的清淤方案，指导水库清淤工程的决策、设计和实施。
附图说明
[0060]
图1为本发明中最优清淤方案设计流程示意图；
[0061]
图2为本发明实施例铜街子水库生态清淤设计方案的总体思路；
[0062]
图3为本发明实施例铜街子水库库区清淤区域分布图；
[0063]
图4为本发明实施例铜街子水库清淤区域二维建模图；
[0064]
图5为本发明实施例最优生态清淤方案断面设计图。
具体实施方式
[0065]
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
[0066]
1)对水库淤积现状和趋势进行分析，统计库区生态敏感区，确定清淤范围。
[0067]
铜街子水电站位于中国四川省、大渡河下游，距乐山市80km，为实体重力式溢流坝，最大坝高82m，总库容2.0亿m3。工程于1985年开工，1992年12月第一台机组发电，1994年12月竣工。根据实测水下地形分析，铜街子水库蓄水运用20多年以来，泥沙淤积发展速度很快，2019年已基本趋于冲淤平衡，预计量达4000多万m3，其中正常蓄水位以下的库容损失超过50％，兴利库容损失约7％左右。淤积最明显位置位于坝前8.5km范围内，深泓高程淤积厚度最大约为40m，最为严重的淤积部位主要为坝前1.5km至坝前4.5km范围，以及坝前6km至坝前8.5km范围。
[0068]
根据库区一维全沙河床冲淤数学模型模拟结果，铜街子水电站库区在未来10年内呈小幅淤积态势，淤积增加量不大，以兴利库容淤积为主。淤积主要分布在坝前13km范围，其中坝前4.5km淤积泥沙量为约400万m3。
[0069]
根据调查，铜街子水库环境敏感区有铜茨乡集中式地下水饮用水水源保护区，四川沙湾大渡河国家湿地公园。
[0070]
因此，确定适宜清淤范围为坝前1.5km至坝前4.5km范围，以及坝前6km至坝前8.5km，见图3。
[0071]
2)开展地质勘探，分析淤积物垂向分布特性，初步确定生态清淤方案。
[0072]
在推荐清淤范围内每个1km设置一个地勘断面(位置见图3)，每个断面布置2-3个钻孔，进行工程地质勘探。据钻孔揭露，勘探深度范围内(9.6～33.8m)地层结构自上至下为：上部为中细砂，厚4.9～29.0m，平均厚度20m，总体呈自上游至坝前逐渐变厚趋势，结构松散～稍密状，下部为砂卵石，结构中密～密实状，大部分钻孔未揭穿，最大揭露厚度4.8m。
[0073]
因此，针对不同库容恢复程度，制度4个生态清淤方案，其中方案一为库区淤积物全部清理、方案二为清理考虑未来10年持续淤积后的兴利库容内淤积物；方案三为清理现状兴利库容内的淤积物，方案四则为清理坝前1.5km取水口附近的淤积物，各方案特征变量如下表所示：
[0074]
表1各清淤方案特征值
[0075][0076]
[0077]
3)测算清淤工程产生的经济效益。
[0078]
首先制定淤沙全级配资源化利用方案，根据淤积物物理化学特性分析，泥沙平均密度为2.74g/cm3，其中粒径组成＞0.15mm的较粗部分含量占比为93％，这部分泥沙可以较好地用于建设用砂。粒径组成≤0.15mm的较细部分含量占比为7％，重金属和有机污染物检测项目指标均未超过农用地土壤污染风险筛选值。
[0079]
通过对市场需求调研发现，目前正在建设的沙湾区葫芦防洪工程、城镇建筑建设砂石资源的需求大，因此，粗砂可以直接用于工程建设。而≤0.15mm的细颗粒泥沙可用于水库下游安谷水电站工程移民安置的农用地复垦和区域造地回填土。
[0080]
根据b＝∑qjpj+∑w
lrl
+ewq，确定各参数取值，见下表。
[0081]
表2本案例效益目标函数中参数取值
[0082][0083]
4)测算工程所需的成本费用。
[0084]
本案例位于四川省，因此参考《四川省水利水电工程设计概(估)算编制规定》、《四川省水利水电建筑工程预算定额》《水利工程施工机械台时费定额》《水利水电设备安装工程预算定额》《工程勘察设计收费标准》等相关规定，计算各方案成本及费效比，见下表。
[0085]
表3各方案费用及效益统计表
[0086]
项目方案一方案一方案三方案四成本费用(万元)26379485978261476171经济效益(万元)29419591865270625344费效比0.900.940.971.15
[0087]
5)进行清淤方案的影响分析，包括对河势稳定、防洪安全等的影响和对生态环境的影响。
[0088]
基于efdc软件，采用平面二维水流泥沙数学模型进行铜街子水库库区河段水流数模计算(图4)，统计分析流速变化(δv)、主流线变化(δa)、污染物影响范围(δl)分析，将各量的最大值归一化后相加得到影响指数。各变化量统计值见下表。
[0089]
表4各方案工程产生影响统计表
[0090]
变化值方案一方案一方案三方案四流速最大变幅(m3/s)-2.2～+0.7-0.8～+0.25-0.3～+0.11-0.53～0.15
主流角度变化(
°
)6321污染物影响范围(m)13843影响指数1.00.450.080.03
[0091]
6)基于hec软件，建立库区一维水沙数学模型，模拟计算清淤工程实施后库区泥沙输移变化和河床地形变化，统计工程实施后水库排沙比(η)和回淤至平衡所需时间(t)，计算库容可持续指数。
[0092]
表5各方案库容可持续指数计算
[0093]
项目方案一方案一方案三方案四工程后排沙比(％)86.7485.4684.8582回淤至平衡年限(年)10510.5库容可持续指数3.452.221.241.09
[0094]
7)求解评价目标函数值，确定最优方案。
[0095]
分别对费效比、综合影响指数、库容可持续指数进行归一化后，带入目标函数u(x)，计算函数值。
[0096]
min u(x)＝0.17r’+0.50f
’‑
0.33w’[0097]
本案例中，四个方案评价目标函数值分别为0.17、0.09、0.05、0.17。因此方案三为最优生态清淤方案。
[0098]
本方案经四川省水利厅批复后已成功实施，有效恢复了水库调节库容，改善了水生态环境。