多泥沙河流综合利用水库分期汛限水位优化方法及其系统与流程

本发明涉及多泥沙河流水库防洪减灾、抗旱及洪水资源利用，尤其是涉及多泥沙河流综合利用水库分期汛限水位优化方法及其系统。

背景技术：

我国的水资源供需矛盾日趋严峻，洪水资源利用对缓解流域水资源短缺问题具有非常重要的意义。一方面，我国大多数流域河川径流受季风影响，在年内和年际间分配极不均匀，流域暴雨洪水具有明显的季节性规律；另一方面，设置水库分期汛限水位、进行洪水资源利用必然对防洪安全保障等带来一定风险。

文献研究表明，现有综合利用水库分期汛限水位研究主要针对清水河流，如学者刘攀等人根据水库洪峰洪量，考虑防洪风险、发电效益、航运效益等因素，提出了长江三峡水库分期汛限水位优化的方法。然而，我国北方气候干燥、少雨多沙，不仅水资源短缺，而且河流含沙量较大，因此在洪水资源利用时必须考虑河流、水库的泥沙冲淤问题。目前，涉及多泥沙河流水库分期汛限水位优化的研究较少。多泥沙河流综合利用水库分期汛限水位优化除了需要涉及清水河流相关问题外，还涉及泥沙分期特性、水库淤积形态、拦沙库容使用年限等问题。如何统筹防洪、减淤、供水等需求，确定多泥沙河流水库合适的分期汛限水位，使水库能够长期发挥防洪、减淤、供水、灌溉、发电等综合作用，并保持长期有效库容是本领域研究的重点和难点。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种综合利用水库分期汛限水位优化方法，本发明另一目的在于提供一种实现该优化方法的专用优化系统。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述多泥沙河流综合利用水库分期汛限水位优化方法，按照下述步骤进行：

S1、采集多泥沙河流综合利用水库分期汛限水位优化控制模型所需数据，即：采集多泥沙河流综合利用水库分期汛限水位优化涉及范围内逐日降雨数据、洪水要素数据、径流及输沙率数据、水库的特征参数、水库综合利用要求数据；

S2、建立并存储多泥沙河流综合利用水库汛期分期点识别方法，即：以气象因分析法、数理统计法、模糊聚类法、分形分析法、圆形分布法为基础，对所述水库上下游相关区域降雨和水库洪水泥沙入库站、下游防洪控制站的流量、含沙量分期特点进行分析，通过上述多种方法相互验证，识别多泥沙河流综合利用水库上下游洪水泥沙的汛期分期点；

S3、建立并存储分期汛限水位方案，即：根据所述汛期分期点的识别结果，计算分析汛期分期设计洪水，同时结合防洪减淤及综合利用的限制指标，拟定分期汛限水位方案；

S4、建立并存储多泥沙河流分期汛限水位多目标优化模型，即：基于系统分析理论，以防洪风险最小、减淤影响最小、综合利用效益最优为目标函数，以防洪控制条件、防洪特征水位为约束，计算防洪风险、减淤影响、综合利用效益指标，构建分期汛限水位多目标优化模型；

S5、求解多泥沙河流所述的分期汛限水位多目标优化模型，即：根据计算的防洪风险、减淤影响、综合利用效益指标，通过基于模糊优选处理及误差反馈人工神经网络的多目标评价方法综合评价，支撑汛限水位优化决策；

S6、生成并输出多泥沙河流分期汛限水位优化方案，即：以分期汛限水位优化方案及其洪水资源增蓄量来展示多泥沙河流分期汛限水位最优控制策略。

本发明基于所述多泥沙河流综合利用水库分期汛限水位优化方法的专用优化系统，包括：

数据采集模块，用于采集多泥沙河流综合利用水库分期汛限水位优化涉及范围内逐日降雨数据、洪水要素数据、径流及输沙率数据、水库的特征参数、水库综合利用要求数据；

分期点识别模块，接收所述数据采集模块发送的数据，以气象因分析法、数理统计法、模糊聚类法、分形分析法、圆形分布法为基础，对所述水库分期汛限水位优化涉及范围内日雨量、入库瞬时流量、日平均流量、日平均含沙量进行分析，识别多泥沙河流综合利用水库分期点；

分期汛限水位方案拟定模块，接收所述分期点识别模块数据，计算分析汛期分期设计洪水，同时结合防洪减淤及综合利用的限制指标，拟定分期汛限水位方案；

多泥沙河流分期汛限水位多目标优化模型构建模块，接收所述分期汛限水位方案拟定模块发送的数据，用于建立多泥沙河流分期汛限水位多目标优化模型；

多泥沙河流分期汛限水位多目标优化模型求解模块，用于对所述多泥沙河流分期汛限水位多目标优化模型进行求解；

多泥沙河流分期汛限水位控制策略输出模块，用于输出分期汛限水位优化方案及其洪水资源增蓄量。

本发明优点是基于多泥沙河流汛期分期特性，通过对降雨、洪水、泥沙分期点识别，建立多泥沙河流分期汛限水位多目标优化模型，根据计算的防洪风险、减淤影响、综合利用效益指标，通过基于模糊优选处理及误差反馈人工神经网络的多目标评价方法综合评价，从而求解多泥沙河流分期汛限水位多目标优化模型，确定多泥沙河流分期汛限水位最优控制策略，为实现多泥沙河流综合利用水库分期汛限水位优化提供了一种有效途径。

附图说明

图1是本发明实施例的优化方法流程图。

图2是本发明实施例用于分期点识别的水文站日最大流量图。

图3是本发明实施例用于分期点识别的水文站日最大含沙量图。

图4是本发明实施例用于模型优化求解计算的流程图。

图5是本发明实施例用于多目标评价模型训练图。

具体实施方式

为便于对本发明的进一步理解，现以黄河干流小浪底水库为例作进一步详细说明：

如图2-5所示，本发明所述多泥沙河流综合利用水库分期汛限水位优化方法，按照下述步骤进行：

S1、采集多泥沙河流黄河上的控制性综合利用水库小浪底水库分期汛限水位优化控制模型所需数据，即：采集小浪底水库分期汛限水位优化涉及范围内潼关、花园口、三花间等站或区间的逐日降雨数据、洪水要素数据、径流及输沙率数据、水库的特征参数、水库综合利用要求数据；

S2、建立并存储小浪底水库分期点识别方法，所述多泥沙河流综合利用水库分期汛限水位分析方法为：以气象因分析法、数理统计法、模糊聚类法、分形分析法、圆形分布法多方法分析技术为基础，对小浪底水库上下游相关流域范围内日雨量、入库瞬时流量、日平均流量、日平均含沙量进行分析，识别小浪底水库汛期分期点；通过对小浪底水库及其相关区域代表站和控制区间进行多方法分期点识别，选定8月20日、9月10日、10月10日为相关水库代表站和控制区间分期点；

S3、建立并存储小浪底水库分期汛限水位方案；即根据分期点识别结果，分析相关站和区间的汛期分期设计洪水，同时根据小浪底水库防洪减淤及综合利用的限制指标，拟定多组分期汛限水位方案；

S4、建立并存储多泥沙河流分期汛限水位多目标优化模型，接收分期汛限水位方案模块发送的数据，基于系统分析理论，以防洪风险最小、减淤影响最小、综合利用效益最优为目标函数，以防洪控制条件、防洪特征水位等为约束，计算防洪风险、减淤影响、综合利用效益指标，构建汛限水位多目标优化模型。

S5、求解多泥沙河流所述的分期汛限水位多目标优化模型，即：根据计算的防洪风险、减淤影响、综合利用效益指标，通过基于模糊优选处理及误差反馈人工神经网络的多目标评价方法综合评价，支撑汛限水位优化决策；

多泥沙河流分期汛限水位多目标优化模型目标函数为：

式中，S代表汛限水位优化方案，代表第个综合利用目标值，代表综合利用目标个数。

汛限水位多目标优化模型的主要约束条件为：

（1）水量平衡约束

式中，分别代表第个计算时段初和时段末库容；分别代表第个计算时段的平均入库流量和平均出库流量；为计算步长；

（2）水位约束

式中，分别代表防洪控制计算最高水位及汛末水库蓄水位；分别代表防洪允许的最高水位及汛末蓄水的最高水位；

（3）流量约束

式中，代表最大下泄流量，代表防洪控泄要求；代表 水位下的下泄流量，代表相应水位下的最大泄流能力；代表调水调沙时的流量，代表调水调沙时的流量要求范围；代表最小下泄流量，代表最小生态流量控泄要求；此外，在模型求解计算过程中还涉及到水力计算约束、出力计算约束等；

S6、多泥沙河流分期汛限水位控制策略输出方案，即：以分期汛限水位最优方案及其洪水资源增蓄量来展示多泥沙河流分期汛限水位最优控制策略。

通过求解小浪底水库分期汛限水位多目标优化模型，提出分期汛限水位最优方案，该方案洪水资源增蓄量为1.59亿m³。

本实施例分析如下：

（1）分期点识别及分期设计洪水计算

选取黄河中游河口镇~花园口区间168~673个雨量站作为代表站进行降雨分期点识别，选取潼关站、花园口站、三花间洪水系列作为代表进行洪水分期点识别，选取潼关站作为代表站进行泥沙分期点识别，同时考虑气象成因，综合分析选定8月20日、10月10日为三花间汛期分期点；选定9月10日、10月10日为潼关、花园口站汛期的分期点。

分析各站及区间的分期设计洪水，选取典型洪水，按照不同的洪水地区组成，设计洪水过程。

（2）分期汛限水位方案拟定

在分期点识别和分期设计洪水成果基础上，结合防洪减淤及综合利用的限制指标，拟定小浪底水库分期汛限水位方案，见表1。

表1 小浪底水库分期汛限水位方案表

。

（3）分期汛限水位多目标优化模型构建与求解

基于系统分析理论，以防洪风险最小、减淤影响最小及发电、供水、灌溉等多种兴利效益最大为目标函数，以水库特征水位、防洪减淤及生态流量控泄要求等为约束，计算防洪风险、减淤影响、综合利用效益指标，构建分期汛限水位多目标优化模型。

根据不同的分期汛限水位方案，通过黄河中下游混联水库群联合防洪调度计算、小浪底水库及下游河道水力学冲淤计算等计算防洪风险、减淤影响、综合利用效益指标，见表2。

表2 待优化汛限水位方案不同指标特征值表

。

根据计算的防洪风险、减淤影响、综合利用效益指标，通过基于模糊优选处理及误差反馈人工神经网络的多目标评价方法综合评价。针对拟定的4个方案，通过模糊优选处理及误差反馈人工神经网络训练来获取各方案对最优方案的相对隶属度值之间的复杂非线性关系，计算出不同方案最优的相对隶属度，并进行优劣排序，综合评价各分期汛限水位方案的风险效益，见表3。

表3 待优化汛限水位方案多目标评价成果表

。

（4）效果分析

根据小浪底水库分期汛限水位多目标优化模型评价结果，推荐采用方案四，即三门峡、花园口采用9月10日和10月10日的分期点，而三花间采用8月20日和10月10日的分期点。据此，将小浪底水库汛期7月1日～10月31日划分为7月1日～8月20日、8月21日～9月10日、9月11日～10月10日、10月11日～10月31日等4个分期进行运用，其相应的汛限水位分别为254m、260m、266m和271m。经对含有丰、平、枯三种来水的典型年进行调算，该方案可在汛末较现有方案至少年均增加蓄水量1.59亿m³。

如图1所示,本发明基于所述综合利用水库分期汛限水位优化方法的专用优化系统，包括：

数据采集模块，用于采集综合利用水库分期汛限水位优化涉及范围内逐日降雨数据、洪水要素数据、径流及输沙率数据、水库的特征参数、水库综合利用要求数据；

分期点识别模块，接收所述数据采集模块发送的数据，以气象因分析法、数理统计法、模糊聚类法、分形分析法、圆形分布法为基础，对所述水库分期汛限水位优化涉及范围内日雨量、入库瞬时流量、日平均流量、日平均含沙量进行分析，识别多泥沙河流综合利用水库分期点；

分期汛限水位方案拟定模块，接收所述分期点识别模块数据，计算分析汛期分期设计洪水，同时结合防洪减淤及综合利用的限制指标，拟定分期汛限水位方案；

多泥沙河流分期汛限水位多目标优化模型构建模块，接收所述分期汛限水位方案拟定模块发送的数据，用于建立多泥沙河流分期汛限水位多目标优化模型；

多泥沙河流分期汛限水位多目标优化模型求解模块，用于对所述多泥沙河流分期汛限水位多目标优化模型进行求解；

多泥沙河流分期汛限水位控制策略输出模块，用于输出分期汛限水位优化方案及其洪水资源增蓄量。