适用于产漂流性卵鱼类的梯级电站生态调度系统的制作方法

本发明涉及水电工程生态调度技术领域，特别涉及适用于产漂流性卵鱼类的梯级电站生态调度系统及方法。

背景技术：

近年来，我国水电工程发展迅速，在金沙江、雅砻江、大渡河、乌江、南盘江、澜沧江等水电基地已形成初具规模的世界级水电工程群，水电工程在防洪、发电、灌溉、航运等方面发挥巨大效益的同时也对河流生物资源尤其是鱼类及其生存环境带来不利影响。水电工程蓄水运行将改变天然河流的水文情势，使坝址下游河段的径流过程及水动力条件发生变化。由于产漂流性卵的鱼类在产卵繁殖期对栖息环境较为敏感，尤其对水文、水动力条件有着独特需求和喜好，所以坝址下游河段水文及水动力条件的变化将对产漂流性卵鱼类的产卵繁殖产生不利影响。如何减轻水电工程对下游河段水生生态的影响是一个复杂的系统问题，短期内很难提出一个系统的解决方案，在此背景下，随着国内环境保护的呼声越来越高，通过调整电站运行方式，结合相关生态需求，实施生态调度逐渐成为弥补或减缓水电工程不利影响的重要措施。许多学者也将研究方向转入到水电工程生态调度研究当中，取得了不少有益成果，其中包括涉及坝下河段鱼类繁殖的生态调度研究。陈端等以锦屏梯级电站为案例，研究提出了满足目标鱼类生态需水条件下发电量最大的梯级电站调度策略，以及生态流量满足程度与工程效益损失之间权衡选择的基本原则。专利申请号cn201210007401.0公开了一种兼顾中华鲟繁殖需求的电站生态调度方法，考虑中华鲟自然繁殖的水文水动力需求及水库的社会经济效益，使水库发挥巨大社会经济效益的同时，有效的保护中华鲟资源；专利申请号cn201210113940.2公开了一种适合家鱼繁殖需求的河道型水库生态调度方法，为家鱼产卵创造合适的水流条件，可有效地减轻水利水电工程运行对家鱼产卵造成的影响。已有研究主要集中在生态调度模型及调度原则的研究，已公开的专利则主要针对个别鱼类的产卵行为对水动力条件的需求，提出相应的下泄流量过程方案，未系统考虑某一类型鱼类整个在整个繁殖期的需求，以及在鱼类繁殖期实施生态调度条件和要求，如起调时间、起调流量、产卵场及鱼卵漂流河段的水位条件和流量条件、与工程其他需求的协调等。并且，已有研究主要针对单一梯级，对大型梯级电站的联合调度考虑不足。此外，在具体实施生态度时，在工程措施与非工程措施配合使用方面的研究也较少。

因此，如何对梯级电站实施生态调度，改善工程下游河段在产漂流性卵鱼类繁殖期的水文及水动力条件，促进产漂流性卵鱼类的产卵繁殖，是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种适用于产漂流性卵鱼类的梯级电站生态调度系统及方法，用以为产漂流性卵鱼类繁殖提供适宜的水文过程条件，减轻梯级水库运行对产漂流性卵鱼类繁殖过程的影响。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：适用于产漂流性卵鱼类的梯级电站生态调度系统，包括环境监测系统、网络通讯系统和分析决策系统；

所述环境监测系统用于自动、连续获取流域内的流量和水位信息，环境监测系统包括电站下泄流量监测站、产卵场及鱼卵漂流河段水位监测站和数据接收站；其中，下泄流量监测站置于水库下游，用于实时监测水库下泄流量情况；产卵场及鱼卵漂流河段水位监测站置于流域内产漂流性卵鱼类的产卵场及鱼卵漂流河段，用于实时监测产卵场及鱼卵漂流河段的流量和水位情况；数据接收站用于接收电站下泄流量监测站和产卵场水位监测站传回的流量数据、水位数据，并将数据通过网络通讯系统上传至分析决策系统，同时也负责接收分析决策系统下达的监测命令，并指挥梯级电站下泄流量监测站和产卵场及鱼卵漂流河段水位监测站进行监测；

所述网络通讯系统负责数据的传输，及为系统运行提供物理保障；网络通讯系统包括通讯系统和网络系统；其中，通讯系统负责将环境监测系统采集到的流量、水位和位置数据发送给数据接收站，再将数据接收站的数据传输至分析决策系统，同时负责将分析决策系统的监测命令发送到数据接收站，再由数据接收站把监测命令发送给各流量和水位监测站；网络系统负责数据的交流共享及多用户的异地会商；

所述分析决策系统用于提供满足产漂流性卵鱼类繁殖需求的梯级电站生态调度方案，分析决策系统包括数据储存平台、数据分析平台和决策执行平台；所述数据储存平台用于搜集、存储及管理各类数据，并将所有信息储存在数据库中，为生态调度决策提供数据支撑；数据分析平台用于在产漂流性卵鱼类繁殖期预测产卵场及鱼卵漂流河段的水位变化情况和确定流量调节能产生最大综合效益的电站，并以该电站为基础提供梯级电站协同调度流量的方案，为产漂流性卵鱼类的产卵繁殖提供适宜的流量和水位变动条件；决策执行平台负责为用户提供与基于地理信息系统的操作界面，实现人机交互功能。

进一步的，所述数据储存平台可包括环境数据库、业务数据库和鱼类数据库；其中，环境数据库用于存储梯级电站所在流域相关的环境信息；业务数据库用于存储生态调度决策与执行中产生的业务数据；鱼类数据库用于存储与产漂流性卵鱼类相关的信息；

进一步的，所述梯级电站所在流域相关的环境信息可包括该流域的水文、气象、行政区划，以及流域内相关梯级电站运行信息。

进一步的，生态调度决策与执行中产生的业务数据可包括调度规则、调度参数和调度方案。

进一步的，所述与产漂流性卵鱼类相关的信息可包括产漂流性卵鱼类的生存现状、生长繁殖特性、生活习性、产卵场分布及鱼卵漂流河段范围。

进一步的，所述数据分析平台可包括调节电站确定模型、流量和水位预测模型和电站流量调节模型；所述调节电站确定模型用于对符合要求的电站进行综合效益评估，并在计算后将综合效益最大的电站定为调节电站；所述流量和水位预测模型，通过输入数据储存平台长期、连续的流量、水位、气象及水文监测数据，预测特定时间下产卵场的水位，用于在生态调度期，根据水库水位实时信息、水文预报及气象预报，预测下一日产卵场的流量和水位情况；所述电站流量调节模型，用于计算为使产卵场及鱼卵漂流河段的水位满足产漂浮性卵鱼类的产卵繁殖需求，梯级电站所需进行的下泄流量调控方式。

进一步的，所述调节电站确定模型可采用如下公式对符合要求的电站进行综合效益评估：

v＝α1f1+α2f2

式中：v为电站的综合效益，f1表示目标电站进行流量调控时的生态效益，f2表示目标电站进行流量调控时的经济效益，α1为生态效益的权重值，α2为经济效益的权重值，且α1+α2＝1，在生态调度期时α1、α2根据调度目标进行确定；

f1表示电站的生态效益，具体表现为电站进行流量调控时对产卵场水位的改善程度：

式中：δh为电站进行流量调控时产卵场水位的变化量，为正值，h0表示不进行流量调控时产卵场的水位；

f2表示电站的经济效益，具体表现为电站进行流量调控时对发电量的影响程度：

式中：δe表示水库进行流量调控时发电量的变化量，为负值，e0表示不进行流量调控时水库的发电量。

进一步的，所述决策执行平台可包括用户交互界面和地理信息系统，所述地理信息系统用于为用户交互界面提供可视化、查询、分析、相关的地图操作和数据图表的浏览功能，使具有空间属性的数据在地图上直接显示与查询。

进一步的，所述具有空间属性的数据可包括电站位置、产卵场位置和鱼卵漂流范围。

适用于产漂流性卵鱼类的梯级电站生态调度方法，包括如下步骤：

步骤一、环境监测和信息获取：

在产漂流性卵鱼类繁殖期起始时，首先由分析决策系统经过数据接收站向下泄流量监测站和水位监测站发送监测命令，监测站接收到监测命令后自动、连续地监测流域内的流量和水位数据，再将获取的流量、水位和位置数据经过数据接收站传至分析决策系统；同时，数据接收站从该流域相关的水文站获取共享的水文信息及水文预报信息、从该流域相关的气象站或气象部门获取共享的实时气象及气象预报，并传输给分析决策系统，分析决策系统内的数据储存平台对接收到的数据进行储存；

步骤二、信息分析和水位预测：

数据储存平台获取该流域相关的水文、气象、电站和位置信息后，将这些信息传输至数据分析平台，由数据分析平台根据鱼类产卵场及鱼卵漂流河段的水位监测站反馈的信息，判定当前下泄流量是否满足鱼卵漂流所需的水动力条件，同时通过水位预测模型根据这些信息计算出产漂流性卵鱼类产卵场在计算日后一日的预测水位；若电站当前的下泄流量满足鱼卵漂流所需的水动力条件，且预测水位与当日水位的相对涨幅大于某一特定值，则进行梯级水库的常规调度；若预测水位与当日水位的相对涨幅小于某一特定值，且连续小于某一特定值持续预定时长，则进行步骤三；

步骤三、流量调控分析：

根据水位预测模型计算出鱼类产卵场水位的变化情况，若水位相对涨幅小于某一特定值，且连续小于某一特定值持续预定时长，则判定需要实施生态调度；实施生态调度时，首先根据鱼卵漂流所需的水动力条件及鱼类产卵场和鱼卵漂流河段的水位监测站反馈的信息综合确定最小的起调流量，再根据调节电站确定模型计算出进行流量调控时综合效益最大的电站作为调节电站，再以调节电站的流量调节为基础、产卵场水位相对涨幅大于某一特定值为目标，用电站流量调节模型计算出为达到目标梯级电站需要进行的联合调度方案；

步骤四、电站生态调度：

该流域的梯级电站根据电站流量调节模型计算出的联合调度方案，按照既定的调度方案实施生态调度，以使产漂流性卵鱼类产卵场的水位在调度后一日和调度日的相对涨幅大于某一特定值，鱼卵漂流河段的水动力条件满足鱼卵漂流要求，最终总体满足产漂流性卵鱼类的产卵繁殖需求。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明以梯级电站为调度对象，针对产漂流性卵鱼类的产卵繁殖需求，采取上游梯级配合下游梯级调节流量的调度措施，通过上下游梯级电站的协同调度，为产漂流性卵鱼类的产卵繁殖创造较好的流量、水位条件，可操作性强，相对于只考虑鱼类产卵所需的流量条件、不考虑水位变化趋势及鱼卵漂流需求的生态调度方法，本发明对可更有针对性地促进产漂流性卵鱼类的产卵繁殖。

(2)本发明中的环境监测系统充分考虑了流域及监测对象的特点，采用的流量检测装置和水位检测装置实现了长期、定点、连续监测流域内流量和水位变化，网络通讯系统保证了监测数据的高效传输，监测数据的共享为生态调度方案的制定提供了有力的数据支撑，进而保证了生态调度的可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构图。

图2为本发明的调度方法流程图；

图3为本发明实施例的流域情况图。

具体实施方式

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于产漂流性卵鱼类的梯级电站生态调度系统及方法，基于产漂流性卵鱼类产卵场及鱼卵漂流河段的水位、流量等指标的变化，采用上游梯级配合下游梯级调节鱼类产卵场及鱼卵漂流河段的水位、流量等水文水动力条件，通过工程措施与非工程措施的配合使用，为产漂流性卵鱼类繁殖提供适宜的水文过程条件，减轻梯级水库运行对产漂流性卵鱼类繁殖过程的影响。

如图1所示，本发明的系统包括环境监测系统、网络通讯系统和分析决策系统；

所述环境监测系统用于自动、连续获取流域内的流量和水位信息，环境监测系统包括电站下泄流量监测站、产卵场及鱼卵漂流河段水位监测站和数据接收站；其中，下泄流量监测站置于水库下游，用于实时监测水库下泄流量情况；产卵场及鱼卵漂流河段水位监测站置于流域内产漂流性卵鱼类的产卵场及鱼卵漂流河段，用于实时监测产卵场及鱼卵漂流河段的流量和水位情况；数据接收站用于接收电站下泄流量监测站和产卵场水位监测站传回的流量数据、水位数据，并将数据通过网络通讯系统上传至分析决策系统，同时也负责接收分析决策系统下达的监测命令，并指挥梯级电站下泄流量监测站和产卵场及鱼卵漂流河段水位监测站进行监测；

所述网络通讯系统负责数据的传输，及为系统运行提供物理保障；网络通讯系统包括通讯系统和网络系统；其中，通讯系统负责将环境监测系统采集到的流量、水位和位置数据发送给数据接收站，再将数据接收站的数据传输至分析决策系统，同时负责将分析决策系统的监测命令发送到数据接收站，再由数据接收站把监测命令发送给各流量和水位监测站；网络系统负责数据的交流共享及多用户的异地会商；

所述分析决策系统用于提供满足产漂流性卵鱼类繁殖需求的梯级电站生态调度方案，分析决策系统包括数据储存平台、数据分析平台和决策执行平台；所述数据储存平台用于搜集、存储及管理各类数据，并将所有信息储存在数据库中，为生态调度决策提供数据支撑；数据分析平台用于在产漂流性卵鱼类繁殖期预测产卵场及鱼卵漂流河段的水位变化情况和确定流量调节能产生最大综合效益的电站，并以该电站为基础提供梯级电站协同调度流量的方案，为产漂流性卵鱼类的产卵繁殖提供适宜的流量和水位变动条件；决策执行平台负责为用户提供与基于地理信息系统的操作界面，实现人机交互功能。

进一步的，所述数据储存平台可包括环境数据库、业务数据库和鱼类数据库；其中，环境数据库用于存储该流域的水文、气象、行政区划，以及流域内相关梯级电站运行信息等梯级电站所在流域相关的环境信息；业务数据库用于存储生态调度决策与执行中产生的调度规则、调度参数和调度方案等业务数据；鱼类数据库用于存储产漂流性卵鱼类的生存现状、生长繁殖特性、生活习性、产卵场分布及鱼卵漂流河段范围等与产漂流性卵鱼类相关的信息；

进一步的，所述数据分析平台可包括调节电站确定模型、流量和水位预测模型和电站流量调节模型；所述调节电站确定模型用于对符合要求的电站进行综合效益评估，并在计算后将综合效益最大的电站定为调节电站；所述流量和水位预测模型，通过输入数据储存平台长期、连续的流量、水位、气象及水文监测数据，预测特定时间下产卵场的水位，用于在生态调度期，根据水库水位实时信息、水文预报及气象预报，预测下一日产卵场的流量和水位情况；所述电站流量调节模型，用于计算为使产卵场及鱼卵漂流河段的水位满足产漂浮性卵鱼类的产卵繁殖需求，梯级电站所需进行的下泄流量调控方式。

本发明中，所述调节电站确定模型可采用如下公式对符合要求的电站进行综合效益评估：

v＝α1f1+α2f2

式中：v为电站的综合效益，f1表示目标电站进行流量调控时的生态效益，f2表示目标电站进行流量调控时的经济效益，α1为生态效益的权重值，α2为经济效益的权重值，且α1+α2＝1，在生态调度期时α1、α2根据调度目标进行确定；

f1表示电站的生态效益，具体表现为电站进行流量调控时对产卵场水位的改善程度：

式中：δh为电站进行流量调控时产卵场水位的变化量，为正值，h0表示不进行流量调控时产卵场的水位；

f2表示电站的经济效益，具体表现为电站进行流量调控时对发电量的影响程度：

式中：δe表示水库进行流量调控时发电量的变化量，为负值，e0表示不进行流量调控时水库的发电量。

进一步的，所述决策执行平台可包括用户交互界面和地理信息系统，所述地理信息系统用于为用户交互界面提供可视化、查询、分析、相关的地图操作和数据图表的浏览功能，使电站位置、产卵场位置和鱼卵漂流范围等具有空间属性的数据在地图上直接显示与查询。

基于上述系统，如图2所示，本发明的方法包括如下步骤：

步骤一、环境监测和信息获取：

在产漂流性卵鱼类繁殖期起始时，首先由分析决策系统经过数据接收站向下泄流量监测站和水位监测站发送监测命令，监测站接收到监测命令后自动、连续地监测流域内的流量和水位数据，再将获取的流量、水位和位置数据经过数据接收站传至分析决策系统；同时，数据接收站从该流域相关的水文站获取共享的水文信息及水文预报信息、从该流域相关的气象站或气象部门获取共享的实时气象及气象预报，并传输给分析决策系统，分析决策系统内的数据储存平台对接收到的数据进行储存；

步骤二、信息分析和水位预测：

数据储存平台获取该流域相关的水文、气象、电站和位置信息后，将这些信息传输至数据分析平台，由数据分析平台根据鱼类产卵场及鱼卵漂流河段的水位监测站反馈的信息，判定当前下泄流量是否满足鱼卵漂流所需的水动力条件，同时通过水位预测模型根据这些信息计算出产漂流性卵鱼类产卵场在计算日后一日的预测水位；若电站当前的下泄流量满足鱼卵漂流所需的水动力条件，且预测水位与当日水位的相对涨幅大于某一特定值，则进行梯级水库的常规调度；若预测水位与当日水位的相对涨幅小于某一特定值，且连续小于某一特定值持续预定时长(例如三日)，则进行步骤三；

步骤三、流量调控分析：

根据水位预测模型计算出鱼类产卵场水位的变化情况，若水位相对涨幅小于某一特定值，且连续小于某一特定值持续预定时长(例如三日)，则判定需要实施生态调度；实施生态调度时，首先根据鱼卵漂流所需的水动力条件及鱼类产卵场和鱼卵漂流河段的水位监测站反馈的信息综合确定最小的起调流量，再根据调节电站确定模型计算出进行流量调控时综合效益最大的电站作为调节电站，再以调节电站的流量调节为基础、产卵场水位相对涨幅大于某一特定值为目标，用电站流量调节模型计算出为达到目标梯级电站需要进行的联合调度方案；

步骤四、电站生态调度：

该流域的梯级电站根据电站流量调节模型计算出的联合调度方案，按照既定的调度方案实施生态调度，以使产漂流性卵鱼类产卵场的水位在调度后一日和调度日的相对涨幅大于某一特定值，鱼卵漂流河段的水动力条件满足鱼卵漂流要求，最终总体满足产漂流性卵鱼类的产卵繁殖需求。

实施例

以下将结合具体实施例来详细地说明本发明的技术方案，结合图1至3所示，本发明提供一种产漂流性卵鱼类的生态调度方法。

在本实施例中，选取长江上游某支流河段的四个梯级水库为调度对象，河段全长约为118km，总落差约为35m，为合理开发利用水资源，在该河段从上游到下游分别建设了b1、b2、b3、b4共四座水电站(如图3所示)，形成了梯级电站同时运行格局。梯级电站的修建及运行，对该河段产漂流性卵鱼类的产卵繁殖造成影响，运用本发明提供的一种适用于产漂流性卵鱼类的梯级电站生态调度方法，开展上述四个梯级电站的生态调度。

如图3所示，在上述河段内布设电站下泄流量监测站、产卵场的水位与流量监测站和数据接收站，构成环境监测系统。

在大坝b1、b2、b3、b4下游分别布设电站下泄流量监测站，在各电站左右两岸附近布设数据接收站用以收集和处理下泄流量监测系统提供的数据。在该河段的产漂浮性卵鱼类的产卵场布设水位和流量监测站(在本例中该产卵场位于b2和b3之间)，并在产卵场水位监测站附近布设数据接收站，用于收集产卵场及鱼卵漂流河段水位和流量监测站提供的数据。

分析决策系统布设于河段调度中心，负责储存该流域相关的基础环境信息、调度业务信息、鱼类信息等，并根据这些信息，计算出调节电站、水位预测和调度方法。

在上述系统和站点之间布设网络通讯系统。通讯系统主要由无线传输和有线传输组成，负责将环境监测系统采集到的流量、水位和位置数据发送给数据接收站、再将数据接收站的数据传输至分析决策系统，也负责将分析决策系统的监测命令发送到数据接收站、再由数据接收站把监测命令发送给各流量和水位监测站。网络系统为各电站、河段调度中心以及各管理机构间的专用网络，负责数据的交流共享及多用户的异地会商。所有数据尤其是接入网络系统的数据，在传输过程中均通过加密处理。

如图2所示，为本发明的调度方法流程图，具体调度过程包括：

(一)环境监测和信息获取：在产漂流性卵鱼类繁殖期起始时，首先由分析决策系统经过数据接收站向各流量和水位监测站发送监测命令，监测站接收到监测命令后自动、连续地监测流域内的流量和水位数据，再将获取的流量、水位和位置等数据经过数据接收站传至分析决策系统。同时，数据接收站还需从该流域相关的水文监测站获取共享的水文信息及水文预报信息、从该流域相关的气象部门获取共享的实时气象及气象预报，并传输给分析决策系统。分析决策系统内的数据储存平台对接收到的数据进行储存。

(二)信息分析和水位预测：数据储存平台获取该流域相关的水文、气象、电站、位置等相关信息后，将这些信息传输至数据分析平台，由数据分析平台的水位预测模型根据这些信息计算出产漂流性卵鱼类产卵场在计算日后一日的预测水位。若预测水位与当日水位的相对涨幅大于某一特定值，则进行梯级电站的常规调度。若预测水位与当日水位的相对涨幅小于某一特定值，且连续小于某一特定值持续三日，则进行下一步。

(三)流量调控分析：根据水位预测模型计算出鱼类产卵场水位的变化情况，若水位相对涨幅小于某一特定值，且连续小于某一特定值持续三日，则根据调节电站确定模型计算出进行流量调控时综合效益最大的电站作为调节电站，再以调节电站的流量调节为基础、产卵场水位相对涨幅大于某一特定值为目标，用电站流量调节模型计算出为达到目标，梯级电站需要进行的综合调度方案。

其中，根据水位预测模型、产卵场水位情况和流量情况，采用如下公式用于对符合要求的电站进行综合效益评估，并在计算后将综合效益最大的电站定为调节电站：

v＝α1f1+α2f2

式中：v为电站的综合效益，f1表示目标电站进行流量调控时的生态效益，f2表示目标电站进行流量调控时的经济效益，α1为生态效益的权重值，α2为经济效益的权重值，且α1+α2＝1，在生态调度期时α1、α2根据调度目标进行确定；

f1表示电站的生态效益，具体表现为电站进行流量调控时对产卵场水位的改善程度：

式中：δh为电站进行流量调控时产卵场水位的变化量，为正值，h0表示不进行流量调控时产卵场的水位；

f2表示电站的经济效益，具体表现为电站进行流量调控时对发电量的影响程度：

式中：δe表示电站进行流量调控时发电量的变化量，为负值，e0表示不进行流量调控时电站的发电量。

经计算，将b2电站确定为调控电站；

(四)电站生态调度：该流域的梯级电站根据电站流量调节模型计算出的综合调度方案，进行生态调度，以使产漂流性卵鱼类产卵场的水位在调度后一日和调度日的相对涨幅大于某一特定值，满足产漂流性卵鱼类的繁殖需求。

按上述步骤对梯级电站实施生态调度，极大地改善了梯级电站下游产漂流性卵鱼类产卵场的水文与水动力条件，促进了产漂流性卵鱼类的繁殖，显著提升了梯级电站的生态效益。