（水利水电工程专业论文）基于水质智能预测的水库优化调度研究.pdf

中文摘要 大型水利工程的建设，使人类能够对水资源进行更为有效的管理和充分的利 用，但同时不可避免的带来了一系列的环境问题。为弥补或减缓水库建设对生态 环境的影响，探求考虑水质目标的水库优化调度方式具有重要的实践意义。 本文以三峡库区支流香溪河为背景，研究了水库调峰运行方式对河流水质的 影响，建立水质智能预测模型并应用到水库优化调度中。主要包括以下内容： 1 建立二维非恒定流水动力模型。采用有限单元法离散研究区域，预测了 三峡水库坝前水位17 5 m 时的库区流场。并且在计算不同运行方式下库区流体动 力场的基础上，通过水位、流速、流量的变化过程对比分析，得出结论：调峰运 行可以显著增强库区和支流的水位波动，促进水体交换。 2 建立香溪河一维水质模型。在总结三峡调峰运行下香溪河水质浓度变化 规律的基础上，确定了支流污染物迁移扩散的影响因素，并通过引入水质速率描 述水质变化，分析了谷荷流量、调峰流量、坝前水位及浓度边界对支流水质的影 响程度。 3 建立香溪河水质预测模型。在一维水质模拟基础上，应用改进的b p 神经 网络算法，对大量典型工况样本数据进行训练和误差分析，建立稳定性好、精度 高的水质预测模型。 4 建立基于水质智能预测的水库优化调度模型。在明确三峡水库优化调度 原则、目标及多种约束条件的基础上，建立了基于水质预测的三峡水库优化调度 模型，并采用遗传算法寻优求解。通过分析以发电量、水质改善为目标的优化调 度运行方式对支流水质的影响，最后确定三峡非汛期综合效益最大的水库优化调 度运行方案。 关键词：数值模拟改进神经网络水质智能预测遗传算法水库优化调度 a b s t r a c t t h em a n a g e m e n ta n du t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sa r ei m p r o v e dm o r ea n dm o r e s c i e n t i f i c a l l ya n de f f e c t i v e l yt h r o u g hn u m e r o u sc o n s t r u c t i o n so fw a t e rc o n s e r v a n c v h o w e v e r , t h e s ec o n s t r u c t i o n sa l s ob r i n gs e r i e so fe n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s i no r d e rt o d e c r e a s ea n dc l e a rt h o s ei m p a c t so nt h ee n v i r o n m e n t ，p l e n t yo fs t u d i e sh a v eb e e n f o c u s e do nt h i sf i e l d ，w h i c hm a k e sg r e a ts e n s et ot h er e s e a r c ho fr e s e r v o i ro p t i m a l o p e r a t i o nw h i c hf o c u s e do nw a t e rq u a l i t y t h i sp a p e ri sm a i n l yb a s e do nar e a lw a t e r s h e dm a n a g e m e n ti n s t a n c e x i a n g x i r i v e rw h i c hi sl o c a t e di nt h r e eg o r g e sr e g i o n t h eo b j e c t i v eo ft h i s s t u d yi st o e s t a b l i s ha ne f f e c t i v ep r e d i c t i o nm o d e lf o rs i m u l a t i o nt h er i v e rw a t e rq u a l i t yc h a n g e t o g e t h e rw i t hr e s e r v o i ro p t i m a lo p e r a t i o n t h em a i nc o n t e n t so ft h i sr e s e a r c ha r ea s f o l l o w s ： 1 g e n e r a t e2 一d i m e n s i o n a lh y d r o d y n a m i cn u m e r i c a lm o d e l i nt h i sm o d e lt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt og e n e r a t ea s t u d ya r e a ，a n dw a t e r d y n a m i cm o d e l sa r eu s e dt op r e d i c tb a s i cf l u i dd y n a m i cf i e l d sw h e nt h r e eg o r g e s d a m sw a t e rl e v e le v a l u a t e su pt o17 5 m h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s o a n a l y z e db yc a l c u l a t i n gf l u i dd y n a m i cf i e l du n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e s a tl a s ta c o n c l u s i o ni sg o tt h a tp e a kr e g u l a t i o nc a ne n h a n c ew a t e rl e v e lf l u c t u a t i o ni nr e s e i o r a n db r a n c hr e g i o na n da l s oc a ni m p r o v ew a t e re x c h a n g e 2 g e n e r a t e1 - d i m e n s i o n a lw a t e r q u a l i t ym o d e l i nt h i sm o d e lw eg e ta s u m m a r yo fc o n c e n t r a t i o nc h a n g el a wo fx i a n g x ir i v e r w a t e rq u a l i t yu n d e rt h r e eg o r g e sp o w e r p l a n t sd i f f e r e n tp e a k s a n dw a t e rq u a l i t y c h a n g er a t ei si n t r o d u c e dt od e s c r i b ew a t e rq u a l i t yc h a n g e ，a f t e rt h a tm a k ec e r t a i nt h e f a c t o r sa n dt h e i rw e i g h t so np o l l u t a n tt r a n s p i r a t i o n d i f f u s i o ni nt r i b u t a r yr i v e r sw h i c h i sc a u s e db yt h r e eg o r g e s a l s ov a l l e yl o a df l o w , p e a kr e g u l a t i o n ，l e v e li nf r o n to f d a ma n dc o n c e n t r a t i o nb o u n d a r yi m p a c t so nb r a n c hw a t e rq u a l i t ya r ea n a l y z e di n d e p t h 3 w a t e rq u a l i t yp r e d i c t i o nm o d e li s f o r m e db yu s i n gi m p r o v e db a c k w a r d p r o p a g a t i o na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( b p a n n ) a l g o r i t h mw h o s es a m p l e s c o m ef r o mc h a r a c t e r i s t i cr e a ld a t a ，a n di t sm o d e li sb a s e do ns a m p l et r a i n i n ga n de l t o r a n a l y s i s a sar e s u l t ，w eg e tas t a b l ea n dh i g hp r e c i s i o nm o d e l 4 r e s e r v o i ro p t i m a lo p e r a t i o nm o d e lb a s e do nw a t e rq u a l i t yi n t e l l i g e n t p r e d i c t i o ni s e s t a b l js h e d b a s e d0 nt h r e e g o r g e sd a m sr e s e r v i o ro p t i m a lo p e r a t i o np 血c i p l e ，o b j e c t i v e 觚d 枷l t i p l ec o n s t r a i n t st h ew a t e rq u a l i t yp r i d i c t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d a n dg e n e t i c a l g o r i t h m1 su s e di n t h i sm o d e lt o g e tas o l u t i o n t h r o u g ha i l a l y z 咄n l e0 p t i n l a l o p e r a t l o n 。s 姗p a c t s0 nw a t e rq u a l i t yb a s e do nt h ea i mo fi m p r o v i n ge l e c t r i c i t 、r g e n e r a t l o na n dw a t e rq u a l i t y , t h er e s e r v o i ro p t i m a lo p e r a t i o ns c h e m ei sa c l l i e v e d t o m a x m l z et h ec o m p r e h e n s i v eb e n e f i t sw h e ni nn o n f l o o ds e a s o n k e y w o r d s ：n u m e r i c a lm 。d e l i n g ，i m p r o v e db p a n n ，w a t e r q u a l i t yi m e l l i g e m p r e d i c t i o n ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，r e s e r v o i ro p t i m a lo p e r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名2z 身传霹签字日期： 孑年6 月十日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 王雅4 e l 手- 导师签名： 签字日期： 膏9 ，年6 月y 日 嘭囝乌 签字日期：罗月尸日 、_ ， 第一章绪论 第一章绪论 从2 0 0 0 多年前的都江堰引水灌溉工程、古罗马的城市供水系统，到2 0 世纪中 叶的胡佛大坝、阿斯旺大坝，再到今天我国的三峡工程、南水北调工程，水利工 程作为人类改造自然、利用自然的重要手段，伴随我们走过了几千年的文明历程， 为人类社会的进步做出了难以估量的贡献。但是，人类在控制、调节、治理河流 的过程中，由于认识不深刻、技术不成熟等种种原因，对自然环境和生态造成了 一系列不容忽视的负面影响。主要表现为水利工程的屏障作用和径流调节作用对 水流、水质及水生生物的不利影响【l 】。虽然国内学者已在河流的生态功能、水利 工程生态效应、水利工程的生态补偿、湖泊水库调度效果及优化等方面开展了一 些研究【2 ，3 】。但是当前我国水利工程生态与环境调度方面的实践基本还处于探索 阶段，尤其缺少适合我国特点的科学方法指导。这就要求水利工作者开展针对性 研究，为现有工程调度的优化提供技术支撑，从而为实现我国水利工程的生态调 度提供技术依据。 1 1 研究的工程背景及意义 三峡工程是综合治理长江和开发长江资源的特大工程，在防洪、发电、航运 等方面有巨大的综合效益，对我国国民经济的可持续发展具有十分重要的战略意 义。防洪是兴建三峡工程的最主要目标，三峡水库总库容3 9 3 亿r 1 3 ，防洪库容2 2 1 5 亿m 3 ，能有效地控制上游洪水，削减中游地区洪峰流量，提高防洪能力。中游长 江大堤防洪能力由1 0 年一遇提高到1 0 0 年一遇，可防止荆江两岸发生毁灭性的灾 害，保障江汉平原20 0 0 万人口和1 5 3 3 7 i v _ h a 2 耕地及沿江城镇的安全1 4 j 。其次， 三峡将成为世界上最大的发电站，显著地缓解我国的能源紧缺状态，并且改善能 源结构，减少污染。水电是清洁能源，可节约煤炭、石油、核、稀有金属及化工 等资源，缓解运输压力，有利于可持续发展。三峡水电站年发电量8 4 7 亿- - 9 0 0 亿k w h ，每年可替代50 0 0 万t 原煤，少排二氧化碳1 亿t ，二氧化硫2 0 0 万t ，一氧 化碳1 万t ，氮氧化合物3 7 万t ，以及少排大量的热水、废碴、飘尘及降尘，减少对 周围环境的污染，缓解全球温室效应和酸雨侵蚀。同时，三峡工程航运效益显著， 有利于促进长江上游西南地区交通运输业的发展，加快西部开发进程。三峡水库 回水将淹没险滩，改善川江航道6 5 0 k m ，万吨级船队可直达重庆。年单向下水通 过能力可由目前的10 0 0 万t 提高到50 0 0 万t ，运输成本可降低3 5 - - 3 7 。宜昌以 第一章绪论 下枯季流量可增加10 0 0 - 20 0 0m 3 s ，极大地改善枯季通航条件归 6 j 。 当然，人们也注意到在提高生存环境的同时，三峡工程对自然的改造范围和 力度也是前所未有的，蓄水以后库区水环境的变化一直是国内外广泛关注的问 题。自三峡工程项目环境影响评价论证阶段起，国内专家一直没有停止过对三峡 工程带来的水质环境问题的调查、分析与研究，几年以来取得了丰富的研究成果。 文献 7 中吕怡兵等人对三峡库区蓄水后监测的水污染状况进行了分析，结 果显示库区断面平均流速仅为建库前的1 1 0 左右，平均水深为先前的数倍以上， 污染物的降解与扩散能力明显降低，受回水影响的支流河段存在富营养化的潜在 危险。文献 8 对三峡水库建成前后的水流水质变化趋势进行了预测，并分析了 库区水流条件巨大变化对污染物输移扩散特性和水质分布的影响。文献 9 针对 三峡库区重庆段的水环境问题，分析了其水质现状和影响水环境质量的主要因 素，运用一维对流扩散水质模型，得到了典型河道污染物的浓度分布情况。 文献 1 0 中，将二维水质模型和有限单元算法引入到水质模拟预测中，开展 了二维水质模型模拟三峡库区水质的适用性研究。文献 1 1 分析了s l r e e l e r - - p h e l p s 模型计算结果中三峡库中c o d 变化规律异常的现象。在考虑波动效应后， 对复氧系数进行修正能得到较好的模拟结果。文献 1 2 采用半紧密内嵌集成模式 实现了5 个水质模型与三峡水库水环境管理信息系统的有效连接，完成了模型与 三峡水库水环境管理信息系统的集成，并将集成后的水质模型成功应用于三峡水 库万州段水流及水质的预测模拟。文献 1 3 将三峡水库1 3 5 m 蓄水前后监测结果与 往年同期总体水质和背景浓度进行比较，研究结果表明总体水质仍属i i 、类并 无明显变化，影响库区总体水质的主要污染因子是总磷、总氮。文献 1 4 以三峡 整个库区作为研究对象，根据三峡水库河道型特点，开发了一维非恒定水流水质 数学模型，并充分考虑了三峡水库建成前后水流条件巨大变化对库区水流水质的 影响，对主要水质模型参数，如污染物纵向离散系数、有机污染物衰减系数和大 气复氧系数等建立了与水流条件相关的经验关系式。 长江三峡水利枢纽工程的建设将在我国经济建设和社会发展中发挥重要作 用，它与已经实施的“南水北调工程 一起在我国水环境安全方面起到重要作用， 被称为我国的“生命线工程”。因此，对三峡水库的安全运营和科学的调度管理 研究意义非常重要。过去5 0 多年来，围绕三峡工程建设的生态环境保护问题，我 国环境科学工作者开展了大量科学研究和论证工作，为工程建设提供了可靠的科 学依据。但是，人们对长江三峡水利枢纽运营和调度管理中的水污染控制和水环 境保护等科学问题的研究还远远不够，需要加大力度开展这方面的工作【l 引。 第一章绪论 1 2 河流水力、水质数学模型的发展 1 2 1 水力数学模型的发展 水流数学模型的理论基础起源于1 9 世纪的s t v e n a n t 方程，它奠定了非恒定 水流的理论基础，但真正的数学模型技术的应用是在计算机发明之后。1 9 5 2 年 至1 9 5 4 年i s a a c s o n 和t w e s c h 首次建立了俄亥俄河和密西西比河流域部分河段的 数学模型，并进行了对实际洪水过程的模拟【16 1 。经过此后数十年的研究，水流精 细模拟在概念模型、物理模型、数值方法、前后处理等方面均已发展到相当高的 水平。目前在水流模拟中占主导地位的数值计算方法是紊流数值模拟，包括以紊 流模式理论为基础的各种紊流数学模型，以及紊流的大涡模拟等高级紊流模拟技 术【17 1 。 1 2 2 水质数学模型的发展 水质模型是描述参加水循环的水体中各水质组分所发生的物理、化学、生物 和生态学等诸多方面变化规律和相互影响关系的数学模型。建立水质模型的目的 就是力图把这些互相制约的因素的定量关系确定下来，从而为水质规划、控制和 管理服务。自1 9 2 5 年斯特里特一费尔普( s t r e e t e r - p h e l p s ) 第一次建立b o d d o 水质模型以来，水质模型在基础理论研究和实际应用中都取得了很大的进展l i 引。 尤其是2 0 世纪7 0 年代中期以后，提出了多变量的综合性水质模型，通过一系列 微分方程，更为细致地描述了污染物在水体中的迁移和转化。近年来菜单式界面 和可视化技术的发展使得环境水质模型与计算机软件的结合成为该领域研究的 趋势。 在国外就一维水质模型研究领域而言，相对较为成熟的模型先后有美国的 q u a l 水质模型【19 1 、w a s p 水质模型2 0 1 、以及丹麦的m i k e 水质模型等 2 1 1 。这些 模型对水质的模拟指标可以多达十几项，具有使用简单、适应面较为广泛、模型 运行较为稳定等优点。但作为通用性比较强的商业性软件，面临一些特殊性问题 时，往往缺乏很好地解决复杂技术的应对能力。如在这类水质模型中，对模型参 数的影响因素考虑得相对比较通用和简单。 我国拥有丰富的水利资源，由于受技术和经济条件限制，对水利资源的开发 远远落后于世界发达国家，更多的大坝正在建设或规划之中。由于我国水污染问 题十分严重，在进行水电工程建设前期环境影响评价时，水质问题往往作为一个 比较重要的内容。如在对丹江1 ：3 水库、黄河小浪底水库 2 3 】、万家寨水库【2 4 以 及三峡工程等进行环境影响评价时，均将水质作为一项重要内容开展预测研究， 第一章绪论 研究方法也主要通过建立数学模型，对水质变化进行模拟预测。水质模拟通常以 国外水质模型发展技术为主要依托，在对水库水质进行水流水质预测时，通常采 用河道型水流水质数学模型。 1 3 计算流体力学离散方法简述 流动问题在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有解析解的。但是由于 控制方程一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，造成 通常很难获得方程的真解。因而通常需要寻求满足工程需要的数值解。 在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程) 控制下对 流体的数值模拟称之为计算流体力学 2 5 】( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称 c f d ) 。c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量 的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式 建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获 得场变量的近似值【2 6 1 。目前常用的c f d 离散化方法有三种： 1 ) 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，简称f d m ) 有限差分法的基本思想是用差商代替微商，对微分方程问题离散化，用包含 有限多个未知量的差分方程去近似代替微分方程，从而将微分方程的求解问题转 化为代数求解问题，最后求得微分方程问题的数值解。有限差分法具有格式简单、 求解方便，计算工作量少等许多优点，因而是目前计算水力学领域最常用的数值 计算方法。这种方法较多用于求解双曲型和抛物型问题。用它求解边界条件复杂、 尤其是椭圆型问题不如有限元法或有限体积法方便。 2 ) 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 有限元法将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元，并于各小 单元分片构造插值函数，然后根据极值原理( 变分或加权余量法) ，将问题的控 制方程转化为所有单元上的有限元方程，把总体的极值作为各单元极值之和，即 将局部单元总体合成，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组，求解该方程组就 得到各节点上待求的函数值。有限元法的基础是极值原理和划分插值，它吸收了 有限差分法中离散处理的内核，又采用了变分计算中选择逼近函数并对区域进行 积分的合理方法，是这两类方法相互结合、取长补短发展的结果。它具有很广泛 的适应性，特别适用于几何及物理条件比较复杂的问题，而且便于程序的标准化。 3 ) 有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，简称f v m ) 有限体积法又称为控制体积法，基本思路是：将计算区域划分为网格，并使 每个网格点周围有一个互不重复的控制体积；将待解微分方程( 控制方程) 对每 一个控制体积积分，从而得出一组离散方程，其中的未知数是网格点上的因变量 第一章绪论 矽。为了求出控制体积的积分，必须假定0 值在网格点之间的变化规律。就离散 方法而言，有限体积可视作有限元法和有限差分法的中间物。有限元法必须假定 0 值在网格节点之间的变化规律( 即插值函数) ，并将其作为近似解。有限差分 法只考虑网格点上0 的数值而不考虑0 在网格节点之间如何变化。有限体积法只 寻求秒的节点值，这与有限差分法相类似；但有限差分法在寻求控制体积的积分 时，必须假定0 值在网格点之间的分布，这又与有限单元法相类似。在有限体积 法中，插值函数只用于计算控制体积的积分，得出离散方程之后，便可忘掉插值 函数。如果需要的话，可以对微分方程中不同的项采取不同的插值函数。有限体 积法的基本思想易于理解，并能得出直接的物理解释，计算效率高。 1 4 神经网络在水质预测模型中的应用概况 水质预测泛指利用数学模型根据水体污染源及污染物进入水体的物理运动、 化学反应和生化效应对未来水质状况进行预估的工作。目前，国内外对水质预测 方法的研究己经推向实用化阶段。随着科学研究的进一步深入以及相关学科领域 的不断发展，新的预测模式还在不断出现【2 7 。根据所依据的理论基础不同，水质 预测模式大致可以归纳为5 类，即数理统计预测方法、灰色系统理论预测法、水 质模拟模型预测法、混沌理论预测法和人工神经网络模型预测法。其中多数方法 不能很好地捕捉非线性变化规律，普遍存在预测误差较大的缺点【2 引。神经网络预 测方法不需要了解输入与输出间的相互关系，非常适合非线性系统建模的研究。 下面简要介绍人工神经网络法在水质预测方面的应用。 人工神经网络( a r t i f i c a ln e u r a ln e t w o r k s ，简称a n n ) 是在模拟生物神经网 络的基础上构建的一种信息处理系统。a n n 采用全局逼近的方法，通过对非线 性函数的复合来逼近输入和输出之间的非线性映射关系，比较适用于那些具有不 确定性或高度非线性的控制对象，在预测领域具有相当的优越性1 2 别。近年来，水 利科学领域已有越来越多的学者利用a n n 的高度并行互联结构和自适应处理能 力解决水质预测的问题。 文献 3 0 1 运用人工神经网络理论和方法，建立了基于三层b p 网络的预测模 型，并对b p 算法进行了改进。并就长江流域丰水期全流域的水质情况进行模拟 比较，预测结果客观。模型具有较强泛化能力，是一种行之有效的预测非线性类 问题的模型。文献 3 1 运用人工神经网络b p 模型中的l e v e n b e r g - m a r g u a r d t 优化算 法对学习样本优化建模，将优化好的网络预测结果与实测结果进行了比较，结果 表明b p 网络可以很好地应用于黄河水质指标值及水质类别的预测。文献 3 2 1 提 出了用b p $ 0 0 经网络进行智能建模的方法，建立了东江水质预测的b p 神经网络模 型，并给出了仿真结果。文献 3 3 1 通过建立多层次前馈网络水质模型，对四川沱 第一章绪论 江顺河场至资中江段d o 浓度进行了预测。文献 3 4 以甘肃省河西走廊疏勒河为 例，建立了干旱内陆河流水质预测人工神经网络b p 模式。此外还有其他研究者 应用a 卜n 技术预测河流水质变化趋势陋3 8 1 。 1 5 遗传算法在水库优化调度中的应用概况 水库优化调度是以运筹学( 或称系统工程学) 为理论基础，建立以水库为中 心的水利水电系统的目标函数，拟订其应满足的约束条件，然后用现代计算技术 和最优化方法求解由目标函数和约束条件组成的系统方程组，寻求满足调度原则 的最优调度方式或方案。它是在常规调度和系统工程的一些优化理论及其技术基 础上发展起来的。优化调度可在保护水库安全可靠的条件下，解决各用水部门之 间的矛盾，满足其基本要求。利用水库调度技术，可经济合理地利用水资源及水 能资源，以获得最大的综合利用效益【3 9 1 。单从优化调度所采用的优化方法上来划 分，一般可分为线性规划、非线性规划、动态规划、多目标优化、大系统协调法、 和新算法等。各个优化算法都已有大量文献 4 0 - 4 5 说明，以下简要介绍遗传算法在 水库优化调度方面的应用。 文献 4 6 将遗传算法用于解决水电系统短期发电优化调度问题，利用改进的 遗传算法初始化编码方式，结合最优日调度权重系数，构造了水电站短期优化调 度的改进遗传算法模型。文献 4 7 提出的改进的遗传算法优化了选择算子，其他 两个算子与标准算法相同。以库容变化序列对应的个体编码，代替传统的发电流 量序列，避免了水库地形对水位的影响。文献 4 8 1 提出了遗传算法与禁忌搜索算 法相结合的混合优化算法，采取禁忌搜索算法替换遗传算法变异算子的混合策 略。文献 4 9 用基于十进制的遗传算法，加入最优保存和局部搜索两种收敛策略 对问题进行了改进，并用五强溪电站的实际例子进行了模拟计算，与未经改进的 遗传算法进行了比较，取得了比较满意的结果。 遗传算法为解复杂系统优化问题提供了一种通用框架。它不依赖于问题的具 体领域，对所求解问题的种类具有很强的鲁棒性。遗传算法以决策变量的编码作 为运算对象，以目标函数值直接作为概率搜索的基本信息【5 。可同时使用多个搜 索的信息，并且占用计算机内存少，尤其适用于求解一些非线性、多模型、多目 标和多参数的复杂系统的全局总体优化问题。水电站优化调度是一个典型的全局 优化问题，将遗传算法应用于水库优化调度中，可解决在应用动态规划等算法时 出现的“维数灾”问题。 第一章绪论 1 6 本文的主要研究内容 解决三峡水库环境问题的根本出路在于控制污染。但是，这是一项非常艰巨 的工作，需要一个长期的过程。因此应该积极寻求在水库调度和运行方面的解决 途径，以使三峡工程库区及支流水质的负面影响降到最小。本文在总结以往水质 预测及水库优化调度研究理论的基础上，结合三峡非汛期生态调度项目，以 三峡水库支流香溪河为背景，进行基于水质预测的水库优化调度方法的探讨和实 际应用研究。具体内容包括五个方面： 第一章：参考文献及三峡项目已有水流水质研究成果，分析三峡工程对环境 的影响现状，论证水库优化调度对改善水质的必要性和可行性。提出基于香溪河 水质智能预测的水库优化调度研究的实践思路及方法。 第二章：开发二维非恒定流水动力模型，计算香溪河基础流体动力场。采用 适于复杂边界处理的有限单元法离散研究区域，预测研究区域坝前水位1 7 5 m 的 流场，着重分析香溪河汇流口处流场受水库调峰运行的波动影响因素及大小。为 进一步研究香溪河污染物的扩散输移规律提供依据。 第三章：通过香溪河一维水质模型的计算，分析不同实验工况下香溪河污染 物的浓度变化规律，确定三峡不同运行方式对水质改善的影响因素及大小。并用 水质模型的计算结果作为样本训练改进的b p 神经网络，寻求水质预测模型，为 将水质目标结合到水库优化调度中提供数据支持。 第四章：应用遗传算法建立水库优化调度模型。分别以发电量和水质改善为 目标，综合考虑各约束条件，通过数值实验进行方案的对比，通过优化结果的分 析最终确定建议运行方式。 第五章：总结与展望。总结本文主要研究内容及取得成果，并指出有待进一 步研究的问题及其研究前景。 第二章二维非恒定流数值模拟 第二章二维非恒定流数值模拟 水动力数值模拟是水质模拟及水库优化调度研究的基础，它为研究污染物的 迁移、扩散及水库优化调度提供最基本的计算参数和环境背景。为研究水库运行 方式对三峡库区支流水动力特性及水质的影响，本章建立了香溪河二维非恒定流 水动力模型，对不同计算边界条件下研究区域内的水位、流速、流量过程进行比 较，分析了由于调峰作用导致的波动性对香溪河水动力特性的影响。 2 1 二维非恒定流水动力数学模型 2 1 1 基本控制方程 河道水流一般可视为不可压缩牛顿流体，其水流运动规律可用n a v i e r s t o k e s 方程组描述，对该方程进行时均化得其r e y n o l d s 形式，包括质量守恒方程和动量 守恒方程，写成张量形式如下： 兰：(210 ) ! = l z 。， a x z 鲁一吉+ 吉毒卜考一而卜 协2 ) 式中：砺为时均流速矢量，彰是脉动流速矢量，万为时均压力，为水流动力黏 滞系数，p 是水密度，( 为体积力，p u l u ? 为r e y n o l d s 紊动应力项。 从r e y n o l d s 方程出发，为简化计算而忽略垂向加速度，设定压强服从静水分 布；不计垂直方向的流动时间和空间的微分，将方程沿水深积分；根据b o u s i n e s q 假设，用涡粘系数表示r e y n o l d s 应力项，可得到平面二维河道水流运动控制方程 如下： 水流连续方程： 丝+ 丝+ 一o h v ：o 8 t8 x a y 水流运动方程： ( 2 3 ) 第二章二维非恒定流数值模拟 o u 。z ，a ( h + z 6 ) 。 v = 一2 一舭。2 + o y c 刳慨刊+ 勿 ( 2 4 ) ho _ l + j i l “尘+ j j l v 塑：一办塑型+ 如害峨卦矿训o x + 力 q 。5 ) 式中：h 为水深，u 和v 分别为x 和y 方向流速，g 为重力加速度，z b 为床面高 程，p 为水密度，k 和是表面切应力的x 和y 方向分量，和表示底部切 应力的x 和y 方向分量，为涡粘系数，厂为科氏力系数。 在上述运动方程中，左端项是对流项，右端项有压力项、紊动扩散项和包含 切应力和科氏力在内的外力项，考虑了河道水体的紊动影响和底摩阻作用，从而 建立平面一i 维水动力数值模型。 2 1 2 紊动扩散项 紊动扩散项考虑水流的紊动影响，采用涡粘系数来表示其紊动应力。其中涡 粘系数s 的确定有多种方法，模型中采用s m a g o r i n s k y 亚格子模型计算占，根据计 算得到的流速梯度，自动调整涡粘系数的大小，其计算公式如下： 占= c 。么 ( 罢) 2 + ( 多 2 + 丢( 号 + 多 2 亍 c 2 6 ， 其中，e 是s m a g o r i n s k y 系数，彳为计算单元格的面积。 2 1 3 外力项 表面切应力包括波浪辐射应力和表面风应力，一般内陆河流表面切应力对流 动影响较小，数值计算时可不考虑。模拟的河段范围不大，因而忽略科氏力的影 响。底部摩阻力采用如下公式进行计算： = g 告l u ii ，江x ，y ( 2 - 7 ) c ：l h z ( 2 8 ) 力 其中，u ；为流速，c 是谢才系数，h 为水深，n 为曼宁糙率系数，其取值根据所 + 勺 锄一氖 。一 ：_c磋c 塑酽 丝西l r 一 矗一p 第二章二维非恒定流数值模拟 研究河段的床面形态、床质、植被情况等进行合理选取。 2 - 2 数值方法 在空间上采用有限元加权余量法离散计算区域，此方法网格划分灵活，适于 处理复杂多变的边界地形条件。时间上采用隐式非线性有限差分方法离散，以保 证计算稳定性和精度。对控制方程进行离散后得到非线性代数方程组，采用 n e w t o n r a p h s o n 迭代方法求方程组的数值解。 2 2 1 有限元加权余量法 有限单元法是一种网格数值方法，它将计算区域划分成有限个互不重叠的单 元体，把单元体的指定点设置为节点。单元节点包含了单元信息，该方法以分块 逼近的形式构造单元上解的近似分布，通过在整个计算域的积分建立包含变量节 点值的总体有限元方程组，通过求解方程组获得整个计算区域的解。 加权余量法的基本思想是使微分方程近似解与精确解的余量在加权积分意 义上为零，构造有限元方程。若有微分方程： l u = f ( 2 - 9 ) 三是微分算子，u 时未知解向量。计算域被划分为m 个单元，在每个单元 里设其近似解为： u 凡：芝ni(rf(e)(2-10) 式中研8 是单元的插值函数，亦称形函数，g 8 ) 是待定系数。此时要求近似 解与精确解的余量满足： 尺占，一p ：e - 厂( g d r ( e ) ；。； r = - ，2 ，” c 2 - ， 其中，刃。是权函数，伽辽金加权余量法取权函数为形函数，令形( 。) = ( “， 则有： 未，哆p ：j 一厂c p d 尺t p ，= q ，= - ，2 ，所 这样在整个计算域内可形成m 个代数方程组， 方程( 2 1 0 ) 即可得到每个单元节点的解。 ( 2 - 1 2 ) 求出待定系数g ，再回代入 第二章二维非恒定流数值模拟 2 2 2 时间和空间的离散格式 方程中未知函数的时间导数采用有限差分格式来进行离散。假定未知函数u 随时间变化的关系式为： 甜= “t o ) + a t + b t 。，t o t t o + a t ( 2 1 3 ) 其中，a t 是时间步长，口，b ，c 为常数。将上式对时间t 求导得： o n ：口+ 6 c f c i( 2 1 4 ) 当f = o 时，有f ，t 引a t ) 。= 口 将式( 2 1 4 ) 代入式( 2 1 3 ) 得： 詈= c 掣+ ( 1 - c ) 口 ( 2 - 1 5 ) 若t = a t ，则得函数u 的时间离散表达式： ( 丝o t ) ”1 = c 蜷掣t - c ) ( 丝o t ) ” k 、 7 j 数值计算试验表明，当c = 1 5 时可以得到比较稳定的解， 值计算，这是一种隐式差分格式。 ( 2 1 6 ) 因此本研究选用此 若令单宽流量q = h u ，p = h v ，单宽流量g ，p 采用二次插值函数近似，水深 办采用线性插值函数近似。 【q ，p 】= 7x ，y ，) ( 2 1 7 ) h = 7 h ， ( 2 1 8 ) 代入变量的插值形式到控制方程中，不考虑风产生的切应力和地球自转引起 的科氏力的影响，得到动量方程和连续方程的离散表达式，进而形成单元有限元 方程组进行求解。 ( 等+ 警+ 等卜0 ( 2 - 1 9 ) 办警蚝0 ( q k r q ( k r q 。心0 ( q k r q q k ! r p ， + # g t u r h 掣+协2 。， 古( 警( 警卜考( 等肌- ) 础 第二章二维非恒定流数值模拟 廿掣+ 痧丢( 铬m 等卜掣+ 协2 ，) 采卜警心( 警m 训卜。 2 2 3n e w t o n r a p h s o n 迭代方法求解非线性方程组 此解法最简单的例子就是典型二次方程的根。按照该图2 1 中的思路求得的 解和方程的根非常接近。在x 轴五是初值，则可以计算出与该二次曲线相切的直 线( 切线1 ) 在这一点的值。直线与x 轴相交的点变为恐，然后再将恐作为初值 求解。于是从屯开始进行新的求解过程，则需要对另一条切线( 切线2 ) 进行计 算。切线2 与x 轴相交的点为x 3 ，以此类推，直到两次相邻的计算所得的结果之 差小于之前所定义的收敛标准，则在该点收敛。 e q u a t i o n r e s i d u a l 2 3 定解条件 y 馘一雁 。 q u a d ，t i c e q u a t i o n1 一+ 1 ，l a n g e n t i n e 2 d e s i r e dr o o t o f e q u a t i o n 。t a n g = i i n e l 、 ，| ? ， ；， 灯x 3 x 2x l i i i n e 3 图2 1 求解过程 水流运动方程必须在一定的定解条件( 边界条件和初始条件) 下才能构成定 解问题而求解，其中边界条件尤为重要，边界条件是否合理，直接影响计算的精 度和稳定性。计算区域的边界条件包括入流边界、出流边界、闭边界等。 ， 2 3 1 边界条件 入流边界条件、出流边界条件为工程设计工况给定的上下游流量、水位等。 在闭边界上，不考虑渗透的情况，假设满足流体不可入条件( 即无渗漏，滑动边 第二章二维非恒定流数值模拟 界) ，认为闭边界的法向流速为零，而沿切线方向的流速非零。考虑到真实河道 边界对附近水体的影响，对边界单元加大糙率来模拟这种影响。 二维非恒定流的模拟过程中水力参数将随时间变化，其中水位的变化，需要 采用动边界技术实时处理计算区域。模型采用干湿法进行判断，当单元平均水深 不小于给定最小水深时，整个单元作为湿单元参与计算，否则整个单元视为干单 元，不参与计算，按线性插值调整参与计算的单元个数。 2 3 2 初始条件 由于水流初始条件的误差在正确的边界条件下会很快消失，研究中将初始函 数值设为常数，既简便又能满足计算要求。 2 4 水动力模型在香溪河的应用 三峡工程是倍受关注的重大工程，库区水环境状况是社会十分关注的问题。 2 0 0 4 年以来的实测资料表明干流总体水质情况比较好，但库区的支流水质存在一 定的问题，这主要体现在富营养化指标方面。蓄水以来，受干流顶托的影响，水 库回水段和支流水文水环境条件发生了很大的变化，水位上升，流速变缓，污染 物在水库滞留时间增加，这些变化都对支流水体污染物扩散输移不利1 5 ，致使库 区一些支流多次发生“水华 现象。 香溪河流域系长江三峡水库湖北省库区最大的支流，三峡水库蓄水后，水动 力学参数变化显著，水质问题相对较为严重 5 2 】。同时，由于香溪河距三斗坪三峡 坝址最近而成为水动力特性受三峡电厂调峰影响的敏感区域，因此以香溪河为例 探索三峡调峰运行对库湾流场的影响最为适合，可以为其他支流的研究工作提供 借鉴。 2 4 1 研究区域香溪河概况 香溪河流域地处湖北西南山区，东接保康县和宜昌县，南抵长江西陵峡段， 西邻巴东县，北连神农架。东西长6 6 k m ，南北宽6 7 k m ，人口1 8 1 9 万人，该流域 发源于湖北省西北部神农架林区，有东西两个源头，东源于神农架林区骡马店， 西源于神农架山南，由北向南纵贯兴山县全境，