本發(fā)明涉及水利水電工程生態(tài)調(diào)控技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種面向產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖需求的梯級水庫調(diào)控系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

我國水利工程發(fā)展迅速，在金沙江、雅礱江、大渡河、烏江、南盤江、瀾滄江等水電基地已形成初具規(guī)模的世界級水電工程群，水利水電工程在防洪、發(fā)電、灌溉、航運等方面發(fā)揮巨大效益的同時也對河流生物資源及其生存環(huán)境帶來不利影響。水庫蓄水后，庫區(qū)形成了巨大的停滯水域，一方面改變了河流的天然徑流過程，使得下游河道的水動力環(huán)境發(fā)生改變，另一方面由于庫內(nèi)水流變緩，庫水更新期加長，水體在太陽輻射和對流混合及熱量傳輸作用下，垂向水溫呈現(xiàn)分層現(xiàn)象，在春夏之交的升溫期，水庫深層取水導(dǎo)致下層低溫水體排入下游河道，改變了下游河道的水溫條件，又由于水生生物自然繁殖對棲息環(huán)境較為敏感，對水文、水動力和水環(huán)境有著獨特需求和喜好，所以下游水動力條件和水溫結(jié)構(gòu)的變化會對水生生物的產(chǎn)卵繁殖和生長發(fā)育產(chǎn)生不利影響，而電站的梯級開發(fā)加劇了這種影響。

白鱘、達(dá)氏鱘、胭脂魚等產(chǎn)粘沉性卵魚類受大壩阻隔、水質(zhì)、航運等因素影響，數(shù)量急劇下降，處于瀕危狀態(tài)，梯級電站的運行使這些魚類產(chǎn)卵場的水文水動力環(huán)境和水溫結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，加劇了產(chǎn)粘沉性卵魚類的減少，因此需要充分認(rèn)知重大水利水電工程對河流重要水生生物的影響，繼而形成科學(xué)可行的生態(tài)調(diào)控方法和技術(shù)，在發(fā)揮水電工程效益的同時減輕其生態(tài)環(huán)境影響，這對生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

近年來，為減小水利工程建設(shè)對下游河道生態(tài)環(huán)境的影響，尤其是對珍稀魚類繁殖的影響，許多措施被應(yīng)用到水利工程中，專利申請?zhí)朇N201210007401.0公開了一種兼顧中華鱘繁殖需求的水庫生態(tài)調(diào)度方法，考慮中華鱘自然繁殖的水文水動力需求及水庫的社會經(jīng)濟(jì)效益，使水庫發(fā)揮巨大社會經(jīng)濟(jì)效益的同時，有效的保護(hù)中華鱘資源；專利申請?zhí)朇N201210113940.2公開了一種適合家魚繁殖需求的河道型水庫生態(tài)調(diào)度方法，為家魚產(chǎn)卵創(chuàng)造合適的水流條件，有效地減輕大壩運行對家魚產(chǎn)卵造成的影響；專利申請?zhí)朇N200920113798.5公開了大流量高水頭疊梁門型通倉流道分層取水進(jìn)水口結(jié)構(gòu)，可達(dá)到靈活控制下泄水溫的目的。上述生態(tài)調(diào)度方法都是針對特有魚類繁殖對水動力條件的需求，尚未考慮目標(biāo)魚類繁殖對水溫結(jié)構(gòu)的需求，且這些生態(tài)調(diào)度方法都是針對單一水庫的；疊梁門分層取水結(jié)構(gòu)因為可以靈活控制下泄水溫，在大型水利水電工程中得以廣泛應(yīng)用，但由于單節(jié)疊梁門的高度限制，疊梁門頂淹沒水深變化較大，疊梁門在取水庫表層水時效果有限；此外，在進(jìn)行生態(tài)調(diào)控時，對工程措施的配合使用考慮不夠，在工程措施與非工程措施配合使用方面仍是空白。

因此，如何配合疊梁門運行對梯級水庫進(jìn)行生態(tài)調(diào)控，同時改善產(chǎn)粘沉性卵魚類產(chǎn)卵場的水動力條件和水溫條件，促進(jìn)產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種面向產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖需求的梯級水庫調(diào)控系統(tǒng)及方法，采用上游水庫配合疊梁門運行調(diào)控水溫和末級水庫調(diào)節(jié)流量的協(xié)同調(diào)度方案，通過工程措施與非工程措施的配合使用，為產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖提供適宜的水溫流量條件，減輕梯級水庫運行對產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖的影響。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供面向產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖需求的梯級水庫調(diào)控系統(tǒng)，由水溫氣象智能監(jiān)測監(jiān)測平臺、系統(tǒng)運行支持平臺和梯級水庫生態(tài)調(diào)度決策平臺構(gòu)成；

水溫氣象智能監(jiān)測平臺由水溫監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)接收基站、電站監(jiān)控中心和系統(tǒng)監(jiān)控中心構(gòu)成：用于自動、連續(xù)獲取流域內(nèi)水溫及氣象信息，為生態(tài)調(diào)度提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

系統(tǒng)運行支持平臺由通信傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成，為系統(tǒng)運行提供物理保障，完成數(shù)據(jù)的傳輸及交流共享；

梯級水庫生態(tài)調(diào)度決策平臺由調(diào)度信息層、調(diào)度決策層和調(diào)度操作層這三層架構(gòu)組成：用于提供面向產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖需求的梯級水庫生態(tài)調(diào)度決策。

進(jìn)一步的，所述水溫監(jiān)測單元由用于監(jiān)測水庫水溫的垂向溫度鏈和用于監(jiān)測干支流及產(chǎn)卵場水溫的表層溫度球構(gòu)成，水溫監(jiān)測單元用于監(jiān)測采集流域的水溫數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)接收基站由數(shù)據(jù)收發(fā)裝置和氣象監(jiān)測裝置構(gòu)成，數(shù)據(jù)接收基站用于接收水溫數(shù)據(jù)及采集氣象數(shù)據(jù)，同時負(fù)責(zé)將水溫氣象數(shù)據(jù)上傳至電站監(jiān)控中心及接收和傳達(dá)電站監(jiān)控中心的監(jiān)測命令；所述電站監(jiān)控中心設(shè)于各梯級電站的管理中心，用于對數(shù)據(jù)接收基站上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及管理，并實現(xiàn)與系統(tǒng)監(jiān)控中心的信息共享；所述系統(tǒng)監(jiān)控中心設(shè)于流域調(diào)度中心，負(fù)責(zé)向各梯級電站監(jiān)控中心發(fā)布監(jiān)測命令及接收電站監(jiān)控中心上傳的數(shù)據(jù)，并與梯級水庫生態(tài)調(diào)度決策平臺共享實時數(shù)據(jù)；

所述通信傳輸系統(tǒng)由有線信道為主、無線信道為備用的組網(wǎng)方式構(gòu)成，通信傳輸系統(tǒng)完成水溫氣象智能監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)水溫監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)接收基站、電站監(jiān)控中心及系統(tǒng)監(jiān)控中心的四層雙向通信；所述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由在梯級電站內(nèi)部及流域調(diào)度中心組建的局域網(wǎng)和在各機(jī)構(gòu)之間組建的專用廣域網(wǎng)構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)完成數(shù)據(jù)的交流共享及多用戶的異地會商；

所述調(diào)度信息層用于搜集各類數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及管理，為生態(tài)調(diào)度決策提供數(shù)據(jù)支撐；所述調(diào)度決策層由水溫預(yù)測模塊、上游水庫水溫調(diào)控模塊、末級水庫流量調(diào)節(jié)模塊和地理信息系統(tǒng)構(gòu)成，調(diào)度決策層用于在產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖期，提供上游水庫配合疊梁門運行調(diào)控水溫和末級水庫調(diào)節(jié)流量的協(xié)同調(diào)度方案，為魚類繁殖提供適宜的水溫流量條件；所述調(diào)度操作層用于為用戶提供與系統(tǒng)交互的界面，基于地理信息系統(tǒng)提供的運行環(huán)境，實現(xiàn)不同用戶的接入、信息的查詢與展示以及多用戶的異地會商。

進(jìn)一步的，所述用于監(jiān)測水庫水溫的垂向溫度鏈由浮筒、帶定滑輪的重物、調(diào)節(jié)浮子、兩端連接浮筒以及調(diào)節(jié)浮子并繞過定滑輪的第一鋼絲繩和固定設(shè)置在第一鋼絲繩上的溫度鏈構(gòu)成，所述浮筒中設(shè)置有數(shù)據(jù)采集控制裝置、通信裝置、供電裝置和定位裝置，所述帶滑輪的重物沉于庫底，所述溫度鏈由若干個固定于防水電纜上的溫度傳感器和水位傳感器構(gòu)成，溫度鏈上傳感器的分布可根據(jù)水庫水溫分層特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中針對水溫分層型水庫，在同溫層和滯溫層內(nèi)均勻布置傳感器，在溫躍層加密布置傳感器；在水溫過渡型水庫均勻布置傳感器；對于水溫混合型水庫，可加大傳感器的布置間距；溫度鏈上的溫度傳感器及水位傳感器采集的數(shù)據(jù)通過防水電纜傳輸至浮筒中的數(shù)據(jù)采集控制裝置進(jìn)行存儲管理，通信裝置再將水深、水溫及位置信息傳輸至數(shù)據(jù)接收基站；

所述用于監(jiān)測干支流及產(chǎn)卵場水溫的表層溫度球由漂浮球、錨系和兩端連接漂浮球和錨系的第二鋼絲繩構(gòu)成，所述漂浮球中設(shè)置有溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集控制裝置、通信裝置、供電裝置和定位裝置，所述漂浮球通過錨系固定設(shè)置在河道中，所述錨系由有擋鏈和抓地錨構(gòu)成；溫度傳感器及定位裝置采集的水溫數(shù)據(jù)及位置信息經(jīng)數(shù)據(jù)采集控制裝置存儲管理后，通過通信裝置傳輸至數(shù)據(jù)接收基站。

進(jìn)一步的，所述通信傳輸系統(tǒng)通過布設(shè)通信線路實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)在水溫監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)接收基站、電站監(jiān)控中心和系統(tǒng)監(jiān)控中心的四層雙向傳輸；

所述水溫監(jiān)測單元與數(shù)據(jù)接收基站之間采用CDMA無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收基站與電站監(jiān)控中心之間通過布設(shè)專用線路采用有線通信方式傳輸數(shù)據(jù)，電站監(jiān)控中心與系統(tǒng)監(jiān)控中心之間通過租用公網(wǎng)采取有線通信方式傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在傳輸過程中均通過加密處理。

進(jìn)一步的，所述調(diào)度信息層由基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、實時信息數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、魚類信息數(shù)據(jù)庫和空間信息數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，調(diào)度信息層用于搜集各類數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及管理，為生態(tài)調(diào)度決策提供數(shù)據(jù)支撐；

所述基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫用于存儲流域水文、氣象歷史數(shù)據(jù)和水利工程數(shù)據(jù)；實時信息數(shù)據(jù)庫通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與水溫氣象智能監(jiān)測平臺共享實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，與氣象部門共享流域的實時氣象信息及氣象預(yù)報信息、與水文監(jiān)測站共享水文信息及水文預(yù)報信息以及與水電站共享水庫實時運行信息；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫用于存儲生態(tài)調(diào)度決策中需要與產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括調(diào)度規(guī)則、調(diào)度參數(shù)和調(diào)度方案；魚類信息數(shù)據(jù)庫用于存儲產(chǎn)粘沉性卵魚類的生存現(xiàn)狀、生長繁殖特性、生活習(xí)性和產(chǎn)卵場分布的信息；空間信息數(shù)據(jù)庫用于存儲所有描述水資源要素空間分布特征的數(shù)據(jù)，包括行政區(qū)劃、地形、河流和水系信息；

所述調(diào)度決策層由水溫預(yù)測模塊、上游水庫水溫調(diào)控模塊、末級水庫流量調(diào)節(jié)模塊和地理信息系統(tǒng)構(gòu)成，調(diào)度決策層用于在產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖期，提供上下游水庫協(xié)同調(diào)度的調(diào)度決策方案，為魚類繁殖提供適宜的水溫、流量條件；

所述水溫預(yù)測模塊，通過調(diào)度信息層長期、連續(xù)的水溫氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)及水文數(shù)據(jù)，運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對氣象、水文與水庫水溫分層的相互關(guān)系進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，得出水庫水溫分布的預(yù)測模型，用于在生態(tài)調(diào)度期，根據(jù)水庫水溫實時信息、水文預(yù)報及氣象預(yù)報，利用水庫水溫分布的預(yù)測模型預(yù)測下一調(diào)度時段水庫水溫的垂向分布，并計算疊梁門頂進(jìn)水口處的水溫梯度；

所述上游水庫水溫調(diào)控模塊由調(diào)控水庫確定單元、調(diào)度方案生成單元和分層取水操控單元構(gòu)成，上游水庫水溫調(diào)控模塊用于在產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖期，對除末級水庫之外的上游水庫實施水溫優(yōu)化調(diào)控；所述調(diào)控水庫確定單元用于對上游水庫中用疊梁門分層取水的水溫分層型水庫進(jìn)行綜合效益評估，將綜合效益最大的水庫確定為生態(tài)調(diào)度期的水溫調(diào)控水庫；所述調(diào)度方案生成單元用于對水溫調(diào)控水庫采取配合疊梁門運行消落庫水位或者常規(guī)調(diào)度和提前降低庫水位的調(diào)度措施，改善產(chǎn)粘沉性卵魚類產(chǎn)卵場的水溫條件；所述分層取水操控單元用于對上游水庫中有分層取水措施的水庫實施分層取水；

所述末級水庫流量調(diào)節(jié)模塊由水溫響應(yīng)單元和流量調(diào)控單元構(gòu)成，末級水庫流量調(diào)節(jié)模塊根據(jù)上游水庫水溫用于調(diào)控過程中產(chǎn)粘沉性卵魚類產(chǎn)卵場的水溫情況，對末級水庫的下泄流量進(jìn)行調(diào)控，使?jié)M足產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖的流量需求；所述水溫響應(yīng)單元用于調(diào)用調(diào)度信息層的產(chǎn)卵場實時水溫，并判斷產(chǎn)卵場水溫是否滿足魚類繁殖需求；所述流量調(diào)控單元用于對末級水庫的下泄流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，在產(chǎn)卵場水溫滿足魚類繁殖需求前，流量調(diào)控單元考慮上游水庫的下泄流量及用電需求對末級水庫進(jìn)行調(diào)度，當(dāng)產(chǎn)卵場水溫滿足魚類繁殖需求后，流量調(diào)控單元根據(jù)魚類繁殖對流量過程的特定需求及流量的響應(yīng)關(guān)系，調(diào)整末級水庫的下泄流量；

所述地理信息系統(tǒng)用于為調(diào)度操作層提供空間運行環(huán)境和空間分析應(yīng)用的功能，具體包括空間可視化、空間查詢、空間分析、相關(guān)的地圖操作和數(shù)據(jù)圖表的瀏覽功能，使具有空間屬性的數(shù)據(jù)可以在地圖上直接顯示與查詢。

進(jìn)一步的，所述調(diào)控水庫確定單元采用如下公式用于對符合要求的水庫進(jìn)行綜合效益評估：

V＝α₁f₁+α₂f₂

式中：V為水庫的綜合效益，f₁表示目標(biāo)水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時的生態(tài)效益，f₂表示目標(biāo)水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時的經(jīng)濟(jì)效益，α₁為生態(tài)效益的權(quán)重值，α₂為經(jīng)濟(jì)效益的權(quán)重值，且α₁+α₂＝1，在生態(tài)調(diào)度期時α₁、α₂根據(jù)調(diào)度目標(biāo)進(jìn)行確定；

f₁表示水庫的生態(tài)效益，具體表現(xiàn)為水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時對產(chǎn)卵場水溫的改善程度：

式中：ΔT為水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時產(chǎn)卵場水溫的變化量，為正值，T₀表示不進(jìn)行水溫調(diào)控時產(chǎn)卵場的水溫；

f₂表示水庫的經(jīng)濟(jì)效益，具體表現(xiàn)為水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時對發(fā)電量的影響程度：

式中：ΔE表示水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時發(fā)電量的變化量，為負(fù)值，E₀表示不進(jìn)行水溫調(diào)控時水庫的發(fā)電量。

進(jìn)一步的，所述調(diào)度方案生成單元的具體實現(xiàn)步驟如下：

步驟1：在產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖期，基于同期水庫常規(guī)調(diào)度過程，以每節(jié)疊梁門工作的上下限水位對應(yīng)的時間為邊界，將調(diào)度期分為若干分期，在每一分期內(nèi)，水庫水位在該節(jié)疊梁門工作的上下限水位間變動，將不同典型年調(diào)度方案的分期情況進(jìn)行輸入并存入調(diào)度信息層的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫；

步驟2：根據(jù)來水情況，從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中提取相似匹配度高的常規(guī)調(diào)度方案及分期情況，然后根據(jù)水庫水溫預(yù)測，判斷下一分期疊梁門頂進(jìn)水口處的水溫梯度是否大于0.3℃/m，若大于，結(jié)合水文預(yù)報生成配合疊梁門運行消落庫水位的調(diào)度方案，以分期內(nèi)疊梁門頂?shù)难蜎]水深和最小為目標(biāo)函數(shù)，求取該分期的調(diào)度方案，充分發(fā)揮疊梁門的作用，若小于，則按常規(guī)調(diào)度過程線進(jìn)行調(diào)度；當(dāng)庫水位消落至無疊梁門擋水時，加大下泄流量，在最短時間內(nèi)將水庫水位降至死水位，實現(xiàn)提前降低庫水位。

進(jìn)一步的，上述步驟2中當(dāng)調(diào)度方案生成單元在疊梁門頂進(jìn)水口處的水溫梯度大于0.3℃/m時，以分期內(nèi)的水位為自變量，在滿足水庫水量平衡約束、水庫蓄水位及水位日變幅約束、水庫下泄流量約束及流量日變幅約束和電站出力約束的約束條件下，分期內(nèi)疊梁門頂?shù)难蜎]水深和F最小的目標(biāo)函數(shù)如下：

式中，h_t表示分期內(nèi)t時段疊梁門頂?shù)难蜎]水深，h_t的單位為m，n表示分期內(nèi)計算時段總數(shù)，h_t＝Z_t-H，其中，Z_t表示分期內(nèi)t時段的水庫水位，H表示分期內(nèi)疊梁門頂高程，在每一分期內(nèi)H相同；

其中水庫水量平衡約束為：

V_t+1＝(Q₁-Q₂)×Δt+V_t

式中：Δt為計算時段長度，Q₁表示Δt時段內(nèi)水庫的入流量，Q₂表示Δt時段內(nèi)水庫的泄流量，Q₁和Q₂的單位均為m³/s；V_t+1表示t+1時段末水庫蓄水量，V_t表示t時段末水庫蓄水量，V_t+1和V_t的單位均為億m³；

其中水庫蓄水位及水位日變幅約束為：

式中：Z_t表示水庫在t時段內(nèi)的水位，ΔZ_t表示水庫在t時段內(nèi)的水位變幅，Z_t和ΔZ_t的單位均為m；表示水庫在t時段內(nèi)的最低水位約束即該分期內(nèi)疊梁門工作的下限水位，表示水庫在t時段內(nèi)的最高水位約束即該分期內(nèi)疊梁門工作的上限水位；表示水庫在t時段內(nèi)允許的水位最小變幅，表示水庫在t時段內(nèi)允許的水位最大變幅；

其中水庫下泄流量約束及流量日變幅約束為：

式中：Q_t表示水庫在t時段內(nèi)的下泄流量，ΔQ_t表示水庫在t時段內(nèi)的下泄流量變幅，Q_t和ΔQ_t的單位均為m³/s；表示水庫在t時段的最小下泄流量約束，表示水庫在t時段的最大下泄流量約束，同時考慮防洪、航運要求；表示水庫在t時段內(nèi)允許的下泄流量最小變幅，表示水庫在t時段內(nèi)允許的下泄流量最大變幅；

其中電站出力約束為：

N_min≤AQ_tH_t≤N_max

式中：AQ_tH_t表示t時段電站的平均出力且單位為MW，AQ_tH_t中A為水輪機(jī)出力系數(shù)，Q_t為t時段的發(fā)電流量且單位為m³/s，H_t為t時段的水輪機(jī)工作水頭且單位為m；N_min表示電站允許的最小出力，N_max表示電站允許的最大出力，N_min和N_max的單位均為MW。

一種如上述所述的梯級水庫生態(tài)調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度方法包括如下步驟：

步驟一、水溫氣象智能監(jiān)測：首先水溫氣象智能監(jiān)測平臺的系統(tǒng)監(jiān)控中心發(fā)布監(jiān)測命令，監(jiān)測命令通過電站監(jiān)控中心傳輸至數(shù)據(jù)接收基站，數(shù)據(jù)接收基站接收監(jiān)測命令后并遠(yuǎn)程控制水溫監(jiān)測單元，垂向溫度鏈和表層溫度球根據(jù)接收到的監(jiān)測命令進(jìn)行自動、連續(xù)地監(jiān)測流域內(nèi)的水溫數(shù)據(jù)，同時數(shù)據(jù)接收基站同步采集氣象數(shù)據(jù)，將獲取的水溫數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)此類監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)接收基站傳至電站監(jiān)控中心，電站監(jiān)控中心對接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理，并與系統(tǒng)監(jiān)控中心共享；

步驟二、實時信息接入：梯級水庫生態(tài)調(diào)度決策平臺的調(diào)度信息層通過多種數(shù)據(jù)接口與不同的信息系統(tǒng)連接實現(xiàn)實時信息的共享，包括與水溫氣象智能監(jiān)測平臺共享水溫氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，與氣象部門共享流域的實時氣象信息及氣象預(yù)報信息，與水文監(jiān)測站共享水文信息及水文預(yù)報信息，與水電站共享水庫實時運行信息，所共享的實時信息分類存入實時信息數(shù)據(jù)庫；

步驟三、水庫水溫預(yù)測：在生態(tài)調(diào)度期，水溫預(yù)測模塊根據(jù)水庫水溫實時信息、水文預(yù)報及氣象預(yù)報，利用水庫水溫分布的預(yù)測模型預(yù)測下一調(diào)度時段水庫水溫的垂向分布，并計算疊梁門頂進(jìn)水口處的溫度梯度；

步驟四、上游水庫水溫調(diào)控：上游水庫水溫調(diào)控模塊對上游水庫進(jìn)行水溫調(diào)控，以改善產(chǎn)卵場的水溫條件；

步驟五、末級水庫流量調(diào)節(jié)：在水溫調(diào)控過程中，水溫響應(yīng)單元調(diào)用存儲在實時信息數(shù)據(jù)庫中的產(chǎn)卵場實時水溫，判斷是否滿足魚類繁殖需求，如果產(chǎn)卵場水溫不滿足魚類繁殖需求，則流量調(diào)控單元考慮上游水庫的下泄流量及用電需求對末級水庫進(jìn)行常規(guī)調(diào)度；如果產(chǎn)卵場水溫滿足魚類繁殖需求，則流量調(diào)控單元根據(jù)魚類繁殖對流量過程的特定需求及流量的響應(yīng)關(guān)系，調(diào)整末級水庫的下泄流量以滿足魚類繁殖需求。

上述步驟四中上游水庫水溫調(diào)控的具體實現(xiàn)步驟如下：

步驟4.1：調(diào)控水庫確定單元對上游水庫中用疊梁門分層取水的水溫分層型水庫進(jìn)行綜合效益評估，將綜合效益最大的水庫確定為生態(tài)調(diào)度期的水溫調(diào)控水庫；

步驟4.2：調(diào)度方案生成單元根據(jù)來水情況，以水溫調(diào)控水庫為目標(biāo)水庫，從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中提取相似匹配度高的常規(guī)調(diào)度方案及分期情況，基于此，結(jié)合水文預(yù)報和水庫水溫預(yù)測，生成下一分期內(nèi)配合疊梁門運行消落庫水位或者常規(guī)調(diào)度和提前降低庫水位的調(diào)度方案；位于水溫調(diào)控水庫上游的水庫按照常規(guī)調(diào)度過程進(jìn)行調(diào)度，位于水溫調(diào)控水庫下游的水庫在按常規(guī)調(diào)度過程進(jìn)行調(diào)度時需考慮水溫調(diào)控水庫的泄流過程；

步驟4.3：上游各水庫根據(jù)生成的調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)度，當(dāng)上游水庫有分層取水措施時，需進(jìn)行分層取水，分層取水操控單元調(diào)用調(diào)度信息層中相應(yīng)水庫的分層取水方案及實時水位，向各水庫的分層取水操控中心發(fā)送命令，對水庫進(jìn)行分層取水，其中，水溫調(diào)控水庫利用疊梁門進(jìn)行分層取水。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明以梯級水庫為調(diào)度對象，針對產(chǎn)粘沉性卵魚類的繁殖需求，采取上游水庫配合疊梁門運行調(diào)控水溫和末級水庫調(diào)節(jié)流量的調(diào)度措施，通過上下游水庫的協(xié)同調(diào)度，為產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖創(chuàng)造較好的水溫和流量條件，可操作性強(qiáng)，相對于只考慮水動力條件的生態(tài)調(diào)度方法，本發(fā)明更有效地促進(jìn)了魚類的繁殖。

(2)本發(fā)明通過配合疊梁門運行消落庫水位的調(diào)度措施，實現(xiàn)了工程措施與非工程措施的配合使用，在利用疊梁門對水庫分層取水的同時，改變庫水位消落方式，使疊梁門盡可能取得水庫表層水，最大限度地減緩了下泄低溫水對下游生態(tài)環(huán)境，尤其對產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖的影響，充分發(fā)揮了疊梁門分層取水的作用。

(3)本發(fā)明中的水溫氣象智能監(jiān)測平臺及系統(tǒng)運行支持平臺，充分考慮了流域及監(jiān)測對象的特點，采用的垂向溫度鏈、表層溫度球、氣象監(jiān)測裝置等實現(xiàn)了長期、定點、連續(xù)監(jiān)測流域內(nèi)水溫、氣象變化，多種通信方式保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效傳輸，監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享為生態(tài)調(diào)度方案的制定提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而保證了生態(tài)調(diào)度的可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中垂向溫度鏈的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1中表層溫度球的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的調(diào)度方法流程圖；

圖5為本發(fā)明實施例中水溫氣象智能監(jiān)測平臺平面布置圖；

圖6為本發(fā)明實施例中水溫分層水庫所用的疊梁門示意圖；

圖7為本發(fā)明實施例中水溫調(diào)控水庫在生態(tài)調(diào)度期的水位過程線；

圖8為本發(fā)明實施例中末級水庫考慮魚類繁殖需求的逐時出庫流量過程線。

1、浮筒，2、溫度鏈，3、重物，4、定滑輪，5、第一鋼絲繩，6、調(diào)節(jié)浮子，7、漂浮球，8、第二鋼絲繩，9、錨系，10、有擋鏈，11、抓地錨，12、疊梁門。

具體實施方式

以下將結(jié)合具體實施例來詳細(xì)地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，如圖1至8所示，本發(fā)明提供一種面向產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖需求的梯級水庫生態(tài)調(diào)度系統(tǒng)及其調(diào)度方法。

如圖1所示，面向產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖需求的梯級水庫生態(tài)調(diào)度系統(tǒng)，由水溫氣象智能監(jiān)測平臺、系統(tǒng)運行支持平臺及梯級水庫生態(tài)調(diào)度決策平臺組成。

水溫氣象智能監(jiān)測平臺的構(gòu)成及工作原理如下所述：

所述水溫氣象智能監(jiān)測平臺包括水溫監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)接收基站、電站監(jiān)控中心及系統(tǒng)監(jiān)控中心，水溫氣象智能監(jiān)測平臺用于自動、連續(xù)獲取流域內(nèi)水溫及氣象信息，為生態(tài)調(diào)度提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；所述水溫監(jiān)測單元包括在庫區(qū)布設(shè)的垂向溫度鏈及在干支流和產(chǎn)卵場布設(shè)的表層溫度球，水溫監(jiān)測單元用于監(jiān)測采集流域的水溫數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)接收基站配有數(shù)據(jù)收發(fā)裝置及氣象監(jiān)測裝置，數(shù)據(jù)接收基站用于接收水溫數(shù)據(jù)及采集氣象數(shù)據(jù)，同時負(fù)責(zé)將水溫氣象數(shù)據(jù)上傳至電站監(jiān)控中心及接收和傳達(dá)電站監(jiān)控中心的監(jiān)測命令；所述電站監(jiān)控中心設(shè)于各梯級電站的管理中心，用于對數(shù)據(jù)接收基站上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及管理，并實現(xiàn)與系統(tǒng)監(jiān)控中心的信息共享；所述系統(tǒng)監(jiān)控中心設(shè)于流域調(diào)度中心，負(fù)責(zé)向各梯級電站監(jiān)控中心發(fā)布監(jiān)測命令及接收電站監(jiān)控中心上傳的數(shù)據(jù)，并與梯級水庫生態(tài)調(diào)度決策平臺共享實時數(shù)據(jù)；

具體地，所述垂向溫度鏈由浮筒1、溫度鏈2、第一鋼絲繩5、帶定滑輪4的重物3及調(diào)節(jié)浮子6組成，如圖2所示，浮筒1中配有數(shù)據(jù)采集控制裝置、通信裝置、供電裝置及定位裝置，溫度鏈2由多個固定于防水電纜上的溫度傳感器及水位傳感器組成，帶定滑輪4的重物3沉于庫底，第一鋼絲繩5繞過定滑輪4在兩端分別連接浮筒1及調(diào)節(jié)浮子6，調(diào)節(jié)浮子6根據(jù)水庫水位的變化自動調(diào)節(jié)第一鋼絲繩5的長度，溫度鏈2固定于第一鋼絲繩5上；所述垂向溫度鏈用于監(jiān)測庫區(qū)的水溫，在水庫庫尾、庫中及進(jìn)水口附近選取三個水溫監(jiān)測斷面，在庫尾和庫中的監(jiān)測斷面上布設(shè)左、中、有三條采樣垂線，在進(jìn)水口附近的監(jiān)測斷面上，三條垂線平均布設(shè)在進(jìn)水口前；溫度鏈2上傳感器的分布取決于水庫水溫分層特性，對于水溫分層型水庫，在同溫層和滯溫層每隔2.5m布設(shè)一個傳感器，在溫躍層每隔1m布設(shè)一個傳感器；對于水溫過渡型水庫，垂向溫度鏈上的傳感器每隔2.5m布設(shè)一個；對于水溫混合型水庫，垂向溫度鏈上的傳感器每隔4m布設(shè)一個；溫度鏈2上的溫度傳感器及水位傳感器采集的數(shù)據(jù)通過防水電纜傳輸至浮筒1中的數(shù)據(jù)采集控制裝置進(jìn)行存儲管理，通信裝置再將水深、水溫及位置信息傳輸至數(shù)據(jù)接收基站，實現(xiàn)長期、定點、連續(xù)、多層次監(jiān)測水庫水溫變化；

所述表層溫度球由漂浮球7、第二鋼絲繩8及錨系9組成，如圖3所示，漂浮球7中配有溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集控制裝置、通信裝置、供電裝置及定位裝置，第二鋼絲繩8兩端分別連接漂浮球7及錨系9，漂浮球7通過錨系9固定在河道中，錨系9由有擋鏈10和抓地錨11構(gòu)成，溫度傳感器及定位裝置采集的水溫數(shù)據(jù)及位置信息經(jīng)數(shù)據(jù)采集控制裝置存儲管理后，通過通信裝置傳輸至數(shù)據(jù)接收基站；所述表層溫度球用于監(jiān)測干支流及產(chǎn)卵場的水溫，在最上游水庫庫尾的上游10km處、干支流交匯處、距支流河口上游10km處的河道深泓線上布設(shè)表層溫度球，在魚類產(chǎn)卵場控制斷面的近左岸、近右岸及深泓線處布設(shè)表層溫度球；

所述數(shù)據(jù)接收基站配有數(shù)據(jù)收發(fā)裝置及氣象監(jiān)測裝置，氣象監(jiān)測裝置包括雨量計、氣溫傳感器、光照計、風(fēng)速/風(fēng)向傳感器等；所述數(shù)據(jù)接收基站布置在各梯級水庫庫中監(jiān)測斷面的左右兩岸、干支流交匯口處及產(chǎn)卵場附近，垂向溫度鏈和表層溫度球在向數(shù)據(jù)接收基站傳輸數(shù)據(jù)時采取就近傳輸方式。

系統(tǒng)運行支持平臺的構(gòu)成及工作原理如下所述：

所述系統(tǒng)運行支持平臺包括通信傳輸系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為系統(tǒng)運行提供物理保障，完成數(shù)據(jù)的傳輸及交流共享；所述通信傳輸系統(tǒng)采用有線信道為主、無線信道為備用的組網(wǎng)方式，完成水溫氣象智能監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)水溫監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)接收基站、電站監(jiān)控中心及系統(tǒng)監(jiān)控中心的四層雙向通信；所述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括在梯級電站內(nèi)部及流域調(diào)度中心組建局域網(wǎng)及在各機(jī)構(gòu)之間組建專用廣域網(wǎng)，通過提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)完成數(shù)據(jù)的交流共享及多用戶的異地會商；

具體地，所述通信傳輸系統(tǒng)采用如下方式布設(shè)通信線路：水溫監(jiān)測單元與數(shù)據(jù)接收基站之間采用CDMA無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收基站與電站監(jiān)控中心之間通過布設(shè)專用線路采用有線通信方式傳輸數(shù)據(jù)，電站監(jiān)控中心及系統(tǒng)監(jiān)控中心之間通過租用公網(wǎng)采取有線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)在傳輸過程中均通過加密處理。

梯級水庫生態(tài)調(diào)度決策平臺的構(gòu)成及工作原理如下所述：

所述梯級水庫生態(tài)調(diào)度決策平臺按三層架構(gòu)，分別為調(diào)度信息層、調(diào)度決策層及調(diào)度操作層，提供面向產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖需求的梯級水庫生態(tài)調(diào)度決策；所述調(diào)度信息層搜集各類數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及管理，為生態(tài)調(diào)度決策提供數(shù)據(jù)支撐；所述調(diào)度決策層在產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖期，提供上游水庫配合疊梁門運行調(diào)控水溫和末級水庫調(diào)節(jié)流量的協(xié)同調(diào)度方案，為魚類繁殖提供適宜的水溫流量條件，包括水溫預(yù)測模塊、上游水庫水溫調(diào)控模塊、末級水庫流量調(diào)節(jié)模塊及地理信息系統(tǒng)；所述調(diào)度操作層為用戶提供與系統(tǒng)交互的界面，基于地理信息系統(tǒng)提供的運行環(huán)境，實現(xiàn)不同用戶的接入、信息的查詢與展示以及多用戶的異地會商，其中：系統(tǒng)會根據(jù)用戶的身份授予不同的權(quán)限，用戶可用多種客戶端接入系統(tǒng)，包括電腦客戶端、手機(jī)客戶端等；

具體地，所述調(diào)度信息層具體包括基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、實時信息數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、魚類信息數(shù)據(jù)庫及空間信息數(shù)據(jù)庫，其中：基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫中存儲流域水文、氣象歷史數(shù)據(jù)、水利工程數(shù)據(jù)等；實時信息數(shù)據(jù)庫通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與水溫氣象智能監(jiān)測平臺共享實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，與氣象部門共享流域的實時氣象信息及氣象預(yù)報信息，與水文監(jiān)測站共享水文信息及水文預(yù)報信息，與水電站共享水庫實時運行信息；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中存儲生態(tài)調(diào)度決策中需要與產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括調(diào)度規(guī)則、調(diào)度參數(shù)及調(diào)度方案；魚類信息數(shù)據(jù)庫存儲產(chǎn)粘沉性卵魚類的生存現(xiàn)狀、生長繁殖特性、生活習(xí)性、產(chǎn)卵場分布等信息；空間信息數(shù)據(jù)庫中存儲所有描述水資源要素空間分布特征的數(shù)據(jù)，包括行政區(qū)劃、地形、河流、水系等信息；

所述調(diào)度決策層包括水溫預(yù)測模塊、上游水庫水溫調(diào)控模塊、末級水庫流量調(diào)節(jié)模塊及地理信息系統(tǒng)，在產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖期，提供上下游水庫協(xié)同調(diào)度的調(diào)度決策方案，為魚類繁殖提供適宜的水溫、流量條件，其中：

所述水溫預(yù)測模塊，根據(jù)調(diào)度信息層長期、連續(xù)的水溫氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)及水文數(shù)據(jù)，運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對氣象、水文與水庫水溫分層的相互關(guān)系進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，得出水庫水溫分布的預(yù)測模型，在生態(tài)調(diào)度期，根據(jù)水庫水溫實時信息、水文預(yù)報及氣象預(yù)報，利用水庫水溫分布的預(yù)測模型預(yù)測下一調(diào)度時段水庫水溫的垂向分布，并計算疊梁門頂進(jìn)水口處的水溫梯度；

所述上游水庫水溫調(diào)控模塊由調(diào)控水庫確定單元、調(diào)度方案生成單元與分層取水操控單元組成，用于在產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖期，對除末級水庫之外的上游水庫實施水溫優(yōu)化調(diào)控；所述調(diào)控水庫確定單元對上游水庫中用疊梁門分層取水的水溫分層型水庫進(jìn)行綜合效益評估，將綜合效益最大的水庫確定為生態(tài)調(diào)度期的水溫調(diào)控水庫；所述調(diào)度方案生成單元對水溫調(diào)控水庫采取配合疊梁門運行消落庫水位或者常規(guī)調(diào)度和提前降低庫水位的調(diào)度措施，改善產(chǎn)粘沉性卵魚類產(chǎn)卵場的水溫條件；所述分層取水操控單元用于對上游水庫中有分層取水措施的水庫實施分層取水；

所述末級水庫流量調(diào)節(jié)模塊由水溫響應(yīng)單元與流量調(diào)控單元組成，根據(jù)上游水庫水溫調(diào)控過程中產(chǎn)粘沉性卵魚類產(chǎn)卵場的水溫情況，對末級水庫的下泄流量進(jìn)行調(diào)控，使?jié)M足產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖的流量需求；所述水溫響應(yīng)單元調(diào)用調(diào)度信息層的產(chǎn)卵場實時水溫，并判斷產(chǎn)卵場水溫是否滿足魚類繁殖需求；所述流量調(diào)控單元對末級水庫的下泄流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，在產(chǎn)卵場水溫滿足魚類繁殖需求前，流量調(diào)控單元考慮上游水庫的下泄流量及用電需求對末級水庫進(jìn)行調(diào)度，當(dāng)產(chǎn)卵場水溫滿足魚類繁殖需求后，流量調(diào)控單元根據(jù)魚類繁殖對流量過程的特定需求及流量的響應(yīng)關(guān)系，調(diào)整末級水庫的下泄流量；

所述地理信息系統(tǒng)為調(diào)度操作層提供空間運行環(huán)境及空間分析應(yīng)用多種功能，包括空間可視化、空間查詢、空間分析、相關(guān)的地圖操作及數(shù)據(jù)圖表的瀏覽等，使具有空間屬性的數(shù)據(jù)可以在地圖上直接顯示與查詢。

下面對上游水庫水溫調(diào)控模塊的工作原理進(jìn)行詳細(xì)說明：

所述調(diào)控水庫確定單元采用如下公式對上游水庫中用疊梁門分層取水的水溫分層型水庫進(jìn)行綜合效益評估，將綜合效益最大的水庫確定為生態(tài)調(diào)度期的水溫調(diào)控水庫：

V＝α₁f₁+α₂f₂

式中：V為水庫的綜合效益，f₁表示目標(biāo)水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時的生態(tài)效益，f₂表示目標(biāo)水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時的經(jīng)濟(jì)效益，α₁為生態(tài)效益的權(quán)重值，α₂為經(jīng)濟(jì)效益的權(quán)重值，且α₁+α₂＝1，在生態(tài)調(diào)度期時α₁、α₂根據(jù)調(diào)度目標(biāo)進(jìn)行確定；

f₁表示水庫的生態(tài)效益，具體表現(xiàn)為水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時對產(chǎn)卵場水溫的改善程度：

式中：ΔT為水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時產(chǎn)卵場水溫的變化量，為正值，T₀表示不進(jìn)行水溫調(diào)控時產(chǎn)卵場的水溫；

f₂表示水庫的經(jīng)濟(jì)效益，具體表現(xiàn)為水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時對發(fā)電量的影響程度：

式中：ΔE表示水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時發(fā)電量的變化量，為負(fù)值，E₀表示不進(jìn)行水溫調(diào)控時水庫的發(fā)電量；

所述調(diào)度方案生成單元對水溫調(diào)控水庫采取配合疊梁門運行消落庫水位或者常規(guī)調(diào)度和提前降低庫水位的調(diào)度方式，改善產(chǎn)粘沉性卵魚類產(chǎn)卵場的水溫條件，具體實現(xiàn)方式為：

①在產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖期，基于同期水庫常規(guī)調(diào)度過程，以每節(jié)疊梁門工作的上下限水位對應(yīng)的時間為邊界，將調(diào)度期分為若干分期，在每一分期內(nèi)，水庫水位在該節(jié)疊梁門工作的上下限水位間變動，將不同典型年調(diào)度方案的分期情況存入調(diào)度信息層的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫；

②根據(jù)來水情況，從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中提取相似匹配度高的常規(guī)調(diào)度方案及分期情況，基于此，根據(jù)水庫水溫預(yù)測，判斷下一分期疊梁門頂進(jìn)水口處的水溫梯度是否大于0.3℃/m，若大于，結(jié)合水文預(yù)報生成配合疊梁門運行消落庫水位的調(diào)度方案，具體實現(xiàn)方式為：以分期內(nèi)疊梁門頂?shù)难蜎]水深和最小為目標(biāo)函數(shù)，求取該分期的調(diào)度方案，充分發(fā)揮疊梁門的作用，反之，則按常規(guī)調(diào)度過程線進(jìn)行調(diào)度；當(dāng)庫水位消落至無疊梁門擋水時，加大下泄流量，在最短時間內(nèi)將水庫水位降至死水位，實現(xiàn)提前降低庫水位；

具體地，所述調(diào)度方案生成單元在疊梁門頂進(jìn)水口處的水溫梯度大于0.3℃/m時，以分期內(nèi)的水位為自變量，在滿足航運、防洪、電站出力等約束條件下，求取分期內(nèi)疊梁門頂?shù)难蜎]水深和F最小的調(diào)度方案：

(A)目標(biāo)函數(shù)

式中，h_t表示分期內(nèi)t時段疊梁門頂?shù)难蜎]水深，h_t的單位為m，n表示分期內(nèi)計算時段總數(shù)，h_t＝Z_t-H，其中，Z_t表示分期內(nèi)t時段的水庫水位，H表示分期內(nèi)疊梁門頂高程，在每一分期內(nèi)H相同；

(B)約束條件

1)水庫水量平衡約束

V_t+1＝(Q₁-Q₂)×Δt+V_t

式中：Δt為計算時段長度，Q₁表示Δt時段內(nèi)水庫的入流量，Q₂表示Δt時段內(nèi)水庫的泄流量，Q₁和Q₂的單位均為m³/s；V_t+1表示t+1時段末水庫蓄水量，V_t表示t時段末水庫蓄水量，V_t+1和V_t的單位均為億m³；

2)水庫蓄水位及水位日變幅約束

式中：Z_t表示水庫在t時段內(nèi)的水位，ΔZ_t表示水庫在t時段內(nèi)的水位變幅，Z_t和ΔZ_t的單位均為m；表示水庫在t時段內(nèi)的最低水位約束即該分期內(nèi)疊梁門工作的下限水位，表示水庫在t時段內(nèi)的最高水位約束即該分期內(nèi)疊梁門工作的上限水位；表示水庫在t時段內(nèi)允許的水位最小變幅，表示水庫在t時段內(nèi)允許的水位最大變幅；

3)水庫下泄流量約束及流量日變幅約束

式中：Q_t表示水庫在t時段內(nèi)的下泄流量，ΔQ_t表示水庫在t時段內(nèi)的下泄流量變幅，Q_t和ΔQ_t的單位均為m³/s；表示水庫在t時段的最小下泄流量約束，表示水庫在t時段的最大下泄流量約束，同時考慮防洪、航運要求；表示水庫在t時段內(nèi)允許的下泄流量最小變幅，表示水庫在t時段內(nèi)允許的下泄流量最大變幅；

4)電站出力約束

N_min≤AQ_tH_t≤N_max

式中：AQ_tH_t表示t時段電站的平均出力且單位為MW，AQ_tH_t中A為水輪機(jī)出力系數(shù)，Q_t為t時段的發(fā)電流量且單位為m³/s，H_t為t時段的水輪機(jī)工作水頭且單位為m；N_min表示電站允許的最小出力，N_max表示電站允許的最大出力，N_min和N_max的單位均為MW。

使用上述面向產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖需求的梯級水庫生態(tài)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度的調(diào)度方法如圖4所示，包括：

(一)水溫氣象智能監(jiān)測：水溫氣象智能監(jiān)測平臺的系統(tǒng)監(jiān)控中心發(fā)布監(jiān)測命令，監(jiān)測命令通過電站監(jiān)控中心傳至數(shù)據(jù)接收基站，數(shù)據(jù)接收基站遠(yuǎn)程控制水溫監(jiān)測單元，垂向溫度鏈和表層溫度球根據(jù)命令自動、連續(xù)地監(jiān)測流域水溫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收基站同步采集氣象信息，所獲取的水溫氣象數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)接收基站傳至電站監(jiān)控中心，電站監(jiān)控中對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及管理，并與系統(tǒng)監(jiān)控中心共享；

(二)實時信息接入：梯級水庫生態(tài)調(diào)度決策平臺的調(diào)度信息層通過多種數(shù)據(jù)接口與不同的信息系統(tǒng)連接實現(xiàn)實時信息的共享，包括與水溫氣象智能監(jiān)測平臺共享水溫氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，與氣象部門共享流域的實時氣象信息及氣象預(yù)報信息，與水文監(jiān)測站共享水文信息及水文預(yù)報信息，與水電站共享水庫實時運行信息，所共享的實時信息均分類存入實時信息數(shù)據(jù)庫；

(三)水庫水溫預(yù)測：在生態(tài)調(diào)度期，水溫預(yù)測模塊根據(jù)水庫水溫實時信息、水文預(yù)報及氣象預(yù)報，利用水庫水溫分布的預(yù)測模型預(yù)測下一調(diào)度時段水庫水溫的垂向分布，并計算疊梁門頂進(jìn)水口處的溫度梯度；

(四)上游水庫水溫調(diào)控：上游水庫水溫調(diào)控模塊對上游水庫進(jìn)行水溫調(diào)控，以改善產(chǎn)卵場的水溫條件，具體包括以下步驟：

①調(diào)控水庫確定單元對上游水庫中用疊梁門分層取水的水溫分層型水庫進(jìn)行綜合效益評估，將綜合效益最大的水庫確定為生態(tài)調(diào)度期的水溫調(diào)控水庫；

②調(diào)度方案生成單元根據(jù)來水情況，以水溫調(diào)控水庫為目標(biāo)水庫，從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中提取相似匹配度高的常規(guī)調(diào)度方案及分期情況，基于此，結(jié)合水文預(yù)報和水庫水溫預(yù)測，生成下一分期內(nèi)配合疊梁門運行消落庫水位或者常規(guī)調(diào)度和提前降低庫水位的調(diào)度方案；位于水溫調(diào)控水庫上游的水庫按照常規(guī)調(diào)度過程進(jìn)行調(diào)度，位于水溫調(diào)控水庫下游的水庫在按常規(guī)調(diào)度過程進(jìn)行調(diào)度時需考慮水溫調(diào)控水庫的泄流過程；

③上游各水庫根據(jù)生成的調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)度，當(dāng)上游水庫有分層取水措施時，需進(jìn)行分層取水，分層取水操控單元調(diào)用調(diào)度信息層中相應(yīng)水庫的分層取水方案及實時水位，向各水庫的分層取水操控中心發(fā)送命令，對水庫進(jìn)行分層取水，其中，水溫調(diào)控水庫利用疊梁門進(jìn)行分層取水；

(五)末級水庫流量調(diào)節(jié)：在水溫調(diào)控過程中，水溫響應(yīng)單元調(diào)用存儲在實時信息數(shù)據(jù)庫中的產(chǎn)卵場實時水溫，判斷是否滿足魚類繁殖需求，如果產(chǎn)卵場水溫不滿足魚類繁殖需求，則流量調(diào)控單元考慮上游水庫的下泄流量及用電需求對末級水庫進(jìn)行常規(guī)調(diào)度；如果產(chǎn)卵場水溫滿足魚類繁殖需求，則流量調(diào)控單元根據(jù)魚類繁殖對流量過程的特定需求及流量的響應(yīng)關(guān)系，調(diào)整末級水庫的下泄流量以滿足魚類繁殖需求。

下面對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。在本實施例中，選取長江上游某河段的四個梯級水庫為調(diào)度對象，該河段全長約為768km，總落差為719m，具有徑流豐沛且較穩(wěn)定、河道落差大、水能資源豐富、開發(fā)條件較好等特點，為合理開發(fā)利用水資源，在該河段從上游到下游分別建設(shè)了大壩D1、大壩D2、大壩D3、大壩D4共四座水電站(如圖5所示)，形成了梯級水庫，均為高壩大庫，兼具發(fā)電、防洪、航運、生態(tài)等綜合效益，其中：D1、D2、D3水庫水溫分層明顯，采用疊梁門分層取水(疊梁門12如圖6所示)，D4水庫水溫分層不明顯；梯級水庫的修建及運行，嚴(yán)重影響了D4水庫下游白鱘、達(dá)氏鱘、胭脂魚等產(chǎn)粘沉性卵魚類的繁殖和生長，運用本發(fā)明提供的面向產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖需求的梯級水庫生態(tài)調(diào)度系統(tǒng)及其調(diào)度方法，開展所述四個梯級水庫的生態(tài)調(diào)度。

如圖5所示，在上述河段內(nèi)布設(shè)水溫監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)接收基站、電站監(jiān)控中心及系統(tǒng)監(jiān)控中心，構(gòu)成水溫氣象智能監(jiān)測平臺。

在水庫D1、D2、D3、D4的庫尾、庫中及進(jìn)水口附近選取三個水溫監(jiān)測斷面布設(shè)垂向溫度鏈，在庫尾和庫中的監(jiān)測斷面上布設(shè)左、中、右三條采樣垂線，在進(jìn)水口附近的監(jiān)測斷面上，三條垂線平均布設(shè)在進(jìn)水口前，溫度鏈2上傳感器的分布取決于水庫水溫分層特性，對于水庫水溫分層明顯的水庫D1、D2、D3，在同溫層和滯溫層每隔2.5m布設(shè)一個傳感器，在溫躍層每隔1m布設(shè)一個傳感器，對于水溫分層不明顯的水庫D4，垂向溫度鏈上的傳感器每隔2.5m布設(shè)一個；在D1水庫庫尾上游10km處、干支流交匯處、距支流河口上游10km處設(shè)置水溫監(jiān)測斷面，在監(jiān)測斷面的河道深泓線上布設(shè)表層溫度球，在魚類產(chǎn)卵場控制斷面的近左岸、近右岸及深泓線處布設(shè)表層溫度球。

垂向溫度鏈由浮筒1、溫度鏈2、第一鋼絲繩5、帶定滑輪4的重物3及調(diào)節(jié)浮子6組成，如圖2所示，其中：浮筒1中配有數(shù)據(jù)采集控制裝置、通信裝置、供電裝置及定位裝置，溫度鏈2由多個固定于防水電纜上的溫度傳感器及水位傳感器組成，帶定滑輪4的重物3沉于庫底，第一鋼絲繩5繞過定滑輪4在兩端分別連接浮筒1及調(diào)節(jié)浮子6，調(diào)節(jié)浮子6根據(jù)水庫水位的變化自動調(diào)整第一鋼絲繩5的長度，溫度鏈2固定于第一鋼絲繩5上；所述表層溫度球由漂浮球7、第二鋼絲繩8及錨系9組成，如圖3所示，漂浮球7中配有溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集控制裝置、通信裝置、供電裝置及定位裝置，第二鋼絲繩8兩端分別連接漂浮球7及錨系9，漂浮球7通過錨系9固定在河道中，錨系9由有擋鏈10和抓地錨11構(gòu)成。

數(shù)據(jù)采集裝置采用華云儀器設(shè)備有限公司的CJ-1型數(shù)據(jù)采集器，完成數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸和過程控制等功能，通信裝置采用廣州邁思電子有限公司提供的DMX512收發(fā)器，供電裝置采用硅太陽能電池和鉛酸蓄電池組組合供電，定位裝置采用GPS定位儀；垂向溫度鏈上的溫度傳感器采用北京時域通科技有限公司提供的鏈?zhǔn)綔囟葌鞲衅?，測量精度為0.1℃，分辨率為0.05℃，測量范圍為-20～80℃，最大長度為300m，水位傳感器采用杭州美控自動化技術(shù)有限公司提供的MIK-P260型號，測量精度為0.01m，測量范圍為0～300m；表層溫度球上的溫度傳感器采用佛山順德區(qū)卓新傳感科技有限公司提供的DS18B20型號，測量精度為0.1℃，分辨率為0.05℃，測量范圍為-50℃～125℃。

在水庫D1、D2、D3、D4的庫中監(jiān)測斷面的左右兩岸、干支流交匯口處及產(chǎn)卵場附近布置數(shù)據(jù)接收基站，數(shù)據(jù)接收基站配有數(shù)據(jù)收發(fā)裝置及氣象監(jiān)測裝置，氣象監(jiān)測裝置包括雨量計、氣溫傳感器、光照計、風(fēng)速/風(fēng)向傳感器等，垂向溫度鏈和表層溫度球在向數(shù)據(jù)接收基站傳輸數(shù)據(jù)時采取就近傳輸方式。

雨量計采用華云儀器設(shè)備有限公司的SRY-2型號，測量范圍為0.1～6mm/min，測量精度為±0.2mm，分辨率為0.1mm，承水口徑為200mm；氣溫傳感器采用上海同倍監(jiān)測科技有限公司的DT-8891D型號，測量范圍為-30～55℃，精度為0.5℃，分辨率為0.1℃；光照計采用海華巖儀器設(shè)備有限公司的LI-250A型號，可以顯示瞬時光照強(qiáng)度或15秒內(nèi)光照強(qiáng)度的平均值；風(fēng)速/風(fēng)向傳感器采用上海森創(chuàng)電子的CEM感應(yīng)式傳感器，測量范圍為0～80m/s，精度為0.3m/s，分辨率為0.1m/s，風(fēng)向測量范圍為0～360°，精度為4°，分辨率為1°。

在D1、D2、D3、D4電站的管理中心分別布設(shè)電站監(jiān)控中心，電站監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)接收基站上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲及管理，并實現(xiàn)與系統(tǒng)監(jiān)控中心的信息共享，D1電站監(jiān)控中心接收數(shù)據(jù)的范圍為D1上游，D2、D3電站監(jiān)控中心接收數(shù)據(jù)的范圍為該電站至上級電站，D4電站監(jiān)控中心接收數(shù)據(jù)的范圍上至上級電站，下至產(chǎn)粘沉性卵魚類產(chǎn)卵場。

在該河段調(diào)度中心設(shè)置系統(tǒng)監(jiān)控中心，負(fù)責(zé)向各梯級電站監(jiān)控中心發(fā)布監(jiān)測命令及接收電站監(jiān)控中心上傳的數(shù)據(jù)，并與梯級水庫生態(tài)調(diào)度決策平臺共享實時數(shù)據(jù)。

在上述河段內(nèi)通信傳輸系統(tǒng)通過布設(shè)通信線路實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)在水溫監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)接收基站、電站監(jiān)控中心及系統(tǒng)監(jiān)控中心的四層雙向傳輸，其中：水溫監(jiān)測單元與數(shù)據(jù)接收基站之間采用CDMA無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收基站與電站監(jiān)控中心之間通過布設(shè)專用線路采用有線通信方式傳輸數(shù)據(jù)，電站監(jiān)控中心及系統(tǒng)監(jiān)控中心之間通過租用公網(wǎng)采取有線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)在傳輸過程中均通過加密處理。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在D1、D2、D3、D4電站內(nèi)部及河段調(diào)度中心組建局域網(wǎng)，并在各機(jī)構(gòu)之間組建專用廣域網(wǎng)，通過提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)完成數(shù)據(jù)的交流共享及多用戶的異地會商。

如圖4所示，為本發(fā)明的調(diào)度方法流程圖，具體調(diào)度過程包括：

(一)水溫氣象智能監(jiān)測：位于河段調(diào)度中心的系統(tǒng)監(jiān)控中心向各梯級電站的監(jiān)控中心發(fā)布監(jiān)測命令，監(jiān)測命令通過電站監(jiān)控中心傳至數(shù)據(jù)接收基站，數(shù)據(jù)接收基站遠(yuǎn)程控制水溫監(jiān)測單元，垂向溫度鏈和表層溫度球根據(jù)命令自動、連續(xù)地監(jiān)測流域水溫數(shù)據(jù)，水溫數(shù)據(jù)傳至最近的數(shù)據(jù)接收基站，同時，數(shù)據(jù)接收基站同步采集氣象信息，所獲取的水溫氣象數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)接收基站傳至電站監(jiān)控中心，電站監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及管理，并與系統(tǒng)監(jiān)控中心共享；

(二)實時信息接入：梯級水庫生態(tài)調(diào)度決策平臺的調(diào)度信息層通過多種數(shù)據(jù)接口與不同的信息系統(tǒng)連接實現(xiàn)實時信息的共享，包括與水溫氣象智能監(jiān)測平臺共享水溫氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，與氣象部門共享流域的實時氣象信息及氣象預(yù)報信息，與水文監(jiān)測站共享水文信息及水文預(yù)報信息，與水電站共享水庫實時運行信息，所共享的實時信息均分類存入實時信息數(shù)據(jù)庫；

(三)水庫水溫預(yù)測：在生態(tài)調(diào)度期，水溫預(yù)測模塊根據(jù)各水庫水溫實時信息、水文預(yù)報及氣象預(yù)報，利用水庫水溫分布的預(yù)測模型預(yù)測下一調(diào)度時段水庫水溫的垂向分布，并計算疊梁門頂進(jìn)水口處的溫度梯度；

(四)上游水庫水溫調(diào)控：上游水庫水溫調(diào)控模塊對上游水庫進(jìn)行水溫調(diào)控，以改善產(chǎn)卵場的水溫條件，具體包括以下步驟：

①調(diào)控水庫確定單元采用如下公式對上游水庫中用疊梁門分層取水的水溫分層型水庫進(jìn)行綜合效益評估，并將綜合效益最大的水庫確定為生態(tài)調(diào)度期的水溫調(diào)控水庫：

V＝α₁f₁+α₂f₂

式中：V為水庫的綜合效益，f₁表示目標(biāo)水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時的生態(tài)效益，f₂表示目標(biāo)水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時的經(jīng)濟(jì)效益，α₁為生態(tài)效益的權(quán)重值，α₂為經(jīng)濟(jì)效益的權(quán)重值，且α₁+α₂＝1，在生態(tài)調(diào)度期時α₁、α₂根據(jù)調(diào)度目標(biāo)進(jìn)行確定；

f₁表示水庫的生態(tài)效益，具體表現(xiàn)為水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時對產(chǎn)卵場水溫的改善程度：

式中：ΔT為水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時產(chǎn)卵場水溫的變化量，為正值，T₀表示不進(jìn)行水溫調(diào)控時產(chǎn)卵場的水溫；

f₂表示水庫的經(jīng)濟(jì)效益，具體表現(xiàn)為水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時對發(fā)電量的影響程度：

式中：ΔE表示水庫進(jìn)行水溫調(diào)控時發(fā)電量的變化量，為負(fù)值，E₀表示不進(jìn)行水溫調(diào)控時水庫的發(fā)電量；

經(jīng)計算，將D2水庫確定為水溫調(diào)控水庫；

②調(diào)度方案生成單元根據(jù)來水情況，以水溫調(diào)控水庫D2為目標(biāo)水庫，從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中提取相似匹配度高的常規(guī)調(diào)度方案及分期情況，對調(diào)度期進(jìn)行分期的具體方法為：在產(chǎn)粘沉性卵魚類繁殖期，基于同期水庫常規(guī)調(diào)度過程，以每節(jié)疊梁門工作的上下限水位對應(yīng)的時間為邊界，將調(diào)度期分為若干分期，在每一分期內(nèi)，水庫水位在該節(jié)疊梁門工作的上下限水位間變動，如圖7所示；

基于選取的調(diào)度方案及分期情況，根據(jù)水庫水溫預(yù)測，判斷下一分期疊梁門頂進(jìn)水口處的水溫梯度是否大于0.3℃/m，若大于，結(jié)合水文預(yù)報生成配合疊梁門運行消落庫水位的調(diào)度方案，具體實現(xiàn)方式為：以分期內(nèi)疊梁門頂?shù)难蜎]水深和最小為目標(biāo)函數(shù)，求取該分期的調(diào)度方案，充分發(fā)揮疊梁門的作用，反之，則按常規(guī)調(diào)度過程線進(jìn)行調(diào)度；當(dāng)庫水位消落至無疊梁門擋水時，加大下泄流量，在最短時間內(nèi)將水庫水位降至死水位，實現(xiàn)提前降低庫水位，如圖7所示；位于水溫調(diào)控水庫上游的水庫按照常規(guī)調(diào)度過程進(jìn)行調(diào)度，位于水溫調(diào)控水庫下游的水庫在按常規(guī)調(diào)度過程進(jìn)行調(diào)度時需考慮水溫調(diào)控水庫的泄流過程；其中，以分期內(nèi)疊梁門頂?shù)难蜎]水深和最小為目標(biāo)函數(shù)，求取該分期調(diào)度方案的方法如下：

以分期內(nèi)的水位為自變量，在滿足航運、防洪、電站出力等約束條件下，求取分期內(nèi)疊梁門頂?shù)难蜎]水深和F最小的調(diào)度方案：

(A)目標(biāo)函數(shù)

式中，h_t表示分期內(nèi)t時段疊梁門頂?shù)难蜎]水深，h_t的單位為m，n表示分期內(nèi)計算時段總數(shù)，h_t＝Z_t-H，其中，Z_t表示分期內(nèi)t時段的水庫水位，H表示分期內(nèi)疊梁門頂高程，在每一分期內(nèi)H相同；

(B)約束條件

1)水庫水量平衡約束

V_t+1＝(Q₁-Q₂)×Δt+V_t

式中：Δt為計算時段長度，Q₁表示Δt時段內(nèi)水庫的入流量，Q₂表示Δt時段內(nèi)水庫的泄流量，Q₁和Q₂的單位均為m³/s；V_t+1表示t+1時段末水庫蓄水量，V_t表示t時段末水庫蓄水量，V_t+1和V_t的單位均為億m³；

2)水庫蓄水位及水位日變幅約束

式中：Z_t表示水庫在t時段內(nèi)的水位，ΔZ_t表示水庫在t時段內(nèi)的水位變幅，Z_t和ΔZ_t的單位均為m；表示水庫在t時段內(nèi)的最低水位約束即該分期內(nèi)疊梁門工作的下限水位，表示水庫在t時段內(nèi)的最高水位約束即該分期內(nèi)疊梁門工作的上限水位；表示水庫在t時段內(nèi)允許的水位最小變幅，表示水庫在t時段內(nèi)允許的水位最大變幅；

3)水庫下泄流量約束及流量日變幅約束

式中：Q_t表示水庫在t時段內(nèi)的下泄流量，ΔQ_t表示水庫在t時段內(nèi)的下泄流量變幅，Q_t和ΔQ_t的單位均為m³/s；表示水庫在t時段的最小下泄流量約束，表示水庫在t時段的最大下泄流量約束，同時考慮防洪、航運要求；表示水庫在t時段內(nèi)允許的下泄流量最小變幅，表示水庫在t時段內(nèi)允許的下泄流量最大變幅；

4)電站出力約束

N_min≤AQ_tH_t≤N_max

式中：AQ_tH_t表示t時段電站的平均出力且單位為MW，AQ_tH_t中A為水輪機(jī)出力系數(shù)，Q_t為t時段的發(fā)電流量且單位為m³/s，H_t為t時段的水輪機(jī)工作水頭且單位為m；N_min表示電站允許的最小出力，N_max表示電站允許的最大出力，N_min和N_max的單位均為MW；

③上游各水庫根據(jù)生成的調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)度，當(dāng)上游水庫有分層取水措施時，需進(jìn)行分層取水，分層取水操控單元調(diào)用調(diào)度信息層中相應(yīng)水庫的分層取水方案及實時水位，向各水庫的分層取水操控中心發(fā)送命令，對水庫進(jìn)行分層取水，其中，水溫調(diào)控水庫利用疊梁門進(jìn)行分層取水；

(五)末級水庫流量調(diào)節(jié)：在水溫調(diào)控過程中，水溫響應(yīng)單元調(diào)用存儲在實時信息數(shù)據(jù)庫中的產(chǎn)卵場實時水溫，判斷是否滿足魚類繁殖需求，如果產(chǎn)卵場水溫不滿足魚類繁殖需求，則流量調(diào)控單元考慮上游水庫的下泄流量及用電需求對末級水庫進(jìn)行常規(guī)調(diào)度；如果產(chǎn)卵場水溫滿足魚類繁殖需求，則流量調(diào)控單元根據(jù)魚類繁殖對流量過程的特定需求及流量的響應(yīng)關(guān)系，調(diào)整末級水庫的下泄流量以滿足魚類繁殖需求，如圖8所示。

按上述步驟對梯級水庫實施生態(tài)調(diào)度，極大地改善了梯級電站下游產(chǎn)粘沉性卵魚類產(chǎn)卵場的水動力及水溫條件，促進(jìn)了產(chǎn)粘沉性卵魚類的繁殖，顯著提升了梯級水庫的生態(tài)效益。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。