改進(jìn)NSGA-Ⅱ的黃河下游水庫(kù)多目標(biāo)調(diào)度

在一種典型多目標(biāo)進(jìn)化算法nsga-ⅱ基礎(chǔ)上做了以下改進(jìn):1)引入了外部檔案集并提出一種基于局部搜索的算子,用于提高其收斂性及非劣解的分布性;2)為了便于決策者決策,采用一種基于偏好的簡(jiǎn)單有效決策方法優(yōu)選調(diào)度方案;3)為提高算法的效率,在建立偏序集時(shí),采用快速排序算法對(duì)子目標(biāo)進(jìn)行排序.最后,采用改進(jìn)ns-ga-ⅱ算法求解三峽梯級(jí)水電站多目標(biāo)發(fā)電優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題,結(jié)果表明算法能夠有效地處理復(fù)雜約束,得到分布完備且均勻的非劣調(diào)度方案集,并計(jì)算出各非劣調(diào)度方案的相對(duì)優(yōu)屬度以便于決策者進(jìn)行決策.

黃河下游場(chǎng)次洪水來(lái)沙系數(shù)與下游河道的沖淤關(guān)系密切,進(jìn)入下游的典型高含沙洪水的平均來(lái)沙系數(shù)為0.093~0.105,如洪水期在下游沿程無(wú)引水,小浪底水庫(kù)不調(diào)節(jié),則相應(yīng)全下游淤積可占到來(lái)沙的59%~62%,故小浪底水庫(kù)攔蓄高含沙洪水為下游減淤是有必要的。但必須考慮由此導(dǎo)致的水庫(kù)淤積加重及入海沙量減少。本文提出了以小浪底水庫(kù)排沙比y表達(dá)的控制指標(biāo),對(duì)代表性洪水系列的計(jì)算表明,在現(xiàn)有洪水來(lái)沙系數(shù)范圍內(nèi),小浪底水庫(kù)正常運(yùn)用的宏觀控制指標(biāo)可取y=2/3,能兼顧水庫(kù)盡可能少淤、下游減淤及多排沙入海,確保減淤比在40%以上。在實(shí)際操作中需視洪水來(lái)沙系數(shù)預(yù)報(bào)值,據(jù)小浪底水庫(kù)合理攔沙運(yùn)用的控制指標(biāo)進(jìn)行調(diào)控。迄今小浪底水庫(kù)淤積已占原設(shè)計(jì)攔沙庫(kù)容的30%以上,應(yīng)考慮降低汛期水位,為洪水期水庫(kù)排沙比提高到y(tǒng)=2/3左右創(chuàng)造條件,以抑制庫(kù)容淤損過(guò)快的勢(shì)頭。

針對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì),提出一種基于多目標(biāo)進(jìn)化算法nsga-ⅱ的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。建立以網(wǎng)架用鋼量最小化和結(jié)構(gòu)最大豎直位移最小化為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型;結(jié)合有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型和顯式動(dòng)力分析方法對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析;考慮到優(yōu)化模型帶有約束條件以及設(shè)計(jì)變量的特點(diǎn),提出基于nsga-ⅱ的改進(jìn)算法nsga-ⅱ+,采用該算法來(lái)求解優(yōu)化模型。為了驗(yàn)證算法改進(jìn)效果,對(duì)經(jīng)典的空間桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,并與其他算法的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果表明改進(jìn)算法具有良好的收斂性和穩(wěn)定性。最后以ansys/ls-dyna為結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析工具,混合編程實(shí)現(xiàn)了一個(gè)斜放四角錐網(wǎng)架的多目標(biāo)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化實(shí)例表明,該方法能得到優(yōu)質(zhì)解,具有實(shí)際工程意義。

指出了現(xiàn)行水庫(kù)調(diào)度方法的眾多不當(dāng)之處,在實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)多種目標(biāo)的基礎(chǔ)上,考慮河流的生態(tài)平衡,實(shí)行水庫(kù)的多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度。討論了水庫(kù)多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度的方法,包括建立相應(yīng)法規(guī)體系;積極參考擁有自然水文情勢(shì)的水庫(kù);控制水庫(kù)泥沙淤積、防止水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化;防治閘壩的污染調(diào)度等方面的調(diào)度技術(shù)。

天然河流上游修建大型水利樞紐后,必將引起水庫(kù)下游河道的再造床。黃河小浪底水庫(kù)自1999年10月下旬下閘蓄水以來(lái),已運(yùn)行十年有余。本文通過(guò)實(shí)測(cè)資料的分析,從河道的沖刷和河道的平面形態(tài)變化兩方面來(lái)闡明小浪底水庫(kù)攔沙運(yùn)用十年來(lái)水庫(kù)淤積及下游河道的再造床過(guò)程及其特點(diǎn),為小浪底水庫(kù)進(jìn)一步水沙調(diào)控提供借鑒,也豐富了多泥沙河流興建大型水庫(kù)以后下游河道河床演變學(xué)科的內(nèi)涵。

針對(duì)引漢濟(jì)渭工程運(yùn)行初期三河口水庫(kù)研究不足,開(kāi)展三河口水庫(kù)多目標(biāo)調(diào)度規(guī)律的研究?？紤]工程調(diào)水、發(fā)電和生態(tài)需水等要求,建立水庫(kù)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型,采用nsga--ⅱ求解模型。從調(diào)度指標(biāo)、調(diào)度目標(biāo)、影響因素和調(diào)水潛力等方面分析計(jì)算結(jié)果,揭示了多目標(biāo)轉(zhuǎn)化規(guī)律,量化了起調(diào)水位對(duì)發(fā)電量的影響,驗(yàn)證了優(yōu)化模型計(jì)算結(jié)果的合理性和優(yōu)越性。研究表明：1）小幅降低發(fā)電量可顯著增加調(diào)水量;2）三河口水庫(kù)在豐水年、平水年能夠滿足規(guī)劃值,但枯水年不能滿足;3）起調(diào)水位對(duì)發(fā)電量影響顯著;4）典型年最大調(diào)水8.75億m^3;最小調(diào)水3.75億m^3。研究成果對(duì)水庫(kù)運(yùn)行、提高水資源利用效率和工程效益提供了重要參考。

對(duì)黃河下游灘區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:①灘區(qū)近期漫灘幾率為3~5年一遇;②灘區(qū)安全建設(shè)實(shí)施后能夠解決20年一遇以下洪水的人口淹沒(méi)和部分財(cái)產(chǎn)損失問(wèn)題;③補(bǔ)償政策的實(shí)施能使灘區(qū)群眾承擔(dān)的洪水風(fēng)險(xiǎn)得到分擔(dān)與補(bǔ)償,初步解決與黃河下游防洪的矛盾。

在水利工程建設(shè)期間,由于擾動(dòng)、開(kāi)挖原地貌,從而使原地表土壤、植被遭到破壞,增加了裸露面積,表土的抗蝕能力減弱,加劇了區(qū)域內(nèi)的土壤侵蝕.因此,在工程建設(shè)的同時(shí)必須采取有效的防護(hù)措施,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,遏制水土流失.本文中并結(jié)合多年積累經(jīng)驗(yàn),以黃河下游防洪工程的水土保持工作現(xiàn)狀為例,闡述了水利工程土壤侵蝕的防治目標(biāo)和總體布局,可以供水利有關(guān)部門(mén)參考與借鑒.

該文從小浪底水庫(kù)建庫(kù)前后黃河下游泥沙粒徑粗細(xì)變化情況,分析總結(jié)出黃河下游河道河床質(zhì)泥沙粒徑的沿程變化規(guī)律。合理利用小浪底水庫(kù)對(duì)水沙進(jìn)行有效地控制和調(diào)節(jié),對(duì)實(shí)現(xiàn)下游河道沖刷或不淤積,具有十分重要的意義。

黃河下游現(xiàn)有引黃渠首工程１０７處，設(shè)計(jì)引水能力４２００ｍ３／ｓ，１９８５～１９９８年年平均引水量１０４億ｍ３，為兩岸國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，但渠首工農(nóng)業(yè)水價(jià)標(biāo)準(zhǔn)從１９８９年以來(lái)卻一直未變。通過(guò)對(duì)引黃渠首水價(jià)制度進(jìn)行研究，分析了供水成本的變化情況、影響供水成本變動(dòng)的主要因素、現(xiàn)行水價(jià)存在的問(wèn)題以及水價(jià)偏低造成的危害等，提出了水價(jià)改革應(yīng)采取的措施。

放淤固堤是黃河下游加固堤防的主要措施之一,針對(duì)放淤固堤施工中的一些難題,從管道架設(shè)、淤區(qū)施工、集漿池,尤其是機(jī)泵配套選擇方面逐一加以解決,提供了6pnl立式泥漿泵、250nd-22和10epn-30加壓泵及機(jī)泵配套最佳組合形式,以利于提高施工效率。

黃河下游防洪工程的建設(shè)與效益

通過(guò)實(shí)測(cè)輸沙資料和淤積物取樣分析發(fā)現(xiàn)，黃河下游的河道淤積物中粒徑≥００５ｍｍ的泥沙含量多年平均值（１９５０～１９９５年）大約為４０％，粒徑≥００２５ｍｍ的泥沙含量多年平均值（１９５０～１９９５年）約為７０％。從各年代不同粒徑泥沙的百分含量來(lái)看，粒徑≥００５ｍｍ的泥沙百分含量有逐漸減小的趨勢(shì)，５０年代為４２１％，到８０年代減少為３７２％，１９９０～１９９５年也只有３５４％，而粒徑≥００２５ｍｍ的泥沙百分含量變化不大，基本維持在６７％左右。同時(shí)，分析結(jié)果還表明淤積物中粒徑≥００２５ｍｍ的泥沙占多數(shù)。

基于黃河下游河流影響帶3條監(jiān)測(cè)剖面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合環(huán)境地質(zhì)調(diào)查及兩個(gè)時(shí)段的環(huán)境地質(zhì)衛(wèi)星遙感圖像,分析了小浪底水庫(kù)運(yùn)行后黃河下游環(huán)境的整體變化趨勢(shì)。結(jié)果表明:小浪底水庫(kù)運(yùn)行后,避免了下游河道斷流,黃河徑流量趨于穩(wěn)定,下游灌區(qū)得以安全運(yùn)行和發(fā)展,各灌區(qū)實(shí)灌面積得到穩(wěn)定和擴(kuò)大,下游地下水調(diào)蓄功能增強(qiáng),傍河水源地主要補(bǔ)給源穩(wěn)定、運(yùn)行安全性提高;同時(shí)使河道帶土地沙化加重、濕地面積減小、水源地地下水位埋深增加。

2000年12月19日,濟(jì)南市天橋區(qū)大王廟險(xiǎn)工1至12號(hào)壩突發(fā)大量根石走失,挑水壩前水深溜急,根石走失后坡度1:1左右,護(hù)岸寬度大于20m的淤積沙灘被水流沖失,已危及堤防臨河堤腳,險(xiǎn)情發(fā)展較快。由于發(fā)現(xiàn)及時(shí)并立即拋石4320m~3以后,險(xiǎn)情得以解除。此類險(xiǎn)情在濟(jì)南河段是繼1981年9月25日歷城區(qū)王家梨行險(xiǎn)工7至9號(hào)壩

本文針對(duì)黃河小浪底水庫(kù)調(diào)水沖沙以來(lái)下游黃河河床下切；水位大幅度降低使下游引黃灌區(qū)引水困難；給灌區(qū)生產(chǎn)、生活和環(huán)境帶來(lái)的影響進(jìn)行剖析；提出修建黃河攔蓄工程等建議；使灌區(qū)能夠更好地為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展服務(wù).

從洪水發(fā)生的機(jī)理看,其與地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān),是外動(dòng)力地質(zhì)作用的結(jié)果,所以可以說(shuō),黃河下游的洪水災(zāi)害是地質(zhì)災(zāi)害。因此,從地質(zhì)學(xué)角度來(lái)講,黃河下游防洪減災(zāi)的對(duì)策有:①利用河道泥沙加寬大堤;②根據(jù)地質(zhì)條件加固大堤;③重塑黃河下游河流地貌;④利用中游水利工程將泥沙輸送到大海;⑤增大黃河徑流量,減少下游河床淤積。

為研究黃河下游山區(qū)和引黃水庫(kù)水質(zhì)狀況及潛在的健康風(fēng)險(xiǎn),確定主要污染物及治理的優(yōu)先順序,采用美國(guó)環(huán)境保護(hù)署推薦的水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,對(duì)5座典型水源水中有毒污染物通過(guò)飲水途徑引起的水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：各水庫(kù)基因毒物質(zhì)的平均濃度范圍分別為cd：0.25×10^-3～1.6×10^-3mg/l、as：0.24～3.5×10^-3mg/l、cr（ⅵ）：0.0020～0.0170mg/l;軀體毒物質(zhì)濃度較低。5座水庫(kù)中基因毒物質(zhì)由飲水途徑所致健康危害的個(gè)人年風(fēng)險(xiǎn)大小排序均為cr（ⅵ）〉cd〉as,軀體毒物質(zhì)的個(gè)人年風(fēng)險(xiǎn)按大小排序?yàn)閜b〉nh4＋〉hg〉cn^-1〉揮發(fā)酚,前組水平遠(yuǎn)大于后組。5座水庫(kù)各污染物所致個(gè)人年總風(fēng)險(xiǎn)基本大于國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)推薦的最大可接受值5×10^-5a^-1,其中以臥虎山和玉清水庫(kù)污染最嚴(yán)重,各類污染物所致健康危害的個(gè)人年總風(fēng)險(xiǎn)基本在10^-4a^-1水平;cr（ⅵ）是5座水庫(kù)的優(yōu)先控制污染物。

通過(guò)對(duì)黃河南北展寬工程概況的介紹,分析了南北展寬工程取消的原因及取消后存在的問(wèn)題,結(jié)合黃河防洪工程建設(shè)和臨黃堤工程管理的實(shí)際需要,提出了展寬工程取消后臨黃堤工程、移民安置及管理等問(wèn)題及對(duì)策,為南北展寬區(qū)工程建設(shè)和移民安置提供參考。

黃河下游灘區(qū)建設(shè)開(kāi)發(fā)與防洪問(wèn)題相當(dāng)復(fù)雜,隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,小浪底水庫(kù)的投入運(yùn)用,黃河下游控導(dǎo)工程的逐步完善,國(guó)家對(duì)黃河下游防洪問(wèn)題提出了更高的要求,灘區(qū)治理開(kāi)發(fā)和黃河下游防洪的矛盾日益突出。通過(guò)對(duì)黃河下游灘區(qū)的形成原因及典型洪水漫灘情況及災(zāi)情分析,提出了五種灘區(qū)防洪減災(zāi)措施,即引洪淤灘、灘區(qū)安全建設(shè)、補(bǔ)償政策、堆沙筑堤修建第二道防線和建設(shè)軟約束林帶導(dǎo)流工程等。

以陸集灘區(qū)為典型進(jìn)行人工淤灘工程布置,同時(shí)對(duì)東壩頭—陶城鋪河段的其他5個(gè)大灘進(jìn)行工程布置,提出該河段實(shí)施人工放淤的設(shè)計(jì)放淤量。結(jié)果表明:與引洪放淤相比,人工放淤施工靈活,放淤年限短,可在黃河下游地形地勢(shì)條件較好的地區(qū)先期實(shí)施。

本文從實(shí)測(cè)水沙量變化入手，分析探討了黃河中游近年來(lái)水沙量變化原因及其對(duì)黃河下游河道的影響。結(jié)果表明，由于水利水保工程和氣候因素的雙重作用，使得近年來(lái)黃河中游地區(qū)入黃水沙量銳減，其中減水使得黃河下游河道淤積物增加并逐步細(xì)化，且使下游斷流現(xiàn)象加?。粶p沙使得黃河下游河道淤積物減少。分析后指出，多沙粗沙區(qū)必須加速治理、少沙清水區(qū)和黃河下游要節(jié)約用水，才有可能緩解黃河下游的斷流和中常洪水高水位等問(wèn)題。