面向汛期多任務(wù)的水庫水資源優(yōu)化調(diào)度研究

張軍保

摘 要：該文以面向汛期多任務(wù)的水庫水資源優(yōu)化調(diào)度為研究對象，探討了基于多目標優(yōu)化模型的水庫優(yōu)化調(diào)度方法，論文對汛期水庫調(diào)度進行分期研究，利用多目標理論方法將多目標進行轉(zhuǎn)換，使用動態(tài)規(guī)劃法對汛限水位進行控制，并與傳統(tǒng)調(diào)度方法進行對比分析，水電站水庫優(yōu)化調(diào)度是水電站長期經(jīng)濟運行的中心內(nèi)容，是管理和控制水庫安全可靠性，合理利用水資源、發(fā)揮水庫綜合效益的重要措施，是水電站及其水庫長期運行計劃的制定和實施的核心問題。相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：汛期 多任務(wù) 優(yōu)化調(diào)度

中圖分類號：TV213 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（c）-0029-02

水電站水庫優(yōu)化調(diào)度是在難以準確預(yù)知未來徑流的情況下，避免工作上的差錯，制定水庫調(diào)度圖或優(yōu)化調(diào)度軟件作為指導水電站水庫運行的工具，以滿足水電站可靠性和經(jīng)濟性的要求，達到最大效益。由于在較長時期內(nèi)氣象和水文條件的劇烈變化，水電站水庫的天然來水在時間上分布極不均勻，借助水庫對流量進行調(diào)節(jié)，蓄豐補枯，以適應(yīng)發(fā)電等用水的需求，提高水資源利用程度，增加發(fā)電及其它用水的經(jīng)濟效益。從這個意義上說，水庫調(diào)度計劃即為水庫蓄、供水計劃。另一方面，水庫蓄水可以抬高上游水位，提高水頭，增發(fā)電能，因此可以說水庫調(diào)度在提高水量利用程度和增加發(fā)電效益方面具有重要作用。

1 汛期調(diào)度特點

一年時間內(nèi)，水庫汛期一般是從7月份開始到10月份結(jié)束。汛期洪水的來源主要來自暴雨，而暴雨一般多發(fā)生在七、八月份。因此在保證大壩安全的前提下，做好汛期的發(fā)電運用以及下游排沙減淤，是水庫最重要的任務(wù)。

水資源短缺，使水庫防洪與興利之間存在一定的矛盾，如何化解這個矛盾，在防洪保證大壩的安全的前提下，加固水庫興利作用，處理好水庫防洪與興利蓄水的矛盾是安全利用洪水資源的重要技術(shù)。

為了處理好興利調(diào)度與防洪調(diào)度之間的矛盾，提高水庫綜合利用效率，應(yīng)該采用科學的優(yōu)化調(diào)度方法，而并非使用傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法。隨著計算機科學技術(shù)的發(fā)展，洪水預(yù)報研究和入庫洪水的估計準確率已經(jīng)大大提高，為汛期洪水調(diào)度提供了很好的數(shù)據(jù)保障。汛期調(diào)度的研究不僅有助于提高洪水資源利用效率，而且具有重大的社會經(jīng)濟意義。

傳統(tǒng)水庫汛限水位控制方法為：機械的確定一個汛限水位，控制水位不超過汛限水位，當有洪水來時，水庫迅速調(diào)節(jié)水庫水位回落大汛限水位。這將導致“汛期不敢蓄水，非汛期無水可發(fā)電”，造成洪水資源浪費。在汛期初期，增加水庫蓄水，臨時占用部分防洪庫容，若后期有大型洪水，可增加泄流量，可減少洪水風險；若后期無洪水到來，增加水頭和水量將顯著提高水庫興利效益?？茖W的設(shè)計與運用汛限水位，合理利用防洪與興利庫容，是發(fā)揮水庫綜合利用效益的有效手段。隨著水文預(yù)報理論的快速發(fā)展，現(xiàn)代監(jiān)控與觀測系統(tǒng)的建設(shè)，使得水文預(yù)報與降雨預(yù)報精度的提高，使得調(diào)度人員在新的環(huán)境下，更好地提高了汛期調(diào)度的可用性。

2 汛期調(diào)度方法

汛期水位是汛期存在的一個水位值。傳統(tǒng)的汛期調(diào)度方法則是采取單一固定的汛限水位。根據(jù)歷年的洪水、暴雨資料進行分析，先確定一個汛期時間段，再根據(jù)歷年汛期洪水資料對洪峰流量、設(shè)計洪量設(shè)計洪水過程線，在已知的約束條件下，對洪水進行驗算，得到汛限水位。除此之外，還需要結(jié)合歷史特大洪水資料即千年一遇或萬年一遇洪水資料進行一起分析。

汛限水位有兩種控制方法：靜態(tài)控制和動態(tài)控制法。動態(tài)水位控制法我們將在隨后進行描述，這里主要先介紹傳統(tǒng)的靜態(tài)控制法，其中包括固定汛限水位法、分期汛限水位法。

（1）固定汛限水位法：就是前面提到的傳統(tǒng)的汛限水位確定方法，以概率分布對洪水進行調(diào)度，忽視了汛期洪水在時間上的分布關(guān)系，導致了很多水庫經(jīng)常蓄不滿水的現(xiàn)象，對水資源造成浪費。早期的水庫一般都采用該法，隨著社會進步和科技的發(fā)展，被另一種方法逐步替代。（2）分期汛限水位法：依據(jù)歷史水文預(yù)報資料，對汛期進行時段劃分為三期或者更多期，對研究的整個汛期時段內(nèi)每日的限制水位值進行繪制曲線，根據(jù)曲線進行調(diào)度，實際調(diào)度中若遇到防洪標準相應(yīng)的洪水則應(yīng)用規(guī)定調(diào)度規(guī)則。

汛期水位動態(tài)控制運用方法可分為兩類：一類為規(guī)劃設(shè)計方面，一類是實時實施角度。第一類是考慮千年一遇或萬年一遇設(shè)計洪水的汛限水位控制方法，包括固定汛限水位控制、基于預(yù)報信息的防洪預(yù)報調(diào)度方式以及預(yù)泄能力約束法調(diào)整的汛限水位控制法。另一類則是根據(jù)實時的水文氣象預(yù)報信息，動態(tài)控制水庫水位的方法。

汛限水位動態(tài)控制方法指的是，在洪峰來臨之際，運行設(shè)計的汛限水位控制在一定范圍之內(nèi)，再根據(jù)實時調(diào)度的水文預(yù)報，實時的對水庫水位進行動態(tài)的調(diào)控，目前有以下幾種水位動態(tài)控制方法。

（1）補償調(diào)度法。

在調(diào)度過程中，根據(jù)上、下游水庫之間的庫容和預(yù)報的差異性，動態(tài)控制水位，此方法主要適用于水庫群梯級調(diào)度。庫容狀況以及洪水預(yù)報的精度為制約該法的關(guān)鍵因素。

（2）預(yù)蓄預(yù)泄法。

根據(jù)水文預(yù)報以及調(diào)度權(quán)衡過程中，面臨時刻反饋信息可帶來的風險評估，引入決策者的意見來動態(tài)地確定水位方案，此方法的關(guān)鍵因素在于防洪、發(fā)電、供水等各個方面效益風險評價。

（3）綜合信息推理模式法。

該方法是一種宏觀決策法，根據(jù)歷史資料數(shù)據(jù)和影響水位的各種因素這些基本的前提下，再依照實時的水庫綜合信息，通過一些推理方法，給出滿足條件的水位控制方案。這就是該方法的主要思想。這種方法主要的問題有：水位與其他影響因素之間的制約關(guān)系；邏輯關(guān)系；推理過程。因此必須滿足一定的邏輯性以及具有一定推理過程的流程。

（4）耦合擇優(yōu)法。

根據(jù)時間變化和信息更新，重復擇優(yōu)并不斷更新汛限水位，就是耦合擇優(yōu)法。將綜合信息推理應(yīng)用到?jīng)Q策系統(tǒng)與水庫防洪調(diào)度系統(tǒng)中。制約該方法的關(guān)鍵因素是決策系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)的耦合度。由于智能化程度高，便于操作，運行穩(wěn)定、可靠，因此該方法在決策支持系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。endprint

3 汛期多目標優(yōu)化模型

根據(jù)上述兩節(jié)分析，在汛期主要考慮防洪作用，其次兼顧發(fā)電效益，以下是調(diào)度模型研究。通過水庫上游的歷史數(shù)據(jù)以及實時來水數(shù)據(jù)，水庫汛期調(diào)度以洪峰量最小，水位盡量低這兩個指標做為目標。我們在第一章介紹了關(guān)于多目標的相關(guān)理論。這里將對上述兩個目標用公式進行量化，量化為目標函數(shù)。

（1）壩前最高水位最低目標。

（1）

（2）水庫下泄洪峰流量最小目標。

（2）

式中，為t時刻水庫水位，目標U為調(diào)度期內(nèi)允許水庫最高水位，為時刻t水庫下泄流量，目標L為調(diào)度期內(nèi)水庫允許的最大下泄流量。

水庫汛期調(diào)度中存在很多約束條件，具體主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）水量平衡約束。

（3）

（2）水庫水位約束。

（4）

這個約束當然隸屬于水庫自身的最大最小庫容限制以及汛期內(nèi)調(diào)節(jié)庫容的大小限制范圍。

（3）調(diào)度期末水位約束。

（5）

這個約束表示在調(diào)度期結(jié)束的時候，水庫水位盡可能的滿足目標控制水位，但是這個約束并不是強制性約束，在實際應(yīng)用中可以不用嚴格執(zhí)行。

（4）下泄流量約束。

（6）

（5）水庫泄流能力約束。

（7）

（6）流量變幅約束。

（8）

（7）水庫防洪調(diào)度規(guī)程要求。

在上述這些約束中，存在一些參數(shù)，表示t時刻的入庫流量，表示t時刻的水庫庫容；表示t時刻水庫允許的最低水位，表示t時刻水庫允許的最高水位；表示t時刻的水庫的允許的最小下泄流量，表示t時刻的水庫的最大允許下泄流量；表示汛期調(diào)度期結(jié)束后的實際水位，為目標控制水位；表示水庫相應(yīng)于水的最大下泄能力；表示時段最大流量變幅。

該文進行汛期調(diào)度的目的是：尋求壩前最高水位的最低要求，以及水庫下泄洪峰流量最小目標，由此建立汛期優(yōu)化調(diào)度多目標決策模型。

這里涉及多目標問題，多目標的最優(yōu)解與單目標的最優(yōu)解有著根本上的不同，多目標問題一般情況下是沒有最優(yōu)解，只有相對最優(yōu)解，這是在第二章已經(jīng)復述過的。在實際求解過程中，最好的方法是將原有的多目標決策問題轉(zhuǎn)化為單個目標決策優(yōu)化問題，根據(jù)單個目標進行求解得到的最優(yōu)值即為多目標最優(yōu)解。

4 結(jié)果分析

該例中的水庫位于河流上游，控制面積為4219 km2，占全流域面積的34.6%。壩址多年平均流量139 m3/s。相應(yīng)年徑流量40.4億 m2。設(shè)計洪水位284 m，水庫正常蓄水位280 m，防洪限制水位279 m，死水位237 m?？値烊?6.48億 m2，死庫容23.7億 m2，有效庫容47.5億 m2，庫容系數(shù)為1.16。常規(guī)防洪調(diào)度圖如圖1。

根據(jù)常規(guī)調(diào)度圖我們可以看到，出庫水量在第15時段達到出庫水量最大值，而水位也是相應(yīng)地在第15時段達到最高水位，下文將展示汛期優(yōu)化調(diào)度模型進行求解后的結(jié)果調(diào)度圖表。

該文將某水庫某年汛期進行分段，取某年汛期某水庫洪水過程為例，歷時34個時段，每個時段為3小時，將八月上旬的洪水數(shù)據(jù)，包括洪水時間、來水流量、時段降雨量等數(shù)據(jù)，導入上述模型進行求解，得到洪水過程計算結(jié)果。34個時段為某年汛期分期第二時段的洪水數(shù)據(jù)以及模型求解后動態(tài)水位控制結(jié)果，包括水位、出庫徑流以及庫容的變化。該34個時段與之前的分期是沒有任何關(guān)系的，只是將汛期分期后某一時段的洪水數(shù)據(jù)以3h為間隔，該時段內(nèi)洪峰歷時34個小時，也就是34個時段。

汛期調(diào)度洪水數(shù)據(jù)用圖形直觀表示如圖2。

某時段洪水歷時34個時段，每個時段為3個小時，在時段15時，產(chǎn)生最大入庫流量為1527m3/s，此時應(yīng)將以最大發(fā)電流量下泄，將多余的水留在水庫中。洪水結(jié)束后，控制汛限水位為279.211 m。

參考文獻

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