流域梯級(jí)水資源管理決策支持系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究
——以金沙江下游—三峽梯級(jí)水電站為例

張海榮，鮑正風(fēng)，湯正陽(yáng)，徐 楊，劉亞新，任玉峰

（1.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，443133，宜昌；2.智慧長(zhǎng)江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，443133，宜昌）

一、研究背景

修建梯級(jí)水電站是實(shí)現(xiàn)水資源高效利用的有效途徑。 通過在河段上合理規(guī)劃建設(shè)電站，可充分利用河流的水能資源，在保證防洪安全的前提下，爭(zhēng)取發(fā)電、航運(yùn)、供水等效益的最大化。 我國(guó)在長(zhǎng)江中上游流域規(guī)劃建設(shè)了眾多水電基地，目前已形成以長(zhǎng)江干流三峽—葛洲壩梯級(jí)為核心，以金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩為主干， 金沙江中游梯級(jí)、雅礱江梯級(jí)、大渡河梯級(jí)、嘉陵江梯級(jí)和烏江梯級(jí)等5 大水電基地混聯(lián)的水資源格局。 其中，金沙江下游—三峽梯級(jí)防洪庫(kù)容占長(zhǎng)江上游防洪庫(kù)容的75.4%， 裝機(jī)容量占全國(guó)水電裝機(jī)容量的13%。 充分發(fā)揮金沙江下游—三峽梯級(jí)電站的防洪、發(fā)電等綜合效益， 對(duì)于保障國(guó)家防洪安全、能源供應(yīng)、推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展具有重要意義。

隨著水文氣象情勢(shì)不斷改變、上游電站相繼建成投運(yùn)、電力市場(chǎng)改革持續(xù)推進(jìn)，水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行面臨著許多新的變化。 當(dāng)前， 如何考慮氣象、水文、 上游電站建設(shè)等環(huán)境變化的影響，以水庫(kù)調(diào)度規(guī)程、眾多科研項(xiàng)目成果為指導(dǎo)，在生態(tài)調(diào)度、電力市場(chǎng)調(diào)度運(yùn)行邊界內(nèi)，尋求滿足業(yè)務(wù)需求的優(yōu)化調(diào)度方案，是金沙江下游—三峽梯級(jí)水資源管理面臨的關(guān)鍵問題。

二、研究現(xiàn)狀

1.水資源管理決策支持系統(tǒng)研究進(jìn)展

隨著運(yùn)籌學(xué)、控制論以及系統(tǒng)平臺(tái)技術(shù)的逐步發(fā)展，決策支持系統(tǒng)研究不斷深入，呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉的突出優(yōu)勢(shì)。 目前，美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)、丹麥水利研究所、美國(guó)喬治亞理工學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)已研發(fā)了水資源管理決策支持系統(tǒng)（Water Resources Management Decision Support System，WRMDSS），而國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究應(yīng)用較少。原因主要有二：一是我國(guó)水資源管理規(guī)模巨大，世界尚無其他國(guó)家的水資源調(diào)度涉及如此多的水庫(kù)、如此復(fù)雜的水庫(kù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 二是我國(guó)水資源管理目標(biāo)眾多， 管理體制與國(guó)外不同，相關(guān)調(diào)度模型在國(guó)內(nèi)的沿用受到制約，照搬國(guó)外水資源管理模式難以解決我國(guó)水資源管理相關(guān)問題。

2.金沙江下游—三峽梯級(jí)水電站水資源管理現(xiàn)狀

當(dāng)前，三峽集團(tuán)下屬中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司全面負(fù)責(zé)金沙江下游—三峽梯級(jí)電站的水資源管理業(yè)務(wù)，包括水雨情遙測(cè)、流域氣象水文預(yù)報(bào)、調(diào)度運(yùn)行等相關(guān)方面的工作。

在水雨情遙測(cè)方面，長(zhǎng)江電力依托三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，建設(shè)并管理著國(guó)內(nèi)水電企業(yè)中規(guī)模最大、功能最齊全的水雨情遙測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括自建站與共享站共1400 余個(gè)，控制上游流域65 萬km2，可在10分鐘內(nèi)收集流域范圍內(nèi)的所有水雨情信息，并實(shí)時(shí)監(jiān)視水雨情數(shù)據(jù)。

在氣象水文預(yù)報(bào)方面，通過與中國(guó)氣象臺(tái)等多家單位保持長(zhǎng)期合作，三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心建設(shè)了一整套氣象水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)。 除常規(guī)天氣預(yù)報(bào)外，該系統(tǒng)還提供各類災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)、預(yù)警服務(wù)，為梯級(jí)水庫(kù)樞紐防洪調(diào)度及各類應(yīng)急調(diào)度提供支持。 水文預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)已基本覆蓋整個(gè)長(zhǎng)江上游流域，利用各類模型提供短、中、長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

調(diào)度運(yùn)行主要包含短期 （3～7 天計(jì)劃）、中期（旬、月計(jì)劃）、長(zhǎng)期（年計(jì)劃）調(diào)度計(jì)劃制作及實(shí)時(shí)運(yùn)行。 短期調(diào)度計(jì)劃主要以15 分鐘為尺度，中期以日為尺度，長(zhǎng)期以旬、月為尺度。實(shí)時(shí)運(yùn)行主要依據(jù)當(dāng)日計(jì)劃進(jìn)行，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行水位、 流量等情況對(duì)計(jì)劃實(shí)時(shí)跟蹤修正， 保障梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行安全及綜合效益發(fā)揮。目前，調(diào)度計(jì)劃的制作與運(yùn)行主要依托水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)及電調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)， 它們是金沙江下游—三峽梯級(jí)信息收集分析、 水庫(kù)綜合調(diào)度、 電力調(diào)度控制以及實(shí)施梯級(jí)調(diào)度業(yè)務(wù)的綜合平臺(tái)， 但在優(yōu)化調(diào)度與決策支持方面的功能略顯不足。

3.存在問題

由于內(nèi)外部環(huán)境不斷變化，金沙江下游—三峽梯級(jí)水資源管理面臨的矛盾愈發(fā)突出。

從時(shí)間尺度上看，水電系統(tǒng)的調(diào)度運(yùn)行需要在多時(shí)間尺度 （包括年、月、旬、日前、日內(nèi)以及實(shí)時(shí)尺度）進(jìn)行統(tǒng)一，要改變以往不同時(shí)間尺度計(jì)劃間彼此割裂的情勢(shì)。 大尺度計(jì)劃應(yīng)為小尺度計(jì)劃提供邊界約束與起訖目標(biāo)，小尺度計(jì)劃也應(yīng)隨著調(diào)度計(jì)劃的不斷執(zhí)行為大尺度計(jì)劃提供反饋，在保證大尺度調(diào)度目標(biāo)完成的情況下， 不斷修正未來小尺度調(diào)度計(jì)劃。僅從發(fā)電調(diào)度的角度看，長(zhǎng)、中、短期調(diào)度計(jì)劃的耦合嵌套研究需求十分迫切。

從空間尺度上看，水電系統(tǒng)涉及不同區(qū)域、不同流域、不同梯級(jí)、不同電站甚至不同電站廠房之間（如溪洛渡左右岸分廠）的調(diào)度協(xié)同。 僅從水力聯(lián)系來看，金沙江下游—三峽梯級(jí)電站的來水受到金沙江中游、 雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江等流域梯級(jí)的調(diào)度影響，上游水庫(kù)群未來調(diào)度計(jì)劃的未知性，為下游梯級(jí)調(diào)度計(jì)劃制定帶來極大困難；徑流在河道傳播的水力學(xué)特征不確定，也為下游梯級(jí)的調(diào)度計(jì)劃帶來了較大誤差。 此外，考慮到電網(wǎng)條件，不同區(qū)域甚至廠站之間的發(fā)電計(jì)劃如何協(xié)調(diào)，也是在庫(kù)群調(diào)度運(yùn)行中需要考慮的問題。

從目標(biāo)維度上看，水電系統(tǒng)涉及防洪、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)、供水等不同調(diào)度目標(biāo)間的平衡，還涉及不同利益主體（不同流域梯級(jí)）之間的協(xié)調(diào)。 近年，防洪調(diào)度要求愈發(fā)嚴(yán)格，如何在汛限水位嚴(yán)監(jiān)管的條件下，滿足水庫(kù)航運(yùn)、生態(tài)、供水等多目標(biāo)需求，充分發(fā)揮金沙江下游—三峽梯級(jí)間的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度潛力，進(jìn)行水庫(kù)群綜合效益最優(yōu)的調(diào)度研究顯得尤為重要。

綜上，科學(xué)有效的水資源調(diào)度方案將能有效指導(dǎo)水庫(kù)群安全穩(wěn)定運(yùn)行，保障水庫(kù)綜合效益充分發(fā)揮。 金沙江下游—三峽梯級(jí)水資源管理決策支持系統(tǒng)作為水調(diào)系統(tǒng)、電調(diào)系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，其設(shè)計(jì)開發(fā)顯得尤為必要。 為達(dá)到以上建設(shè)目標(biāo)，該系統(tǒng)涵蓋了水庫(kù)河道仿真模擬、梯級(jí)水庫(kù)群長(zhǎng)中短期優(yōu)化調(diào)度、預(yù)報(bào)及調(diào)度運(yùn)行評(píng)估、業(yè)務(wù)場(chǎng)景與應(yīng)用示范等四大基本模塊，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

三、關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)金沙江下游—三峽梯級(jí)水資源管理面臨的突出問題，金沙江下游—三峽梯級(jí)水資源管理決策支持系統(tǒng)從巨型水電能源數(shù)據(jù)整編、上游水庫(kù)群智能模擬、 河道水動(dòng)力學(xué)模擬、長(zhǎng)中短期優(yōu)化調(diào)度、預(yù)報(bào)調(diào)度效益評(píng)估、 多業(yè)務(wù)嵌套重構(gòu)等6 個(gè)方面，系統(tǒng)總結(jié)了6 大關(guān)鍵技術(shù)。

1.巨型水電能源系統(tǒng)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)收集與處理

水庫(kù)群的水資源管理涉及眾多要素，包括流域氣象水文、電站調(diào)度運(yùn)行、電網(wǎng)負(fù)荷等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以及調(diào)度規(guī)程、調(diào)度指令、生態(tài)調(diào)度方案等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。 決策支持系統(tǒng)以水電能源系統(tǒng)中水文氣象要素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景等海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù) （信息）為主要對(duì)象，系統(tǒng)研究了水電能源大數(shù)據(jù)的清洗、融合方法，智能辨析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完備性，并制定了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式和調(diào)用方法，為后續(xù)調(diào)度業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.長(zhǎng)江上游水庫(kù)群調(diào)度智能模擬

為考慮上游水庫(kù)群調(diào)蓄影響，在梯級(jí)水庫(kù)群間現(xiàn)有調(diào)度計(jì)劃共享不夠全面的背景下，基于上游水電站的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBF）、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）等方法，提取上游水庫(kù)群的調(diào)度規(guī)則，在調(diào)度計(jì)劃制作中分析預(yù)測(cè)上游水電站最可能的蓄泄規(guī)律，為下游電站調(diào)度運(yùn)行提供參考。 同時(shí)，考慮到上游電站的建設(shè)進(jìn)程，針對(duì)兩河口等即將投產(chǎn)的電站， 設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)增減水電站、調(diào)度規(guī)則訓(xùn)練以及提取的功能。

3.河道水文過程及水庫(kù)下游泄水波演進(jìn)模擬

當(dāng)涉及上下游電站聯(lián)合調(diào)度時(shí)，電站間水力聯(lián)系的解析是難點(diǎn)問題，上游電站的下泄流量何時(shí)到達(dá)下游，下游電站的庫(kù)水位對(duì)上游電站的尾水位有何影響，在水庫(kù)精細(xì)化調(diào)度中尤為重要。 針對(duì)此問題，決策支持系統(tǒng)通過將長(zhǎng)河段劃分成若干子河段，對(duì)每一子河段分別建立一維水動(dòng)力學(xué)模型，以實(shí)測(cè)斷面地形、水文站實(shí)測(cè)水文過程等為基礎(chǔ)， 率定模型參數(shù)，模擬計(jì)算不同條件下河道斷面的水力過程，實(shí)現(xiàn)流域水動(dòng)力過程的仿真模擬。 通過系統(tǒng)探究梯級(jí)電站不同運(yùn)行條件對(duì)水文過程和下游電站入庫(kù)流量影響，研究建庫(kù)后壩址間、庫(kù)區(qū)內(nèi)、河道內(nèi)洪水傳播規(guī)律，在實(shí)現(xiàn)給定邊界條件和調(diào)度方案的前提下出入庫(kù)流量和沿程水面線的仿真，為短期及實(shí)時(shí)精細(xì)化調(diào)度提供輸入，也為三峽水庫(kù)庫(kù)尾淹沒分析提供依據(jù)。

4.流域梯級(jí)水電站群長(zhǎng)中短期嵌套聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化調(diào)度

立足實(shí)際業(yè)務(wù)需求與約束，將運(yùn)行方式、電力市場(chǎng)、環(huán)境保護(hù)、應(yīng)急調(diào)度等多維約束模型化，有效提升優(yōu)化模型的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值與功能拓展空間。 在此基礎(chǔ)上，探究中長(zhǎng)期調(diào)度與短期調(diào)度耦合嵌套模式，建立了梯級(jí)水電站群不同時(shí)間尺度調(diào)度模型耦合嵌套方法，實(shí)現(xiàn)了上下層模型間的“控制”和“反饋”功能。 “控制”表現(xiàn)為上層模型為下層模型提供調(diào)度期初末的控制水位約束；“反饋”表現(xiàn)為以實(shí)際出現(xiàn)的當(dāng)前水位為起調(diào)水位，調(diào)整后續(xù)余留期的優(yōu)化調(diào)度方案。 充分利用實(shí)際運(yùn)行和最新預(yù)報(bào)信息，盡可能減小計(jì)劃與實(shí)際運(yùn)行偏差，將相互割裂的年、月、日計(jì)劃進(jìn)行整合。

圖1 金沙江下游—三峽梯級(jí)水資源管理決策支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.預(yù)報(bào)調(diào)度效益定量評(píng)估指標(biāo)及后評(píng)估體系

水庫(kù)調(diào)度涉及對(duì)歷史過程的復(fù)盤分析、總結(jié)提煉，對(duì)當(dāng)前過程的實(shí)時(shí)監(jiān)視、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)未來計(jì)劃的改進(jìn)修正、不斷挖潛。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)首先需要研究提出預(yù)報(bào)調(diào)度效益定量評(píng)估指標(biāo)，建立相關(guān)評(píng)估體系。決策支持系統(tǒng)綜合考慮流域、電站、機(jī)組等多層級(jí)的經(jīng)濟(jì)、安全、優(yōu)化性能和可靠性綜合評(píng)估指標(biāo)集， 構(gòu)建了可反映梯級(jí)水庫(kù)群綜合調(diào)度效益指標(biāo)層次的優(yōu)化方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。 通過制定不同的計(jì)算基準(zhǔn)，提出定量評(píng)估防洪、發(fā)電等調(diào)度效益中人為與自然因素影響的方法，回答這樣一個(gè)問題： 梯級(jí)電站發(fā)電量年年攀升，究竟有多少歸功于優(yōu)化調(diào)度，有多少歸功于來水偏豐影響。

6.流域一體化水資源管理模式下多業(yè)務(wù)嵌套重構(gòu)

該技術(shù)針對(duì)場(chǎng)次洪水、應(yīng)急調(diào)度等不同調(diào)度事件，以及消落期、蓄水期、汛期等不同調(diào)度時(shí)期，以上游水庫(kù)群智能模擬、洪水傳播、庫(kù)群調(diào)度等模型方法為基礎(chǔ)，重構(gòu)相關(guān)業(yè)務(wù)流程，打通流域一體化水資源管理模式鏈條，滿足不同調(diào)度需求。

以場(chǎng)次洪水調(diào)度場(chǎng)景為例。 首先， 在流域一體化水資源管理的視角下， 進(jìn)行上游水庫(kù)群調(diào)度運(yùn)行模擬， 再結(jié)合上游水庫(kù)群調(diào)蓄影響進(jìn)行洪水傳播模擬， 分析關(guān)鍵斷面實(shí)時(shí)水位以及當(dāng)前水位距移民參考線的距離， 并對(duì)有淹沒危險(xiǎn)的斷面進(jìn)行提醒警告。 在以上兩步分析的基礎(chǔ)上， 進(jìn)行多方案的水庫(kù)調(diào)度方案制作。 最后，利用預(yù)報(bào)調(diào)度評(píng)估體系進(jìn)行不同調(diào)度方案的評(píng)估對(duì)比，最終制定該場(chǎng)次洪水的調(diào)度方案。 用戶只需一次操作， 系統(tǒng)即可完成上述完整場(chǎng)景的生成， 為業(yè)務(wù)人員提供全面決策。

四、展 望

受制于技術(shù)水平與研究格局，當(dāng)前研究仍有較多不足，后續(xù)研究工作可從以下方面開展。 首先，進(jìn)行長(zhǎng)江上游流域水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究。目前研究工作僅采用數(shù)據(jù)挖掘等多種方法分析了上游水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度情景， 將其作為邊界輸入金沙江下游—三峽梯級(jí)水庫(kù)的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型。 其次， 充分考慮電力市場(chǎng)影響。 隨著我國(guó)電力市場(chǎng)改革相關(guān)工作不斷推進(jìn)， 未來需深化聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度與電力市場(chǎng)的結(jié)合， 研究考慮電網(wǎng)負(fù)荷需求及電量現(xiàn)貨交易的發(fā)電優(yōu)化調(diào)度。