張軍保

摘 要：該文以面向汛期多任務的水庫水資源優(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。相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：汛期 多任務 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。

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。

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的發(fā)展，洪水預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。科學的設計與運用汛限水位，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。隨著水文預報理論的快速發(fā)展，現(xiàn)代監(jiān)控與觀測系統(tǒng)的建設，使得水文預報與降雨預報精度的提高，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、設計洪量設計洪水過程線，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的洪水則應用規(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、基于預報信息的防洪預報調(diào)度方式以及預泄能力約束法調(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報的精度為制約該法的關鍵因素。

（2）預蓄預泄法。

根據(jù)水文預報以及調(diào)度權衡過程中，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系；邏輯關系；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于多目標的相關理論。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)度期結束后的實際水位，為目標控制水位；表示水庫相應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。相應年徑流量40.4億 m2。設計洪水位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，此時應將以最大發(fā)電流量下泄，將多余的水留在水庫中。洪水結束后，控制汛限水位為279.211 m。

參考文獻

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