劉 晉,黃春華,曾桂珍

(珠江水利委員會 珠江水利科學研究院，

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珠江梯級水庫群聯(lián)合抑咸優(yōu)化調度方案研究

劉 晉,黃春華,曾桂珍

(珠江水利委員會 珠江水利科學研究院，

水利部珠江河口動力學及伴生過程調控重點實驗室,廣東 廣州 510611)

建立了以抑咸為目標的珠江流域梯級水庫群優(yōu)化調度模型,采用優(yōu)化算法對調度方案進行尋優(yōu)。通過珠江流域典型枯水期實測資料進行模擬計算,將優(yōu)化計算結果與實際調度結果進行對比分析,優(yōu)化調度模型在提高補水量的發(fā)電效率、緩解電量損失方面具有優(yōu)勢,可為珠江枯水期水量統(tǒng)一調度方案的制定提供借鑒。

珠江流域；水庫；抑咸調度

由于受到流域連續(xù)枯水、河道下切、海平面上升等原因,珠江河口咸潮活動頻繁,影響范圍愈來愈大,且持續(xù)時間愈來愈長,咸潮上溯已嚴重影響了港澳及珠三角地區(qū)的用水安全。2005年以來,珠江流域連續(xù)開展了枯水期骨干水庫群的統(tǒng)一調度工作[1-2],很好地緩解了咸潮對供水安全的影響[3-4],保障了珠三角下游地區(qū)的用水安全。然而,從歷次調度過程來看,當前的水資源調度模式與現(xiàn)有水庫以防洪發(fā)電為主要功能的調度運行方式不相適應,水量調度與發(fā)電要求之間存在一定的矛盾。

為緩解珠江流域枯期水量抑咸調度給各電站帶來的水量損失,本文通過建立以抑咸目標為主,兼顧梯級發(fā)電量最優(yōu)的梯級水庫群多目標優(yōu)化調度模型[5-6],在滿足下游抑咸目標流量控制的基礎上,將調度時段內的發(fā)電量進行最優(yōu)分配,使梯級水庫群總的發(fā)電量最大,以提高電站的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。

1 模型構建

1.1目標函數(shù)

本次研究建立的模型首要目標是滿足下游梧州斷面的抑咸控制流量要求,梯級水庫群是典型的“以水定電”運行模式。采用的目標函數(shù)包括抑咸、發(fā)電、航運以及生態(tài),目標函數(shù)可以描述為：

OBJ：Optimal(Q抑咸+E發(fā)電+Q航運+Q生態(tài))

(1)

1.2約束條件

1) 水量平衡約束

V(m,t+1)=V(m,t)+(QI(m,t)-QO(m,t))×Δt

(2)

式中V(m,t)、V(m,t+1)分別為第m水庫t時段初、t時段末庫容；QI(m,t)、QO(m,t)分別為第m水庫第t時段的入庫和出庫流量。

2) 蓄水位約束

Zmin(m,t)≤Z(m,t)≤Zmax(m,t)

(3)

式中Zmin(m,t)、Zmax(m,t)為水庫正常運行過程中的最低和最高水位,一般為死水位和防洪高水位(汛期視防洪調度要求而定)。

3) 下泄流量約束

QOmin(m,t)≤QO(m,t)≥QOmax(m,t)

(4)

式中QOmin(m,t)為綜合考慮下游航運、生態(tài)、用水等方面的最小流量；QOmax(m,t)為考慮機組過水能力和下游防洪要求的最大下泄流量。

4) 河道水量演進約束

Q(m+1,t+1)=C0Q(m,t+1)+C1Q(m,t)+C2Q(m+1,t)∑C=1

(5)

模型中運用馬斯京根法進行河道水流的演進,Q(m,t)為第m水庫t時段的流量。

1.3模型求解方法

如何快速準確地得到最優(yōu)方案是優(yōu)化模型求解的主要目的。從系統(tǒng)工程角度,目前優(yōu)化目標的實現(xiàn)途徑很多,且有很多方法應用到了水庫群的優(yōu)化調度中[7-8]。以往研究也發(fā)現(xiàn),單一智能搜索算法在求解最優(yōu)解的過程中是優(yōu)劣并存的。本文在求解模型的過程中,采用常規(guī)的動態(tài)規(guī)劃方法的基礎上,采用逐次逼近、協(xié)調迭代的方法逼進最優(yōu)解,兼顧了尋優(yōu)計算的精度和速度。即采用動態(tài)規(guī)劃(DPSA)-逐步優(yōu)化(POA)混合算法進行求解,同時發(fā)揮POA在求解單庫優(yōu)化方面的優(yōu)勢,又緩解DPSA算法“維數(shù)災”的壓力[9]。

模型求解的基本思路：首先采用動態(tài)規(guī)劃法自上而下求解單一水庫按自身最有利方式運行的軌跡線,作為POA和DPSA的初始軌跡線；然后用POA結合DPSA進一步優(yōu)化,從而實現(xiàn)梯級最優(yōu)。具體步驟：

Step 1：采用DP自上而下分別求解各水庫(M個水庫)單獨運行時的最優(yōu)軌跡線,作為POA及DPSA算法的初始軌跡線。

Step 2：對梯級龍頭水庫采用POA再次優(yōu)化,其余M-1個水庫的運行軌跡線(水庫水位)不變,這相當于對M維決策向量加M-1個約束。這樣就可以用POA法求解,從而得到最上游水庫新的運行軌跡線。

Step 3：再對第二級水庫進行優(yōu)化,除龍頭水庫保持新的運行策略外,下游其它水庫仍保持初始策略,用POA求解第二級水庫新的軌跡線。

Step 4：依次對第三級、第四級等水庫展開尋優(yōu),尋找新的水庫調度軌跡。

Step 5：重復Step 2—Step 4步驟,進行第二輪、第三輪……迭代計算,直到滿足收斂條件為止。收斂判斷條件

(6)

式中 TotalE(K)為第K輪的目標函數(shù)值,ε為一非常小的正數(shù),取ε=0.0001。

2 優(yōu)化調度結果及分析

將上述建立的模型運用到珠江流域梯級水庫群聯(lián)合抑咸優(yōu)化調度研究中。根據(jù)歷次水量統(tǒng)一調度工作經(jīng)驗及流域骨干水庫的調節(jié)性能,本次研究選取的骨干水庫包括天生橋一級、龍灘、巖灘和百色。其中天生橋一級、龍灘和巖灘3個水庫為西江干流的串聯(lián)梯級水庫,百色為郁江干流上的水庫,整個系統(tǒng)是一個4庫混聯(lián)調度的復雜水庫群,如圖1。各骨干水庫主要特征參數(shù)見表1。

珠江流域梯級水庫群優(yōu)化調度問題是一個多階段決策最優(yōu)化問題,涉及到多年調節(jié)、年調節(jié)以及日調節(jié)等不同調節(jié)性能的水庫,為了充分減少“維數(shù)災”帶來的問題,本次計算將日調節(jié)水庫采用簡化方法考慮。即只考慮其出入庫平衡,始終固定其水位值。

圖1 水庫優(yōu)化調度系統(tǒng)示意

表1 珠江流域骨干水庫主要特性值

本次研究為方便結果的分析對比,選取珠江流域咸潮上溯較為嚴重的2007—2008年枯水期(11月—次年2月)為調度時段,采用天生橋一級水庫和百色水庫的實測入庫流量作為上游的邊界輸入條件,為便于方案對比,下游梧州斷面抑咸流量按1 800m3/s控制。4個水庫的調度期的起調水位為2007年11月1日的實際庫前水位,其中天生橋一級水庫為778.69m,龍灘為342.92m,巖灘水庫為222.92m,百色水庫為219.93m。

通過建立上述模型并求解,得出調度期內各骨干水庫水位變化分別如圖2、圖3、圖4和圖5。從梯級水庫群各水庫水位變化可以看出,優(yōu)化調度方案各水庫水位變化均處于緩慢下降的階段,優(yōu)化方案充分利用了龍灘的調節(jié)性能,調度初期由龍灘主要負責放水,充分利用天生橋一級水庫的高水頭進行發(fā)電,后期主要由天生橋一級水庫承擔放水任務。

圖2 天生橋一級水庫實際調度與優(yōu)化調度水位過程對比示意

圖3 龍灘水庫實際調度與優(yōu)化調度水位過程對比示意

圖4 巖灘水庫實際調度與優(yōu)化調度水位過程對比示意

圖5 百色水庫實際調度與優(yōu)化調度水位過程對比示意

表2 本次優(yōu)化調度水量與實際調度水量對比

表3 骨干水庫抑咸調度骨干水庫發(fā)電量統(tǒng)計

本次優(yōu)化調度各水庫水位變化及調度水量與實際統(tǒng)一調度的實測值對比見表2?？鄢烊粊硭笏畮斓姆潘繛閮粽{度水量。本次優(yōu)化調度后各水庫調度期凈調度水量50.5億m3。在各水庫中,天生橋一級水庫凈調度水量最多,達到25.5億m3,這與梯級水庫群中天生橋一級水庫調節(jié)能力強有關,其次是龍灘水庫,凈調度水量17.5億m3,龍灘和天生橋一級水庫總凈調度水量為43億m3,占總補水量的85.1%,是本次調水的兩個主力水庫。由于巖灘為日調節(jié)水庫,本身調節(jié)能力有限,而百色水庫由于建成以后蓄水量一直不大,對下游補水的能力也有限。

本次優(yōu)化調度各電站在調度期間的發(fā)電量與實測發(fā)電量對比見表3,優(yōu)化調度方案各電站的發(fā)電量較各電站常規(guī)調度總共增加8.8億kW·h,較實際統(tǒng)一調度發(fā)電量增加0.43億kW·h。由于實際的統(tǒng)一調度中考慮了龍灘水庫的下游圍堰施工以及機組檢修,因此優(yōu)化調度方案中龍灘水庫的調度水量增加,發(fā)電量也隨之增加。通過上述水量和發(fā)電量對比結果表明,本次研究中采用的抑咸優(yōu)化調度方案,梧州斷面抑咸流量保證程度由71.1%提高到了94.2%(如圖6),而且在補水量沒有增加的情況下,通過水量在梯級水庫間的優(yōu)化調度,增加了梯級發(fā)電量(按各電站上網(wǎng)電價折算,直接經(jīng)濟效益約1.8億元),提高了水量的利用率,緩解了實際調度過程中水量調度對發(fā)電造成的影響,梯級水庫群抑咸優(yōu)化調度具有很好的經(jīng)濟效益。

圖6 優(yōu)化調度梧州斷面流量與實測流量過程對比示意

3 結語

本文在總結歷年珠江流域抑咸骨干水庫調度的基礎上,以珠江流域調節(jié)性能較好的大型水庫作為節(jié)點,建立了以下游控制斷面抑咸流量和梯級水庫群發(fā)電量最大為主要目標的梯級水庫群優(yōu)化調度模型,并采用混合優(yōu)化算法求解多維模型,通過模型得出優(yōu)化調度結果在調度水量得到合理優(yōu)化的基礎上,梯級發(fā)電量也較常規(guī)調度有所增加,提高了水資源利用效率,產生了明顯的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益,可為指導枯水期珠江流域骨干水庫水量統(tǒng)一調度提供參考。

[1] 謝淑琴. 珠江骨干水庫調度方案評價[J].人民珠江, 2007(6):11-13．

[2] 姚章民,劉智森,吳偉強. 珠江骨干水庫調度水情咸情特點及預報評價[J].人民珠江, 2007(6):7-10．

[3] 陳斌,楊聿. 珠江骨干水庫調度對遏制磨刀門水道咸潮上溯的效果分析[J]. 廣東水利水電, 2009(4): 10-14．

[4] 孫甲嵐. 珠江流域分布式水文模擬及水庫壓咸優(yōu)化調度研究[D].天津: 天津大學, 2014．

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(本文責任編輯 王瑞蘭)

Study on Cascade Reservoir Operation in Pearl River for Saltwater Tide Control

LIU Jin, HUANG Chunhua, ZENG Guizhen

(Pearl river hydraulic research institute ，Key Laboratory of the Pearl River Estuarine Dynamics & Associated Process Regulation,MWR，Guangzhou 510611, China)

As the goal of saltwater tide control, cascade reservoir optimal operation model in Pearl River is established, and optimal algorithm is adopted to search the best scheme. Using simulation calculation in the typical drying season in Pearl River, the contrastive analysis of optimal result and the real operation scheme shows that, the optimal operation model has obvious advantage in raising power generation efficiency with supplementary water and decreasing electricity loss. The model provided reference for the unified regulation of dry season in the Pearl River.

the Pearl River； reservoir； operation for saltwater tide control

2016-06-08;

2016-07-06

水利公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目《河湖水系生態(tài)連通規(guī)劃關鍵技術研究與示范》(201501030)。

劉晉(1984)，男，碩士，工程師，主要從事水資源調度與配置研究。

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