单一水库优化调度方案在水库调度中的应用研究

贾瑞红

（唐山市陡河水库管理处 河北唐山 063021)

1 水库优化调度理论研究的现状

我国河网密布，水库非常多，然而河流的丰枯变化明显。为了合理有效的利用水资源，需要用合适的水库调度方案对水资源的利用进行调节。在方案的选取中，需要根据各种数学模型，分析研究水库调度理论和方法，设计和制定出水库优化策略。

所谓水库优化调度，主要是根据水库蓄水量的多少，以水库的大坝安全为首要要求，对入库的水量进行控制和调节，使泄水量能保证不影响下游安全，还可以将之用于水利发电等方面的一种提高水库综合效益的控制技术。单一的水库不同于水库群，在研究的过程中，我们要考虑到水库服务及影响范围，而不需考虑水库之间的相互联系。虽然不需要考虑水库之间的联动控制，但是单一水库自身在丰水期和枯水期水库水量的差距很大。所以对单一水库优化调度方案的研究则应相应的做出改变。

我国在关于水库优化调度方面的研究和探索已经有着丰硕的成果，并且优化调度理论和实际已经结合的相当成熟。对于单一水库而言，建立符合水库和地区实际情况的优化调度方案是必须的。本文用动态规划数学建模、逐步优化算法2种不同的方案模型，分别对单一水库的优化调度问题进行了研究。探讨了这些方案在单一水库调度中的现实意义。

2 单库优化调度动态规划(DP)数学模型

单一水库的优化调度需要满足水库的防洪要求，另一方面要考虑水库大坝的安全性和管理的可行性，同时，还要保证水库的蓄水容量，防止洪水对下游地区的人民生活及作物生产造成损失。这就需要根据一定的方法，采取合适的措施有计划的进行蓄水和防水工作，保证水库和人民生产生活的最大效益。从这些目的出发本文提出了单一的水库优化调度动态规划模型。数学模型一般包括阶段变量、状态变量、决策变量、系统方程、目标函数和约束条件等。

2.1 阶段变量

根据汛期和非汛期，按月或者季度进行划分，具体应根据当地相应的实际进行确定，用t来表示。

2.2 状态变量

在水库优化调度中，要考虑的状态变量比较多，主要是以某个时间段水库中的水量作为状态变量，用S（t)表示。

2.3 决策变量

可以用某个时间段内水库蓄水量的变化情况来表示，也可用此时阶段内径流变量作为决策变量 D（t)。

2.4 系统方程

将某个时间段水库蓄水的变化量平衡方程作为系统方程：

式中：Q(t)为时段内入库的水量；L(t)为水库中蒸发或者其他原因损失的水量。

2.5 目标函数

单一水库主要用于保证人民生产生活正常进行，本文中暂不考虑其他综合条件。在保证水库的泄洪能力、大坝的安全性以及对下游地区的影响较小的情况下，其目标函数只需要保证泄洪水量均匀且为最小。

2.6 约束条件

主要约束条件有水库蓄水量状态约束、时间段内的泄洪量状态约束、水库蓄水量边界条件约束以及不同的水库的防洪规程等。

单一水库动态规划数学模型的求解可以从多种方面实现，针对单一水库和水库群的不同，则要根据实际地理情况和自然水文条件来制定不同的方案，以提高单一水库调度的运行效率。

3 逐步优化算法(POA)数学模型

算法(POA)适用于由多个动态阶段组成的决策性问题，其中的集合部分与初始值以及最终的结果相比要更好。利用逐步优化算法能够在整个问题中，利用收敛的方式得到全局中唯一的最优解。下文将介绍这种方案在单一水库调度中的运用，以水库的蓄水量为决策变量，径流量根据计算所得的蓄水量最优值得出。计算过程见图1。水库方面的优化调度方案，大多数的模型都有着针对性，下文中的防洪调度方案是根据逐步优化算法（POA)建立出来，并根据各种约束条件制定出最佳的调度方案，使得水库在防洪等领域发挥了很大的应用潜力。

3.1 目标函数

根据逐步优化算法列出的目标函数为：

式中：qt为出库径流流量；t0、td为洪水过程始末；Q区为区间流量。

3.2 约束条件

约束条件要体现单一水库中防洪调度的相关要求。水库能够允许的最高水位要保证水库自身安全；水库的最低水位则反映了水库对防洪以及兴利的协调关系。另外水库的泄洪能力关系着水库大坝自身的安全。

将逐步优化算法(POA)应用于水库优化调度方案分析研究中，并建立相应的数学方案。该方案能够有效的减少洪水的冲击影响、枯水期的调节补偿，可操作性强，发挥效果迅速，可提高水库的综合效益。

4 水库优化调度方案实施及综合效益

4.1 做好天气预报及降水量检测

检测入库的平均流量对决策水位的影响是非常重要的。单一水库优化调度是以时段初始水库的蓄水水位和预报的入库流量为依据，最终分析得出时段后的决策水位。

（l)关注气象站的天气预报及降水预报，根据入库的径流系数，即可得到降水时间段的入库水量的平均流量。应时刻注意出现降水量超出或者低于预报中的水量，要将临时段通流情况配合进来考虑。

（2)在汛期要时刻关注暴雨天气的出现，要做好暴雨天气预报。在对单一水库实施优化调度之前，要分析本地区的暴雨情况以及水库优化调节失败的案例，并编写相关的技术文件，根据天气形势或者天气预报，判断是否即将出现暴雨，然后再进行水库的调节，非常有必要。

图1 计算过程示意图

（3)枯水期利用退水曲线预报。枯水期只要相应的根据当地水文资料进行预报，对水库的蓄水量进行调节，使水量能够保证水库所要满足的功用。单一水库要保证需水量，水库不能从别的水库得到调节。

4.2 优化调度的综合效益

单一水库优化调度能够增加水库的发电量，提高装机容量和利用时间。合理的调度水资源,能避免洪水对人民生活及农作物的破坏，枯水期能够有效的调节水量，给农作物提供灌溉，能够促进农业的发展。水利发电能够提供周边地区的工农业用电，增加了水库的综合效益。单一水库对周边地区的影响是显而易见的，利用水电可以避免周边地区的环境因为火力发电等造成的环境影响，水库也可以调节当地的气候，使得人民生活更加和谐。

考虑当地水文特性，水库自身工程特性等因素，分析研究，提出科学的调度方案，即单一水库优化调度方案。按照科学的方案做指导，对水库的合理调度才有章可循，可避免调度过程中出现盲目性和主观性。研究表明，对单一水库进行合理优化调度，可以取得很大的经济效益，提高社会资源分布的合理性。合理使用优化调度方案后，经济效益和社会效益较之前有很大的提高。总之，在各行各业飞速发展的今天，科学技术在不断的进步，对水利的要求也在不断的提高。在少增加或者不增加投资的情况下，不断发掘水库的潜能，提高综合效益是发展的必然趋势，也具有十分重要的战略意义。

1 宋朝红，雷声隆.水库调度自优化模拟技术的最优域[J].水能源科学，2002，（3)：47-50.

2 雏文生，宋星源.洪水预报与调度[M].武汉：湖北科学技术出版社，2008：76-82

3 黄永强.水能利用[M].北京：中国水利水电出版社,2011：17-21