面向汛期多任务的水库水资源优化调度研究

张军保

摘 要：该文以面向汛期多任务的水库水资源优化调度为研究对象，探讨了基于多目标优化模型的水库优化调度方法，论文对汛期水库调度进行分期研究，利用多目标理论方法将多目标进行转换，使用动态规划法对汛限水位进行控制，并与传统调度方法进行对比分析，水电站水库优化调度是水电站长期经济运行的中心内容，是管理和控制水库安全可靠性，合理利用水资源、发挥水库综合效益的重要措施，是水电站及其水库长期运行计划的制定和实施的核心问题。相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：汛期 多任务 优化调度

中图分类号：TV213 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（c）-0029-02

水电站水库优化调度是在难以准确预知未来径流的情况下，避免工作上的差错，制定水库调度图或优化调度软件作为指导水电站水库运行的工具，以满足水电站可靠性和经济性的要求，达到最大效益。由于在较长时期内气象和水文条件的剧烈变化，水电站水库的天然来水在时间上分布极不均匀，借助水库对流量进行调节，蓄丰补枯，以适应发电等用水的需求，提高水资源利用程度，增加发电及其它用水的经济效益。从这个意义上说，水库调度计划即为水库蓄、供水计划。另一方面，水库蓄水可以抬高上游水位，提高水头，增发电能，因此可以说水库调度在提高水量利用程度和增加发电效益方面具有重要作用。

1 汛期调度特点

一年时间内，水库汛期一般是从7月份开始到10月份结束。汛期洪水的来源主要来自暴雨，而暴雨一般多发生在七、八月份。因此在保证大坝安全的前提下，做好汛期的发电运用以及下游排沙减淤，是水库最重要的任务。

水资源短缺，使水库防洪与兴利之间存在一定的矛盾，如何化解这个矛盾，在防洪保证大坝的安全的前提下，加固水库兴利作用，处理好水库防洪与兴利蓄水的矛盾是安全利用洪水资源的重要技术。

为了处理好兴利调度与防洪调度之间的矛盾，提高水库综合利用效率，应该采用科学的优化调度方法，而并非使用传统的经验方法。随着计算机科学技术的发展，洪水预报研究和入库洪水的估计准确率已经大大提高，为汛期洪水调度提供了很好的数据保障。汛期调度的研究不仅有助于提高洪水资源利用效率，而且具有重大的社会经济意义。

传统水库汛限水位控制方法为：机械的确定一个汛限水位，控制水位不超过汛限水位，当有洪水来时，水库迅速调节水库水位回落大汛限水位。这将导致“汛期不敢蓄水，非汛期无水可发电”，造成洪水资源浪费。在汛期初期，增加水库蓄水，临时占用部分防洪库容，若后期有大型洪水，可增加泄流量，可减少洪水风险；若后期无洪水到来，增加水头和水量将显著提高水库兴利效益。科学的设计与运用汛限水位，合理利用防洪与兴利库容，是发挥水库综合利用效益的有效手段。随着水文预报理论的快速发展，现代监控与观测系统的建设，使得水文预报与降雨预报精度的提高，使得调度人员在新的环境下，更好地提高了汛期调度的可用性。

2 汛期调度方法

汛期水位是汛期存在的一个水位值。传统的汛期调度方法则是采取单一固定的汛限水位。根据历年的洪水、暴雨资料进行分析，先确定一个汛期时间段，再根据历年汛期洪水资料对洪峰流量、设计洪量设计洪水过程线，在已知的约束条件下，对洪水进行验算，得到汛限水位。除此之外，还需要结合历史特大洪水资料即千年一遇或万年一遇洪水资料进行一起分析。

汛限水位有两种控制方法：静态控制和动态控制法。动态水位控制法我们将在随后进行描述，这里主要先介绍传统的静态控制法，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：就是前面提到的传统的汛限水位确定方法，以概率分布对洪水进行调度，忽视了汛期洪水在时间上的分布关系，导致了很多水库经常蓄不满水的现象，对水资源造成浪费。早期的水库一般都采用该法，随着社会进步和科技的发展，被另一种方法逐步替代。（2）分期汛限水位法：依据历史水文预报资料，对汛期进行时段划分为三期或者更多期，对研究的整个汛期时段内每日的限制水位值进行绘制曲线，根据曲线进行调度，实际调度中若遇到防洪标准相应的洪水则应用规定调度规则。

汛期水位动态控制运用方法可分为两类：一类为规划设计方面，一类是实时实施角度。第一类是考虑千年一遇或万年一遇设计洪水的汛限水位控制方法，包括固定汛限水位控制、基于预报信息的防洪预报调度方式以及预泄能力约束法调整的汛限水位控制法。另一类则是根据实时的水文气象预报信息，动态控制水库水位的方法。

汛限水位动态控制方法指的是，在洪峰来临之际，运行设计的汛限水位控制在一定范围之内，再根据实时调度的水文预报，实时的对水库水位进行动态的调控，目前有以下几种水位动态控制方法。

（1）补偿调度法。

在调度过程中，根据上、下游水库之间的库容和预报的差异性，动态控制水位，此方法主要适用于水库群梯级调度。库容状况以及洪水预报的精度为制约该法的关键因素。

（2）预蓄预泄法。

根据水文预报以及调度权衡过程中，面临时刻反馈信息可带来的风险评估，引入决策者的意见来动态地确定水位方案，此方法的关键因素在于防洪、发电、供水等各个方面效益风险评价。

（3）综合信息推理模式法。

该方法是一种宏观决策法，根据历史资料数据和影响水位的各种因素这些基本的前提下，再依照实时的水库综合信息，通过一些推理方法，给出满足条件的水位控制方案。这就是该方法的主要思想。这种方法主要的问题有：水位与其他影响因素之间的制约关系；逻辑关系；推理过程。因此必须满足一定的逻辑性以及具有一定推理过程的流程。

（4）耦合择优法。

根据时间变化和信息更新，重复择优并不断更新汛限水位，就是耦合择优法。将综合信息推理应用到决策系统与水库防洪调度系统中。制约该方法的关键因素是决策系统和调度系统的耦合度。由于智能化程度高，便于操作，运行稳定、可靠，因此该方法在决策支持系统中应用十分广泛。endprint

3 汛期多目标优化模型

根据上述两节分析，在汛期主要考虑防洪作用，其次兼顾发电效益，以下是调度模型研究。通过水库上游的历史数据以及实时来水数据，水库汛期调度以洪峰量最小，水位尽量低这两个指标做为目标。我们在第一章介绍了关于多目标的相关理论。这里将对上述两个目标用公式进行量化，量化为目标函数。

（1）坝前最高水位最低目标。

（1）

（2）水库下泄洪峰流量最小目标。

（2）

式中，为t时刻水库水位，目标U为调度期内允许水库最高水位，为时刻t水库下泄流量，目标L为调度期内水库允许的最大下泄流量。

水库汛期调度中存在很多约束条件，具体主要表现在以下几个方面。

（1）水量平衡约束。

（3）

（2）水库水位约束。

（4）

这个约束当然隶属于水库自身的最大最小库容限制以及汛期内调节库容的大小限制范围。

（3）调度期末水位约束。

（5）

这个约束表示在调度期结束的时候，水库水位尽可能的满足目标控制水位，但是这个约束并不是强制性约束，在实际应用中可以不用严格执行。

（4）下泄流量约束。

（6）

（5）水库泄流能力约束。

（7）

（6）流量变幅约束。

（8）

（7）水库防洪调度规程要求。

在上述这些约束中，存在一些参数，表示t时刻的入库流量，表示t时刻的水库库容；表示t时刻水库允许的最低水位，表示t时刻水库允许的最高水位；表示t时刻的水库的允许的最小下泄流量，表示t时刻的水库的最大允许下泄流量；表示汛期调度期结束后的实际水位，为目标控制水位；表示水库相应于水的最大下泄能力；表示时段最大流量变幅。

该文进行汛期调度的目的是：寻求坝前最高水位的最低要求，以及水库下泄洪峰流量最小目标，由此建立汛期优化调度多目标决策模型。

这里涉及多目标问题，多目标的最优解与单目标的最优解有着根本上的不同，多目标问题一般情况下是没有最优解，只有相对最优解，这是在第二章已经复述过的。在实际求解过程中，最好的方法是将原有的多目标决策问题转化为单个目标决策优化问题，根据单个目标进行求解得到的最优值即为多目标最优解。

4 结果分析

该例中的水库位于河流上游，控制面积为4219 km2，占全流域面积的34.6%。坝址多年平均流量139 m3/s。相应年径流量40.4亿 m2。设计洪水位284 m，水库正常蓄水位280 m，防洪限制水位279 m，死水位237 m。总库容86.48亿 m2，死库容23.7亿 m2，有效库容47.5亿 m2，库容系数为1.16。常规防洪调度图如图1。

根据常规调度图我们可以看到，出库水量在第15时段达到出库水量最大值，而水位也是相应地在第15时段达到最高水位，下文将展示汛期优化调度模型进行求解后的结果调度图表。

该文将某水库某年汛期进行分段，取某年汛期某水库洪水过程为例，历时34个时段，每个时段为3小时，将八月上旬的洪水数据，包括洪水时间、来水流量、时段降雨量等数据，导入上述模型进行求解，得到洪水过程计算结果。34个时段为某年汛期分期第二时段的洪水数据以及模型求解后动态水位控制结果，包括水位、出库径流以及库容的变化。该34个时段与之前的分期是没有任何关系的，只是将汛期分期后某一时段的洪水数据以3h为间隔，该时段内洪峰历时34个小时，也就是34个时段。

汛期调度洪水数据用图形直观表示如图2。

某时段洪水历时34个时段，每个时段为3个小时，在时段15时，产生最大入库流量为1527m3/s，此时应将以最大发电流量下泄，将多余的水留在水库中。洪水结束后，控制汛限水位为279.211 m。

参考文献

[1] 周慕逊.水库优化调度及其决策支持系统的研究与开发[D].杭州：浙江工业大学，2004.

[2] 王少波.黑泉水库调度系统的开发研究[D].西安：西安理工大学，2004.

[3] 王利.三门峡水库多目标优化调度研究[D].南京：河海大学，2006.endprint