水库群联合调度全周期-自适应-嵌套式建模方法

仲志余　王学敏　丁毅

摘要：随着长江上游控制性水库群陆续建成投产，亟需提升水库群联合调度水平，促进水资源综合效益进一步发挥。针对流域水库群综合调度，研究了调度阶段划分方法，提出不同阶段各目标间的竞争协同关系，结合已有调度规程和成果给出了调度方式的数字化方法，形成了全周期-自适应-嵌套式调度模型搭建新技术。进一步以长江上游30座控制性水库为研究对象，明确了不同调度期的主要目标和运行条件，结合长江流域特征提出了针对性计算条件和防洪、供水、发电、水量利用率等方面的效益增量约束。最后，在长江流域进行了水库群联合调度案例计算分析。结果表明：提出的水库群多目标调度方法可有效发挥水库群综合效益，为流域调度管理提供有力支撑，具有较好的实用价值。

关键词：水库群; 多目标联合调度; 全周期建模; 长江流域

中图法分类号： TV697

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.001

0引 言

现代水库群多目标联合调度涉及防洪、供水、生态需水、发电、航运和电网安全等相互竞争、不可公度的调度目标[1]，是一类多层次、多属性的复杂多目标决策问题。现有的理论与方法仍存在局限性，难以解决大规模、多尺度、多目标流域一体化综合调度的应用难题，水利枢纽工程综合效益最大化等问题十分突出，已成为梯级水库群多目标优化联合调度研究的热点问题和发展趋势。

长江上游是长江源头至湖北省宜昌市的江段，河流总长度4 504 km，控制流域面积约100万km2，由金沙江水系、岷沱江水系、嘉陵江水系、乌江水系和干流区间5大水系组成（见图1）。长江上游控制性水库群相继建成投运，防洪[1]、供水[2]、水生态环境保护[3]、发电[4]、航运[5]等效益巨大。为此，本文围绕水库群系统多维目标综合调度开展研究，深度结合已有调度成果和规程，考虑流域调度运行特点，建立“全周期-自适应-嵌套式”水库群多目标协同调度模型，并以长江上游水库群为案例进行分析。

1水库群多目标调度概述

中国关于水电站优化调度模型研究起步较国外稍晚，20世纪60年代初国内学者首先通过翻译《运筹学在水文水利计算中的应用》《动态规划理论》等外文专著，将水电站优化调度研究领域引入国内。然而，水电站优化调度理论成功应用于实际工程已是1981年，张勇传等[6]将径流时段间相关性以及水文预报引入到水电站优化调度模型中，并成功应用于柘溪水电站优化调度中，取得了较大的经济效益。20世纪90年代后，随着中国水利建设事业的蓬勃发展，大量水利工程兴建投运，促进了中国水库调度理论的快速发展。

水库群多目标调度纳入了优化思想[7]，考虑水库群的流域范围、水力电力联系、控制对象位置、调度任务、工程工况等因素[8]，综合防洪、供水、生态、发电、航运等多目标调度需求，分区域、分上下游、分重点实现对调度对象的控制，发挥流域水库群综合效益。

目前的水库群多目标调度研究存在以下几个方面的不足，本文将有针对性开展研究。

（1） 建模的针对性不足。目前对于水库群调度建模方面的研究主要集中于优化模型;为了对目标进行有针对性的优化，建立的目标函数多为“求极限”（针对目标函数进行数学上的极值求解）的方式，其形式进行了一定程度的抽象或简化;如此建立的目标函数虽然具备了较强的通用性，且求解方式较为成熟，但由于缺乏对不同水库群实际特征的考虑，难以直接在实际生产中运用。为此，本研究将首先从实际调度中提取经验、规程、需求等要素，形成蕴含实际水库群调度特征的规则库。在此基础上，依据所處的不同时间、不同区域，引入上述现有的调度建模方式进行有限度的优化，从而实现在充分考虑水库群运行特点的情况下，寻求调度方式的最优。

（2） 对不同调度时期内的目标差异化考虑不足。现有调度模型方面的研究，往往针对具体的目标和时段进行模拟计算，不符合调度工作覆盖全年的实际情况，难以推广运用。因此，本研究将全年划分为前汛期、主汛期、汛期末段、蓄水期、供水期以及汛前消落期等阶段，分析不同阶段的主要矛盾和重点目标，寻求不同阶段间的转化控制指标，实现对全周期调度目标差异化考虑。

2全周期-自适应-嵌套式建模方法

为了实现调度计算对全过程的覆盖，以满足实际工作需求，需要对调度过程进行划分，并研究阶段间衔接和阶段内各目标间协调的方式，以此提出全周期-自适应-嵌套式建模方法。

2.1研究范围

综合考虑长江上游水库的建设规模、防洪能力、调节库容、控制作用、运行情况等因素[9]，本次选取具有代表性的30座水库进行研究。30座水库的拓扑示意见图2，30座水库的总库容为1 633亿m3，总防洪库容为498亿m3。

2.2调度阶段划分

水库数目多，且分布区域广，调度目标类别涵盖防洪、供水、生态、发电、航运等方面，呈现多样化特征。各类调度节点分布全流域，且同一调度期对不同目标的需求呈现层次性。调度目标的实现，既有时间的累加性（如水量利用率、发电效益），又有阶段聚焦性（如防洪效益、生态效益、供水效益）。

按照调度全周期的理念，考虑到阶段调度需求的差异性，将调度周期细划分为：前汛期、主汛期、汛期末段、蓄水期、供水期、汛前消落期等6大调度阶段，其中前汛期与汛前消落期、汛期末段与蓄水期有部分时段重合。前汛期与主汛期、蓄水期与供水期，因水库群分布区域广，具有一定水文异步性，在综合调度模型中只是概念上的划分，具体水库调度过程中，仍依据水库所在流域水文分期结论和现行调度规程进行具体划分。

长江流域汛期来水占比较大，且来水不均，通常而言，全周期的划分重点在于汛期内部的划分。本研究采用了水文统计分析法和Fisher最优分割法[10]对调度期进行划分。① 统计分析法，统计长系列的流量资料，分析年最大入流在汛期和非汛期的变化规律，根据其出现时间确定阶段划分。② Fisher最优分割法具有多指标聚类、不破坏样本时序性的优点，进行分割的原则是使得各类内部样本之间的差异最小，而各类之间的差异最大。

以金沙江下游为例，本研究根据1957～2012年共56 a旬平均入流资料，对全周期进行分割，如表1所列。

由表1可知，Fisher最优分割法与统计分析法相差不大，也基本符合《国务院关于长江流域防洪规划的批复》[11]中金沙江下游汛期为7月1日至9月10日的规定。因为Fisher最优分割法从数据本身出发，具有较强的数学背景知识，有效避免了主观确定相关阈值，故当数据较多且统计规律不够清晰的情况下，推荐采用Fisher最优分割法。

2.3调度阶段目标

长江流域水库群在不同调度阶段面临的主要需求各异，下面分别进行说明。

（1） 前汛期。

从流域防洪角度出发，前汛期以减少防洪压力为主。水库运行方式涵盖汛期运行水位动态控制、中小洪水调度等，调度效果主要从防洪效益、水量利用率、发电效益等角度衡量，其中防洪效益指标主要是减少控制站点水位超警戒、超保的时间。前汛期水量利用率和发电效益与中小洪水利用相关，当防洪运用较为频繁时，对水量利用率和发电效益的提升也较为明显。

（2） 主汛期。

从流域防洪安全角度出发，主汛期以减灾为主，水库运行方式主要为保障流域防洪安全。但从洪水发生概率和洪水发展过程分析，又分发生或未发生标准以上洪水情况，洪水过程又分起涨、发展、成型、消退等阶段，为此，主汛期调度以防洪减灾为主，并在量级较小阶段考虑减轻防洪压力，主要涉及的效益目标涵盖防洪效益、水量利用率、发电效益等。

（3） 汛期末段。

从流域防洪形势出发，该阶段的防洪重点是流域局部防洪安全，应为该区域预留足够的水库防洪库容，同时，剩余的防洪库容需结合流域防洪形势随着时段逐步、有序释放。该阶段在确保局部流域防洪安全的前提下，加强蓄水调度与防洪库容利用之间的协调。体现的效益指标主要包括水量利用率、发电效益，同时应该适当考虑对洞庭湖、鄱阳湖（后文称“两湖”）出湖水量的影响。

（4） 蓄水期。

该阶段的重点是如何结合下游用水需求，优化水库蓄水进程，提高流域整体蓄水工况。效益指标体现在发电效益、两湖生态用水影响、水库蓄满率等指标上。由于供水期调度过程较为稳定，可在一定程度上预测后期两湖水位变化过程，因此，蓄水期两湖水位可决定后期两湖生态效益的好坏，这部分生态效益可结合两湖生物对水位变化过程的需求进行系统性评估。

（5） 供水期。

该阶段主要是发电与供水的协调。供水保障目标具有一定的弹性，在保障后续发电能力的同时尽可能地提高供水量。该阶段的目标主要体现在发电效益和供水效益上，供水效益主要是体现供水调度目标断面的流量增幅。

（6） 汛前消落期。

该阶段主要是发电与防洪的协调。重点解决集中消落次序的问题，而防洪影响相对较小，需要避免因水库集中下泄而增加下游防洪压力。该阶段以发电为主，同时需考虑防洪压力与水量利用率。防洪方面，需要考虑前汛期两湖来水与上游集中消落遭遇的可能性，预防对下游防洪造成压力;水量利用率方面，主要为上游水库群的集中消落方式优化，避免增加水库的弃水量。

2.4现有调度方式的数字化

为了统一调度管理所有水库群运行方式，将已有成果和相关规则进行集成。水库群调度主要涉及

防洪、供水、生态、发电、航运、蓄放水、风险、应急等方面，成果和条件主要包括两类，如下所示。

（1） 特定条件下的水库运行方式条款，比如：汛期，当溪洛渡、向家坝水库拦洪结束后，按照满发流量7 000 m3/s进行下泄，直至回到汛限水位或进入下一次拦洪，如表2所列。此类规则能够直接确定调度过程中一个或多个时段的运行数值。

（2） 与调度计算有关的单值或过程约束，比如，在蓄水期，三峡水库下泄流量不能低于8 000 m3/s，如表3所列。此类规则不能直接确定调度过程，而是给出范围。

将涉及水库群的现有成果和调度约束数值化，作为可调整的参数，格式示例如表4所列，其中输入中包含的控制参数可用于考虑不同时段、不同对象的各项约束。

2.5模型搭建方式

通过上述内容，明确了各水库调度期的划分方式和各调度期内的阶段目标，并在现有成果和规程的基础上确定模型计算的条件和约束，只需将各水库不同阶段的主要需求作为目标，其他需求作为约束或条件，并通过流域上下游拓扑关系对水库群依次计算，以此搭建流域水库群全周期-自适应-嵌套式调度模型，相关说明如下。

（1） 全周期。主要体现在调度贯穿全周期和调度阶段细分两方面，其中调度全周期主要针对调度过程的连续性和完整性;调度阶段细分主要体现调度目标间矛盾的聚焦性和调度方案的针对性。

（2） 自适应。主要体现目标的切换和水库调度方式的转换。目标切换主要发生在调度阶段的过渡和调度需求最低限值遭到破坏的情境;水库调度方式的转换主要发生在当前目标满足程度发生变化的情况。

（3） 嵌套式。主要体现在时、空两个层面。时间方面主要考虑水库运行方案从长、中期间的计划到短期执行;空间方面主要考虑目标效益有从流域、区域、支流、水库等逐级嵌套分解的特点。

以三峡水库为例，可将一年划分为汛前消落期、前汛期、主汛期、汛期末段、蓄水期、供水期，其中调度任务包含防洪、供水、生态、发电、航運等，如图3所示。枯水发电期为上一年10月中旬至当年5月中旬;供水、航运调度贯穿全年;汛前消落期主要在5月中旬至6月中旬;汛期在6月中旬至9月中旬;汛末蓄水期在9月中旬至10月中旬;生态调度期一般为3月初至6月底。此外，3月处于消落期，供水、生态、发电、航运的用水需求集中，是多目标协调的重点时期;5～6月需要考虑消落期和前汛期的衔接;9～10月是三峡水库关键蓄水阶段，需要协调蓄水与供水运行。在以上调度期划分和阶段目标基础上，即可开展三峡水库全周期调度计算。下面，将重点针对长江流域上游30座控制性水库群开展调度研究。

3长江上游水库群多目标调度建模

本研究选取了防洪、供水、生态、发电、航运作为目标，并结合考虑长江上游水库群联合调度的特点，提出了不同目标、约束的应用方式。

3.1调度目标

流域水库群联合优化调控模型是具有多目标、多维度、多约束的复杂非线性问题。水库通常具有防洪目标、供水目标、生态目标、发电目标、航运目标等。

（1） 防洪目标。包括上游防洪安全和下游防洪安全。

上游防洪安全：为确保大坝枢纽安全，同时减轻上游的回水淹没风险，要求水库汛期运行水位尽量保持最低。

3.2调度控制指标

长江上游水库群联合调度中，除了考虑水位、流量、控制对象、出力、水量平衡等常规约束以外，还需要根据长江流域的特点设置若干控制条件，以此提升综合调度效益。本研究针对防洪、水量利用率、发电、供水等4个方面进行了最低效益控制，即设定了相关效益的最小值，以此保障综合效益的发挥。防洪主要考虑降低洪灾损失，水量利用率表示发电对水量的利用程度，发电量目标用发电量的增长表示，供水主要针对长江中下游主要干流站点的枯期流量。针对长江上游30座控制性水库，其评价方式如下：

（1） 防洪减灾。以典型年实测洪水过程为方案计算的来水，涉及长江上游有预留防洪库容的26座水库，不包括洪家渡、乌江渡、东风、葛洲坝等4座。将年度《长江流域水工程联合调度运行计划》的水库防洪运行方式作为基础防洪方案，上游水库在配合三峡水库过程中，采用同步拦蓄方式，对于未开展配合三峡水库同步拦蓄研究的水库，则按照装机容量对应的满发流量控制下泄。

（2） 水量利用率。采用以日为单位的长系列径流资料，重點考虑溪洛渡、向家坝、三峡等梯级水库。将梯级水库的总水量利用率作为评价指标，重点考虑目前存在弃水较多的年份，以目前发电运行方式作为基础方案，对比水量利用率的增加程度。

（3） 发电量效益。与水量利用率采用同样的径流资料和基础方案，分析发电量的增加程度。

（4） 供水效益。应用水量利用率同样的径流资料，其他水库采用旬径流（部分差值到日尺度），结合《长江流域水工程联合调度运行计划》和发电运行方式，将宜昌断面的枯期平均流量作为评价指标。

3.3流域特点约束考虑方式

上述模型是实现综合调度目标的载体，是生成面向全周期多目标综合调度的水库群运行方案的主体，其中

防洪、供水断面流量、发电、水量利用率等目标增值的实现将成为模型计算内在的驱动力和约束力。以现有调度规程为基础，结合上述统计分析和Fisher调度阶段划分方法，将调度周期分为6个阶段，依次编号T1～T6，分别代表前汛期、主汛期、汛期末段、蓄水期、供水期、汛前消落期。

4长江典型案例分析

将上述多目标调度模型应用于长江上游水库群调度，以此说明计算效果。本次选取流域整体来水较大、也常用于方案计算评价的1998年洪水用于模型计算，1998年长江洪水是20世纪以来仅次于1954年的流域性大洪水，汛期暴雨频繁、雨带南北拉锯上下游摆动，长江干流宜昌水文站出现了多次量级超50 000 m3/s的洪峰，下游两湖地区也多次发生较大涨水过程，中下游多站水位超历史且长时间位于高位。

1998年的三峡水库还原来水过程如图5所示，最大洪峰达约62 000 m3/s，加上下游区间来水，使得中下游河道流量超过中下游枝城、城陵矶地区的过流能力。枝城站和莲花塘站（城陵矶地区）是长江上游水库群对中下游防洪的重点控制站，1998年枝城和莲花塘站的河段过流能力为56 700 m3/s和60 000 m3/s，汛期还原过程如图6～7所示，峰值约65 000 m3/s和103 000 m3/s，如果不进行有力应对，则会对中下游地区造成巨大洪灾损失。

采用本文提出的联合调度模型对1998年进行仿真计算。模型计算涉及长江上游30座水库，以防洪和综合利用效益为主，并考虑了下游地区的防洪、供水、生态、发电、航运需求。汛期，重点针对洪水启用水库群进行联合防洪运用，并在退水阶段伺机腾库，同时，在来水较小的情况下适时进行洪水资源利用，发挥水资源综合利用效益;非汛期，水库群以综合利用为主，在考虑各河段生态基流、供水流量、航运需求的基础上，积极发挥水库群的发电效益，并在汛末和汛期过后尽量保障水库群蓄满，为后期水资源综合效益发挥提供条件。

1998年模型计算结果如表5所列，30座水库汛期拦蓄水量合计427.56亿m3，全年发电5 272.91亿kW·h，各水库水量利用率为61.33%～100.00%，总体水量利用率80.73%。此外，各水库的下泄流量都满足生态流量需求，确保了流域的生态效益。

1998年的三峡水库运行过程如图8所示，其中1998年枝城和莲花塘站的还原和计算流量过程如图9～10所示。宜昌到枝城区间的来水较小，上游水库群主要对城陵矶地区进行防洪调度，同时兼顾了对枝城的防洪，通过拦蓄使得枝城和莲花塘站的流量降到56 700 m3/s和60 000 m3/s以下，保障了长江中下游河段的行洪安全。

通过1998年联合调度结果可以看出，提出的多目标联合调度模型，能够在批复的《2020年长江流域水工程联合调度运用计划》的要求和调度空间内，充分发挥水库群的防洪和综合效益，在汛期成功应对流域型大洪水，在非汛期充分发挥供水、生态、发电、航运等综合效益，为长江上游水库群联合调度提供全时段的多目标综合调度技术支撑。

5结 语

通过研究水库不同调度期的衔接方式，在调度规程的基础上明确了水库群在不同调度期的目标、条件和约束，建立了水库群全周期-自适应-嵌套式调度模型，实现全调度周期覆盖、调度期自适应衔接、调度目标主次嵌套的水库群联合调度，并在长江上游水库群进行应用。结果表明：本研究针对长江流域特征而建立的水库群多目标调度模型，可有效发挥水库群综合效益，为流域调度管理提供有力支撑，也可为其他流域水库群联合调度提供有益参考。

參考文献：

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[11]长江水利委员会.长江流域防洪规划[R].北京：中华人民共和国水利部，2008.

（编辑：谢玲娴）

Abstract：As the controlled reservoirs in the upper reaches of the Changjiang River are successively completed and put into operation，it is urgent to improve the joint operation level of the reservoir groups to promote the further utilization of the comprehensive benefits of water resources.In response to the comprehensive scheduling of the watershed reservoir groups，the dispatching period division method was studied，and the competitive synergy relationship between targets in different phases was proposed.The digitizing method was proposed in conjunction with the operating scheduling rules and research results，forming a full cycle-adaptive-nested technology for scheduling modeling.Further，taking 30 controlled reservoirs in the upper reaches of the Changjiang River as the research object，the main objectives and operating conditions of different dispatching periods were clarified.Combined with the characteristics of the Changjiang River Basin，targeted calculation conditions and efficiency incremental constraints in flood control，power generation，water utilization and water supply were proposed.Finally，a case study of the joint operation of reservoir groups in the Changjiang River Basin showed that the operation method proposed can effectively exert the comprehensive benefits of reservoir groups，provide strong support for river basin operation and management，and has good practical value.

Key words：reservoir group;multi-objective joint operation;full-cycle modeling;Changjiang River Basin