梯級泵站水資源優化調度研究綜述

摘 要：通過對水資源分布情況介紹，從梯級泵站水資源優化調控的管理方式、所采用建立模型的算法及梯級泵站級間有無分水任務等方面闡述梯級泵站水資源優化調度的國內外研究現狀，以及存在的問題，提出今后梯級泵站水資源優化調度研究的趨勢。

關鍵詞：水資源；管理調控方式；優化調控方法

中圖分類號：TV675 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160432048

梯級泵站水資源優化調度主要研究的方向在2個方面：泵站系統本身的優化如進出水池水位調控、出水建筑物類型、抽水能源單耗與流量、抽水流量和揚程等；泵站上下梯級間的優化如最優揚程分配、泵站輸水系統、各條輸水線路水位和流量分配、各泵站開機臺數與機組運行工況等；梯級泵站根據泵站梯級間有無分無任務來優化調度，最終的目的都是在保證正常輸水的基礎上降低年耗電（油）費和年運行費用，同時有利于增效、節能、環保，有利于管理，有利于資源的可持續發展。

1 國內外梯級泵站水資源優化調度研究現狀

1.1 水資源分布

根據2013年水利部公布水資源顯示，我國水資源總量約為2.8萬億m3，整體上呈現分布不均、時程變化大和年內年際分配不均局面，同時還存在開發空間有限、用水量逐年增加和用水結構變化明顯的現象等。如黃、淮、海3大流域，水資源只占全國的8%，而耕地面積占全國的40%；而2013年統計的用水結構是用水量占當年水資源總量的22.1%，農業用水降低到63.4%，而生活、工業、生態用水相應增加到12.1%、22.8%、1.7%。而大體上水量的趨勢是東南沿海向西北內陸遞減，內陸西北地區也是地大水少情況。為了解決水資源分布的情況，國內相繼發展了很多大大小小的調水工程，例如南水北調；在管道輸水過程中，正是由于水泵及梯級泵站的廣泛應用，使得水泵的能耗約占全國總能耗的21%。

據相關的統計可以發現，現在世界上很多國家已經建設、正在建設或者擬建的大型流域調水工程已經超過了160項，并且建設泵站也不是在世界各地遍布。國外如美國、前蘇聯、法國、澳大利亞、巴基斯坦、印度等，都根據需要規劃和建設了跨流域調水梯級泵站。建設的這些泵站其技術特點以及目的都有一定的區別。比如北美的水電聯盟計劃，前蘇聯進行了二十幾年研究和規劃的“北水南調”也是離不開梯級泵站輸送水，在1974年巴基斯坦進行了西水東調工程的建設，澳大利亞東南部規劃建設了雪山工程，印度恒河區建設的調水工程以及法國帝朗斯—凡爾頓工程都是利用梯級泵站輸送。

1.2 管理調度方式

國外在20個世紀60年代便開始了利用計算機來進行供水系統輔助調度管理的研究和探索，比如加拿大的多倫多以及美國的丹佛和費城等，都是通過遙控設備來將管網中控制點的壓力、出廠流量、出廠壓力、功率、水位以及溫度等運行參數及時的傳輸到中心調度中去，對于出現的超常現象則需要自動的報警，并將其作為控制人員操作和控制的依據。現在日本、法國、美國以及英國等一些國家的城市已經實現了供水系統計算機優化調度管理，并進行了調度管理軟件的編制，比如美國和英國的OPWAD等。為了預防泵站緊急事故，國內已經再利用計算機監測，為了準確及時掌握泵站實時動態，已經把遙感技術運用在一些大中型泵站上。

在我國國內很多學者和專家在20世紀70年代開始便努力的把計算機技術應用到泵站供水系統優化設計、模擬和水廠水質控制中去。在供水系統優化和調度管理等方面也進行了嘗試和探索，進行了相關應用軟件的開發，比如WNW等，并在廣州等地進行了嘗試應用。但是由于我國國內受到積水手段和國內設備條件的限制，可以在供水經濟性和可靠性等方面獲得成功的案例還比較少。但是隨著科技的發展和人們的要求提高，進行供水系統調度優化是供水行業發展的整體趨勢。

國內針對梯級泵站調度管理復雜等特點，從檢驗各種設計、控制方案、應急調度預案、工程安全運行和保證水源供給等方面提出了合理建設調度管理系統。梯級自動化調度系統構成主要包含了下面幾部分：分別是應用系統、應用支撐平臺、數據存儲與管理系統、計算機網絡系統、通信系統、系統運行實體環境6大部分組成，包括水量調度、閘站監控、視頻監視、安全監測、水質監測、工程防洪等核心生產應用系統，還包括與企業運行相關的辦公運營應用系統，以及通信網絡等信息化基礎設施。在功能監控、調度、運行以及安全管理等方面，自動化調度系統的作用非常重要，利用調度運行管理信息化決策會商職稱環境以及信息化作業平臺，能夠實現調度和管理的自動化，目標實現能夠保質保量及時的實現。

1.3 梯級泵站水資源優化調度

1.3.1 模型研究應用

最早提出水庫調度優化概念的是UBeTKOB，并使用隨機動態規劃方法研究水庫優化調度問題；Young以Hall等人研究為基礎，應用動態規劃方法研究了單一水庫的最優控制問題，隨后各個學者又將單一水庫調度模型擴展到多水庫情形；受到水庫調度優化啟示，國外相繼涌現了利用動態規劃方法（DP）（1968）、遺傳算法（GA）（1999）和蟻群算法（ACA）（2005）方法建立的數學模型，并應用在多級泵站水資源優化調度中。21世紀以來，國內諸多學者也把遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法等許多新興的算法應用到了泵站優化調度過程中。為了解決更加復雜的技術優化問題，收斂速度更快，搜索精度更高，于是混合粒子群算法誕生，即周期離散為若干時段并進行流量分配，通過計算各時段內的各機組耗電電費以逼近泵站實際耗電電費的免疫粒子群算法（IAPSO）（2013），能夠有效地解決梯級泵站優化調度問題，降低了泵站運行成本。后來，學者們逐漸嘗試將基本粒子群算法（PSO）、自適應慣性權重粒子群算法（APSO）、動態規劃與模擬退火相結合的混合算法（DP-SA）（2013）結合，并應用于梯級泵站輸水優化調度實踐上。這些新興的方法和傳統方法結合的算法，也進一步完善了對數學模型研究梯級泵站水資源優化調度問題。

1.3.2 有無分水任務

史京轉等（2012）采用動態規劃和模擬技術相結合的算法，建立了級間無分水任務的多級泵站優化調度的動態規劃數學模型，運用Flex語言編程對多級泵站進行優化計算，證明了改善級間流量配合也是提高多級泵站效率、降低供水能耗的主要途徑。適用于多級機組間無分水的多級泵站。梯級泵站級間有分水任務；都是通過分水流量來控制，各種水力條件要比無分水任務的復雜多，不管是國內還是國外，研究均不多。

泵站優化調度主要包含了調度決策以及管理技術的優化，也就是在一定時期中，根據一定標準，在滿足相關條件的情況下，確保泵站運行目標函數能夠達到極值。從輸水距離長短和泵站數量及泵站等各方面因素思考，梯級泵站作為一個系統本身便比較復雜，進行優化調度時不但需要考慮到上面的幾種因素，還應該和社會經濟、自然環境以及資源政策結合在一起。要求不同，調度時其目標也會存在一定差別。鑒于泵站的用途、自然環境、機組形式以及水泵型號等方面，決定于調度的目標有最小棄水量，最小能耗、最優組合及最佳工況點等。因此泵站的水資源優化調度也是一個綜合性復雜問題。

2 梯級泵站水資源優化調度存在的問題和發展趨勢

2.1 存在的問題及展望

2.1.1 梯級泵站優化調度存在的問題

梯級泵站水資源優化調度研究雖然有所進展，但還存在一些問題：

我國泵站的自動化系統不健全，只有少數大型泵站實現了局部自動化控制；

大多數泵站的優化調度研究將僅僅局限于泵站，或者考慮的因素多少是否都對梯級泵站優化調度有作用； 梯級泵站系統本身便比較的復雜和龐大，地區用水量以及徑流來水量都存在明顯的隨機性和不確定性，對其進行預報和預測范圍都比較大，很難確定其準確性；

模型算法存在一定的局限性，有些模型本身便比較繁瑣，操作起來比較復雜，求解梯級最優時計算時間比較長，甚至還有些模型算法為了克服存在的維數災問題進行了大量的假設以及簡化，這樣模型很難對其泵站群實際情況進行描述，優化的相關結果和實際情況存在較大誤差。

2.1.2 梯級泵站優化調度展望

現在方法和最優化理論也不斷的成熟，灰色理論、模糊理論、神經網絡等計算方法愈加成熟，也更好的運用到了泵站優化調度中去。并且，泵站工程自動化水平也在不斷提高，在泵站運行計算機監控系統中，優化調度理論的應用也在不斷增加。

鑒于梯級泵站系統的復雜性，大中型泵站實現了自動化控制同時也充分考慮專業技術人才運用，這樣會加強人和機優點的結合，有利于管理。

泵站作為水資源系統中的重要一環，對于泵站的優化調度研究將不僅僅局限于泵站，而會更多地從水資源大系統來全面的考慮，如包括泵站工程、蓄水工程、輸水工程和控制調節工程等。

如何使梯級泵站的優化調度模型更加體現其隨機性，更符合實際，獲得更準確的結果是今后應考慮的問題。

模型算法的局限性主要解決研究者是否有足夠的實際經驗和實地勘測操作，或者參與工作，考慮主要因素，忽略次要因素，建立適合地方局域性數學模型去解決。

2.2 意義

梯級泵站水資源優化調度指的便是通過優化技術的運用來提高科學管理的科學性，努力找到最合適的調度策略，在確保其運行安全、滿足水量需要以及輸水水壓的情況下，不斷的降低其運行的實際成本，將其社會環境以及經濟效益發揮出來。在優化調度梯級泵站時，不但需要考慮到單個泵站的實際運行效益，還需要全面考慮泵站系統以及水資源系統的世界情況，對其進行協調和統籌，讓各級泵站和用水之間更加和諧。可以肯定，隨著我國大型跨流域抽調水工程和區域抽調水工程的實施，人們將會更近一步體會到梯級泵站優化調度研究帶來的優越性。

參考文獻

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作者簡介：虎春生（1990-），男，寧夏彭陽人，工程碩士，助工，研究方向：供水工程理論與技術。