珠江梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合抑咸優(yōu)化調(diào)度方案研究

劉 晉,黃春華,曾桂珍

(珠江水利委員會(huì) 珠江水利科學(xué)研究院，

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珠江梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合抑咸優(yōu)化調(diào)度方案研究

劉 晉,黃春華,曾桂珍

(珠江水利委員會(huì) 珠江水利科學(xué)研究院，

水利部珠江河口動(dòng)力學(xué)及伴生過程調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510611)

建立了以抑咸為目標(biāo)的珠江流域梯級(jí)水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度模型,采用優(yōu)化算法對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行尋優(yōu)。通過珠江流域典型枯水期實(shí)測(cè)資料進(jìn)行模擬計(jì)算,將優(yōu)化計(jì)算結(jié)果與實(shí)際調(diào)度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,優(yōu)化調(diào)度模型在提高補(bǔ)水量的發(fā)電效率、緩解電量損失方面具有優(yōu)勢(shì),可為珠江枯水期水量統(tǒng)一調(diào)度方案的制定提供借鑒。

珠江流域；水庫(kù)；抑咸調(diào)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(dòng)頻繁,影響范圍愈來愈大,且持續(xù)時(shí)間愈來愈長(zhǎng),咸潮上溯已嚴(yán)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(kù)群的統(tǒng)一調(diào)度工作[1-2],很好地緩解了咸潮對(duì)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(diào)度過程來看,當(dāng)前的水資源調(diào)度模式與現(xiàn)有水庫(kù)以防洪發(fā)電為主要功能的調(diào)度運(yùn)行方式不相適應(yīng),水量調(diào)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(diào)度給各電站帶來的水量損失,本文通過建立以抑咸目標(biāo)為主,兼顧梯級(jí)發(fā)電量最優(yōu)的梯級(jí)水庫(kù)群多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型[5-6],在滿足下游抑咸目標(biāo)流量控制的基礎(chǔ)上,將調(diào)度時(shí)段內(nèi)的發(fā)電量進(jìn)行最優(yōu)分配,使梯級(jí)水庫(kù)群總的發(fā)電量最大,以提高電站的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 模型構(gòu)建

1.1目標(biāo)函數(shù)

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

OBJ：Optimal(Q抑咸+E發(fā)電+Q航運(yùn)+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(kù)t時(shí)段初、t時(shí)段末庫(kù)容；QI(m,t)、QO(m,t)分別為第m水庫(kù)第t時(shí)段的入庫(kù)和出庫(kù)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(kù)正常運(yùn)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(diào)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(yùn)、生態(tài)、用水等方面的最小流量；QOmax(m,t)為考慮機(jī)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(jìn)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(yùn)用馬斯京根法進(jìn)行河道水流的演進(jìn),Q(m,t)為第m水庫(kù)t時(shí)段的流量。

1.3模型求解方法

如何快速準(zhǔn)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(biāo)的實(shí)現(xiàn)途徑很多,且有很多方法應(yīng)用到了水庫(kù)群的優(yōu)化調(diào)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(dòng)態(tài)規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上,采用逐次逼近、協(xié)調(diào)迭代的方法逼進(jìn)最優(yōu)解,兼顧了尋優(yōu)計(jì)算的精度和速度。即采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃(DPSA)-逐步優(yōu)化(POA)混合算法進(jìn)行求解,同時(shí)發(fā)揮POA在求解單庫(kù)優(yōu)化方面的優(yōu)勢(shì),又緩解DPSA算法“維數(shù)災(zāi)”的壓力[9]。

模型求解的基本思路：首先采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法自上而下求解單一水庫(kù)按自身最有利方式運(yùn)行的軌跡線,作為POA和DPSA的初始軌跡線；然后用POA結(jié)合DPSA進(jìn)一步優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)梯級(jí)最優(yōu)。具體步驟：

Step 1：采用DP自上而下分別求解各水庫(kù)(M個(gè)水庫(kù))單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的最優(yōu)軌跡線,作為POA及DPSA算法的初始軌跡線。

Step 2：對(duì)梯級(jí)龍頭水庫(kù)采用POA再次優(yōu)化,其余M-1個(gè)水庫(kù)的運(yùn)行軌跡線(水庫(kù)水位)不變,這相當(dāng)于對(duì)M維決策向量加M-1個(gè)約束。這樣就可以用POA法求解,從而得到最上游水庫(kù)新的運(yùn)行軌跡線。

Step 3：再對(duì)第二級(jí)水庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化,除龍頭水庫(kù)保持新的運(yùn)行策略外,下游其它水庫(kù)仍保持初始策略,用POA求解第二級(jí)水庫(kù)新的軌跡線。

Step 4：依次對(duì)第三級(jí)、第四級(jí)等水庫(kù)展開尋優(yōu),尋找新的水庫(kù)調(diào)度軌跡。

Step 5：重復(fù)Step 2—Step 4步驟,進(jìn)行第二輪、第三輪……迭代計(jì)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(biāo)函數(shù)值,ε為一非常小的正數(shù),取ε=0.0001。

2 優(yōu)化調(diào)度結(jié)果及分析

將上述建立的模型運(yùn)用到珠江流域梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合抑咸優(yōu)化調(diào)度研究中。根據(jù)歷次水量統(tǒng)一調(diào)度工作經(jīng)驗(yàn)及流域骨干水庫(kù)的調(diào)節(jié)性能,本次研究選取的骨干水庫(kù)包括天生橋一級(jí)、龍灘、巖灘和百色。其中天生橋一級(jí)、龍灘和巖灘3個(gè)水庫(kù)為西江干流的串聯(lián)梯級(jí)水庫(kù),百色為郁江干流上的水庫(kù),整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)4庫(kù)混聯(lián)調(diào)度的復(fù)雜水庫(kù)群,如圖1。各骨干水庫(kù)主要特征參數(shù)見表1。

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

圖1 水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)示意

表1 珠江流域骨干水庫(kù)主要特性值

本次研究為方便結(jié)果的分析對(duì)比,選取珠江流域咸潮上溯較為嚴(yán)重的2007—2008年枯水期(11月—次年2月)為調(diào)度時(shí)段,采用天生橋一級(jí)水庫(kù)和百色水庫(kù)的實(shí)測(cè)入庫(kù)流量作為上游的邊界輸入條件,為便于方案對(duì)比,下游梧州斷面抑咸流量按1 800m3/s控制。4個(gè)水庫(kù)的調(diào)度期的起調(diào)水位為2007年11月1日的實(shí)際庫(kù)前水位,其中天生橋一級(jí)水庫(kù)為778.69m,龍灘為342.92m,巖灘水庫(kù)為222.92m,百色水庫(kù)為219.93m。

通過建立上述模型并求解,得出調(diào)度期內(nèi)各骨干水庫(kù)水位變化分別如圖2、圖3、圖4和圖5。從梯級(jí)水庫(kù)群各水庫(kù)水位變化可以看出,優(yōu)化調(diào)度方案各水庫(kù)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(diào)節(jié)性能,調(diào)度初期由龍灘主要負(fù)責(zé)放水,充分利用天生橋一級(jí)水庫(kù)的高水頭進(jìn)行發(fā)電,后期主要由天生橋一級(jí)水庫(kù)承擔(dān)放水任務(wù)。

圖2 天生橋一級(jí)水庫(kù)實(shí)際調(diào)度與優(yōu)化調(diào)度水位過程對(duì)比示意

圖3 龍灘水庫(kù)實(shí)際調(diào)度與優(yōu)化調(diào)度水位過程對(duì)比示意

圖4 巖灘水庫(kù)實(shí)際調(diào)度與優(yōu)化調(diào)度水位過程對(duì)比示意

圖5 百色水庫(kù)實(shí)際調(diào)度與優(yōu)化調(diào)度水位過程對(duì)比示意

表2 本次優(yōu)化調(diào)度水量與實(shí)際調(diào)度水量對(duì)比

表3 骨干水庫(kù)抑咸調(diào)度骨干水庫(kù)發(fā)電量統(tǒng)計(jì)

本次優(yōu)化調(diào)度各水庫(kù)水位變化及調(diào)度水量與實(shí)際統(tǒng)一調(diào)度的實(shí)測(cè)值對(duì)比見表2。扣除天然來水后水庫(kù)的放水量為凈調(diào)度水量。本次優(yōu)化調(diào)度后各水庫(kù)調(diào)度期凈調(diào)度水量50.5億m3。在各水庫(kù)中,天生橋一級(jí)水庫(kù)凈調(diào)度水量最多,達(dá)到25.5億m3,這與梯級(jí)水庫(kù)群中天生橋一級(jí)水庫(kù)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)有關(guān),其次是龍灘水庫(kù),凈調(diào)度水量17.5億m3,龍灘和天生橋一級(jí)水庫(kù)總凈調(diào)度水量為43億m3,占總補(bǔ)水量的85.1%,是本次調(diào)水的兩個(gè)主力水庫(kù)。由于巖灘為日調(diào)節(jié)水庫(kù),本身調(diào)節(jié)能力有限,而百色水庫(kù)由于建成以后蓄水量一直不大,對(duì)下游補(bǔ)水的能力也有限。

本次優(yōu)化調(diào)度各電站在調(diào)度期間的發(fā)電量與實(shí)測(cè)發(fā)電量對(duì)比見表3,優(yōu)化調(diào)度方案各電站的發(fā)電量較各電站常規(guī)調(diào)度總共增加8.8億kW·h,較實(shí)際統(tǒng)一調(diào)度發(fā)電量增加0.43億kW·h。由于實(shí)際的統(tǒng)一調(diào)度中考慮了龍灘水庫(kù)的下游圍堰施工以及機(jī)組檢修,因此優(yōu)化調(diào)度方案中龍灘水庫(kù)的調(diào)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(duì)比結(jié)果表明,本次研究中采用的抑咸優(yōu)化調(diào)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(bǔ)水量沒有增加的情況下,通過水量在梯級(jí)水庫(kù)間的優(yōu)化調(diào)度,增加了梯級(jí)發(fā)電量(按各電站上網(wǎng)電價(jià)折算,直接經(jīng)濟(jì)效益約1.8億元),提高了水量的利用率,緩解了實(shí)際調(diào)度過程中水量調(diào)度對(duì)發(fā)電造成的影響,梯級(jí)水庫(kù)群抑咸優(yōu)化調(diào)度具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 優(yōu)化調(diào)度梧州斷面流量與實(shí)測(cè)流量過程對(duì)比示意

3 結(jié)語(yǔ)

本文在總結(jié)歷年珠江流域抑咸骨干水庫(kù)調(diào)度的基礎(chǔ)上,以珠江流域調(diào)節(jié)性能較好的大型水庫(kù)作為節(jié)點(diǎn),建立了以下游控制斷面抑咸流量和梯級(jí)水庫(kù)群發(fā)電量最大為主要目標(biāo)的梯級(jí)水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)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(diào)度結(jié)果在調(diào)度水量得到合理優(yōu)化的基礎(chǔ)上,梯級(jí)發(fā)電量也較常規(guī)調(diào)度有所增加,提高了水資源利用效率,產(chǎn)生了明顯的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益,可為指導(dǎo)枯水期珠江流域骨干水庫(kù)水量統(tǒng)一調(diào)度提供參考。

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(本文責(zé)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(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目《河湖水系生態(tài)連通規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究與示范》(201501030)。

劉晉(1984)，男，碩士，工程師，主要從事水資源調(diào)度與配置研究。

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