漢江流域梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度研究

馬雅麗，彭 昆

(武漢珞珈山水設(shè)計(jì)咨詢有限公司，湖北 武漢 430070)

水庫調(diào)度是指利用水庫的調(diào)蓄能力對天然徑流進(jìn)行調(diào)節(jié)，也是指基于水利工程自身工況以及水文預(yù)報(bào)，在保障自身安全和上下游防洪安全的前提下，以綜合利用水資源為原則，通過水利樞紐的過水建筑物有目的地對來水進(jìn)行蓄放，從而達(dá)到興利、減災(zāi)的目的。水資源分布時(shí)空不均是制約我國城市水資源利用效率的重要因素，而科學(xué)、合理地進(jìn)行水庫調(diào)度以及跨流域調(diào)水是解決這一問題的有效手段[1]。當(dāng)前，隨著流域生態(tài)保護(hù)建設(shè)進(jìn)一步得到關(guān)注，水庫的生態(tài)調(diào)度也成為水庫運(yùn)行調(diào)度的主要目標(biāo)之一，對于水庫優(yōu)化調(diào)度，國內(nèi)外學(xué)者研究較多，研究的方法也較為成熟[2]，水庫調(diào)度運(yùn)用方法主要分為兩類：一類是常規(guī)調(diào)度，另一類是智能調(diào)度。常規(guī)調(diào)度通常以常規(guī)調(diào)度圖來對水庫進(jìn)行管理，較為直觀簡潔，其調(diào)度結(jié)果具有可行性，但是沒有考慮到未來來水，往往不是最優(yōu)解，而且涉及目標(biāo)比較單一，有一定缺陷，不太適用于處理多目標(biāo)多約束的問題。在如今越來越復(fù)雜的水庫調(diào)度問題中，傳統(tǒng)的算法已不能很好地解決此類問題[3]。近年來，學(xué)者們已經(jīng)將多種智能算法運(yùn)用到水庫調(diào)度中，并取得了較好的成績。馬玉新[4]等人運(yùn)用組織進(jìn)化粒子群算法解決了單一粒子群算法存在的早熟和易陷入局部最優(yōu)的問題，并將其運(yùn)用到黃河上游某水庫中，取得了較好成效，朱小凱[5]等人運(yùn)用多目標(biāo)可變模糊優(yōu)選模型對白石水庫進(jìn)行了興利調(diào)度。本文主要采用了POA算法，結(jié)合水庫庫容、上下游水庫的相對位置以及供水對象等對漢江流域上三座大型水庫進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，分別為石泉、丹江口、安康水庫，對于支流上的潘口、黃龍灘水庫按照各自的調(diào)度圖進(jìn)行運(yùn)算。

1 水庫群簡介

丹江口水庫是一座綜合型水庫，兼具防洪、供水、發(fā)電和航運(yùn)等多項(xiàng)功能[6]。其未加高之前的任務(wù)依次為防洪、發(fā)電、灌溉和航運(yùn)，加高之后的任務(wù)轉(zhuǎn)為防洪、供水(含灌溉)、發(fā)電、航運(yùn)等，供水成為優(yōu)先于發(fā)電的任務(wù)[7]。丹江口水庫在南水北調(diào)中線通水之后，還需要承擔(dān)向北方供水的任務(wù)，在漢江流域和跨流域調(diào)水工程中占據(jù)了重要的地位。所謂興利調(diào)度，就是要以經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，重新分配天然徑流，使水資源得到最大利益化的利用[8]。

漢江流域所包含的幾大水庫的主要參數(shù)見表1。

2 梯級水庫群調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

漢江流域水資源開發(fā)利用涉及到供水區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、環(huán)境質(zhì)量改善、人民群眾生活質(zhì)量提高等一系列目標(biāo)，水資源優(yōu)化配置需要采用先進(jìn)的模型技術(shù)研究流域和區(qū)域水資源的開發(fā)利用，使有限的水資源在一段時(shí)期內(nèi)得到合理配置，有效保護(hù)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益到最佳。漢江流域水資源優(yōu)化調(diào)度的三大目標(biāo)包括發(fā)電量最大、生態(tài)環(huán)境、水資源利用。

表1 梯級水庫主要參數(shù)列表

(1)發(fā)電量最大

(1)

式中，E—年最大發(fā)電總量；N—漢江流域上水庫的數(shù)量；T—分的時(shí)段數(shù)；Ai—水庫的綜合出力系數(shù)；Qi，t—水庫的下泄流量；Hi，t—水頭[9]。

(2)缺水量最小

對于丹江口水庫來說，供水是其首要任務(wù)，其供水的對象包括南水北調(diào)中線工程，漢江中、下游、清泉溝[10]。然而線上其他幾個(gè)水庫沒有供水的任務(wù)，因此可以通過丹江口水庫的調(diào)蓄對下游的水庫進(jìn)行控制。

(2)

(3)最小生態(tài)流量保證目標(biāo)

我國《水法》第21條規(guī)定，在水資源緊缺的地區(qū)，區(qū)域水資源配置應(yīng)在保障生活需水優(yōu)先滿足的前提下，考慮滿足第二位的具備公共利益屬性的生態(tài)需水量，而處于用水第三順位的生產(chǎn)用水則可通過水市場的有償轉(zhuǎn)讓與配置獲得，同時(shí)應(yīng)防止因生產(chǎn)用水?dāng)D占生態(tài)用水而造成不可逆轉(zhuǎn)的河道生態(tài)退化[11]。為了保障水庫的生態(tài)需水流量，需要對上游水庫的下泄流量進(jìn)行控制。

ob1=max{p(QCm≥CQm)}

(3)

式中，ob1—上游水庫的下泄流量，QCm—水庫的發(fā)電水量和棄水量的差值；CQm—需要滿足的最小生態(tài)流量。

2.2 約束條件

對于漢江水庫群的優(yōu)化調(diào)度，本次考慮以下幾個(gè)約束條件：

(1)水電站出力約束。對于水庫來說，水庫在某個(gè)時(shí)段內(nèi)的出力應(yīng)該控制在保證出力和該電站的裝機(jī)容量之間[12]。

(2)水庫水量平衡約束

Vt+1=Vt+(It-Qt)Δt

(4)

式中，Vt+1—水庫末庫容；Vt—水庫初庫容；It—水庫入庫流量；Qt—水庫出庫流量；Δt—調(diào)度期劃分的調(diào)度時(shí)段。

(3)水位約束。對于水位來講，不能低于死水位，同時(shí)汛期的時(shí)候不能高于汛限水位，非汛期不能高于正常高水位。

(4)泄流能力約束。某一水庫的最小下泄流量必須符合該水庫的供水灌溉等綜合利用需求，同時(shí)不能超過最大下泄流量。

2.3 模型求解辦法

模型以運(yùn)行周期內(nèi)每個(gè)需要計(jì)算的時(shí)段為一個(gè)單獨(dú)的運(yùn)算階段，按月劃分，時(shí)段變量就是階段變量。其中丹江口水庫汛期(6—9月)按旬劃分時(shí)段，共計(jì)20個(gè)時(shí)段[13]。漢江流域水庫群多目標(biāo)調(diào)度是在滿足約束條件的基礎(chǔ)上，以調(diào)度期內(nèi)缺水量最小，滿足生態(tài)、航運(yùn)需求、發(fā)電量最大為優(yōu)化目標(biāo)，將目標(biāo)函數(shù)缺水量以及生態(tài)、航運(yùn)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為約束，依據(jù)漢江流域各斷面最小控制需水量成果，確定各水庫的最小下泄水量。因此，本文的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為滿足生態(tài)、航運(yùn)需求和缺水量為0的前提下的總發(fā)電量最大作為目標(biāo)函數(shù)。

取水庫不同時(shí)段的水位為狀態(tài)變量，不考慮水庫的各項(xiàng)損失，水庫的水量平衡即為狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程，模型每次針對一個(gè)水庫進(jìn)行優(yōu)化，保持其他水庫運(yùn)行狀態(tài)不變。

本文POA算法求解基本步驟如下：

(l)初始計(jì)算資料輸入。

(2)其他水庫的運(yùn)行維持現(xiàn)有狀態(tài)不變，首先對石泉水庫進(jìn)行優(yōu)化。對每個(gè)時(shí)段，遍歷離散的所有初水位、末水位，根據(jù)水庫的入庫徑流，以及一系列限制條件，對水庫的運(yùn)行水位進(jìn)行尋優(yōu)，滿足水庫所在區(qū)間生態(tài)環(huán)境、航運(yùn)需水，計(jì)算水庫的年發(fā)電量、下泄量。

(3)保持丹江口水庫運(yùn)行狀態(tài)不變，繼續(xù)對安康水庫進(jìn)行優(yōu)化。對每個(gè)時(shí)段，遍歷離散的所有初水位、末水位，根據(jù)水庫的入庫徑流，以及一系列限制條件，對水庫的運(yùn)行水位進(jìn)行尋優(yōu)，滿足水庫所在區(qū)間生態(tài)環(huán)境、航運(yùn)需水，計(jì)算水庫的年發(fā)電量。

(4)根據(jù)缺水量對丹江口水庫的運(yùn)行水位進(jìn)行尋優(yōu)，保證南水北調(diào)中線工程、清泉溝、漢江中下游的缺水量最小，同時(shí)滿足水庫所在區(qū)間生態(tài)環(huán)境、航運(yùn)需水。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算水庫的年發(fā)電量，從而得到本時(shí)段優(yōu)化的蓄放水過程。

(5)重復(fù)進(jìn)行步驟(2)，當(dāng)計(jì)算達(dá)到設(shè)定的迭代次數(shù)或結(jié)果基本穩(wěn)定時(shí)停止迭代計(jì)算，輸出優(yōu)化結(jié)果。

漢江流域干流梯級水庫群多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度流程圖如圖1所示。

圖1 漢江流域梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度流程圖

2.4 模型結(jié)果

在滿足生態(tài)、航運(yùn)需求下，采用POA進(jìn)行漢江干流梯級水庫群多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度的尋優(yōu)計(jì)算，獲得缺水量最小和發(fā)電量最大的調(diào)度結(jié)果。通過優(yōu)化調(diào)度，南水北調(diào)中線工程、清泉溝需水、漢江流域中下游需水均能得到滿足，缺水量為0，各水庫下泄能夠滿足河道最小生態(tài)環(huán)境需水量需求和航運(yùn)需求，河道最小生態(tài)環(huán)境需水量需求和航運(yùn)需求保證率為100%。

潘口、黃龍灘、石泉、安康、丹江口水庫調(diào)度過程見表2—4。漢江流域干流梯級水庫群不同調(diào)度方式對比見表5。

3 結(jié)語

本文通過構(gòu)建漢江流域干流梯級水庫群(石泉、安康、丹江口)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，采用逐步優(yōu)化算法(POA)和遺傳算法(GA)進(jìn)行模型的求解，支流的水庫(潘口、黃龍灘)采用常規(guī)調(diào)度，并根據(jù)算法的結(jié)果比較，確定采用逐步優(yōu)化算法的結(jié)果作為漢江干流梯級水庫群的最優(yōu)下泄量，從而進(jìn)行漢江流域的水量優(yōu)化調(diào)度。水庫群的發(fā)電量和保證出力保證率，相比較于常規(guī)算法更能體現(xiàn)該P(yáng)OA算法在聯(lián)合調(diào)度上的優(yōu)勢以及準(zhǔn)確性，同時(shí)能避免常規(guī)調(diào)度出現(xiàn)的一些缺陷。

表2 潘口、黃龍灘水庫常規(guī)調(diào)度過程

表3 石泉、安康水庫POA算法優(yōu)化調(diào)度過程

表4 丹江口水庫POA算法優(yōu)化調(diào)度過程

(續(xù)表)

表5 漢江流域干流梯級水庫群不同調(diào)度方式對比