單一水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案在水庫(kù)調(diào)度中的應(yīng)用研究

賈瑞紅

（唐山市陡河水庫(kù)管理處 河北唐山 063021)

1 水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度理論研究的現(xiàn)狀

我國(guó)河網(wǎng)密布，水庫(kù)非常多，然而河流的豐枯變化明顯。為了合理有效的利用水資源，需要用合適的水庫(kù)調(diào)度方案對(duì)水資源的利用進(jìn)行調(diào)節(jié)。在方案的選取中，需要根據(jù)各種數(shù)學(xué)模型，分析研究水庫(kù)調(diào)度理論和方法，設(shè)計(jì)和制定出水庫(kù)優(yōu)化策略。

所謂水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度，主要是根據(jù)水庫(kù)蓄水量的多少，以水庫(kù)的大壩安全為首要要求，對(duì)入庫(kù)的水量進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，使泄水量能保證不影響下游安全，還可以將之用于水利發(fā)電等方面的一種提高水庫(kù)綜合效益的控制技術(shù)。單一的水庫(kù)不同于水庫(kù)群，在研究的過(guò)程中，我們要考慮到水庫(kù)服務(wù)及影響范圍，而不需考慮水庫(kù)之間的相互聯(lián)系。雖然不需要考慮水庫(kù)之間的聯(lián)動(dòng)控制，但是單一水庫(kù)自身在豐水期和枯水期水庫(kù)水量的差距很大。所以對(duì)單一水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案的研究則應(yīng)相應(yīng)的做出改變。

我國(guó)在關(guān)于水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方面的研究和探索已經(jīng)有著豐碩的成果，并且優(yōu)化調(diào)度理論和實(shí)際已經(jīng)結(jié)合的相當(dāng)成熟。對(duì)于單一水庫(kù)而言，建立符合水庫(kù)和地區(qū)實(shí)際情況的優(yōu)化調(diào)度方案是必須的。本文用動(dòng)態(tài)規(guī)劃數(shù)學(xué)建模、逐步優(yōu)化算法2種不同的方案模型，分別對(duì)單一水庫(kù)的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行了研究。探討了這些方案在單一水庫(kù)調(diào)度中的現(xiàn)實(shí)意義。

2 單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度動(dòng)態(tài)規(guī)劃(DP)數(shù)學(xué)模型

單一水庫(kù)的優(yōu)化調(diào)度需要滿足水庫(kù)的防洪要求，另一方面要考慮水庫(kù)大壩的安全性和管理的可行性，同時(shí)，還要保證水庫(kù)的蓄水容量，防止洪水對(duì)下游地區(qū)的人民生活及作物生產(chǎn)造成損失。這就需要根據(jù)一定的方法，采取合適的措施有計(jì)劃的進(jìn)行蓄水和防水工作，保證水庫(kù)和人民生產(chǎn)生活的最大效益。從這些目的出發(fā)本文提出了單一的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型。數(shù)學(xué)模型一般包括階段變量、狀態(tài)變量、決策變量、系統(tǒng)方程、目標(biāo)函數(shù)和約束條件等。

2.1 階段變量

根據(jù)汛期和非汛期，按月或者季度進(jìn)行劃分，具體應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)叵鄳?yīng)的實(shí)際進(jìn)行確定，用t來(lái)表示。

2.2 狀態(tài)變量

在水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度中，要考慮的狀態(tài)變量比較多，主要是以某個(gè)時(shí)間段水庫(kù)中的水量作為狀態(tài)變量，用S（t)表示。

2.3 決策變量

可以用某個(gè)時(shí)間段內(nèi)水庫(kù)蓄水量的變化情況來(lái)表示，也可用此時(shí)階段內(nèi)徑流變量作為決策變量 D（t)。

2.4 系統(tǒng)方程

將某個(gè)時(shí)間段水庫(kù)蓄水的變化量平衡方程作為系統(tǒng)方程：

式中：Q(t)為時(shí)段內(nèi)入庫(kù)的水量；L(t)為水庫(kù)中蒸發(fā)或者其他原因損失的水量。

2.5 目標(biāo)函數(shù)

單一水庫(kù)主要用于保證人民生產(chǎn)生活正常進(jìn)行，本文中暫不考慮其他綜合條件。在保證水庫(kù)的泄洪能力、大壩的安全性以及對(duì)下游地區(qū)的影響較小的情況下，其目標(biāo)函數(shù)只需要保證泄洪水量均勻且為最小。

2.6 約束條件

主要約束條件有水庫(kù)蓄水量狀態(tài)約束、時(shí)間段內(nèi)的泄洪量狀態(tài)約束、水庫(kù)蓄水量邊界條件約束以及不同的水庫(kù)的防洪規(guī)程等。

單一水庫(kù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型的求解可以從多種方面實(shí)現(xiàn)，針對(duì)單一水庫(kù)和水庫(kù)群的不同，則要根據(jù)實(shí)際地理情況和自然水文條件來(lái)制定不同的方案，以提高單一水庫(kù)調(diào)度的運(yùn)行效率。

3 逐步優(yōu)化算法(POA)數(shù)學(xué)模型

算法(POA)適用于由多個(gè)動(dòng)態(tài)階段組成的決策性問(wèn)題，其中的集合部分與初始值以及最終的結(jié)果相比要更好。利用逐步優(yōu)化算法能夠在整個(gè)問(wèn)題中，利用收斂的方式得到全局中唯一的最優(yōu)解。下文將介紹這種方案在單一水庫(kù)調(diào)度中的運(yùn)用，以水庫(kù)的蓄水量為決策變量，徑流量根據(jù)計(jì)算所得的蓄水量最優(yōu)值得出。計(jì)算過(guò)程見(jiàn)圖1。水庫(kù)方面的優(yōu)化調(diào)度方案，大多數(shù)的模型都有著針對(duì)性，下文中的防洪調(diào)度方案是根據(jù)逐步優(yōu)化算法（POA)建立出來(lái)，并根據(jù)各種約束條件制定出最佳的調(diào)度方案，使得水庫(kù)在防洪等領(lǐng)域發(fā)揮了很大的應(yīng)用潛力。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)逐步優(yōu)化算法列出的目標(biāo)函數(shù)為：

式中：qt為出庫(kù)徑流流量；t0、td為洪水過(guò)程始末；Q區(qū)為區(qū)間流量。

3.2 約束條件

約束條件要體現(xiàn)單一水庫(kù)中防洪調(diào)度的相關(guān)要求。水庫(kù)能夠允許的最高水位要保證水庫(kù)自身安全；水庫(kù)的最低水位則反映了水庫(kù)對(duì)防洪以及興利的協(xié)調(diào)關(guān)系。另外水庫(kù)的泄洪能力關(guān)系著水庫(kù)大壩自身的安全。

將逐步優(yōu)化算法(POA)應(yīng)用于水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案分析研究中，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)方案。該方案能夠有效的減少洪水的沖擊影響、枯水期的調(diào)節(jié)補(bǔ)償，可操作性強(qiáng)，發(fā)揮效果迅速，可提高水庫(kù)的綜合效益。

4 水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案實(shí)施及綜合效益

4.1 做好天氣預(yù)報(bào)及降水量檢測(cè)

檢測(cè)入庫(kù)的平均流量對(duì)決策水位的影響是非常重要的。單一水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度是以時(shí)段初始水庫(kù)的蓄水水位和預(yù)報(bào)的入庫(kù)流量為依據(jù)，最終分析得出時(shí)段后的決策水位。

（l)關(guān)注氣象站的天氣預(yù)報(bào)及降水預(yù)報(bào)，根據(jù)入庫(kù)的徑流系數(shù)，即可得到降水時(shí)間段的入庫(kù)水量的平均流量。應(yīng)時(shí)刻注意出現(xiàn)降水量超出或者低于預(yù)報(bào)中的水量，要將臨時(shí)段通流情況配合進(jìn)來(lái)考慮。

（2)在汛期要時(shí)刻關(guān)注暴雨天氣的出現(xiàn)，要做好暴雨天氣預(yù)報(bào)。在對(duì)單一水庫(kù)實(shí)施優(yōu)化調(diào)度之前，要分析本地區(qū)的暴雨情況以及水庫(kù)優(yōu)化調(diào)節(jié)失敗的案例，并編寫(xiě)相關(guān)的技術(shù)文件，根據(jù)天氣形勢(shì)或者天氣預(yù)報(bào)，判斷是否即將出現(xiàn)暴雨，然后再進(jìn)行水庫(kù)的調(diào)節(jié)，非常有必要。

圖1 計(jì)算過(guò)程示意圖

（3)枯水期利用退水曲線預(yù)報(bào)?？菟谥灰鄳?yīng)的根據(jù)當(dāng)?shù)厮馁Y料進(jìn)行預(yù)報(bào)，對(duì)水庫(kù)的蓄水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使水量能夠保證水庫(kù)所要滿足的功用。單一水庫(kù)要保證需水量，水庫(kù)不能從別的水庫(kù)得到調(diào)節(jié)。

4.2 優(yōu)化調(diào)度的綜合效益

單一水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度能夠增加水庫(kù)的發(fā)電量，提高裝機(jī)容量和利用時(shí)間。合理的調(diào)度水資源,能避免洪水對(duì)人民生活及農(nóng)作物的破壞，枯水期能夠有效的調(diào)節(jié)水量，給農(nóng)作物提供灌溉，能夠促進(jìn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。水利發(fā)電能夠提供周邊地區(qū)的工農(nóng)業(yè)用電，增加了水庫(kù)的綜合效益。單一水庫(kù)對(duì)周邊地區(qū)的影響是顯而易見(jiàn)的，利用水電可以避免周邊地區(qū)的環(huán)境因?yàn)榛鹆Πl(fā)電等造成的環(huán)境影響，水庫(kù)也可以調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)氐臍夂颍沟萌嗣裆罡雍椭C。

考慮當(dāng)?shù)厮奶匦裕畮?kù)自身工程特性等因素，分析研究，提出科學(xué)的調(diào)度方案，即單一水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案。按照科學(xué)的方案做指導(dǎo)，對(duì)水庫(kù)的合理調(diào)度才有章可循，可避免調(diào)度過(guò)程中出現(xiàn)盲目性和主觀性。研究表明，對(duì)單一水庫(kù)進(jìn)行合理優(yōu)化調(diào)度，可以取得很大的經(jīng)濟(jì)效益，提高社會(huì)資源分布的合理性。合理使用優(yōu)化調(diào)度方案后，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益較之前有很大的提高?？傊?，在各行各業(yè)飛速發(fā)展的今天，科學(xué)技術(shù)在不斷的進(jìn)步，對(duì)水利的要求也在不斷的提高。在少增加或者不增加投資的情況下，不斷發(fā)掘水庫(kù)的潛能，提高綜合效益是發(fā)展的必然趨勢(shì)，也具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

1 宋朝紅，雷聲隆.水庫(kù)調(diào)度自優(yōu)化模擬技術(shù)的最優(yōu)域[J].水能源科學(xué)，2002，（3)：47-50.

2 雛文生，宋星源.洪水預(yù)報(bào)與調(diào)度[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2008：76-82

3 黃永強(qiáng).水能利用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2011：17-21