考慮天然水文情勢(shì)的水庫(kù)調(diào)度圖優(yōu)化研究探討

李洋

摘 要 在人們?nèi)粘Ｉ钪?，人們?duì)于水資源的需求不斷提高，本文重新定義了生態(tài)水量下泄規(guī)則、供水規(guī)則和棄水規(guī)則，以河流整體水文改變度最小為生態(tài)目標(biāo)，廣義缺水指數(shù)最小為經(jīng)濟(jì)社會(huì)供水目標(biāo)，構(gòu)建了考慮天然水文情勢(shì)的水庫(kù)調(diào)度規(guī)則優(yōu)化模型。以某水庫(kù)為實(shí)例，基于NSGA-Ⅱ優(yōu)化算法進(jìn)行模型求解，得到大隆水庫(kù)調(diào)度規(guī)則優(yōu)化方案，分別從經(jīng)濟(jì)社會(huì)供水和生態(tài)水文指標(biāo)改變情況對(duì)不同調(diào)度規(guī)則進(jìn)行分析，確定兼顧經(jīng)濟(jì)社會(huì)供水和河流生態(tài)的調(diào)度規(guī)則優(yōu)化方案作為大隆水庫(kù)調(diào)度規(guī)則推薦方案。

關(guān)鍵詞 水文情勢(shì);水庫(kù)調(diào)度規(guī)則;水庫(kù)調(diào)度圖

引言

進(jìn)行小型水電站的調(diào)度分為常規(guī)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度兩種，常規(guī)調(diào)度就是確定好調(diào)度圖，以某個(gè)時(shí)間的蓄水情況和在調(diào)度水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度，就是對(duì)于水流量進(jìn)行充分的利用，小型水電站水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度的內(nèi)容主要為：對(duì)調(diào)度期內(nèi)的徑流過(guò)程進(jìn)行確定，建立完善合理的優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型，選擇優(yōu)化的技術(shù)求解數(shù)學(xué)模型，然后得到最優(yōu)的發(fā)電引用流量方案。

1 水庫(kù)生態(tài)調(diào)度

人類活動(dòng)會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成影響，尤其是水庫(kù)大壩的建造對(duì)于河道生態(tài)系統(tǒng)會(huì)造成嚴(yán)重干擾。研究表明，水庫(kù)調(diào)度會(huì)對(duì)河道內(nèi)年際和年內(nèi)的徑流變化、洪峰形狀、洪峰出現(xiàn)時(shí)間、發(fā)生頻率、延時(shí)和流量漲幅變化率等產(chǎn)生不同影響效果，進(jìn)而改變河道形狀，生物棲息地分布，水生動(dòng)物和植物的生長(zhǎng)繁殖等自然狀態(tài)，最終會(huì)破壞河道天然生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)造和調(diào)節(jié)能力。研究表明阿斯旺大壩的修建導(dǎo)致一系列威脅尼羅河三角洲生態(tài)系統(tǒng)的反應(yīng)。綜合了長(zhǎng)江流域淡水魚類生物多樣性的信息，證明水文變化是該流域?qū)︳~類生物多樣性的最大威脅。上游魚類將受到三峽大壩建設(shè)的嚴(yán)重影響，應(yīng)優(yōu)先保護(hù)。水文情勢(shì)的變化對(duì)河流形態(tài)和植被覆蓋的影響。對(duì)大壩施工前和施工后的航空攝影進(jìn)行分析，結(jié)果表明大壩修建后對(duì)河岸兩側(cè)有明顯的侵蝕作用，且河岸的植被也發(fā)生了變化。運(yùn)用變異范圍法（RVA）和測(cè)繪技術(shù)，研究了過(guò)去50年中國(guó)黃河中下游大壩建設(shè)所引起的水文變化，結(jié)果表明，水庫(kù)對(duì)大壩下游水文過(guò)程的改變作用跟水庫(kù)調(diào)節(jié)活動(dòng)密切相關(guān)，對(duì)水庫(kù)下游水文情勢(shì)的分析，有利于區(qū)域水文水資源管理和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)恢復(fù)等工作的開展[1]。

2 考慮天然水文情勢(shì)的水庫(kù)調(diào)度圖優(yōu)化

2.1 目標(biāo)函數(shù)

考慮生態(tài)的水庫(kù)調(diào)度常規(guī)優(yōu)化模型一般尋求使水庫(kù)調(diào)度所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)-生態(tài)效益、社會(huì)-生態(tài)效益或經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)綜合效益達(dá)到最大。具體的目標(biāo)函數(shù)和約束條件表述如下：經(jīng)濟(jì)效益用水庫(kù)向各用水戶供水所取得的效益來(lái)衡量;社會(huì)效益分為防洪效益和供水效益，其中防洪效益指水庫(kù)向下游的泄流量超出下游各控制斷面安全泄流量的和最小;供水效益是指水庫(kù)向各供水對(duì)象的供水量與滿足各供水對(duì)象基本生產(chǎn)生活需要的用水量之間的差值最小。

2.2 確定性動(dòng)態(tài)規(guī)劃法

確定性動(dòng)態(tài)規(guī)劃法可以將調(diào)度周期分成T個(gè)時(shí)段，將t作為時(shí)間段變量，V作為每個(gè)時(shí)段的水庫(kù)蓄水量，Vt是t時(shí)段的蓄水狀態(tài)，Vt+1是時(shí)段的末端，也就是t+1時(shí)段開始的蓄水狀態(tài)，水電站發(fā)電過(guò)程中引用流量Qt（Vt）是決策變量。

2.3 經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水預(yù)測(cè)

根據(jù)資料條件和現(xiàn)實(shí)需求，選擇2020年為規(guī)劃水平年?；趯?duì)某市近年用水情況和未來(lái)用水趨勢(shì)的分析，對(duì)大隆水庫(kù)供水對(duì)象2020年的經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水進(jìn)行預(yù)測(cè)。①城鎮(zhèn)需水預(yù)測(cè)。城鎮(zhèn)需水采用趨勢(shì)外推法進(jìn)行預(yù)測(cè)，2020年大隆水庫(kù)城鎮(zhèn)用水戶的需水量為193.09萬(wàn)m3，其中西部區(qū)域需水量為53.48萬(wàn)m3，占總需水量的27.7%;中部區(qū)域需水量為139.59萬(wàn)m3，占總需水量的72.3%。②農(nóng)業(yè)需水預(yù)測(cè)。大隆灌區(qū)的灌溉現(xiàn)狀為4900hm2，另規(guī)劃灌溉8320hm2，其中耕地6287hm2，熱作園地2033hm2，到2020年認(rèn)為可全面對(duì)灌區(qū)實(shí)現(xiàn)灌溉，灌溉面積達(dá)13220hm2。2.4NSGA-II算法對(duì)于多目標(biāo)問(wèn)題，一般某些目標(biāo)的提升會(huì)引起其他目標(biāo)折損，這就可能產(chǎn)生很多非劣解，多目標(biāo)問(wèn)題一般需要產(chǎn)生Pareto前沿。遺傳算法具有求解多目標(biāo)問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)，首先，遺傳算法是以種群搜索為基礎(chǔ)，能夠同時(shí)搜索多個(gè)目標(biāo)，確定多個(gè)非劣解。同時(shí)，遺傳算法對(duì)Pareto前沿形狀、連續(xù)性、種群規(guī)模、交叉概率、變異概率等參數(shù)不敏感，可以較好的逼近Pareto前沿。NSGA-II算法（非支配解快速排序遺傳算法）CDeb等，基于NSGA提出來(lái)的一種智能算法，它是通過(guò)非劣邊界Pareto前沿來(lái)逐漸逼近非劣解集，與NSGA法相比，它主要進(jìn)行了三個(gè)方面的改進(jìn)：①加入了快速非支配排序方法，劃分不同的等級(jí)，種群依據(jù)支配與非支配關(guān)系進(jìn)行分層排序，給定同一等級(jí)的個(gè)體一樣的適應(yīng)度值，用來(lái)確保同一層的個(gè)體有一樣的復(fù)制概率，這種排序方法降低了算法的復(fù)雜程度;②運(yùn)用擁擠度和擁擠度比較算子來(lái)估算每個(gè)點(diǎn)周邊的解密度，比NSGA算法相對(duì)簡(jiǎn)化，不再需要指定共享參數(shù)，適當(dāng)降低密集區(qū)個(gè)體進(jìn)入下一代的概率，使得最優(yōu)解更廣泛的逼近非劣邊界;③提出了精英策略，將父代和子代種群相結(jié)合，組成新的一代，一起尋優(yōu)產(chǎn)生下一代種群，擴(kuò)大了樣本空間，更快尋找到性能良好的下一代種群。

2.4 經(jīng)濟(jì)社會(huì)供水目標(biāo)

美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)提出的缺水率（R DR）和日本水資源開發(fā)公共中心提出的缺水百分比日指數(shù)（D DPD）是使用較為廣泛的缺水指數(shù)，但是這兩個(gè)指數(shù)都只從一個(gè)角度來(lái)定義缺水，Hsu? 在此基礎(chǔ)上提出了廣義缺水指數(shù) I GSI，該指數(shù)既考慮了缺水的重要特征，也考慮了相關(guān)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)影響，將 I GSI 最小作為經(jīng)濟(jì)社會(huì)供水目標(biāo)，來(lái)衡量經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水的缺水程度。式中：為第 j 年缺水率;為第 j 年總?cè)彼?S DWS j為第 j 年計(jì)劃供水量。

3 結(jié)束語(yǔ)

水利水電工程大壩的修建要結(jié)合實(shí)際的地形地質(zhì)條件進(jìn)行，要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析并選擇適宜的灌漿技術(shù)，從而保證在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，達(dá)到加固壩體和延長(zhǎng)其使用年限的效果。在施工結(jié)束后，要及時(shí)進(jìn)行修檢，以保證大壩的穩(wěn)固性。

參考文獻(xiàn)

[1] 王麗，朱遠(yuǎn)生，楊曉靈，等.大藤峽水利樞紐工程設(shè)計(jì)中的水生態(tài)優(yōu)化措施[J].水資源保護(hù)，2016，32（3）：74-78.