宮山咀水庫(kù)供水調(diào)度規(guī)則研究

趙麗麗

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

1 研究背景

水庫(kù)調(diào)度規(guī)則對(duì)水庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行有重要的指導(dǎo)作用。以供水為主的水庫(kù)，以往供水調(diào)度常采取最大限度的滿足當(dāng)前需水的標(biāo)準(zhǔn)供水策略（Standard Operating Policy，SOP）。局限于當(dāng)前水文預(yù)報(bào)精度，且水庫(kù)缺乏相應(yīng)的限制供水策略，水庫(kù)在連續(xù)枯水期，容易出現(xiàn)缺水深度過(guò)大甚至供水中斷。為避免這種情況的發(fā)生，人們提出了多種水庫(kù)供水規(guī)則，最常見的供水調(diào)度規(guī)則是水庫(kù)供水調(diào)度圖。

常規(guī)調(diào)度圖繪制方法通過(guò)對(duì)水庫(kù)長(zhǎng)系列（或典型年）運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行逆時(shí)序模擬，得到長(zhǎng)系列（或典型年）的調(diào)度過(guò)程線，取上下包線作為水庫(kù)調(diào)度圖上的規(guī)則線，再通過(guò)人工對(duì)調(diào)度圖進(jìn)行修正，得到最終的調(diào)度圖。該方法過(guò)程煩瑣、復(fù)雜，往往需要反復(fù)的檢驗(yàn)、修正，且需要工作人員具有比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，得到的優(yōu)化調(diào)度圖也是基于經(jīng)驗(yàn)的半優(yōu)化結(jié)果[1]。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代優(yōu)化算法的發(fā)展，遺傳算法、粒子群算法、差分進(jìn)化算法等被引入到水庫(kù)的調(diào)度研究中，逐步形成了一套模擬與優(yōu)化相結(jié)合的混合式調(diào)度圖優(yōu)化方法[2]。文中提出了簡(jiǎn)化的調(diào)度圖概化方法，并將模擬與優(yōu)化相結(jié)合的混合式調(diào)度圖優(yōu)化方法，應(yīng)用到宮山咀水庫(kù)調(diào)度圖的繪制中，得到宮山咀水庫(kù)調(diào)度圖。

2 水庫(kù)供水調(diào)度圖繪制

2.1 調(diào)度圖概化

調(diào)度圖概化的方法，一般有基于全時(shí)段水位線的概化方式[3]和基于調(diào)度線拐點(diǎn)的混合概化方式[4]兩種方法。前一種方法易于算法實(shí)現(xiàn)，但調(diào)度線往往存在時(shí)段間起伏過(guò)大的情況，在實(shí)際中無(wú)法應(yīng)用，需要人工修正。后一種方法極大的減少了參數(shù)的個(gè)數(shù)，降低了優(yōu)化規(guī)模，但參數(shù)之間的制約關(guān)系更加復(fù)雜，優(yōu)化問題的可行域變得更加狹窄，提高了最優(yōu)解的搜索難度。調(diào)度圖的編制采用簡(jiǎn)化的混合編碼方法對(duì)調(diào)度圖進(jìn)行概化，即基于調(diào)度線拐點(diǎn)的混合調(diào)度圖概化方法的一種特例，拐點(diǎn)的確定主要考慮時(shí)段的長(zhǎng)度和水位限制線的連續(xù)性，拐點(diǎn)位置固定，而不作為優(yōu)化過(guò)程中的決策變量。概化調(diào)度圖即為：

式中，i為調(diào)度線條數(shù)，j調(diào)度線拐點(diǎn)個(gè)數(shù)，Xi，j為第i為調(diào)度線條數(shù)上j點(diǎn)控制水位。

2.2 水庫(kù)調(diào)度模型確定

依據(jù)水庫(kù)承擔(dān)的供水任務(wù)及供水主次順序等約束條件建模，采用懲罰函數(shù)法將深度破壞約束加入目標(biāo)函數(shù)，以供水保證率高，缺水量少，盡量避免深度缺水為目標(biāo)，采用權(quán)重法將該多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

①供水保證率P最高，即

②各用水戶缺水量少，即

式中，N為時(shí)段總數(shù)；M為用水戶個(gè)數(shù)；DLi（k）為第i用水戶，第k時(shí)段戶需水量；XLi（k）為第i用水戶，第k時(shí)段水庫(kù)實(shí)際供水量；λi為第i用水戶的允許破壞深度；Penaltyi（k）為第i用水戶，第k時(shí)段懲罰量。

采用權(quán)重法，將各目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)，即

式中，ω1，ω2為目標(biāo)函數(shù)權(quán)重系數(shù)。

2.2.2 約束條件

除去水庫(kù)供水深度破壞約束外，其它約束條件如下。

①水量平衡約束

②庫(kù)容～水位～面積曲線約束

③庫(kù)容（水位）上下限約束

④各條調(diào)度線相互之間不交叉

式中，St為第t時(shí)段水庫(kù)庫(kù)容；It為第t時(shí)段水庫(kù)入庫(kù)水量；Dt為第t時(shí)段水庫(kù)供水量；Et為第t時(shí)段水庫(kù)蒸發(fā)滲漏損失水量；SUt為第t時(shí)段水庫(kù)棄水量；ECt為第t時(shí)段水庫(kù)壩址處河道生態(tài)需水量；Vdead為水庫(kù)死庫(kù)容；為第t時(shí)段水庫(kù)允許的最大蓄水量。其它變量，如前文所述。

2.3 優(yōu)化算法尋優(yōu)

采用群體智能算法中的粒子群算法求解水庫(kù)調(diào)度圖，每一個(gè)調(diào)度圖概化為一個(gè)粒子。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 工程概況

宮山咀水庫(kù)位于遼寧省葫蘆島市建昌縣大凌河干流，水庫(kù)總庫(kù)容1.19億m3，控制流域面積656 km2，壩址處多年平均徑流量1.04億m3。水庫(kù)正常蓄水位73.70 m，防洪限制水位72.70 m，死水位為62.36 m，是一座具有防洪、供水、發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用功能的大（Ⅱ）型水利工程。

目前水庫(kù)供水對(duì)象有建昌縣自來(lái)水公司、葫蘆島市平山水源以及補(bǔ)償下游區(qū)間生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水，根據(jù)水庫(kù)供水對(duì)象用水保證率程度不同，將水庫(kù)供水對(duì)象分為兩類：①工業(yè)生活用水，供水保證率95%，缺水允許破壞深度為10%。②農(nóng)業(yè)灌溉用水，保證率75%，缺水允許破壞深度為30%。

3.2 結(jié)果與分析

采用1956-2007年的入庫(kù)徑流（汛期以旬為時(shí)段，非汛期以月為時(shí)段）作為調(diào)度圖求解模型的來(lái)水資料，用水采用2010水平年的實(shí)際用水。PSO算法種群規(guī)模為300，迭代次數(shù)8000次。為減少算法的隨機(jī)性對(duì)結(jié)果的影響，獨(dú)立運(yùn)行10次，選取其中適應(yīng)度最優(yōu)結(jié)果對(duì)應(yīng)的調(diào)度圖，作為模型求解結(jié)果，調(diào)度圖如圖1所示。

圖1 宮山咀水庫(kù)供水調(diào)度圖

調(diào)度圖各分區(qū)水庫(kù)運(yùn)行規(guī)則如下：

1）Ⅰ區(qū)（下游農(nóng)業(yè)加大供水線－防洪限制水位/正常高水位線），下游區(qū)間農(nóng)業(yè)加大供水，加大供水系數(shù)取1.02；直供建昌自來(lái)水、平山水源正常供水。

2）Ⅱ區(qū)(下游農(nóng)業(yè)加大供水線－下游農(nóng)業(yè)限制供水線)，下游區(qū)間農(nóng)業(yè)正常供水，直供建昌自來(lái)水、平山水源正常供水。

3）Ⅲ區(qū)(下游農(nóng)業(yè)限制供水線－工業(yè)限制線)，下游區(qū)間農(nóng)業(yè)限制供水，限制供水系數(shù)0.8，直供建昌自來(lái)水、平山水源正常供水。

4）Ⅳ區(qū)(工業(yè)限制線－死水位)，下游區(qū)間農(nóng)業(yè)限制供水，限制供水系數(shù)0.8；直供建昌自來(lái)水、平山水源限制供水，限制供水系數(shù)0.9。

按照上述調(diào)度圖及其對(duì)應(yīng)調(diào)度規(guī)則運(yùn)行，水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算，水庫(kù)工業(yè)用水保證率達(dá)95.2%，農(nóng)業(yè)用水保證率達(dá)84.6%。

4 結(jié)論及建議

針對(duì)水庫(kù)供水調(diào)度問題，提出了簡(jiǎn)化的調(diào)度圖概化方法，建立了基于模擬-優(yōu)化的水庫(kù)調(diào)度圖繪制模型，并將該模型應(yīng)用到宮山咀水庫(kù)調(diào)度圖求解中，水庫(kù)按求解得到的調(diào)度圖運(yùn)行，水庫(kù)各項(xiàng)供水保證率都滿足要求，且不存在深度缺水問題。對(duì)該水庫(kù)的運(yùn)行具有非常重要指導(dǎo)意義。

[1]袁作新，白憲臺(tái).灌溉水庫(kù)興利調(diào)度圖的編制方法[J].武漢水利電力學(xué)院學(xué)報(bào)，1978.11（3）：13-20.

[2]王旭，龐金城，雷曉輝，田雨，蔣云鐘.水庫(kù)調(diào)度圖優(yōu)化方法研究評(píng)述[J].南水北調(diào)與水利科技，2010.8（5）：71-75.

[3]張銘，王麗萍，安有貴，等.水庫(kù)調(diào)度圖優(yōu)化研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào).2004.37（3）：5-7.

[4]劉心愿，郭生練，劉攀，等.基于總出力調(diào)度圖與出力分配模型的梯級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度規(guī)則研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2009（6）.