梯級(jí)泵站水資源優(yōu)化調(diào)度研究綜述

摘 要：通過(guò)對(duì)水資源分布情況介紹，從梯級(jí)泵站水資源優(yōu)化調(diào)控的管理方式、所采用建立模型的算法及梯級(jí)泵站級(jí)間有無(wú)分水任務(wù)等方面闡述梯級(jí)泵站水資源優(yōu)化調(diào)度的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及存在的問(wèn)題，提出今后梯級(jí)泵站水資源優(yōu)化調(diào)度研究的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：水資源；管理調(diào)控方式；優(yōu)化調(diào)控方法

中圖分類號(hào)：TV675 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160432048

梯級(jí)泵站水資源優(yōu)化調(diào)度主要研究的方向在2個(gè)方面：泵站系統(tǒng)本身的優(yōu)化如進(jìn)出水池水位調(diào)控、出水建筑物類型、抽水能源單耗與流量、抽水流量和揚(yáng)程等；泵站上下梯級(jí)間的優(yōu)化如最優(yōu)揚(yáng)程分配、泵站輸水系統(tǒng)、各條輸水線路水位和流量分配、各泵站開機(jī)臺(tái)數(shù)與機(jī)組運(yùn)行工況等；梯級(jí)泵站根據(jù)泵站梯級(jí)間有無(wú)分無(wú)任務(wù)來(lái)優(yōu)化調(diào)度，最終的目的都是在保證正常輸水的基礎(chǔ)上降低年耗電（油）費(fèi)和年運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)有利于增效、節(jié)能、環(huán)保，有利于管理，有利于資源的可持續(xù)發(fā)展。

1 國(guó)內(nèi)外梯級(jí)泵站水資源優(yōu)化調(diào)度研究現(xiàn)狀

1.1 水資源分布

根據(jù)2013年水利部公布水資源顯示，我國(guó)水資源總量約為2.8萬(wàn)億m3，整體上呈現(xiàn)分布不均、時(shí)程變化大和年內(nèi)年際分配不均局面，同時(shí)還存在開發(fā)空間有限、用水量逐年增加和用水結(jié)構(gòu)變化明顯的現(xiàn)象等。如黃、淮、海3大流域，水資源只占全國(guó)的8%，而耕地面積占全國(guó)的40%；而2013年統(tǒng)計(jì)的用水結(jié)構(gòu)是用水量占當(dāng)年水資源總量的22.1%，農(nóng)業(yè)用水降低到63.4%，而生活、工業(yè)、生態(tài)用水相應(yīng)增加到12.1%、22.8%、1.7%。而大體上水量的趨勢(shì)是東南沿海向西北內(nèi)陸遞減，內(nèi)陸西北地區(qū)也是地大水少情況。為了解決水資源分布的情況，國(guó)內(nèi)相繼發(fā)展了很多大大小小的調(diào)水工程，例如南水北調(diào)；在管道輸水過(guò)程中，正是由于水泵及梯級(jí)泵站的廣泛應(yīng)用，使得水泵的能耗約占全國(guó)總能耗的21%。

據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在世界上很多國(guó)家已經(jīng)建設(shè)、正在建設(shè)或者擬建的大型流域調(diào)水工程已經(jīng)超過(guò)了160項(xiàng)，并且建設(shè)泵站也不是在世界各地遍布。國(guó)外如美國(guó)、前蘇聯(lián)、法國(guó)、澳大利亞、巴基斯坦、印度等，都根據(jù)需要規(guī)劃和建設(shè)了跨流域調(diào)水梯級(jí)泵站。建設(shè)的這些泵站其技術(shù)特點(diǎn)以及目的都有一定的區(qū)別。比如北美的水電聯(lián)盟計(jì)劃，前蘇聯(lián)進(jìn)行了二十幾年研究和規(guī)劃的“北水南調(diào)”也是離不開梯級(jí)泵站輸送水，在1974年巴基斯坦進(jìn)行了西水東調(diào)工程的建設(shè)，澳大利亞?wèn)|南部規(guī)劃建設(shè)了雪山工程，印度恒河區(qū)建設(shè)的調(diào)水工程以及法國(guó)帝朗斯—凡爾頓工程都是利用梯級(jí)泵站輸送。

1.2 管理調(diào)度方式

國(guó)外在20個(gè)世紀(jì)60年代便開始了利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行供水系統(tǒng)輔助調(diào)度管理的研究和探索，比如加拿大的多倫多以及美國(guó)的丹佛和費(fèi)城等，都是通過(guò)遙控設(shè)備來(lái)將管網(wǎng)中控制點(diǎn)的壓力、出廠流量、出廠壓力、功率、水位以及溫度等運(yùn)行參數(shù)及時(shí)的傳輸?shù)街行恼{(diào)度中去，對(duì)于出現(xiàn)的超常現(xiàn)象則需要自動(dòng)的報(bào)警，并將其作為控制人員操作和控制的依據(jù)。現(xiàn)在日本、法國(guó)、美國(guó)以及英國(guó)等一些國(guó)家的城市已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)計(jì)算機(jī)優(yōu)化調(diào)度管理，并進(jìn)行了調(diào)度管理軟件的編制，比如美國(guó)和英國(guó)的OPWAD等。為了預(yù)防泵站緊急事故，國(guó)內(nèi)已經(jīng)再利用計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)，為了準(zhǔn)確及時(shí)掌握泵站實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，已經(jīng)把遙感技術(shù)運(yùn)用在一些大中型泵站上。

在我國(guó)國(guó)內(nèi)很多學(xué)者和專家在20世紀(jì)70年代開始便努力的把計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到泵站供水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、模擬和水廠水質(zhì)控制中去。在供水系統(tǒng)優(yōu)化和調(diào)度管理等方面也進(jìn)行了嘗試和探索，進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用軟件的開發(fā)，比如WNW等，并在廣州等地進(jìn)行了嘗試應(yīng)用。但是由于我國(guó)國(guó)內(nèi)受到積水手段和國(guó)內(nèi)設(shè)備條件的限制，可以在供水經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面獲得成功的案例還比較少。但是隨著科技的發(fā)展和人們的要求提高，進(jìn)行供水系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化是供水行業(yè)發(fā)展的整體趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)針對(duì)梯級(jí)泵站調(diào)度管理復(fù)雜等特點(diǎn)，從檢驗(yàn)各種設(shè)計(jì)、控制方案、應(yīng)急調(diào)度預(yù)案、工程安全運(yùn)行和保證水源供給等方面提出了合理建設(shè)調(diào)度管理系統(tǒng)。梯級(jí)自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)構(gòu)成主要包含了下面幾部分：分別是應(yīng)用系統(tǒng)、應(yīng)用支撐平臺(tái)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)體環(huán)境6大部分組成，包括水量調(diào)度、閘站監(jiān)控、視頻監(jiān)視、安全監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、工程防洪等核心生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)，還包括與企業(yè)運(yùn)行相關(guān)的辦公運(yùn)營(yíng)應(yīng)用系統(tǒng)，以及通信網(wǎng)絡(luò)等信息化基礎(chǔ)設(shè)施。在功能監(jiān)控、調(diào)度、運(yùn)行以及安全管理等方面，自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)的作用非常重要，利用調(diào)度運(yùn)行管理信息化決策會(huì)商職稱環(huán)境以及信息化作業(yè)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度和管理的自動(dòng)化，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)能夠保質(zhì)保量及時(shí)的實(shí)現(xiàn)。

1.3 梯級(jí)泵站水資源優(yōu)化調(diào)度

1.3.1 模型研究應(yīng)用

最早提出水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化概念的是UBeTKOB，并使用隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法研究水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題；Young以Hall等人研究為基礎(chǔ)，應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法研究了單一水庫(kù)的最優(yōu)控制問(wèn)題，隨后各個(gè)學(xué)者又將單一水庫(kù)調(diào)度模型擴(kuò)展到多水庫(kù)情形；受到水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化啟示，國(guó)外相繼涌現(xiàn)了利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法（DP）（1968）、遺傳算法（GA）（1999）和蟻群算法（ACA）（2005）方法建立的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用在多級(jí)泵站水資源優(yōu)化調(diào)度中。21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者也把遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法等許多新興的算法應(yīng)用到了泵站優(yōu)化調(diào)度過(guò)程中。為了解決更加復(fù)雜的技術(shù)優(yōu)化問(wèn)題，收斂速度更快，搜索精度更高，于是混合粒子群算法誕生，即周期離散為若干時(shí)段并進(jìn)行流量分配，通過(guò)計(jì)算各時(shí)段內(nèi)的各機(jī)組耗電電費(fèi)以逼近泵站實(shí)際耗電電費(fèi)的免疫粒子群算法（IAPSO）（2013），能夠有效地解決梯級(jí)泵站優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題，降低了泵站運(yùn)行成本。后來(lái)，學(xué)者們逐漸嘗試將基本粒子群算法（PSO）、自適應(yīng)慣性權(quán)重粒子群算法（APSO）、動(dòng)態(tài)規(guī)劃與模擬退火相結(jié)合的混合算法（DP-SA）（2013）結(jié)合，并應(yīng)用于梯級(jí)泵站輸水優(yōu)化調(diào)度實(shí)踐上。這些新興的方法和傳統(tǒng)方法結(jié)合的算法，也進(jìn)一步完善了對(duì)數(shù)學(xué)模型研究梯級(jí)泵站水資源優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題。

1.3.2 有無(wú)分水任務(wù)

史京轉(zhuǎn)等（2012）采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃和模擬技術(shù)相結(jié)合的算法，建立了級(jí)間無(wú)分水任務(wù)的多級(jí)泵站優(yōu)化調(diào)度的動(dòng)態(tài)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Flex語(yǔ)言編程對(duì)多級(jí)泵站進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，證明了改善級(jí)間流量配合也是提高多級(jí)泵站效率、降低供水能耗的主要途徑。適用于多級(jí)機(jī)組間無(wú)分水的多級(jí)泵站。梯級(jí)泵站級(jí)間有分水任務(wù)；都是通過(guò)分水流量來(lái)控制，各種水力條件要比無(wú)分水任務(wù)的復(fù)雜多，不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，研究均不多。

泵站優(yōu)化調(diào)度主要包含了調(diào)度決策以及管理技術(shù)的優(yōu)化，也就是在一定時(shí)期中，根據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)，在滿足相關(guān)條件的情況下，確保泵站運(yùn)行目標(biāo)函數(shù)能夠達(dá)到極值。從輸水距離長(zhǎng)短和泵站數(shù)量及泵站等各方面因素思考，梯級(jí)泵站作為一個(gè)系統(tǒng)本身便比較復(fù)雜，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度時(shí)不但需要考慮到上面的幾種因素，還應(yīng)該和社會(huì)經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境以及資源政策結(jié)合在一起。要求不同，調(diào)度時(shí)其目標(biāo)也會(huì)存在一定差別。鑒于泵站的用途、自然環(huán)境、機(jī)組形式以及水泵型號(hào)等方面，決定于調(diào)度的目標(biāo)有最小棄水量，最小能耗、最優(yōu)組合及最佳工況點(diǎn)等。因此泵站的水資源優(yōu)化調(diào)度也是一個(gè)綜合性復(fù)雜問(wèn)題。

2 梯級(jí)泵站水資源優(yōu)化調(diào)度存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)

2.1 存在的問(wèn)題及展望

2.1.1 梯級(jí)泵站優(yōu)化調(diào)度存在的問(wèn)題

梯級(jí)泵站水資源優(yōu)化調(diào)度研究雖然有所進(jìn)展，但還存在一些問(wèn)題：

我國(guó)泵站的自動(dòng)化系統(tǒng)不健全，只有少數(shù)大型泵站實(shí)現(xiàn)了局部自動(dòng)化控制；

大多數(shù)泵站的優(yōu)化調(diào)度研究將僅僅局限于泵站，或者考慮的因素多少是否都對(duì)梯級(jí)泵站優(yōu)化調(diào)度有作用； 梯級(jí)泵站系統(tǒng)本身便比較的復(fù)雜和龐大，地區(qū)用水量以及徑流來(lái)水量都存在明顯的隨機(jī)性和不確定性，對(duì)其進(jìn)行預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)范圍都比較大，很難確定其準(zhǔn)確性；

模型算法存在一定的局限性，有些模型本身便比較繁瑣，操作起來(lái)比較復(fù)雜，求解梯級(jí)最優(yōu)時(shí)計(jì)算時(shí)間比較長(zhǎng)，甚至還有些模型算法為了克服存在的維數(shù)災(zāi)問(wèn)題進(jìn)行了大量的假設(shè)以及簡(jiǎn)化，這樣模型很難對(duì)其泵站群實(shí)際情況進(jìn)行描述，優(yōu)化的相關(guān)結(jié)果和實(shí)際情況存在較大誤差。

2.1.2 梯級(jí)泵站優(yōu)化調(diào)度展望

現(xiàn)在方法和最優(yōu)化理論也不斷的成熟，灰色理論、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算方法愈加成熟，也更好的運(yùn)用到了泵站優(yōu)化調(diào)度中去。并且，泵站工程自動(dòng)化水平也在不斷提高，在泵站運(yùn)行計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，優(yōu)化調(diào)度理論的應(yīng)用也在不斷增加。

鑒于梯級(jí)泵站系統(tǒng)的復(fù)雜性，大中型泵站實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制同時(shí)也充分考慮專業(yè)技術(shù)人才運(yùn)用，這樣會(huì)加強(qiáng)人和機(jī)優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合，有利于管理。

泵站作為水資源系統(tǒng)中的重要一環(huán)，對(duì)于泵站的優(yōu)化調(diào)度研究將不僅僅局限于泵站，而會(huì)更多地從水資源大系統(tǒng)來(lái)全面的考慮，如包括泵站工程、蓄水工程、輸水工程和控制調(diào)節(jié)工程等。

如何使梯級(jí)泵站的優(yōu)化調(diào)度模型更加體現(xiàn)其隨機(jī)性，更符合實(shí)際，獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果是今后應(yīng)考慮的問(wèn)題。

模型算法的局限性主要解決研究者是否有足夠的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和實(shí)地勘測(cè)操作，或者參與工作，考慮主要因素，忽略次要因素，建立適合地方局域性數(shù)學(xué)模型去解決。

2.2 意義

梯級(jí)泵站水資源優(yōu)化調(diào)度指的便是通過(guò)優(yōu)化技術(shù)的運(yùn)用來(lái)提高科學(xué)管理的科學(xué)性，努力找到最合適的調(diào)度策略，在確保其運(yùn)行安全、滿足水量需要以及輸水水壓的情況下，不斷的降低其運(yùn)行的實(shí)際成本，將其社會(huì)環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮出來(lái)。在優(yōu)化調(diào)度梯級(jí)泵站時(shí)，不但需要考慮到單個(gè)泵站的實(shí)際運(yùn)行效益，還需要全面考慮泵站系統(tǒng)以及水資源系統(tǒng)的世界情況，對(duì)其進(jìn)行協(xié)調(diào)和統(tǒng)籌，讓各級(jí)泵站和用水之間更加和諧。可以肯定，隨著我國(guó)大型跨流域抽調(diào)水工程和區(qū)域抽調(diào)水工程的實(shí)施，人們將會(huì)更近一步體會(huì)到梯級(jí)泵站優(yōu)化調(diào)度研究帶來(lái)的優(yōu)越性。

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作者簡(jiǎn)介：虎春生（1990-），男，寧夏彭陽(yáng)人，工程碩士，助工，研究方向：供水工程理論與技術(shù)。