基于協(xié)同的水庫汛限水位控制多目標(biāo)分析

呂巳奇 王建群 焦鈺 應(yīng)碧茜

摘要：為提高對(duì)洪水的調(diào)節(jié)作用和洪水資源化利用效益，以豐滿水庫為典型，對(duì)水庫汛限水位控制多目標(biāo)決策問題進(jìn)行研究，定義了水庫汛限水位控制決策目標(biāo)與汛限水位之間的協(xié)同貢獻(xiàn)度函數(shù)、系統(tǒng)協(xié)調(diào)度函數(shù)及各目標(biāo)之間協(xié)同貢獻(xiàn)度置換率函數(shù)，建立了汛限水位控制多目標(biāo)協(xié)同決策模型。將豐滿水庫汛限水位控制方案離散化，分別計(jì)算了各汛限水位方案對(duì)應(yīng)的發(fā)電效益和防洪風(fēng)險(xiǎn)，建立了發(fā)電效益、防洪風(fēng)險(xiǎn)與汛限水位方案之間的協(xié)同貢獻(xiàn)度函數(shù);在發(fā)電效益與防洪風(fēng)險(xiǎn)協(xié)同貢獻(xiàn)度目標(biāo)空間中，進(jìn)行了發(fā)電效益與防洪風(fēng)險(xiǎn)協(xié)同貢獻(xiàn)度置換率分析和汛限水位控制決策。利用協(xié)同貢獻(xiàn)度置換率信息進(jìn)行發(fā)電效益與防洪風(fēng)險(xiǎn)協(xié)同效應(yīng)多目標(biāo)分析和汛限水位控制決策，能深刻揭示水庫發(fā)電效益與防洪風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，提高洪水資源化利用效率。

關(guān)鍵詞：汛限水位：防洪風(fēng)險(xiǎn)：發(fā)電效益;多目標(biāo)

中圖分類號(hào)：TV697.1+l

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000-1379.2019.05 .006

水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制是洪水資源化的一個(gè)重要途徑，關(guān)系到興利效益與防洪風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于水庫汛限水位控制的多目標(biāo)分析有較多研究成果：王本德等[1]以豐滿水庫為例，在規(guī)劃設(shè)計(jì)批準(zhǔn)的水庫汛限水位的基礎(chǔ)上，擬定幾個(gè)抬高汛限水位方案，提出了一種以發(fā)電效益及防洪風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)的汛限水位控制多目標(biāo)評(píng)價(jià)模糊優(yōu)化方法：王才軍等[2]建立了三峽水庫圍堰發(fā)電期的動(dòng)態(tài)汛限水位洪水調(diào)度模型和多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，對(duì)9個(gè)動(dòng)態(tài)汛限水位方案進(jìn)行了多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)排序：劉冀等[3]建立了汛限水位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制方案優(yōu)選的概率排序特征值及方案排序可靠度計(jì)算公式：張驗(yàn)科等[4]針對(duì)綜合利用水庫調(diào)度方案優(yōu)選，提出了一種多指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和逼近于理想解的排序方法：秦雪等[5]通過洪水預(yù)報(bào)信息和汛期動(dòng)態(tài)水位調(diào)度線進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，減少不必要棄水;戴文鴻等[6]提出了多沙水庫實(shí)施汛期分期及汛限水位動(dòng)態(tài)控制方案。目前關(guān)于汛限水位動(dòng)態(tài)控制方案的研究通常是將汛限水位進(jìn)行離散，采用有限方案多目標(biāo)決策（或多屬性決策）方法進(jìn)行方案排序，沒有充分利用防洪、興利目標(biāo)函數(shù)之間的置換率信息。本文主要基于協(xié)同論的理論方法[7-8]研究建立汛限水位控制決策的協(xié)同效應(yīng)多目標(biāo)決策模型及協(xié)同貢獻(xiàn)度之間的置換率函數(shù)，對(duì)豐滿水庫洪水資源利用的關(guān)鍵參數(shù)汛限水位進(jìn)行發(fā)電效益與防洪風(fēng)險(xiǎn)多目標(biāo)協(xié)同分析。

豐滿水庫位于吉林省吉林市上游24 km處的第二松花江上，控制流域面積42 500 km².占第二松花江流域面積的55%，在第二松花江的防洪中起著非常重要的作用，是一座具有防洪、發(fā)電等功能的大型綜合性水利工程。豐滿水電站于1943年開始蓄水發(fā)電，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于1993年建成發(fā)電、位于豐滿水電站上游約200km的白山水電站，其建庫初期未考慮白山水庫的防洪作用。由于各種歷史原因，豐滿水電站在運(yùn)行中不斷進(jìn)行修補(bǔ)和加固處理，經(jīng)歷了三期整治過程，庫容曲線也經(jīng)過多次修正[9]。豐滿水電站全面整治（重建）工程[10-12]于2012年10月獲國家發(fā)改委批準(zhǔn)，總工期78個(gè)月。豐滿水電站全面整治（重建）工程完工后壩頂高程269.5 m，總庫容103.77億m³.總裝機(jī)容量148萬kW。受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，流域洪水特性逐漸發(fā)生變化，豐滿水庫設(shè)計(jì)洪水經(jīng)歷了多次調(diào)整[13-14]。在流域洪水特性逐漸發(fā)生變化、豐滿水電站全面整治（重建）工程即將竣工以及處理人與洪水關(guān)系的理念已由原始的防御洪水向洪水管理和洪水資源利用轉(zhuǎn)變[15-16]的背景下，對(duì)豐滿水庫洪水資源利用的關(guān)鍵參數(shù)汛限水位進(jìn)行發(fā)電效益與防洪風(fēng)險(xiǎn)多目標(biāo)分析研究，在保障防洪安全的前提下，提高水資源利用率，對(duì)于豐滿水庫的運(yùn)行管理和水資源高效利用有著很大的應(yīng)用價(jià)值。

1 理論方法

根據(jù)決策空間是否是連續(xù)的，經(jīng)典的多準(zhǔn)則決策可以劃分為兩類：備選方案的個(gè)數(shù)是無限的，決策空間是連續(xù)的，稱之為多目標(biāo)決策：備選方案的個(gè)數(shù)是有限的，決策空間是離散的，稱之為多屬性決策。求解多目標(biāo)決策問題的方法有加權(quán)法、主要目標(biāo)法、理想點(diǎn)法、SWT法及各種交互式多目標(biāo)決策方法，其中SWT法充分利用了目標(biāo)函數(shù)間的非劣置換率信息。多目標(biāo)規(guī)劃問題及其求解方法在追求每個(gè)目標(biāo)最優(yōu)的同時(shí)更加注重解的“非劣”性，最終求得的解為“最佳協(xié)調(diào)解”，或稱為帕累托最優(yōu)解，可研究未知方案集的規(guī)劃設(shè)計(jì)問題。而在求解多屬性決策問題的過程中，其多個(gè)屬性值或指標(biāo)值是事先確定的，主要問題是研究有限個(gè)已知方案的評(píng)價(jià)選擇問題，方法有ELECTRE法、TOPSIS法和層級(jí)分析法（AHP）、多屬性價(jià)值理論法（ MAVT）等各種權(quán)重法。

目前對(duì)于綜合利用水庫洪水資源的關(guān)鍵參數(shù)汛限水位進(jìn)行控制決策或選擇研究的通常做法是，將汛限水位進(jìn)行離散，采用多屬性決策方法進(jìn)行有限方案排序和選擇?，F(xiàn)有方法沒有充分利用防洪、興利目標(biāo)函數(shù)之間的置換率信息，對(duì)目標(biāo)函數(shù)間的協(xié)同性注重不夠。為此，我們基于協(xié)同論的理論方法[7-8]對(duì)綜合利用水庫洪水資源的關(guān)鍵參數(shù)汛限水位進(jìn)行多目標(biāo)協(xié)同分析。

將汛限水位控制決策的多目標(biāo)問題描述為

進(jìn)行協(xié)同貢獻(xiàn)度置換率函數(shù)分析有助于進(jìn)行汛限水位多目標(biāo)分析和控制決策。

下面充分利用協(xié)同貢獻(xiàn)度置換率函數(shù)信息和系統(tǒng)協(xié)調(diào)度函數(shù)信息進(jìn)行豐滿水庫汛限水位多目標(biāo)協(xié)同效應(yīng)分析，所考慮的目標(biāo)為發(fā)電效益和防洪風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)豐滿水庫洪水資源利用的關(guān)鍵參數(shù)汛限水位進(jìn)行發(fā)電效益與防洪風(fēng)險(xiǎn)的多目標(biāo)分析方法是：將汛限水位的可能方案離散化，對(duì)于每個(gè)離散化汛限水位控制方案，計(jì)算發(fā)電效益目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行發(fā)電效益分析;同時(shí)，計(jì)算極限風(fēng)險(xiǎn)率目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行防洪風(fēng)險(xiǎn)分析;然后，利用系統(tǒng)協(xié)調(diào)度和協(xié)同貢獻(xiàn)度置換率信息進(jìn)行發(fā)電效益與防洪風(fēng)險(xiǎn)協(xié)同效應(yīng)多目標(biāo)分析和決策，求得安全、經(jīng)濟(jì)的汛限水位變動(dòng)控制域，為汛限水位動(dòng)態(tài)控制提供科學(xué)依據(jù)。

2 發(fā)電效益分析

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