大伙房水庫供水調(diào)度規(guī)則制定研究

王振輝

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

0 引 言

優(yōu)化算法與計算機技術的快速發(fā)展，推動了水庫調(diào)度優(yōu)化及模擬的研究，經(jīng)模型演算后大多數(shù)水庫均可獲取適用的調(diào)度規(guī)則。

當前，水資源配置中的水庫調(diào)度規(guī)則模塊已被成功應用于多個商業(yè)軟件，例如SPWATER、MIKE BASIN、HEC-ResSim、RIBASIM等軟件，而獲取水庫調(diào)度規(guī)則的有關研究還比較少。智能算法的快速發(fā)展為獲取水庫調(diào)度規(guī)則提供了技術支撐，更多的智能算法逐漸得到應用，如Shiau[1]、Chang[2]、Chen[3]、Wang[4]等為獲取更加合理的調(diào)度規(guī)則，深入探究了遺傳及協(xié)同演化算法；尹正杰[5]等在制定調(diào)度規(guī)則時充分考慮了各行業(yè)用水信息，結合供水調(diào)度制定合理的運行機制；張雙虎[6]等將遺傳算法與差分演化算法相結合，以烏江水庫群優(yōu)化調(diào)度為例構造了梯級發(fā)電量最大的目標函數(shù)；黃家文[7]等綜合應用免疫粒子群算法、水庫蓄供水控制線和判別系數(shù)法，合理優(yōu)化了蓄供水控制線。水庫供水調(diào)度圖為以往學者相關研究中最實用、最常見的調(diào)度規(guī)則，將優(yōu)化與模擬相耦合形成了一套獲取調(diào)度圖的混合式方法。然而，在提取調(diào)度圖過程中發(fā)現(xiàn)粒子群算法易陷入局部最優(yōu)，模擬過程中該算法存在一定缺陷，為達到較優(yōu)的結果求解時設定的迭代次數(shù)或粒子數(shù)一般較大[8]。

鑒于此，以大伙房水庫為例，為制定合理的水庫調(diào)度規(guī)則提出了混沌粒子群算法，通過實證分析驗證了其可靠性與適用性。

1 水庫供水調(diào)度模型

1.1 調(diào)度模型供水規(guī)則

設定用水戶A、B、C為水庫的供水對象，為便于調(diào)度分析設供水保證率最高者為A、最低者為C、用水戶B居中。圖1為調(diào)度圖，按照設計供水保證率高低與供水目標的優(yōu)先等級，將興利庫容分解為多個調(diào)度區(qū)并自下而上依次排列限制線。其中，調(diào)度圖中時間和蓄水位不具備真實的意義，僅代表水庫蓄水位隨時間的變化規(guī)律。

水庫運行過程中對每個用水戶的供水規(guī)則，見表1，應充分考慮各調(diào)度區(qū)與水庫蓄水量間的關系。

1.2 目標函數(shù)

1)設N、T為用水戶數(shù)和水庫供水的時段數(shù)，用水戶i在時段t的缺水量、需水量和供水量△DEi(t)、WDi(t)、WSi(t)，則缺水量最少的目標函數(shù)可表示為：

(1)

式中：△DEi(t)=WDi(t)-WSi(t)；?t∈T，?i∈N。

圖1 水庫運行調(diào)度圖

表1 水庫供水規(guī)則

2)引入Pi、Ratioi為用水戶i的設計供水保證率和實際保證率，引入指標Mi(t)描述用水戶i供水是否滿足，則供水保證率最高的目標函數(shù)為：

新課程標準要求學生學習的數(shù)學內(nèi)容必須是有挑戰(zhàn)性的，有利于學生主動地進行觀察、實驗、猜測、驗證、推理與交流等數(shù)學活動。教材把表內(nèi)乘法分為兩部分，第一部分主要是乘法算理理解以及2～6的乘法口訣，第二部分是7～9的乘法口訣，這樣的編排不利于學生的思維連續(xù)性。有必要對表內(nèi)乘法進行改進。要根據(jù)學生已有的認知特點，對教材進行適當?shù)闹亟M和補充，積極探索。

(2)

1.3 決策變量

實際上水庫供水調(diào)度圖上的各控制水位線就是決策變量，因此結合限制供水系數(shù)及水庫蓄水狀態(tài)，可以將調(diào)度圖概化為以下表達式：

(3)

式中：m、n為單條調(diào)度線點數(shù)和調(diào)度線條數(shù)；Xi,j為調(diào)度線i上點j的控制水位。

1.4 約束條件

水量平衡、水庫庫容為水庫調(diào)度模型的主要約束條件，此外涉及水庫供水時還要考慮供水約束，各類約束的具體表達式為：

1)水量平衡約束條件。引入I(t)、L(t)為t時段入庫水量與水庫損失水量，S(t)、EC(t)為t時段水庫的棄水量和壩下水環(huán)境需水量，S(t)、S(t+1)為t時段的初、末庫容，以上各參數(shù)單位為萬m3。因此，水庫水量平衡約束可表示為：

(4)

2)水位約束條件。設定Zmax(t+1)、Zmin(t+1)為t時段末水庫運行的允許最高與最低水位，即非汛期正常蓄水位或汛期汛限水位與死水位，單位m，由此構造的水位約束條件為：

Zmin(t+1)≤Z(t+1)≤Zmax(t+1)

(5)

3)水位庫容約條件束。設t時段初水庫面積、水位和庫容依次為A(t)、Z(t)、S(t)，單位為萬m2、m、萬m3，因此形成的庫容約束函數(shù)如下：

(6)

4)供水、調(diào)度縣不交叉約束。引入αi為用水戶i的限制供水系數(shù)，則供水約束和調(diào)度線不交叉約束條件為：

WSi(t)≥αi×WDi(t)

(7)

Xi,j≥Xi+1,j

(8)

5)非負約束條件。根據(jù)以上各約束條件，水庫供水調(diào)度各變量均為非負值。

1.5 模型求解

模擬過程中，后期收斂速度慢、前期收斂速度快為粒子群算法存在的典型特征，各粒子在種群中相差較小，并且隨隨著迭代次數(shù)的增大種群的多樣性不斷減少，由此呈現(xiàn)出顯著的“趨同性”，這種現(xiàn)象加大了局部極值的發(fā)生概率，為增加種群的多樣性必須此案去分群、擾動、變異等措施，算法所求的最優(yōu)解即為粒子群趨同的點。

設定合理的步數(shù)閾值N作為進化停滯條件，當進化停滯步數(shù)n超過閾值時隨機選取20%的粒子開始混沌變異，原聚集性粒子群利用新的運算公式驅(qū)散，由此實現(xiàn)增加種群多樣性及解決早期收斂的問題，混沌變異算法的運算流程如圖2。

2 實證分析

2.1 水庫概況

大伙房水庫坐落于撫順市境內(nèi)，控制面積5437km2，是一座兼顧灌溉、防洪、發(fā)電、供水、養(yǎng)殖等功能的大型水利工程，同時也是全國九大重點城市供水水源地之一。水庫總庫容21.87億m3，防洪庫容11.82億m3，汛限水位126.4m，最高水位138.8m，最大水深37.0m，死水位108.0m，庫區(qū)水面最寬達4km、東西長35km，最大蓄水面積114km2，樞紐總泄量16.295m3/s。輸洞長251m，底板高程94m，洞徑6.5m，一支和二支洞設置于主洞末，溢洪道設置有寬10.4m、高8.7m的5個閘門。電站總裝機容量3.2萬kW，年發(fā)電量5600kW·h，庫區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模大有自然“大水缸”之稱，承擔著遼陽、盤錦、鞍山、沈陽、撫順、沈營口、大連等城市和2300萬人口生活供水任務[9-17]。

2.2 結果分析

將缺水量最小與供水保證率最高兩個目標利用權重系數(shù)法融合成一個目標函數(shù)，設定工業(yè)和農(nóng)業(yè)供水限制系數(shù)為0.9、0.7，混沌變異粒子群算法的迭代次數(shù)為5000次，停滯步數(shù)閾值和種群規(guī)模分別取20、500，獨立運行10次以降低預測結果受隨機性的影響程度。模型求解結果為最優(yōu)適應度所對應的調(diào)度圖，如圖3。

按照以上調(diào)度圖模擬大伙房水庫運行過程，由此輸出各項運行參數(shù)如表2。從表2可知，水庫農(nóng)業(yè)、工業(yè)、下游區(qū)間補水及城市生活用水保證率依次為70%、85%、95%和95%，均達到各行業(yè)供水要求。通過對比分析按需供水及調(diào)度圖的調(diào)度規(guī)則，進一步驗證其有效性，結果發(fā)現(xiàn)供水過程中未發(fā)現(xiàn)中斷及深度限制條件。

表2 大伙房水庫供水運行參數(shù) 萬m3

3 結 論

結合現(xiàn)有文獻資料和水庫供水調(diào)度特征，混沌變異粒子群算法構建供水調(diào)度優(yōu)化模型，然后以大伙房水庫為例應用該模型有效解決了供水調(diào)度過程中出現(xiàn)的問題，按照輸出的調(diào)度圖運行水庫可以滿足各行業(yè)供水保證率，且運行過程中未發(fā)現(xiàn)中斷和深度缺水的現(xiàn)象，可為獲取大伙房水庫調(diào)度圖及其調(diào)度運行提供科學指導。