大伙房水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制的調(diào)度方案優(yōu)化研究

齊 濤

（遼寧葠窩水力發(fā)電有限責(zé)任公司,遼寧 遼陽(yáng) 111000）

大伙房水庫(kù)位于撫順市,是渾河中上游一座大型水庫(kù),控制流域面積5437 km3,主要任務(wù)是防洪、農(nóng)田灌溉、城市供水以及發(fā)電和養(yǎng)殖等。水庫(kù)總庫(kù)容22.68 億m3,設(shè)計(jì)校核洪水位138.83 m,有效庫(kù)容12.96 億m3,正常蓄水位131.5 m,為保證城市與農(nóng)田安全,水庫(kù)下游沈陽(yáng)市按照300 年一遇設(shè)計(jì),撫順市按照100 年一遇設(shè)計(jì),基本農(nóng)田按照50 年一遇設(shè)計(jì)。水庫(kù)在防洪與興利之間的矛盾非常突出,在1960 年水庫(kù)棄水量14 億m3,汛期之后水庫(kù)蓄水量比有效庫(kù)容少了2 億m3,主要是由于汛期汛限水位太低所致,而在1964 年發(fā)生的四次洪水,又由于汛限水位過(guò)高導(dǎo)致下游淹沒?；诖?為更好保證防洪與興利的有效協(xié)調(diào),開展大伙房水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制下優(yōu)化調(diào)度方案研究是非常必要的。

1 多層模糊優(yōu)選模型

防洪調(diào)度方案選擇屬于多目標(biāo)、多層次模糊優(yōu)化決策問題。模糊優(yōu)選模型正是針對(duì)多目標(biāo)、多階段方案中,在有限的可行決策域內(nèi)尋求滿意決策。

（1）假設(shè)某個(gè)階段決策過(guò)程中,有待選的P個(gè)可行決策方案組成方案集,每個(gè)方案有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)特征值對(duì)方案進(jìn)行評(píng)判,則該階段待評(píng)判的P個(gè)方案之m個(gè)指標(biāo)特征值構(gòu)成矩陣：

式中：h=1,2,…,m；j=1,2,…,P；Ghj為第j個(gè)方案第h個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的特征值。

（2）為比較各個(gè)指標(biāo)對(duì)模糊子集“優(yōu)”的隸屬程度,需計(jì)算指標(biāo)優(yōu)屬度矩陣：

式中：wh為第h個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

（4）計(jì)算方案優(yōu)屬度向量

第j個(gè)方案以隸屬度uj表示它隸屬于優(yōu)等方案的程度,即：

方案優(yōu)屬度最大的方案即為較優(yōu)方案。

2 大伙房水庫(kù)后汛期汛期水位備選方案

以累積凈雨做主要判斷指標(biāo)的防洪安全、興利蓄水、權(quán)衡方案和主汛期對(duì)比方案共8種方案待選擇。表1列出了后汛期汛期水位的因素集與方案集。

表1 后汛期汛期水位因素集與方案集

3 汛期水位方案模糊優(yōu)選

3.1 系統(tǒng)分層

由于指標(biāo)較多,為明晰思路和便于確定指標(biāo)權(quán)重,需要將19個(gè)指標(biāo)分層考慮。圖2是分層結(jié)果。

圖2 汛期水位方案三層模糊優(yōu)選系統(tǒng)

3.2 確定第一層相對(duì)隸屬度向量

①確定目標(biāo)值矩陣

最高水位單元系統(tǒng)有2%、1%、0.33%、0.1%、0.1%,PMF洪水的調(diào)洪最高水位特征值,結(jié)合表1,待優(yōu)選的P個(gè)方案之m個(gè)指標(biāo)特征值可構(gòu)成該單元系統(tǒng)的指標(biāo)特征值矩陣：

②計(jì)算目標(biāo)優(yōu)屬度向量

庫(kù)水位指標(biāo)值屬于中間型,所以按式（5）計(jì)算目標(biāo)值優(yōu)屬度,結(jié)果如下：

③確定權(quán)重向量

假定各頻率洪水權(quán)重相同,則：

④計(jì)算方案優(yōu)屬度向量

根據(jù)式（7）計(jì)算方案優(yōu)屬度向量：

該方案優(yōu)屬度作為上一層次的指標(biāo)優(yōu)屬度,進(jìn)一步優(yōu)選。

⑤計(jì)算第一層其他單元系統(tǒng)的方案優(yōu)屬度向量

對(duì)于最大泄量、沈陽(yáng)組合流量、興利效益等單元系統(tǒng),各指標(biāo)值均屬于中間型,按公式⑥計(jì)算目標(biāo)值優(yōu)屬度。

取權(quán)重向量分別為：

得方案優(yōu)屬度向量分別為：

3.3 確定第二層相對(duì)隸屬度向量

根據(jù)多層多目標(biāo)模糊優(yōu)選模型,下一層的輸出作為上一層的輸入。因此第一層的方案優(yōu)屬度即作為第二層的指標(biāo)優(yōu)屬度。第二層有兩個(gè)單元系統(tǒng),防洪目標(biāo)的指標(biāo)優(yōu)屬度矩陣為：

得方案優(yōu)屬度向量：

其中,權(quán)重向量W21=（0.3333, 0.3333, 0.3333）

興利目標(biāo)的指標(biāo)優(yōu)屬度向量為：

方案優(yōu)屬度向量：

3.4 確定最高層相對(duì)隸屬度向量

第三層為最高層,根據(jù)公式（2）,第三層的指標(biāo)優(yōu)屬度即第二層的方案優(yōu)屬度。則：

若兼顧防洪與興利要求,權(quán)重可能取為W31=（0.5000, 0.5000）則：

3.5 不同權(quán)重下的優(yōu)選結(jié)果

結(jié)合實(shí)際情況討論不同權(quán)重下的方案優(yōu)屬度?？紤]到大伙房水庫(kù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和防洪任務(wù),則設(shè)計(jì)洪水、PMF洪水最高水位權(quán)重應(yīng)大,農(nóng)田2%、撫順1%、沈陽(yáng)0.33%下泄流量權(quán)重應(yīng)大。經(jīng)以上分析,第一層最高水位、最大泄量與沈陽(yáng)組合流量單元系統(tǒng)中,權(quán)重向量可能分別為：

最高層方案優(yōu)屬度,根據(jù)防洪與興利的側(cè)重點(diǎn)不同而得表2中不同結(jié)果。

表2 不同目標(biāo)權(quán)重下的優(yōu)選結(jié)果表

從計(jì)算結(jié)果可知,隨著防洪目標(biāo)的權(quán)重從0.3 增加到0.7,主汛期汛期水位126.4 m的方案和防洪方案的優(yōu)屬度逐步增大,興利方案的優(yōu)屬度逐漸減小,權(quán)衡方案128.0 m的優(yōu)屬度逐漸增大,其他權(quán)衡方案優(yōu)屬度逐漸減??；當(dāng)防洪與興利目標(biāo)取為等權(quán)重時(shí),權(quán)衡方案（128.0 m、128.5 m、129.0 m）的優(yōu)屬度要優(yōu)于其他方案,較劣方案為主汛期汛期水位126.4 m方案與興利方案；對(duì)于5 個(gè)權(quán)衡方案,當(dāng)汛期水位很接近于防洪方案的汛期水位127.9 m時(shí),方案優(yōu)屬度的變化規(guī)律與防洪方案的優(yōu)屬度變化規(guī)律一致,而其他權(quán)衡方案優(yōu)屬度的變化規(guī)律與興利方案的優(yōu)屬度變化規(guī)律一致。

3.6 推薦方案

根據(jù)對(duì)方案優(yōu)選的結(jié)果,當(dāng)后汛期汛期水位較低時(shí),如127.9m,水庫(kù)的防洪壓力較小,當(dāng)汛期水位抬高時(shí),效益增加很明顯；而當(dāng)后汛期汛期水位過(guò)高時(shí),如高于130 m,隨著汛期水位的提高,水庫(kù)的效益增加很緩慢,當(dāng)超過(guò)130.5 m時(shí)不再增加,相比之下,防洪壓力卻越來(lái)越大。權(quán)衡方案（128.0 m、128.5 m、129.0 m）兼顧了防洪與興利要求,這三種方案的各項(xiàng)指標(biāo)值處于防洪方案與興利方案中間,所以當(dāng)防洪與興利的權(quán)重發(fā)生變化時(shí),這幾種方案的優(yōu)屬度都很大。大伙房水庫(kù)是一座防洪、供水等綜合利用的大型水利樞紐工程。通過(guò)分析,一般情況下推薦權(quán)衡方案（128.0 m、128.5 m、129.0 m）；只有在側(cè)重防洪時(shí),才推薦防洪方案（127.9 m）。

4 結(jié)論

通過(guò)開展大伙房水庫(kù)后汛期水位動(dòng)態(tài)變化調(diào)度方案優(yōu)化研究,推薦方案能夠有效指導(dǎo)大伙房水庫(kù)汛期調(diào)度,使水庫(kù)發(fā)揮了最佳效益。由于水庫(kù)汛期受到的影響因素眾多,結(jié)果當(dāng)水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行時(shí),還需要根據(jù)當(dāng)時(shí)的各種條件做相應(yīng)的微調(diào),但從實(shí)際運(yùn)行總的趨勢(shì)來(lái)看基本沒有變化,進(jìn)一步說(shuō)明了推薦方案成果是合理的。隨著氣候、降雨及徑流等因素的變化,調(diào)度方案要做定期的復(fù)核,同時(shí)管理部門要加強(qiáng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)水庫(kù)的調(diào)度。結(jié)果可為大伙房水庫(kù)防汛、調(diào)蓄調(diào)度相協(xié)調(diào)且發(fā)揮最大效益提供有意義的指導(dǎo)。