黃河梯級水庫群多過程協(xié)同調(diào)度模型與方法

彭少明，王 煜，鄭小康，金文婷，尚文繡，陶奕源

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；3.安康學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院，陜西 安康 725000)

1 研究背景

梯級水庫群具有防洪、供水、發(fā)電、灌溉、航運、生態(tài)等多方面功能，聯(lián)合調(diào)度的潛力與效益巨大[1-2]。科學(xué)調(diào)控上下游梯級水庫群蓄泄方式、協(xié)調(diào)不同調(diào)度目標(biāo)間的關(guān)系是充分發(fā)揮梯級水庫群綜合效益的必要條件，對優(yōu)化水資源配置、協(xié)調(diào)水沙關(guān)系、提高水電能源效率、改善生態(tài)環(huán)境意義重大[3-5]。梯級水庫群調(diào)度受水文過程、用水需求、發(fā)電控制、輸沙沖淤、生態(tài)要求等因素影響，服務(wù)和調(diào)度主體非單一，具有高維、非線性以及多尺度、多層次、多目標(biāo)的特征，一直是水利科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)交叉研究的前沿和難點問題之一[6]。

經(jīng)過多年發(fā)展，水庫調(diào)度研究已由傳統(tǒng)的單庫多目標(biāo)逐漸演變到梯級水庫群多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，并形成較為完整的框架[7]。當(dāng)前梯級水庫群多目標(biāo)調(diào)度研究多把生態(tài)流量作為約束處理[8-9]，對供水、灌溉、輸沙、發(fā)電和生態(tài)多目標(biāo)相互影響及其過程作用考慮不足，難以協(xié)調(diào)多個調(diào)度目標(biāo)間的制約沖突關(guān)系，無法適應(yīng)超大梯級水庫群綜合效益最大化發(fā)揮的新需求[10-12]。隨著流域水庫數(shù)量不斷增加、調(diào)度目標(biāo)日益多元化，水沙過程不斷變化下梯級水庫群調(diào)度不同目標(biāo)與過程、單庫與多庫的矛盾問題不斷深化，具有復(fù)雜水力聯(lián)系的梯級水庫群系統(tǒng)優(yōu)化面臨著棘手的“維數(shù)災(zāi)”問題，傳統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度理論與方法已無法滿足大型流域復(fù)雜梯級水庫群系統(tǒng)整體優(yōu)化的需求，亟需發(fā)展新的協(xié)同調(diào)度理論與方法[13-14]。有別于以往多目標(biāo)調(diào)度主要側(cè)重綜合效益和整體協(xié)調(diào)性，多過程協(xié)同調(diào)度則面向河流供水、輸沙、發(fā)電和生態(tài)多種目標(biāo)的過程需求，以協(xié)調(diào)水庫出庫流量、河段供水量過程為控制手段，優(yōu)化適宜的河流水流、水動力、輸沙率等過程變量，尋求各目標(biāo)與過程的均衡點，實現(xiàn)多過程的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一；與多目標(biāo)調(diào)度相比，多過程協(xié)同調(diào)度在需求上深化了水流、水動力、水生態(tài)等過程，在控制上細(xì)化了流量、含沙量、供水量等變量過程，在效果上既注重總體效益的實現(xiàn)也關(guān)注過程需求的滿足程度。

黃河水資源總量不足，有限的水資源還必須承擔(dān)一般清水河流所沒有的輸沙任務(wù)[15]，當(dāng)前黃河干流梯級水庫群擔(dān)負(fù)著流域防洪防凌、供水、發(fā)電、灌溉等任務(wù)的同時，還要保障寧蒙河段及下游河道的泥沙沖淤和河流生態(tài)安全，多種用水之間量與過程關(guān)系復(fù)雜、矛盾突出，梯級水庫群多過程協(xié)同調(diào)度模型方法尚不完善。

2 黃河梯級水庫群概化

2.1 黃河梯級水庫群分布考慮經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和黃河治理開發(fā)的需求，《黃河流域綜合規(guī)劃(2012—2030年)》[16]在黃河干流的龍羊峽至桃花峪河段共布置了36座梯級樞紐工程，并明確提出龍羊峽、劉家峽、黑山峽、磧口、古賢、三門峽和小浪底等7大控制性骨干工程構(gòu)成黃河水沙調(diào)控體系的主體。其中龍羊峽至河口鎮(zhèn)河段26座梯級工程，河口鎮(zhèn)至桃花峪河段10座梯級工程，總裝機25 758 MW。目前龍羊峽以下黃河干流已建成水庫30座，總庫容577億m3，調(diào)節(jié)庫容282億m3，總裝機19 236 MW，其中有較大調(diào)節(jié)能力的水庫5座(龍羊峽、劉家峽、萬家寨、三門峽、小浪底，調(diào)節(jié)庫容274億m3)，其他梯級均為徑流式電站。

2.2 節(jié)點概化根據(jù)黃河水少沙多、水沙異源的特點，以及上中下游除害興利緊密聯(lián)系、相互制約的客觀情況，將黃河梯級水庫群及其調(diào)度范圍劃分為上、中、下游3個分區(qū)?？紤]梯級水庫功能不同、河段用水目標(biāo)和過程不同，每個分區(qū)又分為若干個子區(qū)，采用概化的“點”“線”元素表達(dá)，繪制描述流域水力聯(lián)系的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點圖，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動形成模型基礎(chǔ)。為保證模型精度，流域概化和節(jié)點劃分遵循5條原則：①反映水力聯(lián)系及水循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系；②反映取、用、排水特性；③反映河道內(nèi)外環(huán)境狀況；④反映河段工程條件及河道河勢變化；⑤反映河段輸沙、生態(tài)流量控制要求。根據(jù)黃河流域行政區(qū)劃和水系分布，并考慮主要斷面控制要求和工程情況，將黃河干流和主要支流概化為34個需水節(jié)點、10個水庫節(jié)點和5個大斷面，按水系連接，形成概化節(jié)點圖。

圖1 黃河梯級水庫群多過程協(xié)同調(diào)度概化節(jié)點圖

3 黃河梯級水庫群多過程協(xié)同調(diào)度模型

黃河梯級水庫群多過程協(xié)同調(diào)度包含供水、輸沙、發(fā)電以及河流生態(tài)多個目標(biāo)，每個目標(biāo)具有各自需要的水量、流量、水動力過程，通過建立融合供水、輸沙、發(fā)電和生態(tài)的多過程協(xié)同調(diào)度模型，模擬了梯級系統(tǒng)不同調(diào)度策略下的河流多目標(biāo)、多過程之間響應(yīng)關(guān)系。

3.1 多過程協(xié)同調(diào)度模型目標(biāo)函數(shù)供水、輸沙、發(fā)電和生態(tài)各用水過程之間通過梯級水庫群下泄流量以及斷面控泄流量相互作用、相互影響，融合供水、輸沙、發(fā)電和生態(tài)4大過程，建立多過程協(xié)同調(diào)度模型。

(1)供水調(diào)度模型。以河段缺水量最小并且分布合理為目標(biāo)，優(yōu)化梯級水庫的出庫過程和河段配水過程，解決水量時空均衡分配問題，提高流域供水保障能力。

(1)

式中：W為流域缺水總量，m3；γ(i，t)為i節(jié)點t時段缺水的重要性系數(shù)，無量綱；Qd(i，t)、Qs(i，t)分別為i節(jié)點t時段需水量和供水量，m3/s；Δt為計算步長；I、T分別為節(jié)點數(shù)和總時段數(shù)。

(2)河流輸沙調(diào)度模型。以河流輸沙量最大目標(biāo)，優(yōu)化梯級水庫的出庫流量過程，提高河道輸沙能力，維持河道穩(wěn)定，減少水庫和河道的泥沙淤積。

(2)

式中：Qsed為河流輸沙量，kg；η為經(jīng)驗系數(shù)，β、b為指數(shù)，均無量綱；Qc(j，t)為j斷面t時段的流量，m3/s；S(j，t)為j斷面t時刻的含沙量，kg/m3。

(3)發(fā)電調(diào)度模型。以梯級系統(tǒng)發(fā)電量最大目標(biāo)，優(yōu)化水庫群發(fā)電水頭和過機流量過程，提高梯級水庫群調(diào)度期內(nèi)發(fā)電能力和梯級水庫群經(jīng)濟(jì)效益。

(3)

式中：E為梯級系統(tǒng)發(fā)電量，kW·h；QRO(m，t)為第m水庫t時段的出庫流量，m3/s；θ為綜合出力系數(shù)，無量綱；Hs(m，t)、H0(m，t)分別為水庫水頭和發(fā)電尾水位，m。

(4)生態(tài)調(diào)度模型。以河流生態(tài)系統(tǒng)缺水量最小化目標(biāo)，優(yōu)化水庫出庫流量過程，實現(xiàn)最大化貼近自然水文情勢的水庫泄流方式，維持和改善河流健康狀況。

(4)

式中：Qeco為生態(tài)缺水量，m3；Qe(k，t)、Qc(k，t)分別為第k控制斷面t時段的生態(tài)需水流量和斷面下泄流量，m3/s；K為控制斷面數(shù)。

(5)多用水過程水量平衡關(guān)系與水沙過程協(xié)調(diào)。多用水過程以水量和流量過程相互關(guān)聯(lián)，梯級水庫群下泄水量與區(qū)間徑流量扣除河道外取用水量，即為斷面下泄流量過程，汛期主要滿足輸沙功能，非汛期主要滿足生態(tài)流量。

Qc(k，t)=QRO(m，t)+QR(x，t)-Qs(x，t)-QL(x，t)+QT(x，t)

(5)

式中：QRO(m，t)為m水庫t時段的出庫流量，m3/s；QR(x，t)為x河段t時段的區(qū)間入流，m3/s；Qs(x，t)為t時段第x河段供水量，m3/s；QL(x，t)為x河段t時段的水量損失，m3/s；QT(x，t)為t時段第x河段退水量，m3/s。

根據(jù)不同量級洪水、泥沙運動規(guī)律，控制水庫出庫流量、排沙量過程，優(yōu)化排沙比形成相對高效的含沙量過程：

(6)

式中：QRO(m，t)和QRO(m，t-1)分別是m水庫t時段和t-1時段的出庫流量，m3/s；S(m，t)、S(m，t-1)分別為m水庫t時段和t-1時段壩址含沙量，kg/m3；WSI(m，t)為m水庫t時段入庫沙量，kg；μs為排沙比，無量綱。

3.2 約束條件設(shè)置水量模型約束條件，實現(xiàn)多過程協(xié)同調(diào)度模擬環(huán)境和運行邊界。

(1)出庫流量約束

QROmin(m，t)≤QRO(m，t)≤QROmax(m，t)

(7)

式中：QROmax(m，t)為m水庫t時段最大出庫流量，m3/s，其值與防凌和最大過機流量有關(guān)；QROmin(m，t)為m水庫t時段最小出庫流量，m3/s，其值與生態(tài)流量有關(guān)。

(2)供水能力約束，水源工程供水量不超過其供水能力：

Qs(n，t)≤Qsmax(n)

(8)

式中：Qs(n，t)為n水源工程t時段的供水量，m3/s；Qsmax(n)為n水源工程的供水能力，m3/s。

(3)出力約束，水庫應(yīng)滿足系統(tǒng)出力要求：

Nmin(m，t)≤N(m，t)≤Nmax(m，t)

(9)

式中：N(m，t)為m水庫t時段出力，kW；Nmax(m，t)為m水庫裝機，kW；Nmin(m，t)為m水庫保證出力，kW。

(4)工程安全約束，水庫調(diào)度運行安全要求蓄水量滿足：

Vmin(m，t)≤V(m，t)≤Vmax(m，t)

(10)

式中：V(m，t)為m水庫t時段的蓄水量，m3；Vmax(m，t)為m水庫t時段容許的最大蓄水量，m3；Vmin(m，t)為m水庫t時段容許的最小蓄水量，一般為死庫容，m3。

(5)防凌約束：即在防凌期(11月至次年3月)需要控制劉家峽水庫的出庫流量保證蘭州斷面的防凌要求。

QRO(劉家峽，t)≤QF(蘭州，t)

(11)

式中：QRO(劉家峽，t)為劉家峽水庫t時段的出庫流量，m3/s；QF(蘭州，t)為蘭州斷面t時段的防凌安全限制流量，m3/s。

(6)其他約束：滿足模型非負(fù)要求。

4 多過程協(xié)同控制原理與求解方法

協(xié)同控制是梯級水庫群多過程協(xié)同調(diào)度的基礎(chǔ)[17-18]，就是通過優(yōu)化水庫出庫流量過程，控制斷面取水過程及下泄流量過程，協(xié)調(diào)供水、輸沙、發(fā)電和生態(tài)等用水過程的關(guān)系，尋求各目標(biāo)與過程的均衡點，實現(xiàn)綜合效益最大化。

4.1 多過程協(xié)同控制原理

(1)單目標(biāo)滿意度控制。將某一時段供水、輸沙、發(fā)電和生態(tài)各目標(biāo)利益滿足程度稱為該時段各目標(biāo)的滿意度，采用目標(biāo)獲得值與期望值的比值，是介于0～1之間的數(shù)值，滿意度取值越接近1則代表滿足程度越高。單目標(biāo)利益滿意度：

(12)

采用式(12)逐時段分別對供水、輸沙、發(fā)電和生態(tài)目標(biāo)滿意度進(jìn)行檢驗，若某一目標(biāo)的滿意度不在(0，1)區(qū)間內(nèi)，則調(diào)控增加該目標(biāo)的用水流量，使得其滿意度回歸到合理區(qū)間內(nèi)。對于生態(tài)和輸沙目標(biāo)而言，河流所需的生態(tài)流量與調(diào)水調(diào)沙輸沙量均有最大、最小值閾值限制，只有在閾值范圍內(nèi)，才能保障河流基本的生態(tài)健康功能及泥沙輸移功能，故生態(tài)、輸沙目標(biāo)的滿意度合理區(qū)間可直接由生態(tài)流量及調(diào)水調(diào)沙輸沙量的最大、最小值與期望值的比值得到。而對于供水和發(fā)電目標(biāo)而言，由于無法直接確定逐時段供水量及梯級發(fā)電量的最大、最小值，可構(gòu)建兼顧其他用水需求的供水或發(fā)電單目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，以長系列徑流資料驅(qū)動模型求解，根據(jù)模型結(jié)果統(tǒng)計多個水文年的年內(nèi)逐時段單目標(biāo)滿意度落值區(qū)間，由多個水文年單目標(biāo)滿意度的上、下包線得到該目標(biāo)逐時段的滿意度閾值區(qū)間。

(2)多目標(biāo)綜合滿意度控制。受黃河總水量約束，供水、輸沙、發(fā)電和生態(tài)等用水過程之間存在著復(fù)雜的競爭與協(xié)作關(guān)系[19-20]，將供水、輸沙、發(fā)電和生態(tài)多目標(biāo)滿意度集成到一個四軸的二維空間內(nèi)，形成一個閉合的菱形區(qū)間，采用閉合區(qū)間面積的時間序列來表示多目標(biāo)用水的滿意度。如圖2所示，在[0，1]范圍內(nèi)，各目標(biāo)滿意度合理區(qū)間的取值范圍是有差異的，反映了在水資源量有限的情況下，存在強烈競爭關(guān)系的多用水過程保障程度應(yīng)有所差異；其次，在合理區(qū)間內(nèi)，同一時段的各目標(biāo)滿意度也有大小之分，反映了在供水、輸沙、發(fā)電、生態(tài)多過程協(xié)同控制的過程中，因此以尋求多過程滿意度閉合面積最大來反映總體利益最優(yōu)化，而不是單一過程的滿意度值最大化。以閉合面積最大協(xié)調(diào)供水、輸沙、發(fā)電和生態(tài)多過程用水關(guān)系，實現(xiàn)多目標(biāo)利益均衡，則多目標(biāo)綜合滿意度控制則轉(zhuǎn)化為在可行域內(nèi)協(xié)調(diào)各目標(biāo)滿意度值使多目標(biāo)滿意度集成的閉合面積最大化：

圖2 供水、輸沙、發(fā)電和生態(tài)多過程協(xié)同檢驗與調(diào)控示意

(13)

4.2 多時空尺度嵌套與多過程動態(tài)耦合實現(xiàn)數(shù)據(jù)在線傳遞、耦合、協(xié)調(diào)是實現(xiàn)協(xié)同控制的關(guān)鍵，采用多時空尺度嵌套、多過程動態(tài)耦合方法，實現(xiàn)不同時空尺度的嵌套轉(zhuǎn)換、多過程動態(tài)耦合，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 多時空尺度嵌套和多過程動態(tài)耦合結(jié)構(gòu)

(1)多時空尺度嵌套。時間維度分年際-年-月/旬-日，長期優(yōu)化控制-中期均衡調(diào)控-短期適應(yīng)調(diào)度嵌套迭代，年際調(diào)度通過控制多年調(diào)節(jié)水庫年末水位實現(xiàn)系列優(yōu)化，年/月/旬調(diào)度通過年內(nèi)過程控制實現(xiàn)過程均衡，日調(diào)度控制水庫群下泄流量實現(xiàn)精細(xì)調(diào)度?？臻g維度分梯級水庫群-區(qū)間水庫-水庫電站，流域分水-河段配水-斷面取水過程控制，控制年度流域供水總量、河段配水及斷面流量過程以及取水口引水過程、斷面流量過程。不同時空尺度之間采用交互嵌套結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳遞、狀態(tài)在線辨識和過程滾動優(yōu)化反饋校正。

(2)多過程動態(tài)耦合。梯級水庫群多過程協(xié)同調(diào)度涉及供水、輸沙、發(fā)電、生態(tài)等多過程，以水庫出庫流量和斷面下泄流量為紐帶動態(tài)耦合。①供水過程。通過研判供需關(guān)系，控制不同河段/斷面取用水量過程，優(yōu)化供水效益。②河道輸沙過程。通過調(diào)控水庫攔沙-排沙及河道輸沙-淤積過程，塑造有利于輸沙的動力條件。③發(fā)電調(diào)度過程。通過優(yōu)化梯級水庫系統(tǒng)總水頭、蓄泄秩序、水庫出庫過程，提高梯級發(fā)電量。④生態(tài)過程。通過協(xié)調(diào)河道內(nèi)外用水過程，控制斷面下泄流量過程，滿足生態(tài)需水。

4.3 求解方法采用粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)求解模型，主要步驟為：①將梯級水庫出庫流量作為決策變量進(jìn)行實數(shù)編碼，根據(jù)式(12)得到滿足各水庫約束條件下的出庫過程初始方案集，記為A={QRO(1，t)，QRO(2，t)，QRO(3，t)，…，QRO(m，t)}；②分析初始方案集中各目標(biāo)的關(guān)鍵利益和非關(guān)鍵利益，按照生態(tài)、供水、輸沙、發(fā)電順序調(diào)控不符合閾值要求的目標(biāo)關(guān)鍵利益和目標(biāo)非關(guān)鍵利益；③將各目標(biāo)滿意度均在合理范圍內(nèi)的方案集稱為有序方案集，記為A′={QRO(1，t)′，QRO(2，t)′，QRO(3，t)′，…，QRO(m，t)′}；④結(jié)合粒子群優(yōu)化算法，將每一個有序方案視為一個粒子，采用式(13)評價每個粒子的適應(yīng)度；⑤對每個粒子將其當(dāng)前的適應(yīng)值與其經(jīng)歷過的最好位置作比較，如果更優(yōu)則將當(dāng)前適應(yīng)值替換成最好位置Pbest；⑥獲得變化粒子的速度和位置；⑦如果未達(dá)到結(jié)束條件(通常為足夠好的適應(yīng)值或達(dá)到一個預(yù)設(shè)最大代數(shù))，則返回④。

5 調(diào)度算例

為驗證模型的有效性和精準(zhǔn)度，在長系列中選擇天然徑流偏枯、多過程用水矛盾突出且存在豐枯交替變化的時段，開展供水、輸沙、發(fā)電、生態(tài)多過程協(xié)同調(diào)度實證研究。在長系列中選擇徑流代表性較強的1986—1995年為計算時段，以10年黃河天然徑流和2030水平年黃河流域需水預(yù)測為基礎(chǔ)輸入、以黃河年均來沙6億t作為本次研究的設(shè)計來沙條件，開展日步長黃河梯級水庫群多過程協(xié)同調(diào)度。

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(1)徑流系列。1986—1995年黃河利津斷面年均天然徑流量為489.9億m3，10年中有完整的豐平枯過程，具有較好的代表性，1989年徑流最大為621.89億m3，1990年最小為374.65億m3。10年平均徑流量與1919—1975年系列的580億m3相比偏少15.7%，其中上游唐乃亥斷面減少5.2%，下游花園口斷面減少13.9%。

(2)需水量及過程。預(yù)測2030年水平，黃河流域多年平均河道外總需水量534.72億m3，其中農(nóng)業(yè)需水量334.33億m3，從需水過程上來看，農(nóng)業(yè)需水受降水影響年際呈波動變化，受作物生長期影響年內(nèi)灌溉需水主要集中在4—6月春灌和7—8月夏灌。另外黃河還承擔(dān)著向流域外供水任務(wù)，年均需水量108億m3，主要為農(nóng)業(yè)灌溉。

(3)黃河來沙及輸沙需水過程。黃河來沙量主要集中在寧蒙河段和中游地區(qū)，輸沙需水考慮上游頭道拐和下游利津斷面。黃河設(shè)計來沙6億t水平，考慮不同河段的來沙分區(qū)，維持寧蒙河段不淤積，頭道拐斷面至少需要20 d以上2500～3000 m3/s大流量過程；維持下游河段不淤積，利津斷面至少需要30 d以上3500～4000 m3/s大流量過程。

(4)生態(tài)需水及生態(tài)流量控制。根據(jù)《黃河水量調(diào)度條例實施細(xì)則》，下河沿、頭道拐、利津斷面最小控制流量分別為200、150和75 m3/s，花園口以下河段4—6月維持800～1000 m3/s，河口鎮(zhèn)斷面全年下泄水量不少于197億m3。

5.2 調(diào)度結(jié)果采用粒子群算法求解多過程協(xié)同調(diào)度模型，設(shè)置優(yōu)化算法的主要控制參數(shù)如粒子種群規(guī)模、最大迭代次數(shù)分別為240、1000。通過優(yōu)化水庫出庫流量，控制河段取水過程、水庫河道排沙-輸沙過程、梯級水庫出庫流量及出力等過程，協(xié)調(diào)供水、輸沙、發(fā)電、生態(tài)不同用水的關(guān)系，實現(xiàn)水-沙-電-生態(tài)多過程協(xié)同。

調(diào)控結(jié)果。10年平均黃河流域總供水量508.64億m3，其中地表水供水量357.29億m3，地下水供水量125.28億m3，再生水等非常規(guī)水源供水量26.07億m3，河道外需水滿足程度為95.1%，缺水率4.9%。利津斷面下泄生態(tài)水量169.38億m3，其中汛期115.38億m3，非汛期54.0億m3，不同時段生態(tài)需水過程基本得到滿足。黃河下游河道多年平均輸沙量為5.54億t，梯級水庫群年均攔沙量0.71億t，下游河道年均沖刷0.26億t。黃河干流梯級水庫群年均發(fā)電量622億kW·h。與各水庫的調(diào)度圖相比，在減少供水量8.29億m3下，優(yōu)化梯級下泄過程，協(xié)調(diào)供水與輸沙、生態(tài)多過程關(guān)系，增加生態(tài)水量4.88億m3，減少水庫淤沙0.65億t，增加下游河道輸沙1.16億t，增加梯級發(fā)電量64.25億kW·h，提升了梯級水庫群的綜合效益。

典型年調(diào)控結(jié)果。豐水年(1989年)龍羊峽水庫控制年末高水位，跨年度蓄水105.90億m3；黃河流域地表水供水量390.19億m3，梯級發(fā)電量達(dá)到765.06億kW·h，小浪底水庫汛期塑造大洪水實現(xiàn)年排沙2.29億t，下游河道輸沙10.68億t，利津斷面下泄生態(tài)水量193.47億m3。平水年(1992年)龍羊峽水庫蓄水9.34億m3，年度地表水供水量355.34億m3，干流梯級發(fā)電量608.32億kW·h，小浪底水庫排沙0.68億t，下游河道沖刷0.28億t。枯水年(1991年)控制低水位補水量為26.24億m3，地表水供水量329.60億m3，小浪底水庫攔沙1.27億t，下游河道淤積0.64億t。多過程協(xié)同調(diào)控結(jié)果見表1，主要水庫調(diào)度出入庫流量及水位變化見圖4。

表1 黃河梯級水庫群供水、輸沙、發(fā)電和生態(tài)協(xié)同調(diào)度結(jié)果

圖4 黃河主要水庫長系列出入庫流量及水位變化

5.3 多過程協(xié)同調(diào)度效果

(1)優(yōu)化了梯級水庫年際年內(nèi)出流與取水過程，實現(xiàn)流域供水的時空均衡。根據(jù)黃河來水、流域需水研判供需形勢，控制多年調(diào)節(jié)水庫在長系列調(diào)度中發(fā)揮年際水量調(diào)節(jié)作用“豐蓄枯補”，與常規(guī)調(diào)度相比豐水年增加蓄水32.25億m3、枯水年增加供水28.53億m3。通過年內(nèi)均衡調(diào)控和日尺度調(diào)節(jié)，優(yōu)化水庫出庫過程，提高供需水過程匹配性，避免由于徑流和需水波動對供水影響。從總量上看，10年中主要河段缺水率控制在11.6%～18.8%，流域缺水基本得到控制；從空間分布上看，上游缺水率略高于下游，主要為農(nóng)業(yè)灌溉用水得不到滿足，可通過節(jié)水控水解決，見圖5。寧蒙河段(4—6月)和下游引黃灌區(qū)(4—6月春灌、7—8月夏灌)關(guān)鍵期的用水基本得到保障，避免了集中缺水破壞，見圖6。

圖5 黃河主要河段長系列年供需水量

圖6 黃河主要河段長系列供需水過程

(2)優(yōu)化了水庫攔-排和河道沖-淤過程，提升了輸沙效率。根據(jù)河道來水來沙，控制水庫攔沙、排沙及河道沖淤過程，結(jié)合徑流含沙量條件汛期(7—10月)利用小浪底水庫年均塑造了2～3次大于3500 m3/s的大流量洪水過程，提高輸沙能力。豐水年(1989年)黃河潼關(guān)站來沙量6.5億t，控制小浪底水庫利用大流量出庫排沙10.99億t，與常規(guī)調(diào)度相比多排沙1.13億t，下游河道輸沙10.68億t，下游河道沖刷1.52億t。枯水年(1991年)黃河潼關(guān)站來沙量3.89億t，控制小浪底水庫蓄水?dāng)r沙1.27億t，下游河道輸沙1.98億t，河道淤積0.64億t。小浪底水庫系列年均攔沙量0.71億t，下游河道年均沖刷0.26億t，優(yōu)于小浪底水庫設(shè)計運行年淤積指標(biāo)和《黃河流域綜合規(guī)劃(2012—2030年)》提出的15%淤積水平控制目標(biāo)，黃河下游泥沙淤積過程見圖7。

圖7 黃河下游河道泥沙淤積過程

(3)優(yōu)化梯級水庫群總水頭和出力過程，提高系統(tǒng)發(fā)電量。通過協(xié)調(diào)梯級水庫蓄泄水次序，控制上游水庫先蓄水、下游水庫先下泄?jié)M足用水需求，優(yōu)化梯級水庫的水頭分配和出力過程。在梯級水庫群中豐水年龍羊峽處于高水頭狀態(tài)，劉家峽、小浪底充分發(fā)揮年內(nèi)調(diào)節(jié)作用；枯水年份協(xié)調(diào)與供水、輸沙、生態(tài)多用水過程關(guān)系“一水多用”，維護(hù)了系統(tǒng)出力和發(fā)電量的穩(wěn)定，枯水年份黃河天然徑流較1986—1995年系列平均減少22.7%，通過控制梯級水庫群下泄及河道外供水等過程，梯級發(fā)電量較常規(guī)調(diào)度增加了20.8%，如圖8所示。

圖8 主要水庫長系列發(fā)電量過程變化

(4)優(yōu)化了斷面控泄過程，保障河流生態(tài)流量。根據(jù)不同來水情況，控制水庫下泄與河段取水，系列中龍羊峽水庫豐水年增加蓄水量，枯水年增加下泄生態(tài)水量，利津斷面多年平均下泄生態(tài)水量169.38億m3，高于黃河“八七”分水方案豐增枯減原則下的165億m3。龍羊峽、劉家峽、三門峽、小浪底等水庫調(diào)節(jié)年內(nèi)過程，從頭道拐和利津等主要斷面模擬調(diào)度結(jié)果來看，頭道拐斷面汛期月均流量相對于實測系列的標(biāo)準(zhǔn)差為650 m3/s，是非汛期225 m3/s的2.9倍，說明優(yōu)化調(diào)度進(jìn)一步強化了上游梯級水庫群蓄豐補枯作用；利津斷面3—5月月均流量相對于實測系列的標(biāo)準(zhǔn)差為326 m3/s，是實測平均值的14.6倍，對于利津斷面敏感期生態(tài)流量保障程度明顯提升，生態(tài)基流保證率達(dá)到100%，見圖9。

圖9 黃河主要斷面調(diào)度結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)差變化

6 結(jié)論

針對復(fù)雜梯級水庫群供水、輸沙、發(fā)電和生態(tài)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度的動態(tài)、高維非線性問題，建立了融合供水、輸沙、發(fā)電、生態(tài)等過程的梯級水庫群多過程協(xié)同調(diào)度模型，提出多過程協(xié)同控制原理與自適應(yīng)優(yōu)化求解方法，優(yōu)化了黃河梯級水庫群供水、輸沙、發(fā)電和生態(tài)多過程協(xié)同調(diào)度方案，得出以下結(jié)論：(1)以流域供水、河道輸沙、梯級發(fā)電以及河流生態(tài)等綜合效益最大化為調(diào)控目標(biāo)，采用多尺度嵌套和多過程耦合技術(shù)，融合梯級水庫蓄-泄、流域需水-取水、水庫攔沙-排沙與河道輸沙-淤積、河道外取水-河道內(nèi)控泄等過程，建立黃河梯級水庫群供水、輸沙、發(fā)電和生態(tài)多過程協(xié)同調(diào)度模型，實現(xiàn)了復(fù)雜系統(tǒng)的精細(xì)化模擬。(2)以單目標(biāo)利益滿意度合理區(qū)間為基礎(chǔ)，以多目標(biāo)綜合滿意度最大為目標(biāo)，運用耦合控制技術(shù)，建立了梯級水庫群多過程協(xié)同控制原理并提出優(yōu)化求解方法，突破了梯級水庫群多過程協(xié)同的復(fù)雜難題。(3)統(tǒng)籌黃河水沙條件與用水需求，以水庫出庫過程優(yōu)化為手段，通過協(xié)同控制供水、輸沙、發(fā)電、生態(tài)等不同用水過程，采用代表系列調(diào)算提出了黃河梯級水庫群協(xié)同調(diào)度方案，實現(xiàn)了流域供需水過程匹配、水庫攔沙-河道沖淤過程合理，提高了系統(tǒng)發(fā)電量和穩(wěn)定性、基本保障了河流生態(tài)水量與過程，提升了黃河梯級水庫群系統(tǒng)的綜合效益。