黃河水工程多維協(xié)同調度的初步理論框架研究

蘇茂林，李阿龍，李榮容，安晨歌，郭進軍

（1.黃河水利委員會，河南 鄭州 450003； 2.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；3.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室（籌），河南 鄭州 450003；4.清華大學 水利水電工程系，北京 100084； 5.鄭州大學 水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001）

1 引 言

黃河水少、沙多、水沙關系不協(xié)調，洪水威脅長期存在，水資源短缺以及生態(tài)環(huán)境脆弱等問題制約著流域及相關地區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，保護好、治理好、利用好黃河，關乎流域內1.1 億多人民的福祉及經(jīng)濟社會高質量發(fā)展的大局。經(jīng)過幾十年的努力，黃河上修建了一大批包含水庫、堤防、蓄滯洪區(qū)、涵閘、泵站等在內的控制性水工程，這些水工程在保障流域防洪安全、供水安全、生態(tài)安全及能源安全等方面發(fā)揮著重要作用。隨著流域防汛抗旱綜合體系日趨完善，流域水工程協(xié)同調度已經(jīng)成為控制和管理洪水、協(xié)調水沙關系、合理配置水資源、支撐流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展的關鍵手段。近年來，流域水工程調度目標日益多元化，調度目標間耦合、制約關聯(lián)性愈發(fā)復雜，納入聯(lián)合調度的水工程不斷增加，水工程調度的空間范圍和拓撲關系復雜度不斷加大。黃河水工程調度存在多目標調度協(xié)同難、徑流洪水泥沙精確預報難、水庫排沙與河道輸沙協(xié)同難、全河大尺度生態(tài)調控難等難題，必須從黃河流域整體出發(fā)，理清災害水、資源水、生態(tài)水、動能水“四水”轉化關系，統(tǒng)籌好防洪、防凌、減淤、供水、發(fā)電、生態(tài)保護等多目標調度，協(xié)調上下游、左右岸、干支流、年際年內、汛期與非汛期等關系。

協(xié)同學理論是一門研究開放系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間的協(xié)同作用使得大系統(tǒng)從無序向有序結構轉變的理論［1］，已被廣泛應用到水資源調控、跨流域調水、風光水多能互補、電氣熱系統(tǒng)調度等研究領域［2－6］?；趨f(xié)同學理論的水工程協(xié)同調度，實質是協(xié)調流域水工程調度系統(tǒng)中防洪、防凌、減淤、灌溉、供水、生態(tài)保護、發(fā)電等調度子系統(tǒng)的關系，保持子系統(tǒng)之間的動態(tài)平衡，使流域水工程調度呈現(xiàn)出水災害有效防控、水資源高效利用、經(jīng)濟社會健康發(fā)展、生態(tài)環(huán)境逐步改善的穩(wěn)定狀態(tài)。本文以黃河流域控制性水工程（見圖1）為研究對象，從充分發(fā)揮水工程綜合效益的角度出發(fā)，以協(xié)同學理論為指導，系統(tǒng)地提出黃河流域水工程多維協(xié)同調度初步理論框架，以期為流域多目標激烈競爭關系的水工程協(xié)同調度研究提供參考。

圖1 黃河流域控制性水工程示意

2 黃河水工程多維協(xié)同理論

2.1 協(xié)同效應

協(xié)同學理論由德國物理學家赫爾曼·哈肯（Her?mann?Haken）在20 世紀70 年代創(chuàng)立，它運用自組織、序參量、競爭、協(xié)同等概念以及序參量原理和支配原理［7］，通過協(xié)調開放復雜系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的協(xié)同行動來促使系統(tǒng)有序演化，為水工程協(xié)同調度這類復雜問題的計算維數(shù)、協(xié)調多目標利益沖突研究提供了一個普適的理論框架［8－9］。

協(xié)同學理論以“協(xié)同度”來衡量系統(tǒng)內各子系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)與環(huán)境之間的緊密程度，其反映了協(xié)同效應的大小，可用式（1）表示。

式中：Y為協(xié)同效應；H為系統(tǒng)內各子系統(tǒng)之間的協(xié)同度。

協(xié)同效應Y與協(xié)同度H之間呈現(xiàn)強烈的正相關關系，協(xié)同度越高，系統(tǒng)整體呈現(xiàn)的協(xié)同效應越大。

2.2 黃河水工程協(xié)同調度分析

黃河流域水工程調度影響空間范圍廣、業(yè)務范圍大，涉及防洪、防凌、減淤、水資源、水生態(tài)等多個方面，各種調度側重點不同，調度時間不一致，需要考慮各調度目標間相互耦合、相互制約的復雜關聯(lián)，這就迫切要求調度工作能夠統(tǒng)籌協(xié)調多方面的需求，緩解矛盾中各方多尺度時空的協(xié)同與競爭關系，實現(xiàn)系統(tǒng)整體優(yōu)化與各調度目標的有效均衡、動態(tài)平衡。黃河流域水工程多維協(xié)同調度主要有5 個維度：屬性協(xié)同、空間協(xié)同、時間協(xié)同、目標協(xié)同、工程協(xié)同（見圖2）。

圖2 黃河水工程多維協(xié)同調度理論框架

2.2.1 屬性協(xié)同

黃河水利委員會針對黃河“水少沙多，水沙關系不協(xié)調”的癥結，經(jīng)多年來的黃河治理研究與實踐，總結提出了黃河災害水、資源水、生態(tài)水、動能水（簡稱“四水”）轉化理論。

黃河“四水”的屬性協(xié)同，就是協(xié)同災害水、資源水、生態(tài)水、動能水的不同屬性。水的動能屬性是塑造河流的重要因素，像血液流動一樣賦予河流以生命。鑒于黃河獨特的水沙特性，水的動能屬性在黃河上體現(xiàn)得尤為明顯，黃河泥沙沖淤、潼關高程控制、確保不斷流等都與水的動能緊密相關。黃河“四水”轉換有其特殊性，災害水如何轉換為資源水、生態(tài)水、動能水，化害為利，在黃河上體現(xiàn)得非常清晰。比如，寧蒙河段的凌汛水在寧蒙河段是災害水，流到黃河下游正好是春灌的資源水。在不同的空間和時間，黃河水的屬性就會發(fā)生轉換，因此需要協(xié)同好它們之間的關系。

2.2.2 空間協(xié)同

黃河水工程調度的空間范圍為龍羊峽至河口河段，包括上、中、下游干流和重要支流。隨著納入聯(lián)合調度的水工程不斷增加，水工程調度的空間范圍和拓撲關系復雜度不斷加大。

空間協(xié)同要求全河上、中、下游以及干支流調度協(xié)同考慮，不僅要考慮水工程控制區(qū)域的調度任務和工程運用，還要考慮上中下游、干支流等不同區(qū)域間的協(xié)同。上、中、下游水工程調度任務和目標各有側重，防洪問題突出體現(xiàn)在黃河下游，主要由中游水庫群調控，特殊時期上游水庫也可參與調控；防凌問題突出體現(xiàn)在寧蒙河段，主要由上游水庫群調節(jié)；上游龍羊峽高水位攔洪同時要兼顧全河水資源利用；泥沙調控主要集中在中下游，中游小浪底水庫低水位排沙兼顧下游灘區(qū)防洪保安，但也需要上游水庫協(xié)調配合；流域供水與生態(tài)調度則需要上中下游骨干水工程聯(lián)合調節(jié)。因此，就流域整體而言，在調度實踐中需要考慮上中下游、干支流等不同區(qū)域或不同子流域的協(xié)同。

2.2.3 時間協(xié)同

黃河水工程調度的時間范圍廣，調度時段涵蓋年際、年內、調度期及場次洪水過程，不同時段調度目標和側重點不同，但相互有聯(lián)系和影響，需要協(xié)同考慮。

時間協(xié)同是從更長的時間尺度上統(tǒng)籌協(xié)調年際、年內、調度期、場次等不同時間尺度的水工程調度問題。從年際跨度上，主要涉及水資源的年際豐蓄枯用、年內調整水資源時空分布，實現(xiàn)來水與用水對接，以及利用“小浪底水庫多排沙—下游寬河道上段滯沙—后續(xù)低含沙流量過程沖刷與輸移”進行泥沙跨年調節(jié)，實現(xiàn)水庫多排沙和下游河道多輸沙目標的高度協(xié)同。從全年的時間跨度上，春、夏、秋、冬四季的降雨分布、調度任務均不相同，對黃河防洪而言，年內有桃、伏、秋、凌四汛要防，大致對應春、夏、秋、冬四季，貫穿全年；水資源的供需關系和價值也存在季節(jié)性變化，豐水期用水少，枯水期爭相引水，不同季節(jié)水資源費征收標準也不同。按調度期劃分，全年又可分為防凌調度期、水量和生態(tài)調度期、防洪調度期、蓄水調度期，在各調度期的過渡階段，隨著調度任務的轉變，面臨著調度目標及其重要性的調整。汛期和凌汛期防洪防凌調度直接影響流域水安全，汛末水庫蓄水情況直接影響非汛期水量調度、生態(tài)調度形勢。對于場次洪水來說，需要協(xié)同洪水過程的起漲、峰現(xiàn)、落平等階段。洪水起漲階段，水庫根據(jù)來水預報及時下泄，降水位騰庫容；洪峰到來時，水庫盡力壓減下泄流量攔洪削峰；落平（退水）階段，要盡快下泄為后續(xù)洪水騰出庫容，并兼顧水庫自身安全和下游安全。若在汛末，落平階段還需根據(jù)當時工況和后期防洪形勢，抓住洪水尾巴適時蓄水。

2.2.4 目標協(xié)同

目前，黃河水工程調度的目標任務正由基本的去除水患、人飲灌溉、發(fā)電等逐步向流域防洪防凌減災、水量時空調節(jié)分配、水沙調控、能源保障、維護流域生態(tài)平衡及改善水生態(tài)環(huán)境等多目標協(xié)同調度轉變。

水工程調度的目標協(xié)同主要是協(xié)調流域多元目標的復雜聯(lián)系和制約關系。例如針對汛期防洪和非汛期水資源利用這一矛盾問題，提出了分期汛限水位、汛限水位動態(tài)控制等措施，有效地協(xié)調了防洪減災與水資源利用的目標。通過目標協(xié)同能更好地平衡各調度階段及各階段調度目標之間的關系，是對傳統(tǒng)水工程調度中硬性規(guī)定調度期界限和時間節(jié)點的一種有益補充，也使水工程調度各調度階段過渡得更加平穩(wěn)。

2.2.5 工程協(xié)同

黃河干支流骨干水庫、堤防、河道整治工程、分滯洪區(qū)等構成了“上攔下排、兩岸分滯”防洪工程體系的主體，在防洪、防凌、減淤、調水調沙、水量調度和發(fā)電等方面發(fā)揮了巨大作用。隨著納入聯(lián)合調度的水工程不斷增加，水工程調度的空間范圍和拓撲關系復雜度不斷加大。

水庫是最有效的洪水和泥沙調節(jié)工程，河道是宣泄和調蓄洪水、排洪排沙入海的天然通道，堤防與河道整治工程是約束洪水泥沙、控制河勢的重要手段，分滯洪區(qū)是必要時分滯洪水、確保防洪安全的必要設施。工程協(xié)同就是要全流域一盤棋，將包括水庫、堤防、河道整治工程、分滯洪區(qū)在內的骨干工程納入統(tǒng)一調度，通過模擬、優(yōu)化等技術手段，統(tǒng)籌各個調度主體的多元需求，促進水工程調度目標多元化的高度融合，充分發(fā)揮水工程的綜合效益。工程協(xié)同是屬性協(xié)同、空間協(xié)同、時間協(xié)同、目標協(xié)同的綜合反映和實現(xiàn)基礎。

因此，黃河流域水工程協(xié)同調度的屬性、空間、時間、目標、工程5 個維度具有“復雜聯(lián)系、交叉影響”的現(xiàn)實特性，在調度實踐中需要針對各要素間的制約和聯(lián)系，綜合協(xié)調工程運用，通過全流域、多尺度、長歷時水工程協(xié)同調度，達到提升流域水安全保障能力的目標。

2.3 序參量識別及其閾值確定

根據(jù)協(xié)同學理論，復雜系統(tǒng)的變量可分為快變量和慢變量。慢變量也稱為序參量，是系統(tǒng)狀態(tài)改變的決定性變量；快變量服從于序參量，對系統(tǒng)的相變不起主導作用［9］。由此可見，復雜系統(tǒng)由無序變?yōu)橛行虻年P鍵在于系統(tǒng)內序參量之間的協(xié)同作用。

調度指標是水庫群聯(lián)合運行的基本參數(shù)，是黃河防洪、防凌、減淤和水資源配置的控制條件，是水庫群協(xié)同運用方案制定的依據(jù)。黃河流域水工程協(xié)同調度指標包括防洪調度指標、防凌調度指標、減緩寧蒙河段中水河槽萎縮的調度指標、維持黃河下游主槽過流能力的調度指標、實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置的調度指標以及生態(tài)調度指標。防洪防凌調度指標是考慮防洪防凌河段防洪防凌需求、防洪標準及防洪能力，保障防洪防凌安全的調控流量。減緩寧蒙河段中水河槽萎縮的調度指標是考慮來水來沙情況和現(xiàn)狀工程條件，減少河道淤積、減緩沖積性河段中水河槽淤積萎縮的調控流量。實現(xiàn)水資源配置方案的調度指標是實現(xiàn)各個河段及相關地區(qū)的供水、輸沙用水及生態(tài)環(huán)境用水的最小流量。

結合《黃河流域綜合規(guī)劃》《黃河水沙調控體系建設規(guī)劃》《黃河防御洪水方案》等，統(tǒng)籌近期黃河流域防洪防凌形勢、生態(tài)文明發(fā)展需求和水庫工程運行情況，提出流域水工程協(xié)同調度的序參量及閾值，見表1。

表1 黃河流域水工程協(xié)同調度序參量及閾值

3 黃河水工程多維協(xié)同調度模型構建

黃河流域水工程調度系統(tǒng)是一個涉及多庫、多電站、多目標的復雜調度系統(tǒng)，建立并求解黃河水工程時空多維協(xié)同調度模型，對實現(xiàn)黃河流域的防災減災、水資源合理分配，緩解防洪、供水、發(fā)電、減淤、生態(tài)保護多目標之間的競爭關系等方面具有重要的現(xiàn)實意義。

3.1 序參量有序度量化

序參量可分為正指標功效序參量、負指標功效序參量及適度功效序參量3 種類型。在協(xié)同學理論中，序參量對子系統(tǒng)有序演化的貢獻程度用序參量有序度表示。本文采用線性功效函數(shù)對3 種類型的序參量有序度進行量化，正指標功效函數(shù)、負指標功效函數(shù)、適度功效函數(shù)分別為式（2）、式（3）、式（4）。

式中：n為子系統(tǒng)編號；k為子系統(tǒng)中序參量編號；j為水文年編號；dj（enk）為第j水文年第n個子系統(tǒng)的第k個序參量的有序度；為第j水文年第n個子系統(tǒng)的第k個序參量的取值；maxenk、minenk分別為第n個子系統(tǒng)的第k個序參量的最大、最小值；c為適度功效序參量有序度達到最大時該序參量的取值。

3.2 子系統(tǒng)有序度量化

子系統(tǒng)的有序度用于衡量子系統(tǒng)對總體大系統(tǒng)協(xié)同演化的貢獻程度。

對于一個水文年，子系統(tǒng)的有序度體現(xiàn)了該子系統(tǒng)對水庫群多維協(xié)同調度系統(tǒng)的有序度貢獻水平。子系統(tǒng)有序度量化公式為

式中：hj（sn）為第j水文年第n個子系統(tǒng)的有序度；ωnk為第n個子系統(tǒng)的第k個序參量的權重；K為序參量個數(shù)。

3.3 多維協(xié)同調度模型構建

水工程協(xié)同調度模型實際上是一個模型系統(tǒng)，主要由防洪調度、防凌調度、減淤調度、供水調度、生態(tài)調度、發(fā)電調度等聯(lián)合調控的6 個主要模塊組成，以流域骨干水庫群協(xié)同為基礎，運用分解、協(xié)調、耦合、控制等優(yōu)化技術，在優(yōu)化配置模塊牽引下實現(xiàn)流域水工程多目標協(xié)同調度模擬功能。

在協(xié)同學理論中，用整體系統(tǒng)協(xié)同度來量化各子系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化的總體程度，黃河水工程防洪－防凌－供水－減淤－發(fā)電－生態(tài)調度系統(tǒng)的協(xié)同度可由各子系統(tǒng)有序度多年平均值的幾何平均求得，同時也是黃河水工程多維協(xié)同調度模型的尋優(yōu)目標。

（1）目標函數(shù)。目標函數(shù)為

式中：H為黃河水工程多維控制系統(tǒng)總協(xié)同度；H（sn）為第n個子系統(tǒng)有序度的多年平均值；J為水文年年數(shù)。

（2）約束條件。模型中需要考慮的約束條件有水量平衡約束、水庫水位約束、出庫流量約束、電站出力約束等，均為水工程調度常規(guī)約束，可不再贅述。

3.4 序參量權重確定方法

權重是序參量在整個調度系統(tǒng)中相對重要性的具體體現(xiàn)?？刹捎弥饔^賦權和客觀賦權法相結合的組合賦權法確定權重。主觀賦權法采用二元比較模糊決策分析法［10］，該方法基于二元互補性決策思維，能更好地發(fā)揮決策者知識、經(jīng)驗的作用，進而更好地體現(xiàn)全局決策的意圖?？陀^賦權法采用熵權法，通過數(shù)學方法對指標間差異進行評價，可減少人為主觀因素對賦權的影響，能客觀地反映各指標的影響程度。

組合確權公式如下：

式中：W為組合權重；W1為二元比較模糊決策分析法權重；W2為熵權法計算權重；a、b為系數(shù)，a∈［0，1］，b∈［0，1］，a ＋b ＝1。

3.5 模型求解

水工程多維協(xié)同調度具有強約束、高維度、多階段和非線性特點，獲得其最優(yōu)解一直是學術界和工程界研究的關鍵技術難題［11］。并行混沌量子粒子群算法（PCQPSO）具有搜索效率高、有效避免“維數(shù)災”的優(yōu)勢，為解決流域水工程協(xié)同調度問題提供了一種有效的思路，具體算法流程參見文獻［12］。

4 結 語

水工程協(xié)同調度是協(xié)調水沙關系，保障流域防洪安全、供水安全和生態(tài)安全，推動黃河流域高質量發(fā)展的重要非工程措施。通過對黃河水工程調度各要素間協(xié)同與競爭關系的深入分析，提出了黃河水工程系統(tǒng)調度需要解決屬性協(xié)同、空間協(xié)同、時間協(xié)同、目標協(xié)同、工程協(xié)同5 個維度的協(xié)同問題，明確了協(xié)同調度指標包括防洪調度指標、防凌調度指標、減緩寧蒙河段中水河槽萎縮的調度指標、維持黃河下游主槽過流能力的調度指標、實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置的調度指標以及生態(tài)調度指標。結合前期研究成果，識別了各目標和子系統(tǒng)的序參量，并確定其閾值，以協(xié)同學理論為指導，構建了黃河水工程多維協(xié)同調度模型，形成了黃河水工程多維協(xié)同調度的初步理論框架，為全河水沙聯(lián)合調控積累了經(jīng)驗。

黃河流域水工程調度問題錯綜復雜，是一個開放復雜的巨系統(tǒng)，仍有很多問題需要深入研究，水工程調度理論須與調度實踐緊密結合，在調度實踐中不斷驗證、豐富和發(fā)展。