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1、年月水利学报第卷第期收稿日期基金项目 国家自然科学基金项目作者简介 李玮男 湖北襄樊人 博士生 主要从事水文水资源研究文章编号水电站水库群防洪补偿联合调度模型研究及应用李玮郭生练郭富强喻婷长江水利委员会设计院 湖北 武汉武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室 湖北 武汉国家环境保护总局 华南环境科学研究所 广东 广州摘要 针对具有下游防洪任务的水电站水库群 提出基于预报及库容补偿的水库群防洪补偿联合调度逐次渐进协调模型 推求水库汛期防洪库容动态控制方案该模型运用了大系统分解协调理论及贝尔曼的逐步逼近思想 以各水库为独立的子系统建立层递阶结构 针对库间水力 电力联系及防洪库容限制等复杂的约
2、束条件进行不同层次的协调模型经过多次迭代计算 得到最佳的水库群防洪库容协调方案该模型应用于清江流域梯级水库计算结果表明 在不降低水库及梯级原有的防洪标准前提下 能有效利用上游水布垭水库的防洪库容 分担隔河岩水库部分防洪任务 并显著提高梯级水库发电量关键词 水库群 逐次渐进协调模型 库容 防洪 补偿调度 分解协调中图分类号文献标识码问题的提出目前 水资源的紧缺越来越成为制约社会经济发展的瓶颈 如何改善水资源系统管理的结构体系提高水资源的利用效益是解决现阶段该问题的一个主要手段水库防洪库容是协调水库防洪与兴利矛盾的重要因素 研究同一流域水库群的防洪库容管理控制方法对于保障防洪安全 有效利用洪水资源
3、有重要的现实意义本文针对有下游防洪任务的水库群 在不降低各水库及下游防洪标准的前提下 研究基于预报及库容补偿的库群防洪库容联合控制管理方法 以提高水库系统的洪水资源利用效益水电站水库群系统中 各水库间存在电力 水力及水利联系 因而库群系统防洪库容的补偿调度是一个具有多约束条件的大型 动态复杂非线性系统优化问题近年来 国内外很多学者在此领域开展了卓有成效的工作 建立了具有不同针对性的补偿模型 如模糊优化补偿调解模型库群洪水补偿调度通用模型等 并取得了显著的效果此外 在优化算法方面 有动态规划法逐次渐进法大系统分解协调法模糊优化算法遗传算法人工神经网络方法等 这些算法特点鲜明 在库群系统研究中有广
4、泛的应用同其它优化方法相比 大系统分解协调方法以拉格朗日乘子法为数学基础采用将整体先 分解 后 协调 的方法 通过建立子系统的拉格朗日函数 将原问题转换为无约束非线性规划问题 从而减少计算所需内存 缩短求解时间 并避免了 维数灾是解决库群系统优化问题的有效方法在防洪库容补偿调度中 为了保证库群系统原有的防洪标准 要求系统中各水库能在洪水有效预见期内 根据当前时刻的防洪库容状态及预报流量信息 从有效的兴利模式转化为安全的防洪模式这种库群防洪库容约束具有鲜明的实时性和动态性 难以直接采用常规的大系统分解协调方法求解本文结合库群优化调度及防洪库容补偿的复杂性特点 结合贝尔曼的逐步逼近思想提出一种改进
5、的大系统分解协调方法 并建立基于预报及库容补偿的水库群防洪补偿联合调度逐次渐进分解协调模型推求水库汛期防洪库容补偿控制方案模型总体结构模型吸取了大系统分解协调理论及贝尔曼逐步逼近思想的优点 针对系统中的不同约束条件 通过选择适宜的协调变量和协调方法进行模型的求解图模型逐次渐进分解协调结构如图所示模型在结构上分为个层次 第层为各水库子系统 根据上级协调层给定的约束和边界条件进行独立的优化计算 第层为子协调层 主要包含两个模块 其一是库容补偿模块该模块在上级协调层给定的防洪库容约束下 考虑流域径流预报及库群库容补偿作用 以梯级总发电量及预报期末梯级总蓄能最大为目标 推求梯级发电效益最大时各子系统的
6、调度决策过程 其二是防洪库容模块该模块根据库容补偿模块的优化结果 依次反推各水库在汛期各时段的允许最小防洪库容 并将结果反馈到总协调层第层为总协调层 其任务是对比协调下层两个模块中的防洪库容约束和允许最小防洪库容 并对下次迭代时库容补偿模块中的防洪库容约束进行调整一次迭代过程中 在防洪库容模块只针对某一个水库计算其允许最小防洪库容 并在总协调层对该水库的防洪库容约束进行协调在下次的迭代中改变协调水库对象 如此采用逐次渐进的方法反复计算 直至满足要求因此模型在计算中体现了大系统分解协调技术与逐次渐进思想的融合 有效解决了模型求解过程中的防洪库容约束动态性问题模型的求解步骤如下给定子系统的防洪库容
7、约束 在库容补偿模块中计算各水库满足目标的调度过程根据的结果 利用防洪库容模块计算子系统的允许最小防洪库容约束在总协调层判断子系统在两模块中的防洪库容约束是否满足一致性条件 若满足则返回并选择其它的子系统进行计算 若不满足则对库容补偿模块中子系统的防洪库容约束进行协调经过以上步计算 完成一次迭代过程直到两模块中的防洪库容约束满足要求 则迭代结束 输出结果模型求解库容补偿模块目标函数该模块的任务是在给定的防洪库容约束下 给出满足用水要求 或目标 以及其它约束条件的水库群调度决策方案对于水电站水库的中长期调度 在满足供水 供电要求的前提下 选择水库群发电量最大为目标在短期或实时调度时 已知梯级水电
8、站各水库调度期的总用水量 要求对其进行最优计划分配 即求出各电站在各时段内的最优运行过程 使得调度期内的整个梯级水电站总发电量最大目标函数如下式中为水库序号是系统中的水库总数量为计算时段序号为单位计算时段是总计算时段数为 水库 时段发电流量为 水库水轮机效率为 水库 时段发电水头约束条件约束条件如下式中为水库 在 时段的初库容为 水库 时段入库流量为 水库时段出库流量为水库 在 时段的区间入库流量为水库最小泄流量 用于下游生态需水等为水库最大泄流量 受闸门及下游防洪安全限制分别为水库 在 时段的最小防洪库容和实际防洪库容为水库群的保证出力为水库 的最大出力为水库 在 时段的出力模块算法在库容补
9、偿模块中采用分解协调模型进行计算在水库计算中 其它水库在时段的出力与之间存在着电力联系因此 以式作为子系统间的电力关联约束表达式为了反映供电可靠性的约束 在目标函数中引进正常供电破坏的惩罚项引入拉格朗日乘子得到拉氏函数为式中的为惩罚因子 当系统出力满足要求时取值为与图相对比和对应图中的干预信息则为图中的反馈信息防洪库容模块目标函数及约束条件该模块的任务是推求水库在汛期各时段的允许最小防洪库容以便总协调层据此对库容补偿模块中的防洪库容约束进行协调要求当水库在时刻的防洪库容为时 库群系统内所有水库能在有效预见期内通过预泄的方式预留不小于原设计要求的防洪库容以此保证不降低原有的防洪标准计算中 其它水
10、库的起调水位均为前一模块的计算结果式除了受式式约束外 还需要满足预泄时间约束式中为洪水的有效预报期为短期洪水预报预见期为决策信息传递及闸门开启等时间之和模块算法在防洪库容协调模块中 首先需对子系统进行适当划分在计算某水库 简称 目标水库的允许最小防洪库容时 库群中各水库以此为分界点划分为个部分 即上游水库 目标水库以及下游水库 如图所示在洪水有效预见期内 通过计算上游最后一级水库及旁游水库的平均泄流量 以及下游第级水库的最大平均入流量 可得到目标水库最大的泄流量及允许最小防洪库容图水库群子系统结构划分示意对于上游水库 根据来水以及水库的防洪库容变化 采用自上而下的顺序计算 最终得到上游最后一级
11、水库的最小平均泄流量 对于下游水库 根据下游河道最大允许泄流量以及水库的防洪库容变化采用自下而上的计算顺序 最终得到下游第级水库的最大平均入库流量上游水库?下游水库?式中分别表示 水库 时段的最大平均入库流量及最小平均出库流量为水库 下游允许的泄流量为水库 原设计防洪库容方案对应的库容结合式由式式分别得到目标水库的最小入库流量及最大出库流量其中 在计算时要考虑旁游水库的由式可得允许最小防洪库容目标水库需要指出的是 若目标水库有多条上游支流 则在计算目标水库的最小入库流量时应对所有上游支流最后一级水库的最小平均泄流量进行累加 若目标水库有多条下游支流 则在计算目标水库的最大出库流量时应取所有下游
12、支流第一级水库的最大入库流量的最小值总协调层在总协调层 对子系统在库容补偿模块中的和防洪库容模块中的进行比较 若不满足条件 则更新并继续进行计算 直至满足条件?式中为迭代次数为设定的误差允许值应用与分析清江梯级水库概况清江是长江在湖北省境内的第二大支流 流域面积干流全长清江自上而下采用水布垭隔河岩高坝洲的三级梯级开发方案 形成以发电为主 兼顾防洪 航运的梯级水利枢纽工程在原设计方案中 主汛期水布垭 隔河岩两库除承担流域自身防洪任务外 还需各自预留亿防洪库容 以备下游长江荆江河段的错峰调度之需 因此 两库都必须保持在较低的水位运行 这在一定程度上造成了隔河岩水库主汛期洪水资源的浪费 水布垭水库库
13、容大 调节能力强 在梯级调度中发挥重要的补偿调节作用 一般情况下水库防洪库容大于设计值因此 充分利用梯级水库的工程特点 在不降低水库及梯级原有防洪标准的前提下 根据水布垭及隔河岩水库实时防洪库容及流域洪水预报信息制定两水库汛期适宜的防洪库容控制方案 对于保障防洪安全 提高洪水资源利用效益等具有重要的意义各库特征参数如表所示表清江梯级水库特征参数水库正常水位?死水位?总库容?亿防洪库容?亿死库容?亿装机容量?保证出力?水布垭隔河岩高坝洲应用及结果分析模型应用水布垭 隔河岩 高坝洲水库分别为多年 年调节和径流调节水库 因此 本文仅针对上游两个水库进行防洪库容的补偿调度清江梯级洪水预报系统较为完善
14、预报精度满足应用要求 为了使资料更具代表性 选择流域日实测流量代替预报值进行研究设定边界条件 采用中长期调度的研究方法进行防洪库容原方案及补偿方案的年调度演算并比较其结果水布垭水库汇流面积占清江流域总面积的为简化计算 模型中按所控制流域面积比例推算水布垭下游各区间流量结果分析由于模型以不降低水库原有防洪标准为约束条件 因此 主要分析模型的兴利效益分别选取年年年作为流域典型的丰 平 枯年份进行研究比较模型中梯级各水库的水位边界条件与原设计方案的调度结果相一致 其中 水布垭和隔河岩水库的初始水位分别为和高坝洲水库水位为常数 取值如表所示 清江梯级水电站在采用防洪库容补偿方案后 各年份发电量均有所提
15、高 弃水量也有所减小其中 丰水年由于来水较大 各水库均需较多的防洪库容 补偿效益难以体现 因此 发电量增量只有亿平水年水布垭水库有较多的防洪库容 能够分担下游水库的部分防洪任务 使隔河岩水库减少弃水并抬高发电水头 因此 发电量增量最多 达亿增长减少的弃水量也最多 达到亿枯水年由于来水量最小 没有弃水 只能适当提高下游水库发电水头 因此发电增量最小 仅亿根据以上计算结果及分析可知 采用防洪库容补偿方案后 不同典型年的综合效益和洪水资源利用率都有一定的提高 各典型年的年发电量平均提高亿增长弃水量平均减少亿节约水资源清江梯级采用防洪库容补偿方案后 由水布垭水库承担主要的下游错峰任务 能有效发挥水布垭
16、水库发电效益较大的特点 从而减少弃水 抬高隔河岩水库发电水头 增加梯级发电效益由此可见 梯级水库采用防洪库容补偿方案后 能兼顾各水库的防洪及兴利两个方面该方案更符合流域洪水的形成 发展过程 同时也有利于水库充分发挥防洪兴利功能 提高洪水资源的利用率表不同防洪库容方案调度结果年份比较项目水布垭隔河岩高坝洲梯级水库丰水年平水年枯水年发电量?亿弃水量?发电量?亿弃水量?发电量?亿弃水量?原方案补偿方案增量增幅原方案补偿方案减少弃水减幅原方案补偿方案增量增幅原方案补偿方案减少弃水减幅原方案补偿方案增量增幅原方案补偿方案减少弃水减幅结论水库群防洪补偿联合调度是一个复杂的多目标实时控制问题本文结合流域洪水
17、预报及水库实时防洪库容信息 建立基于预报及库容补偿的水库群防洪补偿联合调度逐次渐进协调模型该模型运用了大系统分解协调理论及贝尔曼的逐步逼近思想 采用迭代计算的方法 推求优化的防洪库容分配方案 避免了 维数灾 问题 缩短了计算时间模型在保证防洪安全的前提下 能够根据当前信息灵活多变地调配水库防洪库容 最大程度地减少洪水调度的过程中的弃水损失 兼顾防洪与兴利双重效益 为库群实现洪水资源效益最大化提供了科学依据和运用空间清江梯级水库的应用结果表明 防洪库容补偿方案在保证不降低原有的防洪标准的前提下 不同年份的综合效益和洪水资源利用率都有一定的提高 尤其针对中小洪水时 可显著地提高发电效益参考文献谢新
18、民 基于知识的水电站水库群模糊优化补偿调节模型研究水利学报艾学山 陈森林 万飚 等 水库群洪水补偿调度的通用模型研究武汉大学学报 工学版李文家 许自达 三门峡陆浑故县三水库联合防御黄河下游洪水最优调度模型探讨人民黄河冯尚友 水资源系统工程武汉 湖北科学技术出版社万俊 陈惠源 水电站群优化调度分解协调聚合分解复合模型研究水力发电学报黄志中 周之豪 大系统分解协调理论在库群实时防洪调度中的应用系统工程理论方法与应用王本德 周惠成 程春田 梯级水库群防洪系统的多目标洪水调度决策的模糊优选水利学报王本德 水库模糊优化调度大连 大连理工出版社宋朝红 罗强 纪昌明 基于混合遗传算法的水库群优化调度研究武汉大学学报 工学版胡铁松 万永华 冯尚友 水库调度智能决策支持系统研究成都科技大学学报责任编辑 王成丽