下载文档原格式
梯级水库多目标生态优化调度研究发布时间：2021-05-08T03:33:38.276Z 来源：《中国电业》（发电）》2021年第1期作者：段华兵[导读] 一定要考虑上游水库的调节作用，尤其是年调节水库的调节作用。
新疆伊犁河流域开发建设管理局新疆伊宁市 835000摘要：当前，梯级电站的累积生态效应日益加剧，特别是在蓄水期，各水库争相蓄水，下游河道流量大幅减少，严重威胁着鱼类及其他水生生物的生存。
同时，水库作为一种径流调节的工程手段，在实现水能资源的合理高效利用上发挥着重要作用。
随着我国金沙江、雅砻江、澜沧江等流域水库群的相继建成与互联智能电网的有序推进，梯级水库已成为承载多方利益诉求的水资源利用载体，亟需开展多目标优化调度的研究，以有效协调水库防洪、发电、供水、生态等多方面的任务，满足新形势下的调度要求。
关键词：梯级水库；多目标；生态优化调度引言开展梯级水库蓄水期生态调度研究对于减轻水库运行对河流生态的负面影响、保护河流生态健康具有重大意义。
目前，有关蓄水期水库调度的研究大多集中在防洪、蓄水、发电与航运目标的蓄水时机及次序的确定、蓄水时机与蓄水进程的协同优化，考虑生态目标的研究较少，建立考虑发电量和下游河道适宜生态流量改变度的多目标模型，其优化目标为适宜生态流量改变度，无法反映下游河道是否缺水及缺水程度；基于调度图的改进提前蓄水方案，并对方案的生态流量满足度进行评价，但其仅在得到调度方案后对方案进行评价，未进行优化调度计算。
采用生态需水满足度评价河道缺水程度，将生态需水满足度作为生态目标构建考虑生态需求的梯级水库蓄水期多目标生态优化调度模型，可为梯级水库蓄水期生态调度提供参考。
1大型水库蓄水运行后对下游河道水温的影响大型水库蓄水运行后对下游河道水温的影响主要涉及到以下方面具体内容：多年调节水库运行水位对下泄水温有较大影响。
冬季低温时段(12月—翌年3月)，水库下泄水温随着水库水位的升高而升高，随着水库水位的下降而降低，库表水温也表现出相同的规律，库表水温在2.5～5.5℃之间变化;夏季高温时段(5—10月)，则表现出相反的规律，即水库下泄水温随着水库水位的升高而降低，随着水库水位的下降而升高，库表水温则基本不受水位的影响，基本维持在14～16℃之间变化。
水库联合调度优化算法研究在现代水资源管理中，水库调度优化算法对于保障水资源的合理利用和保护有着至关重要的作用。
随着科技水平不断提升，各种优化算法层出不穷，但是如何在实际生产中运用科技，发挥其最大潜力，仍然是一个难题。
近年来，水库联合调度优化算法得到了越来越多人的关注。
水库联合调度是指多个水库之间通过某种方式协调调度，达到更加合理的水资源利用目的的过程。
在此过程中，如果运用优化算法，可以更加科学的进行调度，充分利用水资源，同时实现供水、防洪等多种目标。
那么，什么是水库联合调度优化算法？其作用又有哪些？水库联合调度优化算法是指以数学和计算机理论为基础，通过对多个水库之间的节水量、供水量、蓄水量等进行优化计算，并且尽可能达到各种调度目标的过程。
相较于传统规则调度方案，水库联合调度优化算法在实际调度中可发挥以下优点：1. 提高资源利用率。
水库联合调度优化算法可以在最小限度内消耗最少的水资源，提高水资源利用率。
2. 提高供水合理性。
联合调度算法在寻求合理供水方案时，会考虑多个水库的存储水量、季节变化、水源引来等因素，确保各地供水质量稳定。
3. 提高灌溉效益。
对于耕地灌溉，水库联合调度的灌溉方案可以基于不同土壤类型、作物类型、地形地貌、降雨情况、温度湿度等条件制定，提高了灌溉效益。
4. 提高防洪能力。
在面对洪灾时，联合调度算法可以及时实现水库泄洪，减轻洪灾危害。
同时泄洪的方案也是移植于历史水文数据的，保证了缺乏数据时的可行性。
在当今形势下，随着水资源枯竭、气候变化等问题，水库联合调度优化算法不仅有着广泛的应用前景，也面临着一些挑战。
首先是算法的可靠性问题。
调度算法是由复杂的数学模型而来，算法的繁琐和复杂导致了许多算法出乎人们的意料。
因此，在设计算法的时候，必须严格检验过程和数据，以保证算法的可靠性。
其次是算法的灵活性问题。
如何根据不同的地理环境，制定不同的联合调度方案，达到针对性调度，加大灵活性，是这类算法亟待解决的问题。
水库多目标生态调度研究进展作者：郭文献王艳芳彭文启付意成来源：《南水北调与水利科技》2016年第04期摘要：水库多目标生态调度研究是当前国内外河流生态恢复研究中的热点问题。
综合分析了水库多目标生态调度国内外研究进展，指出了水库多目标生态调度研究存在的问题，提出了水库多目标生态调度研究的发展方向，认为今后水库多目标生态调度研究还需在水库生态调度理论框架体系、水库生态调度目标定量化研究、水库多目标生态调度优化和模拟技术研究、梯级水库多目标生态调度方案效果评价研究以及水库生态调度管理体制等方面进一步加强。
关键词：水库；生态调度；生态修复；河流管理中图分类号：X826 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0084-07Abstract：The research on reservoir ecological operation is a hotspot problem in the current river ecological restoration research field.The connotation of reservoir ecological operation was introduced firstly.Based on the concept of reservoir ecological operation，the domestic and foreign research advances of reservoir ecological operation were reviewed.Aiming at the main existent problems in this field，the future development trends of reservoir ecological operation research were put forward.It is suggested that the further study of reservoir ecological operation should be emphasized on aspects of the theoretical framework system，quantitative objectives of ecological operation，multi-objective optimization and simulation technology，effect evaluation of operation schemes and the management system of reservoir ecological operation.It provides the reference for carrying out multi-objective ecological operation of reservoirs in the future.Key words：reservoir；ecological operation；ecological restoration；river management水电工程建设在推动人类社会经济发展同时，也对河流生态系统造成了严重影响，主要表现为：河道萎缩，洪泛区面积减少；水生生物生境破坏，鸟类数量和物种较少；洄游性鱼类数量减少，甚至消失；海水入侵，河口生态环境恶化；外来物种入侵等[1-5]。
水库联合调度提高防洪效能技术规程编制方案制定思路与方法设计优化提升水库的联合调度在防洪方面起着至关重要的作用。
为了提高防洪效能，制定一套科学的技术规程以优化水库联合调度方案是非常必要的。
本文将探讨水库联合调度提高防洪效能技术规程编制方案的制定思路与方法，以及设计优化的途径。
一、制定思路与方法1. 收集相关资料：首先，我们需要收集与水库联合调度和防洪有关的资料，包括历史洪水数据、流域的地理环境和降雨情况等。
这些资料将为我们制定科学合理的技术规程提供参考。
2. 分析现有问题：通过对已有水库联合调度方案的分析，我们可以找出存在的问题和不足之处。
例如，是否存在调度决策滞后、信息传递不及时等问题。
通过分析问题，我们可以确定改进的方向。
3. 制定目标：在制定技术规程之前，我们需要明确目标。
例如，我们的目标可能是提高水库的洪水容纳能力、减少下游的洪水峰值等。
明确目标有助于我们制定出合适的方案。
4. 设计调度模型：为了制定科学的技术规程，我们需要建立合理的调度模型。
该模型应考虑多个因素，如来水量、降雨情况、流域特征等。
通过模型，我们可以模拟各种情况下的调度方案，并评估其效果。
5. 优化算法选择与应用：为了得到最佳的调度方案，我们需要选用适当的优化算法。
例如，可以采用遗传算法、粒子群算法等来进行调度方案的优化。
这些算法可以根据不同的目标函数来搜索最优解。
二、设计优化提升1. 多目标优化：水库联合调度往往涉及到多个目标的优化，例如防洪与发电之间的平衡。
在设计调度方案时，我们应该考虑多个目标，并进行适当的权衡。
可以使用多目标优化方法，如权重法、多目标遗传算法等，来获得在多个目标下的最佳调度方案。
2. 实时数据更新：为了保持调度方案的实时性，我们需要将实时数据纳入考虑。
例如，可以建立实时监测网络，及时获取来水量和降雨等数据。
这些数据可以用来更新调度模型，并根据最新数据进行调度决策。
3. 考虑不确定性：水库联合调度受到许多不确定因素的影响，如降雨预报的准确性等。
0 引言水库作为一种径流调节的工程手段，在实现水能资源的合理高效利用上发挥着重要作用[1]。
随着我国水电行业的飞速发展，大批电站水库相继建成和投入使用，各大流域逐步形成了梯级水库群的格局[2，3]。
科学开展梯级水库群联合优化调度研究，对于提高水资源利用效率增发电量、发挥梯级水库群的综合效益最大化具有重要的科学意义和应用价值[4–6]。
新安江和富春江水库是钱塘江流域重要的两座梯级电站，也是华东电网的主力调峰电厂，担负着华东电网的调峰、调频、事故备用等任务，对电网的安全、稳定运行起着重要作用。
但在初设阶段，各水库根据防洪标准确定设计洪水及防洪库容，并没有考虑梯级水库的联合调度问题[7]。
此外，传统的调度模型已无法满足水库群防洪、发电、灌溉及生态综合效益最优等需求，以往的调度方式难以适应当前复杂水库群运行管理的实际需要[8，9]。
鉴于此，本研究以钱塘江流域中上游河段为研究对象，以“新安江—富春江”梯级水电站为调控主体，根据钱塘江梯级水电站实际需求，建立协调发电量及弃水量的梯级水库联合调度模型，以DPSA算法求得不同典型年的最优运行策略，为钱塘江流域梯级水库调度运行工作提供决策参考。
1 研究区域及数据资料1.1 梯级水电站资料新安江水库位于钱塘江上游，是钱塘江流域最大的控制性枢纽工程，水库总库容216.3亿m3，防洪库容9.47亿m3，是以发电为主，兼有防洪等综合利用效益的大（1）型水库。
富春江水库位于新安江水库下游的钱塘江干流富春江上，水库总库容8.76亿m3，防洪库容仅0.78亿m3，是以发电为主，兼有航运、灌溉等综合利用效益的大（2）型水库，二者担负着华东电网一定的调峰、调频和事故等任务，各水库电站的基本参数如表1所示。
按电站设计，富春江水库为日调节水库，不承担防洪、滞洪任务。
富春江坝址洪峰流量的削减，主要取决于上游新安江水库对兰江洪水的错峰调节。
因此需要通过实施新安江、富春江水库联合调度，在汛期洪水来临前新安江水库预腾库容，为下游富春江水库洪水错峰，保障下游河段防洪安全。
水库群联合优化调度方案研究摘要：本研究基于水库群聚合虚拟法、利用逐步优化算法,制定了聚合虚拟水库的联合供水调度方案,并采用分水比例法确定了各成员水库共同供水任务的分配比例。
结果表明:该方案可满足各类型的用水需求,利用该优化调度模型可制定科学合理的水库联合供水优化调度方案,将优化计算结果与实际调度结果进行对比分析，优化调度模型在提高补水量的发电效率、缓解电量损失方面具有优势，可为枯水期水量统一调度方案的制定提供借鉴。
从而为该地区的水资源配置提供参考。
关键词：水库群;联合供水;优化调度前言：20世纪60年代以来，国内外诸多学者对水库优化调度理论和方法进行了研究，但主要是针对单个水库或单个目标开展工作。
进入21世纪以来，随着大批水库电站的建成和投入使用，中国已形成了一批巨型水库群，如黄河上游、长江上游、第二松花江、三峡梯级和清江梯级水库群等，中国水电工程已经进入了由建设到管理运行的关键转型期，国家能源发展战略规划对中国的水电发展提出了新的要求，因此开展水库群联合调度是顺应“节能发电”与“洪水资源化”的时代需求，具有重大的理论价值和现实意义。
近年来，随着水文气象预报精度的提高、系统决策科学理论的日益完善和计算机软硬件技术的快速发展，为水库群联合优化调度创造了条件。
由于入库径流的随机性，决策过程的动态性、实时性和数学模型、优化技术的局限性，使得水库调度决策问题呈现出非结构化的特点，水库群联合调度决策是一个非常复杂的过程。
从不同的角度分类，水库调度决策可分为很多不同类型。
按水库的功能目标可分为防洪调度、兴利调度和综合利用调度;按水库数量可分为单库调度、梯级水库调度和水库群联合调度;按调度周期可分为短期调度和中长期调度;按调度方式可分为常规调度和优化调度。
本文重点综述近年来国内外库群联合优化调度方法研究应用进展，并探讨今后库群联合调度的发展趋势。
一、水库群联合调度原则和目标函数1.1 联合调度的基本原则对以防洪为主的水库群，应采用补偿方式调度，一般以梯级水库的上游水库或距防洪保护区较远的并联水库先行补偿，使控制洪水比重较大、对洪水的调节能力较高、距下游防洪保护区较近的水库最后控制泄量;对以灌溉及供水为主的水库群，以总弃水量最小拟定各个水库的蓄放水次序，梯级水库上游水库应先蓄水后供水，库群中如有调节能力高、汛期结束较早的水库应先蓄水，在供水期按总供水要求进行补偿调节;对于以发电为主的水库群，在满足系统正常供电要求的前提下，以总发电量最大拟定各个水库的蓄放水次序，梯级水库上游水库一般应先蓄水后供水;对并联水库则需采用一些方法(如判别式法、库容效率指数法)，根据各库具体情况判别来确定最佳的蓄放水次序。
Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2017, 6(2), 125-137 Published Online April 2017 in Hans. /journal/jwrr https:///10.12677/jwrr.2017.62016文章引用: 马旭, 白涛, 秦涛, 畅建霞. 水库和泵站群的多目标联合调度研究[J]. 水资源研究, 2017, 6(2): 125-137.Multi-Objectives Joint Operation of Reservoirs and Pumping StationsXu Ma 1, Tao Bai 1, Tao Qin 2, Jianxia Chang 11Key Laboratory of Northwest Water Resources and Environment Ecology, Xi’an University of Technology, Xi’an Shaanxi 2Hanjiang-to-Weihe River Basins Water Diversion Project Construction Co. Ltd., Xi’an ShaanxiReceived: Mar. 23rd , 2017; accepted: Apr. 11th , 2017; published: Apr. 14th, 2017AbstractTo verify the rationality of the design value in the design report and improve the water use efficiency, the feasibility of the preliminary operation mode, the Huangjinxia and Sanhekou reservoirs and pumping stations of the water diversion project from the Han to the Wei River were selected as the targets in this paper. Multi-objective joint operation model with the largest amount of water transfer and the maximum power generation is established and solved by NSGA-II. To highlight the advantages of optimizing the model, conventional operation model was established as a comparison model. Moreover, reasonability of design value is certified and feasibility of the initial operation rule is revealed by model analysis and calculation. Results showed that the multi-objective joint operation improved the runoff utilization effi-ciency and increased the amount of water and power generation. Achievements obtained multi-objective equilibrium solution of reservoirs with different typical years, which provided a technical support for the operation of reservoirs and pumping stations, and provided the theoretical basis for reservoirs mul-ti-objective operation.KeywordsReservoirs, Multi-Objective Operation, Equal Flow Discharge, NSGA-II, Typical Year水库和泵站群的多目标联合调度研究马 旭1，白 涛1，秦 涛2，畅建霞11西安理工大学，西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西 西安 2陕西省引汉济渭工程建设有限责任公司，陕西 西安收稿日期：2017年3月23日；录用日期：2017年4月11日；发布日期：2017年4月14日作者简介：马旭(1994-)，女，陕西咸阳人，在读硕士，主要从事水资源系统工程方向。
水库和泵站群的多目标联合调度研究摘要为了验证设计报告中设计值的合理性及初拟运行方式的可行性，提高水资源利用效率，本文以引汉济渭工程调水区黄金峡水库和三河口水库及其泵站群为研究对象，建立了兼顾调水量最大与梯级发电量最大的多目标优化调度模型，采用NSGA-II求解模型。
同时，为了凸显优化模型的优越性，建立求解了常规调度模型作为对照模型。
通过模型分析计算，论证了设计值的合理性，揭示了初拟调度运行方式的可行性。
结果表明：多目标联合优化调度提高了径流利用程度和利用效率，显著增加了调水量和发电量。
研究成果获得调水区水库群不同典型年的多目标均衡解，为引汉济渭调水区水库群及其泵站的运行提供了技术支撑，为实现水库群多目标运行调度提供理论依据。
关键词水库群，多目标调度，等流量，NSGA-II，典型年Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/1. 引言跨流域调水是缓解水资源供需矛盾，改变水资源时空分配不均的有效措施。
目前国内外已有很多调水规划，如美国加利福尼亚调水工程[1]，澳大利亚雪山调水工程[2]及中国南水北调工程[3]。
引汉济渭工程是为解决陕西关中地区所规划的调水工程，它将汉江丰沛的水资源通过黄金峡、三河口水库群、泵站群调配到水资源短缺的关中地区，以缓解关中地区的水资源短缺问题，促进社会经济可持续发展。
针对引汉济渭工程前期规划的研究成果较多。
2005年，许晓等对陕西省南水北调工程中线调水规划进行研究[4]；2011年，朱兴华开展引汉济渭工程调水区的联合调度研究，调度结果较好的满足了受水区要求[5]；2011年，畅建霞等对引汉济渭调水工程水资源配置进行研究[6]；2013年，张克强等对引汉济渭调水工程水资源管理问题进行了探讨[7]；2015年杨柳等开展基于引汉济渭工程的跨流域调水与受水区多水源联合供水模拟研究，结果表明引汉济渭工程实施对受水区具有重要意义[8]；2016年，马永胜等基于引汉济渭工程的水库联调系统的开发与应用，确定了引汉济渭各水库的调度运行方式[9]。
前期对引汉济渭工程的诸多研究着重于理论研究和探索层面，主要集中在水资源模拟配置、单目标调度等方面，缺乏在规划设计审批确定的条件下开展水库群、泵站群多目标的联合调度研究。
2015年5月，引汉济渭工程初设获批及项目建议书通过水规总院咨询，拉开了工程施工建设的序幕。
目前，黄金峡、三河口水库群、泵站群正如火如荼地建设，对于调水区的水库群、泵站群而言，缺少明确有效的优化调度规则和运行方式。
鉴于此，本文以引汉济渭调水区黄金峡、三河口水库群、泵站群为研究对象，建立常规和多目标优化模型，分别采用等流量和NSGA-II求解调度模型，以论证优化调度较常规调度的优越性，揭示调水区各调控目标之间的量化规律。
研究成果对于提高供水保证率、优化受水区水资源的配置，实现水资源的高效、可持续利用。
为引汉济渭黄金峡、三河口水库及其泵站的运行提供了技术支撑，为引汉济渭调水区黄金峡、三河口水库联合调度运行提供了参考依据。
2. 问题描述2.1. 工程概况及规划引汉济渭工程分为调水工程、输配水工程两大部分。
调水工程由调水区水库群、泵站群及秦岭隧洞组成，水库和泵站群的多目标联合调度研究包括位于陕南汉中盆地以东的洋县境内汉江干流的黄金峡水库及其泵站，地处佛坪县与宁陕县交界的子午河中游的三河口水库及其泵站；秦岭输水隧洞以汉江干流黄金峡水利枢纽的泵站抽水池为起点，出口设置在秦岭北麓渭河支流的黑河金盆水库下游黄池沟，其中，黄三段起点接黄金峡泵站出水池，终点位于三河口水利枢纽坝前约300 m处右岸的控制闸，越岭段，起点接输水隧洞控制闸，终点位于渭河支流的黑河金盆水库下游黄池沟。
根据引汉济渭工程的《受水区水资源配置》专题报告确定引汉济渭工程受水区内为渭河两岸的城市群工业和城镇、农村生活供水；受水区外为冯家山灌区、石头河灌区、宝鸡峡塬上灌区、宝鸡峡塬下灌区、羊毛湾灌区、金盆水库灌区、交口抽渭灌区。
引汉济渭工程示意图如图1所示。
引汉济渭各水库、泵站参数如表1。
本阶段研究中将黄金峡水库作为径流式水库。
在调水过程中，黄金峡Figure 1. Schematic diagram of water diversion project from Hanjiang River-to-WeiheiRiver图1. 引汉济渭工程示意图Table 1. Characteristics of reservoir and hydropower station表1. 水库电站特征参数水库名称黄金峡三河口水库参数正常蓄水位/(m) 450 643 死水位(m) 440 558 总库容亿(m3) 2.29 7.1 调节库容亿(m3) 0.92 6.49 生态流量25 m3/s 2.7 m3/s泵站特征参数装机容量(MW) 129.5 27 装机台数(台) 7 3电站特征参数装机容量(MW) 135 45 保证出力(MW) 8.6 2 设计流量(m3/s) 435.3 72.71 加权平均水头(m) 36.5 82.8水库和泵站群的多目标联合调度研究处为坝前泵站抽水，供水流量不参与发电；三河口水库作为为年调节水库，泵站为自流供水不耗能，并且供水可用于发电。
根据国家发展和改革委员会对引汉济渭工程项建阶段的批复意见(发改农经[2011]1559号文)：引汉济渭工程规划近期多年平均调水10亿m 3，远期在南水北调中线后续水源工程建成后，多年平均调水15亿m 3。
