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基于多目标的梯级水库调度方案研究

发表时间：2021/4/20 来源：《基层建设》2020年第32期作者：王红东

[导读] 摘要：水库通常承担着供水、发电、防洪、生态、航运等一种或多种任务，而运行期内水库调度的关键是充分发挥水库的综合利用效益。

        新疆华电沙尔布拉克水电有限责任公司新疆 830000
        摘要：水库通常承担着供水、发电、防洪、生态、航运等一种或多种任务，而运行期内水库调度的关键是充分发挥水库的综合利用效益。因此，水库承担多种任务时应协调处理不同目标之间的调度关系，并且充分保障主要目标的实现。长期以来，水库调度领域的关注重点及难点是水库调度多目标决策理论与方法。对于非劣解问题的求解，水库多目标调度模型通常依靠经验选择可行的调度方案，但该方案往往并非最佳，运用合适的评价模型有利于决策者选择成效性更强、合理性更高的调度方案。因此，继非劣解集求解技术及多目标调度模型研究后，构建适用于多目标调度方案优选的高效性、合理性评价模型逐渐成为亟待解决的问题。
        关键词：多目标调度；梯级水库；调度方案
        引言
        水库通过拦蓄、调节天然径流，能有效缓解区域干旱、洪涝等自然灾害，对水资源高效利用具有重要作用。传统的水库调度规则较少考虑预报信息，导致调度决策偏保守。随着水文预报技术的发展，耦合预报信息的水库调度研究逐渐增多。基于水库建立了水库防洪预报调度模型，不仅提高了水库上下游的防洪安全性，而且增加了洪水资源的利用率。提出了考虑洪水预报信息的水库汛限水位实时动态控制方法，制订考虑预报信息的汛限水位实时控制方案，不但没有降低原设计防洪标准，而且增加了水库蓄水量与发电效益。
        1实例分析
        南城子水库、柴河水库和清河水库均为大型水库，为推动辽河流域的高质量发展必须做好梯级水库的调度工作。梯级水库综合效益的发挥直接受到水库汛末蓄水的影响，而协调好蓄水、发电、防洪等目标属于蓄水进程和蓄水时机的根本依据。因此，可以利用多目标调度问题等效于南城子、柴河、清河梯级水库的蓄水调度。本文结合相关研究成果，运用MDIP-VIKOＲ模型和已有蓄水调度方案集，优选决策了多目标方案。模型MDIPVIKOＲ中的评价矩阵与蓄水调度方案的目标值相对应，列举的5个可行性方案见表1。

        2调度情景及参数设置
        依据工程规划，设置多年平均调水10亿m3和15亿m3两种情景，分别制订考虑预报不确定性的引汉济渭工程调度规则。在优化过程中，为避免调度线波动过大，根据黄金峡的入库径流特征，将一年划分为四个调度分期：前汛期（1月—3月）、主汛期（4月—6月）、后汛期（7月—10月）和非汛期（11月—12月）。令每个分期的调度线参数相同，即每条调度线的各调度分期仅需优化1个参数[28]。将多目标转化为单目标问题时，将缺水指数在[0,5]的区间上离散为100份，进而得到该多目标问题的Pareto解集。CS算法参数设置如下：种群规模数目为100、发现概率为0.25、最大迭代次数为5000，惩罚系数φ=100、水电站上网电价r1=0.3元/kWh•；泵站耗电价r2=0.5元/kWh•。本论文中所采用算法均基于Matlab软件实现，计算机配置为：CPU8核，Intel®Core™i7-9700处理器，16.00GB内存。
        3多目标的梯级水库调度方案
        3.1基于均匀设计生成初始解
        由于HSA主要是基于邻域搜索的，初始解的质量对搜索性能影响较大。在可行域内随机生成初始解的方式，将导致部分个体不满足约束条件而被淘汰，这也降低了初始解集的多样性和算法的搜索效率。因而，本文在初始解生成时引入了均匀设计(Uniformdesign，UD)的思想。UD仅考虑试验点在试验范围内的均匀散布，是一种基于数论和多元统计学的新型实验方法，选取的试验点更有代表性，更能反映样本系列的主要特征。
        3.3推荐水库群调度运行方案
        从以上流域水库群水资源开发利用角度分析，向流域灌区农业供水量最大的水库运行方式为山区水库先蓄后供、平原水库后蓄先供。从公格尔水电站的发电效益角度分析，多年平均年发电量最大的水库运行方式为山区水库后蓄先供、平原水库先蓄后供。两种目标情况下，水库运行方式不同。水库作为流域控制性水利枢纽工程，承担流域灌溉、发电、防洪任务，在确保防洪安全的前提下，满足流域灌区综合利用用水要求，结合流域灌区供水进行发电。因此，水库的调度运行应遵循“电调服从水调”的原则。
        3.4优化系统框架设计与开发
        基于基础场景构建、防洪调度信息集成、多尺度模拟方法，并考虑联合调度模拟仿真涉及的两项关键技术问题，使用VisualStudio2015开发环境，基于OpenSceneGraph3.4.0框架进行联合调度多尺度模拟仿真系统的开发。系统包括数据层、服务层和推演应用层3个部分。其中数据层选用开源PostgreSQL数据库存储属性信息，包括调度过程数据、淹没损失数据、水动力学推演数据，并采用PostGIS空间数据扩展以兼容地形数据、模型数据、专题矢量数据；服务层一方面构建数据和地图服务，为应用层提供数据和地图访问接口；另一方面提供联合调度过程的数据解算、格网信息动态构建等算法服务，为应用层提供可供可视化仿真的结果；调度模拟应用层除了提供数据漫游、数据查询定位、空间量算等3DGIS基础功能外，重点解决联合调度涉及的降雨和洪水组成、水库拦蓄、库区淹没、河道演进、蓄滞洪区分洪的多尺度表达效果。
        3.5考虑预报不确定性的调度规则性能分析
        在不同调度情景下，分别从上述Pareto解集中挑选出4组解进行分析，其中，（a）、（b）、（c）和（d）的WSI分别为1.2、2.0、3.1和4.3。通过参数解码得到对应的引汉济渭工程联合调度规则。其中，黄金峡水库的调度取决于其入库径流预报以及三河口水位，限于篇幅，仅展示三河口水库调度图。以WSI等于2.0为例，进行调度规则的合理性说明：调度图的上、下调度线不交叉，调度线取值均在允许范围内，且随着供水需求的增加，三河口水库自流供水区（Ⅰ区）面积变小，符合工程实际情况。综合来看，本研究编制的引汉济渭工程联合调度规则是合理的。
        3.6水库群联合调度模拟系统关键技术
        1)时间轴驱动的联合调度过程统一化。在调度成果数据的集成时，由于洪水组成、水库拦蓄、库区淹没、河道演进、蓄滞洪区分洪等联合调度计算的时间区间和步长存在差异，因此需要对时序计算成果进行归一化和同步处理，形成统一化的数据成果，并最终以时间轴驱动数据的加载和控制，从而直观呈现调度过程。(2)多尺度下的信息关联和智能调用。在调度模拟仿真过程中，对不同尺度关注的重点信息存在较大差异，随着系统集成的各类数据增加，用户查找所需数据将变得十分复杂。为提高信息获取效率，可在3DGIS场景中，将各类防洪调度工程设施按坐标范围和显示尺度划分，与相应的业务数据建立空间关联，并基于用户在场景中视点范围自动加载和显示对应的空间数据和业务信息。例如:当用户将视口移动至流域尺度，显示各主要支流来水情况，以高亮矢量线进行洪水预警；当用户定位至三峡水库，自动显示剩余防洪库容、水位流量过程线等；当用户切换至蓄滞洪区，自动显示运用参数、人口经济指标等。
        结束语
        本文以辽河流域梯级水库为例，利用MDIPVIKOＲ模型优选决策了多目标调度方案。该模型可以将VIKOＲ模型与最小鉴别信息原理(MDIP)有机融合，在利用多条件评价准则的条件下优化指标权重，保证决策结果的合理性与可靠性。根据蓄水、发电、防洪等不同目标属性构建的梯级水库蓄水方案评价模型，可以推荐不单纯追求最大化蓄水、发电等兴利目标的调度方案，实质上推荐的方案是对兴利与防洪目标两大属性的均衡妥协。MDIP-VIKOＲ模型为梯级水库多目标调度提供科学指导，能够丰富VIKOＲ模型的应用内涵和水库调度管理经验，但仍需要进一步开展其适用性相关研究。
        参考文献
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