趙麗麗

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110006）

1 研究背景

水庫調(diào)度規(guī)則對水庫長期運行有重要的指導作用。以供水為主的水庫，以往供水調(diào)度常采取最大限度的滿足當前需水的標準供水策略（Standard Operating Policy，SOP）。局限于當前水文預報精度，且水庫缺乏相應的限制供水策略，水庫在連續(xù)枯水期，容易出現(xiàn)缺水深度過大甚至供水中斷。為避免這種情況的發(fā)生，人們提出了多種水庫供水規(guī)則，最常見的供水調(diào)度規(guī)則是水庫供水調(diào)度圖。

常規(guī)調(diào)度圖繪制方法通過對水庫長系列（或典型年）運行過程進行逆時序模擬，得到長系列（或典型年）的調(diào)度過程線，取上下包線作為水庫調(diào)度圖上的規(guī)則線，再通過人工對調(diào)度圖進行修正，得到最終的調(diào)度圖。該方法過程煩瑣、復雜，往往需要反復的檢驗、修正，且需要工作人員具有比較豐富的經(jīng)驗，得到的優(yōu)化調(diào)度圖也是基于經(jīng)驗的半優(yōu)化結果[1]。近年來，隨著現(xiàn)代優(yōu)化算法的發(fā)展，遺傳算法、粒子群算法、差分進化算法等被引入到水庫的調(diào)度研究中，逐步形成了一套模擬與優(yōu)化相結合的混合式調(diào)度圖優(yōu)化方法[2]。文中提出了簡化的調(diào)度圖概化方法，并將模擬與優(yōu)化相結合的混合式調(diào)度圖優(yōu)化方法，應用到宮山咀水庫調(diào)度圖的繪制中，得到宮山咀水庫調(diào)度圖。

2 水庫供水調(diào)度圖繪制

2.1 調(diào)度圖概化

調(diào)度圖概化的方法，一般有基于全時段水位線的概化方式[3]和基于調(diào)度線拐點的混合概化方式[4]兩種方法。前一種方法易于算法實現(xiàn)，但調(diào)度線往往存在時段間起伏過大的情況，在實際中無法應用，需要人工修正。后一種方法極大的減少了參數(shù)的個數(shù)，降低了優(yōu)化規(guī)模，但參數(shù)之間的制約關系更加復雜，優(yōu)化問題的可行域變得更加狹窄，提高了最優(yōu)解的搜索難度。調(diào)度圖的編制采用簡化的混合編碼方法對調(diào)度圖進行概化，即基于調(diào)度線拐點的混合調(diào)度圖概化方法的一種特例，拐點的確定主要考慮時段的長度和水位限制線的連續(xù)性，拐點位置固定，而不作為優(yōu)化過程中的決策變量。概化調(diào)度圖即為：

式中，i為調(diào)度線條數(shù)，j調(diào)度線拐點個數(shù)，Xi，j為第i為調(diào)度線條數(shù)上j點控制水位。

2.2 水庫調(diào)度模型確定

依據(jù)水庫承擔的供水任務及供水主次順序等約束條件建模，采用懲罰函數(shù)法將深度破壞約束加入目標函數(shù)，以供水保證率高，缺水量少，盡量避免深度缺水為目標，采用權重法將該多目標問題轉(zhuǎn)化為單目標問題。

2.2.1 目標函數(shù)

①供水保證率P最高，即

②各用水戶缺水量少，即

式中，N為時段總數(shù)；M為用水戶個數(shù)；DLi（k）為第i用水戶，第k時段戶需水量；XLi（k）為第i用水戶，第k時段水庫實際供水量；λi為第i用水戶的允許破壞深度；Penaltyi（k）為第i用水戶，第k時段懲罰量。

采用權重法，將各目標轉(zhuǎn)化為單目標，即

式中，ω1，ω2為目標函數(shù)權重系數(shù)。

2.2.2 約束條件

除去水庫供水深度破壞約束外，其它約束條件如下。

①水量平衡約束

②庫容～水位～面積曲線約束

③庫容（水位）上下限約束

④各條調(diào)度線相互之間不交叉

式中，St為第t時段水庫庫容；It為第t時段水庫入庫水量；Dt為第t時段水庫供水量；Et為第t時段水庫蒸發(fā)滲漏損失水量；SUt為第t時段水庫棄水量；ECt為第t時段水庫壩址處河道生態(tài)需水量；Vdead為水庫死庫容；為第t時段水庫允許的最大蓄水量。其它變量，如前文所述。

2.3 優(yōu)化算法尋優(yōu)

采用群體智能算法中的粒子群算法求解水庫調(diào)度圖，每一個調(diào)度圖概化為一個粒子。

3 實例應用

3.1 工程概況

宮山咀水庫位于遼寧省葫蘆島市建昌縣大凌河干流，水庫總庫容1.19億m3，控制流域面積656 km2，壩址處多年平均徑流量1.04億m3。水庫正常蓄水位73.70 m，防洪限制水位72.70 m，死水位為62.36 m，是一座具有防洪、供水、發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用功能的大（Ⅱ）型水利工程。

目前水庫供水對象有建昌縣自來水公司、葫蘆島市平山水源以及補償下游區(qū)間生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水，根據(jù)水庫供水對象用水保證率程度不同，將水庫供水對象分為兩類：①工業(yè)生活用水，供水保證率95%，缺水允許破壞深度為10%。②農(nóng)業(yè)灌溉用水，保證率75%，缺水允許破壞深度為30%。

3.2 結果與分析

采用1956-2007年的入庫徑流（汛期以旬為時段，非汛期以月為時段）作為調(diào)度圖求解模型的來水資料，用水采用2010水平年的實際用水。PSO算法種群規(guī)模為300，迭代次數(shù)8000次。為減少算法的隨機性對結果的影響，獨立運行10次，選取其中適應度最優(yōu)結果對應的調(diào)度圖，作為模型求解結果，調(diào)度圖如圖1所示。

圖1 宮山咀水庫供水調(diào)度圖

調(diào)度圖各分區(qū)水庫運行規(guī)則如下：

1）Ⅰ區(qū)（下游農(nóng)業(yè)加大供水線－防洪限制水位/正常高水位線），下游區(qū)間農(nóng)業(yè)加大供水，加大供水系數(shù)取1.02；直供建昌自來水、平山水源正常供水。

2）Ⅱ區(qū)(下游農(nóng)業(yè)加大供水線－下游農(nóng)業(yè)限制供水線)，下游區(qū)間農(nóng)業(yè)正常供水，直供建昌自來水、平山水源正常供水。

3）Ⅲ區(qū)(下游農(nóng)業(yè)限制供水線－工業(yè)限制線)，下游區(qū)間農(nóng)業(yè)限制供水，限制供水系數(shù)0.8，直供建昌自來水、平山水源正常供水。

4）Ⅳ區(qū)(工業(yè)限制線－死水位)，下游區(qū)間農(nóng)業(yè)限制供水，限制供水系數(shù)0.8；直供建昌自來水、平山水源限制供水，限制供水系數(shù)0.9。

按照上述調(diào)度圖及其對應調(diào)度規(guī)則運行，水庫調(diào)節(jié)計算，水庫工業(yè)用水保證率達95.2%，農(nóng)業(yè)用水保證率達84.6%。

4 結論及建議

針對水庫供水調(diào)度問題，提出了簡化的調(diào)度圖概化方法，建立了基于模擬-優(yōu)化的水庫調(diào)度圖繪制模型，并將該模型應用到宮山咀水庫調(diào)度圖求解中，水庫按求解得到的調(diào)度圖運行，水庫各項供水保證率都滿足要求，且不存在深度缺水問題。對該水庫的運行具有非常重要指導意義。

[1]袁作新，白憲臺.灌溉水庫興利調(diào)度圖的編制方法[J].武漢水利電力學院學報，1978.11（3）：13-20.

[2]王旭，龐金城，雷曉輝，田雨，蔣云鐘.水庫調(diào)度圖優(yōu)化方法研究評述[J].南水北調(diào)與水利科技，2010.8（5）：71-75.

[3]張銘，王麗萍，安有貴，等.水庫調(diào)度圖優(yōu)化研究[J].武漢大學學報.2004.37（3）：5-7.

[4]劉心愿，郭生練，劉攀，等.基于總出力調(diào)度圖與出力分配模型的梯級水電站優(yōu)化調(diào)度規(guī)則研究[J].水力發(fā)電學報，2009（6）.