趙麗麗
(遼寧省水利水電勘測設計研究院,遼寧 沈陽 110006)
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。
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。
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。
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。
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%。
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%。
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).