潘文學，孫淑俠，王淑賢

(陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計研究院，陜西 西安710018)

研究針水庫群水資源統(tǒng)一調(diào)度中的技術(shù)方法和模型，是水庫群水量調(diào)度的關(guān)鍵，不僅對加強區(qū)域水資源統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度，制定可具體操作實施的配水方案，優(yōu)化區(qū)域水資源配置，實行以供定需、計劃用水，而且研究針對多水庫，這一水庫群情況復雜、空間跨度大、包含數(shù)個具有不同調(diào)節(jié)性能和不同運用目標水庫的水資源大系統(tǒng)，在水庫群優(yōu)化調(diào)度理論分析的基礎(chǔ)上，著重于可實際應用的實施調(diào)度及風險研究，這對于彌補當前在水庫優(yōu)化調(diào)度研究方面普遍存在的理論研究與實際應用間的“鴻溝”，促進水庫優(yōu)化調(diào)度理論向?qū)嶋H生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化，具有重要的理論意義和應用價值。

1 本領(lǐng)域的現(xiàn)狀

縱觀水庫優(yōu)化調(diào)度研究歷史，在早、中期主要是針對模型與算法，側(cè)重于調(diào)度理論研究。近十多年來，隨著理論研究的日漸成熟和完善，水庫優(yōu)化調(diào)度研究也更注重于與生產(chǎn)實際相結(jié)合，注重研究成果向生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化，以彌補理論研究與實際應用的“鴻溝”。許多研究人員結(jié)合生產(chǎn)需要和具體問題，研究探討適合某一具體河流或區(qū)域、簡便實用、并為生產(chǎn)管理者所接受的水庫調(diào)度模型及應用方法。尤其是隨著計算機及人工智能技術(shù)的發(fā)展，與計算機及人工智能技術(shù)相結(jié)合，并引入新的理論(如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法等)，成為水庫優(yōu)化調(diào)度研究的一個熱點和發(fā)展趨勢。目前這一熱點主要表現(xiàn)在:一是依靠計算機的快速運算及大容量存儲能力研究探討快速、準確求解水庫優(yōu)化調(diào)度模型的方法及算法，以提高模型效率;二是用先進的計算機可視化編程語言開發(fā)直觀易讀、方便易行、交互能力強的水庫調(diào)度應用軟件，以提高模型的使用性。

隨著水電站水庫群優(yōu)化調(diào)度理論研究的不斷深入，尤其是一些新理論、新學科、新技術(shù)的不斷發(fā)展，水電站水庫群優(yōu)化調(diào)度研究也逐漸由理論研究為主轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應用、由傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)向新技術(shù)利用、由單一方法轉(zhuǎn)向多技術(shù)綜合等，出現(xiàn)了許多新的研究趨勢。

(1)針對模型描述與系統(tǒng)間的差異以及模型輸入誤差對運行結(jié)果的影響，研究具有能利用實時信息自動修正、消除累計誤差功能的優(yōu)化調(diào)度模型，提高模型的實用性。

(2)考慮實際生產(chǎn)中水庫調(diào)度的復雜性和水資源系統(tǒng)的“非結(jié)構(gòu)化”特點，引進系統(tǒng)辯識思想，采用模擬與優(yōu)化相結(jié)合的方法，研究模型簡單、求解迅速、便于決策者參與、能根據(jù)實際快速給出“滿意解”的模擬優(yōu)化調(diào)度模型及求解方法。

(3)引進新理論和新技術(shù)研究水庫優(yōu)化調(diào)度的新模型及新算法。水庫調(diào)度模型求解的遺傳算法;在水庫長序列模擬調(diào)度的基礎(chǔ)上，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)技術(shù)建立水庫調(diào)度規(guī)則等。

(4)在調(diào)度模型中如何考慮水量傳播時間和其它影響因素。

(5)利用先進的可視化計算機編程語言，開發(fā)直觀易讀、方便易行、具有強交互功能的水庫調(diào)度應用軟件，引進人工智能技術(shù)，建立水庫調(diào)度決策支持系統(tǒng)及智能決策支持系統(tǒng)。

2 研究的主要內(nèi)容

研究的空間范圍是整個水庫群工程系統(tǒng)，但重點是工程整個上游梯級的水量調(diào)度問題;時間范圍是當年10月～次年6月(以下稱為供水調(diào)度期)，而關(guān)鍵是枯水年和特枯水年調(diào)度期的調(diào)度問題，計算時段以月(長期調(diào)度)和旬(中期調(diào)度)為單位。其主要內(nèi)容包括:

(1)聯(lián)合調(diào)度可行性、必要性分析

通過分析各水庫所在河流的水文特性、水庫的調(diào)節(jié)性能、多年調(diào)度運行情況、各供水用水部門特征、水資源利用狀況、各水庫流域的環(huán)境狀況以及區(qū)域地的工農(nóng)業(yè)和城市生活供用水狀況、水資源及水環(huán)境狀況、水價等。論證實施水庫群多目標聯(lián)合調(diào)度的可行性和必要性。

(2)來水、用水預測

各水庫的來水預報;

各用水部門的需水預測。主要包括年度需水量分析、近期、中期遠期水資源需求預測情況;

各水庫流域的生態(tài)環(huán)境需水量預測分析;

分析各水庫流域、各用水部門的需水特性及對水庫調(diào)度運用的要求。

(3)水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度廣義模型及解法

由于庫群的聯(lián)合調(diào)度具有高度復雜性和不確定性，僅用單一某種理論是無法解決的。因此，多種理論的綜合應用對研究水庫群的優(yōu)化調(diào)度問題極有價值。分析目前的優(yōu)化方法和理論，以避免“維數(shù)災”和“網(wǎng)格災”，達到提高優(yōu)化速度為目的，確定相應的優(yōu)化方法。根據(jù)庫工程性能指標、水利電力聯(lián)系、管理體制等，和以往的水庫調(diào)度經(jīng)驗和專家的知識，建立有人機交互功能的水庫群多目標聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度廣義模型及求解方法;利用歷史資料和多目標聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案對水庫群進行模擬調(diào)度，檢驗模型與算法的有效性、合理性;通過對調(diào)度結(jié)果的進行分析、總結(jié)，不斷地修改、完善調(diào)度模型和相應的程序。

(4)實施優(yōu)化調(diào)度方案的風險分析與評估

水量調(diào)度是基于一定來用水預測結(jié)果，由決策者對水資源時空的再分配，受來用水預測不確定性以及決策者主觀認識局限性的影響，水量調(diào)度不可避免地會存在一定的風險性，正確認識水資源系統(tǒng)的風險，合理確定水量調(diào)度的風險率，對決策水量調(diào)度實施方案，減小不必要的調(diào)度損失具有重要意義。

(5)調(diào)度方案評價與優(yōu)選

針對工程興利調(diào)度實際，建立調(diào)度方案評價指標體系和綜合評價模型，建立可進行人機交互的、可進行群決策的計算方法與程序。

(6)模型應用軟件開發(fā)及調(diào)度方案算例分析

首先根據(jù)調(diào)度模型特點及求解方法，編制模型運行程序;考慮成果的應用環(huán)境，應用面向?qū)ο蟮目梢暬幊誊浖_發(fā)界面友善、直觀易讀、交互性強、實用性好、具有可操作性的調(diào)度模型應用軟件。其次應用實測資料和生產(chǎn)部門提供的有關(guān)約束或其它子題提供的徑流預報、用水計劃成果，對水庫群工程進行實例水量調(diào)度，分析檢驗模型及軟件的可靠性、實用性和可操作性。

圖1 技術(shù)路線示意圖

3 總體思路及技術(shù)路線

采取“過程分解、系統(tǒng)分解、前向卷動、滾動修正”的思路。過程分解就是將調(diào)度過程分解為備選方案產(chǎn)生和方案決策兩個過程，首先通過參數(shù)調(diào)整和約束變化產(chǎn)生一套供決策者選擇的非劣方案，然后根據(jù)方案的供水、發(fā)電、風險等進行方案決策。“系統(tǒng)分解”就是根據(jù)水庫群各個水庫工程的功能不同將水庫群分解成不同的獨立的子系統(tǒng)，分別建模求解，在此基礎(chǔ)上通過水量聯(lián)系建立水庫群調(diào)度混合模型，通過協(xié)調(diào)變量(各水庫的輸入輸出流量)進行協(xié)調(diào)產(chǎn)生水庫群調(diào)度方案，在調(diào)度時，首先根據(jù)不同子系統(tǒng)狀況，通過改變模型參數(shù)和約束條件形成多個可選調(diào)度方案，作為備選方案集;然后兼顧各方面的利益，依據(jù)面臨實際情況和管理部門意見，由決策者利用方案優(yōu)選技術(shù)，在備選方案集中優(yōu)選決策滿意方案，作為最后確定的實施方案?！扒跋蚓韯?、滾動修正”就是每一時段初提出一套余留期調(diào)度方案，包括長、中期方案及面臨時段方案，實施的只是面臨時段方案，到下一時段，根據(jù)新的預測信息和工程實際狀態(tài)對模型輸入修正后，再計算提出余留期新的調(diào)度方案，直到調(diào)度期結(jié)束，這樣不斷向前卷動，逐時段滾動修正，以消除累積誤差影響，滿足實時調(diào)度需要。其技術(shù)路線(見圖1)。

圖2 水庫群系統(tǒng)分解示意圖

4 結(jié)語

研究的多水庫工程水量調(diào)度是一個復雜的系統(tǒng)工程問題，其復雜性主要來源于以下幾個方面:首先，各調(diào)節(jié)水庫電站，水庫庫容大小不一，調(diào)節(jié)性能各異，主要功能和承擔的任務也不相同，調(diào)度時必須考慮各個水庫的性能和任務;其次，水庫群水量調(diào)度需要考慮多方面的要求，不僅要考慮供水和發(fā)電，而且要考慮防洪，生態(tài)供水等，是一個典型的多目標問題;三是水庫群各個工程從在管理體制上分屬不同的部門管理，不同的管理者有不同的要求，在水量調(diào)度時不僅要考慮水庫群全系統(tǒng)的需求，而且要考慮各個子系統(tǒng)的效益;四是不同的目標對調(diào)度的要求也不同，目標間相互競爭、相互矛盾，致使調(diào)度約束大大增多。如對發(fā)電目標來講，在滿足保證出力的條件下，希望均勻泄水，盡可能維持水庫在高水位狀態(tài)運行，以提高全年發(fā)電量。而供水目標則有一定的季節(jié)性，在用水期希望盡量多供水，不用水時少放水。鑒于水庫群水量調(diào)度的復雜性，為了合理利用有限的水資源，盡可能滿足各方面的要求，應科學制定水庫群工程水量調(diào)度的基本原則，以作為調(diào)度的基礎(chǔ)。

綜合分析水庫群工程狀況和各目標要求，非汛期水量調(diào)度應遵循以下基本原則:

(1)骨干水庫作為水庫群工程的“龍頭水庫”，是下游各梯級的補償水庫，它對全系統(tǒng)水量調(diào)度起著重要的作用，在調(diào)度時應按照“豐蓄枯補”的原則盡可能使其保持較大的調(diào)節(jié)能力，充分發(fā)揮水庫的調(diào)節(jié)作用。

(2)工程水量調(diào)度實行上下游補償調(diào)節(jié)、水庫群統(tǒng)一調(diào)度，在滿足供水、灌溉等要求下，盡可能使梯級出力均勻并獲得較大的電能。

(3)下游水庫調(diào)度主要考慮下游河段的用水要求，在調(diào)度時首先發(fā)揮自身的調(diào)節(jié)作用，不能滿足要求時再由上游水庫進行補償;上游水庫的調(diào)度不僅要滿足區(qū)間河段的用水，而且要考慮下游的需求。為滿足下游工農(nóng)業(yè)用水和保證干流生態(tài)環(huán)境用水，上游水庫調(diào)度時應保證一定的補水流量。