摘 要：通過對水資源分布情況介紹，從梯級泵站水資源優(yōu)化調(diào)控的管理方式、所采用建立模型的算法及梯級泵站級間有無分水任務(wù)等方面闡述梯級泵站水資源優(yōu)化調(diào)度的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及存在的問題，提出今后梯級泵站水資源優(yōu)化調(diào)度研究的趨勢。

關(guān)鍵詞：水資源；管理調(diào)控方式；優(yōu)化調(diào)控方法

中圖分類號：TV675 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160432048

梯級泵站水資源優(yōu)化調(diào)度主要研究的方向在2個方面：泵站系統(tǒng)本身的優(yōu)化如進出水池水位調(diào)控、出水建筑物類型、抽水能源單耗與流量、抽水流量和揚程等；泵站上下梯級間的優(yōu)化如最優(yōu)揚程分配、泵站輸水系統(tǒng)、各條輸水線路水位和流量分配、各泵站開機臺數(shù)與機組運行工況等；梯級泵站根據(jù)泵站梯級間有無分無任務(wù)來優(yōu)化調(diào)度，最終的目的都是在保證正常輸水的基礎(chǔ)上降低年耗電（油）費和年運行費用，同時有利于增效、節(jié)能、環(huán)保，有利于管理，有利于資源的可持續(xù)發(fā)展。

1 國內(nèi)外梯級泵站水資源優(yōu)化調(diào)度研究現(xiàn)狀

1.1 水資源分布

根據(jù)2013年水利部公布水資源顯示，我國水資源總量約為2.8萬億m3，整體上呈現(xiàn)分布不均、時程變化大和年內(nèi)年際分配不均局面，同時還存在開發(fā)空間有限、用水量逐年增加和用水結(jié)構(gòu)變化明顯的現(xiàn)象等。如黃、淮、海3大流域，水資源只占全國的8%，而耕地面積占全國的40%；而2013年統(tǒng)計的用水結(jié)構(gòu)是用水量占當(dāng)年水資源總量的22.1%，農(nóng)業(yè)用水降低到63.4%，而生活、工業(yè)、生態(tài)用水相應(yīng)增加到12.1%、22.8%、1.7%。而大體上水量的趨勢是東南沿海向西北內(nèi)陸遞減，內(nèi)陸西北地區(qū)也是地大水少情況。為了解決水資源分布的情況，國內(nèi)相繼發(fā)展了很多大大小小的調(diào)水工程，例如南水北調(diào)；在管道輸水過程中，正是由于水泵及梯級泵站的廣泛應(yīng)用，使得水泵的能耗約占全國總能耗的21%。

據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在世界上很多國家已經(jīng)建設(shè)、正在建設(shè)或者擬建的大型流域調(diào)水工程已經(jīng)超過了160項，并且建設(shè)泵站也不是在世界各地遍布。國外如美國、前蘇聯(lián)、法國、澳大利亞、巴基斯坦、印度等，都根據(jù)需要規(guī)劃和建設(shè)了跨流域調(diào)水梯級泵站。建設(shè)的這些泵站其技術(shù)特點以及目的都有一定的區(qū)別。比如北美的水電聯(lián)盟計劃，前蘇聯(lián)進行了二十幾年研究和規(guī)劃的“北水南調(diào)”也是離不開梯級泵站輸送水，在1974年巴基斯坦進行了西水東調(diào)工程的建設(shè)，澳大利亞東南部規(guī)劃建設(shè)了雪山工程，印度恒河區(qū)建設(shè)的調(diào)水工程以及法國帝朗斯—凡爾頓工程都是利用梯級泵站輸送。

1.2 管理調(diào)度方式

國外在20個世紀(jì)60年代便開始了利用計算機來進行供水系統(tǒng)輔助調(diào)度管理的研究和探索，比如加拿大的多倫多以及美國的丹佛和費城等，都是通過遙控設(shè)備來將管網(wǎng)中控制點的壓力、出廠流量、出廠壓力、功率、水位以及溫度等運行參數(shù)及時的傳輸?shù)街行恼{(diào)度中去，對于出現(xiàn)的超常現(xiàn)象則需要自動的報警，并將其作為控制人員操作和控制的依據(jù)?，F(xiàn)在日本、法國、美國以及英國等一些國家的城市已經(jīng)實現(xiàn)了供水系統(tǒng)計算機優(yōu)化調(diào)度管理，并進行了調(diào)度管理軟件的編制，比如美國和英國的OPWAD等。為了預(yù)防泵站緊急事故，國內(nèi)已經(jīng)再利用計算機監(jiān)測，為了準(zhǔn)確及時掌握泵站實時動態(tài)，已經(jīng)把遙感技術(shù)運用在一些大中型泵站上。

在我國國內(nèi)很多學(xué)者和專家在20世紀(jì)70年代開始便努力的把計算機技術(shù)應(yīng)用到泵站供水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、模擬和水廠水質(zhì)控制中去。在供水系統(tǒng)優(yōu)化和調(diào)度管理等方面也進行了嘗試和探索，進行了相關(guān)應(yīng)用軟件的開發(fā)，比如WNW等，并在廣州等地進行了嘗試應(yīng)用。但是由于我國國內(nèi)受到積水手段和國內(nèi)設(shè)備條件的限制，可以在供水經(jīng)濟性和可靠性等方面獲得成功的案例還比較少。但是隨著科技的發(fā)展和人們的要求提高，進行供水系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化是供水行業(yè)發(fā)展的整體趨勢。

國內(nèi)針對梯級泵站調(diào)度管理復(fù)雜等特點，從檢驗各種設(shè)計、控制方案、應(yīng)急調(diào)度預(yù)案、工程安全運行和保證水源供給等方面提出了合理建設(shè)調(diào)度管理系統(tǒng)。梯級自動化調(diào)度系統(tǒng)構(gòu)成主要包含了下面幾部分：分別是應(yīng)用系統(tǒng)、應(yīng)用支撐平臺、數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、系統(tǒng)運行實體環(huán)境6大部分組成，包括水量調(diào)度、閘站監(jiān)控、視頻監(jiān)視、安全監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、工程防洪等核心生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)，還包括與企業(yè)運行相關(guān)的辦公運營應(yīng)用系統(tǒng)，以及通信網(wǎng)絡(luò)等信息化基礎(chǔ)設(shè)施。在功能監(jiān)控、調(diào)度、運行以及安全管理等方面，自動化調(diào)度系統(tǒng)的作用非常重要，利用調(diào)度運行管理信息化決策會商職稱環(huán)境以及信息化作業(yè)平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度和管理的自動化，目標(biāo)實現(xiàn)能夠保質(zhì)保量及時的實現(xiàn)。

1.3 梯級泵站水資源優(yōu)化調(diào)度

1.3.1 模型研究應(yīng)用

最早提出水庫調(diào)度優(yōu)化概念的是UBeTKOB，并使用隨機動態(tài)規(guī)劃方法研究水庫優(yōu)化調(diào)度問題；Young以Hall等人研究為基礎(chǔ)，應(yīng)用動態(tài)規(guī)劃方法研究了單一水庫的最優(yōu)控制問題，隨后各個學(xué)者又將單一水庫調(diào)度模型擴展到多水庫情形；受到水庫調(diào)度優(yōu)化啟示，國外相繼涌現(xiàn)了利用動態(tài)規(guī)劃方法（DP）（1968）、遺傳算法（GA）（1999）和蟻群算法（ACA）（2005）方法建立的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用在多級泵站水資源優(yōu)化調(diào)度中。21世紀(jì)以來，國內(nèi)諸多學(xué)者也把遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法等許多新興的算法應(yīng)用到了泵站優(yōu)化調(diào)度過程中。為了解決更加復(fù)雜的技術(shù)優(yōu)化問題，收斂速度更快，搜索精度更高，于是混合粒子群算法誕生，即周期離散為若干時段并進行流量分配，通過計算各時段內(nèi)的各機組耗電電費以逼近泵站實際耗電電費的免疫粒子群算法（IAPSO）（2013），能夠有效地解決梯級泵站優(yōu)化調(diào)度問題，降低了泵站運行成本。后來，學(xué)者們逐漸嘗試將基本粒子群算法（PSO）、自適應(yīng)慣性權(quán)重粒子群算法（APSO）、動態(tài)規(guī)劃與模擬退火相結(jié)合的混合算法（DP-SA）（2013）結(jié)合，并應(yīng)用于梯級泵站輸水優(yōu)化調(diào)度實踐上。這些新興的方法和傳統(tǒng)方法結(jié)合的算法，也進一步完善了對數(shù)學(xué)模型研究梯級泵站水資源優(yōu)化調(diào)度問題。

1.3.2 有無分水任務(wù)

史京轉(zhuǎn)等（2012）采用動態(tài)規(guī)劃和模擬技術(shù)相結(jié)合的算法，建立了級間無分水任務(wù)的多級泵站優(yōu)化調(diào)度的動態(tài)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，運用Flex語言編程對多級泵站進行優(yōu)化計算，證明了改善級間流量配合也是提高多級泵站效率、降低供水能耗的主要途徑。適用于多級機組間無分水的多級泵站。梯級泵站級間有分水任務(wù)；都是通過分水流量來控制，各種水力條件要比無分水任務(wù)的復(fù)雜多，不管是國內(nèi)還是國外，研究均不多。

泵站優(yōu)化調(diào)度主要包含了調(diào)度決策以及管理技術(shù)的優(yōu)化，也就是在一定時期中，根據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)，在滿足相關(guān)條件的情況下，確保泵站運行目標(biāo)函數(shù)能夠達到極值。從輸水距離長短和泵站數(shù)量及泵站等各方面因素思考，梯級泵站作為一個系統(tǒng)本身便比較復(fù)雜，進行優(yōu)化調(diào)度時不但需要考慮到上面的幾種因素，還應(yīng)該和社會經(jīng)濟、自然環(huán)境以及資源政策結(jié)合在一起。要求不同，調(diào)度時其目標(biāo)也會存在一定差別。鑒于泵站的用途、自然環(huán)境、機組形式以及水泵型號等方面，決定于調(diào)度的目標(biāo)有最小棄水量，最小能耗、最優(yōu)組合及最佳工況點等。因此泵站的水資源優(yōu)化調(diào)度也是一個綜合性復(fù)雜問題。

2 梯級泵站水資源優(yōu)化調(diào)度存在的問題和發(fā)展趨勢

2.1 存在的問題及展望

2.1.1 梯級泵站優(yōu)化調(diào)度存在的問題

梯級泵站水資源優(yōu)化調(diào)度研究雖然有所進展，但還存在一些問題：

我國泵站的自動化系統(tǒng)不健全，只有少數(shù)大型泵站實現(xiàn)了局部自動化控制；

大多數(shù)泵站的優(yōu)化調(diào)度研究將僅僅局限于泵站，或者考慮的因素多少是否都對梯級泵站優(yōu)化調(diào)度有作用； 梯級泵站系統(tǒng)本身便比較的復(fù)雜和龐大，地區(qū)用水量以及徑流來水量都存在明顯的隨機性和不確定性，對其進行預(yù)報和預(yù)測范圍都比較大，很難確定其準(zhǔn)確性；

模型算法存在一定的局限性，有些模型本身便比較繁瑣，操作起來比較復(fù)雜，求解梯級最優(yōu)時計算時間比較長，甚至還有些模型算法為了克服存在的維數(shù)災(zāi)問題進行了大量的假設(shè)以及簡化，這樣模型很難對其泵站群實際情況進行描述，優(yōu)化的相關(guān)結(jié)果和實際情況存在較大誤差。

2.1.2 梯級泵站優(yōu)化調(diào)度展望

現(xiàn)在方法和最優(yōu)化理論也不斷的成熟，灰色理論、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等計算方法愈加成熟，也更好的運用到了泵站優(yōu)化調(diào)度中去。并且，泵站工程自動化水平也在不斷提高，在泵站運行計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，優(yōu)化調(diào)度理論的應(yīng)用也在不斷增加。

鑒于梯級泵站系統(tǒng)的復(fù)雜性，大中型泵站實現(xiàn)了自動化控制同時也充分考慮專業(yè)技術(shù)人才運用，這樣會加強人和機優(yōu)點的結(jié)合，有利于管理。

泵站作為水資源系統(tǒng)中的重要一環(huán)，對于泵站的優(yōu)化調(diào)度研究將不僅僅局限于泵站，而會更多地從水資源大系統(tǒng)來全面的考慮，如包括泵站工程、蓄水工程、輸水工程和控制調(diào)節(jié)工程等。

如何使梯級泵站的優(yōu)化調(diào)度模型更加體現(xiàn)其隨機性，更符合實際，獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果是今后應(yīng)考慮的問題。

模型算法的局限性主要解決研究者是否有足夠的實際經(jīng)驗和實地勘測操作，或者參與工作，考慮主要因素，忽略次要因素，建立適合地方局域性數(shù)學(xué)模型去解決。

2.2 意義

梯級泵站水資源優(yōu)化調(diào)度指的便是通過優(yōu)化技術(shù)的運用來提高科學(xué)管理的科學(xué)性，努力找到最合適的調(diào)度策略，在確保其運行安全、滿足水量需要以及輸水水壓的情況下，不斷的降低其運行的實際成本，將其社會環(huán)境以及經(jīng)濟效益發(fā)揮出來。在優(yōu)化調(diào)度梯級泵站時，不但需要考慮到單個泵站的實際運行效益，還需要全面考慮泵站系統(tǒng)以及水資源系統(tǒng)的世界情況，對其進行協(xié)調(diào)和統(tǒng)籌，讓各級泵站和用水之間更加和諧?？梢钥隙?，隨著我國大型跨流域抽調(diào)水工程和區(qū)域抽調(diào)水工程的實施，人們將會更近一步體會到梯級泵站優(yōu)化調(diào)度研究帶來的優(yōu)越性。

參考文獻

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作者簡介：虎春生（1990-），男，寧夏彭陽人，工程碩士，助工，研究方向：供水工程理論與技術(shù)。