王 浩，王 旭，雷曉輝，廖衛(wèi)紅，王 超，王 佳，2

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.四川大學(xué) 水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065）

1 研究背景

水庫(kù)調(diào)度是實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置的重要方法和有效舉措，能有效緩解區(qū)域干旱、洪澇等自然災(zāi)害，對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略具有重要支撐作用。國(guó)外最早有關(guān)水庫(kù)調(diào)度的研究起步于20世紀(jì)40、50年代。1955年，Little［1］率先將動(dòng)態(tài)規(guī)劃應(yīng)用于水庫(kù)調(diào)度，采用馬爾科夫鏈描述入庫(kù)徑流過(guò)程，建立了水庫(kù)調(diào)度隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，開(kāi)創(chuàng)了數(shù)學(xué)規(guī)劃理論應(yīng)用于水庫(kù)調(diào)度領(lǐng)域的先河。1957年，Bellman［2］所著《Dynamic Programming》的正式出版，為動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。隨后，大量數(shù)學(xué)規(guī)劃理論成果發(fā)表，水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度也逐漸從理論走向?qū)嶋H。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著大規(guī)模水庫(kù)工程的興建，水庫(kù)群聯(lián)合運(yùn)行方式的研究得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。在過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)開(kāi)展了一系列水庫(kù)群多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度研究工作。Hall等［3］與Keckler等［4］首先將動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法應(yīng)用于水庫(kù)群系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的研究，其后學(xué)者們針對(duì)傳統(tǒng)的優(yōu)化方法做了大量改進(jìn)與發(fā)展。隨著數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，控制理論［5］與模糊理論［6］先后被引入水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度研究，同時(shí)為理解復(fù)雜水庫(kù)群系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的本質(zhì)提供了新的思路。此后，隨著人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，啟發(fā)式優(yōu)化方法被廣泛應(yīng)用于水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度研究，為解決復(fù)雜約束條件下的大規(guī)模水庫(kù)群優(yōu)化求解提供了更加靈活、高效的工具。近年來(lái)，氣候變化打破了水資源系統(tǒng)的一致性，以徑流為主的水資源要素不確定性增大，給水庫(kù)群調(diào)度決策帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)［7］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在多尺度來(lái)水不確定性特性解析以及水庫(kù)群風(fēng)險(xiǎn)管理方面做了大量工作，提出了風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖模型［8-9］、貝葉斯隨機(jī)優(yōu)化模型［10］以及風(fēng)險(xiǎn)管理等新方法。

經(jīng)過(guò)60多年的研究，業(yè)界對(duì)水庫(kù)群調(diào)度已經(jīng)形成了較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，即水庫(kù)群調(diào)度是對(duì)相互間具有水文、水力聯(lián)系的水庫(kù)以及相關(guān)設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度，從而獲得單獨(dú)調(diào)度難以實(shí)現(xiàn)的更大效益。對(duì)水庫(kù)群系統(tǒng)開(kāi)展聯(lián)合調(diào)度能夠充分發(fā)揮水庫(kù)間的水文補(bǔ)償和庫(kù)容補(bǔ)償作用，最大限度地提高水資源的利用效率。經(jīng)過(guò)多年的理論創(chuàng)新與技術(shù)發(fā)展，水庫(kù)群系統(tǒng)調(diào)度已經(jīng)形成較為完整的框架（如圖1所示）。

圖1 自然-人工二元水庫(kù)群系統(tǒng)調(diào)度基本框架

水庫(kù)群作為一個(gè)復(fù)雜的自然-人工二元調(diào)度系統(tǒng)，以氣溫、降水、徑流為輸入，以水庫(kù)工程為控制節(jié)點(diǎn)，以協(xié)調(diào)社會(huì)、能源、生態(tài)等系統(tǒng)的用水矛盾為目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化［11］。水庫(kù)群系統(tǒng)與其他系統(tǒng)通過(guò)輸入、輸出以及邊界條件3個(gè)部分形成關(guān)聯(lián)，而這種關(guān)聯(lián)的復(fù)雜程度影響著水庫(kù)調(diào)度技術(shù)的發(fā)展。比如，與氣象水文系統(tǒng)之間，大規(guī)模水庫(kù)群建設(shè)改變了下墊面條件與區(qū)域氣候，從而導(dǎo)致降雨產(chǎn)匯流過(guò)程發(fā)生變化，進(jìn)一步影響了水庫(kù)群系統(tǒng)的調(diào)度；與生態(tài)系統(tǒng)之間，大規(guī)模水庫(kù)群的建設(shè)形成了對(duì)河道的多級(jí)阻斷，造成了對(duì)河流系統(tǒng)的擾動(dòng)以及其生物多樣性的破壞等［12］。通過(guò)對(duì)水庫(kù)調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化以及水庫(kù)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)關(guān)聯(lián)邊界的研究，在該領(lǐng)域已經(jīng)形成了較為成熟的技術(shù)體系。

隨著對(duì)自然-人工二元水庫(kù)群系統(tǒng)內(nèi)在機(jī)制理解的加深，以及調(diào)度實(shí)踐中對(duì)水庫(kù)群調(diào)度方式精細(xì)化要求的提高，水庫(kù)群系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系以及相互影響成為了未來(lái)研究的重點(diǎn)。比如，水庫(kù)群系統(tǒng)與電力系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)以及糧食安全系統(tǒng)的互饋關(guān)系，甚至是水庫(kù)群系統(tǒng)與人類(lèi)群體主觀意識(shí)系統(tǒng)之間的互饋關(guān)系，都是未來(lái)取得理論突破與技術(shù)創(chuàng)新的重要方向。

本文旨在于綜述梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究的發(fā)展歷程，并總結(jié)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外水庫(kù)群調(diào)度領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，以及為未來(lái)水庫(kù)群調(diào)度研究發(fā)展指明方向。

2 梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)度研究發(fā)展歷程

水庫(kù)群系統(tǒng)除具有單一水庫(kù)的興利與防洪功能之外，其內(nèi)部還具有關(guān)聯(lián)性和補(bǔ)償性，使得調(diào)度管理能夠從流域整體出發(fā)，統(tǒng)籌兼顧各方面的因素，充分開(kāi)發(fā)利用水資源，提高水資源利用率。其關(guān)聯(lián)性體現(xiàn)在上下游水庫(kù)徑流的水力聯(lián)系和它們之間由水位差形成的電力聯(lián)系；補(bǔ)償性包括由各級(jí)水庫(kù)庫(kù)容差異引起的防洪補(bǔ)償和其協(xié)調(diào)蓄放水帶來(lái)的水文補(bǔ)償。

縱觀水庫(kù)調(diào)度研究發(fā)展的歷程，可以劃分為3個(gè)主要階段：?jiǎn)螏?kù)或小規(guī)模水庫(kù)群的優(yōu)化求解技術(shù)研究、大規(guī)模水庫(kù)群調(diào)度中長(zhǎng)期尺度下的多目標(biāo)決策分析、以及耦合預(yù)報(bào)信息的實(shí)時(shí)調(diào)度研究。3個(gè)階段在時(shí)間軸上有所交織，充分反映了具有時(shí)代特征的水庫(kù)調(diào)度實(shí)踐需求與科技發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 高效優(yōu)化求解技術(shù)研究這一時(shí)期水庫(kù)群調(diào)度研究多以單一水庫(kù)或規(guī)模較小的水庫(kù)群的單目標(biāo)優(yōu)化為主，其研究以?xún)?yōu)化算法為主。梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度的優(yōu)化和計(jì)算機(jī)的發(fā)展密切相關(guān)，主要由常規(guī)方法，到模擬方法，再到優(yōu)化方法最后發(fā)展模擬優(yōu)化方法相結(jié)合的幾個(gè)發(fā)展過(guò)程。其模擬優(yōu)化調(diào)度求解方法主要包括6大類(lèi)［13］：線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃方法、網(wǎng)絡(luò)流、大系統(tǒng)方法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法方法以及啟發(fā)式規(guī)劃方法。

線性規(guī)劃是最早應(yīng)用于水庫(kù)調(diào)度的方法之一，由于不需要初始決策，且計(jì)算結(jié)果能得到全局最優(yōu)解，因此在處理一定規(guī)模優(yōu)化問(wèn)題時(shí)應(yīng)用非常廣泛［14］。但由于真實(shí)的水庫(kù)群系統(tǒng)通常為非線性系統(tǒng)（例如發(fā)電調(diào)度問(wèn)題），采用非線性規(guī)劃方法能夠更加準(zhǔn)確地反映目標(biāo)函數(shù)與約束條件的真實(shí)特性［15］。非線性規(guī)劃方法的問(wèn)題在于只有凸規(guī)劃問(wèn)題的局部解才是全局最優(yōu)解，因此通常需要進(jìn)行線性化或與其他優(yōu)化方法相結(jié)合進(jìn)行求解［16］。網(wǎng)絡(luò)流法是針對(duì)目標(biāo)函數(shù)為非線性的非線性求解方法，可由線性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及圖論知識(shí)進(jìn)行求解，具有存儲(chǔ)量小、計(jì)算速度快、對(duì)初始值要求不高的特點(diǎn)［17］。大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)技術(shù)是將大系統(tǒng)分解成相對(duì)獨(dú)立的若干子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)視為下層決策單元，并在其上層設(shè)置協(xié)調(diào)器，形成遞階結(jié)構(gòu)形式，能夠克服一般動(dòng)態(tài)規(guī)劃中“維數(shù)災(zāi)”問(wèn)題，具有明顯的優(yōu)越性［18］。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃法是水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度中應(yīng)用最為廣泛的優(yōu)化方法。水庫(kù)群系統(tǒng)具有高度的非線性和典型的隨機(jī)性，而動(dòng)態(tài)規(guī)劃通過(guò)把復(fù)雜的初始問(wèn)題劃分為若干個(gè)階段的子問(wèn)題，逐段求解，從而突破了任何線性、凸性甚至連續(xù)性的限制，因此在水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度中動(dòng)態(tài)規(guī)劃法可以較好地反映徑流實(shí)際情況，對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束條件也沒(méi)有嚴(yán)格的要求［19］。隨后，為了解決不確定性情況下的水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題，Ahmed［20］采用主成分分析與隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，Karamouz等［21］采用貝葉斯隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法分別對(duì)水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行了高效求解。黃強(qiáng)［22］提出使用模糊動(dòng)態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行優(yōu)化并得到較為滿意的結(jié)果；梅亞?wèn)|［23］采用多維動(dòng)態(tài)規(guī)劃遞推法快速求解梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化模型。然而，求解多變量復(fù)雜的高維問(wèn)題時(shí)，會(huì)遇到“維數(shù)災(zāi)”問(wèn)題，后來(lái)陸續(xù)研究出的增量動(dòng)態(tài)規(guī)劃［24］（IDP），微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃［25］（DDP），離散微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DDDP）［26］，逐次優(yōu)化算法（POA）［27］等來(lái)解決該問(wèn)題。

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，一類(lèi)基于生物學(xué)、物理學(xué)和人工智能的具有全局優(yōu)化性能、穩(wěn)健性強(qiáng)、通用性強(qiáng)且適于并行處理的現(xiàn)代啟發(fā)式算法得到了發(fā)展。在水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度領(lǐng)域，近年來(lái)關(guān)于啟發(fā)式算法的研究主要包括遺傳算法（GA）［28］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）［29］、微粒子群算法（PSO）［30］和蟻群算法（ACO）［31］等。

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化與決策技術(shù)研究進(jìn)入1980年代后，僅僅面向單一任務(wù)的水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行研究已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際需求。水庫(kù)群調(diào)度逐漸向多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度發(fā)展，綜合考慮防洪、發(fā)電、供水、航運(yùn)以及生態(tài)等多個(gè)目標(biāo)效益的調(diào)度要求。水庫(kù)群多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度研究分為兩個(gè)層面，即多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化求解與多目標(biāo)決策。

多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化求解主要有兩種：一種是以約束法、權(quán)重法或隸屬度法將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)進(jìn)行求解，另一種是采取多目標(biāo)進(jìn)化算法進(jìn)行求解，生成一系列非劣方案集。陳洋波等［32］采用交互式?jīng)Q策偏好系數(shù)法將以發(fā)電量和保證出力為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題簡(jiǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題，并運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DP）對(duì)該模型進(jìn)行求解，并選取最佳方案。杜守建等［33］運(yùn)用約束法將凈效益、發(fā)電量和耗水量等目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題，并采用POA對(duì)模型進(jìn)行求解，取得了初步的研究成果。然而，這些方法存在目標(biāo)權(quán)重主觀性強(qiáng)與計(jì)算效率低下等問(wèn)題。隨著多目標(biāo)進(jìn)化算法（MOEAs）的提出和發(fā)展，多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題可以將多個(gè)目標(biāo)放在同一的標(biāo)準(zhǔn)上對(duì)種群進(jìn)行進(jìn)化，生成一系列非劣調(diào)度方案集，為決策者提供可靠的決策參考。Reddy等［34］針對(duì)傳統(tǒng)算法在水庫(kù)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化中得不到較好非劣解問(wèn)題，提出多目標(biāo)粒子群算法求解了印度Bhadra水庫(kù)系統(tǒng)灌溉、發(fā)電和下游水質(zhì)多目標(biāo)問(wèn)題，結(jié)果表明多目標(biāo)遺傳算法在水庫(kù)調(diào)度中是可行有效的。Ahmadianfar等［35］提出了一種基于分解的多目標(biāo)進(jìn)化算法，與遺傳算法相比更具有優(yōu)勢(shì)來(lái)解決水資源規(guī)劃和管理的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。劉攀等［36］采用改進(jìn)的多目標(biāo)遺傳算法求解了三峽梯級(jí)的多目標(biāo)防洪問(wèn)題，根據(jù)對(duì)歷史資料的模擬優(yōu)化，得出了考慮防洪庫(kù)容、防洪風(fēng)險(xiǎn)、發(fā)電效益和航運(yùn)等多方面因素的較優(yōu)分期汛限水位。王旭等［37］提出了基于可行空間搜索的改進(jìn)多目標(biāo)遺傳算法以及調(diào)度圖優(yōu)化模型，并以寺坪水庫(kù)調(diào)度圖優(yōu)化為例進(jìn)行了應(yīng)用研究，結(jié)果分析表明與設(shè)計(jì)調(diào)度圖相比優(yōu)化調(diào)度圖的發(fā)電效益及保證率均得到了明顯提高。

多目標(biāo)決策是水庫(kù)群系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化的另一個(gè)重要研究領(lǐng)域，通過(guò)解析水庫(kù)群的防洪、發(fā)電、生態(tài)、航運(yùn)和供水等目標(biāo)之間存在互饋關(guān)系，從而推選出能夠反映決策者偏好的最佳均衡目標(biāo)決策方案。Yeh等［38］綜合考慮水電生成、魚(yú)類(lèi)保護(hù)、水質(zhì)維護(hù)和供水等多目標(biāo)，采用約束法進(jìn)行求解，以改進(jìn)的線性規(guī)劃和動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法對(duì)庫(kù)群系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以指導(dǎo)系統(tǒng)最佳運(yùn)作的實(shí)時(shí)決策。Ricardo［39］將多目標(biāo)的決策技術(shù)應(yīng)用于不同水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度案例中，包括發(fā)電與供水、防洪及枯期水量保證、運(yùn)行規(guī)則的選擇、枯期水量的可靠性、枯期水量與生活?yuàn)蕵?lè)，以及水質(zhì)等6個(gè)案例。陳守煜［40］將層次模糊優(yōu)選引入到多階段多目標(biāo)調(diào)度模型中，并對(duì)多目標(biāo)模糊優(yōu)選逆命題進(jìn)行研究，提出了兩種權(quán)重計(jì)算方法，為模糊多目標(biāo)決策提供了理論基礎(chǔ)。張慧峰等［41］提出了一種基于區(qū)間優(yōu)勢(shì)可能勢(shì)的模糊折衷型多屬性決策方法，并根據(jù)區(qū)間數(shù)的可能度對(duì)各方案進(jìn)行優(yōu)屬度排序，分別選取各屬性下的正、負(fù)理想方案，結(jié)合模糊折衷型決策理論，對(duì)備選方案集進(jìn)行優(yōu)選和排序，得到了滿足實(shí)際需求的最佳調(diào)度方案。

2.3 耦合預(yù)報(bào)調(diào)度技術(shù)研究進(jìn)入21世紀(jì)，隨著氣象預(yù)報(bào)水平的提高，中短期降雨數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在水庫(kù)調(diào)度中的應(yīng)用研究越來(lái)越廣泛。基于預(yù)報(bào)信息的水庫(kù)調(diào)度研究通常是綜合水庫(kù)調(diào)蓄能力、水量電量需求等信息構(gòu)建系統(tǒng)優(yōu)化模型，將水文預(yù)報(bào)信息作為優(yōu)化模型的輸入條件，來(lái)制定調(diào)度決策［42］。耦合預(yù)報(bào)的水庫(kù)群調(diào)度研究主要集中于高精度氣象水文預(yù)報(bào)和考慮預(yù)報(bào)不確定性的調(diào)度。

徑流預(yù)報(bào)主要根據(jù)水文模型實(shí)現(xiàn)，對(duì)未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)水文要素的狀態(tài)做出定性或定量的預(yù)測(cè)［43］。早期的水文模型是依據(jù)水循環(huán)中的某些主要要素的物理聯(lián)系以及統(tǒng)計(jì)關(guān)系而建立的經(jīng)驗(yàn)性數(shù)學(xué)關(guān)系，如單位線法、降雨-徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法、前期影響雨量相關(guān)法和Horton入滲模型等［44］。隨著研究的逐步深入、研究手段的逐步加強(qiáng)以及對(duì)流域水循環(huán)過(guò)程的逐步認(rèn)識(shí)，經(jīng)驗(yàn)性模型已開(kāi)始不適應(yīng)當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，學(xué)者開(kāi)始從機(jī)理上對(duì)水循環(huán)過(guò)程進(jìn)行探索［45］?；谫|(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程描述流域水循環(huán)中不同元素間的水力聯(lián)系的概念性水文模型，如斯坦福模型、水箱模型、新安江模型等應(yīng)運(yùn)而生［46］。伴隨計(jì)算機(jī)編程技術(shù)、遙感及地理信息系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，各類(lèi)分布式水文模型相繼問(wèn)世，諸如MIKE-SHE、SWAT、TOPMODEL等［47］，針對(duì)分布式水文模型中參數(shù)多且存在異參同效［48］等參數(shù)的問(wèn)題，逐步引起學(xué)者的關(guān)注。受氣象預(yù)報(bào)水平及可靠度的限制，早期水文預(yù)報(bào)一般不考慮未來(lái)降水，直接基于落地雨進(jìn)行預(yù)報(bào)，其預(yù)報(bào)結(jié)果的有效預(yù)見(jiàn)期勢(shì)必很短，且一旦超過(guò)有限預(yù)見(jiàn)期，預(yù)報(bào)精度也將大幅降低。隨著近20年計(jì)算水平的快速發(fā)展，誕生了一批較為成熟的基于數(shù)值方法的定量降水預(yù)報(bào)模型：ETA、MM5、RAMS、WRF［49-50］等。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式預(yù)測(cè)的降水信息也逐步引入到水文預(yù)報(bào)中，提高預(yù)報(bào)精度的同時(shí)也能延長(zhǎng)水文預(yù)報(bào)的有效預(yù)見(jiàn)期。如Yu等［51］實(shí)現(xiàn)了中尺度氣象預(yù)報(bào)模式MM5與水文模型系統(tǒng)HMS在Susquehanna集水區(qū)的耦合模擬；Anderson等［52］利用MM5對(duì)ETA預(yù)報(bào)信息降尺度后單向驅(qū)動(dòng)HEC-HMS對(duì)水庫(kù)入庫(kù)徑流進(jìn)行預(yù)報(bào)，使預(yù)見(jiàn)期延長(zhǎng)了近48 h。

預(yù)報(bào)誤差所帶來(lái)的不確定性問(wèn)題是水庫(kù)群實(shí)時(shí)調(diào)度中所不能忽視的。對(duì)于梯級(jí)水庫(kù)群來(lái)說(shuō)，不確定性的影響范圍，包括上游和各水庫(kù)區(qū)間來(lái)水以及不同區(qū)間來(lái)水的遭遇情況。超標(biāo)準(zhǔn)洪水的發(fā)生極有可能使得梯級(jí)水庫(kù)群同時(shí)處于水位越限的危機(jī)中。在耦合預(yù)報(bào)不確定性的水庫(kù)調(diào)度研究方面，Datta等［53］提出一種基于機(jī)會(huì)約束公式，假設(shè)特定形式的線性決策規(guī)則模型，通過(guò)不同時(shí)段預(yù)報(bào)不確定性的統(tǒng)計(jì)特性構(gòu)造水庫(kù)入流條件分布函數(shù)對(duì)水庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度。徐煒等［54］在考慮徑流預(yù)報(bào)不確定性的基礎(chǔ)上建立了聚合分解貝葉斯隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型（AD-BSDP），結(jié)果表明該模型比其他模型具有更高效率和穩(wěn)定性。紀(jì)昌明等［55］針對(duì)來(lái)水不確定性引起的實(shí)際調(diào)度要求與原定發(fā)電計(jì)劃的偏差問(wèn)題，建立了以梯級(jí)水電站安全運(yùn)行預(yù)警機(jī)制為基礎(chǔ)的梯級(jí)水電站負(fù)荷調(diào)整耦合模型，有效解決來(lái)水不確定性導(dǎo)致的電站被迫降低出力運(yùn)行或水庫(kù)棄水問(wèn)題。近年來(lái)集合預(yù)報(bào)方法逐步發(fā)展起來(lái)，通過(guò)設(shè)置不同的預(yù)報(bào)模型和氣象輸入條件獲取多組預(yù)報(bào)情景，來(lái)描述未來(lái)徑流及其不確定性［56］。將集合預(yù)報(bào)與優(yōu)化調(diào)度模型相結(jié)合，能有效指導(dǎo)不確定性條件下的水庫(kù)調(diào)度［57］。有學(xué)者以隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了樣本隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型，根據(jù)集合預(yù)報(bào)徑流情景分析未來(lái)徑流的邊緣分布、條件分布等統(tǒng)計(jì)信息，結(jié)合隨機(jī)優(yōu)化模型進(jìn)行調(diào)度決策［58］。有成果將條件值風(fēng)險(xiǎn)分析方法引入水庫(kù)調(diào)度領(lǐng)域，提出了新的補(bǔ)償隨機(jī)規(guī)劃和隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型［59-60］。

3 梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)度前沿問(wèn)題與未來(lái)展望

3.1 變化環(huán)境下氣象水文預(yù)報(bào)技術(shù)受氣候變化、自然變遷（自然）和人類(lèi)活動(dòng)（社會(huì)）的綜合影響，全球大氣、陸表生境發(fā)生了重大變化。大氣變暖，厄爾尼諾等現(xiàn)象導(dǎo)致流域降水量和蒸發(fā)量發(fā)生顯著改變，洪澇、干旱等極端事件不斷凸顯。人類(lèi)活動(dòng)會(huì)使地表下墊面發(fā)生較大改變，同時(shí)流域內(nèi)土壤、植被、地形等物理因素亦相應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致流域河川徑流發(fā)生突變。如何在這種變化環(huán)境下提高氣象水文的預(yù)報(bào)精度和有效預(yù)見(jiàn)期，成為困擾氣象與水文人員的難題和挑戰(zhàn)。

首先，圍繞多源降水觀測(cè)數(shù)據(jù)融合方面，國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者仍在積極探索［61］。其研究和應(yīng)用的重點(diǎn)在于對(duì)最新衛(wèi)星遙感降雨產(chǎn)品的全面評(píng)估與長(zhǎng)期檢驗(yàn)。同時(shí)，還應(yīng)在降雨觀測(cè)信息不確定性定量分析時(shí)，進(jìn)一步發(fā)展多源降水融合分析框架［62］。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)精度的改進(jìn)尤其是降水預(yù)報(bào)精度的改進(jìn)也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，包括對(duì)模式現(xiàn)有參數(shù)化方案在不同區(qū)域的適用性研究［63］、參數(shù)化方案的優(yōu)選、不斷引入的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的狀態(tài)變量進(jìn)行同化等［64］。

其次，水文模型作為水文預(yù)報(bào)的核心也在不斷發(fā)展和完善，即從水文循環(huán)理論上提高模型模擬流域?qū)θ祟?lèi)活動(dòng)影響的響應(yīng)能力。如采用網(wǎng)格滯蓄的方法在子網(wǎng)格上體現(xiàn)人類(lèi)活動(dòng)引起的下墊面變化及其對(duì)產(chǎn)匯流的影響［65］；或劃分不同的土地利用單元獨(dú)立進(jìn)行產(chǎn)匯流模擬［66］等。針對(duì)流域中的大量分布的小水庫(kù)、塘壩缺乏相關(guān)資料問(wèn)題，采用一種缺資料水庫(kù)在分布式水文模型中的處理方法，從而通過(guò)考慮水庫(kù)（群）的調(diào)蓄作用提高洪水預(yù)報(bào)精度［67］。同時(shí)，為了更好的考慮下墊面特性的異質(zhì)性，大流域上計(jì)算單元不斷增加，計(jì)算耗時(shí)將呈指數(shù)延長(zhǎng)。在這種情況下，水文模型參數(shù)率定不能過(guò)分依賴(lài)計(jì)算機(jī)自動(dòng)優(yōu)化方法，在發(fā)展率定算法的同時(shí)，還應(yīng)注重將人的智慧和經(jīng)驗(yàn)融入計(jì)算機(jī)自動(dòng)優(yōu)化方法中［68］。此外，以集合卡爾曼濾波為代表的一系列水文模型數(shù)據(jù)同化方法，可通過(guò)不斷引入的觀測(cè)數(shù)據(jù)，逐步校正模型參數(shù)、狀態(tài)等信息，從而提高模擬精度［69］，也是當(dāng)前水文預(yù)報(bào)的前沿技術(shù)。

同時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水文集合預(yù)報(bào)開(kāi)展了大量研究。包括將多個(gè)預(yù)報(bào)降水結(jié)果與洪水預(yù)報(bào)模型進(jìn)行單向耦合［70］、分別采用多種方法對(duì)同場(chǎng)洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)然后得到集合結(jié)果［71］，以及分別采用多套參數(shù)進(jìn)行預(yù)報(bào)［72］等。但水文集合預(yù)報(bào)還主要停留在技術(shù)研究層面，進(jìn)行水文業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)還相對(duì)較少。

變化環(huán)境下氣象水文實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)中遇到了種種挑戰(zhàn)，在未來(lái)研究中，氣象水文預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方面：（1）降水尤其是預(yù)報(bào)降水?dāng)?shù)據(jù)精度的進(jìn)一步提高。數(shù)據(jù)精度不僅指預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性，還包括數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率，時(shí)空分辨率的不斷精細(xì)也能更好地契合分布式水文模型的需求；（2）水文模型結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及不確定性分析，要從科學(xué)層面上研究高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域洪水過(guò)程的影響機(jī)制及其不確定性，并研究參數(shù)率定和數(shù)據(jù)同化的高效計(jì)算方法，以不斷適應(yīng)變化環(huán)境的影響；（3）水文預(yù)報(bào)誤差的描述方法及其可靠性分析，綜合考慮水文預(yù)報(bào)中的種種不確定性來(lái)源，研發(fā)集合預(yù)報(bào)方法可降低預(yù)報(bào)的不確定性，從而能為后續(xù)的防洪調(diào)度、水資源管理決策提供更好的支撐。

3.2 面向生態(tài)環(huán)境的水庫(kù)群調(diào)度傳統(tǒng)的水庫(kù)調(diào)度可以促進(jìn)水資源的統(tǒng)一管理和高效利用，同時(shí)也會(huì)擾動(dòng)流域的生態(tài)系統(tǒng)和天然水文情勢(shì)，引起一系列河流生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，包括河道徑流量減少、水環(huán)境質(zhì)量惡化、生物多樣性銳減、濕地萎縮等問(wèn)題［73］。盡管目前的生態(tài)調(diào)度研究與技術(shù)日益成熟，但是多數(shù)都是針對(duì)河流生態(tài)的簡(jiǎn)單調(diào)度模擬或者是數(shù)量較少的水庫(kù)群影響下的生態(tài)調(diào)度研究［74］。然而，世界各國(guó)尤其是像中國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家，流域內(nèi)梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)已成為國(guó)家發(fā)展不可或缺的能源支柱之一。大規(guī)模水庫(kù)建設(shè)嚴(yán)重干擾了河流生態(tài)，加劇了河流的阻斷效應(yīng)，使得天然徑流更為坦化，河流生物自然生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步被破壞，如何在梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度中實(shí)現(xiàn)河流生態(tài)的保護(hù)，更為重要與迫切。

因此，面向生態(tài)的梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)度是解決這一問(wèn)題的有效途徑。其核心思想是通過(guò)水庫(kù)的調(diào)度方式增加流態(tài)的多樣性，增加生境的多樣性，增加水生態(tài)系統(tǒng)的多樣性［75］。其中一類(lèi)研究思路是，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整水庫(kù)群調(diào)度運(yùn)行方式，使水庫(kù)群調(diào)度對(duì)河流生態(tài)水文特征的改變程度最小化，從而盡可能恢復(fù)河流生態(tài)水文過(guò)程的自然動(dòng)態(tài)變化特征，以達(dá)到生態(tài)保護(hù)和修復(fù)的目的。王宗志等［76］針對(duì)海河流域?yàn)春铀畮?kù)系統(tǒng)構(gòu)建基于庫(kù)容分區(qū)運(yùn)用的水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度模型，將生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立用水戶，制定多用戶分區(qū)運(yùn)用水庫(kù)群調(diào)度模擬規(guī)則，通過(guò)改變調(diào)度方式，發(fā)揮庫(kù)群聯(lián)合調(diào)控作用，提高生態(tài)供水保證率，從而保護(hù)水生生態(tài)。另一類(lèi)的研究思路是，將河流生態(tài)流量需求作為調(diào)度的約束條件，盡可能滿足提出的生態(tài)流量要求。Suen等［77］將流量的大小、持續(xù)時(shí)間、頻率、可持續(xù)性等因素考慮到生態(tài)流量的管理策略中，以生態(tài)流量作為約束，在滿足下游水生生態(tài)的前提下，利用遺傳算法尋找水庫(kù)群調(diào)度的最優(yōu)解。Tsai等［78］提出了一種基于人工智能技術(shù)的新穎混合方法，用于定量河流生態(tài)需水量，并通過(guò)優(yōu)化水庫(kù)的運(yùn)作，提供適宜的水流系統(tǒng)，以維持河流生態(tài)環(huán)境。朱金峰等［79］以生態(tài)流量作為調(diào)度規(guī)則考慮因素之一，建立沙河水庫(kù)群生態(tài)用水調(diào)度模型，結(jié)果表明生態(tài)調(diào)度能有效減小供水期末的生態(tài)破壞，而對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水影響不大。相比于單一水庫(kù)的生態(tài)調(diào)度，面向生態(tài)的梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)度是一種降低大壩的建設(shè)和運(yùn)行對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)負(fù)面影響的措施，該措施相對(duì)費(fèi)用較低，可以幫助改善傳統(tǒng)的水庫(kù)調(diào)度方式，合理運(yùn)行大壩設(shè)施，部分恢復(fù)自然水文情勢(shì)，修復(fù)大壩上下游河流的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。它不僅考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的需求，同時(shí)兼顧水資源開(kāi)發(fā)利用中的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境利益［80］，保護(hù)天然生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人水和諧。

由于水庫(kù)功能的多樣性以及在人類(lèi)系統(tǒng)中資源供給的重要性，面向生態(tài)的梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)度依然有如下方面值得進(jìn)一步研究：（1）不同梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度方式與改善河流生態(tài)問(wèn)題（魚(yú)類(lèi)保護(hù)、水質(zhì)污染）的適用性研究；（2）針對(duì)梯級(jí)水庫(kù)群上下游不同水庫(kù)的生態(tài)目標(biāo)與經(jīng)濟(jì)目標(biāo)之間的權(quán)衡研究；（3）將流域水文特性，水文節(jié)律分析與梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)度方式相結(jié)合，確定生態(tài)需水可接受風(fēng)險(xiǎn)的研究；（4）梯級(jí)水庫(kù)群擾動(dòng)下的河流適應(yīng)水溫分層問(wèn)題。

3.3 大規(guī)模水庫(kù)群聯(lián)合防洪體系大規(guī)模水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度的核心為洪水資源化，是國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者新的研究熱點(diǎn)之一。流域水庫(kù)群洪水資源化聯(lián)合調(diào)度是在新的流域水資源規(guī)劃管理需求下，將防洪減災(zāi)與抗旱興利有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，利用科學(xué)的管理方法和技術(shù)手段，安全、合理地利用洪水資源，有效提高洪水資源利用率，使水資源綜合效益最大。流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度涉及水庫(kù)群汛期聯(lián)合防洪、汛限水位優(yōu)化設(shè)計(jì)、汛末聯(lián)合蓄水、水資源優(yōu)化配置等多個(gè)方面。流域水庫(kù)群汛期聯(lián)合防洪調(diào)度是以水庫(kù)自身防洪安全和承擔(dān)防洪任務(wù)為目標(biāo)，合理利用水庫(kù)群防洪庫(kù)容，有計(jì)劃的調(diào)控河道徑流過(guò)程，使流域防洪效益最大化。Schultz等［81］針對(duì)支流影響洪水的情況，以下游削峰為目的，建立了水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度的動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型。Windsor［82］將汛期劃分為較短的時(shí)段配合預(yù)報(bào)信息，建立實(shí)時(shí)水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度并進(jìn)行優(yōu)化。郭生練等［83］研究了三峽和清江梯級(jí)聯(lián)合防洪補(bǔ)償調(diào)度問(wèn)題，運(yùn)用依照“優(yōu)化驗(yàn)證調(diào)整”流程的改進(jìn)逐次漸進(jìn)優(yōu)化算法求解梯級(jí)聯(lián)合防洪調(diào)度模型，得到了較好的應(yīng)用效果。李安強(qiáng)等［84］針對(duì)長(zhǎng)江流域防洪調(diào)度問(wèn)題，以溪洛渡、向家壩及三峽水庫(kù)為研究對(duì)象，從水庫(kù)防洪庫(kù)容分配的角度，提出了能協(xié)調(diào)川江防護(hù)區(qū)與長(zhǎng)江中下游荊江防護(hù)區(qū)等地區(qū)防洪安全的三庫(kù)梯級(jí)防洪調(diào)度方案，提高了整個(gè)流域防洪標(biāo)準(zhǔn)。

流域水庫(kù)群汛限水位優(yōu)化設(shè)計(jì)是在流域水文情勢(shì)、水利樞紐規(guī)模等發(fā)生重大變動(dòng)的情景下，以不降低水庫(kù)防洪指標(biāo)為前提，對(duì)水庫(kù)原汛限水位進(jìn)行極限風(fēng)險(xiǎn)模擬，得到最高安全汛限水位，實(shí)現(xiàn)流域水庫(kù)群汛限水位的優(yōu)化設(shè)計(jì)。吳澤寧等［85］重點(diǎn)研究了黃河中游三門(mén)峽、小浪底、陸渾和故縣水庫(kù)等四梯級(jí)水庫(kù)及中下游防洪體系運(yùn)行特性，采用蒙特卡洛方法對(duì)典型洪水、洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度時(shí)滯等不確定性因素進(jìn)行模擬分析，對(duì)多種汛期分期汛限水位優(yōu)化方案的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值進(jìn)行比較，制定了滿足流域防洪要求的汛限水位動(dòng)態(tài)控制方案。周研來(lái)等［86］針對(duì)單一水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法無(wú)法發(fā)揮梯級(jí)庫(kù)群綜合效益的問(wèn)題，研究了梯級(jí)水庫(kù)汛限水位聯(lián)合運(yùn)用和動(dòng)態(tài)控制建模理論和求解方法，建立了混聯(lián)水庫(kù)群汛限水位聯(lián)合運(yùn)用和動(dòng)態(tài)控制模型，提高了梯級(jí)水庫(kù)群綜合利用效益。

流域水庫(kù)群汛末聯(lián)合蓄水是針對(duì)巨型水庫(kù)群系統(tǒng)汛末競(jìng)爭(zhēng)性蓄水問(wèn)題進(jìn)行流域整體規(guī)劃調(diào)節(jié)，統(tǒng)籌流域上下游各水庫(kù)蓄水次序和時(shí)間，建立統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的流域巨型水庫(kù)群聯(lián)合蓄水方案。馬光文等［87］從上下游水庫(kù)間的水力、電力聯(lián)系出發(fā)分析水庫(kù)群協(xié)調(diào)與反調(diào)節(jié)作用，綜合考慮水庫(kù)群的發(fā)電和供水調(diào)度，研究了水庫(kù)群聯(lián)合蓄放水最優(yōu)控制策略等問(wèn)題。除了從建模理論和求解技術(shù)方面進(jìn)行研究，陳進(jìn)［88］針對(duì)長(zhǎng)江中上游水庫(kù)群競(jìng)爭(zhēng)性蓄水問(wèn)題，從長(zhǎng)江流域水文情勢(shì)及水庫(kù)群集中蓄水等工程實(shí)際出發(fā)，提出了長(zhǎng)江大型水庫(kù)群統(tǒng)一蓄水的基本原則和建議。

流域水庫(kù)群水資源優(yōu)化配置綜合考慮流域水文氣象、下游用水需求和水庫(kù)運(yùn)行方式等因素，在兼顧各水庫(kù)防洪、發(fā)電和生態(tài)等自身運(yùn)用的基礎(chǔ)上，充分考慮流域水資源供水需求，制定面向流域水資源優(yōu)化配置的水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案。Sigvaldson［89］針對(duì)安大略省特倫特河水庫(kù)群汛期面臨的防洪、供水和發(fā)電問(wèn)題，建立了水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度模擬模型，制定水庫(kù)系統(tǒng)的調(diào)度策略。王?。?0］綜合考慮動(dòng)態(tài)水文特征、流域需水預(yù)測(cè)、應(yīng)急調(diào)水等影響因子，建立了基于供需水平衡和水庫(kù)群水資源聯(lián)合優(yōu)化配置的長(zhǎng)江流域水資源模型，為未來(lái)長(zhǎng)江流域水資源建模理論指明了發(fā)展方向。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度將會(huì)開(kāi)辟更廣闊的發(fā)展前景，如以下幾個(gè)方面：（1）流域水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度防洪、汛限水位優(yōu)化中影響流域防洪安全的不確定性因素分析與風(fēng)險(xiǎn)模型構(gòu)建；（2）水庫(kù)群聯(lián)合蓄水調(diào)度模型需依據(jù)流域水利樞紐規(guī)劃方案和現(xiàn)階段工程實(shí)際運(yùn)行過(guò)程制定相應(yīng)的蓄水方案；（3）研究基于水力學(xué)模型驅(qū)動(dòng)的流域水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度的建模理論與方法，以精確描述河道防洪控制斷面洪水的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)流域一體化防洪規(guī)劃管理。

3.4 風(fēng)光水多能互補(bǔ)調(diào)度風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電作為緩解化石燃料危機(jī)和解決環(huán)境污染問(wèn)題的首選新能源，受到越來(lái)越多的關(guān)注。風(fēng)、光資源在時(shí)空上的隨機(jī)性、間歇性所導(dǎo)致的風(fēng)、光出力的頻繁波動(dòng)，極大地加劇了電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻的壓力，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行影響較大，限制了電網(wǎng)對(duì)風(fēng)、光電的消納能力［91］。水電能源具有調(diào)節(jié)速度快、能源可存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)，能有效緩解間歇性能源出力波動(dòng)給電力系統(tǒng)帶來(lái)的影響。水電與風(fēng)、光電聯(lián)合電力外送，是目前解決大規(guī)模間歇性能源電力外送的有效途徑之一［92］。

目前，少數(shù)西方國(guó)家在某種程度實(shí)現(xiàn)了多種可再生能源整體調(diào)度運(yùn)行，但大多局限于規(guī)范并網(wǎng)運(yùn)行模式，技術(shù)不夠成熟，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)處于積累之中，發(fā)表的研究成果很少。關(guān)于風(fēng)光水火多能互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度的研究，還處于起步階段。2013年，楊曉萍等［93］提出了風(fēng)火水電短期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度策略，采用線性加權(quán)法處理多目標(biāo)問(wèn)題，使用粒子群算法進(jìn)行模型求解，解決了多維非線性的梯級(jí)水電站優(yōu)化問(wèn)題。2015年，Yuan等［94］考慮風(fēng)的不確定性，將風(fēng)能與水能、熱能發(fā)電調(diào)度相結(jié)合，建立多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)排放的水熱風(fēng)調(diào)度問(wèn)題模型。

水庫(kù)群系統(tǒng)是一個(gè)巨大的儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用風(fēng)光水發(fā)電的豐枯互補(bǔ)特性，能夠有效地解決風(fēng)電、光電大規(guī)模集中上網(wǎng)的消納難題，破解風(fēng)光資源的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性的弊端。在枯季，是風(fēng)電和光伏多發(fā)季節(jié)，可通過(guò)水能的快速啟停功能保障風(fēng)電和光伏的優(yōu)先送出；在雨季，是風(fēng)電和光伏的少發(fā)季節(jié)，水電可充分利用汛期來(lái)水多發(fā)或滿發(fā)。通過(guò)風(fēng)光水多能互補(bǔ)運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)度方式，將波動(dòng)頻繁發(fā)電曲線改善為近乎直線的平穩(wěn)輸出，可以保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，使得優(yōu)質(zhì)清潔能源發(fā)揮最大效用。

在開(kāi)展流域風(fēng)光水多能互補(bǔ)的優(yōu)化調(diào)度中，仍然存在一系列關(guān)鍵問(wèn)題有待解決：（1）并網(wǎng)難度大。由于風(fēng)光水互補(bǔ)的能源電力輸出功率穩(wěn)定性和輸電效率不同，現(xiàn)行的電網(wǎng)不適應(yīng)其發(fā)展；（2）技術(shù)有待完善?，F(xiàn)有研究的優(yōu)化模型中多考慮系統(tǒng)、機(jī)組、水庫(kù)等相關(guān)的約束，卻很少考慮電網(wǎng)安全約束；以梯級(jí)水庫(kù)群為基礎(chǔ)的多能互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電、電網(wǎng)調(diào)峰、儲(chǔ)能等技術(shù)不夠成熟，可靠性得不到保證；（3）缺乏運(yùn)行規(guī)范。目前我國(guó)風(fēng)光水火多能互補(bǔ)的優(yōu)化調(diào)度處于嘗試和摸索階段，管理體制尚不健全。

3.5 “水-能源-糧食安全”紐帶作用下引導(dǎo)的水庫(kù)調(diào)度在淡水資源日漸短缺、糧食供給變化不定及能源需求日益旺盛的背景下，單獨(dú)的水安全［95］、能源安全［96］及糧食安全系統(tǒng)［97］研究是行不通的，三者間存在相互依賴(lài)、相互沖突的復(fù)雜關(guān)系，需要將“水-能源-糧食安全”作為一個(gè)整體紐帶統(tǒng)一管理［98］。隨著大規(guī)模的水利工程建設(shè)，人為過(guò)度干預(yù)淡水資源，導(dǎo)致三者的脆弱平衡關(guān)系容易破壞，故以“水-能源-糧食安全”紐帶作用下引導(dǎo)的水庫(kù)調(diào)度具有舉足輕重的意義。Hurford等［99］以肯尼亞Tana流域的水庫(kù)群為例，提出一種通過(guò)帕累托最優(yōu)權(quán)評(píng)估不同水庫(kù)群調(diào)度決策影響的方法。Hagos等［100］根據(jù)埃塞俄比亞Tigray地區(qū)的現(xiàn)有與未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，優(yōu)化當(dāng)?shù)厮畮?kù)調(diào)度方式，對(duì)供水灌溉的實(shí)施提出改善，從而為區(qū)域糧食安全作出貢獻(xiàn)。李鋒德等［101］以遼寧省的7座水庫(kù)為例，通過(guò)聯(lián)合跨水域調(diào)水、新建引水工程等措施，優(yōu)化水資源，充分利用有限的水源來(lái)保障農(nóng)田的供水需求，確保糧食安全。

面對(duì)未來(lái)的發(fā)展，“水-能源-糧食安全”紐帶引導(dǎo)下的水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度仍處于初級(jí)探索階段，有較大的發(fā)展空間：（1）紐帶關(guān)系不僅強(qiáng)調(diào)水、能源和糧食之間相互依存的關(guān)系，還應(yīng)涉及到不同地理空間尺度、時(shí)間尺度上影響這些資源的復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)形式、壓力和挑戰(zhàn)，以及所帶來(lái)的不同風(fēng)險(xiǎn)［102］；（2）糧食安全對(duì)水安全的要求不僅局限于對(duì)水量的需求，還有對(duì)水質(zhì)的要求，從而對(duì)水庫(kù)群的優(yōu)化調(diào)度提出更高的要求；（3）現(xiàn)階段“紐帶關(guān)系”的研究多集中于理論研究及定性分析，缺乏定量研究，無(wú)法為水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度決策提供充分的理論支撐。

3.6 多主體博弈下的互補(bǔ)調(diào)度機(jī)制流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度是實(shí)現(xiàn)流域水資源綜合利用與管理的基礎(chǔ)，而協(xié)調(diào)好各方利益主體是流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度順利進(jìn)行的關(guān)鍵。水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度的利益主體呈現(xiàn)多元化的趨勢(shì)，利益主體大到流域管理機(jī)構(gòu)、地方政府；小到水庫(kù)管理局、水文站；此外還涉及電力調(diào)度、航運(yùn)交通、環(huán)境監(jiān)管機(jī)構(gòu)等部門(mén)。但是，整個(gè)流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度目標(biāo)與不同利益主體下水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度目標(biāo)可能協(xié)調(diào)一致，也可能相互矛盾。Madani等［103］基于公平和效率準(zhǔn)則，針對(duì)水庫(kù)群多利益主體情況，提出GT-RL方法決策水庫(kù)群調(diào)度方案，最大化主體的總收益。2008年，艾學(xué)山等［104］充分考慮不同水庫(kù)的調(diào)節(jié)性能，引入博弈論中的Shapley-Value法對(duì)聯(lián)合調(diào)度所產(chǎn)生的收益在各參與水庫(kù)間進(jìn)行分配，從而實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水庫(kù)群總收益最大的目標(biāo)。汪習(xí)文等［105］在分析水庫(kù)補(bǔ)償效益不確定性、可變性和博弈性的基礎(chǔ)上，探討了梯級(jí)水庫(kù)串聯(lián)式和并聯(lián)式水庫(kù)發(fā)電補(bǔ)償效益影響因子的識(shí)別方法。

因此，在考慮水庫(kù)群不同調(diào)度管理主體的前提下，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)群綜合調(diào)度利益最大化仍然存在一些制約因素：（1）平衡整體效益與單主體效益關(guān)系。由于水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度涉及到不同的管理主體，利益關(guān)系復(fù)雜，使得對(duì)于水庫(kù)群的管理協(xié)調(diào)困難?？梢?jiàn)建立平衡整體效益與單主體效益關(guān)系的評(píng)估機(jī)制是關(guān)鍵；（2）缺乏合理的管理協(xié)調(diào)機(jī)制和有效補(bǔ)償機(jī)制。不同利益主體下的水庫(kù)群調(diào)度肯定會(huì)存在上中下游水庫(kù)不同管理主體不同調(diào)度目標(biāo)的矛盾、單庫(kù)與多庫(kù)的矛盾、應(yīng)急調(diào)度與實(shí)時(shí)調(diào)度的矛盾等問(wèn)題。因此，有效的管理協(xié)調(diào)機(jī)制是關(guān)鍵的影響因素，同時(shí)對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償機(jī)制與相應(yīng)的法律規(guī)范也必不可少。

3.7 大數(shù)據(jù)時(shí)代的水庫(kù)群調(diào)度通用平臺(tái)《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》提出：加快推動(dòng)數(shù)據(jù)資源共享開(kāi)放和開(kāi)發(fā)應(yīng)用，實(shí)施國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略。隨著水利信息化建設(shè)的不斷完善，水庫(kù)群調(diào)度系統(tǒng)涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)呈爆炸式增長(zhǎng)，步入了大數(shù)據(jù)時(shí)代。研究基于大數(shù)據(jù)的水庫(kù)群系統(tǒng)調(diào)度技術(shù)，集成水庫(kù)群系統(tǒng)涉及的海量、多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)，分析挖掘水庫(kù)群系統(tǒng)調(diào)度大數(shù)據(jù)并形成支撐水庫(kù)群系統(tǒng)調(diào)度日常管理業(yè)務(wù)的大數(shù)據(jù)產(chǎn)品，能夠?yàn)樗畮?kù)群調(diào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)、調(diào)度、決策、評(píng)價(jià)各個(gè)環(huán)節(jié)的理論與技術(shù)發(fā)展提供重要的驗(yàn)證與支撐，是未來(lái)水庫(kù)群系統(tǒng)調(diào)度研究的另一重要的研究方向。大數(shù)據(jù)時(shí)代的水庫(kù)群調(diào)度研究主要包括兩個(gè)方面：大數(shù)據(jù)集成技術(shù)與大數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)。

在梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)度業(yè)務(wù)實(shí)踐過(guò)程中積累了大量獨(dú)立分布異構(gòu)的數(shù)據(jù)資源，既有結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，又有半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式既有傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)又有分布式文件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)異構(gòu)特性；且同一類(lèi)型的數(shù)據(jù)既有傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，又有衛(wèi)星、遙感、視頻等其他類(lèi)型的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)多源特性。研究大數(shù)據(jù)集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)群系統(tǒng)調(diào)度涉及海量、多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合、同化、清洗，最終形成可以統(tǒng)一對(duì)外提供數(shù)據(jù)服務(wù)的水庫(kù)群系統(tǒng)調(diào)度大數(shù)據(jù)集，是研究熱點(diǎn)問(wèn)題。

隨著水利信息化和現(xiàn)代化的推進(jìn)，水利數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上及要素類(lèi)型上有了巨大的擴(kuò)展，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行分析挖掘，發(fā)掘出數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系，并通過(guò)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)將這些隱性知識(shí)直觀展示出來(lái)，可為水庫(kù)群系統(tǒng)調(diào)度提供決策支持。大數(shù)據(jù)分析挖掘的關(guān)鍵是算法的構(gòu)建，目前水利大數(shù)據(jù)分析挖掘算法的研究和應(yīng)用還處在起步階段，且主要集中在基于大數(shù)據(jù)挖掘分析的預(yù)測(cè)技術(shù)方面。隨著人工智能技術(shù)的不斷成熟，水利數(shù)據(jù)挖掘與分析將有助于對(duì)梯級(jí)水庫(kù)群統(tǒng)一調(diào)度決策及其相應(yīng)的系統(tǒng)平臺(tái)集成。

4 結(jié)論

水庫(kù)調(diào)度是實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置的重要方法和有效舉措，能有效緩解區(qū)域干旱、洪澇等自然災(zāi)害，對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略具有重要支撐作用。水庫(kù)群作為一個(gè)復(fù)雜的自然-人工二元調(diào)度系統(tǒng)，以氣溫、降水、徑流為輸入，以水庫(kù)工程為控制節(jié)點(diǎn)，以協(xié)調(diào)社會(huì)、能源、生態(tài)等系統(tǒng)的用水矛盾為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化。經(jīng)過(guò)多年的理論創(chuàng)新與技術(shù)發(fā)展，水庫(kù)群系統(tǒng)調(diào)度已經(jīng)形成了較為完整的框架，在徑流預(yù)報(bào)技術(shù)、調(diào)度方式研究、優(yōu)化求解算法、多目標(biāo)分析方法、風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控技術(shù)五大傳統(tǒng)技術(shù)方面都取得了突破性進(jìn)展，而在水庫(kù)群系統(tǒng)與電力系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)以及糧食安全系統(tǒng)的互饋關(guān)系研究方面也進(jìn)行了初步探索。本文綜述了中國(guó)水庫(kù)群調(diào)度研究的發(fā)展歷程，總結(jié)了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外水庫(kù)調(diào)度領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)未來(lái)我國(guó)乃至國(guó)際水庫(kù)群調(diào)度的研究發(fā)展均有借鑒意義。