劉攀 張曉琦 鄧超 馮茂源 高仕達(dá) 張瑋

摘要：變化環(huán)境下的水庫適應(yīng)性調(diào)度是國際水庫調(diào)度領(lǐng)域的前沿課題。針對“水庫適應(yīng)性調(diào)度”，在實時調(diào)度方面需重點(diǎn)研究變化環(huán)境下的水文預(yù)報技術(shù)，提高預(yù)報精度;在規(guī)劃和調(diào)度規(guī)則方面需構(gòu)建全新的調(diào)度規(guī)則再編制技術(shù)，涉及水文頻率分析、非一致性條件下評價指標(biāo)體系以及水庫調(diào)度規(guī)則的自適應(yīng)跟蹤控制等。為此，從水文時變預(yù)報預(yù)測、調(diào)度指標(biāo)的動態(tài)評價、調(diào)度規(guī)則的跟蹤控制以及柔性調(diào)度規(guī)則等4個方面提出研究思路與方法，為水庫適應(yīng)性調(diào)度理論和方法提供參考。

關(guān)鍵詞：變化環(huán)境; 水文時變; 柔性調(diào)度; 水文預(yù)報; 水庫適應(yīng)性調(diào)度

中圖法分類號：TV697文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.001

我國水資源時空分布不均，用水矛盾突出，而水庫調(diào)度是實現(xiàn)水庫正常運(yùn)行、達(dá)到重新分配水資源時空分布目標(biāo)的關(guān)鍵管理手段。受變化環(huán)境（包括氣候變化、上游水庫徑流調(diào)節(jié)等人類活動）的影響，水庫的入庫徑流序列及其洪旱特征發(fā)生了變異，傳統(tǒng)工程水文設(shè)計的“一致性”不復(fù)存在[1-2]。因此，開展變化環(huán)境下的水庫適應(yīng)性調(diào)度具有重大的理論意義和實踐價值。

如圖1所示，本文包括4個方面的研究內(nèi)容：① 水庫短期來水的時變預(yù)報、水文極值的頻率分析，以揭示水庫來水變異的機(jī)理;② 非一致性條件下的防洪評價、水庫調(diào)度多目標(biāo)的動態(tài)協(xié)同演化，以客觀評價水資源價值;③ 同時兼顧歷史觀測以及未來預(yù)測的徑流序列，并可根據(jù)最新徑流進(jìn)行適應(yīng)性跟蹤的調(diào)度規(guī)則，以實現(xiàn)水資源高效利用;④ 確定性水庫優(yōu)化調(diào)度的近似最優(yōu)解、水庫調(diào)度規(guī)則的不確定性分析，以實現(xiàn)水庫調(diào)度的柔性決策。

1水文時變預(yù)報預(yù)測

1.1水文模型時變參數(shù)的識別及歸因

受全球氣候變化和人類活動的雙重影響，流域的特征條件不可避免地發(fā)生改變[3]。在環(huán)境變化愈來愈顯著的背景下，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為流域在水文模擬過程中呈現(xiàn)“穩(wěn)態(tài)”的假定面臨挑戰(zhàn)，導(dǎo)致水文模型中代表流域水文物理特性的參數(shù)和結(jié)構(gòu)不隨時間變化的假定不再適用。

針對水文模型參數(shù)時變性問題，研究內(nèi)容分為兩個模塊：①基于數(shù)據(jù)同化的時變參數(shù)識別;②基于函數(shù)形式的時變參數(shù)估計[4]。模塊①的技術(shù)路線如圖2所示，選取兩參數(shù)月水量平衡模型[5]的參數(shù)C和CS作為研究對象，采用集合卡爾曼濾波方法對參數(shù)C和CS的變化過程進(jìn)行識別，并判別分析水文模型參數(shù)是否具有隨時間變化的特性。而針對模塊②，則采用優(yōu)化算法對時變參數(shù)函數(shù)的待定系數(shù)進(jìn)行估計，從而得到時變參數(shù)的函數(shù)形式。

1.2水文極值事件變異的人類活動驅(qū)動

水文頻率分析是水庫設(shè)計的重要基礎(chǔ)，隨著人類活動影響的加劇，水文極值序列的非一致性問題越來越突出。如何在已有水文分析框架上，考慮人類活動的影響，推求人類活動影響下的枯水頻率分析分布函數(shù)和考慮水庫影響下的洪水頻率分析分布函數(shù)，對適應(yīng)變化環(huán)境的水庫調(diào)度有著重要的現(xiàn)實意義。

（1）人類活動影響下的枯水頻率分析。若將地下水抽水和人類回水作為基流退水過程中的變量，則在此情景下人類活動影響下的枯水頻率分析的具體推導(dǎo)步驟如下[6]：① 當(dāng)不考慮人類活動影響時，枯水假設(shè)服從皮爾森Ⅲ型分布函數(shù);② 基于基流退水模型推導(dǎo)出降雨間隔最大時間的概率分布函數(shù);③ 將對枯季徑流影響最大的地下抽水這一人類活動作為內(nèi)在參數(shù)考慮，推求人類活動影響下基流退水曲線公式;④ 聯(lián)合步驟③中人類活動影響下的基流退水曲線公式和步驟②中降雨間隔最大時間的概率分布函數(shù)，推求人類活動影響下的枯水頻率分布函數(shù)。

（2）考慮水庫影響的洪水頻率分析。推導(dǎo)步驟如下：① 將水庫的防洪調(diào)度規(guī)則簡化為3個階段;② 基于線性水庫和非線性水庫模型，引入三角形簡化計算方法和數(shù)值積分計算方法推求出4種入庫洪峰和出庫洪峰的數(shù)學(xué)解析關(guān)系式;③ 利用上述水庫洪峰和出庫洪峰的關(guān)系式，得到水庫影響下的洪水頻率分布函數(shù)。

2調(diào)度指標(biāo)的動態(tài)評價

水庫適應(yīng)性調(diào)度問題是面向非平穩(wěn)序列的最優(yōu)決策。變化環(huán)境下水庫調(diào)度的調(diào)度期長度較短（只能選取基本平穩(wěn)的一段時間，如3～5 a作為調(diào)度期），傳統(tǒng)水庫優(yōu)化調(diào)度的期望效益最大模型不足以考慮變化環(huán)境的強(qiáng)不確定性，此時如何修改水庫調(diào)度模型（包括目標(biāo)函數(shù)和約束條件），是需要解決的技術(shù)難題。

2.1基于互饋關(guān)系的水庫動態(tài)多目標(biāo)調(diào)度

日益頻繁的人類社會活動已經(jīng)改變了供水、發(fā)電和環(huán)境系統(tǒng)以及他們之間的相互作用關(guān)系。為了更好地考慮這些變化，應(yīng)當(dāng)采用耦合系統(tǒng)的方法來考慮供水、發(fā)電和環(huán)境系統(tǒng)。具體研究思路為：在耦合系統(tǒng)的框架下，通過動態(tài)的決策偏好來調(diào)控多目標(biāo)問題，從而將水庫調(diào)度決策加入進(jìn)耦合系統(tǒng)的協(xié)同演化過程。

供水-發(fā)電-環(huán)境耦合系統(tǒng)（WPE nexus）主要由3部分組成[7]：①描述供水、發(fā)電和環(huán)境系統(tǒng)變化的系統(tǒng)動力學(xué)模型;②多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型;③描述調(diào)度決策與供水-發(fā)電-環(huán)境系統(tǒng)之間互饋關(guān)系的鏈接（見圖3）。

采用系統(tǒng)動力學(xué)主要是因為其能夠較為方便、靈活地描述不同系統(tǒng)之間的互饋關(guān)系。采用多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度是因為其能夠處理不斷變化的供水發(fā)電等多目標(biāo)之間的決策偏好。另外，兩個新提出的互饋鏈接將調(diào)度決策耦合進(jìn)供水、發(fā)電和環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)同演化過程中，從而使該模型能夠模擬更為實際的情形。

供水-發(fā)電-環(huán)境耦合系統(tǒng)中的反饋環(huán)如圖4所示：變化的社會經(jīng)濟(jì)條件，如人口、環(huán)境容量和人均供水量、供電量將會改變?nèi)祟悓λ碗姷男枨?，這些需求則是構(gòu)成優(yōu)化模型中目標(biāo)函數(shù)的主要組成部分。對于一個給定的決策偏好，多目標(biāo)優(yōu)化模型可以被歸一化為單一目標(biāo)，進(jìn)而得到符合給定偏好的最優(yōu)調(diào)度決策。水庫調(diào)度決策的最直接結(jié)果是水電短缺（供不應(yīng)求時），同時改變水庫下游河道中的水流流態(tài)。水流流態(tài)的改變則會改變?nèi)祟悓Νh(huán)境狀態(tài)的感知，即環(huán)境意識的改變。通過圖4中虛線箭頭所示可得兩類反饋鏈接，由于調(diào)度決策所導(dǎo)致的水電短缺將進(jìn)一步改變社會經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，河流流態(tài)造成的環(huán)境意識的改變將進(jìn)一步改變調(diào)度決策偏好，因此，使得系統(tǒng)形成封閉的反饋環(huán)。

2.2非一致性條件下的防洪評價

水庫防洪風(fēng)險在水庫調(diào)度模型中多以約束條件的形式出現(xiàn)，而現(xiàn)有水利工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)常采用一致性條件下的洪水風(fēng)險率表征，即認(rèn)為某一重現(xiàn)期的設(shè)計

洪水可用頻率值表征洪水風(fēng)險。設(shè)pi為第i年實際徑流超過徑流系列的設(shè)計洪峰值的發(fā)生概率。在一致性條件下，無論第i年，超過概率pi均是常數(shù)值p。若引入水利工程的生命周期為n年的概念，則該工程面臨來水超過設(shè)計洪水的事件發(fā)生在工程生命周期n年之內(nèi)的洪水風(fēng)險率R為如下表達(dá)式

R=1-（1-p）?n（1）

本文引入經(jīng)濟(jì)學(xué)中“條件風(fēng)險價值”的概念去描述非一致性條件下的防洪風(fēng)險評價[8]，推導(dǎo)步驟如下：

（1）在非一致性條件下，超過概率pi會隨時間變化，推求非一致性條件下水利工程生命周期n年之內(nèi)的洪水風(fēng)險率R?N。

（2）根據(jù)條件風(fēng)險價值的定義CVaRi=E[Li（x，θ）|Li（x，θ）≥VaRi]（式中VaRi為風(fēng)險價值，為置信水平），建立各年的防洪損失函數(shù)Li（x，θ）（i=1，2，…，n）與水庫調(diào)度決策變量x以及隨機(jī)變量θ的關(guān)系式。

（3）建立工程設(shè)計壽命n年內(nèi)總的防洪損失值CVaR?n的計算方法，構(gòu)建其與各年防洪損失值CVaRi的關(guān)系式，推導(dǎo)計算式如下

CVaR?n=ni=1piCVaRiR?N（2）

3調(diào)度規(guī)則的跟蹤控制

3.1兼顧歷史和未來徑流的適應(yīng)性調(diào)度

未來徑流預(yù)測數(shù)據(jù)既具有強(qiáng)不確定性，又與過去的歷史徑流資料“非一致”，在水庫適應(yīng)性調(diào)度中存在可利用性分析以及融合等科學(xué)問題。目前，現(xiàn)有的適應(yīng)性調(diào)度的框架大多遵循一個類似的框架，將氣候變化模型、水文模型和水庫調(diào)度模型耦合起來。在氣候變化領(lǐng)域，將全球氣候模式（GCM）輸出作為變異源輸入水文模型，從而得到多種徑流預(yù)測情景，已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)化的氣候變化對水資源影響研究模式。但是，GCM與水文模型均存在較大的不確定性，常采用多種徑流預(yù)測情景描述。這些預(yù)測數(shù)據(jù)是否具有可用性（噪聲是否會掩蓋真實的信號），如何應(yīng)用到水庫調(diào)度管理中，并與歷史徑流數(shù)據(jù)相融合，是有待研究的技術(shù)問題。

相關(guān)學(xué)者提出了一種同時兼顧歷史-未來徑流序列的適應(yīng)性水庫調(diào)度規(guī)則的提取方法[9]：① 以歷史徑流情景和未來徑流情景作為率定資料，以歷史和未來時期的效益和穩(wěn)健性指標(biāo)最大化為目標(biāo)，構(gòu)建水庫調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型;② 基于權(quán)重法將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題進(jìn)行求解，如式（3）;③ 利用模擬優(yōu)化方法提取出兼顧歷史-未來的相對穩(wěn)健、低風(fēng)險的調(diào)度規(guī)則。

maxF=ω1B—?HB?Hmax+ω2BB—?FB?Fmax+ω3R?H+ω4R?F（3）

式中，B—?H和B—?F分別表示歷史階段和未來階段的多情景平均效益;R?H和R?F表示歷史、未來多情景的平均穩(wěn)健性指標(biāo);B?HB?Hmax和B?FB?Fmax表示B?H和B?F的歸一化結(jié)果;BH/Fmax表示歷史/未來階段最大的潛在效益;ω1，ω2，ω3，ω4分別表示歷史效益權(quán)重、未來效益權(quán)重、歷史穩(wěn)健性權(quán)重和未來穩(wěn)健性權(quán)重。

3.2基于新息的自適應(yīng)跟蹤控制規(guī)則

現(xiàn)有研究框架中，將氣候變化模型、水文模型和水庫調(diào)度模型耦合起來研究適應(yīng)性水庫調(diào)度的研究思路側(cè)重于關(guān)注氣候因子的變化（如氣溫）對水庫調(diào)度的影響，而對徑流因素對水庫調(diào)度的直接影響并未開展研究。因此，若側(cè)重考慮徑流變化對水庫調(diào)度規(guī)則（以發(fā)電調(diào)度）的影響，主要分為兩部分：①辨析不同徑流改變情形下水庫調(diào)度規(guī)則的變化模式;②推求能夠應(yīng)對不同徑流條件的適應(yīng)性調(diào)度規(guī)則。

水庫調(diào)度規(guī)則變化模式的辨析方法主要分為3個模塊[10]：① 未來徑流改變情景生成;② 確定性優(yōu)化調(diào)度;③ 調(diào)度規(guī)則的推求。其中，模塊①中的未來徑流情景采用簡單調(diào)整法和隨機(jī)重建法來生成3種改變模式：徑流均值、變異系數(shù)（Cv）和季節(jié)理則。如圖5所示：采用集合卡爾曼濾波（EnKF）將最優(yōu)的水庫調(diào)度軌跡同化至水庫調(diào)度規(guī)則參數(shù)中，獲得較優(yōu)的時變調(diào)度規(guī)則參數(shù)集;確定與水庫調(diào)度規(guī)則變化最相關(guān)的水文參數(shù);將時變的調(diào)度規(guī)則參數(shù)集與水文參數(shù)進(jìn)行擬合，推求得到適應(yīng)性調(diào)度規(guī)則。

4柔性調(diào)度規(guī)則的研究

在傳統(tǒng)的水庫調(diào)度中，通常只保留一個最優(yōu)解，而忽略其他等效的最優(yōu)解，這樣往往丟失了很多有用的信息。即使是確定性的水庫優(yōu)化調(diào)度問題，也可能存在最優(yōu)解的“異軌同效”現(xiàn)象，即多個最優(yōu)調(diào)度軌跡存在等效性，這種現(xiàn)象可表現(xiàn)為最優(yōu)解并不唯一。水庫優(yōu)化調(diào)度問題中多重解（即多個最優(yōu)解）的存在，使相同最優(yōu)解下構(gòu)建各種可行比較方案成為可能，為決策提供了廣泛的選擇余地，具有較大的理論和現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)最優(yōu)調(diào)度方法只尋求使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到發(fā)電量最大值E?*的調(diào)度軌跡，本次研究定義近似最優(yōu)解為使目標(biāo)函數(shù)滿足E≥E?*（1-ε）的所有解，其中ε（0≤ε≤1）為一允許誤差值[11]。如果水庫調(diào)度為連續(xù)目標(biāo)函數(shù)，則所有的近似最優(yōu)解可能形成一個調(diào)度區(qū)間，這里稱為近似最優(yōu)調(diào)度域：即所有近似最優(yōu)解的上下邊界。其物理意義在于：水庫在近似最優(yōu)調(diào)度域內(nèi)調(diào)度運(yùn)行不一定能獲得近似最優(yōu)調(diào)度策略，一旦超出了這個邊界，則一定無法獲得滿足E≥E?*（1-ε）的以三峽水庫發(fā)電調(diào)度為例，采用近似最優(yōu)調(diào)度域方法，求得各代表年的最優(yōu)調(diào)度域，列出平水年（1895年）最優(yōu)調(diào)度域如圖6所示。

5結(jié) 論

針對水庫適應(yīng)性調(diào)度，本文從水文時變預(yù)報預(yù)測、調(diào)度指標(biāo)的動態(tài)評價、調(diào)度規(guī)則的跟蹤控制、柔性調(diào)度規(guī)則的研究4個方面提出研究思路與方法。

（1）在環(huán)境變化愈來愈顯著的背景下，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為流域在水文模擬過程中呈現(xiàn)“穩(wěn)態(tài)”的假定面臨挑戰(zhàn)，導(dǎo)致水文模型中代表流域水文物理特性的參數(shù)不隨時間變化的假定不再適用。因此，面向適應(yīng)性調(diào)度開展水文時變預(yù)測預(yù)報研究，從而提高水文模型在“非穩(wěn)態(tài)”流域水文模擬的預(yù)報精度是必要的。本文分別針對水文模型時變參數(shù)的識別，以及考慮人類活動影響下水文極值事件的頻率分析提出了研究思路。

（2）水庫適應(yīng)性調(diào)度問題的本質(zhì)是面向非平穩(wěn)序列的最優(yōu)決策。而將水庫調(diào)度決策適應(yīng)性地加入供水-發(fā)電-環(huán)境耦合系統(tǒng)的協(xié)同演化中，有利于探索變化環(huán)境下調(diào)度決策與供水、發(fā)電和環(huán)境系統(tǒng)之間的動態(tài)聯(lián)系。傳統(tǒng)水庫調(diào)度的防洪風(fēng)險率的計算是基于“一致性”的徑流假設(shè)，因此推求適用于非一致性條件下的防洪評價指標(biāo)，并用于客觀評價未來徑流情景下的水資源價值是具有工程實踐意義的。

（3）兼顧歷史和未來徑流序列的適應(yīng)性水庫調(diào)度規(guī)則為如何將未來氣候模型推求的徑流情景與歷史徑流數(shù)據(jù)相融合提出了一種新思路;而基于變化環(huán)境的水庫調(diào)度的跟蹤控制方法則為提出一種能直接反映徑流對水庫調(diào)度影響的適應(yīng)性調(diào)度規(guī)則。

（4）在變化環(huán)境下，不僅需要關(guān)注未來徑流情景的變化情況，也應(yīng)適當(dāng)拓展對水庫最優(yōu)調(diào)度決策靈敏性分析的研究方向，而開展水庫柔性調(diào)度決策的研究可為水庫適應(yīng)性調(diào)度進(jìn)一步挖掘決策區(qū)間。

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引用本文：劉攀，張曉琦，鄧超，馮茂源，高仕達(dá)，張瑋.水庫適應(yīng)性調(diào)度初探[J].人民長江，2019，50（2）：1-5.

Study on key technology for adaptive operation of reservoir

LIU Pan?， ZHANG Xiaoqi?， DENG Chao?2， FENG Maoyuan?， GAO Shida?， ZHANG Wei

（1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science， Wuhan University， Wuhan 430072， China;2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering， Nanjing 210098， China）

Abstract： Reservoir adaptive operation under changing environment is a frontier topic in the field of international reservoir operation. In view of "reservoir adaptive operation"， it is necessary to study the hydrological forecasting technology under the background of changing environment in order to improve the forecast accuracy in the aspect of real-time operation. In the aspect of planning and dispatching rules， it is necessary to construct a new recompiling technique of dispatching rules， which involves hydrologic frequency analysis， evaluation index system under inconsistent conditions and self-adaptive tracking control of reservoir dispatching rules. Therefore， the authors put forward the research ideas and methods from four aspects： hydrological time-varying accuracy， dynamic evaluation on dispatching index， tracking and control of dispatching rules and flexible dispatching rules， which will lead to the improvement of the theory and method of reservoir adaptive operation.

Key words：reservoir adaptive operation; changing environment; hydrological time varying; flexible operation; hydrological forecasting