水庫水沙聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化方法與應(yīng)用研究.pdf

1、我國是一個水資源嚴(yán)重匱乏、水利發(fā)展相對滯后的國家，如何加快水利改革發(fā)展，最大限度的合理開發(fā)利用水資源是關(guān)系到社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展和人民生活水平提高的迫切問題。水庫作為增加水利支撐保障能力、實現(xiàn)水資源科學(xué)配置的關(guān)鍵性工程，提高其運行管理水平是未來加快水利改革發(fā)展的重要舉措。泥沙淤積與水庫運用同步存在，泥沙淤積嚴(yán)重制約水庫綜合效益的發(fā)揮，威脅水庫的使用壽命。為充分發(fā)揮水庫的綜合效益，必須綜合考慮水庫防洪、興利和排沙減淤等目標(biāo)，

2、開展水庫水沙聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化方法與應(yīng)用研究，這是目前水庫運用管理模式的發(fā)展方向。
　　與一般水庫調(diào)度相比，水庫水沙聯(lián)合調(diào)度不僅要考慮水量的合理調(diào)配，還要對泥沙的蓄泄及時間做出合理的安排，對梯級水庫而言還要考慮上下游水庫的運用要求和上游梯級對下游水庫的累積性調(diào)節(jié)作用。水庫水沙聯(lián)調(diào)涉及到水庫調(diào)度和泥沙沖淤計算兩個方面，這兩個方面相互聯(lián)系、相互影響，全面認(rèn)識泥沙沖淤和水庫防洪、發(fā)電等目標(biāo)之間的對立統(tǒng)一關(guān)系，從理論上將泥沙沖淤計算和水庫調(diào)度更

3、好的結(jié)合起來，實現(xiàn)水沙聯(lián)合調(diào)度，將進(jìn)一步豐富水庫調(diào)度和水庫泥沙的基本理論，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。
　　水庫水沙聯(lián)合調(diào)度是一個典型的復(fù)雜大系統(tǒng)多目標(biāo)問題。由于泥沙沖淤計算與水庫調(diào)度計算是兩種性質(zhì)完全不同、決策時段差異甚大的系統(tǒng)，且梯級水庫聯(lián)合調(diào)度本身是一個具有大量約束條件、動態(tài)、復(fù)雜的最優(yōu)化控制問題，其優(yōu)化求解一直受到“維數(shù)災(zāi)”、“容易陷入局部最優(yōu)解”等缺點的制約，因此在水庫調(diào)度中考慮泥沙沖淤，構(gòu)建能全面反映水沙綜合效益

4、的多目標(biāo)決策模型，實現(xiàn)模型的聯(lián)合求解，具有很大的難度?；诖耍撐姆謩e從水庫優(yōu)化調(diào)度、水庫泥沙沖淤計算、水沙聯(lián)調(diào)多目標(biāo)決策模型的構(gòu)建與求解以及非劣解的生成與評價決策、水沙調(diào)度實例等方面對水庫水沙聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化方法與應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究。取得了如下主要成果:
　　(1)水庫調(diào)度與泥沙沖淤規(guī)律研究。為從宏觀和微觀兩個層面探索水庫調(diào)度與泥沙沖淤之間的規(guī)律，首先分析了四種水庫宏觀運用方式對泥沙淤積速率、淤積分布以及淤積平衡形態(tài)三方面的影響

5、，給出調(diào)水調(diào)沙的宏觀運用框架;其次研究了汛限水位和蓄水時間調(diào)整對泥沙淤積的影響，得出蓄水時間只改變泥沙淤積速率，而汛限水位則會改變整個淤積平衡的結(jié)論;再者分析了三種水庫宏觀排沙方式的排沙機(jī)理，討論其高效排沙方式;最后對初步平衡后的水庫沖淤特點進(jìn)行分析，總結(jié)出根據(jù)不同沖淤特點進(jìn)行蓄水排沙的規(guī)律。
　　(2)基于鯰魚效應(yīng)粒子群算法的水庫優(yōu)化調(diào)度。針對求解水庫群優(yōu)化調(diào)度問題時，粒子群優(yōu)化算法容易陷入局部最優(yōu)和后期收斂速度慢等缺點，將“鯰

6、魚效應(yīng)”機(jī)制引入到粒子群算法中，提出基于鯰魚效應(yīng)粒子群算法，并給出其求解水庫優(yōu)化調(diào)度問題的實現(xiàn)步驟;該算法中的鯰魚啟發(fā)器實現(xiàn)了對種群多樣性的動態(tài)跟蹤和鯰魚粒子的自動引入，通過鯰魚粒子的驅(qū)趕和高素質(zhì)動態(tài)調(diào)節(jié)作用激活進(jìn)化中陷入惰性的群體并提高收斂速度;最后通過單庫防洪優(yōu)化調(diào)度和梯級水庫發(fā)電優(yōu)化調(diào)度兩個實例證明了算法的可行性和高效率。
　　(3)水庫水沙聯(lián)合多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度。針對水庫調(diào)度涉及防洪、興利、生態(tài)和排沙減淤等綜合效益的多個目標(biāo)，

7、以一維泥沙沖淤計算數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，整合目標(biāo)和決策變量建立全面反映水沙綜合效益的單庫多目標(biāo)決策模型;通過對多目標(biāo)問題非劣解生成技術(shù)的深入研究，在介紹向量優(yōu)化理論權(quán)重法和約束法特點的基礎(chǔ)上，重點提出基于鯰魚效應(yīng)多目標(biāo)粒子群算法，相比于向量優(yōu)化理論，該方法計算效率高，能同時獲得多個非劣解;最后通過三峽水庫水沙優(yōu)化調(diào)度實例證明了該算法的有效性和可行性，并與基于泥沙約束的三峽水庫蓄水時間優(yōu)化實例進(jìn)行了對比分析。
　　(4)梯級水庫水沙聯(lián)合調(diào)

8、度多目標(biāo)決策模型及求解方法。從梯級水庫水沙聯(lián)調(diào)的目的出發(fā)，分別建立梯級水庫防洪、發(fā)電和泥沙沖淤計算子模型;在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建梯級水庫水沙聯(lián)合調(diào)度多目標(biāo)決策模型，該模型能較好的反映梯級水庫間的水沙聯(lián)系以及各目標(biāo)利益之間的協(xié)調(diào);為實現(xiàn)模型的求解，運用約束法將多目標(biāo)決策模型轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化模型，在給定的約束閾值下采用基于鯰魚效應(yīng)粒子群算法對單目標(biāo)優(yōu)化模型尋優(yōu)，通過不斷變換約束閾值水平生成問題的非劣解集;最后根據(jù)層次分析法計算的主觀權(quán)重和熵權(quán)法計

9、算的客觀權(quán)重，結(jié)合理想點評價法，構(gòu)建基于組合權(quán)重的理想點評價模型，該模型在一定程度上改善了單一賦權(quán)法的不足，使評價結(jié)果更符合客觀實際。
　　(5)溪洛渡-向家壩梯級水庫水沙聯(lián)合調(diào)度實例。以溪洛渡-向家壩梯級水庫為研究對象，首先在分析梯級水庫蓄水時間優(yōu)化必要性和前提條件的基礎(chǔ)上，研究梯級組合蓄水方案調(diào)整對發(fā)電、航運和泥沙淤積的影響，結(jié)果表明:梯級水庫蓄水時間應(yīng)以相互錯開為有利蓄水發(fā)電原則，并且蓄水提前將增加泥沙淤積，蓄水推后則會減少