水庫群聯合調度規則研究

許子寬，全 琴，賈 鳳，宋曉星

（1.河北工程大學水電學院，河北 邯鄲 056038；2.北京清流技術股份有限公司，北京100053）

0 引言

傳統的水庫調度是以發電、防洪、灌溉等為目標，建立調度模型，基于系統科學的思想對模型求解，然后制定水庫調度方案。現在水資源系統可持續調配理論是重點研究和優先資助方向，所以如何提高水資源利用率越來越引人關注。

在通過單一水庫調度圖的基礎上，耦合水庫群系統中其他水庫的調度圖，使它們有機的結合起來，從而決定整個復雜的水庫群系統中各個水庫應該由哪個水庫進行調度任務[1]。紀昌明（2018）將“以水定電”“以電定水”兩種運行模式運用到一個水庫群系統中，并運用伴隨逐步優化算法（APOA）進行求解[2]。在模擬和優化方法的基礎上，綜合兩者的優點，出現了模擬- 優化方法，這種方法是目前水庫群聯合調度中的重要方法，尤其針對于多目標復雜的水庫群系統，不能順利的構建數學模型時，模擬-優化方法顯得尤為重要，郭旭寧（2011）構建虛擬聚合水庫，通過模擬- 優化方法構建水庫調度圖，從而驗證水庫群聯合調度的合理性[3]。郭旭寧（2016）對水庫群聯合調度的各種規則提取方法進行總結和歸類，并對以后的水庫群聯合調度規則提出方法提出了發展性的展望[4]。王浩院士（2019）在總結之前水庫調度方法的基礎上對未來水庫調度的關鍵技術與發展方向提出了展望，對以后水庫調度的研究有著關鍵的指導作用[5]。

1 水庫群模擬優化調度

1.1 聯合調度思路

水庫群聯合調度過程中，所對應的水庫群調度可供水量是集中岳城水庫、東武仕水庫的可供水量。若東武仕水庫的供水量大于東武仕水庫可供水量，則從岳城水庫調水。若小于東武仕水庫可供水量，則本次供水不需要補給調水。具體調度思路，見圖1。

圖1 水庫群聯合調度示意圖

1.2 水庫群聯合調度模型

水庫群聯合調度模型以水文年內研究區域的缺水量最小和為目標函數，綜合遺傳算法和動態規劃算法的優點，將復雜的水庫群系統的多階段轉化成為多目標子問題，供水方案為決策變量，建立起水庫群調度模型。目標函數為：

式中：I 為年數，i=1 to 3，I=3；J 為以年為計算周期內的月時段數，j=1 to 12，J=12；N 為研究區間數，n=1 to N（N=2）；Qx(n,i,j)為研究區間n 在第i 年j 時段的需水量；Qg(n,i,j)為在第n 年j時段供給研究區間n 的水量；Fq為第i 年N 個研究區間的總缺水量。

（1）水量平衡約束：

（6）非負約束：所有變量均為非負數。

式中：Vt、Vt+1為t 和t+1 時段水庫的蓄水量；It為入庫徑流量；Qt為水庫的供水量；SUt為棄水量；HSt為水頭損失；Vmin和Vmax分別為水庫死庫容和蓄水上限；f(Vi,t)為水位- 庫容曲線，f(Si,t)為庫容- 面積曲線。Qgg(i)、Qgx(i)分別為灌溉供水、灌溉需水。Qsg(i)、Qsx(i)分別為生態供水、生態需水。

1.3 模型求解

對上述模型采用VB 語言編寫計算程序，采用模擬優化人機對話算法進行本次計算，工業用水、農業用水、生活及生態用水的變化與各個方案的思路不同，以常規狀態下的多水庫聯合調度供水過程為例，來說明模型的求解方法。具體流程見圖2。

圖2 模擬優化人機算法計算框圖

2 水庫群調度方案設置和結果

2.1 水庫概況

岳城水庫位于邯鄲西南60 km處，控制流域面積1.81 萬km2，總庫容達13 億m3，調洪庫容8 億m3，興利庫容6.73 億m3，死庫容0.387 億m3，死水位125 m，設計洪水位152.9 m，校核洪水位158.9 m。

東武仕水庫位于海河流域子牙河系滏陽河干流上游，控制流域面積340 km2，總庫容1.81 億m3，調洪庫容1.095 億m3，興利庫容1.35 億m3，死庫容0.1 億m3，死水位94.5 m，起調水位102 m，正常蓄水位109.68 m，設計洪水位106.18 m，校核洪水位110.7 m。

2.2 供水方案

水庫群聯合調度方案的設計中，嚴格遵守水資源管理實施用水控制的要求，考慮各種約束條件，對根據各個用水單元的需求量比例，分配供水多少，從而確定供水方案。

水庫群聯合調度方案設計的目標是，在保證水庫死水位安全的基礎上，盡可能大的滿足所有用水單元的需水平衡，在水資源利用效率上獲得最大的利用效益。

目前沒有明確的高方案和低方案的定義，所以筆者以正常庫容乘一個系數k 來定義高方案和低方案，這里將高方案的k按1.3，低方案按0.7 來計算，即高方案供水15.17 億m3，低方案供水8.17 億m3。具體數據見表1，根據上述數據繪制水庫群聯合調度圖，見圖2。

表1 調度線計算結果表 單位：億m3

圖3 水庫群聯合調度圖

2.3 水庫群調度方案設置

水庫群聯合調度方案設置的目標是，在保證水庫安全的前提下，盡可能滿足人口，資源，環境與經濟協調發展，在不同來水頻率年的時候依舊能保證水資源的利用率。

在多水庫聯合調度方案設置中，確定生活供水的調度供水方案、農業供水的按需供水線和破壞部分農業灌溉供水線、生態供水的加大供水線和停止供水線。方案設置見表2。

表2 興利調度方案設置

2.4 水庫群聯合調度結果

以75%來水頻率年為例，根據十二五規劃綱要，目前我國農業灌溉水有效利用系數0.53，工業生活供水方面，兩水庫均為低方案；農業用水方面，均為高方案；生態供水方面，采用汛期集中供水方式。研究區間工業、生活、農業以及生態的供水量主要靠岳城水庫和東武仕水庫補給，若存在工、農業補給不足的情況，則通過南水北調引江水來補給。

各用水單元具體的調度結果見表3。

表3 各用水單元聯合調度結果 單位：億m3

3 結論

本文綜合考慮了工業用水、生活用水、農業用水、灌溉用水和生態用水，建立了水庫群聯合調度模型，通過模擬人機算法進行求解，并以75%來水頻率年為例，構建水庫群聯合調度圖，提出水庫群對各個用水單元的具體供水方案，結合分析水庫群聯合調度規則，給出了聯合調度的結果。

水庫群聯合調度供水滿足了人口、資源、環境與經濟協調發展對水資源在時間、空間、用途與數量上的要求，使有限的水資源獲得最大的利用效益，促進社會經濟的發展，改善生態環境。