基于協同的水庫汛限水位控制多目標分析

呂巳奇 王建群 焦鈺 應碧茜

摘要：為提高對洪水的調節作用和洪水資源化利用效益，以豐滿水庫為典型，對水庫汛限水位控制多目標決策問題進行研究，定義了水庫汛限水位控制決策目標與汛限水位之間的協同貢獻度函數、系統協調度函數及各目標之間協同貢獻度置換率函數，建立了汛限水位控制多目標協同決策模型。將豐滿水庫汛限水位控制方案離散化，分別計算了各汛限水位方案對應的發電效益和防洪風險，建立了發電效益、防洪風險與汛限水位方案之間的協同貢獻度函數;在發電效益與防洪風險協同貢獻度目標空間中，進行了發電效益與防洪風險協同貢獻度置換率分析和汛限水位控制決策。利用協同貢獻度置換率信息進行發電效益與防洪風險協同效應多目標分析和汛限水位控制決策，能深刻揭示水庫發電效益與防洪風險之間的關系，提高洪水資源化利用效率。

關鍵詞：汛限水位：防洪風險：發電效益;多目標

中圖分類號：TV697.1+l

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000-1379.2019.05 .006

水庫汛限水位動態控制是洪水資源化的一個重要途徑，關系到興利效益與防洪風險。關于水庫汛限水位控制的多目標分析有較多研究成果：王本德等[1]以豐滿水庫為例，在規劃設計批準的水庫汛限水位的基礎上，擬定幾個抬高汛限水位方案，提出了一種以發電效益及防洪風險為目標的汛限水位控制多目標評價模糊優化方法：王才軍等[2]建立了三峽水庫圍堰發電期的動態汛限水位洪水調度模型和多目標風險指標體系，對9個動態汛限水位方案進行了多指標綜合評價排序：劉冀等[3]建立了汛限水位實時動態控制方案優選的概率排序特征值及方案排序可靠度計算公式：張驗科等[4]針對綜合利用水庫調度方案優選，提出了一種多指標風險評價和逼近于理想解的排序方法：秦雪等[5]通過洪水預報信息和汛期動態水位調度線進行動態控制，減少不必要棄水;戴文鴻等[6]提出了多沙水庫實施汛期分期及汛限水位動態控制方案。目前關于汛限水位動態控制方案的研究通常是將汛限水位進行離散，采用有限方案多目標決策（或多屬性決策）方法進行方案排序，沒有充分利用防洪、興利目標函數之間的置換率信息。本文主要基于協同論的理論方法[7-8]研究建立汛限水位控制決策的協同效應多目標決策模型及協同貢獻度之間的置換率函數，對豐滿水庫洪水資源利用的關鍵參數汛限水位進行發電效益與防洪風險多目標協同分析。

豐滿水庫位于吉林省吉林市上游24 km處的第二松花江上，控制流域面積42 500 km².占第二松花江流域面積的55%，在第二松花江的防洪中起著非常重要的作用，是一座具有防洪、發電等功能的大型綜合性水利工程。豐滿水電站于1943年開始蓄水發電，遠遠早于1993年建成發電、位于豐滿水電站上游約200km的白山水電站，其建庫初期未考慮白山水庫的防洪作用。由于各種歷史原因，豐滿水電站在運行中不斷進行修補和加固處理，經歷了三期整治過程，庫容曲線也經過多次修正[9]。豐滿水電站全面整治（重建）工程[10-12]于2012年10月獲國家發改委批準，總工期78個月。豐滿水電站全面整治（重建）工程完工后壩頂高程269.5 m，總庫容103.77億m³.總裝機容量148萬kW。受氣候變化和人類活動的影響，流域洪水特性逐漸發生變化，豐滿水庫設計洪水經歷了多次調整[13-14]。在流域洪水特性逐漸發生變化、豐滿水電站全面整治（重建）工程即將竣工以及處理人與洪水關系的理念已由原始的防御洪水向洪水管理和洪水資源利用轉變[15-16]的背景下，對豐滿水庫洪水資源利用的關鍵參數汛限水位進行發電效益與防洪風險多目標分析研究，在保障防洪安全的前提下，提高水資源利用率，對于豐滿水庫的運行管理和水資源高效利用有著很大的應用價值。

1 理論方法

根據決策空間是否是連續的，經典的多準則決策可以劃分為兩類：備選方案的個數是無限的，決策空間是連續的，稱之為多目標決策：備選方案的個數是有限的，決策空間是離散的，稱之為多屬性決策。求解多目標決策問題的方法有加權法、主要目標法、理想點法、SWT法及各種交互式多目標決策方法，其中SWT法充分利用了目標函數間的非劣置換率信息。多目標規劃問題及其求解方法在追求每個目標最優的同時更加注重解的“非劣”性，最終求得的解為“最佳協調解”，或稱為帕累托最優解，可研究未知方案集的規劃設計問題。而在求解多屬性決策問題的過程中，其多個屬性值或指標值是事先確定的，主要問題是研究有限個已知方案的評價選擇問題，方法有ELECTRE法、TOPSIS法和層級分析法（AHP）、多屬性價值理論法（ MAVT）等各種權重法。

目前對于綜合利用水庫洪水資源的關鍵參數汛限水位進行控制決策或選擇研究的通常做法是，將汛限水位進行離散，采用多屬性決策方法進行有限方案排序和選擇。現有方法沒有充分利用防洪、興利目標函數之間的置換率信息，對目標函數間的協同性注重不夠。為此，我們基于協同論的理論方法[7-8]對綜合利用水庫洪水資源的關鍵參數汛限水位進行多目標協同分析。

將汛限水位控制決策的多目標問題描述為

進行協同貢獻度置換率函數分析有助于進行汛限水位多目標分析和控制決策。

下面充分利用協同貢獻度置換率函數信息和系統協調度函數信息進行豐滿水庫汛限水位多目標協同效應分析，所考慮的目標為發電效益和防洪風險。對豐滿水庫洪水資源利用的關鍵參數汛限水位進行發電效益與防洪風險的多目標分析方法是：將汛限水位的可能方案離散化，對于每個離散化汛限水位控制方案，計算發電效益目標函數，進行發電效益分析;同時，計算極限風險率目標函數，進行防洪風險分析;然后，利用系統協調度和協同貢獻度置換率信息進行發電效益與防洪風險協同效應多目標分析和決策，求得安全、經濟的汛限水位變動控制域，為汛限水位動態控制提供科學依據。

2 發電效益分析

[4] 張驗科，王麗萍，裴哲義，等，綜合利用水庫調度風險評價決策技術研究[J].水電能源科學，2011，29（11）：51-54.

[5]秦雪，馬長明，陳鵬宇，等，巖灘水庫汛限水位動態控制域的應用研究[J].人民黃河，2017，39（3）：28-32.

[6]戴文鴻，馮逸君，甘瓏，等，多沙水庫汛限水位實時動態控制方案研究[J].人民黃河，2016，38（5）：31-36.

[7] 黃潤榮，任光耀，耗散結構與協同學[M].貴陽：貴州人民出版社，1988：192-246.

[8]孟慶松，韓文秀，復合系統協調度模型研究[J].天津大學學報，2000，33（4）：444-446.

[9] 胡宏達，俞宏，劉翠杰，等，白山、豐滿水庫最新設計洪水成果簡介[J].東北水利水電，2002，20（9）：34-35.

[10] 張家宏，魯一暉，豐滿大壩全面治理方案可行性研究[C]∥中國水利學會水工專業委員會，中國水利學會水工專業委員會第十屆年會論文集.北京：中國水利學會水工專業系委員會，2012：6-8.

[11] 李光順，吉林豐滿水電站全面治理（重建）工程可行性研究報告通過審查[J].水力發電，2012.38（2）：89-90.

[12] 付紅娟，李曉軍，鄭德湘，豐滿水電站全面治理重建工程裝機容量研究[J].東北水利水電，2013，31（ 12）：15-16.

[13]馬雪梅，李英士，俞宏，白山、紅石、豐滿水庫設計洪水復核[J].東北水利水電，2013，31（9）：53-54.

[14] 王永峰，孟繼慧，豐滿水庫調度有關基礎資料問題的歷史沿革[J].水利水電技術，2016（6）：56-59.

[15]

JENKINS K，SURMINSKIS，HALL J，et al.Assessing SIufaceWater Flood Risk and Management Strateges Under Future Cli-mate Change：Insights from an Agent-Based ModeI[J].Scienceof Total Environment，2017，595：159-168.

[16] ROOS M M D， HARTMAN T T，SPIT T T J M， et al.Constructing Risks-Intemalisation of Flood Risks in theFlood Risk Management Plan[J].Environmental Science&Policy， 2017， 74： 23-29.

[17] 陳炯宏，郭生練，劉攀，等.汛限水位動態控制的防洪極限風險分析[J].南水北調與水利科技，2008（5）：38-40.

【責任編輯許立新】