大伙房水庫汛期水位動態控制的調度方案優化研究

齊 濤

（遼寧葠窩水力發電有限責任公司,遼寧 遼陽 111000）

大伙房水庫位于撫順市,是渾河中上游一座大型水庫,控制流域面積5437 km3,主要任務是防洪、農田灌溉、城市供水以及發電和養殖等。水庫總庫容22.68 億m3,設計校核洪水位138.83 m,有效庫容12.96 億m3,正常蓄水位131.5 m,為保證城市與農田安全,水庫下游沈陽市按照300 年一遇設計,撫順市按照100 年一遇設計,基本農田按照50 年一遇設計。水庫在防洪與興利之間的矛盾非常突出,在1960 年水庫棄水量14 億m3,汛期之后水庫蓄水量比有效庫容少了2 億m3,主要是由于汛期汛限水位太低所致,而在1964 年發生的四次洪水,又由于汛限水位過高導致下游淹沒。基于此,為更好保證防洪與興利的有效協調,開展大伙房水庫汛期水位動態控制下優化調度方案研究是非常必要的。

1 多層模糊優選模型

防洪調度方案選擇屬于多目標、多層次模糊優化決策問題。模糊優選模型正是針對多目標、多階段方案中,在有限的可行決策域內尋求滿意決策。

（1）假設某個階段決策過程中,有待選的P個可行決策方案組成方案集,每個方案有m個評價指標特征值對方案進行評判,則該階段待評判的P個方案之m個指標特征值構成矩陣：

式中：h=1,2,…,m；j=1,2,…,P；Ghj為第j個方案第h個評價指標的特征值。

（2）為比較各個指標對模糊子集“優”的隸屬程度,需計算指標優屬度矩陣：

式中：wh為第h個評價指標的權重。

（4）計算方案優屬度向量

第j個方案以隸屬度uj表示它隸屬于優等方案的程度,即：

方案優屬度最大的方案即為較優方案。

2 大伙房水庫后汛期汛期水位備選方案

以累積凈雨做主要判斷指標的防洪安全、興利蓄水、權衡方案和主汛期對比方案共8種方案待選擇。表1列出了后汛期汛期水位的因素集與方案集。

表1 后汛期汛期水位因素集與方案集

3 汛期水位方案模糊優選

3.1 系統分層

由于指標較多,為明晰思路和便于確定指標權重,需要將19個指標分層考慮。圖2是分層結果。

圖2 汛期水位方案三層模糊優選系統

3.2 確定第一層相對隸屬度向量

①確定目標值矩陣

最高水位單元系統有2%、1%、0.33%、0.1%、0.1%,PMF洪水的調洪最高水位特征值,結合表1,待優選的P個方案之m個指標特征值可構成該單元系統的指標特征值矩陣：

②計算目標優屬度向量

庫水位指標值屬于中間型,所以按式（5）計算目標值優屬度,結果如下：

③確定權重向量

假定各頻率洪水權重相同,則：

④計算方案優屬度向量

根據式（7）計算方案優屬度向量：

該方案優屬度作為上一層次的指標優屬度,進一步優選。

⑤計算第一層其他單元系統的方案優屬度向量

對于最大泄量、沈陽組合流量、興利效益等單元系統,各指標值均屬于中間型,按公式⑥計算目標值優屬度。

取權重向量分別為：

得方案優屬度向量分別為：

3.3 確定第二層相對隸屬度向量

根據多層多目標模糊優選模型,下一層的輸出作為上一層的輸入。因此第一層的方案優屬度即作為第二層的指標優屬度。第二層有兩個單元系統,防洪目標的指標優屬度矩陣為：

得方案優屬度向量：

其中,權重向量W21=（0.3333, 0.3333, 0.3333）

興利目標的指標優屬度向量為：

方案優屬度向量：

3.4 確定最高層相對隸屬度向量

第三層為最高層,根據公式（2）,第三層的指標優屬度即第二層的方案優屬度。則：

若兼顧防洪與興利要求,權重可能取為W31=（0.5000, 0.5000）則：

3.5 不同權重下的優選結果

結合實際情況討論不同權重下的方案優屬度。考慮到大伙房水庫的設計標準和防洪任務,則設計洪水、PMF洪水最高水位權重應大,農田2%、撫順1%、沈陽0.33%下泄流量權重應大。經以上分析,第一層最高水位、最大泄量與沈陽組合流量單元系統中,權重向量可能分別為：

最高層方案優屬度,根據防洪與興利的側重點不同而得表2中不同結果。

表2 不同目標權重下的優選結果表

從計算結果可知,隨著防洪目標的權重從0.3 增加到0.7,主汛期汛期水位126.4 m的方案和防洪方案的優屬度逐步增大,興利方案的優屬度逐漸減小,權衡方案128.0 m的優屬度逐漸增大,其他權衡方案優屬度逐漸減小；當防洪與興利目標取為等權重時,權衡方案（128.0 m、128.5 m、129.0 m）的優屬度要優于其他方案,較劣方案為主汛期汛期水位126.4 m方案與興利方案；對于5 個權衡方案,當汛期水位很接近于防洪方案的汛期水位127.9 m時,方案優屬度的變化規律與防洪方案的優屬度變化規律一致,而其他權衡方案優屬度的變化規律與興利方案的優屬度變化規律一致。

3.6 推薦方案

根據對方案優選的結果,當后汛期汛期水位較低時,如127.9m,水庫的防洪壓力較小,當汛期水位抬高時,效益增加很明顯；而當后汛期汛期水位過高時,如高于130 m,隨著汛期水位的提高,水庫的效益增加很緩慢,當超過130.5 m時不再增加,相比之下,防洪壓力卻越來越大。權衡方案（128.0 m、128.5 m、129.0 m）兼顧了防洪與興利要求,這三種方案的各項指標值處于防洪方案與興利方案中間,所以當防洪與興利的權重發生變化時,這幾種方案的優屬度都很大。大伙房水庫是一座防洪、供水等綜合利用的大型水利樞紐工程。通過分析,一般情況下推薦權衡方案（128.0 m、128.5 m、129.0 m）；只有在側重防洪時,才推薦防洪方案（127.9 m）。

4 結論

通過開展大伙房水庫后汛期水位動態變化調度方案優化研究,推薦方案能夠有效指導大伙房水庫汛期調度,使水庫發揮了最佳效益。由于水庫汛期受到的影響因素眾多,結果當水庫實際運行時,還需要根據當時的各種條件做相應的微調,但從實際運行總的趨勢來看基本沒有變化,進一步說明了推薦方案成果是合理的。隨著氣候、降雨及徑流等因素的變化,調度方案要做定期的復核,同時管理部門要加強實際運行時水庫的調度。結果可為大伙房水庫防汛、調蓄調度相協調且發揮最大效益提供有意義的指導。