梯级水电站水库水沙联合优化调度研究进展

水沙联合调度由于其多目标特性和求解的复杂性,一直都是水库调度中的难点。文中详细阐述梯级水库水沙联合优化调度的基本理论,并介绍了水库优化调度子系统和水库泥沙冲淤计算子系统,总结了水沙联合调度中多目标的选取、目标函数的建立及约束条件的制定等。探讨梯级水库水沙联合调节计算的常规算法和智能优化计算方法,并对子系统间的耦合机理、水沙的链接方式、多目标的处理方法等水沙联合调度中的关键问题进行了分析,提出了梯级水库水沙联合调度研究中一些有待深入研究的问题。建立水库群水沙联合优化调度模型,来定量地描述梯级水库联合调度运行规则、泥沙输移变化规律,实现兴利、防洪、泥沙输移等的最佳协调,成为有待进一步研究的重点。     

黄河三门峡工程的改建效果分析

三门峡水库是万里黄河上兴建的第一座大坝,由于规划上有一定失误,在水库建成运用初期,泥沙淤积严重,库容损失,潼关河床淤高,黄、渭、洛河两岸大片农田盐碱化范围扩大,不但严重威胁关中和西安的安全,而且水库有报废的危险。针对三门峡工程出现的问题,本着“既要确保黄河下游,又要确保关中”的原则,对枢纽工程进行两次改建,扩大泄流规模,制定了“蓄清排浑控制运用”方式,恢复和保持了一定的库容,潼关河床高程有所下降,淤积末端延伸也得到控制,并充分发挥防洪、减淤、防凌、灌溉、供水、发电综合利用效益。虽然三门峡工程在规划上有失误,但工程修建还是必要的,并且工程的改建也是成功的。     

水库多目标调度模型及算法研究

协调水库发电、灌溉和生态环境效益是众多水库决策者面临的棘手问题。本文以考虑发电保证率要求的总发电量最大、下游灌溉和生态流量需水满足度最大为目标建立水库多目标调度模型,以动态规划和离散微分动态规划为计算核心,在分别对发电保证率、灌溉需水满足度和生态环境需水满足度建立惩罚函数的基础上,提出求解多目标模型的变惩罚系数法(VPC),并应用VPC法进行模型求解,通过筛选得到多目标非劣解的Pareto前沿。通过与非支配排序遗传算法II(NSGA-II)计算结果进行对比,表明VPC算法可以得到更高质量的非劣解集。实例研究表明,该模型和求解方法具有较好的适应性和较强的实用价值,可以为水库调度管理者提供重要的决策参考。     

多沙河流水库水沙联调多目标规划研究

本文利用多目标规划的思想方法 ,结合遗传算法和神经网络方法建立了多沙河流水库水沙联调的多目标规划模型 ,并采用神经网络预测方法计算水库泥沙淤积量。该模型为协调水库发电效益和排沙减淤之间的矛盾提供了一个新的途径 ,所提出的算法是建立在非线性整体求解的理论基础之上的 ,因此可以克服动态多目标规划的“维数灾”。实例研究表明 ,本模型可以较好的模拟和优化水库运行状态。     

小浪底水库拦沙期黄河引水对河道泥沙输移影响机理探讨

影响河道泥沙输移效率的因素众多,如水沙协调性、泥沙组成、引水规模、河道形态等。引水对河道泥沙输移会造成增淤或减淤,其增减淤量随水沙条件、分流比、河道边界等因素而变化,本文从黄河泥沙输移规律出发,探讨了不同水沙和冲淤条件下,引水规模对黄河冲积性河道泥沙冲淤调整的影响,量化了增(减)淤判数与分流比、泥沙输移比之间的关系。成果对黄河引水方案的科学制定及引水工程的运行调度具有参考价值。     

考虑未来径流变化的丹江口水库多目标调度规则研究

气候变化会引起水文循环和入库径流变化,改变当前水库各调度目标的制约关系,影响水库调度规则。考虑未来径流变化对水库调度的影响,推求相应的水库多目标调度规则对未来水库管理有着重要意义。本文以丹江口水库为例,建立了考虑未来径流变化的多目标优化调度模型。以全球气候模式(GCM)模拟结果作为未来气候变化情景,将降尺度处理后的气象要素输入可变下渗能力(VIC)模型预测丹江口水库未来入库流量序列,采用非支配排序遗传算法(NSGA-II)算法推求多目标调度函数集,结合设计的水库调度图得出兼顾丹江口水库供水和发电的多目标调度规则。通过对比分析发现,目前的调度规则不能很好地适应未来径流变化,而考虑未来径流变化的多目标优化调度规则能有效协调供水和发电的矛盾。以发电和供水为主两种不同调度规则对各目标的影响存在差异,其中主要考虑供水的调度规则能显著提高(18.7%)水库的供水量。     

基于鲶鱼效应粒子群算法的水库水沙调度模型研究

水沙优化调度具有多目标、高维、非线性和难以求解的特点,在统筹考虑泥沙淤积、发电量目标和优化调度决策变量的基础上,建立水库水沙多目标优化调度模型,采用全局搜索能力和收敛性较强的鲶鱼效应粒子群算法求解。该模型较好的整合了模型中的目标和待优化决策变量,为水沙优化调度模型研究提供了一个新的途径,所提出的算法克服了粒子群容易陷入局部最优的缺点,可以有效的处理维数灾和复杂约束问题。实例研究表明,在给定的泥沙淤积量阀值和考虑汛期排沙的条件下,针对来水来沙情势有目的提前蓄水可以很好的解决发电和排沙减淤的矛盾,同时也验证了模型及算法的有效性和通用性。     

不同量级洪水对黄河下游游荡段冲淤变化的影响

小浪底水库运用后,改变了进入黄河下游的水沙条件,引起了下游河道的再造床过程。以小浪底水库调控后的不同水沙过程为基础,研究这些不同水沙组合洪水在下游河道的演进过程及其对冲淤变化的影响,可为黄河下游“二级悬河”治理提供科学依据。文章首先介绍了模拟黄河下游游荡段实际断面形态下洪水演进的一维水沙耦合模型,并利用黄河下游1982年5—10月实测洪水资料对该模型进行了验证,计算所得流量过程、含沙量过程及沿程最高水位等均与实测值较为吻合;最后采用该模型计算了水沙总量相同条件下,不同量级洪水过程在下游游荡段的演进过程,分析了不同量级洪水对河床冲淤变化的影响。结果表明：不同水沙过程对下游游荡段冲淤变化有明显影响,洪峰流量为10000 m3/s及相应含沙量为60 kg/m3的水沙过程在下游游荡段淤积量最大,洪峰流量为4000 m3/s及相应含沙量为30 kg/m3的水沙过程在下游游荡段淤积量最小。从淤滩刷槽的综合效果看,洪峰流量为6000 m3/s及相应含沙量为40 kg/m3的洪水过程对于下游游荡段河床调整较为有利。     

水库供水期的多目标优化调度具有长期预报的最优调度一般规律

本文针对水库设计供水期保证电量计算方法存在的问题,和发电与灌溉用水等矛盾,应用系统工程多目标决策,和增量动态规划与分析相结合的方法,提出了能使电力系统基建投资省、保证电量大、和灌溉用水多的综合利用效益高的优化方案;同时还得出了具有长期予报的水库供水期最优调度的一般规律,应用该规律能迅速方便地得出最优方案。     

基于免疫粒子群算法的水沙调度模型研究

本文利用多目标规划的思想方法,结合免疫粒子群优化算法建立了水库水沙联调的多目标规划模型.该模型为协调水库发电效益和排沙减淤之间的矛盾提供了一个新的途径,所提出的算法是建立在非线性整体求解的理论基础之上,因此可以克服动态多目标规划的"维数灾".实例研究表明,本模型可以较好地模拟和优化水库运行状态.     

基于最优控制理论的水库排沙调度优化研究

我国各类水库面临的泥沙淤积问题十分严重,泥沙淤积不仅减少水库的兴利库容、缩短水库使用寿命,还会带来其它一系列包括生态、环境等在内的问题,处于多沙河流上的水库,这一问题尤为突出.因此,对于增强水库排沙减淤的调度运行方式的研究具有重要意义.本文利用最优控制理论,研究了多沙河流水库排沙减淤的优化调度运行方式,并通过实测水沙资料进行计算.由计算结果可以看出,经最优控制理论优化后的水库调度运行,其排沙比大幅度提高,减淤效果明显,可以作为水库排沙优化调度的一种有效手段.     

一维水沙耦合模型参数敏感性分析——以2020年黄河下游洪水演进为例北大核心CSCD

一维水沙输移及河床冲淤模型中有较多理论上尚未解决的参数,而这些参数对一维模型精度的影响缺少定量分析。本文首先介绍了一维水沙耦合动力学模型,并将其应用于2020年汛期黄河下游的水沙过程模拟。计算结果表明:该模型能准确模拟水位和流量的变化,纳什效率系数基本大于0.85,均方根误差比相应的实测特征值小一个量级;计算沙峰虽然偏大,但计算的含沙量过程与实测过程整体符合,且模型计算的分河段冲淤量与断面地形法实测值较为接近。为分析模型中经验参数对模型计算结果的影响,以水文断面特征水沙参数的纳什效率系数作为目标函数,采用Sobol全局敏感性分析方法计算了各经验参数的敏感度指标。计算结果表明:糙率的总敏感度指标较高,是模型的高敏感参数;目标函数的选取对参数敏感度分析有一定影响,以含沙量纳什效率系数为目标函数时,挟沙力公式的系数及淤积时恢复饱和系数公式中指数的一阶敏感度和总敏感度指标较高;各参数组合对不同目标函数的影响差别较大,但对于同一目标函数存在影响作用相似的参数组合。全局敏感性分析方法刻画了模型参数的敏感性特征,有助于优化水沙数学模型参数取值。     

特约文章：三峡水库下游河床冲刷与水位变化

为探析三峡水库下游河床冲淤与水沙输移之间的关系以及河床冲淤对洪枯水位的影响,采用三峡水库运用前后长江中下游水文泥沙和河道地形资料,分析归纳了主要水文站水沙变化、沿程河道冲淤分布和洪枯水位变化特征。研究表明：冲刷集中于枯水河槽既与洪水频次减少、中等流量持续时间加长有关,也与中等流量下河道冲刷率大、洪水流量下河道冲刷率小的特点有关;主冲刷带自上而下推移,目前仍位于荆江河段;粗沙（d > 0.125 mm）的年均输移量至监利基本可恢复至蓄水前的多年均值,城陵矶以下长河段冲刷主要是细颗粒冲刷导致;河道冲刷导致中枯水位明显下降,并在城陵矶以上沙质河段呈现加速下降趋势,但当流量大于平滩流量附近的临界值时,高水位变化不大,初步预估这种变化特点将在较长时期内保持。     

黄河水沙变化与治理方略研究

"水少沙多,水沙关系不协调"是黄河复杂难治的症结所在。本文在黄河治理历史回顾的基础上,分析了近几十年来黄河水沙变化及河道冲淤演变特征,针对黄河水沙大幅减少、河道淤积萎缩、"二级悬河"加剧、滩区发展与治河矛盾日益突出等问题,明确了新水沙条件下黄河治理的总体思路,提出了黄河治理方略"调控水沙关系、改造下游河道",以及相应采取的治理措施"建设黄河水沙调控体系、塑造与维持黄河基本的输水输沙通道、中游降低潼关高程、下游改造河道、河口相对稳定流路"。论文试图为黄河综合治理、长治久安提供科技支撑。     

多沙河流水库下游河道水面线预测推求方法的探讨

多沙河流河床冲淤强度大、河势多变。在水面线预测计算时不但要考虑现状河床边界与水流条件,还要考虑未来的河床变化及水位的相应影响,特别是有水库调控的河流下游更是如此。本文阐述了多沙河流水库下游河床演变调整特点,分析了受水库运用影响的河床反馈调整四个阶段与时间节点;深泓点高程调整可以用反映来水来沙及时间等因素的多因子分段函数表征。基于河床反馈调整的边界响应模式,提出了预测年河床边界条件的分时段处理和推求预测年水位流量关系的方法。利用提出的响应模式,进行了黄河小浪底水库下游河段的水面线预测计算。水面线成果较好地反映了河床调整对洪水位的影响,验证比较合理可信。     

三门峡水库历史、现状与未来汛期运用问题

综述了三门峡水库的建设缘由、水利枢纽工程的增建与改建、水库运用与潼关高程的关系、对潼关高程问题采取的主要措施、水库的水沙调节特点与能力以及水库在当前黄河调水调沙中担负的重要作用。通过对汛期水库运用方式的分析,认为现行的“洪水排沙、平水发电”方式是合理的,洪水量大幅度减少是造成潼关高程问题的根本原因,汛期平水敞泄排沙效果差,会造成一系列负面影响。未来汛期水库实时敞泄可从补充方案中选取,即依据年度累计淤积量、汛期时段分布和水库净排沙比变化等进行敞泄,以实现当年库区少淤多冲或冲淤平衡,潼关高程下降或稳定,达到多     

黄河上游不同用水情景下可调输沙水量概念探析与估算分析

近年来,黄河上游水沙关系不断恶化,造成沙漠宽谷河道淤积、萎缩现象日益突出,严重制约和影响了黄河上游防凌安全及水能资源综合开发与有效利用。黄河上游梯级水库的联合调度运行,是缓解河道泥沙淤积、发挥水库水沙调控效益、从而提高危险断面过流能力的有效技术措施之一。此文在初步探析黄河上游可调输沙水量基本概念的基础上,阐明了可调输沙水量与水库可调水量之间的相关关系,进而通过计算黄河上游龙羊峡水库1987~2010年可调水量,探讨了满足综合用水需求和发电用水需求两种情景模式下的黄河上游历年可调输沙水量及水库水沙调控效益。结果表明:满足黄河上游综合用水需求情景下,龙羊峡水库富余水量可完全满足下游河道输沙用水需求;满足发电用水需求情景下,发电用水不能集中下泄,导致水库水沙调控效益不明显。若需实现河道调水调沙任务,则应适当降低电站出力需求。研究成果为进一步缓解黄河上游水沙关系、制定水沙调控方案提供了科学合理的理论指导依据。     

异重流过程的梯级水库优化调度研究

多泥沙河流上的梯级水库建成后,水库异重流过程就具备了人为可控的条件.相比其他人工干预的输沙方式,异重流具备优良的输沙特性,因此调度部门可以通过水库梯级调度的手段控制异重流的产生和发展,实现防渗、减淤、排沙、调节下游河道等综合利用目标.本文通过研究黄河小浪底水库建成以来的异重流排沙过程和调度方案,建立了适于不同目标和预案的异重流过程梯级水库联合调度模型,并利用BP神经网络对模型求解.最后通过算例对2006年的人工塑造异重流调度过程进行了模拟和优化.结果表明,该模型可以反映调度过程中主要指标的相互关系,对异重流调度的决策有一定的支持作用.     

黄河下游河道河床阻力计算研究评述

河床阻力是河流动力学基本问题之一。黄河下游含沙量高,泥沙颗粒较细,河床调整变化快,水沙条件的特殊性和河道形态频繁剧烈的变化给准确计算河床阻力带来很大困难。过去针对黄河下游特性的河床阻力计算已有较多研究成果,但黄河下游水沙及河道特性本身难以把握,床面形态测量难度大,导致目前河床阻力计算研究成果仍较为分散,未能从理论和计算方法上取得较好的共识。本文分析了影响黄河下游河道河床阻力大小的因素,对河床阻力计算研究方法进行总结,并指出进一步研究的方向。     

大渡河瀑布沟以下梯级电站发电及水沙联合调度方案研究

大渡河中游控制性水库瀑布沟电站的建成投运为下游电站解决长期以来的泥沙淤积问题提供了新的契机。针对大渡河干流年来水时空分布特点,利用瀑布沟水库对径流的调蓄与拦沙作用,充分发挥流域统一调度的优势,提出了解决下游水库泥沙淤积的联合调度减淤方案。利用扩展一维模型,对实施联合调度后各库减淤变化进行了模拟分析,数据显示联合调度减淤方案有助于改善下游水库长期的淤积问题。