基于RBF代理模型和粒子群算法的水交换优化研究

良好的水交换对改善水环境、提高水域周边景观效果等具有十分重要的作用。而引水置换的方法对促进水交换效果显著,但利用数值模拟进行水交换研究耗时长、效率低,且人为改变参数的局限性大,不利于寻找最优的换水方案。为解决这一问题,基于径向基函数(简称RBF)代理模型建立水交换优化模型,并通过粒子群算法求最优解。以某人工岛游艇别墅区港池初拟方案为例,验证该方法的可行性和优越性。算例结果表明:（1）构建的基于RBF代理模型的水交换优化模型精度较高;（2）基于RBF代理模型的水交换优化模型计算1次所需时间量级为秒,而传统数值模拟计算的量级为小时;（3）通过粒子群算法,对建立的基于RBF代理模型的水交换优化模型求解,得到研究区域的最优换水方案。上述最优方案的结果与MIKE21水动力和对流扩散模型的计算结果相符。     

基于 BP 神经网络的调水工程调蓄水位预测模型

在调水工程中,如果泵站站前水位过低,会危及泵站安全,如果水位过高,会危及周边安全,因此探寻调水工程中河渠湖库水位变化显得尤为重要。以南水北调东线山东段南四湖为研究区域,寻求不同起调水位、出入流量、泵站开启时间差的调水方案下泵前水位变化规律。先利用耦合模型对不同的调水方案进行数值模拟,然后选取23组调水方案及其数值模拟所得的泵前水位作为样本训练BP神经网络,建立BP神经网络调蓄水位预测模型并进行验证,最后利用预测模型对不同调水方案进行泵前水位预测。结果表明,BP神经网络预测模型具有很强的预测能力,预测模型结果与耦合模型结果泵前水位基本吻合,水深相对误差小于9.15%,而模型计算效率提升96.67%。     

KRIGING-粒子群算法耦合模型在调水优化设计中的应用

以南水北调工程南四湖为对象,使用Kriging法代替一维-二维水动力耦合模型优化调度过程,通过精度检验,Kriging法具有较高的精度与一维-二维水动力模型计算结果具有较高相关性;使用粒子群算法获取最优调水方案,与初始方案相比,泵站运行时间节省195.8d,经济效益大大提升,与一维-二维水动力耦合模型相比,最大水深误差小于5cm,相对误差小于1%。     

泵站正向进水结构流场特性多目标优化研究

为提高引黄灌区水源含沙提水泵站进水结构流场稳定性,对泵站原型(泥沙淤积前)进水结构设计参数进行耦合协同优化。选取甘肃省景电灌区典型正向进水泵站为研究对象,确定流场特性评价指标与进水结构设计参数,基于仿真智能算法(PSO-BPNN)和多岛遗传算法(MIGA)构建PSO-BPNN-MIGA耦合优化模型,通过Realizable k-ε湍流模型耦合考虑相间滑移的Mixture多相流模型对最优方案进行模拟。由耦合优化模型得到的最优设计方案(OPT)为：扩散角θ=26.30°、总宽度B=26.46 m、底部纵坡i=1∶2.3、悬空高度C=1.05 m、淹没深度h_s=1.38 m、后壁距T=0.57 m; OPT方案评价指标预测值和计算值的偏差率均在10.00%以内;OPT方案下泵站进水结构内未出现明显旋涡回流区,泥沙淤积强度和淤积范围明显减少、水流流速较小、流线较为均匀。优化模型在泵站原型进水结构协调优化中较为可靠,可实现参数区间内的全局连续寻优,所得最优方案整体优化效果较好。本文提出的研究思路与方法可为类似泵站工程设计参数耦合协同优化提供参考方法借鉴。     

基于动态规划法的泵站优化运行研究

在中国目前的节能工作中,泵站的节能是占有一定比例的。而对泵站运行的优化研究,是泵站节能工作中至关重要的环节。文章以泵站系统效率最高为目标函数,建立梯级泵站系统优化运行数值仿真模型,基于动态规划法求解单级泵站流量优化分配模型,准确模拟调水过程,提出高效运行方案,研究成果对泵站优化运行研究具有一定的参考价值。     

遗传算法在大伙房跨流域引水工程优化调度中的应用

在大伙房水库跨流域调水工程规划成果的基础上,重点研究遗传算法在制定优化调水方案中的应用。结合调水工程实际情况建立了优化调水模型,然后用遗传算法对该优化模型进行求解,并解决了求解过程中遗传算法计算各环节的问题,得到了优化方案。与传统的长系列调节计算结果相比,在相同供水指标和保证率条件下,优化调度方案引水少、弃水也少,更优先地利用了当地(受水流域)的水资源。     

溃口近区二维数值模拟与溃坝洪水演进耦合

基于黏土心墙砂石坝的溃决过程,以及溃坝洪水传播和运动的特性,建立黑河金盆水库大坝溃口近区二维数值模型和下游地区溃坝洪水演进耦合数学模型。使用DAMBRK法计算逐渐溃坝,并应用其结果进行后续模拟。采用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分格式求解一维模型,采用单元中心的有限体积法求解二维模型方程。采用侧向连接方式,将黑河两岸计算水位点与二维网格单元相连,实现一、二维模型的耦合。采用所建立的二维模型对溃口近区进行计算与模拟,得到计算区域某一时刻的水深及流速分布。应用所建耦合模型对黑河金盆水库万年一遇入库洪水漫顶致溃坝洪水进行数值模拟,得到一维河道内各断面的水位和流量变化过程,以及二维计算区域内不同时刻的水深分布图、流速矢量图和淹没范围变化过程。溃口的形成过程不仅包括漫顶水流的直接作用,同时包括溃口形成过程中两侧漩涡状水流的反冲刷作用。耦合模型可以同时兼顾河道内的水流变化以及河道外计算区域内的洪水演进过程,从而减少由于计算结果偏大或偏小所带来的防洪资源浪费和防洪措施不利等不良影响。     

基于MIKEFLOOD阳澄湖一二维水动力耦合模型研究

针对河湖串联河网区湖泊水力边界受河网动态变化的影响,基于MIKE模型系统,建立了一维河网和二维湖泊水动力耦合模型,为阳澄湖引调水科学决策提供了工具。结果表明,应用MIKE FLOOD建立的MKE 11和MIKE 21耦合模型能够较好地模拟阳澄湖及外部河网的水位过程,模拟误差均在可接受范围之内,且模拟精度可满足计算要求。     

大型复杂跨流域调水工程电站-水库-泵站群多目标优化调度

考虑调水量、发电最大和耗能最小3个目标,建立电站-水库-泵站群多目标优化调度模型。基于参数调整策略、邻域变异和加速策略,提出了求解多目标优化调度模型的综合改进布谷鸟新算法并求解模型,获得了发电、调水、泵站耗能多目标Pareto解集。以引汉济渭大型复杂跨流域调水工程为实例,将该模型与模拟调度模型和NSGA-Ⅱ算法多目标优化调度模型的结果进行比较,结果表明,该优化调度模型的发电、调水、耗能、弃水等各项指标合理,具有相对优势。     

考虑预报误差的水库汛期弃水优化研究

为解决由于径流预报误差的存在导致的汛期水库弃水不确定性的问题,引入日中水库水位达标率的概念,建立考虑预报误差的水库汛期弃水优化调度模型,以日弃水量最小以及水位达标率最高为目标函数来表征方案的优劣,并基于NSGA2算法提出求解方法。模型用于官地水库汛期优化调度的结果表明,该模型能够在满足约束条件下有效得到不同非劣方案的弃水量以及水位达标率,为水电站工作人员更为灵活地进行决策、为汛期水库调度处理不确定性问题提供参考依据。     

单位扬程有功功率法泵站流量关系定线

基于水力学方法推导出单位扬程有功功率法,根据在南水北调东线全线试通水和南四湖生态应急调水的实测流量成果中的应用,表明该方法是一种使用简便、精度较好的泵站流量关系定线新方法,适用于泵站流量关系定线。     

流域洪水资源利用的理论框架探讨Ⅱ:应用实例

为验证本文上篇所建流域洪水资源利用模式的合理性与普适性,在南四湖流域开展实例分析。首先评价洪水资源利用现状与潜力,1974—2008年多年平均实际可利用量、现状利用潜力和理论利用潜力分别为14.67亿、2.88亿和7.33亿m~3,实际利用率为64.9%。然后针对防洪系统的组成要素,讨论二级坝汛限水位分期运用、湖西河系沟通调控等洪水资源利用方式的选择过程及其相应的实现途径。二级坝后汛期(8月21日—9月30日)汛限水位可从34.20 m抬高至34.35 m,增加兴利库容0.894亿m~3,湖泊高水位增幅0.020~0.026 m;提出的湖西河系沟通调控方案,可在几乎不增加防洪风险的前提下(1998年8月洪水),增加蓄水量1.358亿m~3。结果表明,集潜力评价、利用方式选择和风险效益综合评估于一体的流域洪水资源利用模式是合理、可行的。     

南水北调东线工程金湖站厂房布置研究

金湖站位于南水北调东线长江至洪泽湖段输水线上，其主要任务是供水、排涝和防洪，设计流量150m^3／s，安装灯泡贯流式机组5台套。该站采用堤身式布置型式，具有挡洪水位高，机组安装位置低，单机设计流量大，供排水扬程悬殊，周边地势低洼等特点。为协调好站区内外部环境，提供良好的运行管理条件，现从金湖站工程的具体条件出发，提出了四个厂房布置方案进行研究，经技术、经济比较，选择了地下式厂房的布置方案。     

考虑湖泊调蓄的引江济淮工程旬水量调度方案

为挖掘引江济淮工程沿线湖泊调蓄能力在保障供水、降低泵站输水能耗方面的潜力,开展考虑湖泊调蓄的 跨流域调水工程旬水量调度研究,构建考虑湖泊调蓄的泵站-湖泊多目标旬水量优化调度模型,并采用遗传算法进 行求解,以制定满足用水单元缺水量最少、泵站能耗最小和湖泊不平衡量最小的泵站-湖泊联合调度方案。分析 引江济淮工程调度运行的不同典型运行工况,以自流引江工况为例讨论考虑湖泊调蓄的旬水量调度方案的优势。 结果表明,考虑湖泊调蓄的调度方案能有效提高供水保证率、降低泵站总输水能耗,可为引江济淮工程运行调度 提供决策支撑。     

井群泵站经济运行方案研究

井群泵站运行方案的选择直接影响泵站运行费用。建立井群泵站水泵并联运行的非线性能量方程组,通过牛顿迭代法求解并联运行水泵工况点结合两部制电价计算出各运行方案对应的单方水耗电费。以井群泵站日运行耗电费最小为目标函数,建立了优化运行方案的线性规划模型。结果表明:优化运行方案中单方水耗电费低的方案所分配的运行时间长,符合预期;设计供水规模下优化方案比原方案节约日耗电费5.14%。对类似工程实现高效经济运行具有参考意义。     

常熟水利枢纽泵站水泵典型故障分析与改造

对常熟水利枢纽泵站主水泵近年来运行中发生的典型故障进行分析,找到发生故障的原因,通过水力计算和模型试验研究,制定泵装置优化设计方案,指导常熟水利枢纽泵站加固改造。采用理论分析与试验相结合的方法,对原水泵、流道结构以及运行工况等进行分析。通过原型泵的装置数模计算和性能试验,选择合适新的水力模型,并对原泵装置结构进行优化,改善了水流特性。对水泵结构和材料进行了优化和加强,提高水泵的运行可靠性。改造后泵站机组,运行稳定性大大提高,为"引江济太"调水引流的效益发挥提供了的保障。常熟水利枢纽泵站机组加固改造的成功为江苏沿江泵站运行管理和今后的改造,提供了借鉴。     

无锡水源地贡湖引水改善水质效果分析

为了分析“引江济太工程”对无锡市主要饮水水源地贡湖南泉水质的影响,建立了太湖二维水量水质模拟模型。在设定引水水质与水源地水质的条件下,针对常规和突发污染事故调度情况,模拟分析了引水枢纽望亭立交及梅梁湖泵站不同引水流量对南泉水源地水质的影响,掌握了水源地水质的恢复时间及恢复过程与引水流量的关系。研究结果可为水资源管理部门决策、优化工程调度、水源地供水安全保障提供科技支撑。     

Optimization on the VFDs’ Operation for Pump Units

The third Huaiyin pumping station in the South-to-North Water Diversion Project aims to solve the problem of lack of water. In order to save on electricity while satisfying the required flow demand, the operation optimization problem of the third Huaiyin pumping station is investigated, with a mathematical model set up to simulate the optimal daily operation, in which the pump units can have variable speed. After analyzing the characteristics of the mathematical model, an improved dynamic programming algorithm is presented to decrease the dimensions of the operation optimization problem and save electricity cost, which enables us to perform a practical engineering application. After discretization of the optimization problem has been achieved, the number of operational schedule sequences could be reduced and optimal scheduling could be achieved to save electricity costs by power constraint, classified enumeration constraint, feasible combination constraint and flow demand constraint. Through research and analysis of the working of the third Huaiyin pumping station, optimal operational scheduling of multiple pump units with variable speed operation using variable frequency drive (VFD) can lessen the electricity tariff significantly compared with dynamic programming with the successive approximation method and decomposition/aggregation-dynamic programming method. The operational electricity tariff is reduced by 7.71% by the improved dynamic programming algorithm in comparison with the benchmark scheduling. Simulation results demonstrate that the cost efficiency comes from variable speed operation with VFD and flow demand transfer from the time periods when a high electricity tariff applies to time periods of a low electricity tariff based on the time-of-use electricity tariff.