长江上游水库群多目标优化调度模型及应用研究Ⅰ:模型原理及求解

水库群调度中发电与供水、生态等目标既非完全对立也非完全协调,其优化调度决策非常复杂。本文以长江上游15座大型水库群联合调度为背景,研究建立了包含发电、河道外供水和河道内生态用水等目标的非线性优化调度模型,以逐步优化算法(POA)为基础,引入优化窗口(L)和滑动距离(l)两个参数,提出了扩展型逐步优化算法(E-POA)以提高非线性模型的求解效率与效能。经与线性全局优化策略相比,E-POA方法有效、解集合理。长江上游15座大型水库长系列联合多目标调度计算结果表明,水库群调度在发电、供水、生态等目标存在不对称博弈关系,河道外供水与河道内生态用水竞争强烈,发电与河道内供水竞争较弱。当优化计算的总发电量为总设计发电量的96.3%时,系统的发电量、河道外供水和河道内生态用水目标可达成较好的协调统一。多年平均条件下,15座水库群联合调度的总期望发电量为2625.8~2 700.1亿kW·h,略小于总设计发电量。     

长江上游水库群多目标优化调度模型及应用研究I：模型原理及求解

水库群调度中发电与供水、生态等目标既非完全对立也非完全协调,其优化调度决策非常复杂.本文以长江上游15座大型水库群联合调度为背景,研究建立了包含发电、河道外供水和河道内生态用水等目标的非线性优化调度模型,以逐步优化算法(POA)为基础,引入优化窗口(L)和滑动距离(l)两个参数,提出了扩展型逐步优比算法(E-POA)以提高非线性模型的求解效率与效能.经与线性全局优化策略相比,E-POA方法有效、解集合理.长江上游15座大型水库长系列联合多目标调度计算结果表明,水库群调度在发电、供水、生态等目标存在不对称博弈关系,河道外供水与河道内生态用水竞争强烈,发电与河道内供水竞争较弱.当优化计算的总发电量为总设计发电量的96.3％时,系统的发电量、河道外供水和河道内生态用水目标可达成较好的协调统一.多年平均条件下,15座水库群联合调度的总期望发电量为2 625.8～2 700.1亿kW·h,略小于总设计发电量.     

基于动态规划的紫坪铺水库发电优化调度模型研究

紫坪铺水库是我国特大型都江堰灌区的水源工程,担负着成都、德阳、绵阳等7市37县(区)综合供水和成都地区的防洪任务,兼有发电、生态环境保护等综合效益,直接受益人口2600多万人,是我国西部大开发首批十大标志性工程之一。针对紫坪铺水库发电优化调度问题,按照实际调度情况,运用动态规划算法,建立了以防洪、供水、工程安全运行为约束条件,以发电效益最优为目标函数的紫坪铺水库发电优化调度模型,模型可为紫坪铺水库发电优化调度提供决策依据。     

基于二层规划的水库主从目标调度模型及应用研究

随着经济社会发展,水资源供需矛盾突出,如何协调供水、发电等目标成为了水库调度的关键问题。一般模型将多目标调度概化为具有单一复合目标的唯一决策者,忽视了各职能部门间的领导服从层次关系。为此,研究基于二层规划理论,将各部门视作多决策主体,建立了上层以供水量最大为目标,下层以发电量最大为目标的优化模型。实例研究表明,该模型的上层供水目标得以优先保障,且兼顾了下层发电效益,反映了发电调度服从供水调度的决策机制。     

基于改进NSGA-Ⅱ的黄河下游水库多目标调度研究

水库兴利、防洪和生态等目标之间既非完全协调也非完全对立,这是多目标间协调的物理基础。本文综合考虑水库不同目标间的矛盾性和统一性,构建考虑生态和兴利的水库多目标优化调度模型,为提高模型求解效率,本文提出了一种基于个体约束和群体约束技术的改进快速非劣排序遗传算法(ICGC-NSGA-Ⅱ)。以黄河下游小浪底-西霞院梯级水库为例进行多目标优化调度,综合考虑下游不同时期各生态功能用水和综合利用需求,建立黄河下游梯级水库多目标调度模型,并采用ICGC-NSGA-Ⅱ求解,探究水库的供水效益、发电效益和生态效益之间的关系。实例研究表明,改进算法能在较短时间内获取一组反映多目标间非劣关系的调度方案集。黄河下游生态、综合供水和发电效益之间存在不对称竞争关系,一方面随发电量增加,生态供水和综合供水保证率均呈下降趋势;另一方面发电和生态供水竞争强烈,而与综合供水竞争关系较弱。研究成果可为制定黄河下游多目标共赢的调度方式提供理论基础和决策依据。     

跨流域引水期间受水水库引水与供水联合调度研究

针对跨流域引水工程中受水水库引水与供水联合调度问题,建立了供水量最大与引水效率最高的多目标联合调度模型,并将其分解成两个单目标调度模型,应用长系列模拟优化的方法,求解受水水库引水与供水联合调度图及其调度规则。以大伙房水库输水应急入连工程规划为基础,采用本文建立的模型方法对其受水水库碧流河水库进行实例研究,先后求解引水期间水库最大可供水量以及如何高效引水的问题。结果表明,进行联合优化调度后,可提高跨流域引水的有效性,从而增加受水水库的综合效益。     

水库供水发电多目标优化调度模型及应用研究

提出了一种研究确定水库最优供水量的多目标水库优化调度数学模型,此模型以供水量最大和发电量最大为目标函数,考虑水量平衡、防洪、发电、航运及水库综合利用要求约束条件.提出一种交互式的求解方法对模型进行解算,此方法首先采用约束法,通过松驰供水量最大目标将多目标模型转换成多个单目标模型,在单目标模型中引入2个参数,用于调整模型的计算结果.对单目标模型,采用动态规划法求解,求得多目标模型的不劣解集.提出一个用于选择多目标最优解的决策偏好系数,对多目标模型的不劣解集进行对比分析,从而确定多目标模型的最优解.应用所提出的方法研究了广东省白盆珠水库的调度方案,提出了白盆珠水库的最优供水方案.     

基于NSGA-Ⅲ的黄河上游梯级水库多目标调度研究

为适应梯级水库群高维多目标模型求解需要,引入第三代非支配遗传算法.以黄河上游梯级水库群为研究对象,综合考虑防洪、防凌、供水、发电、生态等调度任务,建立了发电-供水多目标模型.选择典型枯水年径流资料开展多目标模型优化计算,结果表明该算法可有效解决梯级水库群高维多目标模型计算问题.基于多目标解集分析黄河上游多用户需水关系,...     

寺坪水电站优化调度模型

随着社会经济的快速发展,水资源供需矛盾日趋尖锐,如何合理调度有限的水资源已成为水资源管理中的现实而紧迫的任务。通过进一步研究水库调度的机理,采用非线性规划作为优化求解方法构建了水库优化调度模型,非线性规划结合了线性规划和动态规划各自的优点,并将水库调度中的各种因素融入数学模型中,较准确地计算模拟期间各种优化变量数值条件下的目标函数值,并比较得出最优值。之后,基于多目标思想,给出了一组Pareto前沿解集,通过寺坪水电站的应用,构建不同的目标函数,得到一系列决策方案,以便决策者选择偏好的决策方案。     

并联供水水库联合调度规则最优性条件研究Ⅱ：算法开发与实例研究

利用水库调度问题的特征开发高效求解算法是水库优化调度问题算法研究的核心内容。本文以两阶段调度问题与多阶段调度问题应保持最优策略集的一致性作为假设条件,基于本文上篇中并联供水水库两阶段调度问题的最优性条件(K-T条件),设计了该类水库调度问题的优化求解方法,并通过两阶段调度模型的滚动运行,实现并联水库系统长时序优化调度的目的。以辽宁省碧流河水库与英那河水库为例,开展了并联供水工程研究,结果表明:新的算法具有合理性与有效性,较由限制供水规则与参数式规则组合构成的并联供水水库联合调度规则,显著改善了用水户缺水状况,提高了供水保证率。     

山区中小型水库滑坡堵江预测及负效应分析

库区滑坡失稳易引起堵江事件,而堵江堰塞坝的高度则直接影响水库能否正常运营调度,特别是对中小型水库而言。综合前人对滑坡堵江的研究成果,以西南山区某中型水库库区滑坡堆积体为研究对象,假设滑坡失稳堵江为完全堵江,对滑坡堵江可能性进行预测,着重选取三种方法对滑坡堵江的高度进行预测,并讨论了滑坡堵江的负效应,从而完成对库区滑坡堵江的风险性预判。以此初步建立了针对山区中小型水库滑坡堵江预测的研究思路,以期为此类问题的分析提供参考。     

潮白河地下水调蓄区水岩作用过程模拟

南水北调中线工程通水后,将有部分结余水量用于补给潮白河地下水调蓄区。由于南方地表水(以下简称南水)与北京当地地下水的水质存在一定差异,回灌过程中很有可能发生水岩相互作用。研究以潮白河地下水回灌区为例,通过静态摇瓶实验和水文地球化学模拟等研究方法,对南水补给北京深层地下水过程中产生的水岩作用过程和水质影响程度进行分析评价。研究结果表明:南水回灌过程中,地下水的主要离子成分会受到硝化作用、阳离子交换作用及包气带矿物质溶解等作用的综合影响。两种水混合过程中,土壤矿物相中的方解石和白云石不断溶解,Ca2+、Mg2+浓度逐渐升高,反应过程中还伴随强烈的阳离子交换作用,主要为Na+与Ca2+、Mg2+的交换。南水比例越大,溶解氧促进硝化作用越明显;在硝化作用和碳酸平衡的共同影响下,地下水的pH值呈现先降低后升高的趋势。     

洪水事件对碧流河水库水质影响

受全球气候变化的影响,暴雨洪水事件发生频率呈增加趋势,水库作为流域内重要的控制性水利工程,洪水过程中水质安全面临严重威胁。以碧流河水库为例,对建库以来7场典型洪水前后水质状况进行分析,结果表明,洪水过程能够减弱碧流河水库水体的热分层结构,影响溶解氧垂向分布;洪水过程影响较大的水质指标为六价铬、大肠菌群、高锰酸盐指数、氨氮和总磷,洪水过后上升趋势较为明显;空间上来说,洪水对入库口断面的影响大于对坝前断面的影响,碧流河水库地形特征能够减弱洪水异重流对坝前水质的影响;评价结果显示洪水过后碧流河水库水质变差,但整体上能够满足地表水环境质量标准中水源地要求;洪水期间入库污染物主要来自流域非点源污染。分析认为,通过源头治理、入库口拦截、合理调度等措施可以减轻洪水事件对水库水质的影响。     

考虑水文情势变化的黄柏河流域纳污能力

水体的纳污能力是指在满足水功能区水环境质量达标的基础上,水体最大允许的纳污量,其精确核定对水资源合理开发利用与有效保护具有重要的现实意义。水利工程、人类活动等使河流原有水文情势发生了不同程度的改变,水文情势变化影响下的纳污能力精确核定现已逐渐成为当前亟待研究和解决的问题。以长江流域的黄柏河为例,选取汇入支流、水库和调(引)水工程3个主要影响因素分析了对河道水文情势及其对纳污能力的影响,根据水文情势的差异性变化提出了相应的纳污参数确定方法,并基于一维水质数学模型计算得出黄柏河流域水体的纳污能力,最后以典型区段黄柏河东支保护区为例与传统法的纳污能力结果进行了对比分析。结果表明考虑水文情势变化的纳污能力研究中所提出的纳污参数确定方法在一定程度上有助于水域纳污能力的准确核定。研究结果可以为区域有效保护水资源,防治水污染,改善水环境提供一定的技术参考。     

仙居抽水蓄能电站地下厂房振动 数值模拟分析与安全评价

厂房振动问题为抽水蓄能电站设计关键,以仙居抽水蓄能电站为实例,对地下厂房进行共振复核和振动反应分析评价,在总结国内外控制标准的基础上,提出了适用该工程的振动控制标准建议值。有限元计算分析表明,机墩结构竖向振幅稍大,需要在结构设计中予以关注;厂房整体结构和主要构件的共振复核满足要求,地下厂房发生共振的可能性较小。振动最大位移、速度和加速度响应幅值均满足所拟定控制标准要求,其中立柱结构的振动均方根加速度偏大,但频率计权加速度幅值较小,可满足要求。针对立柱等局部构件振动反应偏大的情况,探讨了局部加固措施对降低振动强度的有效性,为同类型厂房抗振动优化设计提供参考。     

溃堤洪水的二维水动力模型及其应用

为了减少堤防溃决造成重大的生命财产损失,加强防洪减灾非工程措施建设,建立了溃堤洪水的二维水动力模型,对溃堤洪水的精细化仿真模拟。该模型考虑了溃堤口门展宽变化,局部网格加密处理,并采用干湿水深理论与热启动技术对模型进行优化。将该模型应用于黄河内蒙段南岸灌区的溃堤洪水演进模拟,利用2008年杭锦旗奎素段实际溃堤数据对所建模型进行验证,结果表明:流场分布均匀且光滑,计算结果合理可靠,模型具有较高的计算精度及可靠性。采用该模型模拟了沙圪堵工程与奎素段堤防同时溃决的情形,并绘制了洪水风险图,为该地区防洪风险管理决策提供了重要的技术支持。     

粒子追踪迹线长度的灵敏度分析及 地下水源地保护区划分 -以甘河子地下水水源地为例

地下水水源地的供水安全对保障居民安全用水和保护地下水具有重要意义,合理地划分地下水水源地保护区,对水源充分利用和水质保护有着重要作用。以甘河子地下水水源地为计算背景,采用数值模拟的方式建立水源地地下水流模型,基于Morris方法,对渗透系数和有效孔隙度对粒子追踪迹线长度的影响进行局部和全局灵敏度分析。利用ArcMap,分别对根据局部、全局灵敏度计算出的粒子追踪迹线长度进行一级、二级地下水源地保护区初步划分,作为日后根据当地实际情况进行多方协调、最终确认保护区范围的基础,并分析不同分析方法、不同影响因子对保护区面积的模拟结果的影响。结果显示,全局灵敏度与局部灵敏度并非简单线性关系,并且相同条件下,有效孔隙度对于粒子追踪迹线长度和地下水源地保护区范围的影响程度均大于渗透系数。根据局部、全局灵敏度划分的一级、二级地下水源地保护区面积大小关系均为:局部灵敏度(参数为渗透系数)全局灵敏度局部灵敏度(参数为有效孔隙度)。     

基于组件模型的地表水资源配置系统设计

传统地表水资源配置系统往往针对特定的流域,缺乏扩展性和灵活性。将流域、水库、需水点、输水连接等水利要素分别抽象为组件,对河流采用Horton编码分级,使用拓扑排序和河流同步的方式解决水系网络的水力联系,以组件连接模式灵活地进行地表水资源模拟和优化配置,通用性高,扩展性强。新开发的系统可为水资源管理部门对生活用水、工业生产、农业灌溉、生态建设等规划、设计以及管理提供技术支撑。     

河北省井灌区灌溉用水与耗能变化规律研究

开展农业灌溉节水、节能研究既是支撑区域农业可持续发展必然要求,也是支撑国家节能减排承诺的具体实践。受农业节水、地下水位下降的影响,河北省井灌区灌溉用水和灌溉耗能之间关系复杂,分析了1980-2015年河北省井灌区灌溉用水、灌溉耗能、地下水位变化等规律,得出以下结论:(1)地下水埋深与提取单方水耗电量呈幂函数关系,地下水埋深越大,地下水位下降带来灌溉能耗的增加幅度越来越大;(2)由于地下水位下降,每度电可开采水量从1980年的8m~3减少到2015年的0.9m~3,相比1980年2015年灌溉水量减少了13亿m~3,但是灌溉能耗增加了131亿kW·h。(3)1997年后由于灌溉水量减少而降低的能耗不足以弥补地下水位下降增加的能耗,由此导致1998-2015年每公顷灌溉能耗额外损失为20 850kW·h。本研究对指导河北省农业灌溉水-能关系协调发展提供有益的参考。     

滨海地区水资源多目标优化调度模型研究

针对滨海地区水资源系统的特点,以加权相对总缺水深度最小和系统供水总成本最小为目标,建立了平原河网、平原水库群和远距离调水工程体系的水资源多目标优化调度模型;利用多目标粒子群算法(MOPSO)求解,提出了各类约束条件的处理方法,并得到非劣解集;采用距理想解欧拉距离最小准则,得到最好权衡两个目标的最佳协调解,并取得相应的调度结果。以江苏沿海为背景开展实证研究,验证了所建模型和求解方法的有效性。