复杂水库群供水优化调度方法及应用研究

摘要

我国的大型江河流域已经或正在形成水库群联合开发利用总体布局，科学合理的水库群联合调度已经成为流域水资源优化配置与实时调控的关键，但随着水库群规模的增大水库群联合调度遇到新的难题，如复杂水库群中共同供水任务分配、水库群的优化调度求解、多目标优化调度决策等问题。本文以辽宁省东水西调中线工程为例，对上述三个问题从调度模型构建、模型优化求解、多目标决策制定三个层面开展研究，并对跨流域引水中人工引水的补偿作用机制进行探索性研究，主要研究成果有以下几个方面:
　　(1)从社会经济发展状况、供用水情况、水资源特点等多个方面分析辽宁省东水济西的水资源配置格局，基于长系列径流资料、用水资料对中线水利工程的来水、用水资料进行分析，概化中线水利工程及用水户的拓扑结构，明确中线工程的调度难题及目标。
　　(2)构建通用的水库群供水调度模型，确定调度规则的基本形式，将中线工程的原始调度目标转化为相应的目标函数，并给出约束条件及决策变量，最后结合现有的模型求解技术，分析其存在的问题并提出相应的解决策略。
　　(3)针对水库群多目标联合调度中决策变量多、求解难度大的问题提出了基于敏感性分析的降维优化方法。首先利用全局敏感性分析方法来挖掘各决策变量及其之间相互作用对调度结果的影响，在此基础上建立仅包含敏感变量的简化模型，求解简化模型得到Pareto解集，并将其作为完整调度模型的初始解，以达到降维及提高搜索效率的目的，并以辽宁省东水西调工程为例对方法进行验证。结果表明:Sobol全局敏感性分析方法可用于识别水库群多目标联合优化调度问题中决策变量的敏感度，且基于该敏感性结果的降维优化方法提高了搜索效率。
　　(4)针对复杂水库群共同供水任务分配的难题，提出了基于补给限制线的补偿调节法，改善已有补偿调节法不考虑补水水库自身供水任务而导致补偿不足或过度补偿的问题;在此基础上进一步提出综合考虑当前库容、水库入流以及水库供水压力的动态分水比例法。两种分配方法能够合理划分共同供水任务，有效发挥库容补偿作用，避免了水库供水的深度破坏，同时在保证整体最优的基础上均衡了三个子系统的供水目标，使三个子系统的供水质量更加均衡，保证子系统之间的公平性，具有明显的优越性。
　　(5)多目标进化算法可以获得众多的非支配解，形成Pareto解集，但这给决策带来新的挑战，针对Pareto解集优选问题，提出一种基于改进拥挤度算子的权重组合设计方法，利用欧式距离来计算拥挤度，距离越远越不相似，进而保证权重组合的多样性;之后利用生成的权重组合从Pareto解集的968个解中选出13个解，为决策者提供一个决策表;最后基于公平性原则提供了推荐方案。
　　(6)连通条件下的水库的人工引水可以对天然径流形成补偿，降低其不确定性，受水水库可以以较小的库容对径流进行调蓄，以大伙房应急入连工程中的碧流河水库为例，探索性研究人工引水对天然径流的补偿作用。结果表明:人工引水对天然径流的补偿作用呈现非线性关系，水库的缺水指数与人工引水之间呈现典型的倒S型曲线;在这条曲线上存在两个拐点，拐点出现的位置受用水户需水量与天然径流控制;人工引水的加入可以降低水库的库容而不减小水库的供水效益，在碧流河水库的实例中，当人工引水量达到天然径流的54％时，仅仅需要原始水库库容的60％即可对入流进行调蓄，满足用水户的保证率要求。

目录

声明

摘要

主要符号表

1．绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外相关工作研究进展

1．2．1 水库(群)调度规则

1．2．2 水库群调度模型优化求解算法

1．2．3 水库群多目标调度与决策

1．2．4 存在问题与发展趋势

1．3 本文主要研究思路

2．研究实例概况及来水用水资料分析

2．1 研究区域概况

2．2 中线水利工程及用水户拓扑结构

2．2．1 中线水利工程

2．2．2 用水户拓扑结构

2．3 中线水利工程来水资料

2．3．1 来水资料三性审查

2．3．2 径流年内分配与年际变化

2．3．3 各库来水系列丰枯遭遇分析

2．4 中线水利工程用水资料

2．5 研究问题及目标

2．6 本章小节

3．水库群供水调度模型构建

3．1 引言

3．2 供水调度规则

3．3 调度目标

3．4 决策变量

3．5 约束条件

3．6 模型求解

3．7 本章小结

4．基于敏感性分析的水库群供水调度降维优化

4．1 引言

4．2 基于敏感性分析的降维优化方法体系构建

4．3 Sobol敏感性分析方法

4．4 水库群供水多目标优化调度模型构建

4．5 多目标优化结果评价指标体系

4．6 实例应用一

4．6．1 敏感性分析结果

4．6．2 多目标优化结果

4．6．3 调度图合理性分析

4．7 实例应用二

4．7．1 敏感性结果

4．7．2 优化结果

4．8 本章小结

5．复杂水库群中共同供水任务分配研究

5．1 引言

5．2 虚拟聚合水库构建

5．3 共同供水任务分配策略与方案设计

5．4 调度模型构建

5．4．1 目标函数

5．4．2 约束条件

5．4．3 决策变量

5．4．4 优化算法

5．5 结果分析

5．5．1 串联水库共同供水任务分配研究

5．5．2 并联水库共同供水任务分配研究

5．6 本章小结

6．基于权重组合设计的多目标Pareto解集优选决策

6．1 引言

6．2 基于改进拥挤度算子的权重组合设计方法

6．3 基于权重组合从Pareto解集中优选决策

6．4 权重组合的多样性分析

6．4．1 Pareto解集的多目标竞争协同关系分析

6．4．2 优选决策集的竞争协同关系分析

6．5 各目标对权重的灵敏度分析及决策制定

6．6 加权合成单目标方法与多目标Pareto解集方法的讨论分析

6．7 本章小结

7．人工引水对天然径流补偿作用的探索研究

7．1 引言

7．2 试验流域

7．3 假定说明与方案设计

7．3．1 假定说明

7．3．2 方案设计

7．4 人工引水与天然径流联合调度对供水的影响

7．4．1 缺水指数与人工引水量的关系

7．4．2 连续枯水年中缺水指数的变化规律

7．5 人工引水与天然径流联合调度对水库规模的影响

7．6 本章小结

8．结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介