大规模跨流域水库群供水优化调度规则

针对大规模跨流域供水水库群联合调度中调水、引水、供水三者之间的复杂性、动态性和不确定性的特点,在二层规划模型的基础上,应用博弈论原理,建立跨流域水库群供水调度规则的三层规划模型,提出调水规则、引水规则和供水规则相结合的跨流域水库群优化调度规则,从深层次揭示跨流域供水水库群之间的主从递阶层次的独立性及相互关联性;并应用基于免疫进化的粒子群算法对模型进行分层优化求解。以滦河下游跨流域水库群为对象进行研究,计算结果表明:① 减少了水量损失,提高了水资源的利用率;② 提高了供水区唐山、天津的供水保证率,降低了缺水破坏深度。     

面向生态的额尔齐斯河水库群中长期调度

为解决水库群中长期生态调度问题,以新疆额尔齐斯河流域为研究对象,构建了水库调度的网络节点图,建立了面向生态的水库群中长期调度模拟和优化两种模型,分别采用历时水量平衡的自迭代模拟优化算法和大系统协调的动态规划方法求解。结果表明,中长期模拟和优化调度结果均满足流域水资源综合利用、生态供水及相应保证率要求,且优化调度模型计算的河道内外生态供水、北疆供水、农业供水等均优于模拟模型。同时,揭示了来水与生态供水的关系,制定了关键水库的生态调度图,建立了调度函数并通过合理性检验。研究成果对额尔齐斯河水资源综合利用、保障河道鱼类栖息地、河谷林草的生态安全提供了中长期战略支持,具有重要的理论意义与应用价值。     

永定河流域多水源配置与水库群优化调度

针对流域水资源系统中以“面”为主的多水源配置和以“线-点”为主的水库群调度耦合问题,提出多水源配置与水库群优化调度相耦合的二层结构方法。以永定河流域为研究实例,提出包括供水规则、引水规则、多水源供水策略以及共同供水任务分配策略的多水源配置与调度规则,以此建立多水源配置与水库群优化调度模型,分析多水源供水和不同需水情景下的调度方案,以及最优方案下的供水效益。结果表明：永定河流域考虑本地水、引黄水、南水北调水和再生水的多水源供水与节水相结合的情景方案为最优方案,生活用水保证率均大于99%,工业用水保证率均大于97%,灌溉分区供水保证率为76.7%～90.2%(除桑干河上游外),三家店断面生态供水保证率为96.3%;通过多水源供水和节水策略,可以极大地改善用水户的供水效益和保障三家店断面生态水量需求。本文方法可为流域多水源配置与水库群优化调度研究提供借鉴。     

综合利用小水库群简易优化调度

提出一种以弃水量最小为目标函数的水库群简易优化调度方法──动态空库系数法。任一时刻某水库的空库系数反映该水库在该时刻的蓄水能力和供水能力。本法用时段初各水库空库系数的大小决定水库群的蓄放水次序,在满足约束条件下,时段末保持各水库的空库系数相等,由此尽可能地拦蓄径流,使弃水量最小。     

水库群联合优化调度研究进展与展望

系统阐述了线性规划、非线性规划、网络流、大系统、动态规划、启发式算法等主要的水库群联合优化调度方法,对近年来国内外水库群优化调度理论及应用进展进行综述;重点分析了库群联合调度的基本原则、目标函数、优化算法及在防洪调度、兴利调度和多目标调度中的应用;展望了水库群联合优化调度的多目标技术,决策支持系统和效益分配等研究的方向。     

基于梯度分析法的长江上游水库群供水-发电-环境互馈关系解析

长江上游水资源耦合系统优化调控涉及供水、发电和生态需水等相互竞争、不可公度的调控目标。其供水-发电-环境互馈协变机制难以数学解析和刻画，多维目标效益均衡优化调控难以实施。为此，以多目标优化、运筹学理论及方法为基础，提出了基于梯度分析法的供水-发电-环境两两互馈关系研究方法。通过多目标约束优化方法求解长江上游水库群联合优化调度在供水-发电-环境目标空间的最优解集，并进行插值构造了供水-发电-环境互馈关系多维空间曲面，以此为基础，采用一阶差分近似求解供水对环境和发电对环境偏导函数值，以量化环境对供水变化和发电变化响应的梯度，进而解析环境-供水和环境-发电间互馈协变关系。该方法为水库群优化调度多目标互馈关系研究提供了一种新的思路。     

基于梯度分析法的长江上游水库群供水-发电-环境互馈关系解析

长江上游水资源耦合系统优化调控涉及供水、发电和生态需水等相互竞争、不可公度的调控目标。其供水-发电-环境互馈协变机制难以数学解析和刻画，多维目标效益均衡优化调控难以实施。为此，以多目标优化、运筹学理论及方法为基础，提出了基于梯度分析法的供水-发电-环境两两互馈关系研究方法。通过多目标约束优化方法求解长江上游水库群联合优化调度在供水-发电-环境目标空间的最优解集，并进行插值构造了供水-发电-环境互馈关系多维空间曲面，以此为基础，采用一阶差分近似求解供水对环境和发电对环境偏导函数值，以量化环境对供水变化和发电变化响应的梯度，进而解析环境-供水和环境-发电间互馈协变关系。该方法为水库群优化调度多目标互馈关系研究提供了一种新的思路。     

黄河流域水量分配方案优化及综合调度的关键科学问题

变化环境下缺水流域水资源演变与科学调控是国际上关注和研究的热点问题,也是中国水资源安全保障面临的重大难题。针对剧烈环境变化下黄河流域水资源显著减少、供需矛盾日益尖锐的问题,以提升流域水资源安全的调控能力为目标,识别了流域水资源供需演变认知—适应性评价—高效输沙—分水方案优化—协同调度的5大关键科学问题,从水资源供需演变机制分析、流域水量分配方案适应性综合评价、河库联动高效输沙水动力条件塑造技术、流域水资源动态均衡配置理论、复杂梯级水库群水-沙-电-生态多维协同调度等方面,提出了"黄河流域水量分配方案优化及综合调度"研究的总体架构和理论方法,构建了黄河流域水资源优化配置与协同调度技术体系,为提升缺水流域水资源管理能力与调度水平提供方法借鉴。     

多目标规划在保定市水资源优化配置的应用研究

水资源短缺已成为严重制约保定市经济发展的重要因素。因此,对水资源进行优化配置研究,对水资源规划与管理有重要意义。运用多目标规划理论建立了一个考虑当地地表水、地下水及其水源多水源联合供水条件下的保定市水资源优化配置模型。模型以经济和社会的综合效益最大为目标,分析确定了模型各参数,并调用matlab优化工具箱中的函数进行编程求解,得到保定市规划水平年(2015年,2030年)的水资源优化配置方案,为该市水资源规划与管理提供依据。     

聊城市水资源综合规划浅析

通过分析聊城市水资源及其开发利用现状,以水资源合理开发、高效利用、优化配置、全面节水、有效保护为聊城市水资源综合规划的基本原则,制定节约用水和水资源保护、需水预测和供水预测、水资源配置以及总体布局为主的水资源综合规划,以促进聊城市人口、资源、环境和经济的协调发展。     

水环境模型参数识别的一种新方法

通过在格雷码遗传算法进化过程中加入单纯形搜索算子,并利用格雷码遗传算法和单纯形法所得到的优秀个体群,作为变量新的变化范围,逐步缩小搜索空间,自动向最优解收缩,提出了水环境模型参数识别的一种新方法——格雷码混合加速遗传算法(GCHAGA),给出了实施该算法的详细步骤。对GCHAGA的收敛性和全局优化性进行了理论和实例分析,并在确定河流横向扩散系数等参数识别问题中,GCHAGA得到了精度较高的全局最优解。与格雷码遗传算法(GCGA)和常规优化方法相比,GCHAGA具有精度高、速度快和适用性强等特点,是一种既可以较大概率搜索全局最优解,又能进行局部细致搜索的较好的非线性优化方法,可广泛应用于各种水环境优化问题中。     

A real-time operation optimization model for flood management in river-reservoir systems

In this paper, a new methodology has been developed for real-time flood management in river-reservoir systems. This methodology is based upon combining a Genetic Algorithm (GA) reservoir operation optimization model for a cascade of two reservoirs, a hydraulic-based flood routing simulation model in downstream river system, a Geographical Information System (GIS) based database, and application of K-Nearest Neighbor (K-NN) algorithm for development of optimal operating rules. The GA optimization model estimates the optimal hourly reservoirs’ releases to minimize the flood damages in the downstream river. GIS tools have also been used for specifying different land-uses and damage functions in the downstream floodplain and it has been linked to the unsteady module of HEC-RAS flood routing model using Hec-GeoRAS module. An innovative approach has also been developed using K-NN algorithm to formulate the optimal operating rules for a system of two cascade reservoirs based on optimal releases obtained from the optimization model. During a flood event, the K-NN algorithm searches through the historical flood hydrographs and optimal reservoir storages determined by the optimization model to find similar situations. The similarity between the hydrographs is quantified based on the slopes of rising and falling limbs of inflow hydrographs and reservoir storages at the beginning of each hourly time step during the flood events for two cascade reservoirs. The developed methodology have been applied to the Bakhtiari and Dez River-Reservoir systems in southwest of Iran. The results show that the proposed models can be effectively used for flood management and real-time operation of cascade river-reservoir systems.     

应对干旱的黄河干流梯级水库群协同调度

科学控制梯级水库蓄泄过程是减少旱灾损失的重要手段。以减少干旱年份流域缺水量和优化缺水时空分布为目标,构建应对干旱的梯级水库群多时空尺度协同优化调度模型。采用交互式与改进粒子群优化方法,外层寻求多年调节水库旱限水位最优控制,内层优化梯级水库群年内蓄泄过程,实现流域水资源年际调控、年内优化、库群协同、空间协调。以2014年的黄河流域重旱为例,通过模型优化提出2012—2014年龙羊峡水库旱限水位及梯级水库群年内蓄泄过程,结果表明:通过龙羊峡水库旱限水位控制实现跨年度补水,控制各年度缺水率在4.9%~5.7%之间,通过水库群出库过程优化控制不同区域各时段缺水均匀分布,将农业缺水率控制在7.0%~11.0%之间,显著减轻了旱灾损失。     

应对干旱的黄河干流梯级水库群协同调度

科学控制梯级水库蓄泄过程是减少旱灾损失的重要手段。以减少干旱年份流域缺水量和优化缺水时空分布为目标,构建应对干旱的梯级水库群多时空尺度协同优化调度模型。采用交互式与改进粒子群优化方法,外层寻求多年调节水库旱限水位最优控制,内层优化梯级水库群年内蓄泄过程,实现流域水资源年际调控、年内优化、库群协同、空间协调。以2014年的黄河流域重旱为例,通过模型优化提出2012—2014年龙羊峡水库旱限水位及梯级水库群年内蓄泄过程,结果表明:通过龙羊峡水库旱限水位控制实现跨年度补水,控制各年度缺水率在4.9%~5.7%之间,通过水库群出库过程优化控制不同区域各时段缺水均匀分布,将农业缺水率控制在7.0%~11.0%之间,显著减轻了旱灾损失。     

嵌入水安全调控因子的短期梯调优化模型

为在梯级水库短期优化调度中更有效地考虑河流水安全需求,建立一种通过调控因子对水安全需求进行表征的短期梯调优化模型。在该模型构建中,应用Vague集对河流水安全进行度量,并引入水安全调控因子,推导得到考虑水安全需求的梯级下泄流量约束计算公式,通过下泄流量约束将调控因子嵌入短期梯调优化模型。通过该模型,可根据河流水安全需求确定调控因子,并求解得到相应的短期梯调优化方案。嘉陵江中游航电三梯级的应用分析表明,该模型能在满足河流水安全需求情况下,实现短期梯调较优的经济效益。在短期梯调优化模型中嵌入水安全调控因子,与未嵌入调控因子情形相比,既能提高梯级发电效益,又能不降低梯级运行相关的河流水安全度。     

有限供水条件下水库和田间配水整合优化调度

针对多水源多作物灌区,研究有限供水条件下灌区优化配水问题。模型中既考虑水库优化调度,又考虑田间优化配水。模型思路:根据灌区水土资源分布状况,将全灌区划分为多个子区,每个子区种植有若干种作物。如果把每个子区每种作物所在的田块看作一个土壤水库,则可采用水库群调度的方法研究这类灌区优化配水问题,文中采用的是优化控制方法。为了证明模型的正确性,同时建立了3个模型。模型1:既不考虑水库优化调度又不考虑田间优化配水;模型2:只考虑水库优化调度;模型3:只考虑田间优化配水。实例计算表明,整合调度模型能产生较多的效益(特别在干旱年份),优化控制方法计算性能良好。     

基于岩石物理模型的页岩储层裂缝属性及各向异性参数反演

针对富有机质页岩储层复杂的矿物组分与微观孔缝结构,本文提出基于岩石物理模型和改进粒子群算法的页岩储层裂缝属性及各向异性参数反演方法。应用自相容等效介质理论与Chapman多尺度孔隙理论建立裂缝型页岩双孔隙系统岩石物理模型。开发基于岩石物理模型的反演流程,引入模拟退火优化粒子群算法解决多参数同时反演问题,反演算法能够避免陷入局部极值且收敛速度快。将本文方法应用于四川盆地龙马溪组页岩气储层,反演得到的孔隙纵横比、裂缝密度等物性参数和各向异性参数与已有研究结果一致,能为页岩储层的评价提供多元化信息。     

基于节水优先和工程布局调整的塔里木河流域节水潜力

为挖掘寒旱区内陆河流域的节水潜力, 论证山区水库替代平原水库的可行性, 以塔里木河三源流阿克苏河、叶尔羌河、和田河及其干流(简称"三源一干")为研究对象, 在"节水优先"治水方针的指导下, 考虑源流区山区水库群、干流区平原水库群以及各行业用水需求, 建立并求解了现状水平年和远景水平年的水库群联合调配的模拟与优化模型。结果表明: 水库群调度节水的关键在于降低河道内及平原水库库区中无效的蒸发渗漏损失; 2035年远景水平年, 通过山区水库群联合优化调配的最大节水潜力为2.46亿m3; 制定了源流山区水库替代干流平原水库的布局方案, 即结然力克、大寨、其满、帕满、喀尔曲尕和塔里木等6座平原水库的兴利库容分别可削减17%、17%、17%、33%、100%、100%, 该方案在保障塔里木河干流供水任务情况下可增加0.21亿m3的节水潜力。研究成果为实现流域水资源科学调控、保障区域水安全和生态安全提供了理论与技术支撑。     

Optimization of the Garzan Hydropower System operations

Through the rapid development of the watersheds in Turkey with projects developed by incorporated companies, a problem has arisen of how to operate a cascade reservoir system composed of state- and private sector-owned reservoirs in terms of the volume and timing of water releases to meet downstream water demands. This study presents a catchment-based optimization model based on inflow forecast with frequent updating for the integrated operation of hydropower plants under various sales methods. The model is formulated in terms of nonlinear programming (NLP) on a monthly basis for a 1-year period to assess the production strategies of the system reservoirs for that year. This model provides the basic constraints on the reservoir volume for daily and hourly optimization procedures. Forecasted flows are generated using seasonal autoregressive integrated moving average (ARIMA) models based on historical flow values. The proposed model is tested on the Garzan Hydropower System using historical, mean, and forecasted flow values. The results show that the integrated operation plan and improvement in the accuracy of inflow forecasts yield economic benefits as a consequence of optimal reservoir operation.     

基于双层滑动的水库旱限水位确定算法

旱限水位是水库抗旱预警的重要指标, 可作为水库开展抗旱调度的重要依据, 开展不同类型水库旱限水位确定算法研究, 对水库旱限水位的推广及提升干旱主动防御能力有重要意义。本文探讨了水库旱限水位的概念内涵, 认为水库旱限水位是在干旱缺水条件下水库供水系统达到临界平衡的水位阈值。通过引入调度期、保证期等双层控制期, 提出了适用于多年调节、年调节、季调节水库的旱限水位双层滑动算法, 并且形成了旱限水位控制下的水库抗旱调度策略。通过对张峰水库与和川水库进行案例分析, 验证了双层滑动算法对于多年调节水库和季调节水库的可行性与合理性, 结果表明, 通过设定旱限水位, 可以在干旱前期预留水量, 有效缓解干旱年份的严重缺水情况, 各个行业的缺水率和严重缺水时段均有显著减少。本研究为水旱灾害防御部门制定水库旱限水位、指导水库抗旱调度提供了一套通用算法, 能够为干旱防御决策提供科学依据和技术支撑。