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。     

基于水库群预报调度的黄河流域干旱应对系统

为有效应对日益严重的流域干旱问题,有必要开展面向干旱全过程的黄河流域干旱应对系统研究。基于干旱演变过程设计了干旱指数,通过天气预报模型、回归分析等进行干旱、需水与径流预报;设置多年调节水库旱限水位,实现水资源年际补偿;识别洪水和泥沙分期特征,采用分期汛限水位增加洪水资源利用量;建立了梯级水库群协同优化调度模型,调配抗旱水源。算例结果显示:黄河流域干旱应对系统能够平衡年际间的干旱损失以避免重度破坏,与实际情况相比,在重旱的2014年增加抗旱水源22.40亿m^3。建立的干旱应对系统已应用于黄河流域抗旱实践,提升了流域应对干旱的水资源调控能力。     

梯级水库群联合优化调度函数研究

构建了制定梯级水库群联合优化调度函数的"优化-拟合-再优化-随机仿真"框架:首先建立梯级水库群优化调度模型,通过确定性动态规划方法得到最优样本;然后对最优样本进行多元线性回归分析得到联合调度函数;并基于模拟调度结果采用非线性规划方法直接修正调度函数;最后通过水文随机模拟技术生成径流系列,进一步检验、评价所得调度函数的效率。以清江梯级水库群长期优化调度为对象进行实例研究,计算结果表明:对于1951-2005年实测径流系列,梯级水库群联合优化调度函数较常规调度方案年均增加发电量2.03亿kW·h,增幅达2.79%;对于两种随机模拟方法生成的水文径流系列,年均发电量分别提高了1.74%和2.36%,经济效益显著。     

人工免疫系统在梯级水库群短期优化调度中的应用

免疫起源于抗感染的研究,是一种机体识别和排斥抗原性异物的生理功能。现代仿生技术将免疫应用到解决非线性优化问题中,形成了独特的人工免疫系统(AIS),AIS用抗体代表问题的可行解,用抗原代表问题的约束条件和目标函数,采用期望繁殖率来定义父体选择的概率进行随机搜索全局最优解。将AIS应用到梯级水库群短期(日)优化调度的研究中,经过对某梯级水库群的仿真计算,认为其结果是合理和可实际应用的。     

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Pareto强度进化算法的供水库群多目标优化调度

提出用Pareto强度进化算法解决供水库群的多目标优化调度问题,算法利用种群的进化过程模拟寻找非劣解集的过程,将供水库群多目标优化调度问题的解当作进化种群中的个体,按照解的Pareto强度值与密度进行适应度计算,利用种群中个体的进化操作获得非劣解,最终整个种群进化为非劣解集。实例分析结果表明,算法能实现多峰搜索,最终非劣解集的分布均匀,且收敛速度快,为解决供水库群多目标优化调度问题提供了一种有效的方法。     

复杂防洪系统联合优化调度模型

建立以水库群系统安全度最大、行蓄洪区系统损失最小为目标函数,将河道堤防安全行洪考虑为约束条件的复杂防洪系统多目标递阶优化调度模型(MoHOOM),以行蓄洪区总分洪流量为协调变量,将河道水流连续方程解耦,基于大系统分解协调法建立协调层和基于粒子群算法求解底层子系统优化问题,形成三级递阶分解协调结构和相应求解方法。以淮河中游防洪系统为背景进行了实例研究,给出了水库群泄流和行蓄洪区分洪最优方案,在相同初始计算条件下,优化模型结果比实际调度降低了鲇鱼山和梅山水库0.37和0.01的安全度指标,减小下游蒋家集和润河集河段超过安全泄量以上100 m3/s和720 m3/s的洪峰流量,启用南润段行洪区致损1 256.1万元;比规则调度降低了鲇鱼山和梅山水库0.24和0.21的安全度指标,减小下游蒋家集河段超过安全泄量以上750 m3/s的洪峰流量,避免南润段行洪区损失341.6万元。模型有利于挖掘上游水库群的防洪能力,在保障河道堤防安全行洪条件下,减少下游不必要的行蓄洪区分洪损失,以系统全局寻优方式进行复杂防洪系统联合调度。     

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。     

基于多目标遗传算法的巨型水库群发电优化调度

低碳时代,水电作为清洁可再生能源,节能发电调度为梯级水电联合调度运行带来了难得的历史机遇,如何有效地开展梯级水库群优化调度,充分合理利用水能资源,是流域梯级电站管理迫切需要解决的问题。文章在对清江梯级与三峡梯级径流特征分析的基础上,建立了以水库群整体发电量最大和弃能最小为目标的梯级调度模型。根据电力系统对三峡、葛洲坝、水布垭、隔河岩、高坝洲水电站的要求,用1951—2002年的月径流资料和典型年的日径流资料进行长期和短期优化调度,采用多目标遗传算法得到清江3个电站、三峡-葛洲坝2电站单独运行和联合优化调度发电指标,5库联合优化调度系统多年平均发电量增加约21亿kW.h;短期(日)优化调度较长期(月时间尺度)优化调度发电效益有进一步提升,增发电量约9.68亿kW.h。研究表明,充分利用清江和三峡梯级实际运行位置相近、水力联系紧密、互补性强的特点,统一安排电站机组运行模式,合理分配机组出力,可在来水量相同的条件下获得更大的效益。     

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。     

两种判断月干旱过程的方法在黄河流域的对比研究

利用黄河流域160个气象站1961-2010年逐日综合气象干旱指数(CI)指数, 对比分析两种用逐日CI指数判断月干旱过程的方法. 结果表明: 对重大干旱事件个例来说, 两种方法都能大体描述事件的月干旱过程, 但干旱的强度和范围有所不同. 从干旱发生的范围来看, 两种结果的差别较小, 方法I的识别结果范围更大、更连续, 特别是对青海旱情的判断常常比实际范围大;而方法II的识别结果范围稍小, 大体上能反应干旱的整体范围, 但有时也偶尔会遗漏小部分旱区;从干旱发生的强度来看, 方法I对干旱事实的描述偏轻, 而方法II以重-特旱为主, 与实际情况更相符. 从对黄河流域近50 a月干旱频率的分析结果来看, 两种方法一致表明黄河流域分界线以西的地区常年不容易发生干旱, 而对于分界线以东地区, 两种方法的统计结果有较大差异. 方法I的结果表明, 分界线以东地区干旱的月发生频率较大, 其中, 轻旱的月发生频率最大, 其次为中旱, 而重旱和特旱的发生频率很小;方法II的结果表明, 分界线以东地区干旱的月发生频率在60%~80%左右, 其中重旱的月发生频率最大, 其次为中旱, 轻旱和特旱的发生频率很小. 总体来说, 方法II对黄河流域月干旱情况的评估结果与干旱实际情况更一致.     

人类活动对黄河河川径流的影响

人类引水、耗水构成了流域水循环系统中的一个子系统,即侧支循环系统。与此对应,主干循环则是大气降水形成径流、通过各级沟道和河道汇入干流、最后流入海洋的循环过程。以黄河流域实测资料为基础,对侧支循环与主干循环进行了研究。研究表明,从20世纪60年代末、70年代初以来,侧支循环相对强度指标和侧支循环绝对强度与主干循环绝对强度之比呈明显的增大趋势,而主干循环相对强度指标则表现出减小的趋势。以年系列资料为基础,建立了一系列多元回归方程,以表达侧支循环强度指标、主干循环强度指标和侧支循环绝对强度与主干循环绝对强度之比与影响因子之间的多元回归方程。结果表明,灌溉面积、年降水量、年均气温变化对黄河侧支循环相对强度指标变化的贡献率分别为86.55%,2.18%,11.25%;灌溉面积、年降水量、年均气温变化和水土保持面积变化对黄河主干循环相对强度指标变化的贡献率分别为57.61%,20.78%,11.03%,10.57%。     

金沙江下游梯级水库运行期设计洪水及汛控水位

研究探讨梯级水库运行期设计洪水计算理论和方法,实现防洪和发电效益最大化。采用t-Copula函数建立各分区洪水的联合分布,通过蒙特卡罗法和遗传算法(GA)推求金沙江下游梯级水库的最可能地区组成;分析计算各水库运行期的设计洪水及汛控水位。结果表明:①最可能地区组成结果合理可靠,可为梯级水库运行期设计洪水的分析计算提供依据;②金沙江下游梯级水库受上游水库调蓄影响显著,向家坝水库1000年一遇设计洪峰15400m^3/s(35%),3d、7d和30d洪量的削减量(削减率)分别为35.6亿m^3(33%)、70.2亿m^3(30%)和85.0亿m^3(11%);③在不降低防洪标准的前提下,下游各水库在运行期汛控水位相比汛限水位可适当抬高,白鹤滩、溪洛渡和向家坝水库的汛控水位(汛限水位)分别为788.82m(785m)、570.67m(560m)和371.36m(370m),汛期年均发电量分别增加2.1%、6.1%和1.4%,年增发电量17.1亿kW·h。     

Diurnal variations of pCO2 in relation to environmental factors in the cascade reservoirs along the Wujiang River, China

We have investigated the diurnal variations of the pCO2 and related environmental factors in the cascade reservoirs with different trophic levels along Wujiang River. In surface water the pCO2 was 357±11 μatm in Hong-jiadu Reservoir, 338±48 μatm in Dongfeng Reservoir, 682±303 μatm in Wujiangdu Reservoir, and 1677±429 μatm in Liuguang, respectively. The results indicated that these cascade reservoirs had much lower pCO2 values in surface water than river did, and hypereutrophic reservoir showed larger diurnal variations of pCO2 than meso-eutrophic reservoir. In water column, pCO2 tended to increase with the depth. Phytoplankton and the environmental factors such as temperature and pH had different influences on pCO2 diurnal variations due to different trophic levels, and the effect of phytoplankton on pCO2 variation increased with the increase of trophic level in these reservoirs.     

黄河流域分布式水文模型初步研究与进展

结合国家重点基础研究规划项目"黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理"的研究,综述了黄河流域分布式水文模型研究的主要进展,包括分布式水文模型的特点和基本结构、分布式水文模型中的数字高程模型(DEM)和水文学基础、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)在分布式水文模拟中的应用等方面的内容,对未来分布式水文模型的研究提出几点认识。     

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。