水库群联合调度规则研究

许子宽，全 琴，贾 凤，宋晓星

（1.河北工程大学水电学院，河北 邯郸 056038；2.北京清流技术股份有限公司，北京100053）

0 引言

传统的水库调度是以发电、防洪、灌溉等为目标，建立调度模型，基于系统科学的思想对模型求解，然后制定水库调度方案。现在水资源系统可持续调配理论是重点研究和优先资助方向，所以如何提高水资源利用率越来越引人关注。

在通过单一水库调度图的基础上，耦合水库群系统中其他水库的调度图，使它们有机的结合起来，从而决定整个复杂的水库群系统中各个水库应该由哪个水库进行调度任务[1]。纪昌明（2018）将“以水定电”“以电定水”两种运行模式运用到一个水库群系统中，并运用伴随逐步优化算法（APOA）进行求解[2]。在模拟和优化方法的基础上，综合两者的优点，出现了模拟- 优化方法，这种方法是目前水库群联合调度中的重要方法，尤其针对于多目标复杂的水库群系统，不能顺利的构建数学模型时，模拟-优化方法显得尤为重要，郭旭宁（2011）构建虚拟聚合水库，通过模拟- 优化方法构建水库调度图，从而验证水库群联合调度的合理性[3]。郭旭宁（2016）对水库群联合调度的各种规则提取方法进行总结和归类，并对以后的水库群联合调度规则提出方法提出了发展性的展望[4]。王浩院士（2019）在总结之前水库调度方法的基础上对未来水库调度的关键技术与发展方向提出了展望，对以后水库调度的研究有着关键的指导作用[5]。

1 水库群模拟优化调度

1.1 联合调度思路

水库群联合调度过程中，所对应的水库群调度可供水量是集中岳城水库、东武仕水库的可供水量。若东武仕水库的供水量大于东武仕水库可供水量，则从岳城水库调水。若小于东武仕水库可供水量，则本次供水不需要补给调水。具体调度思路，见图1。

图1 水库群联合调度示意图

1.2 水库群联合调度模型

水库群联合调度模型以水文年内研究区域的缺水量最小和为目标函数，综合遗传算法和动态规划算法的优点，将复杂的水库群系统的多阶段转化成为多目标子问题，供水方案为决策变量，建立起水库群调度模型。目标函数为：

式中：I 为年数，i=1 to 3，I=3；J 为以年为计算周期内的月时段数，j=1 to 12，J=12；N 为研究区间数，n=1 to N（N=2）；Qx(n,i,j)为研究区间n 在第i 年j 时段的需水量；Qg(n,i,j)为在第n 年j时段供给研究区间n 的水量；Fq为第i 年N 个研究区间的总缺水量。

（1）水量平衡约束：

（6）非负约束：所有变量均为非负数。

式中：Vt、Vt+1为t 和t+1 时段水库的蓄水量；It为入库径流量；Qt为水库的供水量；SUt为弃水量；HSt为水头损失；Vmin和Vmax分别为水库死库容和蓄水上限；f(Vi,t)为水位- 库容曲线，f(Si,t)为库容- 面积曲线。Qgg(i)、Qgx(i)分别为灌溉供水、灌溉需水。Qsg(i)、Qsx(i)分别为生态供水、生态需水。

1.3 模型求解

对上述模型采用VB 语言编写计算程序，采用模拟优化人机对话算法进行本次计算，工业用水、农业用水、生活及生态用水的变化与各个方案的思路不同，以常规状态下的多水库联合调度供水过程为例，来说明模型的求解方法。具体流程见图2。

图2 模拟优化人机算法计算框图

2 水库群调度方案设置和结果

2.1 水库概况

岳城水库位于邯郸西南60 km处，控制流域面积1.81 万km2，总库容达13 亿m3，调洪库容8 亿m3，兴利库容6.73 亿m3，死库容0.387 亿m3，死水位125 m，设计洪水位152.9 m，校核洪水位158.9 m。

东武仕水库位于海河流域子牙河系滏阳河干流上游，控制流域面积340 km2，总库容1.81 亿m3，调洪库容1.095 亿m3，兴利库容1.35 亿m3，死库容0.1 亿m3，死水位94.5 m，起调水位102 m，正常蓄水位109.68 m，设计洪水位106.18 m，校核洪水位110.7 m。

2.2 供水方案

水库群联合调度方案的设计中，严格遵守水资源管理实施用水控制的要求，考虑各种约束条件，对根据各个用水单元的需求量比例，分配供水多少，从而确定供水方案。

水库群联合调度方案设计的目标是，在保证水库死水位安全的基础上，尽可能大的满足所有用水单元的需水平衡，在水资源利用效率上获得最大的利用效益。

目前没有明确的高方案和低方案的定义，所以笔者以正常库容乘一个系数k 来定义高方案和低方案，这里将高方案的k按1.3，低方案按0.7 来计算，即高方案供水15.17 亿m3，低方案供水8.17 亿m3。具体数据见表1，根据上述数据绘制水库群联合调度图，见图2。

表1 调度线计算结果表 单位：亿m3

图3 水库群联合调度图

2.3 水库群调度方案设置

水库群联合调度方案设置的目标是，在保证水库安全的前提下，尽可能满足人口，资源，环境与经济协调发展，在不同来水频率年的时候依旧能保证水资源的利用率。

在多水库联合调度方案设置中，确定生活供水的调度供水方案、农业供水的按需供水线和破坏部分农业灌溉供水线、生态供水的加大供水线和停止供水线。方案设置见表2。

表2 兴利调度方案设置

2.4 水库群联合调度结果

以75%来水频率年为例，根据十二五规划纲要，目前我国农业灌溉水有效利用系数0.53，工业生活供水方面，两水库均为低方案；农业用水方面，均为高方案；生态供水方面，采用汛期集中供水方式。研究区间工业、生活、农业以及生态的供水量主要靠岳城水库和东武仕水库补给，若存在工、农业补给不足的情况，则通过南水北调引江水来补给。

各用水单元具体的调度结果见表3。

表3 各用水单元联合调度结果 单位：亿m3

3 结论

本文综合考虑了工业用水、生活用水、农业用水、灌溉用水和生态用水，建立了水库群联合调度模型，通过模拟人机算法进行求解，并以75%来水频率年为例，构建水库群联合调度图，提出水库群对各个用水单元的具体供水方案，结合分析水库群联合调度规则，给出了联合调度的结果。

水库群联合调度供水满足了人口、资源、环境与经济协调发展对水资源在时间、空间、用途与数量上的要求，使有限的水资源获得最大的利用效益，促进社会经济的发展，改善生态环境。