考虑天然水文情势的水库调度图优化研究探讨

李洋

摘 要 在人们日常生活中，人们对于水资源的需求不断提高，本文重新定义了生态水量下泄规则、供水规则和弃水规则，以河流整体水文改变度最小为生态目标，广义缺水指数最小为经济社会供水目标，构建了考虑天然水文情势的水库调度规则优化模型。以某水库为实例，基于NSGA-Ⅱ优化算法进行模型求解，得到大隆水库调度规则优化方案，分别从经济社会供水和生态水文指标改变情况对不同调度规则进行分析，确定兼顾经济社会供水和河流生态的调度规则优化方案作为大隆水库调度规则推荐方案。

关键词 水文情势;水库调度规则;水库调度图

引言

进行小型水电站的调度分为常规调度和优化调度两种，常规调度就是确定好调度图，以某个时间的蓄水情况和在调度水库优化调度，就是对于水流量进行充分的利用，小型水电站水库优化调度的内容主要为：对调度期内的径流过程进行确定，建立完善合理的优化调度数学模型，选择优化的技术求解数学模型，然后得到最优的发电引用流量方案。

1 水库生态调度

人类活动会对自然环境造成影响，尤其是水库大坝的建造对于河道生态系统会造成严重干扰。研究表明，水库调度会对河道内年际和年内的径流变化、洪峰形状、洪峰出现时间、发生频率、延时和流量涨幅变化率等产生不同影响效果，进而改变河道形状，生物栖息地分布，水生动物和植物的生长繁殖等自然状态，最终会破坏河道天然生态系统的构造和调节能力。研究表明阿斯旺大坝的修建导致一系列威胁尼罗河三角洲生态系统的反应。综合了长江流域淡水鱼类生物多样性的信息，证明水文变化是该流域对鱼类生物多样性的最大威胁。上游鱼类将受到三峡大坝建设的严重影响，应优先保护。水文情势的变化对河流形态和植被覆盖的影响。对大坝施工前和施工后的航空摄影进行分析，结果表明大坝修建后对河岸两侧有明显的侵蚀作用，且河岸的植被也发生了变化。运用变异范围法（RVA）和测绘技术，研究了过去50年中国黄河中下游大坝建设所引起的水文变化，结果表明，水库对大坝下游水文过程的改变作用跟水库调节活动密切相关，对水库下游水文情势的分析，有利于区域水文水资源管理和生态环境系统恢复等工作的开展[1]。

2 考虑天然水文情势的水库调度图优化

2.1 目标函数

考虑生态的水库调度常规优化模型一般寻求使水库调度所产生的经济-生态效益、社会-生态效益或经济-社会-生态综合效益达到最大。具体的目标函數和约束条件表述如下：经济效益用水库向各用水户供水所取得的效益来衡量;社会效益分为防洪效益和供水效益，其中防洪效益指水库向下游的泄流量超出下游各控制断面安全泄流量的和最小;供水效益是指水库向各供水对象的供水量与满足各供水对象基本生产生活需要的用水量之间的差值最小。

2.2 确定性动态规划法

确定性动态规划法可以将调度周期分成T个时段，将t作为时间段变量，V作为每个时段的水库蓄水量，Vt是t时段的蓄水状态，Vt+1是时段的末端，也就是t+1时段开始的蓄水状态，水电站发电过程中引用流量Qt（Vt）是决策变量。

2.3 经济社会需水预测

根据资料条件和现实需求，选择2020年为规划水平年。基于对某市近年用水情况和未来用水趋势的分析，对大隆水库供水对象2020年的经济社会需水进行预测。①城镇需水预测。城镇需水采用趋势外推法进行预测，2020年大隆水库城镇用水户的需水量为193.09万m3，其中西部区域需水量为53.48万m3，占总需水量的27.7%;中部区域需水量为139.59万m3，占总需水量的72.3%。②农业需水预测。大隆灌区的灌溉现状为4900hm2，另规划灌溉8320hm2，其中耕地6287hm2，热作园地2033hm2，到2020年认为可全面对灌区实现灌溉，灌溉面积达13220hm2。2.4NSGA-II算法对于多目标问题，一般某些目标的提升会引起其他目标折损，这就可能产生很多非劣解，多目标问题一般需要产生Pareto前沿。遗传算法具有求解多目标问题的优势，首先，遗传算法是以种群搜索为基础，能够同时搜索多个目标，确定多个非劣解。同时，遗传算法对Pareto前沿形状、连续性、种群规模、交叉概率、变异概率等参数不敏感，可以较好的逼近Pareto前沿。NSGA-II算法（非支配解快速排序遗传算法）CDeb等，基于NSGA提出来的一种智能算法，它是通过非劣边界Pareto前沿来逐渐逼近非劣解集，与NSGA法相比，它主要进行了三个方面的改进：①加入了快速非支配排序方法，划分不同的等级，种群依据支配与非支配关系进行分层排序，给定同一等级的个体一样的适应度值，用来确保同一层的个体有一样的复制概率，这种排序方法降低了算法的复杂程度;②运用拥挤度和拥挤度比较算子来估算每个点周边的解密度，比NSGA算法相对简化，不再需要指定共享参数，适当降低密集区个体进入下一代的概率，使得最优解更广泛的逼近非劣边界;③提出了精英策略，将父代和子代种群相结合，组成新的一代，一起寻优产生下一代种群，扩大了样本空间，更快寻找到性能良好的下一代种群。

2.4 经济社会供水目标

美国陆军工程兵团提出的缺水率（R DR）和日本水资源开发公共中心提出的缺水百分比日指数（D DPD）是使用较为广泛的缺水指数，但是这两个指数都只从一个角度来定义缺水，Hsu  在此基础上提出了广义缺水指数 I GSI，该指数既考虑了缺水的重要特征，也考虑了相关的经济社会影响，将 I GSI 最小作为经济社会供水目标，来衡量经济社会用水的缺水程度。式中：为第 j 年缺水率;为第 j 年总缺水量;S DWS j为第 j 年计划供水量。

3 结束语

水利水电工程大坝的修建要结合实际的地形地质条件进行，要根据实际情况进行分析并选择适宜的灌浆技术，从而保证在节约成本的基础上，达到加固坝体和延长其使用年限的效果。在施工结束后，要及时进行修检，以保证大坝的稳固性。

参考文献

[1] 王丽，朱远生，杨晓灵，等.大藤峡水利枢纽工程设计中的水生态优化措施[J].水资源保护，2016，32（3）：74-78.