黃河梯級水庫群水沙電生態多維協同調度與應用示范/黃河流域水量分配方案優化及綜合調度關鍵技術叢書 節選

第1章緒論 1.1研究背景 水庫是調節徑流、開發利用水資源的有效工具(Jia，2016；Poff and Schmidt，2016；白濤等，2016)。梯級水庫群具有防洪、供水、發電、灌溉、航運、生態等多方面功能，聯合優化調度的潛力與效益巨大(Azizipour et al.，2016；Ahmadianfar et al.，2017；陳進，2018)。科學調控上下游梯級水庫群蓄泄方式、協調不同調度目標間的關系不僅是實現流域水資源可持續利用的基礎，也是充分發揮梯級水庫群綜合效益的必要條件，可以在不改變水庫工程規模前提下顯著增加防洪與興利效益，對優化水資源配置、協調水沙關系、提高水電能源效率、改善生態環境意義重大，是今后流域水利發展和流域綜合管理的必然趨勢，因而也受到工程界的高度關注(郭生練等，2010；王本德等，2016；董增川等，2021)。 梯級水庫群規模龐大，水庫之間存在復雜的水力、電力聯系和水文補償、庫容補償關系，是一個復雜巨系統(郭生練等，2010；田雨，2011)。梯級水庫群調度受水文過程、用水需求、發電控制、輸沙沖淤、生態要求等因素影響，服務和調度主體非單一，具有高維、非線性，以及多目標、多層次、多過程的特征，一直是水利科學與系統科學交叉研究的前沿和難點問題之一(黃草等，2014a，2014b)。當前研究主要是針對單一水庫多目標調度或梯級水庫群調度的兩類或三類目標開展，重點研究優化模型和求解方法，對復雜梯級水庫群系統多過程耦合關系的認知不足，對協同建模理論和群智能決策技術研究不深入(暢建霞等，2004；王浩等，2019)。隨著流域水庫數量不斷增加、調度目標日益多元化，調度目標、過程之間相互制約和沖突關系逐漸加劇，水庫群聯合調度已成為當今流域管理面臨如下的世界性難題(周新春等，2017)，現有水庫群優化調度技術無法適應超大梯級水庫群綜合效益*大化發揮的新需求(盧有麟等，2011；申建建等，2021)。亟須創新水庫群協同調度方法，有效發揮各水庫調節作用、協調各種過程，尋求各目標均衡點。梯級水庫群協同調度面臨如下的科學問題和技術挑戰：如何認識梯級水庫群調度下供水、輸沙、發電、生態用水之間的競爭與協作關系？其內在耦合機制是什么？如何實施控制才能實現梯級水庫群徑流協調、過程補償、目標協同？因此需要揭示復雜梯級水庫群調度下水沙電生態（即河流供水、河流輸沙、水力發電和河流生態）耦合機制，識別系統演變規律，創建復雜系統協同控制原理，完善協同優化方法。 黃河是我國西北、華北地區的重要水源，其以占全國2.2%的徑流量承擔著全國15%的耕地和12%的人口供水任務，水資源供需矛盾十分突出(夏軍等，2014；王煜等，2018；尚文繡等，2020a)。黃河又是多沙河流，有限的水資源還必須承擔一般清水河流所沒有的輸沙任務(王煜等，2021)。20世紀80年代以來，工農業用水的大幅增加，黃河來水來沙條件發生了較大變化，徑流持續減少、水資源需求不斷增長，使本來已經不協調的水沙關系進一步惡化，河道淤積加重，生態流量不能保證，威脅著黃河健康生命(李國英，2009)。1999年黃河實施水量統一調度，抑制了下游河道斷流的重大危機；2002～2015年利用小浪底水庫連續開展3次黃河調水調沙試驗和12次生產實踐，在一定程度上改善了下游河道淤積問題，但不能改變水資源短缺下流域供水、輸沙、發電和生態之間矛盾交織的局面，解決問題的現實途徑是：通過科學調度提高水資源利用效能、調節水沙關系、改善河流生態環境(李國英和盛連喜，2011)。黃河干支流已建大型水庫30余座，總庫容超過700億m3，形成了黃河梯級水庫群，承擔流域防洪防凌、供水、發電、灌溉等任務，同時還要實現寧蒙河段及下游河道的泥沙沖淤和河流生態安全保障，系統復雜、矛盾突出，給黃河梯級水庫群協同優化與統一管理帶來了極大的挑戰，因此開展梯級水庫群水沙電生態多維協同調度研究具有重要的科學意義和應用價值。 1.2國內外研究進展 流域水庫群需要滿足防洪、發電、供水、生態、航運等多種社會和經濟需求，因此有效兼顧各種調度需求的梯級水庫群多目標聯合調度研究日趨得到重視(馮仲愷等，2017a；Meng et al.，2019；王浩等，2019；Qiu et al.，2021)。國內外學者針對梯級水庫群多目標聯合調度開展了卓有成效的研究，在調度理論方法和模型求解等方面取得了豐碩的研究成果，但由于梯級水庫群具有大規模、高維、多階段、動態等特征并且內部聯系復雜，優化調度問題正朝著多尺度、多層次、多目標方向發展，仍沒有得到很好解決(王森，2014)。 1.2.1水庫群多目標聯合調度模型 20世紀50年代水庫優化調度方法的研究逐漸興起，70年代初期梯級水庫群聯合優化調度方法逐步精細化，模型條件逐漸接近水庫調度的實際情況。楊侃和陳雷(1998)建立了同時考慮發電引用水量、泄洪損失水量、灌溉水量、航運蓄水量和供水量等目標的梯級水電站優化調度多目標模型。王興菊和趙然杭(2003)建立了供水、灌溉與發電等目標的多目標調度模型，采用優選迭代試算方法協調生活、工業、灌溉和發電之間的關系。劉涵等(2005)建立了包含防洪減災目標、生態目標和水資源利用目標的黃河干流梯級水庫群補償效益仿真模型，協調了3個目標之間的關系。高仕春等(2008)建立了供水、灌溉和發電綜合利用的多目標優化調度模型，協調了主目標與次目標之間的矛盾。Mehta和Jain（2009）構建了包含供水、灌溉、發電的多目標聯合調度模型。Kumar和Reddy(2006)綜合考慮了防洪風險、灌溉供水保證率和發電效益等調度目標，構建了梯級水庫群多目標聯合調度模型。Akbari等(2011)建立了考慮隨機入流不確定性和變量的離散化不精確性的多目標水庫調度模型。歐陽碩(2014)研究了流域梯級水庫群多目標防洪優化調度模型，提出了洪水資源化聯合優化調度方案。許偉(2015)建立了龍羊峽—劉家峽河段梯級電站的多年發電優化的數學模型。Bai等(2015)考慮了防洪、供水、發電，建立了黃河上游多目標模型，通過龍羊峽和劉家峽水庫聯合優化調度，提高了系統發電量并增加了供水量。Xu等(2015)建立了梯級水庫群短期電能優化模型并分析了長期電量影響。彭少明等(2016)建立了黃河梯級水庫群聯合調度模型，提出了多年調節旱限水位策略。Solander等(2016)針對氣候、用水等變化，建立了適應環境變化的水庫調度模型。張睿等(2016)在分析發電效益、航運效益和容量效益間競爭與沖突關系的基礎上，建立了以總發電量*大、通航流量*大、時段保證出力*大為目標的梯級水庫群多目標興利調度模型。楊光等(2016)采用數據挖掘方法建立了漢江梯級水庫群防洪、供水、發電和航運多目標優化調度規則。于洋等(2017)通過建立數學模型模擬了瀾滄江—湄公河流域跨境水量-水能-生態互饋關系。徐斌等(2017)考慮了防洪、發電、供水目標，研究了金沙江下游梯級與三峽-葛洲壩聯合調度問題。流域水庫群調度的防洪、供水、輸沙、發電、生態需水等目標相互競爭、不可公度，具有高度復雜性，當前研究多針對梯級水庫群調度的2～3類目標，采用約束法或權重法處理多目標問題，對各目標之間的作用機制和耦合機理的定量描述尚不深入。 多沙河流水庫調度在運用過程中不僅要考慮水的因素，還要考慮泥沙的影響，因此更加復雜。自從水庫泥沙問題的嚴重性引起人們關注，學者們開始關注水庫減淤措施的研究，按照水沙調節程度的不同可分為蓄洪運用、蓄清排渾、自由滯洪、多庫聯合運用等不同類型(胡春宏，2016；李勇等，2019；張金良等，2020)。圍繞水庫水沙調度和過程控制，現有研究成果可概括為：①動態高效的輸沙機理(胡春宏，2014)，如高效輸沙洪水的水沙閾值(Chang et al.，2003)、出庫水沙過程與入庫水沙條件(申冠卿等，2019)、庫區邊界條件和庫水位的復雜響應關系(安新代等，2002；張紅武等，2016)等；②基于水庫調節的減輕下游河床淤積的途徑，如水沙調控措施、水庫群聯合調度和人工擾動的調水調沙方法等(李國英，2006)；③水沙聯合調度模型，包括單目標或多目標(彭楊等，2004；哈燕萍等，2017)、單庫或多庫(張金良等，2021)的水沙調控模型。國內外水沙聯合調度的研究主要集中在單個水庫，由于泥沙沖淤計算與水庫調度計算是兩種性質完全不同、決策時段差異很大的系統，且泥沙淤積具有累積效應，如何在優化調度中考慮梯級水庫群水沙聯合運用、水庫間泥沙淤積形態控制以及缺水背景下泥沙輸送與興利調節關系協調等，是水庫水沙聯合調度的難點。 傳統的水庫調度以興利調度和除害調度為主，對水庫生態調度關注不夠，隨著梯級水庫群運行對河流生態環境影響的不斷顯現，如何協調這些目標之間的關系成為研究的熱點(胡和平等，2008；許繼軍等，2011；陳志剛等，2020；鄧銘江等，2020)。在發達國家，河流生態調度已成為水庫調度運行的重要目標之一(劉忠恒和許繼軍，2012)，1991～1996年，為改善田納西河下游河道生態環境，美國田納西河流域管理局在實施20個水庫供水調度的同時兼顧水庫生態調度(Labadie，2004)，有效改善了流域水生態環境狀況；1996年和2000年，科羅拉多河水庫實施了生態調度，達到了河道輸沙、恢復生境和保護魚類等綜合目標(Hueftle and Stevens，2001)。我國于21世紀初開始生態調度研究，起步較晚(董哲仁等，2007)。近20年來水庫生態調度逐漸成為水庫調度研究的熱點，艾學山和范文濤(2008)建立了以經濟效益、社會效益和生態效益組成的綜合效益*大為目標函數的水庫生態調度多目標數學模型；胡和平等(2008)提出了基于生態流量過程線的水庫優化調度模型；黃草等(2014a，2014b)綜合考慮了發電、河道外供水和河道內生態用水等目標，構建了長江上游15座大型水庫群的聯合優化調度模型；呂巍等(2016)構建了梯級水電站多目標優化調度模型，提出了兼顧生態保護目標的梯級水電站調度方案。現有梯級水庫群聯合調度多把生態流量作為約束處理，對供水、灌溉、輸沙、發電和生態多目標相互影響及其過程作用考慮不足，如何面向河流生態過程、協調多目標作用關系是水庫調度的難點。 1.2.2水庫群多目標優化方法 水庫多目標調度的各個目標之間相互競爭、不可公度，是多約束、多階段、多目標的復雜優化問題，一直是國內外研究的熱點(王浩等，2019)。梯級水庫群多目標優化調度求解方法可分為兩類：一類是通過目標函數擬合、約束法、權重法等將多目標問題轉化為單目標問題進行求解(廖四輝等，2010；馬真臻等，2012)；另一類則是運用以帕累托（Pareto）理論為基礎的多目標進化算法對問題進行求解(Shiau and Wu，2007；尚文繡，2018)。 由于多目標問題求解的復雜性和困難程度，研究者通常將多目標問題轉化為單目標問題，常用的轉化方法有權重法、約束法等。唐幼林和曾佑澄(1991)基于模糊理論，采用不同模糊子集描述水庫多個調度目標，以各模糊子集加權隸屬度之和*大為水庫優化調度的*優性準則，構建了水庫綜合調度模糊非線性規劃模型。陳洋波等(1998)采用交互式決策偏好系數法將以發電量和保證出力為目標的多目標優化問題簡化為單目標問題，并運用動態規劃對該模型進行求解。邵東國等(1998)建立了兩個決策變量的綜合利用水庫多目標動態規劃實時優化調度模型，提出了含變動罰系數的離散微分動態規劃方法。杜守建等(2006)運用約束法將凈效益、發電量和耗水量等目標轉化為單目標問題，并采用逐步優化算法對模型進行求解。高仕春等(2008)分析了供水、灌溉和發電3個目標的優先權，通過將次優先級的目標轉化為約束的方式建立了多目標優化調度模型，該模型可較好地協調主目標與次目標之間的矛盾。Kumar和Reddy(2006)以發電量*大、防洪風險*小、農業用水缺額*小為目標建立了優化調度模型，采用約束法將多