流域梯級(jí)及全流域巨型水庫(kù)群洪水資源化聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究.pdf

1、洪水資源安全利用是緩解水資源短缺和防洪減災(zāi)的有效措施和方法。我國(guó)淡水資源極為匱乏，人均水資源量?jī)H2200m3，是全球人均淡水資源最貧乏的13個(gè)國(guó)家之一。同時(shí)我國(guó)也是干旱、洪澇并發(fā)頻繁、旱澇災(zāi)害嚴(yán)重的國(guó)家，水資源時(shí)空分布極不均衡，隨著社會(huì)主義建設(shè)逐步加快，經(jīng)濟(jì)、文化的快速發(fā)展，我國(guó)水資源短缺形勢(shì)更為嚴(yán)峻。為有效緩解國(guó)家水資源短缺，同時(shí)保障流域防洪體系安全，亟需研究并發(fā)展流域洪水資源安全利用的理論與方法。流域水庫(kù)群擔(dān)負(fù)著流域防洪、供水、航運(yùn)

2、等重要任務(wù)，其洪水資源化聯(lián)合調(diào)度在防洪減災(zāi)和緩解供需水矛盾等方面發(fā)揮重要作用，是實(shí)現(xiàn)洪水資源安全利用及水資源可持續(xù)利用的重要舉措。本文圍繞全流域大規(guī)?？刂菩运畮?kù)群洪水資源化聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度存在的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)瓶頸，在引入系統(tǒng)科學(xué)、水文學(xué)、水資源學(xué)等理論的基礎(chǔ)上，以流域水資源充分利用和防洪體系安全為目標(biāo)，對(duì)三峽及其上游控制性水庫(kù)群洪水資源化聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度建模理論和求解方法開(kāi)展了深入的研究，在理論創(chuàng)新和工程實(shí)踐方面取得了一些可供流域管理機(jī)構(gòu)參

3、考和借鑒的研究成果。相關(guān)研究成果集成于“金沙江梯級(jí)水調(diào)管控平臺(tái)”、“三峽及以上水庫(kù)群蓄水調(diào)度原型系統(tǒng)”和“長(zhǎng)江中上游水資源優(yōu)化配置原型系統(tǒng)”等系統(tǒng)中，并通過(guò)進(jìn)行實(shí)地部署在長(zhǎng)江三峽及金沙江成都調(diào)控中心獲得了工程應(yīng)用。研究工作取得的主要?jiǎng)?chuàng)新性成果如下：
　?。?）針對(duì)流域水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度時(shí)空高緯度、多調(diào)度目標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)以及水位、流量多重變量耦合等特性，研究工作引入文化進(jìn)化框架，提出了適應(yīng)于復(fù)雜非線性約束條件下多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的文化自適應(yīng)仿電

4、磁學(xué)算法（MOCSEM）。該算法通過(guò)模擬電磁學(xué)原理實(shí)現(xiàn)文化進(jìn)化框架中的種群空間進(jìn)化，并根據(jù)流域水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的特點(diǎn)構(gòu)建了文化框架中信仰空間，采用經(jīng)驗(yàn)知識(shí)信息共享機(jī)制指導(dǎo)種群空間進(jìn)化過(guò)程，從而保證種群空間的多樣性和分布性。文化自適應(yīng)仿電磁學(xué)算法的性能測(cè)試結(jié)果表明，該算法具有優(yōu)異的多目標(biāo)并行優(yōu)化性能，能有效處理復(fù)雜非線性約束條件下多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。
　?。?）為滿足流域水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度對(duì)徑流預(yù)報(bào)的精度需求，研究工作綜合考慮流域水文

5、系統(tǒng)不同產(chǎn)匯流特性，以提高流域徑流預(yù)報(bào)精度為目標(biāo)，提出了反映流域不同徑流特征的概念性水文模型多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化率定方法，并基于參數(shù)率定的優(yōu)化結(jié)果，建立了一種簡(jiǎn)便的自識(shí)別參數(shù)組合預(yù)報(bào)模式。以某典型濕潤(rùn)地區(qū)為研究對(duì)象，進(jìn)行新安江水文模型多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化率定和基于其率定結(jié)果的參數(shù)組合預(yù)報(bào)，實(shí)例仿真和對(duì)比分析結(jié)果表明，應(yīng)用本文提出的自識(shí)別參數(shù)組合預(yù)報(bào)方法可為水文預(yù)報(bào)作業(yè)提供更為精確的流域徑流預(yù)報(bào)成果。
　?。?）考慮流域水庫(kù)群防洪調(diào)度對(duì)流域中下

6、游水庫(kù)、提防工程、分蓄洪區(qū)等水利工程設(shè)施防洪安全的影響，建立了均衡考慮流域不同防護(hù)區(qū)及梯級(jí)水庫(kù)群自身防洪安全的流域控制性水庫(kù)群多目標(biāo)聯(lián)合防洪優(yōu)化調(diào)度模型。研究工作以金沙江下游梯級(jí)和三峽水庫(kù)為實(shí)例，采用本文提出的高效算法 MOCSEM對(duì)流域控制性水庫(kù)群多目標(biāo)聯(lián)合防洪優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行工程實(shí)踐檢驗(yàn)，實(shí)例仿真結(jié)果和對(duì)比分析結(jié)果表明，該模型在保證三峽壩前水位不變的前提下，進(jìn)一步減少水庫(kù)最大下泄流量，增強(qiáng)水庫(kù)群的防洪能力，為制定合理的長(zhǎng)江中上游防洪

7、調(diào)度方案提供了數(shù)據(jù)支撐。
　　（4）針對(duì)流域干支流梯級(jí)水庫(kù)群汛末競(jìng)爭(zhēng)性蓄水這一工程問(wèn)題，研究工作從流域整體優(yōu)化的角度出發(fā)，在保證防洪安全的基礎(chǔ)上，提出了一種全流域水庫(kù)群分級(jí)分期聯(lián)合蓄水策略來(lái)判定流域梯級(jí)各水庫(kù)的蓄水時(shí)機(jī)及次序，制定了各水庫(kù)汛限水位優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以水庫(kù)群汛末蓄滿度最大為目標(biāo)，建立了基于蓄水調(diào)度圖的全流域水庫(kù)群聯(lián)合蓄水優(yōu)化調(diào)度模型，并以雅礱江錦屏一級(jí)、大渡河瀑布溝、嘉陵江亭子口、烏江構(gòu)皮灘、岷江紫平鋪、金沙江四庫(kù)梯級(jí)以

8、及三峽等12個(gè)全流域骨干性水庫(kù)群為研究對(duì)象，運(yùn)用文化自適應(yīng)仿電磁學(xué)算法進(jìn)行求解。研究結(jié)果表明，水庫(kù)群聯(lián)合蓄水優(yōu)化調(diào)度方案在不增加流域防洪風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，可有效提高水庫(kù)群蓄滿度，減少棄水量，為研究和制定長(zhǎng)江流域大型水庫(kù)群統(tǒng)一蓄水方案提供一種新的思路和方法。
　　（5）在以上研究工作基礎(chǔ)上，圍繞全流域大規(guī)模水庫(kù)群水資源配置的工程需求，以雅礱江流域、岷江流域、大渡河流域、嘉陵江流域、烏江流域、金沙江流域和長(zhǎng)江三峽河段等長(zhǎng)江中上游流域?yàn)檠芯繉?duì)

9、象，依據(jù)長(zhǎng)江中上游流域主要控制斷面的水資源設(shè)計(jì)指標(biāo)，考慮兼顧流域水庫(kù)群汛期防洪以及三峽水庫(kù)汛末蓄水任務(wù)，建立了以流域供水缺額最小為目標(biāo)的長(zhǎng)江中上游流域巨型水庫(kù)群水量?jī)?yōu)化調(diào)度模型，提出了面向水資源配置的流域干支流梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度策略。選取現(xiàn)狀2010和未來(lái)2020兩水平年，進(jìn)行長(zhǎng)系列歷史資料下的流域水資源配置模擬。模擬結(jié)果表明，通過(guò)水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案可降低流域總供水缺額，提高三峽水庫(kù)蓄滿率，為實(shí)現(xiàn)全流域水資源優(yōu)化配置提供理論依據(jù)和技