水庫(kù)水沙聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化方法與應(yīng)用研究.pdf

1、我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重匱乏、水利發(fā)展相對(duì)滯后的國(guó)家，如何加快水利改革發(fā)展，最大限度的合理開(kāi)發(fā)利用水資源是關(guān)系到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展和人民生活水平提高的迫切問(wèn)題。水庫(kù)作為增加水利支撐保障能力、實(shí)現(xiàn)水資源科學(xué)配置的關(guān)鍵性工程，提高其運(yùn)行管理水平是未來(lái)加快水利改革發(fā)展的重要舉措。泥沙淤積與水庫(kù)運(yùn)用同步存在，泥沙淤積嚴(yán)重制約水庫(kù)綜合效益的發(fā)揮，威脅水庫(kù)的使用壽命。為充分發(fā)揮水庫(kù)的綜合效益，必須綜合考慮水庫(kù)防洪、興利和排沙減淤等目標(biāo)，

2、開(kāi)展水庫(kù)水沙聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化方法與應(yīng)用研究，這是目前水庫(kù)運(yùn)用管理模式的發(fā)展方向。
　　與一般水庫(kù)調(diào)度相比，水庫(kù)水沙聯(lián)合調(diào)度不僅要考慮水量的合理調(diào)配，還要對(duì)泥沙的蓄泄及時(shí)間做出合理的安排，對(duì)梯級(jí)水庫(kù)而言還要考慮上下游水庫(kù)的運(yùn)用要求和上游梯級(jí)對(duì)下游水庫(kù)的累積性調(diào)節(jié)作用。水庫(kù)水沙聯(lián)調(diào)涉及到水庫(kù)調(diào)度和泥沙沖淤計(jì)算兩個(gè)方面，這兩個(gè)方面相互聯(lián)系、相互影響，全面認(rèn)識(shí)泥沙沖淤和水庫(kù)防洪、發(fā)電等目標(biāo)之間的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系，從理論上將泥沙沖淤計(jì)算和水庫(kù)調(diào)度更

3、好的結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)水沙聯(lián)合調(diào)度，將進(jìn)一步豐富水庫(kù)調(diào)度和水庫(kù)泥沙的基本理論，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　水庫(kù)水沙聯(lián)合調(diào)度是一個(gè)典型的復(fù)雜大系統(tǒng)多目標(biāo)問(wèn)題。由于泥沙沖淤計(jì)算與水庫(kù)調(diào)度計(jì)算是兩種性質(zhì)完全不同、決策時(shí)段差異甚大的系統(tǒng)，且梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度本身是一個(gè)具有大量約束條件、動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的最優(yōu)化控制問(wèn)題，其優(yōu)化求解一直受到“維數(shù)災(zāi)”、“容易陷入局部最優(yōu)解”等缺點(diǎn)的制約，因此在水庫(kù)調(diào)度中考慮泥沙沖淤，構(gòu)建能全面反映水沙綜合效益

4、的多目標(biāo)決策模型，實(shí)現(xiàn)模型的聯(lián)合求解，具有很大的難度。基于此，論文分別從水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度、水庫(kù)泥沙沖淤計(jì)算、水沙聯(lián)調(diào)多目標(biāo)決策模型的構(gòu)建與求解以及非劣解的生成與評(píng)價(jià)決策、水沙調(diào)度實(shí)例等方面對(duì)水庫(kù)水沙聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化方法與應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究。取得了如下主要成果:
　　(1)水庫(kù)調(diào)度與泥沙沖淤規(guī)律研究。為從宏觀和微觀兩個(gè)層面探索水庫(kù)調(diào)度與泥沙沖淤之間的規(guī)律，首先分析了四種水庫(kù)宏觀運(yùn)用方式對(duì)泥沙淤積速率、淤積分布以及淤積平衡形態(tài)三方面的影響

5、，給出調(diào)水調(diào)沙的宏觀運(yùn)用框架;其次研究了汛限水位和蓄水時(shí)間調(diào)整對(duì)泥沙淤積的影響，得出蓄水時(shí)間只改變泥沙淤積速率，而汛限水位則會(huì)改變整個(gè)淤積平衡的結(jié)論;再者分析了三種水庫(kù)宏觀排沙方式的排沙機(jī)理，討論其高效排沙方式;最后對(duì)初步平衡后的水庫(kù)沖淤特點(diǎn)進(jìn)行分析，總結(jié)出根據(jù)不同沖淤特點(diǎn)進(jìn)行蓄水排沙的規(guī)律。
　　(2)基于鯰魚(yú)效應(yīng)粒子群算法的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度。針對(duì)求解水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題時(shí)，粒子群優(yōu)化算法容易陷入局部最優(yōu)和后期收斂速度慢等缺點(diǎn)，將“鯰

6、魚(yú)效應(yīng)”機(jī)制引入到粒子群算法中，提出基于鯰魚(yú)效應(yīng)粒子群算法，并給出其求解水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)步驟;該算法中的鯰魚(yú)啟發(fā)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)種群多樣性的動(dòng)態(tài)跟蹤和鯰魚(yú)粒子的自動(dòng)引入，通過(guò)鯰魚(yú)粒子的驅(qū)趕和高素質(zhì)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用激活進(jìn)化中陷入惰性的群體并提高收斂速度;最后通過(guò)單庫(kù)防洪優(yōu)化調(diào)度和梯級(jí)水庫(kù)發(fā)電優(yōu)化調(diào)度兩個(gè)實(shí)例證明了算法的可行性和高效率。
　　(3)水庫(kù)水沙聯(lián)合多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度。針對(duì)水庫(kù)調(diào)度涉及防洪、興利、生態(tài)和排沙減淤等綜合效益的多個(gè)目標(biāo)，

7、以一維泥沙沖淤計(jì)算數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，整合目標(biāo)和決策變量建立全面反映水沙綜合效益的單庫(kù)多目標(biāo)決策模型;通過(guò)對(duì)多目標(biāo)問(wèn)題非劣解生成技術(shù)的深入研究，在介紹向量?jī)?yōu)化理論權(quán)重法和約束法特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)提出基于鯰魚(yú)效應(yīng)多目標(biāo)粒子群算法，相比于向量?jī)?yōu)化理論，該方法計(jì)算效率高，能同時(shí)獲得多個(gè)非劣解;最后通過(guò)三峽水庫(kù)水沙優(yōu)化調(diào)度實(shí)例證明了該算法的有效性和可行性，并與基于泥沙約束的三峽水庫(kù)蓄水時(shí)間優(yōu)化實(shí)例進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　(4)梯級(jí)水庫(kù)水沙聯(lián)合調(diào)

8、度多目標(biāo)決策模型及求解方法。從梯級(jí)水庫(kù)水沙聯(lián)調(diào)的目的出發(fā)，分別建立梯級(jí)水庫(kù)防洪、發(fā)電和泥沙沖淤計(jì)算子模型;在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建梯級(jí)水庫(kù)水沙聯(lián)合調(diào)度多目標(biāo)決策模型，該模型能較好的反映梯級(jí)水庫(kù)間的水沙聯(lián)系以及各目標(biāo)利益之間的協(xié)調(diào);為實(shí)現(xiàn)模型的求解，運(yùn)用約束法將多目標(biāo)決策模型轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化模型，在給定的約束閾值下采用基于鯰魚(yú)效應(yīng)粒子群算法對(duì)單目標(biāo)優(yōu)化模型尋優(yōu)，通過(guò)不斷變換約束閾值水平生成問(wèn)題的非劣解集;最后根據(jù)層次分析法計(jì)算的主觀權(quán)重和熵權(quán)法計(jì)

9、算的客觀權(quán)重，結(jié)合理想點(diǎn)評(píng)價(jià)法，構(gòu)建基于組合權(quán)重的理想點(diǎn)評(píng)價(jià)模型，該模型在一定程度上改善了單一賦權(quán)法的不足，使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合客觀實(shí)際。
　　(5)溪洛渡-向家壩梯級(jí)水庫(kù)水沙聯(lián)合調(diào)度實(shí)例。以溪洛渡-向家壩梯級(jí)水庫(kù)為研究對(duì)象，首先在分析梯級(jí)水庫(kù)蓄水時(shí)間優(yōu)化必要性和前提條件的基礎(chǔ)上，研究梯級(jí)組合蓄水方案調(diào)整對(duì)發(fā)電、航運(yùn)和泥沙淤積的影響，結(jié)果表明:梯級(jí)水庫(kù)蓄水時(shí)間應(yīng)以相互錯(cuò)開(kāi)為有利蓄水發(fā)電原則，并且蓄水提前將增加泥沙淤積，蓄水推后則會(huì)減少