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下坂地水库径流调节计算模拟优化研究

作者：佚名文章来源：不详点击数：更新时间：2008-9-24 10:51:16

下坂地水库径流调节计算模拟优化研究覃资讯¹ 杨智睿² 畅建霞³ 于长生³ 路文波¹ 樊署光¹   黄强³
1.新疆喀什地区水利局，新疆喀什834000；2.水利部陕西水利电力勘测设计研究院，陕西　西安710001；3.西安理工大学，陕西西安710048 　　叶尔羌河干流全长1 078 km，流域总面积9．89万km²。叶河所面临的春旱缺水、缺电、生态环境脆弱已成为制约该地区发展的主要因素。为解决这些问题，已规划在叶尔羌河主要支流之一的塔什库尔干河中游修建下坂地水利枢纽工程，作为流域山区控制性工程，其以灌溉为主，结合发电，并为改善叶河下游生态环境的用水创造条件。本文根据下坂地水库径流调节计算的具体情况，建立了模拟优化模型，该模型兼有模拟、优化功能，并能获得水资源最优调配的“满意解”。
1 下坂地水库的径流调节计算
1.1 目的
　　下坂地水库径流调节计算的目的是：在2010设计水平年，满足叶河流域800万亩灌区设计保证率要求(75%)的灌溉和叶河下游生态供水的前提下，通过流域内的径流、库容补偿，跨流域的电力补偿及充分利用上、中、下游平原水库的反调节作用，统一调配水资源，提高电力系统的保证出力和发电量，使下坂地水库发挥出最大的经济效益、生态环境效益和社会效益，同时为确定下坂地水利枢纽工程规模提供科学依据。
1.2 水资源最优分配的优先顺序
　　下坂地水库补偿调节水量加入卡群渠首，供给叶河平原灌区，其供水顺序是：
　　①首先满足流域内46．4亿m³的工农业生产、生活需水量；
　　②再向下游生态供水和塔里木河补水共12．06亿m³；
    ③向上中游平原水库充水。
　　在保证灌溉、生态供水的前提下，下坂地协力波斯电站与南、北网电力系统27座径流电站联合运行，对其进行电力补偿，提高系统的总出力值。
1.3 下坂地水库径流调节计算的模拟优化模型　　
    本文针对下坂地水库水资源系统的复杂性及优化调配原则，建立模拟优化模型,该模型可以对水资源系统进行仿真运算，同时又具有优化的功能，计算工作量小，能够获得“满意解”。
1.3.1 目标函数
　　下坂地水库的径流调节计算研究，从理论上应以水资源调配综合利用效益最大为目标，但由于的灌溉用水量是一定值；同时，由于水资源总量的限制，生态供水量也不可能无限大。因此，研究　　中可选择在保证灌溉、生态用水的前提下，使水电站群联合运行的保证出力N_fm最大为目标，以月为计算时段，径流调节计算的目标函数为：

式中，K为总计算年数，即资料系列长度，k＝1，2…，K(K＝41)；T为年内总时段数，t＝1，2…，T(T＝12)；M为系统内水电站总数，m＝1，2…，M(M＝28)；N_m(k，t)、RK_m、QD_m(k，t)、QC_m(k，t)、QS_m(k，t)、H_m(k，t)分别为第m水电站第k年第t时段出力、出力系数、发电流量、出库流量、超发电放水(超过发电用水的流量)和发电净水头。
1.3.2 约束条件
(1)水库水量平衡约束

式中，j为水库编号，j＝1，2，3。当j＝1时为下坂地水库，j＝2，3时为平原水库；V_j(k，t＋1)，V_j(k，t)分别为第j个水库第k年第t＋1时段与第t时段的水库库容；QV_j(k，t)，QC_j(k，t)分别为第j个水库第k年第t时段入库流量和出库流量。
(2)库容约束

式中，

为第j个水库第k年第t时段的上、下限库容约束。
(3)水头约束

　　
(4)出力约束

式中，

为第m水电站最小、最大允许出力，一般最小值为机组技术最小出力，最大值为装机容量。
(5)下坂地水库放水限制

式中，QG(k，t)为灌溉要求下坂地水库下放流量；QL(k，t)为下游生态要求下坂地水库下放流量。
　　(6)卡群东西干渠分水约束

式中：k₁(t)，k₂(t)为东西干渠各月分水比例(略)，k₁(t)＋k₂(t)＝1。
　　卡群来水流量Q_卡(k，t)大于430 m³/s时，东西干渠按设计流量170 m³/s引水，当卡群来水小于430 m³/s时(7)、(8)式约束才起作用。卡群来水是由叶尔羌河径流和下坂地水库放水两部分之和。
1.4 模型求解
1.4.1 目标函数变换
　　(1)式的目标函数求解困难，不利于模拟计算。水电站多年保证出力最大实质上是在供水期各时段水电站群出力尽可能拉平或平稳，因而(1)式的目标函数可转换为水电站在平稳出力约束条件下，尽可能使联合运行总发电量E最大，即

式中：N_j(k)为电力系统所要求的出力，由于其值难以获得，故按等出力考虑。蓄水期和供水期N_j(k)不同，一般j取1，2分别表示供、蓄水期的出力RND(k)和RNF(k)。
　　由上述计算模型得到的运行策略实际是，枯水年和平水年系统电站群总出力基本拉平为一个等出力值，丰水年的总出力可能为两个值：供水期的出力(RND)和蓄水期的出力(RNF)。由于各水文年的供、蓄水期等出力值为未知数，同时补偿调节水库下坂地水库为多年调节，其年末消落水位是变值，目前还没有合理有效的方法确定其值，这样采用常用的优化算法，如DP法、POA法等收敛准则难以控制、计算量大。故本研究提出一种基于等出力试算的补偿调节计算人机对话算法，以实现对水库运行工况的优化模拟。
1.4.2 人机对话算法
　　基于等出力试算的补偿调节人机对话算法的基本思路是，对任意第k年假定水电站群供、蓄水期的出力值RND(K)、RNF(K)，以此为依据进行等出力补偿调节计算。当第k年计算结束后，决策者可通过输出的库群运行策略结果进行决策，若库水位变化、出力过程等不合理，重新输入RND(K)、RNF(K)，再行迭代计算。为保证计算获得可靠的运行策略，可事先按供水保证率、系统出力等要求，计算出允许破坏年数或时段，然后在计算过程中，由决策者对破坏年数加以控制，以满足系统可靠性。当所有年份计算结束，进行统计分析，输出统计指标，包括灌溉保证率、保证出力、多年平均发电量等值，看其是否合理，不合理，进行下一轮调整计算。
基于上述思路，模拟优化计算步骤为：
　　(1) 输入水电站群第k年的供、蓄水期出力RND(k)、RNF(k)。
　　(2) 对任意t时段，判断卡群来水w(k，t)是否满足上、中、下游灌溉用水w₁(k，t)。若不能满足，转向第(6)步。
(3) 下坂地水库蓄塔河来水，考虑约束条件，计算系统总出力

(4) 比较

-RNF(k)或RND(k)|≤ε(ε为给定精度)，当

≥RNF(k)或RND(k)时，若t＜T，令t＝t+1转向(2)，若t＝T,转向(7)；当

≤RNF(k)或RND(K)时，则转向(5)。
(5) 下坂地水库放水，重新计算各电站出力，直到|

-RNF(k)或RND(k)|≤ε。若t＜T，令t=t+1转向(2)，若t=T，转向(7)。
    (6) 卡群来水w(k，t)不能满足上、中、下游灌溉用水w1(k，t)，由下坂地水库放水满足用水需求，计算系统出力。转向(4)。
　　(7) 输出第k年水库群运行策略，由决策者做出决策。不满意增加或减少RNF(k)、RND(k)，转向(2)重新计算。
    (8) 令k＝k＋1，转向(1)，直到k＝K。　　
    (9) 输出长系列统计指标，若不满意，可从任意一年开始，转向(1)重新一轮计算，直到满意为止。
　　(10) 输出最终下坂地水库K年运行过程、其它电站出力过程和统计值，计算结束。
2 计算结果及分析
2.1 下坂地水库正常蓄水位、死水位的优选　　
    据下坂地水库坝址和叶河卡群引水枢纽1957～1998年共41年月径流资料，以及2010水平年灌溉、生态、工农业需水资料，采用上述优化调配模型和求解方法，用VB语言编制计算程序，得出下坂地水库不同正常蓄水位与死水位方案(由前期研究确定)2010水平年叶尔羌河流域的水资源最优分配方案。各方案逐月计算结果略去。表1为下坂地水库死水位2 920 m，五个正常蓄水位最优调配计算结果。

本次研究主要就灌溉、生态供水和能量指标等变化进行综合分析，优选正常蓄水位，作为推荐值，以供有关部门参考。
　　下坂地水库各正常蓄水位备选方案的计算灌溉保证率为75．61%，均达到设计标准值75%，因此均能满足灌溉需水要求。从理论上讲，若仅考虑水库灌溉，希望从备选方案选出的正常蓄水位越低越好，因为在同等满足灌溉供水条件下，正常蓄水位越低,水库的淹没、浸没、水量损失越小，工程投资越小。因此，从满足灌溉的角度出发,下坂地水库最佳的正常蓄水位应为2 955 m。但是，下坂地水库的任务不仅是灌溉，还要兼顾发电和生态供水。同时，下坂地水库的正常蓄水位还涉及到平原水库的蓄水量等,故需全面、综合分析。当方案Ⅱ增加至Ⅲ时，平原水库蓄水量增量（负的绝对值）最大。这说明方案Ⅲ能使平原水库蓄水量和损失水量减少的梯度最快，因而是最有利的方案。故从减少平原水库蓄水量和损失水量的角度出发,应优选2 960 m作为下坂地水库的正常蓄水位。同样，从生态供水量和系统能量指标分析，方案Ⅲ的增量梯度最大。因此，当综合考虑灌溉、生态供水及能量指标增量时，本研究推荐2 960 m为下坂地水库优选的正常蓄水位。
　　同理，考虑下坂地水库三个死水位方案(正常蓄水位为2 960 m)2 925 m、2 920 m和2 915 m(计算结果略)，通过相邻方案主要指标增量分析比较，推荐2 920 m为下坂地水库的优选死水位。
2.2 推荐方案结果分析
　　表2为在下坂地水库正常蓄水位2 960 m和死水位2 920 m时修建下坂地水库前后41年长系列统计结果。

采用本文提出的模拟优化模型及人机对话自迭代算法，有下坂地水库与无下坂地水库相比，可使灌区的灌溉保证率由29.3%提高到75.6%，在41年的长系列中，减少灌溉破坏年数19年，累计减少灌溉破坏水量达56.14亿m³，平均每年减少1.37亿m³；使平原水库蓄水量由11.37亿m³减少至3.62亿m³，减少平原水库水量损失3.02亿m³；使系统的总电量由10.31亿kW·h增至15.43亿kW·h，增加50%，保证出力由8.68万kW增至15.46万kW，占系统水电装机容量53.7%，大大减少了重复容量的比重；同时使下游生态供水（包括向塔里木河送水）的保证率由目前的48.8%，提高到53.7%，多年平均生态供水量提高1.21亿m³，从质和量上保证了生态供水设计保证率50%相应需求生态供水量12.06亿m³的要求。因此，通过下坂地水库径流调节可缓解叶河流域春旱缺水、生态脆弱和缺电等问题，计算结果同时也证明了本文提出的优化模拟模型和人机对话算法的正确性和合理性。
3 结语
　　本文针对下坂地水库水资源系统及多年调节水库的特点，建立了模拟优化模型,并提出人机对话算法，可模拟水资源系统实际运行工况并获得满意解，便于实际应用,具有推广实用价值。研究结果具有科学性、系统性，体现了水资源可持续发展、综合利用的最优性原则。

参考文献

［1］姚汝祥，等．水资源系统分析及应用［M］．北京：清华大学出版社，1987．
［2］冯尚友．水资源系统工程［M］．武汉：湖北科学技术出版社，1991．
［3］Grawley P．D．，Dandy G．C．．Optimal operation of multiple－reservior system［J］．Water Resour．Plann．Manage．，1993，119(1)：1－17．

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