水库和泵站群的多目标联合调度研究
水库多目标生态调度
汇报人:
2023-12-08
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CONTENCT
录
• 水库多目标生态调度概述 • 水库多目标生态调度的理论基础 • 水库多目标生态调度的关键技术 • 水库多目标生态调度实践案例 • 水库多目标生态调度的挑战与展望 • 结论与建议
01
水库多目标生态调度概述
定义与背景
定义
水库多目标生态调度是一种综合考虑生态、环境和人类社会需求 的水资源管理方法。
缺乏科学决策支持
目前，针对水库多目标生态调度，还没有形成一套完整的科学决策支持 体系，无法满足不同利益相关方的需求。
03
社会经济因素制约
水库多目标生态调度需要考虑社会经济因素的影响，如农业灌溉、工业
用水、发电等，这些因素可能会对生态保护和供水产生制约作用。
未来发展趋势与展望
01
02
03
04
发展智能调度系统
发展趋势
随着全球气候变化和人类活动的影响不断增强，水库多目标生态调度将面临更多的挑战和 机遇。未来，将有更多的学者和研究机构关注这一领域，探索更加科学、合理、可行的多 目标生态调度方案。
02
水库多目标生态调度的理论基础
水库生态调度原理
水库生态调度是以维护生态系统健康和持续发展为 目标，根据水库周边环境和生态系统需求，合理调 整水库运行方式的过程。
生态调度应考虑水量、水质、水生生物多样性、周 边生态环境等因素，通过优化水库运行方案，最大 程度地满足生态系统需求。
生态调度需要考虑不同生态系统的差异性和相互关 系，以实现整体生态系统的平衡和稳定。
水库多目标优化理论
水库多目标优化理论是研究如 何将多个相互冲突的目标函数 进行优化，以实现整体最优解 的理论。
梯级水库多目标生态优化调度研究
梯级水库多目标生态优化调度研究发布时间：2021-05-08T03:33:38.276Z 来源：《中国电业》（发电）》2021年第1期作者：段华兵[导读] 一定要考虑上游水库的调节作用，尤其是年调节水库的调节作用。
新疆伊犁河流域开发建设管理局新疆伊宁市 835000摘要：当前，梯级电站的累积生态效应日益加剧，特别是在蓄水期，各水库争相蓄水，下游河道流量大幅减少，严重威胁着鱼类及其他水生生物的生存。
同时，水库作为一种径流调节的工程手段，在实现水能资源的合理高效利用上发挥着重要作用。
随着我国金沙江、雅砻江、澜沧江等流域水库群的相继建成与互联智能电网的有序推进，梯级水库已成为承载多方利益诉求的水资源利用载体，亟需开展多目标优化调度的研究，以有效协调水库防洪、发电、供水、生态等多方面的任务，满足新形势下的调度要求。
关键词：梯级水库；多目标；生态优化调度引言开展梯级水库蓄水期生态调度研究对于减轻水库运行对河流生态的负面影响、保护河流生态健康具有重大意义。
目前，有关蓄水期水库调度的研究大多集中在防洪、蓄水、发电与航运目标的蓄水时机及次序的确定、蓄水时机与蓄水进程的协同优化，考虑生态目标的研究较少，建立考虑发电量和下游河道适宜生态流量改变度的多目标模型，其优化目标为适宜生态流量改变度，无法反映下游河道是否缺水及缺水程度；基于调度图的改进提前蓄水方案，并对方案的生态流量满足度进行评价，但其仅在得到调度方案后对方案进行评价，未进行优化调度计算。
采用生态需水满足度评价河道缺水程度，将生态需水满足度作为生态目标构建考虑生态需求的梯级水库蓄水期多目标生态优化调度模型，可为梯级水库蓄水期生态调度提供参考。
1大型水库蓄水运行后对下游河道水温的影响大型水库蓄水运行后对下游河道水温的影响主要涉及到以下方面具体内容：多年调节水库运行水位对下泄水温有较大影响。
冬季低温时段(12月—翌年3月)，水库下泄水温随着水库水位的升高而升高，随着水库水位的下降而降低，库表水温也表现出相同的规律，库表水温在2.5～5.5℃之间变化;夏季高温时段(5—10月)，则表现出相反的规律，即水库下泄水温随着水库水位的升高而降低，随着水库水位的下降而升高，库表水温则基本不受水位的影响，基本维持在14～16℃之间变化。
水库联合调度优化算法研究
水库联合调度优化算法研究在现代水资源管理中，水库调度优化算法对于保障水资源的合理利用和保护有着至关重要的作用。
随着科技水平不断提升，各种优化算法层出不穷，但是如何在实际生产中运用科技，发挥其最大潜力，仍然是一个难题。
近年来，水库联合调度优化算法得到了越来越多人的关注。
水库联合调度是指多个水库之间通过某种方式协调调度，达到更加合理的水资源利用目的的过程。
在此过程中，如果运用优化算法，可以更加科学的进行调度，充分利用水资源，同时实现供水、防洪等多种目标。
那么，什么是水库联合调度优化算法？其作用又有哪些？水库联合调度优化算法是指以数学和计算机理论为基础，通过对多个水库之间的节水量、供水量、蓄水量等进行优化计算，并且尽可能达到各种调度目标的过程。
相较于传统规则调度方案，水库联合调度优化算法在实际调度中可发挥以下优点：1. 提高资源利用率。
水库联合调度优化算法可以在最小限度内消耗最少的水资源，提高水资源利用率。
2. 提高供水合理性。
联合调度算法在寻求合理供水方案时，会考虑多个水库的存储水量、季节变化、水源引来等因素，确保各地供水质量稳定。
3. 提高灌溉效益。
对于耕地灌溉，水库联合调度的灌溉方案可以基于不同土壤类型、作物类型、地形地貌、降雨情况、温度湿度等条件制定，提高了灌溉效益。
4. 提高防洪能力。
在面对洪灾时，联合调度算法可以及时实现水库泄洪，减轻洪灾危害。
同时泄洪的方案也是移植于历史水文数据的，保证了缺乏数据时的可行性。
在当今形势下，随着水资源枯竭、气候变化等问题，水库联合调度优化算法不仅有着广泛的应用前景，也面临着一些挑战。
首先是算法的可靠性问题。
调度算法是由复杂的数学模型而来，算法的繁琐和复杂导致了许多算法出乎人们的意料。
因此，在设计算法的时候，必须严格检验过程和数据，以保证算法的可靠性。
其次是算法的灵活性问题。
如何根据不同的地理环境，制定不同的联合调度方案，达到针对性调度，加大灵活性，是这类算法亟待解决的问题。
水库多目标生态调度研究进展
水库多目标生态调度研究进展作者：郭文献王艳芳彭文启付意成来源：《南水北调与水利科技》2016年第04期摘要：水库多目标生态调度研究是当前国内外河流生态恢复研究中的热点问题。
综合分析了水库多目标生态调度国内外研究进展，指出了水库多目标生态调度研究存在的问题，提出了水库多目标生态调度研究的发展方向，认为今后水库多目标生态调度研究还需在水库生态调度理论框架体系、水库生态调度目标定量化研究、水库多目标生态调度优化和模拟技术研究、梯级水库多目标生态调度方案效果评价研究以及水库生态调度管理体制等方面进一步加强。
关键词：水库；生态调度；生态修复；河流管理中图分类号：X826 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0084-07Abstract：The research on reservoir ecological operation is a hotspot problem in the current river ecological restoration research field.The connotation of reservoir ecological operation was introduced firstly.Based on the concept of reservoir ecological operation，the domestic and foreign research advances of reservoir ecological operation were reviewed.Aiming at the main existent problems in this field，the future development trends of reservoir ecological operation research were put forward.It is suggested that the further study of reservoir ecological operation should be emphasized on aspects of the theoretical framework system，quantitative objectives of ecological operation，multi-objective optimization and simulation technology，effect evaluation of operation schemes and the management system of reservoir ecological operation.It provides the reference for carrying out multi-objective ecological operation of reservoirs in the future.Key words：reservoir；ecological operation；ecological restoration；river management水电工程建设在推动人类社会经济发展同时，也对河流生态系统造成了严重影响，主要表现为：河道萎缩，洪泛区面积减少；水生生物生境破坏，鸟类数量和物种较少；洄游性鱼类数量减少，甚至消失；海水入侵，河口生态环境恶化；外来物种入侵等[1-5]。
调水工程多目标优化调度及方案决策研究
多目标优化问题建模
建立数学模型
根据调水工程系统的特点和目标函数，建立 相应的数学模型，包括输水系统、水库调度 、水力发电等子系统模型。
约束条件考虑
考虑系统运行的约束条件，如水量平衡、水位限制 、电力负荷等，保证系统的稳定和安全。
多目标优化目标
根据实际需求，确定多目标优化的目标函数 ，如总输水量最大、总发电量最大、运行成 本最低等。
不足之处
现有的研究多关注于单一目标的优化调度，如最大供水量、最小弃水量等， 而忽略了多目标之间的协调和平衡。同时，现有的研究多侧重于理论分析， 缺乏实际应用和方案决策方面的研究。
研究内容与方法
研究内容
本研究旨在建立调水工程多目标优化调度模型，综合考虑 多种因素，如社会效益、经济效益和生态效益等，实现水 资源的可持续利用和工程的可持续发展。具体研究内容包 括
针对不同的调度方案，进行综合评价和分析，提出最优的 调度方案，为决策者提供科学依据。
研究方法
本研究采用理论分析和实际应用相结合的方法，首先进行 文献综述和分析，了解国内外研究现状和进展；然后建立 适合调水工程的多目标优化调度模型，并进行算法研究和 系统开发
02
调水工程调度模型构建
调水工程调度特点与原则
应用效果评估
通过实际运行数据，评估调水工程多目标优化调度的应用效果， 包括输水效率、供水量、水质等方面的指标。
环境影响评估
分析调水工程对周边环境的影响，包括生态保护、土地利用、移 民安置等方面的影响。
06
结论与展望
研究结论与创新点
1 2 3
建立了多目标优化调度模型
该模型综合考虑了调水工程的多个目标，如供 水保证、成本最低、环境影响最小等，并采用 了先进的优化算法进行求解。
水库联合调度提高防洪效能技术规程编制方案制定思路与方法设计优化提升
水库联合调度提高防洪效能技术规程编制方案制定思路与方法设计优化提升水库的联合调度在防洪方面起着至关重要的作用。
为了提高防洪效能，制定一套科学的技术规程以优化水库联合调度方案是非常必要的。
本文将探讨水库联合调度提高防洪效能技术规程编制方案的制定思路与方法，以及设计优化的途径。
一、制定思路与方法1. 收集相关资料：首先，我们需要收集与水库联合调度和防洪有关的资料，包括历史洪水数据、流域的地理环境和降雨情况等。
这些资料将为我们制定科学合理的技术规程提供参考。
2. 分析现有问题：通过对已有水库联合调度方案的分析，我们可以找出存在的问题和不足之处。
例如，是否存在调度决策滞后、信息传递不及时等问题。
通过分析问题，我们可以确定改进的方向。
3. 制定目标：在制定技术规程之前，我们需要明确目标。
例如，我们的目标可能是提高水库的洪水容纳能力、减少下游的洪水峰值等。
明确目标有助于我们制定出合适的方案。
4. 设计调度模型：为了制定科学的技术规程，我们需要建立合理的调度模型。
该模型应考虑多个因素，如来水量、降雨情况、流域特征等。
通过模型，我们可以模拟各种情况下的调度方案，并评估其效果。
5. 优化算法选择与应用：为了得到最佳的调度方案，我们需要选用适当的优化算法。
例如，可以采用遗传算法、粒子群算法等来进行调度方案的优化。
这些算法可以根据不同的目标函数来搜索最优解。
二、设计优化提升1. 多目标优化：水库联合调度往往涉及到多个目标的优化，例如防洪与发电之间的平衡。
在设计调度方案时，我们应该考虑多个目标，并进行适当的权衡。
可以使用多目标优化方法，如权重法、多目标遗传算法等，来获得在多个目标下的最佳调度方案。
2. 实时数据更新：为了保持调度方案的实时性，我们需要将实时数据纳入考虑。
例如，可以建立实时监测网络，及时获取来水量和降雨等数据。
这些数据可以用来更新调度模型，并根据最新数据进行调度决策。
3. 考虑不确定性：水库联合调度受到许多不确定因素的影响，如降雨预报的准确性等。
石佛寺水库多目标调度研究
３ 扼制水 质恶化 提 高供 水质量
石佛寺水库是典型的河道平原型水库 ，蓄水 试验 工程具有 蓄水深度 浅、 水体分布面积广 ， 除主 河道 水体外 的大部分缓流 区具有水体流动性 差等
以上工程的实施对于保护珍稀禽 鸟类、调 蓄
５ 减 少 水 库 泥 沙 淤 积
辽河是一条 多泥沙河流 ，自水库投入运行 以 来， 闸前 闸后淤积 问题较为严重 ， 随着水库 蓄水试 验应急防护工程、 生态建设荷花种植工程的实施 ， 水库淤积问题将会更加突出。为有效减少水库泥 沙淤积 ， 除采取必要 的工程措施外 ， 过适时 、 通 科 学、 合理 的调度运 用水库 ， 对延长水库 使用寿命 ， 保证泄洪闸运 用安全 ，发挥水库防洪效益 同样具 有重要意义。 通过调整运用不 同的泄洪 闸门 ， 或开 启不 同的 孔数 ， 同 的高 度 ， 少 闸前 闸后泥 沙淤 不 减 积 成为可能 ， 通过 ２０ 年 以来的实际运 用 ， 果 ０９ 效 较为明显。尤其是 ２ １ 年 ， ００ 石佛寺水库 发生中等 量级 洪 水 ， 当入库 洪 水 进 入 退水 阶段 ， 由于 洪 峰 已 经过去 ， 水位在蓄泄 平衡点达到最高后开始下降 ，
控制水体 富营养化改善水质 ， 可采取如下措施 ：
１ 充分运 用水动 力学原 理 ， ） 改变污染物 在水 库 中的输移和 扩散 规律 以及 营养 物浓 度场 的分 布 ，从而影响生物群落 的演替和生物 自净作 用的
变化 。 ２ 在 一 定 的 时 段 内 降低 坝 前 蓄 水位 ， 缓 流 ） 使
６ ）
・
６ ・ ６
下 游 防 洪 目标 安 全 是 水 库 控 制 运 用 的根 本 。水 库
多目标综合利用水库优化调度模式研究
２２ ｍ， ４ ． 相应库 容 ４ ５ 万 ｍ ， 限水 位 ２ ８ ｍ， 应库容 ４ ２． ８ ３ 汛 ４． 相 Ｏ
８ ０万 ｍ３ ７
应库容 ３ ７ 万 ｍ ， ０７ ， 汛限水位 ２ １ ｍ 相应库容 ３３ 万 ｍ 。 ３． ， ５ ２７ ３
放水 洞以 ２ ｍ３ 流量放 水灌溉水 稻 。 ． ／ ５ ｓ
根据 中长 期 天气 预报 ， 专家 评估 ， 内无 大 的 降雨 经 年
过程 ， 为节约水库水资源 ， 在水库水位超过最优水位 、 低于
汛 限水 位时 ， 应审慎 启动本调 度方 案 。 水 库水位 达到 本调度 方案 规定 的水位 时 ， 向县 防指 须
水利建设 与管理 ・０ ０年第 ２期 ２１
５ ３
张 成敏 王德 明 杨 德 同
（ 莒县 小仕 阳水 库 管理处 ２６ ２ ） ７ ５６
【 摘 要 】 本文提 出了综合利用水库的多 目标优 化调度 的模 式 ， 并将该模 式应用于综合利用水库优化调度过程 中，
以水库现有水 雨情为分析基础 ， 根据科 学预报 的结果 ， 提前通过 电站小流量 、 时间预 泄， 空部分 库容 ， 长 腾 迎接未来 可能发生的一定 频率降雨， 避免或减少 因溢洪道 泄洪弃水所造成 的水资源浪费。并 以莒县青峰岭、 小仕 阳、 山三座 峤 大 中型水库在 ２ ０ ０ ９年 ７月 １ ５日的一次 降雨为例 ， 绍 了水库在 汛期 多 目标综合利用优化调度 中的经验 与做法。 介
【 关键词 】 综合利用水库
水雨情分 析 优化调度 亿 。全 县 ｌｋ 以上 河 流 有 ２ Ｏｍ ６条 ， 形成 ２ ０多 ｋ 防 ６ ｍ 洪 堤 防 。 沐 河贯 穿 全 县 南 北 ， 内流 域 面 积 １ １ ． ｍ 县 ７ ８４ ， ｋ
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Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2017, 6(2), 125-137 Published Online April 2017 in Hans. /journal/jwrr https:///10.12677/jwrr.2017.62016文章引用: 马旭, 白涛, 秦涛, 畅建霞. 水库和泵站群的多目标联合调度研究[J]. 水资源研究, 2017, 6(2): 125-137.Multi-Objectives Joint Operation of Reservoirs and Pumping StationsXu Ma 1, Tao Bai 1, Tao Qin 2, Jianxia Chang 11Key Laboratory of Northwest Water Resources and Environment Ecology, Xi’an University of Technology, Xi’an Shaanxi 2Hanjiang-to-Weihe River Basins Water Diversion Project Construction Co. Ltd., Xi’an ShaanxiReceived: Mar. 23rd , 2017; accepted: Apr. 11th , 2017; published: Apr. 14th, 2017AbstractTo verify the rationality of the design value in the design report and improve the water use efficiency, the feasibility of the preliminary operation mode, the Huangjinxia and Sanhekou reservoirs and pumping stations of the water diversion project from the Han to the Wei River were selected as the targets in this paper. Multi-objective joint operation model with the largest amount of water transfer and the maximum power generation is established and solved by NSGA-II. To highlight the advantages of optimizing the model, conventional operation model was established as a comparison model. Moreover, reasonability of design value is certified and feasibility of the initial operation rule is revealed by model analysis and calculation. Results showed that the multi-objective joint operation improved the runoff utilization effi-ciency and increased the amount of water and power generation. Achievements obtained multi-objective equilibrium solution of reservoirs with different typical years, which provided a technical support for the operation of reservoirs and pumping stations, and provided the theoretical basis for reservoirs mul-ti-objective operation.KeywordsReservoirs, Multi-Objective Operation, Equal Flow Discharge, NSGA-II, Typical Year水库和泵站群的多目标联合调度研究马 旭1，白 涛1，秦 涛2，畅建霞11西安理工大学，西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西 西安 2陕西省引汉济渭工程建设有限责任公司，陕西 西安收稿日期：2017年3月23日；录用日期：2017年4月11日；发布日期：2017年4月14日作者简介：马旭(1994-)，女，陕西咸阳人，在读硕士，主要从事水资源系统工程方向。
水库和泵站群的多目标联合调度研究摘要为了验证设计报告中设计值的合理性及初拟运行方式的可行性，提高水资源利用效率，本文以引汉济渭工程调水区黄金峡水库和三河口水库及其泵站群为研究对象，建立了兼顾调水量最大与梯级发电量最大的多目标优化调度模型，采用NSGA-II求解模型。
同时，为了凸显优化模型的优越性，建立求解了常规调度模型作为对照模型。
通过模型分析计算，论证了设计值的合理性，揭示了初拟调度运行方式的可行性。
结果表明：多目标联合优化调度提高了径流利用程度和利用效率，显著增加了调水量和发电量。
研究成果获得调水区水库群不同典型年的多目标均衡解，为引汉济渭调水区水库群及其泵站的运行提供了技术支撑，为实现水库群多目标运行调度提供理论依据。
关键词水库群，多目标调度，等流量，NSGA-II，典型年Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/1. 引言跨流域调水是缓解水资源供需矛盾，改变水资源时空分配不均的有效措施。
目前国内外已有很多调水规划，如美国加利福尼亚调水工程[1]，澳大利亚雪山调水工程[2]及中国南水北调工程[3]。
引汉济渭工程是为解决陕西关中地区所规划的调水工程，它将汉江丰沛的水资源通过黄金峡、三河口水库群、泵站群调配到水资源短缺的关中地区，以缓解关中地区的水资源短缺问题，促进社会经济可持续发展。
针对引汉济渭工程前期规划的研究成果较多。
2005年，许晓等对陕西省南水北调工程中线调水规划进行研究[4]；2011年，朱兴华开展引汉济渭工程调水区的联合调度研究，调度结果较好的满足了受水区要求[5]；2011年，畅建霞等对引汉济渭调水工程水资源配置进行研究[6]；2013年，张克强等对引汉济渭调水工程水资源管理问题进行了探讨[7]；2015年杨柳等开展基于引汉济渭工程的跨流域调水与受水区多水源联合供水模拟研究，结果表明引汉济渭工程实施对受水区具有重要意义[8]；2016年，马永胜等基于引汉济渭工程的水库联调系统的开发与应用，确定了引汉济渭各水库的调度运行方式[9]。
前期对引汉济渭工程的诸多研究着重于理论研究和探索层面，主要集中在水资源模拟配置、单目标调度等方面，缺乏在规划设计审批确定的条件下开展水库群、泵站群多目标的联合调度研究。
2015年5月，引汉济渭工程初设获批及项目建议书通过水规总院咨询，拉开了工程施工建设的序幕。
目前，黄金峡、三河口水库群、泵站群正如火如荼地建设，对于调水区的水库群、泵站群而言，缺少明确有效的优化调度规则和运行方式。
鉴于此，本文以引汉济渭调水区黄金峡、三河口水库群、泵站群为研究对象，建立常规和多目标优化模型，分别采用等流量和NSGA-II求解调度模型，以论证优化调度较常规调度的优越性，揭示调水区各调控目标之间的量化规律。
研究成果对于提高供水保证率、优化受水区水资源的配置，实现水资源的高效、可持续利用。
为引汉济渭黄金峡、三河口水库及其泵站的运行提供了技术支撑，为引汉济渭调水区黄金峡、三河口水库联合调度运行提供了参考依据。
2. 问题描述2.1. 工程概况及规划引汉济渭工程分为调水工程、输配水工程两大部分。
调水工程由调水区水库群、泵站群及秦岭隧洞组成，水库和泵站群的多目标联合调度研究包括位于陕南汉中盆地以东的洋县境内汉江干流的黄金峡水库及其泵站，地处佛坪县与宁陕县交界的子午河中游的三河口水库及其泵站；秦岭输水隧洞以汉江干流黄金峡水利枢纽的泵站抽水池为起点，出口设置在秦岭北麓渭河支流的黑河金盆水库下游黄池沟，其中，黄三段起点接黄金峡泵站出水池，终点位于三河口水利枢纽坝前约300 m处右岸的控制闸，越岭段，起点接输水隧洞控制闸，终点位于渭河支流的黑河金盆水库下游黄池沟。
根据引汉济渭工程的《受水区水资源配置》专题报告确定引汉济渭工程受水区内为渭河两岸的城市群工业和城镇、农村生活供水；受水区外为冯家山灌区、石头河灌区、宝鸡峡塬上灌区、宝鸡峡塬下灌区、羊毛湾灌区、金盆水库灌区、交口抽渭灌区。
引汉济渭工程示意图如图1所示。
引汉济渭各水库、泵站参数如表1。
本阶段研究中将黄金峡水库作为径流式水库。
在调水过程中，黄金峡Figure 1. Schematic diagram of water diversion project from Hanjiang River-to-WeiheiRiver图1. 引汉济渭工程示意图Table 1. Characteristics of reservoir and hydropower station表1. 水库电站特征参数水库名称黄金峡三河口水库参数正常蓄水位/(m) 450 643 死水位(m) 440 558 总库容亿(m3) 2.29 7.1 调节库容亿(m3) 0.92 6.49 生态流量25 m3/s 2.7 m3/s泵站特征参数装机容量(MW) 129.5 27 装机台数(台) 7 3电站特征参数装机容量(MW) 135 45 保证出力(MW) 8.6 2 设计流量(m3/s) 435.3 72.71 加权平均水头(m) 36.5 82.8水库和泵站群的多目标联合调度研究处为坝前泵站抽水，供水流量不参与发电；三河口水库作为为年调节水库，泵站为自流供水不耗能，并且供水可用于发电。
根据国家发展和改革委员会对引汉济渭工程项建阶段的批复意见(发改农经[2011]1559号文)：引汉济渭工程规划近期多年平均调水10亿m 3，远期在南水北调中线后续水源工程建成后，多年平均调水15亿m 3。