黄河上游梯级水库多目标水沙联合模拟优化调度模型

黄河上游梯级水库多目标水沙联合模拟优化调度模型白夏;戚晓明;汪艳芳【摘要】黄河上游梯级水库群联合调度运行是实施黄河水沙“固-拦-调-放-挖”综合治理模式的一项重要非工程措施.以黄河上游沙漠宽谷河段为研究对象,首先,以河段输沙水量最大为优化目标,建立了基于自迭代模拟优化算法的黄河上游梯级水库多目标水沙联合模拟优化调度模型;其次,系统分析上游来水、沿黄用水、调水调沙时段及起调水位选取等因素对黄河上游梯级水库输沙、发电及供水等综合利用效益的影响;最后,推荐制定了黄河上游调水调沙最优方案,即丰水年应尽量抬高非汛期(4月)龙羊峡水库初始水位,最大程度上发挥黄河上游水资源综合利用效益.研究成果对维护黄河健康、丰富和完善梯级水库优化调度理论及方法、促进黄河上游水能资源综合开发利用具有十分重要的理论意义和应用价值.【期刊名称】《人民珠江》【年(卷),期】2016(037)010【总页数】6页(P12-17)【关键词】水库优化调度;调水调沙;输沙水量;自迭代模拟优化;黄河上游;龙羊峡水库【作者】白夏;戚晓明;汪艳芳【作者单位】蚌埠学院机械与车辆工程系,安徽蚌埠233030;西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地,陕西西安710048;蚌埠学院机械与车辆工程系,安徽蚌埠233030;蚌埠学院机械与车辆工程系,安徽蚌埠233030【正文语种】中文【中图分类】TU205黄河是世界上著名的多泥沙河流，“黄河斗水、泥沙其七、水沙异源、水少沙多、年际变化大”是黄河流域水资源分布的显著特点[1-2]。

由于黄河水沙关系搭配不合理，导致下游河道不断淤积，河槽过水能力逐渐下降，致使黄河洪凌灾害日益频发[2-3]。

近50多年来，由于气候变化、生态破坏及沙漠扩张等，黄河水沙关系不断恶化，河槽萎缩、河床抬高、“地上悬河”现象日益严重，严重制约和限制了黄河水能资源的可持续开发与利用[1-3]。

实践证明，以水库调沙为主、以防风固沙、水土保持、河道整治、挖河减淤等工程措施为辅的“固-拦-调-放-挖”的黄河水沙调控技术体系，是构建和谐的黄河水沙关系、维持河道冲淤平衡、满足流域防洪、防凌、发电、供水、生态等综合利用要求的重要保障，对保障宁蒙河段防凌安全、促进黄河上游水能资源综合利用具有重要的实践意义[4-6]。

许多学者对黄河水沙调控问题进行了大量广泛而深入的研究。

1996年，蔡为武[7]分析了龙羊峡和刘家峡水库蓄水对黄河下游的影响；2003年，Chang Fi-John等[8]建立了基于遗传算法的水库泥沙冲刷模拟模型；2004年，练继建等[9]结合遗传算法和神经网络方法建立了水库水沙联调多目标规划模型；2010年，彭瑞善等[10]提出了黄河干流水库调水调沙运用与河道整治相互配合的治理思路；2011年，许炯心等[11]指出通过对多沙粗沙区来沙量和河口镇以上清水区来水量的控制，可以减少下游河道高含沙水流的发生频率；2012年，王帅等[12]构建了基于改进逐步优化算法的水沙联合调度多目标规划模型。

上述研究侧重于挖掘黄河干流水库发电、防洪、供水等不同兴利目标之间的补偿潜力，未能将水库水沙调控任务与兴利调度目标统筹考虑。

为此，在以上成果的基础上，从黄河上游水沙调控目标与龙羊峡-青铜峡(龙—青段)梯级水库联合调度的角度出发，以河段输沙水量最大为优化目标、以防洪、发电、供水等兴利目标为约束条件，建立了梯级水库多目标水沙联合模拟优化调度模型，通过设置不同来水、用水及龙羊峡水库起调水位等组合方案集，计算分析了不同方案对应的输沙效益、水库消落水位及发电效益等，最后推荐了黄河上游梯级水库水沙联合调度最优方案。

研究成果对建立科学合理的黄河水沙调控体系、保障防凌安全及促进流域水能资源综合开发具有重要的理论意义和实践价值。

1.1 研究区域概况黄河上游是我国十三大水能资源富集区域之一，其中年调节性能以上的龙羊峡、刘家峡两座水库的运行过程对全流域水能效益的发挥具有重要影响作用[4-5]。

黄河上游多目标水沙联合模拟优化调度模型的建立仅考虑龙羊峡、刘家峡两座水库的联合调节，其余区间水库(拉西瓦、李家峡、公伯峡等)调节库容均小于1亿m3，按径流式水库考虑。

为此，结合黄河上游梯级水库群开发次序、干支流汇入及水文站点分布情况，绘制黄河上游系统节点概化见图1。

图中，上、下箭头表示区间支流汇入或灌区用水引出。

1.2 优化目标函数以黄河上游河段输沙水量最大作为优化目标，在约束条件中实现河段防洪、发电及用水等兴利目标。

构建优化目标函数如下：式中 t, T——分别为调度时段序号和总数；Qt——水库逐时段下泄流量；△t——时段长度。

1.3 约束条件水量平衡约束：V(m, t+1)=V(m, t)+[Qi(m, t)-Q0(m, t)]×△t水位限制：Zmin(m, t)≤Z(m, t)≤Zmax(m, t)出库流量约束：Qmin(m, t)≤Q0(m, t)≤Qmax(m, t)电站出力限制：Nmin(m, t)≤N(m, t)≤Nmax(m, t)流量平衡约束：Qi(m+1, t)=Q0(m, t)+q(m, t)防凌约束：QFmin(m, t)≤Q0(m, t)≤QFmax(m, t)防洪目标：Zmin(m, t)≤Z(m, t)≤Zmax(m, t)变量非负约束式中 Qi(m, t), Q0(m, t)——第m级电站第t时段入库、出库流量；V(m, t), V(m, t+1)——第m级电站、第t时段始、末库容；Zmax(m, t), Zmin(m, t)——第m级电站第t时段水位变化上、下限，常取水库正常蓄水位和死水位；Qmax(m, t), Qmin(m, t)——第m级电站、第t时段出库流量约束上、下限，由下游河段防凌及供水要求确定；Nmax(m, t), Nmin(m, t)——第m级电站第t时段出力约束上、下限；q(m, t)——当前水库与上级水库之间的时段区间流量；QFmin(m, t), QFmax(m, t)——河段防凌约束允许的最小、最大出库流量；Zmin(m, t),Zmax(m, t)——第m级水库第t时段的水位下限、上限。

1.4 模型求解梯级水库联合优化调度是一项涉及水力、电力联系的复杂系统优化问题[5-6]。

由于水库调度问题本身的系统性、复杂性和不确定性，依据水库实际运行调度规则，采用模拟优化与循环迭代相结合的求解算法，可真实还原不同水库的实际运行情况，使调度计算结果更具实践性和可操作性[13]。

为此，依据黄河上游梯级水库多目标综合利用的调度特点与规则，采用自迭代模拟优化算法对上述建立的黄河上游梯级水库输沙水量最大优化模型进行求解计算。

自迭代模拟优化算法是依据自适应控制原理，在系统模拟运行过程中增加相应的优化辨识结构，按照一定的判断规则，自动形成反馈修正量，并将反馈结果传递到输入端，然后按照新的系统输入重新模拟并计算系统输出，引导模拟结果向最优解逼近[5, 13]。

为此，根据黄河上游梯级水库历年运行过程、上游来水及下游用水资料，设定龙羊峡水库年末消落水位及梯级出力约束，规定刘家峡水库防凌期末水位恢复至正常蓄水位1 735 m，且维持黄河上游沙漠宽谷河段达到冲淤平衡时的兰州断面临界控制流量为1 000 m3/s[13]。

将上述初始条件输入模型，并对模型约束条件进行判断，若模拟结果经水位和出力判断满足要求，则进入下一阶段。

否则，重新设定出库流量过程，直至满足水位和出力判断条件。

自迭代模拟优化算法计算流程见图2。

2.1 方案设置2.1.1 黄河上游来水唐乃亥水文站是黄河上游径流来水丰枯变化过程的控制性观测水文站，通过对黄河上游唐乃亥水文站历史26年(即龙羊峡水库1987年建成之后)来水径流过程进行统计分析，以来水频率分别为5%、50%和95%选取丰水年、平水年和枯水年，以此表示整个黄河上游历史年份来水情况。

为此，经排频计算分析可得，黄河上游历史26年径流变化的丰水、平水和枯水年分别为2009、2007、2006年，不同典型年径流变化过程见图3。

2.1.2 综合用水黄河流域属于干旱性缺水地区，黄河上、中游河段缺水问题十分严重。

通过黄河上游龙刘梯级水库的联合运行调度，可使黄河上、中游河口镇以上区域逐日增加的农业、工业及城镇用水需求基本得以满足。

根据1987年09月29日国家计委和水利电力部转发的国务院61号《关于黄河可供水量分配方案报告的通知》文件意见，依据多年调度经验及实际用水情况，经与水调办公室及各有关省区商定，在南水北调西线工程生效之前，黄河上游兰州以下区域综合用水需求以控制兰州断面流量过程为准，且兰州断面各月流量控制方案见表1[5, 13]。

2.1.3 起调水位设定确定龙羊峡水库起调水位时，应考虑调水调沙对龙羊峡水库年末消落水位的影响，即保证水库年末消落水位控制在2 560 m以上。

同时，由于近年来龙羊峡水库已经接近正常运行，2005—2010年水库11月末水位均在2 580 m以上，其中，2005年达到2 596.84 m。

为此，选取2 580 m作为龙羊峡水库进行水沙联合调度的初始起调水位，同时在起调水位2 580 m的基础上每增加5 m作为一种方案情景，且将起调水位设置为2 580、2 585、2 590、2 595 m共4种模式。

综上所述，考虑到流量传播时间及黄河下游小浪底水库调水调沙操作的影响，将非汛期4月份作为水沙联合模拟优化调度控制期。

为此，将黄河上游来水过程与龙羊峡水库起调水位进行不同典型组合，建立黄河上游多目标水沙联合模拟优化调度方案集见表2。

在建立上述黄河上游多目标水沙联合模拟优化调度方案集的基础上，选取龙羊峡、拉西瓦、尼那、李家峡、公伯峡、刘家峡、八盘峡、盐锅峡、青铜峡等15座水电站为调控对象，以不同典型年梯级电站实际运行过程为依据，采取自迭代模拟优化算法对梯级水库水沙联合调度不同方案进行求解计算。

同时，为分析不同方案调水调沙效益的差异性，分别从龙羊峡水库补水效益、黄河上游沙漠宽谷河段输沙效益、龙羊峡水库年末消落水位和梯级发电效益4个方面，对梯级水库实施水沙联合模拟优化调度前后的综合效益进行对比分析。

3.1 龙羊峡水库补水效益分析龙羊峡水库在多年运行过程中，可利用多年调节库容存蓄多余水量，以补充枯水年或枯水期下游用水不足，以保证黄河上游用水安全。

龙羊峡水库蓄/补水量的大小与上游来水过程频率及下游用水过程紧密相关，表3给出了不同典型年(方案)实施调水调沙前后龙羊峡水库的蓄/补水量。

从表3可以看出，不同典型年黄河上游调水调沙水量均由龙羊峡水库提供，且水库提供的年调水调沙水量均值约为4.0亿m3。

其中，当不进行调水调沙操作时，丰水年水库以蓄水为主，蓄水量为2.7亿m3。

平、枯水年，水库均需向下游补水，补水量分别为29.2、56.5亿m3。