有外调水源的多年调节水库群供水优化调度模型研究
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（ 1. 中水东北勘测设计研究有限责任公司，长春 130061 ； 2. 辽宁省江河流域管理局，沈阳 110003 ）
摘 要：本文以 D 市跨流域调水水库群为背景，建立了有外调水源的多年调节水库群供水优化调度模型，将调 水和供水统一参与优化，对系统进行减规模和降维处理，采用动态规划方法进行全局寻优。提出了多年调节水库 年末蓄水目标的概念，其值通过优选合理确定，以此将年调度与多年调节有机结合起来。与常规调度相比，优化 调度年平均少调水 844 10 4m3，水库群总弃水减少 299 10 4 m3，水库群年末蓄水量大幅提高，枯水段供水量增大， 减小了供水破坏深度。对比结果表明，采用优化调度，在充分挖掘本地水资源供水潜力、有效降低供水成本的同 时，提高了枯水期供水安全保障程度。 关键词：水资源；跨流域调水；优化调度；多年调节；水库群 文献标识码： A 中图分类号： TV697.1
Study on optimal water supply operation model of pluriennial regulation reservoir groups with external water resource
SUN Wanguang1, YANG Binbin2, XU Yanbin1, XU Xiaowu1, LI Chengzhen1 （1. China Water Northeastern Investigation, Design and Research Corporation Limited, Changchun 130061; 2. Administration of river basin of Liaoning Province, Shenyang 110003） Abstract： This paper develops an optimal water supply operation model of pluriennial regulation reservoir groups with external water resources, which has been applied in a case study of a reservoir groups water diversion system for one city. By integrating water diversion and water supply into an optimization system, this model reduces the system scale and dimensionality and implements global optimization with a dynamic programming method. We describe a concept of year-end water storage target of pluriennial regulation reservoir and an optimization method for determination of its value, so as to combine the factors of annual operation and pluriennial regulation. Relative to conventional operation, the optimized operation reduces water transfer by a sum of 8.44×106m3 and total waste water by 2.99×106m3. Thus, the storage of reservoir groups is increased substantially at the end of the year, and water supply capacity in low water season also increased, effectively reducing the degree and extent of water supply interruption. Comparison shows that the model and optimization method can improve water supply security in low water season while fully exploiting the potential of water resources and reducing the cost of water supply. Key words ： water resources；water transfer；optimal operation；pluriennial regulation；reservoir groups
Fig.1
图 1 水库群供、调水系统概化图 Generalization of water supply and water transfer system of reservoir groups
D 市输水工程实施后， B 水库径流条件发生了根本的变化，原有的调度运行方式将发生彻底的改变， 对于整个系统而言，如何利用好本地及外调水资源是当前面临的主要任务。
收稿日期： 2014-03-15 基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项目（ 201401015 ） 作者简介：孙万光（ 1982 —） ，男，工程师 . E-mail ： sunwanguang@aliyun.com
22
水力发电学报
2015 年
两个关键因素：①调水开始和结束的判别标准；②调水及供水量的大小。科学的调水和供水决策，实际上 就是有外调水源水库群供水联合优化调度问题，须充分挖掘本地水资源潜力，合理利用外调水，提高水资 源利用效率，保障区域经济社会健康发展，保护生态环境。 在有外调水源水库群联合调度研究方面， 郭旭宁等认为跨流域调水水库群联合调度存在主从递阶结构， 建立了基于主从递阶结构的水库群联合调度二层规划模型，对调水及供水规则进行研究 [2] 。曾祥等对跨流 域供水水库群调水启动标准进行了研究， 提出了一种基于水源水库与受水水库蓄水状态的调水启动标准 [3]。 有外调水源水库群调度规则的制定总是以面临调度时段为枯水年或连续枯水年为前提条件，保证不同用户 的供水保证率和破坏深度满足规范要求。在实际的调度运行过程中，由于无法有效运用径流预报等实时信 息，往往产生调水同时弃水的现象，基于入库径流预报的水库群优化调度则可弥补上述不足。近年来，智 能优化方法在水库群优化调度中的应用研究也得到了广泛关注 [4] ，但对于有外调水源的水库群供水系统， 该方法的实用性和可靠性距实际应用还有一定距离。 在实际调度运行过程中，须要根据径流预报信息，制定年调度计划、月调度计划，甚至是旬调度计划。 对于年调节水库，供水期末，水库降至死水位，边界条件比较明确，但对于多年调节水库，年内无明确的 控制边界条件；另外，有外调水源的水库群优化调度宜将本地水源和外调水源统筹兼顾，充分挖掘水库群 的调蓄能力，提高水资源的利用效率。 本文将跨流域调水工程与本地水库群作为一个整体，建立库群优化调度模型，通过减规模和降维等手 段简化模型，采用动态规划方法进行全局寻优；通过设定各水库年末蓄水目标，确定模型求解边界条件。 以 D 市大型跨流域调水工程为实例，验证模型的适用性。
第6期
孙万光，等：有外调水源的多年调节水库群供水优化调度模型研究
23
Biblioteka Baidu
2
2.1
有外调水源的多年调节水库群供水优化调度模型
库群优化调度建模分析 本系统是由调水工程、供水工程、混联水库群组成。水库供水任务分共同供水任务和特定供水任务。
B 水库和 Y 水库均有向 D 市供水的任务，为共同供水任务。B 水库特定供水任务包括：城镇供水、农业供 水和环境供水； Y 水库特定供水任务包括：农业供水和环境供水。 有外调水源复杂水库群优化调度属多阶段决策过程，动态规划方法适合于此类问题求解。系统建模目 标是：在真实表达系统功能和特性的基础上，通过适当削减系统规模和采用降维等手段，对问题进行简化， 在满足精度要求的前提下，提高求解效率。 在水库群中，B 水库和 Y 水库属多年调节水库，W 水库为城市供水中转水库，为周调节。D 市输水工 程的调度周期为年，调度时段为月。由于 W 水库调节能力有限，因此在建模过程中，可不考虑 W 水库， 这样可以降低系统求解规模。 从系统结构上看，当调度时段为月时，调水量的大小与供水量有着紧密的联系，引 B 工程供水量增大， 为保证 B 库特定供水任务不遭到破坏， 调水量必增大， D 市时段总需水量不变， 引 Y 工程供水量相应减小； 反之则调水量减小。从这种连带关系上看，调水和供水不属于主从递阶结构，应该统一参与优化。 调度决策包括调水决策和供水决策。在供水决策中，当水库蓄水量充沛时，特定供水任务按需供给， 当蓄水量不足时，特定供水任务按照目标重要程度实行差异化供给，而引 B 供水量和引 Y 供水量是供水决 策的核心。D 市输水工程的运行状态决定着调水决策，B 水库和 Y 水库运行状态决定着供水决策，因此经 规模削减后的系统属于三维决策问题。 由于引 B 工程和引 Y 工程时段总的需供水量是定值，基于这个特性，可将三维决策问题转化成二维决 策问题，具体处理过程如下： ① 将 Y 水库蓄水量作为状态变量，引 Y 工程供水量作为决策变量， Y 水库水量平衡方程作为状态转 移方程； ② 因 D 市时段需水总量不变，故引 B 工程时段供水量已知，将 B 水库蓄水量作为状态变量，以调水 量作为决策变量， B 水库水量平衡方程作为状态转移方程。 充分利用 B 水库和 Y 水库并联、 D 市输水工程和 B 水库串联的水力特性， 将三维决策问题转化成二维 决策。通过降低系统求解规模和降维处理，在满足系统功能的基础上，对系统建模进行了简化。 2.2 有外调水源多年调节水库群供水优化调度模型 1）目标函数 优化调度的根本目的是在满足供水需求的前提下，尽可能减小供水成本，一般化的表达式为：
1
研究背景
D 市是一个严重缺水的城市，人均水资源量仅为全国人均水平的 1/4，属资源型缺水地区，且受自然条
件限制，水资源开发难度大。近年来，随着城镇化建设步伐的加快，区域水资源供需矛盾日益突出，跨流 域调水是缓解水资源供需矛盾的主要手段。 B 水库和 Y 水库是 D 市原水供应的主要水源，约占全市原水总供应量的 80% 。两水库分别通过引 B 工程和引 Y 工程将原水配送至 W 水库，经调节后供给市区用水。D 市输水工程是解决 D 市 2015 年以前城 市工业与生活用水，并改善区域水环境。该工程是将外流域的水调入 B 水库，经 B 水库调节后，向 D 市 及城镇供水。水库群供、调水系统概化图见图 1。
0
引言
我国水资源具有时空分布不均、水土资源不匹配、人均水资源量地区间差异较大等特点，水资源这种
不均衡分布，严重制约了经济社会的健康发展。随着城市化进程的加快，区域水资源供需矛盾将越来越突 出，跨流域调水是缓解这种矛盾的有效手段。而调水决策的科学性，决定了工程运行的安全性与经济性， 是跨流域调水工程能否得以充分发挥作用的关键 [1] 。跨流域调水工程与受水区水库群调、供水决策取决于
min P pB WSBDL,i pY WSYDL,i pD WTi
i i i
(1)
式中：P 为总供水成本；PB、PY 分别为 B 水库和 Y 水库城市供水单价，PD 为调水单价，引 B 工程为重力流输 水，供水成本最小，引 Y 工程和 D 市输水工程均为长距离有压输水，三者关系为 PB<PY<PD；WSBDL,i、WSYDL,i 分别为 i 时段引 B 工程和引 Y 工程供水量；WTi 为 i 时段 D 市输水工程调水量。 2）约束条件 ① 水量平衡方程：
第 34 卷 第 6 期 2015 年 6 月
水 力 发 电 学 报 JOURNAL OF HYDROELECTRIC ENGINEERING
Vol.34 No.6 Jun., 2015
有外调水源的多年调节水库群 供水优化调度模型研究
孙万光 1, 杨斌斌 2, 徐岩彬 1, 徐小武 1, 李成振 1
摘 要：本文以 D 市跨流域调水水库群为背景，建立了有外调水源的多年调节水库群供水优化调度模型，将调 水和供水统一参与优化，对系统进行减规模和降维处理，采用动态规划方法进行全局寻优。提出了多年调节水库 年末蓄水目标的概念，其值通过优选合理确定，以此将年调度与多年调节有机结合起来。与常规调度相比，优化 调度年平均少调水 844 10 4m3，水库群总弃水减少 299 10 4 m3，水库群年末蓄水量大幅提高，枯水段供水量增大， 减小了供水破坏深度。对比结果表明，采用优化调度，在充分挖掘本地水资源供水潜力、有效降低供水成本的同 时，提高了枯水期供水安全保障程度。 关键词：水资源；跨流域调水；优化调度；多年调节；水库群 文献标识码： A 中图分类号： TV697.1
Study on optimal water supply operation model of pluriennial regulation reservoir groups with external water resource
SUN Wanguang1, YANG Binbin2, XU Yanbin1, XU Xiaowu1, LI Chengzhen1 （1. China Water Northeastern Investigation, Design and Research Corporation Limited, Changchun 130061; 2. Administration of river basin of Liaoning Province, Shenyang 110003） Abstract： This paper develops an optimal water supply operation model of pluriennial regulation reservoir groups with external water resources, which has been applied in a case study of a reservoir groups water diversion system for one city. By integrating water diversion and water supply into an optimization system, this model reduces the system scale and dimensionality and implements global optimization with a dynamic programming method. We describe a concept of year-end water storage target of pluriennial regulation reservoir and an optimization method for determination of its value, so as to combine the factors of annual operation and pluriennial regulation. Relative to conventional operation, the optimized operation reduces water transfer by a sum of 8.44×106m3 and total waste water by 2.99×106m3. Thus, the storage of reservoir groups is increased substantially at the end of the year, and water supply capacity in low water season also increased, effectively reducing the degree and extent of water supply interruption. Comparison shows that the model and optimization method can improve water supply security in low water season while fully exploiting the potential of water resources and reducing the cost of water supply. Key words ： water resources；water transfer；optimal operation；pluriennial regulation；reservoir groups
Fig.1
图 1 水库群供、调水系统概化图 Generalization of water supply and water transfer system of reservoir groups
D 市输水工程实施后， B 水库径流条件发生了根本的变化，原有的调度运行方式将发生彻底的改变， 对于整个系统而言，如何利用好本地及外调水资源是当前面临的主要任务。
收稿日期： 2014-03-15 基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项目（ 201401015 ） 作者简介：孙万光（ 1982 —） ，男，工程师 . E-mail ： sunwanguang@aliyun.com
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水力发电学报
2015 年
两个关键因素：①调水开始和结束的判别标准；②调水及供水量的大小。科学的调水和供水决策，实际上 就是有外调水源水库群供水联合优化调度问题，须充分挖掘本地水资源潜力，合理利用外调水，提高水资 源利用效率，保障区域经济社会健康发展，保护生态环境。 在有外调水源水库群联合调度研究方面， 郭旭宁等认为跨流域调水水库群联合调度存在主从递阶结构， 建立了基于主从递阶结构的水库群联合调度二层规划模型，对调水及供水规则进行研究 [2] 。曾祥等对跨流 域供水水库群调水启动标准进行了研究， 提出了一种基于水源水库与受水水库蓄水状态的调水启动标准 [3]。 有外调水源水库群调度规则的制定总是以面临调度时段为枯水年或连续枯水年为前提条件，保证不同用户 的供水保证率和破坏深度满足规范要求。在实际的调度运行过程中，由于无法有效运用径流预报等实时信 息，往往产生调水同时弃水的现象，基于入库径流预报的水库群优化调度则可弥补上述不足。近年来，智 能优化方法在水库群优化调度中的应用研究也得到了广泛关注 [4] ，但对于有外调水源的水库群供水系统， 该方法的实用性和可靠性距实际应用还有一定距离。 在实际调度运行过程中，须要根据径流预报信息，制定年调度计划、月调度计划，甚至是旬调度计划。 对于年调节水库，供水期末，水库降至死水位，边界条件比较明确，但对于多年调节水库，年内无明确的 控制边界条件；另外，有外调水源的水库群优化调度宜将本地水源和外调水源统筹兼顾，充分挖掘水库群 的调蓄能力，提高水资源的利用效率。 本文将跨流域调水工程与本地水库群作为一个整体，建立库群优化调度模型，通过减规模和降维等手 段简化模型，采用动态规划方法进行全局寻优；通过设定各水库年末蓄水目标，确定模型求解边界条件。 以 D 市大型跨流域调水工程为实例，验证模型的适用性。
第6期
孙万光，等：有外调水源的多年调节水库群供水优化调度模型研究
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有外调水源的多年调节水库群供水优化调度模型
库群优化调度建模分析 本系统是由调水工程、供水工程、混联水库群组成。水库供水任务分共同供水任务和特定供水任务。
B 水库和 Y 水库均有向 D 市供水的任务，为共同供水任务。B 水库特定供水任务包括：城镇供水、农业供 水和环境供水； Y 水库特定供水任务包括：农业供水和环境供水。 有外调水源复杂水库群优化调度属多阶段决策过程，动态规划方法适合于此类问题求解。系统建模目 标是：在真实表达系统功能和特性的基础上，通过适当削减系统规模和采用降维等手段，对问题进行简化， 在满足精度要求的前提下，提高求解效率。 在水库群中，B 水库和 Y 水库属多年调节水库，W 水库为城市供水中转水库，为周调节。D 市输水工 程的调度周期为年，调度时段为月。由于 W 水库调节能力有限，因此在建模过程中，可不考虑 W 水库， 这样可以降低系统求解规模。 从系统结构上看，当调度时段为月时，调水量的大小与供水量有着紧密的联系，引 B 工程供水量增大， 为保证 B 库特定供水任务不遭到破坏， 调水量必增大， D 市时段总需水量不变， 引 Y 工程供水量相应减小； 反之则调水量减小。从这种连带关系上看，调水和供水不属于主从递阶结构，应该统一参与优化。 调度决策包括调水决策和供水决策。在供水决策中，当水库蓄水量充沛时，特定供水任务按需供给， 当蓄水量不足时，特定供水任务按照目标重要程度实行差异化供给，而引 B 供水量和引 Y 供水量是供水决 策的核心。D 市输水工程的运行状态决定着调水决策，B 水库和 Y 水库运行状态决定着供水决策，因此经 规模削减后的系统属于三维决策问题。 由于引 B 工程和引 Y 工程时段总的需供水量是定值，基于这个特性，可将三维决策问题转化成二维决 策问题，具体处理过程如下： ① 将 Y 水库蓄水量作为状态变量，引 Y 工程供水量作为决策变量， Y 水库水量平衡方程作为状态转 移方程； ② 因 D 市时段需水总量不变，故引 B 工程时段供水量已知，将 B 水库蓄水量作为状态变量，以调水 量作为决策变量， B 水库水量平衡方程作为状态转移方程。 充分利用 B 水库和 Y 水库并联、 D 市输水工程和 B 水库串联的水力特性， 将三维决策问题转化成二维 决策。通过降低系统求解规模和降维处理，在满足系统功能的基础上，对系统建模进行了简化。 2.2 有外调水源多年调节水库群供水优化调度模型 1）目标函数 优化调度的根本目的是在满足供水需求的前提下，尽可能减小供水成本，一般化的表达式为：
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研究背景
D 市是一个严重缺水的城市，人均水资源量仅为全国人均水平的 1/4，属资源型缺水地区，且受自然条
件限制，水资源开发难度大。近年来，随着城镇化建设步伐的加快，区域水资源供需矛盾日益突出，跨流 域调水是缓解水资源供需矛盾的主要手段。 B 水库和 Y 水库是 D 市原水供应的主要水源，约占全市原水总供应量的 80% 。两水库分别通过引 B 工程和引 Y 工程将原水配送至 W 水库，经调节后供给市区用水。D 市输水工程是解决 D 市 2015 年以前城 市工业与生活用水，并改善区域水环境。该工程是将外流域的水调入 B 水库，经 B 水库调节后，向 D 市 及城镇供水。水库群供、调水系统概化图见图 1。
0
引言
我国水资源具有时空分布不均、水土资源不匹配、人均水资源量地区间差异较大等特点，水资源这种
不均衡分布，严重制约了经济社会的健康发展。随着城市化进程的加快，区域水资源供需矛盾将越来越突 出，跨流域调水是缓解这种矛盾的有效手段。而调水决策的科学性，决定了工程运行的安全性与经济性， 是跨流域调水工程能否得以充分发挥作用的关键 [1] 。跨流域调水工程与受水区水库群调、供水决策取决于
min P pB WSBDL,i pY WSYDL,i pD WTi
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(1)
式中：P 为总供水成本；PB、PY 分别为 B 水库和 Y 水库城市供水单价，PD 为调水单价，引 B 工程为重力流输 水，供水成本最小，引 Y 工程和 D 市输水工程均为长距离有压输水，三者关系为 PB<PY<PD；WSBDL,i、WSYDL,i 分别为 i 时段引 B 工程和引 Y 工程供水量；WTi 为 i 时段 D 市输水工程调水量。 2）约束条件 ① 水量平衡方程：
第 34 卷 第 6 期 2015 年 6 月
水 力 发 电 学 报 JOURNAL OF HYDROELECTRIC ENGINEERING
Vol.34 No.6 Jun., 2015
有外调水源的多年调节水库群 供水优化调度模型研究
孙万光 1, 杨斌斌 2, 徐岩彬 1, 徐小武 1, 李成振 1