變化環(huán)境下的水庫調度-新挑戰(zhàn)與新方法課件

變化環(huán)境下的水庫調度

——新挑戰(zhàn)與新方法清華大學2012.7.21內容提要1.變化環(huán)境帶來的理論挑戰(zhàn)2.基于風險對沖規(guī)則的水庫調度理論3.適應性動態(tài)調度框架4.密云水庫案例分析5.結論水資源系統(tǒng)分析基本方法現(xiàn)代水資源系統(tǒng)分析理論與方法體系起源于1950年代的“哈佛水項目”（HarvardWaterProgram）水庫調度是水資源系統(tǒng)分析的重要內容之一，其核心問題是確定“何時放水”以及“放多少水”（Loucks，2005）優(yōu)化和模擬式水資源系統(tǒng)分析的兩個基本工具，也是傳統(tǒng)水庫調度研究的基本手段。（Labadie,M.ASCE，2004）傳統(tǒng)調度模型的一般性假定Stationarity（穩(wěn)態(tài)性）徑流概率分布隨時間不變(Labadie,M.ASCE，2004)調度規(guī)則曲線（RuleCurve）過去曾經是打開未來之門的鑰匙，

但現(xiàn)在門鎖已經換了！變化環(huán)境的挑戰(zhàn)徑流變化：非穩(wěn)態(tài)性（Nonstationarity）密云水庫入庫徑流

1956-2009變化環(huán)境的挑戰(zhàn)人類需求的變化密云水庫:

設計：防洪為主->灌溉為主(1960s-1980s)

->城市供水(1990s-2008)

->安全儲備(2008-)水庫:一個典型的人類-自然耦合系統(tǒng)

（CoupledHuman-Naturesystem）人類系統(tǒng)自然系統(tǒng)經濟學水文學交互作用變化環(huán)境下的

水庫調度耦合經濟學原理和水文學成果進行適應性的動態(tài)調度Hydro-Economics內容提要1.變化環(huán)境帶來的理論挑戰(zhàn)2.基于風險對沖規(guī)則的水庫調度理論3.適應性動態(tài)調度框架4.密云水庫案例分析5.結論調度目標的經濟特性與調度策略供水量效益值當調度目標為線性函數(shù)時（如缺水量最?。?，標準調度策略（SOP）是最優(yōu)策略（DraperandLund，2004；YouandCai，2008）。標準調度策略（SOP）優(yōu)先滿足當前階段用水需求，當前階段需求完全滿足后，水庫開始蓄水以備未來使用，直至水庫蓄滿。風險對沖理論模型DraperandLund（2004）提出了風險對沖規(guī)則的一般性經濟學解釋拉格朗日定理“在最優(yōu)解處，存水的邊際效益應該等于供水的邊際效益”如何考慮物理約束的影響？如何考慮不確定性的影響？

兩階段模型

KKT最優(yōu)性條件

如果存在常數(shù)

和一組可行解

能夠滿足上述方程，那么

是兩階段水庫調度模型的全局最優(yōu)解.

水文預報及其不確定性在理解水庫調度經濟學原理的基礎上，如何耦合水文預報成果？如何考慮預報的不確定性？

水文預報中的誤差累計過程

(Viner,2002)水文預報水資源管理

Zhao,J.,X.Cai,andZ.Wang

(2011),

Optimalityconditionsforatwo-stagereservoiroperationproblem,

WaterResourcesResearch,

47,W08503,doi:10.1029/2010WR009971.考慮水文預報及其不確定性的對沖規(guī)則考慮一般性的水文預報及其不確定性,Zhaoet.al.[2011]定義了“風險調整后的邊際效益”（Risk-adjustedmarginalbenefit,RAMB)嚴格的數(shù)學推導可以證明，耦合預報及其不確定性的最優(yōu)性準則為：

“在滿足所有物理約束的條件下，讓當前和未來階段用水的風險調整后的邊際效益盡量接近?！盞KTconditionsRule1:最理想的情況是各階段的邊際效益相同。即Rule2:如果某個階段的流量非負約束

被違反，則該階段的最優(yōu)放水量為0.Rule3:A如果某個階段的最大或者最小庫容約束被違反，則該階段是一個RAMB的變化點。or最優(yōu)準則:

在滿足物理約束的條件下，讓各階段的風險調整后的邊際效益盡量接近。從兩階段模型到多階段模型HRBA的效率評估算法變量離散總計算時間(秒)K=1K=2K=3K=4K=5HRBA1004.022.151.931.681.47100018.6214.1410.828.997.16DP10020.0219.6719.5719.4419.2510001968.691944.741923.761910.661902.61入流:

100個人工隨機生成徑流序列(每個序列100個階段).效用函數(shù)：計算時間與變量數(shù)目為線性關系計算時間與變量數(shù)目為二次方關系內容提要1.變化環(huán)境帶來的理論挑戰(zhàn)2.基于風險對沖規(guī)則的水庫調度理論3.適應性動態(tài)調度框架4.密云水庫案例分析5.結論面向實時的動態(tài)決策過程

Rollinghorizondecisionprocess（RHDP)面向實時的動態(tài)決策過程，是水庫管理決策實際過程一種抽象，其核心是所有供決策使用的信息與管理實踐完全相同。這一框架下的優(yōu)化分析對實時調度管理具有直接的指導意義。內容提要1.變化環(huán)境帶來的理論挑戰(zhàn)2.基于風險對沖規(guī)則的水庫調度理論3.適應性動態(tài)調度框架4.密云水庫案例分析5.結論Ma,et.al,2010密云水庫人類直接取水Ma,et.al,2010密云水庫案例分析調度策略定義SOP標準調度策略，盡量滿足當前最大需水（10億方/年）HR-1基于ARIMA(4,1,0)年水量預測模型和風險對沖的適應性動態(tài)調度框架HR-0基于完美預報的理想調度策略（或已知未來入流信息）AO1996-2009的實際調度策略效益函數(shù)效益函數(shù)的擬定：（1）最大總需水量為10億方，且過原點。（2）將不同供水的優(yōu)先級對應于不同邊際效益生活用水：最高優(yōu)先級，對應于缺水時最高的邊際效益；工業(yè)用水：第二優(yōu)先級，對應正常水量時的較高邊際效益；基本河湖用水：第三優(yōu)先級，對應較豐水時普通的邊際效益；奢侈河湖用水：第三優(yōu)先級，對應非常豐水時較低邊際效益；模型擬合與預報情況（從起始年份到09年）

預報未來總水量起始年份實際可用水量實際天然徑流預報來流量20088.106.468.67200710.898.5212.00200615.4511.9415.80200520.9816.3517.26200426.1520.5016.58200329.4323.1324.69200231.0124.7120.37200135.7329.4332.05200037.2030.9047.90199939.3033.0089.64199849.9743.6778.05199755.5149.21101.06199667.8161.5179.90結果對比SOP:盡可能滿足當前需求，總效益最低.AO:不是完全的SOP，隱含考慮了缺水的風險，總效益較SOP高.

HR-0:完美預報信息，最理想調度策略，各階段均勻供水.HR-1:供水過程圍繞HR-0波動,總效益比AO大3.1%，比HR-0小3.7%.趨勢項及預測誤差的影響評估定義評估趨勢項影響和徑流預測誤差影響的對比策略趨勢項及預測誤差的影響評估HR-1:

同時考慮徑流減少趨勢和徑流預測誤差?？傂б?i.e.87593.0)比HR-1NV(i.e.87371.7)大0.25%，比HR-2(i.e.87313.4),大0.32%，反映了趨勢項和預測誤差的獨立影響幅度.HR-2NV:

既不考慮徑流減少趨勢也不考慮徑流預測誤差，導致過分樂觀的早期供水策略，調度效果最差(i.e.,83397.6,比HR-1小4.8%).

折現(xiàn)率的影響HR-1,HR-5%,HR-10%隨著折現(xiàn)率的增加，早期供水增加；隨著折現(xiàn)率的增加，供水過程越來越接近AO折現(xiàn)率和預測誤差的耦合影響風險項:如果,預報誤差起支配作用，需要多存水以對沖未來缺水風險；如果,折現(xiàn)率起支配作用，需要多放水以增加當前經濟效益.風險項包含了水文要素（預報誤差）和經濟要素（折現(xiàn)率）的耦合影響，體現(xiàn)了水庫調度的人類-自然耦合系統(tǒng)特性。

內容提要1.變化環(huán)境帶來的理論挑戰(zhàn)2.基于風險對沖規(guī)則的水庫調度理論3.適應性動態(tài)調度框架4.密云水庫案例分析5.結論結論在變化環(huán)境下，由于人類活動和氣候變化，水文穩(wěn)態(tài)性假定需要重新考慮，特別是對于像密云水庫這樣的變化顯著的系統(tǒng).水文非穩(wěn)態(tài)性帶來的挑戰(zhàn)，促使我們必須重新思考傳統(tǒng)水資源調度和系統(tǒng)分析的基本方法，促使我們從人類-自然耦合系統(tǒng)的角度發(fā)展水資源學的基礎理論體系、提出新框架、研究新方法。結論以典型的水庫調度基本問題為例，本研究從兩階段概念模型該出發(fā)，通過嚴格的數(shù)學推導，得到了確定性和不確定性條件下水庫調度模型的最優(yōu)性條件，并解釋了其經濟學含義。通過數(shù)學推導可以證明，兩階段模型的理論結果，可以擴展到多