梯級(jí)泵站供水系統(tǒng)水資源優(yōu)化調(diào)度研究

梯級(jí)泵站供水系統(tǒng)水資源優(yōu)化調(diào)度研究

0多級(jí)水泵系統(tǒng)水資源調(diào)度的現(xiàn)狀圖2目前，國(guó)內(nèi)外已有許多級(jí)泵站供水系統(tǒng)。例如，廣東省東深供水項(xiàng)目通過(guò)9個(gè)旁路站向深圳和香港供水，山東省黃濟(jì)清項(xiàng)目通過(guò)三個(gè)站向青島供水，山西省萬(wàn)家寨楊黃供水工程、甘肅省景泰川灌溉工程、福建省加萊福義州北水南調(diào)設(shè)計(jì)（23級(jí)水泵）和前蘇聯(lián)浮游生物灌溉（8級(jí)水泵）進(jìn)行。此外，批準(zhǔn)了寧夏寧夏楊黃灌溉工程（11級(jí)高旁通信站）和培訓(xùn)班（13級(jí)低旁通信站）的建設(shè)。所有這些梯級(jí)泵站供水系統(tǒng),都是由提水泵站、輸水工程、蓄水設(shè)施及多個(gè)供水片組成的一個(gè)高維復(fù)雜水資源系統(tǒng),在每級(jí)泵站中往往有多臺(tái)提水泵,相鄰兩級(jí)泵站間可能存在一個(gè)或多個(gè)供水片與調(diào)蓄設(shè)施(系統(tǒng)概化結(jié)構(gòu)模型如圖1所示),其水資源調(diào)度有如下特點(diǎn):(1)以提水、調(diào)水和供水為主,兼顧灌溉、防洪及改善環(huán)境等的多目標(biāo)水利工程,目標(biāo)間存在多種矛盾且不可公度。(2)系統(tǒng)中存在降水、徑流、用水量時(shí)空分布上的不均衡性和隨機(jī)性。(3)提水泵站、輸水工程、蓄水設(shè)施間存在較強(qiáng)關(guān)聯(lián)約束。(4)工程常涉及多個(gè)地區(qū),地區(qū)間存在水資源分配沖突。(5)系統(tǒng)內(nèi)存在生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個(gè)用戶(hù),用戶(hù)間有明確的優(yōu)先供水次序等。如何對(duì)這類(lèi)供水系統(tǒng)進(jìn)行水資源優(yōu)化調(diào)度,則是節(jié)省工程運(yùn)行費(fèi)用、提高泵站運(yùn)行效率和工程效益的重要途徑,多年來(lái)倍受人們關(guān)注,并作了一些開(kāi)拓性研究。本文針對(duì)梯級(jí)提水泵站供水系統(tǒng)中,大多決策和狀態(tài)變量多,各級(jí)泵站、水庫(kù)與泵站、提水與供水等之間關(guān)聯(lián)調(diào)度決策關(guān)系,而自?xún)?yōu)化模擬技術(shù)具有仿真性強(qiáng)、自行優(yōu)化、方法簡(jiǎn)單、不受維數(shù)限制、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn),擬采用自?xún)?yōu)化模擬技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)水資源優(yōu)化調(diào)度研究,而暫不考慮單級(jí)泵站內(nèi)多臺(tái)機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題。1水資源優(yōu)化計(jì)劃的數(shù)學(xué)模型1.1多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題描述對(duì)以提水、調(diào)水、供水為主,兼顧發(fā)電、灌溉等的梯級(jí)泵站供水系統(tǒng),可在充分利用系統(tǒng)當(dāng)?shù)厮Y源量和蓄水、提水工程規(guī)模滿(mǎn)足用水需求條件下,以系統(tǒng)總的供水量最大、提水量最小、棄水量最小為目標(biāo)函數(shù),構(gòu)成下述多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題:F=f(F1,F2,F3)(1)F=f(F1,F2,F3)(1)其中:F1=max∑i=12M+1∑t=1NW(i,t)F1=max∑i=12Μ+1∑t=1ΝW(i,t);F2=min∑i=12M∑t=1NDI(i,t);F2=min∑i=12Μ∑t=1ΝDΙ(i,t);F3=min∑i=1M∑t=1NDL(i,t)F3=min∑i=1Μ∑t=1ΝDL(i,t)式中:W(·),DI(·),DL(·)分別為供水量、提調(diào)水量和棄水量,M為蓄水設(shè)施數(shù);N為運(yùn)行時(shí)段數(shù)。1.2水質(zhì)達(dá)標(biāo)的方式(1)水庫(kù)水量平衡方程約束,即:V(i,t+1)=V(i,t)+Q(i,t)+DI(i,t)?W(i,t)?DL(i,t)?LS(i,t)+KB[XI(i,t)?DO(i,t)?XO(i,t)](2)V(i,t+1)=V(i,t)+Q(i,t)+DΙ(i,t)-W(i,t)-DL(i,t)-LS(i,t)+ΚB[XΙ(i,t)-DΟ(i,t)-XΟ(i,t)](2)式中:V(i,t),V(i,t+1)分別是t時(shí)段水庫(kù)始、末蓄水量;Q(·)是當(dāng)?shù)貜搅?DI(·)是泵站提調(diào)入庫(kù)水量;LS(·)是損失水量;KB為水庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制參數(shù)(KB=1時(shí),須考慮上游水庫(kù)的下泄入庫(kù)水量XI(·)和該水庫(kù)對(duì)區(qū)間供水片的下泄水量XO(·)及其調(diào)出水量DO(·),否則令KB=0)。(2)區(qū)間供水片的水量平衡方程約束。即:Q(i,t)+DI(i,t)+Gˉˉˉ(i,t)?W(i,t)?DL(i,t)+KB?XI(i,t)?DO(i,t)=0(3)Q(i,t)+DΙ(i,t)+Gˉ(i,t)-W(i,t)-DL(i,t)+ΚB?XΙ(i,t)-DΟ(i,t)=0(3)式中,GˉˉˉGˉ(·)為地下水時(shí)段可開(kāi)采量。(3)任一時(shí)段提調(diào)水量DI(t)必須不超過(guò)下游供水子系統(tǒng)的最大允許可提調(diào)水量約束。(4)其他約束。如泵站設(shè)計(jì)提水能力約束,水庫(kù)供水片的水量平衡方程約束,最小調(diào)水流量約束,地下水開(kāi)采量約束,供水優(yōu)先次序約束,水庫(kù)蓄水和泄棄水能力約束,河道或渠道等的輸水能力約束,非負(fù)約束等。2自?xún)?yōu)化策略的提出采用自?xún)?yōu)化模擬技術(shù)進(jìn)行水資源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度時(shí),是根據(jù)自適應(yīng)控制原理,在給定水庫(kù)初始控制線(xiàn)的一般模擬模型中,嵌入一個(gè)在線(xiàn)辨識(shí)環(huán)節(jié),通過(guò)對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)和水庫(kù)運(yùn)行線(xiàn)的最優(yōu)性識(shí)別,自動(dòng)生成尋優(yōu)模擬控制線(xiàn),引導(dǎo)一般模擬結(jié)果逐步趨于最優(yōu)化的反復(fù)迭代過(guò)程。因此,能否充分利用所研究問(wèn)題的時(shí)空分布特性,采用一般模擬技術(shù),獲得引導(dǎo)一般模擬計(jì)算結(jié)果趨于最優(yōu)化的水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化運(yùn)行控制線(xiàn),即反映系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)的水庫(kù)經(jīng)濟(jì)蓄水線(xiàn)(上限)和防破壞線(xiàn)(下限),便是自?xún)?yōu)化模擬調(diào)度方法的關(guān)鍵。針對(duì)圖1所示供水系統(tǒng)中存在的復(fù)雜調(diào)度決策關(guān)聯(lián)關(guān)系,為達(dá)到系統(tǒng)整體優(yōu)化目標(biāo)要求,須先從工程內(nèi)各地區(qū)的用水需求出發(fā)進(jìn)行需求向模擬;然后,以需求向模擬結(jié)果為最優(yōu)目標(biāo)控制,從水源地開(kāi)始,根據(jù)實(shí)際水資源狀況等約束條件,進(jìn)行供給向模擬;如此多次反復(fù)迭代計(jì)算,最后即可收斂獲得既達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)要求又滿(mǎn)足諸多約束條件的多目標(biāo)水資源優(yōu)化調(diào)度滿(mǎn)意解。2.1聯(lián)合模擬調(diào)度計(jì)算時(shí)提調(diào)水過(guò)程水電場(chǎng)聯(lián)合模擬調(diào)度計(jì)算時(shí)對(duì)于提水站需提調(diào)水量的過(guò)程中.對(duì)于年需求向模擬調(diào)度是從系統(tǒng)各地區(qū)用水需求出發(fā),通過(guò)當(dāng)?shù)氐乇硭偷叵滤?lián)合模擬調(diào)度計(jì)算,確定各提水泵站需提調(diào)水量的過(guò)程。它包括逆時(shí)序模擬和順時(shí)序模擬兩個(gè)計(jì)算過(guò)程。2.1.1最優(yōu)控制線(xiàn)進(jìn)行需求向逆時(shí)序模擬計(jì)算的目的,在于確定滿(mǎn)足系統(tǒng)供水量最大、棄水量和提調(diào)水量最小等目標(biāo)要求的水庫(kù)經(jīng)濟(jì)蓄水線(xiàn),為順時(shí)序模擬計(jì)算提供最優(yōu)控制線(xiàn)。計(jì)算方程為:VD(i,t)=VD(i,t+1)?Q(i,t)+W(i,t)+LS(i,t)+DL(i,t)+KB[DO(i,t)?XI(i,t)+XO(i,t)](4)VD(i,t)=VD(i,t+1)-Q(i,t)+W(i,t)+LS(i,t)+DL(i,t)+ΚB[DΟ(i,t)-XΙ(i,t)+XΟ(i,t)](4)式中,VD(·)為水庫(kù)經(jīng)濟(jì)蓄水線(xiàn)。2.1.2采用時(shí)間序列模型規(guī)劃計(jì)算方法進(jìn)行需求向順時(shí)序模擬計(jì)算的目的,在于以水庫(kù)經(jīng)濟(jì)蓄水線(xiàn)為優(yōu)化目標(biāo)控制,確定泵站最優(yōu)需提調(diào)水量。計(jì)算方程為式(2)～(3)。2.2聯(lián)合模擬調(diào)度確定供給向模擬調(diào)度是從水源區(qū)的供水補(bǔ)給出發(fā),通過(guò)各供水片當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水和提調(diào)水量的聯(lián)合模擬調(diào)度計(jì)算,確定各泵站實(shí)際提調(diào)水量的過(guò)程。它包括逆時(shí)序模擬和順時(shí)序模擬兩個(gè)計(jì)算過(guò)程。3.2.1允許提調(diào)出水量進(jìn)行供給向逆時(shí)序模擬計(jì)算的目的,在于確定優(yōu)先保證輸水沿線(xiàn)各地區(qū)供水子系統(tǒng)當(dāng)?shù)乩娌皇芷茐牡姆榔茐木€(xiàn),控制下一步供給向順時(shí)序模擬計(jì)算的允許提調(diào)出水量。計(jì)算方程為:VDL(i,t)=VDL(i,t+1)?Q(i,t)?DI(i,t)+W(i,t)+LS(i,t)+DL(i,t)?KB[XI(i,t)?XO(i,t)](5)VDL(i,t)=VDL(i,t+1)-Q(i,t)-DΙ(i,t)+W(i,t)+LS(i,t)+DL(i,t)-ΚB[XΙ(i,t)-XΟ(i,t)](5)式中,VDL(·)為水庫(kù)蓄水防破壞線(xiàn)。2.2.2確定實(shí)際提調(diào)水量供給向順時(shí)序模擬計(jì)算,是在同時(shí)考慮水庫(kù)防破壞線(xiàn)和經(jīng)濟(jì)蓄水線(xiàn)、泵站提水能力與可提調(diào)水量等約束條件下,確定滿(mǎn)足子系統(tǒng)目標(biāo)要求的面臨泵站實(shí)際提調(diào)水量和可供其他泵站提調(diào)出水量。計(jì)算方程見(jiàn)式(2)～(3)。3案例研究4.1河流水文系統(tǒng)圖4南水北調(diào)東線(xiàn)工程從長(zhǎng)江下游揚(yáng)州附近提水,利用京杭運(yùn)河及大致與其平行的河道,連通洪澤湖、駱馬湖、南四湖(上級(jí)湖和下級(jí)湖)、東平湖,經(jīng)13級(jí)梯級(jí)提水泵站(總揚(yáng)程65m)逐級(jí)抽水至黃河邊,在位山附近穿隧洞過(guò)黃河后,經(jīng)位臨運(yùn)河、衛(wèi)運(yùn)河、南運(yùn)河等送水至天津,干線(xiàn)全長(zhǎng)約1150km,是一個(gè)由35座泵站、眾多蓄水湖泊及巨大的輸水通航河道組成的復(fù)雜水資源系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)多年平均來(lái)水量362.06億m3,規(guī)劃灌溉面積166.27萬(wàn)hm2,概化網(wǎng)絡(luò)圖詳見(jiàn)文獻(xiàn)。3.2自?xún)?yōu)化模擬調(diào)度結(jié)果分析以東線(xiàn)工程黃河以南10級(jí)復(fù)合泵站所組成的提水供水系統(tǒng)為背景,采用工程規(guī)劃主管單位提供的1950年7月～1989年6月共39年來(lái)用水系列等資料為依據(jù),對(duì)抽江700m3/s、穿黃230m3/s及各級(jí)復(fù)合泵站規(guī)模下的水資源優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算,可得表1、表2結(jié)果。從表2可知,采用自?xún)?yōu)化模擬技術(shù)進(jìn)行梯級(jí)泵站提水供水系統(tǒng)多目標(biāo)水資源優(yōu)化調(diào)度時(shí),由于考慮了系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化決策和來(lái)用水時(shí)空分布上的不均衡性及其相互協(xié)調(diào),可使系統(tǒng)棄水量最少為198.47億m3、供水量次大為221.33億m3、抽江水量最小為82.75億m3、過(guò)黃水量較大為49.15億m3;在相同用水需求下,比一般模擬調(diào)度結(jié)果要減少抽