水库群防洪联合调度研究现状与展望

第２２卷第２期２００４年６月水电能源科学ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＰｏｗｅｒＶｏｌ２２Ｎｏ．２ｏ０４Ｊｕｎ．２文章编号：１０００—７７０９（２００４）０２—００３０—０３水库群防洪联合调度研究现状与展望刘冀王丽学（沈阳农业大学水利学院，辽宁沈阳１ｌｏｌ６１）摘要：系统地回顾和总结了水库群防洪系统调度方面的国内外研究进展，并对现有的一些研究方法进行了评述和分析。对夸后的水库群防洪系统调度研究进行了展望。关键词：水库群；防洪调度；研究现状；综述中图分类号：ＴＶ６９７．１＋２文献标识码：Ａ在诸多防洪设施中，利用水库调蓄洪水，削减洪峰，对提高江河防洪标准，减轻或避免洪水灾害，起着十分重要的作用“］。特别是水库群系统的联合调度尤为令人关注，已成为学术界竞相研究的课题之一。水库群防洪联合调度是指对流域内一组相互间具有水文、水力联系的水库以及相关工程设施进行统一的协调调度，使整个流域的洪灾损失达到最小。科学合理的水库群防洪联合调度能够最大限度地减少国家的经济损失、人民生命财产损失。因此，开展这方面的研究具有重要的理论价值和现实意义。的优化方法求得目标函数的极值，从而得到水库群控制运用的最佳调度运行方式。目前常采用的有模拟方法和优化方法。１．２．１模拟方法模拟方法是将所要研究的客观系统转化为数学模型，利用计算机对数学模型进行有计划、多步骤的多次模拟运行，通过一定的优选技术，分析每次模拟运行的特性，从而选出最优决策。模拟方法与优化方法相比，它通常不受数学模型的限制，即使非常复杂的数学模型，也能够进行模拟运行，且有利于计算机求解。但模拟技术只能提供模拟对象的活动过程，而不能直接产生模拟对象的最优成果，这是它的一个缺点，在应用时，应与数学优选法相结合确定最优解。此外，模拟技术很难使用现有的模拟模型，程序设计的工作量比较大，模拟运转时间也较长口］。１．２．２优化方法优化方法是使用一个包括目标函数和约束方程的简化数学模型，直接求解最优决策。在水库群防洪联合调度研究中，常采用的优化方法有线性规划法、动态规划法、非线性规划法、随机规划法、多目标决策技术、大系统分解协调法等。ａ．线性规划方法。此方法于１９３９年提出，是最早、最简单、应用最广泛的一种规划方法。对于一些特定的非线性规划，也常常进行线性化处理使之变为线性规划问题。在水库群防洪系统联合调度方面，都金康等０３分析了并联水库群下泄流量与河道防洪控制点洪峰流量之间的内在联系，提出了水库洪水调度模型及其逐次优化解法。王１水库群防洪系统联合调度研究综述水库群防洪联合调度的研究方法大体可分为两类，即常规方法和系统分析方法。１．１常规方法常规方法是一种借助于调度准则的半经验半理论方法。此方法利用水库的抗洪能力图、防洪调度图等经验图表实施防洪调度操作，并考虑了前期一些水文、气象因子对预留防洪库容的影响，此方法对预泄、错峰和补偿调度等具有一定的指导价值，因此是目前普遍采用的一种传统方法。但由于常规方法是一种经验性方法，且不能考虑预报因子，所以此法仅适合于中小型水库。１．２系统分析方法近５０多年来，系统分析方法在水库群联合调度的研究和实践中得到了广泛应用，并取得了丰硕的成果，此方法先确定水库群防洪系统调度的目标函数，并建立相应的约束条件，然后运用一定收稿日期：２００３—１２－２６作者简介：刘冀（１９８０一），男．河北保定人，硕士研究生。万方数据　第２２卷第２期刘冀等：水库群防洪联台调度研究现状与展望・３１‘栋等“１针对水库群防洪调度建立了一类最大防洪安全保证的线性规划模型。目前，线性规划方法的求解技术成熟，处理方便，易于利用计算机进行求解，运用前景广阔，如何扩大其研究范围，是一个值得重视并具有重要现实意义的研究课题。ｂ．动态规划方法。此方法的数学模型和求解方法比较灵活，无论系统是连续的或离散的、线性或非线性的、确定性的或随机性的，只要能构成多阶段决策过程，便可用此方法求解。此方法以其解决多阶段优化问题的有效性，在水库群调度领域引起了广泛重视。邵东国等ｏ３建立了具有模糊约束条件的某水库防洪实时优化调度模型，并提出了含罚函数的离散偏微分动态规划。梅亚东”提出了梯级水库防洪优化调度的动态规划模型。动态规划方法适用于水库调度多阶段决策特点，但求解较繁琐，随着决策阶段数的增加，将会出现“维数灾”问题，这就使其在应用时受到很大的限制。因此，需要借助一定的方法来降维，如增量动态规划、离散动态规划、增量和连续逼近相结合的动态规划、微分动态规划等方法，都是在传统动态规划的基础上，为解决“维数灾”问题提出的。随机动态规划作为随机规划与动态规划耦合的一种方法，主要用于水库长期优化调度，一般将水库来水径流系列描述为某种随机过程，以目标函数的期望值最大或最小为准则，采用此方法寻求水库的优化调度策略。对于随机动态规划问题，它所采用的最优策略是随着各阶段输入的随机因素的不同变化过程而异的，它不能得到一种适合于各种状态变化过程的最优策略。ｃ．多目标分析方法。大多数水库为综合利用水库，往往存在多个不同目标，且各目标之间是既“不可公度”又常常相互矛盾，因此，引人多目标分析方法是必要的。多目标分析方法的解通常是一组非劣解，决策时，按决策者偏好的要求，在非劣解中，选择满意解或最佳均衡解。Ｇ．Ｉ。．Ｂｅｃｋｏｒ［７３用约束扰动法研究了多目标水库群系统的优化决策问题。王本德等ｎ１结合丰满一白山梯级水库的洪水联调实例，用模糊优选技术选择系统的洪水调度方案。陈守煜０３将模糊优选理论与多目标分析方法有机地结合起来，建立了以相对隶属度、隶属函数为基础的多目标决策系统模糊优选的理论、模型与方法．提出了主客观相结合的确定目标权重的方法。邹进等［１”提出一种利用模糊集理论来求解定性多目标决策问题的方法，并将其应用于水库实际洪水调度方案的多目标决策。万　方数据多目标分析法中考虑了不可公度目标的组合及其影响因素，但各目标权衡系数的确定目前还没有可行的方法，这方面尚有待进一步研究。ｄ．大系统分解协调方法。此方法是将复杂的大系统分解为若干简单的子系统，实现子系统局部最优化，然后根据大系统的总任务和总目标，使各子系统互相配合，实现全局最优化。水库群防洪系统就是一个相互关联的复杂大系统，它具有多级谱系结构，因此分解协调法是解决水库群优化调度的有效途径之一，但目前此方法在水库群防洪系统中的应用才刚刚起步。黄志中等ｏ”以大系统分解～协调理论为基础，研究了串联和并联库群实时防洪调度的分解一协调算法，并将它推广到混联库群的实时调度中。ｅ．模糊决策方法。陈守煜等人将模糊数学应用于水文水资源系统中，取得了较好的效果。模糊决策方法为解决水库调度中方案的选优问题开辟了一条新途径，较成功地解决了传统数学方法难以胜任的问题，模糊逻辑规则鲁棒性好，且易调整，好理解，能够反映专家意见，因此适宜推广应用于实际工程。ｆ．人工神经网络。该方法具有快速收敛于状态空间中一稳定平衡点的优点，对于诸如动态规划等方法在目前串行计算机上模拟求解时存在着不同程度的“维数灾”问题，此方法无疑提供了一条新途径。胡铁松【１２３研究了Ｈｏｐｆｉｅｌｄ网络在水库群优化调度中的应用，建立了一般意义下混联水库群优化调度的神经网络模型。ｇ．遗传算法。该方法是模拟生物在自然环境中遗传进化过程的一种自适应全局优化概率搜索算法，具有简单通用、鲁棒性强，适于并行处理的优点。遗传算法适于处理各类非线性问题，并常常能有效地解决常规优化方法难以解决的复杂问题，因此，此方法在水库群防洪调度中具有广泛的应用前景。ｈ．其他优化方法。如非线性规划、网络流规划等在水库调度领域中也有所应用。此外，近些年来，一批新的优化方法的产生和发展，如对策论、存贮论、排队论、灰色系统等，它们极大地丰富了水库群防洪系统调度的研究方法。２研究展望目前，国内外在水库群防洪联合词度研究方面已取得了卓有成效的成果。随着科学技术的不断进步，新的优化理论的应用和发展，必将给本领域的研究开辟更广阔的发展前景。・３２・水电能源科学ａ．多种优化方法的耦合研究。由于水库群联合调度的高度复杂性，常规方法和一些优化方法难以独自解决此类问题，因此，应将多种方法耦合，扬长避短，充分发挥各种优化方法的优势，以期获得更好的求解方法。耦合方法研究在水库群防洪调度中的应用前景是广阔的、有意义的。ｂ．防洪风险率研究。由于水文、气象等因素的随机性，使得水库群联合调度具有不确定性，存在着一定的风险，因此，对于水库群调度进行风险分析是十分必要的。现行的风险分析方法分定性和定量两种，但由于水库群防洪调度的高度复杂性，目前的研究尚处于初始阶段。应着重加强对数学方法的研究，借助数学工具，结合水库群防洪调度的特点，研究确定防洪风险率的有效方法，从而为调度决策的制定提供科学依据。ｃ．建立专家决策支持系统。利用现代成熟的计算机技术，建立水库群调度专家决策支持系统，将调度中大量繁琐、复杂的计算工作交由计算机完成，不仅快速、准确、高效，而且减少了人为因素的干扰。今后的专家决策系统应构建适合串、并联混合的库群防洪调度模型，提高系统的通用性，结合各种优化技术、模拟技术以及专家经验，建立交互式的决策支持系统，从而更加及时、准确、自动和直观地为决策者的科学决策提供可靠依据。ｄ．提高防洪调度基本信息采集的自动化水平。目前的水库群实时联合调度，对水文、气象等信息的及时性、准确性提出了更高要求，应充分利用现有高科技手段，如“３ｓ”技术、网络技术等，达到数据采集与传输的自动化，提高数据测报的精度和准确率，以确保这些重要信息能及时、准确地传送到调度指挥中心，从而更好地实现库群的实时联机统一调度。ｅ．仿真调度模拟。利用计算机进行“３Ｄ”建模，运用地理信息系统，进行库群调度模拟，为调度者形象地模拟出调度决策发布后的水库调度效果，从而帮助决策者科学地制定调度决策，最大限度地降低洪灾损失。总之，水库群防洪联合调度仍有许多值得研究和探索的问题，在今后的工作中，应加大对优化方法及其解算技术的研究，使水库群防洪调度研究日臻完善，从而提高调度的科学化水平，最大限度地发挥水库的综合效益，减少洪灾损失。参考文献：［１］陈惠源．江河防洪调度与决策［Ｍ］．武汉：武汉水利电力大学出版社，１９９９．Ｅ２３袁宏源，邵东国．郭宗楼．水资源系统分析理论与应用［Ｍ］．武汉：武汉水利电力大学出版社．２０００．［３］都金康，李罕，王腊春等．防洪水库（群）洪水优化调度的线性规划方法ＥＪ］．南京大学学报（自然科学版），１９９５，３１（２）：３０１—３０９［４］王栋．曹升乐．水库群系统防洪联合调度的线性规划模型及仿射变换法ＥＪ］水利管理技术，１９９８．１８（３）：Ｉ－５［５］邵东国，朱星源，夏军等．洋河水库防洪实时优化调度模型研究［Ｊ］水科学进展．１９９６，７（２）：１３５—１３９［６］梅亚东．梯级水库防洪优化调度的动态规划模型及解法［Ｊ］Ｉ武汉水利电力大学学报，１９９９（５）：１０—１２［７］ＢｅｃｋｏｒＧｓｅｒｖｏｉｒＬ．Ｍｕｌｔｉ—ｏｂｊｅｃｔｉｖｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｕｌｔｉｒｅ—ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅＳｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｌａｎｎｉｎｇａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，１９９２，１１８（４）：３５６—３７０［８］王本德，周惠成、程春田．梯级水库群防洪系统的多目标洪水调度决策的模糊优选［Ｊ］．水利学报，１９９４（２）：３１－３９［９］陈守煜．多目标决策系统模糊优选理论、模型与方法［Ｊ］．华北水利水电学院学报，２００１，２２（３）：１３６一１４０［１０］邹进＋张勇传．一种多目标决策问题的模糊解法及在洪水调度中的应用［Ｊ］．水利学报．２００３（１）：１１９一１２２［１１］黄志中．周之豪大系统分解一协调理论在库群实时防洪调度中的应用口］．系统工程理论方法与应用，１９９５．４（３）：５３—５９［１２］胡铁松．神经网络预测与优化［Ｍ］大连：大连海事大学出版杜．１９９７．ＳｔａｔｕｓＱｕｏａｎｄＰｒｏｓｐｅｃｔｏｆＦｌｏｏｄＣｏｎｔｒｏｌＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＭｕｌｔｉ—Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｂｓｔｒａｃｔ：ＲｅｓｅａｒｃｈＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙｔＳｈｅｎｙａｎｇＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖ．．Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０１６ｌ，Ｃｈｉｎａ）ａｔｏｎｔｈｅｆｌｏｏｄｃｏｎｔｒｏｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉ—Ｆｅｓｅｒｖｏｉｒ１ｎｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｉｓｒｅｖｉｅｗｅｄａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｃｕｒｒｅｎｔｓｔｕｄｙｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｉｓｓｕｂｊｅｃｔａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｅｖａｌｕａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｐｒｏｓｐｅｃｔｍｐｕｔＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ—ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ；ｆｌｏｏｄｃｏｎｔｒｏｌｏｐｅｒａｔｉｏｎ；ｓｔａｔｅｕｓｑｕｏ；ｏｖｅｒｖｉｅｗ万方数据