流域水资源实时调控的控制过程和特征
水资源系统实时调控的控制过程 水资源系统是非结构化的非平衡体 水资源系统的调控是人类 参与的复杂系统的动态控制过程 人为因素会对调控决策起到决定性作用 基于控制论和水资源临界 调控理论 提出如下水资源调控的控制论模型 受控对象是水资源系统 施控系统是水库调度和河段配 水 调控过程是 根据中 长 短期预报和实时信息 制定并实施水量调控方案 通过水库调度和河段配 水等施控系统 改变受控的水资源系统的状态 使之满足多目标的供水要求 通过实时监测系统 获取实 时反馈信息 再根据中 长 短期预报和实时信息 更新制定水量调控方案并实施 并在线进行防凌和防 断流预警并动态调整 如此反复
日调配模型 日调配模型用于解决面临日水库日调度指令及河段供水问题 决策变量为水库下
泄水量
即三门峡水库和小浪底水库下泄流量 和各河段供水量
时间步长为 各河
段 需水量
由旬调配模型计算得出的旬供水量
确定
日调配模型的目标是在满足防断流 防凌安全前提下 使下游河段缺水量最小
式中 为调配时段
据研究 小浪底出库在枯水情况下约 流达利津断面 为保证流量
件的水量平衡方程 也应用于旬调配模型 如式 式
式中 为流量传播系数 为调度时段长 月的天数 为河段流量传播历时
分别为 断面
时段断面平均流量 ?
为 时段 断面至 断面的区间支流加水 区间用水
区间损失 ?
防断流约束 各断面流量不低于低限流量要求 防止河道断流
为 时段 断面的最小低限流
量
防凌约束 各断面流量不得高于防凌最大允许流量 约束仅用于冬季的 个月份
月调配模型 小浪底以下河段月调配模型是为解决下游水量月分配问题 其基本思路是考虑河
道水流传播时间的影响 根据未来月份来水预报 考虑下游生态环境的低限用水要求 下游国民经济用
水要求 同时兼顾发电 对未来调度期内水量进行总体分配 提出小浪底水库各月下泄水量 月末水库水
位控制指标及满足利津防断流要求前提下的下游各河段月配水过程 月调配的原则是在保证河段不断
束 即各月下旬旬末水位等于月调配模型所求得的该月月末水位
为 水库第 月的月末水位
为 水库第 月下旬的旬末水位
需水量控制约束 各河段月 个旬 需水量
由月调配模型计算得出的各河段供水量
确定
月模型
Байду номын сангаас
均衡缺水约束 后期缺水深度不大于前期缺水深度
分别表示面临的第一 第二和第三
旬的供水打折系数
其他约束条件同月调配模型 此处不再给出 旬调配模型求解同月模型 不再赘述
由月调配模型计算得出的月供水量
确定 目标函数 同月调配模型类似 旬调配模型建模时仍将供水量缺水最小作为模型的基本目标
而将防断流与防凌目标作为约束条件进行处理 表示为 目标函数
式中 为调配时段
一般取
表示面临的 个旬 并且逐旬进行动态滚动 面临的
个旬可以属于 个月 也可以属于两个月
约束条件 月末水位约束 与月调度模型不同的是 旬调度模型的约束条件增加了月末水位约
解方法 该模型以水库调度 河段配水和流量预警控制相结合的调控方式 采用多时间步长嵌套和滚动修正 实现
黄河下游水资源实时调控 应用结果表明 该模型技术可靠 具有可操作性
关键词 流域 水资源 实时 调控 模型
中图分类号
文献标识码
问题的提出
我国 世纪 年代就开始了以水库优化调度为先导的水资源分配研究 在水资源严重短缺和水 污染不断加重这样一个背景下 于 世纪 年代初不断得到迅速发展 八五 到 十五 期间 较为系 统地研究了流域或区域水资源的合理分配 调度 配置 控制的理论方法并建立了多个模型 促进了 流域水资源优化调度和合理配置 但是对于流域尺度 综合考虑水资源时空调控方面研究很少 难以解 决流域水资源管理中的总量控制和动态控制等问题 近年来 多维临界调控理论在水资源方面取得了 一些新进展 本文采用控制论和临界调控理论 面向水资源实时调度的实际问题 提出流域水资源 实时多维临界调控的概念 并分析其特征 以黄河下游为例进行了具体应用
年度调度和月调度主要解决来水总量的宏观配置问题 旬调度和日调度则是根据实时信息进行的 实时调度 水量调度不同于电力调度 需求 即负荷 和供给变化得较为缓慢 而且调控机构 水库闸门 和引水涵闸 也不允许频繁的短期开启或者关闭 因此实时所指的时间步长较长 一般为日即可 一般 来说 日调度指令在实际调度中就是实时调度指令 除非在紧急情况下才进行日间的调度调整
供需自适应的动态平衡调控结构 调度方案的供水是根据来水确定的 较短调度时间步长的需 求计划是根据较长调度时间步长的供水量提出的 年度各月的供水量 配水量 根据年度来水和工程情 况确定 月调度需求计划就是根据年度各月的供水量确定的 而旬调度的需求计划是根据面临月各旬的 供水量确定 日调度的需求计划是根据面临旬各日的供水量确定 可见 各种调度时间步长的来水量 供水量和需求量之间是自适应的 存在自适应结构 如图 所示
表示 和
断面之间的河段
目标函数 月调配模型目标包括防断流目标 防凌目标和缺水量最小目标 其中防断流与防凌
目标是刚性目标 在建模时将其作为约束条件进行处理 将缺水量最小作为模型目标
目标函数
式中 为总缺水量
分别为 时段第 河段的需水量和供水量
分别表示时段总数
和断面总数
约束条件 模型中考虑了水库水量平衡约束 水库水位约束 小浪底水库泄水流量约束 流量演
黄河小浪底以下河段枯水实时调控模型研究
图 动态反馈结构
黄河流域水资源贫乏 枯水年份水资源供需形势更为 紧张 一方面国民经济供水不足 缺水严重 另一方面 生态环境用水不足 防断流形势严峻 枯水期水量 调控是黄河水资源统一调度的重点和难点 黄河小浪底以下河段枯水实时调控模型的开发目标是 以 利津断面防断流为控制条件 考虑小浪底以下不同河段用水 区间加水 河道损失等因素 提出小浪底水 库月 旬 日水库调度方案 提出下游主要水文站断面的控制流量和各河段配水方案 同时能够对未来防 断流 防凌安全形势进行预警 并提出供水处理意见 实现枯水期水资源的科学调度与合理分配 确保河 道不断流和供水安全
图 水库调度 河段配水和流量预警控制相结合的三元调控结构
不同时间步长嵌套的时间调控结构 水资源实时调控需要提出不同时间步长 年 月 旬 日等 的调度策略 各个调度策略之间是存在密切关系的 存在不同时间步长嵌套的时间调控结构见图
图 不同时间步长嵌套的时间调控结构
年调度方案是根据年度来水情况和工程情况提出的 提出年度总供水量和水库各月水位 库容 控 制指标 时间步长为月 调度期一般为全年或者非汛期 月调度方案根据年度调度方案提出的水库水位 控制指标和各月供水指标 考虑最新的来水 用水需求和工程信息 提出调度预留期的调度方案 时间步 长也为月 旬调度方案则是根据月调度方案提出的水库水位控制指标和面临月供水指标 考虑最新的 来水 用水需求和工程信息 提出面临各旬的调度方案 时间步长为旬 日调度方案是根据旬调度方案 提出的水库水位控制指标和面临旬供水指标 考虑最新的来水 用水需求和工程信息 提出未来多日的 调度方案 时间步长为日 日内如果出现突发情况 如断面控制流量预警不在域值范围之内等 可以在 线动态调整河段配水来满足要求
即调整来水时程分布 使之适应用水要求 河段配水主要是进行水量的空间分配 考虑各地 用户 实时 用水要求信息 通过控制引水涵闸等措施 将有限的水量进行合理分配 流量预警控制是根据流量演 进 提出防凌和防断流预警 或者根据河道流量突发变化 通过在线动态调整有关河段的配水 控制引水 涵闸 保证河道流量要求 防凌安全 防止河道断流
进约束 防断流约束 防凌约束 均衡缺水约束和变量非负约束等 类约束
水库水量平衡约束 为 时段 水库的蓄水量 为 时段 水库的入库水量 为 时段 水
库的水量损失 为 时段 水库的库区用水 为 时段 水库的下泄水量
分别指三门峡水
库和小浪底水库
水库水位约束 水库水位应保持在水库最高和最低水位之间 为 时段 水库的水位
流域水资源实时调控的特征分析 水库调度 河段配水和流量预警控制相结合的三元调控结构 流域水资源临界实时调控一般具
有水库调度 河段配水和流量预警控制的三元调控结构 见图 水库 群 调度是水资源的时程调控
收稿日期 作者简介 王煜
男 河南开封人 博士 教授级高级工程师 主要从事水资源规划 调度和系统分析方面的研究
年月 文章编号
水利学报
第 卷第期
流域水资源实时调控方法和模型研究
王煜 黄强 刘昌明
黄河勘测规划设计有限公司 河南 郑州
西安理工大学 水利水电学院 陕西 西安
中科院 地理科学与资源研究所 北京
摘要 本文采用控制论和临界调控理论 提出流域水资源实时多维临界调控的概念和方法 以黄河下游为例 通过
对水资源实时调控过程和不同调控结构的特征分析 建立了黄河小浪底以下河段枯水实时调度模型 并提出了求
其中
模型的求解 基于上述月调配原则 应用模拟技术求解模型 求解流程见图 求解中 最重要 的是在缺水情况下要确定供水量 根据不同方法 提出 种求解方法 严格配水法 保守缺水法 调整用 水法 人工调整法 严格配水方法和保守缺水方法都是在出现缺水时同比例折减需水量 在来水量相对 较丰时 严格配水方法不增加用水需求而增大入海水量 保守缺水方法也不增加用水需求 而运用水库 蓄水并在调度后期下泄 调整用水方法是在出现缺水或者丰水时均同比例折减或者增加需水量 人工调 整方法是调度人员直接调节控制需水和水库拦蓄
图 月调配模型求解流程
旬调配模型 旬调配以月调度配置结果为基础 根据月内各旬来水和需水的实际变化情况 对月
调配模型计算所得的月可配水量进行月内二次分配 同时利用月末水位进行控制 保证水库各月下旬水
位能回到月末控制水位 决策变量为水库下泄水量
即三门峡水库和小浪底水库下泄流量