水库安全调度十篇

水库安全调度 篇1

在对水库洪水进行调度时, 全面贯彻落实科学发展观, 同时建立相应的防洪标准, 制定完善的防御、调度方案, 采取各种措施, 在标准范围内, 确保防洪的安全性。与此同时, 不断降低水害, 充分利用洪水资源。过去, 人们对洪水的研究比较少, 在对水库洪水进行调度时, 主要集中在二条线上:一是汛期限制水位, 在蓄水过程中, 一旦发现水库超过汛期限制水位, 遇到阴雨天气, 需要对水库进行泄流, 使得水位保持在汛期限制范围内;二是土地和房屋退赔高程。与土地或房屋退赔高程相比, 如果水库水位即将接近, 在这种情况下, 需要加大水库的泄水量, 在土地和房屋退赔高程之内对水库坝前水位进行控制, 同时将国家的损失降到最低, 而没有对洪水进行统筹安排, 综合利用。

2 正确认识水库防汛调度问题

2.1 突破水库控制运用指标问题

对于各级防汛指挥部门来说, 水库控制运用指标 (计划) 在一定程度上可以确保水库大坝的安全性, 同时要充分发挥水库兴利除害的积极作用。按照水库大坝的设计指标, 结合工程安全状况, 以及社会经济发展要求, 建立和完善水库控制运用指标, 该指标经过上级主管部门批准后, 按计划执行水库汛期调度。因此, 根据天气情况, 如果水库上游后期不会发生暴雨洪水, 或者是无降雨, 以及降雨不大等, 这时, 水库调度可以突破汛期正常控制, 实行风险调度。

2.2 超水库淹没线问题

在对水库进行调度蓄水的过程中, 通常情况下淹没线是最高水位, 该水位线通过水库调洪演算进行确定。在正常运用水库期间, 根据调度计划严格控制在淹没线以下运行。同时对洪水进行调度, 进而在一定程度上避免发生土地、房屋等赔偿问题。

2.3 水库泄洪承受能力和下游错峰问题

对水库风险进行调度, 一般要求水库超汛限运行, 进一步减少调洪库容。由于产生洪水的因素难以确定, 进而难以把握、控制洪水的峰、量等, 一旦出现较大的洪水, 为了在淹没线以内控制库水位, 一般情况下需要加大泄量, 降低削峰能力, 避免给下游河道防洪增加压力。

2.4 水库工程自身隐患问题

近年来, 在全国范围内, 都对水库进行了维修、除险、加固处理, 在一定程度上提高了防洪标准。但是, 还有相当一部分水库, 由于年久失修, 标准偏低, 进而弱化了抗灾能力, 进一步增加了工程安全防汛工作的难度。对于偏远地区的水库来说, 其存在的隐患主要表现为:一是工程标准偏低, 一些水库修建于20世纪50年代, 受当时各种因素的影响和制约, 设计标准比较低, 并且运行了近半个世纪, 防洪标准出现不同程度的降低。二是工程年久失修, 老化严重, 经过长期的运行, 水库大坝护坡出现不同程度的翻乱, 以及不均匀沉陷等, 有些水库甚至出现防浪墙倾斜等。三是工程设施不完善, 缺乏配套性, 缺少观测设施、没有检修闸门等现象在一些水库中普遍存在, 进而在一定程度上导致工作闸门发生故障, 无法进行及时有效的检修。

3 水库防汛安全调度的对策

3.1 实现生态调度

对水库的调度, 要坚持科学发展观, 要对水资源实现可持续利用, 实现人与自然和谐发展。在防止河流水量正常、满足生物正常繁衍的条件下, 综合考虑水库与河流的基本需水量, 使水电厂获得最大空间的经济效益, 采取合理的调度方案使水电厂对河流生态环境造成的不利影响控制在其可承受的范围内。

3.2 增强技能素质, 降低水温变化影响

根据水库各自的特点, 进行适当的内部水量调节可以有效降低水温变化。针对闸门操作人员, 工作的质量直接关乎下游的生态, 间接影响人民的正常生活。另外, 加强监督机制, 实施工作责任到人制, 保障下游生物的安全与人们的生活。

3.3 改进水库的调度模式

为了防止水库内大量泥沙堆积进而产生的一系列问题, 水库在调度上要进行相应的改进措施。在根据科学发展与人与自然和谐发展的要求, 可以采取以下两点措施: (1) 一定时段适当对坝前蓄水位进行下调, 有效减轻泥沙对库岔、库湾水位顶托的压力, 这将降低水库的压力。这时缓流区水体流速将加快, 水体不容易富营养化。 (2) 在一定时段内加大水库下泄量, 加快库区内水体的流动, 防止水体富营养化。另外, 水库自身的调度功能可以解决这一问题, 可以在调度时增加旱期的下泄量, 提高下游河道的水体容量的同时, 有效控制水库水体富营养化。最后, 严格控制水藻与“水华”的爆发。

3.4 统筹兼顾, 加强管理

对于河道的污染, 水库之间应增强调度机制, 根据河道具体生态状况的发展, 由上游自身而下调度下泄部分水源, 以防止污染性事故。根据和谐发展的理念, 可以利用下泄水对水性作物进行灌溉。河道的畅通关乎广大人民的切身利益以生态的平衡, 因此, 政府对同一河道梯度的水库应加强监管, 在一条河道上的水库应互相合作, 互相协调, 保障河道的畅通及水库的整体效益。

4 水库防汛措施

4.1 工程性防洪措施

(1) 防止洪水浸顶。在修筑水库的过程中, 水库堤坝主要是由土料夯实填筑而成, 进而在一定程度上导致堤坝的抗冲刷能力比较薄弱, 在这种情况下决不允许出现洪水浸顶的现象, 在超标准洪水到来之前, 根据洪水预报进行分析, 为了便于拦蓄洪水, 削减洪峰, 需要对水库大坝工程预先腾出防洪库容, 进而在一定程度上确保大坝及下游河道的安全。 (2) 散浸、滑坡及漏洞的抢护措施。处理滑坡的原则是, 在滑坡的滑动方向上设置相应的阻滑体, 用透水材料对阻滑体进行处理, 进而使得坡体内浸润线迅速下降。由于抢险情况比较紧急, 通常情况下用堆石或抛石对堤坡进行支撑。 (3) 堵洞措施。通常情况下, 通过铁锅堵洞、化纤布土袋、粘土块堵洞和用化纤绳网包堵等方法进行堵洞。 (4) 管涌、流土的抢护。洪水期对堤防进行及时的寻查, 在堤坝后, 如果看到翻沙涌水的现象, 并且在冒水周围形成圆形砂环, 这时需要进行抢护。

4.2 非工程性防洪措施

(1) 加强水文预报措施。按照地区的流域特性、水文特征等对大、中型水库及流域区域性防洪, 同时布设雨量、水位、流量观测站, 形成自动采集信息, 并将信息报送防汛信息中心。 (2) 指挥群众避洪迁安。根据水文预报及洪灾发展的趋势, 各工程管理部门果断组织群众避洪迁安, 减少灾害的损失。

4.3 制定“风险”应急预案, 落实“风险”防范措施

一旦出现“风险”, 采取措施确保水库大坝的安全性, 将损失降到最低。

5 结语

对于水库防汛, 需要采取科学合理的防汛抗洪措施, 同时根据当地的资源、人力、财力等实际情况进行安排, 将工程措施、非工程措施进行结合, 实现优势互补, 进而在一定程度上减少灾情, 确保人民群众的生命财产安全。

摘要：伴随着气候环境的变化, 防汛抗洪方面压力增大。随着水利建设事业的发展, 我国水利建设取得了巨大的成就, 现已建成各型水库8.7万座。由于环境的影响, 这些工程在运用中每年都要经受洪水的考验。因此做好水库防汛, 是水利管理部门工作中的重点。

关键词：水库防汛,安全,调度

参考文献

[1]许维民.水库适度承担风险洪水调度[J].东北水利水电, 2008 (8) .

[2]田喜龙, 张子文.浅析适度承担风险进行水库洪水调度[J].大坝与安全, 2006 (02) .

[3]庞会媛, 许维民.浅析水库适度承担风险进行洪水调度[J].中国西部科技, 2008 (07) .

水库安全调度 篇2

伊通河是饮马河在长春市境内的最大支流，发源于伊通县板石庙乡青顶子岭北，向北流经伊通县、长春市、德惠市、农安县，在农安县靠山屯镇东汇入饮马河。新立城水库位于吉林省长春市南郊距市区20 km的伊通河上，属于多年调节水库，河流全长283 km，流域面积7 515 km2，坝址以上河长为90.2 km，控制流域面积1 970 km2，水库设计洪水位为220.48 m，校核洪水位为222.64 m，兴利水位为218.83 m，兴利库容为2.75×108m3，死水位为210.80 m，死库容为0.15×108 m3，总库容为5.92×108 m3，是1座以防洪除涝、供水、旅游、养鱼为一体的综合利用的大型水库。水库工程概况见表1

2 水库来水特性分析

以新立城水库1960—2009年的实际逐月入库流量为基础，深入研究新立城水库来水规律，作出定量分析，为水库调度提供科学依据，资料样本已经做了代表性，可靠性与一致性分析，由于资料系列是实测成果，已经去除损耗，故不对资料做蒸发渗漏计算[1]。因为本报告主要分析新立城水库生态、城市供水，故只研究枯水问题，设计保证率>50%。统计分析采用时间序列与截面数据统计分析软件EVIEWS5.0。新立城水库年径流量频率计算结果见表2。

3 水库不同保证率来水过程

新立城水库设计年月来水过程采用与多年平均月入库水量倍比缩放法计算，不同保证率设计来水量年分配过程见表3

单位为×104立方米

6、9月份为不蓄不供期，按照天然来水量引用，根据新立城水库实际供水任务，用试算法确定水库调节库容，以确定最合理的运行方式。经过计算，新立城水库枯水年平均年供水能力为4 000×104 m3,现状供水条件下，最大连续枯水年为3年，需要多年调节库容18 708×104 m3，需要年调节库容1 600×104 m3，共计20 308×104 m3，根据新立城水库现有兴利库容，在连续枯水年依靠多年调节库容能够满足其现状供水任务。在天然来水条件下，在非连续枯水年，新立城水库在97%供水保证率条件下，平均缺水6174×104m3,通过多年调节库容可以得到补充。

4 水库优化调度方案

4.1 新立城水库供水存在的问题

新立城水库兴利库容达2.75×108 m3，尽管水库调节能力较大，但近年来由于工程配套设施、径流的减少和上游地区用水的增加等种种原因，水库向长春市的年供水量只有8 800×104 m3[2,3];下游的河流生态补给也没有得到保障，只能等到中部城市引水工程竣工后，水库才能还给下游河道生态补水量。由于2000年—2003年连年干旱，致使水库库容连续4年处于死库容以下，年平均来水量只有2 600×104 m3，来水量最少的年份只有1 600×104m3;而遇到丰水年份时水库汛期还要弃水，这就出现了连续枯水年水库蓄水量严重不足，不能保证长春市城市供水，遇到丰水年份时弃水量很大的尴尬局面。

4.2 正常年份供水预案

正常年份新立城水库年入库水量为4 430×104 m3～13 400×104m3，水库可向长春市供水8 800×104 m3，向农安应急支线供水1 440×104 m3;长春市区现状年总用水量为26 452×104 m3,到2015年用水量为36869×104m3。

4.3 干旱年份供水预案

连续枯水的年份，新立城水库年供水能力不到5 000×104m3，应该压缩供水具体就是，限时、限量、限行业供水。根据不同区域，按照先生活后生产的原则，限定供水时间，限定使用数量，这样可以维持长春市城区基本的生活生产用水。

4.4 特殊情况供水应急预案

当新立城水库出现水质事故不能使用时，其向长春市的供水任务由其它供水工程承担。

5 结语

通过对新立城水库水源地供水与调度方案的研究，科学的分析了水库在不同保证率条件下的来水量，同时根据水库现状供水情况进行了水资源的优化配置，在不同情况下采用不同的方案，为合理充分的利用有限的水资源提供了科学依据，水库在实际的运用上充分发挥其应有的作用。

参考文献

[1]叶守泽.水文水利计算[D].武汉:武汉水利电力大学,1992.

[2]温进化,毛明敏.区域水资源优化配置研究[J].科技通报,2006.23(3):304-308.

浅谈水库安全调度及对策 篇3

摘要：在我国社会和谐发展的大好环境中，水库的合理与安全调度，是践行科学发展的重要体现，本文根据我国水库现存的一些问题进行分析，并提出了一些解决的对策。

关键词：水庫；安全调度；对策

前言

我国是一个水资源相对缺乏的国家，并且，在地里分布上南多北少、发生汛情的时候比较多，这就要求我国必须修建大量的水库，以减少洪涝灾害、调节这种天然的水资源不平衡问题。水库调度的主要内容是对水资源进行分配，用于发电、灌溉、防洪以及供水等，水利企业在满足安全、综合利用需求的前提下，以获得最大的经济效益为目的。目前，一些水库为了自身的经济利益，在水库的调度上减少了对生态与水环境的考虑，导致了一些安全隐患。这些安全问题违背了科学发展的原则，所以，为减少水库建设对生态与环境的影响，水库要进行安全合理的调度，这关乎河流生态系统的健康发展，在实现经济效益的同时获得社会与环境效益，对我国水资源的有效保护和可持续发展观的实行具有深刻意义。

1.水库调度中存在的安全问题

水库调度主要包括防洪调度与兴利调度。防洪调度是以确保大坝安全为前提，有效利用防洪库容，拦蓄洪水，削减洪峰，减免洪水灾害，正确处理防洪与兴利的矛盾，充分发挥水库的综合效益。兴利调度指的是非汛期，根据水库自身的兴利任务，合理分配水资源，谋求最大的经济效益。一些现行水库盲目追求经济效益，忽视了对生态环境的保护，使水库的调度存在一些安全问题。

1.1经济利益与自然生态冲突

当水库大坝建成后，水库要根据设计方案进行调度。汛期进行调蓄洪水工作，控制下泄流量与水位以确保下游安全为目的。水库由于过重的注意水库发电等经济效益，下泄流量无法满足最低生态需水量的要求，导致河水断流、干涸等，对沿岸的植被、哺乳动物和鱼类造成毁灭性的破坏。非汛期，按照社会经济效益原则，水库要进行发电、灌溉等作业。这都将会导致水文情势变化，改变自然水的变化规律，这将一定程度上影响生态环境。此外，一些水库片面追求经济效益，不能对下游及时的开闸放水，导致河道干涸、生物绝迹。

1.2水温变化对下游生物的安全威胁

对于大多数水库来说，一般都存在或强或弱的垂向水温分层现象。库容大、调节频繁、来水量相对较少的水库，一般温度分层现象表现较为明显。一旦出现温度分层，对下游的生态结构将构成严重威胁。另外，由于水库闸门泄洪时，不同的高程也会对水体温度产生很大影响。一些工作人员在泄洪时，不能考虑这些因素，导致下游生态环境出现极大安全问题。

1.3库区淤积隐患与富营养化

水库建成投入使用以后，由于调度过程中水位升高，过水面积后相应增加，水流速度将会减缓进而使水流挟沙能力降低，这必然导致水库泥沙的淤积。水库泥沙大量淤积，将直接影响水库寿命与工程的效益，从长远角度看，一旦水库垮塌，将对下游人民的生命财产造成难以估量的损失。所以，水库泥沙淤积不仅影响下游生态，还关乎人民的生命安全。河流和水库都是生物地球化学循环过程中物质迁移转化和能量传递的“交换库”。由于水库自身的调节作用，一些生物往往滞留时间长，造成一些生物的输入量总大于输出量，其滞留量超出生态系统自我调节能力，由此导致污染、富营养化等，这将影响生态的平衡，造成生态的破坏。

1.4水库调度整体不协调

对于一条河流来说，往往有几千座水库同时参与调度，这才能保持河道的连通性。由于闸坝本身对于河流的连续性就形成了胁迫效应，一旦调度运用不当，将造成河流严重污染，会使这种胁迫效应加剧。结合我国经常干旱的具体情况，水库为保证灌溉、饮用等用水，闸坝在整个枯水期大都基本封闭，这将导致河道大量聚集工业废水与人民生活用水，对于汛期来临的首次开闸放水，将这些高浓度污水集中同时下泄，对下游很容易产生污染性事故，危急人民的饮水安全。根据一些资料记载，由于水库的封闭发生过我国河道发生过很多次污染事故，造成河道生物大量死亡，严重的出现部分人民饮用中毒事故。另外，在流域梯级水库的整体调度中，水库缺乏统一的调度与管理。一些发电专用的水库为了自己的任务而不能做到统一调度，不仅对流域整体水库效益造成影响，还会对生态产生一系列影响。

2.水库安全调度的对策

2.1实现生态调度

对水库的调度，要坚持科学发展观，要对水资源实现可持续利用，实现人与自然和谐发展。生态环境间接影响人民的正常生活，保护生态环境，就要对水库的调度进行优化调整，要实施生态调度。在防止河流水量正常、满足生物正常繁衍的条件下，综合考虑水库与河流的基本需水量，使水电厂获得最大空间的经济效益，采取合理的调度方案使水电厂对河流生态环境造成的不利影响控制在其可承受的范围内。

2.2增强技能素质，降低水温变化影响

根据水库各自的特点，进行适当的内部水量调节可以有效降低水温变化。针对闸门操作人员，工作的质量直接关乎下游的生态，间接影响人民的正常生活。为此，坚持以人为本的方针，提高水库相应人员的技能素质已迫在眉睫，学习科学发展观，根据下游生态特点，科学的调整水库下泄方式，提高下泄水的温度，以满足下游动物产卵、繁殖的要求。另外，加强监督机制，实施工作责任到人制，保障下游生物的安全与人们的生活。

2.3改进水库的调度模式

为了防止水库内大量泥沙堆积进而产生的一系列问题，水库在调度上要进行相应的改进措施。在根据科学发展与人与自然和谐发展的要求，可以采取以下两点措施：（1）一定时段适当对坝前蓄水位进行下调，有效减轻泥沙对库岔、库湾水位顶托的压力，这将降低水库的压力。这时缓流区水体流速将加快，水体不容易富营养化。（2）在一定时段内加大水库下泄量，加快库区内水体的流动，防止水体富营养化。另外，水库自身的调度功能可以解决这一问题，可以在调度时增加旱期的下泄量，提高下游河道的水体容量的同时，有效控制水库水体富营养化。最后，严格控制水藻与“水华”的爆发。

2.4统筹兼顾，加强管理

对于河道的污染，水库之间应增强调度机制，根据河道具体生态状况的发展，由上游自身而下调度下泄部分水源，以防止污染性事故。根据和谐发展的理念，可以利用下泄水对水性作物进行灌溉。河道的畅通关乎广大人民的切身利益以生态的平衡，因此，政府对同一河道梯度的水库应加强监管，在一条河道上的水库应互相合作，互相协调，保障河道的畅通及水库的整体效益。

3.结语

水库调度制度 篇4

水库防洪调度是利用水库调蓄洪水，削减洪峰，减轻或避免洪水灾害的重要防洪措施。为规范水库调度，保证水库安全运行，最大限度发挥水库的防洪减灾作用，全面提高水库综合运用效益，根据《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国防洪法》、国务院《水库大坝安全管理条例》，结合本地实际，制定本制度。

1、水库调度任务

水库防洪调度的任务是依据规划设计确定和防汛抗旱指挥部门核定的水库安全标准和下游防护对象的防洪标准、防洪调度方式及防洪特征水位，结合气象预报和实时雨水情况，通过闸门调度等方式，控制水库蓄泄，确保水库安全，减轻上下游洪水灾害，发挥水库综合运用效益。

2、水库调度原则

2.1在确保水库安全的前提下，兼顾上下游防洪要求，妥善处理防洪与兴利的矛盾，充分发挥水库调节能力；

2.2水库与下游河道堤防和蓄滞洪区防洪体系联合运用，充分发挥防洪体系作用；

2.3防洪调度以防汛抗旱指挥部批准的汛期控制运用方案为基础，实施动态控制，强化实时调度；

2.4汛期限制水位以上的防洪库容的调度运用，严格按各级防汛抗旱指挥部调度，严禁水库超正常水位或防洪高水位运行；

3、水库调度权限

水库由

防汛抗旱指挥部负责调度。防汛抗旱指挥部直接下达洪水调度命令至水库管理单位，由管理单位按调度命令操作执行，并报告市防汛办

4、水库调度管理

4.1水库管理单位结合具体情况编制水库调度运用规程，报上级主管部门审定，并按照本规程编制汛期水库调度运用方案，于汛前按规定报市防汛抗旱指挥部。

4.2水库汛期必须24小时不间断值班，各水库防汛责任人必须保持手机24小时畅通。

4.3值班人员要及时收集水文气象情报，密切关注雨水情变化，并按规定报告市防汛抗旱指挥部。水库每日（8:00时）定时向市防汛抗旱指挥部办公室报发实时水情，汛情突变及时报告。

4.4值班人员要作好值班记录，严格遵守劳动纪律，服从调度指挥。

5、水库调度纪律

5.1水库必须严格执行省市（区）防汛抗旱指挥部下达的调度指令，不得拖延或提前。

5.2每次洪水过程中，水库开闸调令送达水库的同时，须抄送水库上下游县级防汛抗旱指挥部及水库主管部门。水库上下游及沿线的通知由相关县防汛抗旱指挥部负责送达。

5.3调令执行后及时向相应防汛抗旱指挥部报告执行情况，并告知开闸后的实时汛情。

水库安全调度 篇5

伊梨河流域规划9库31个梯级电站,目前,已有2座水库建成,其中上游恰海水库为大(1)型Ⅰ等水利枢纽工程,水库具有不完全多年调节能力,电站装机4×80 MW,工程主要承担灌溉、发电、防洪任务,入库水系设有自动水情遥测站,出库水流受下游水库回水顶托无法设置出库流量监测站;下游山口水库为大(2)型Ⅱ等工程,水库具备日调节能力,工程主要承担发电、反调节任务,电站装机3×47 M W,下游水库距上游水库15 k m,并有1条支流汇入,山口水库下游1.5 km处有1个拦河引水枢纽,受拦河枢纽回水顶托无法设置下游水库出库流量监测站。梯级水库地理位置示意如图1所示。

水利枢纽所在河流年内径流量丰枯比很大,年径流量的70%都在每年的6~10月产生,汛期需要严格控制水库水位,以保证水库运行安全。恰海与山口2座水电站负荷变化较大,机组出力调节频繁,下游水库库容较小,调节能力差。梯级水库调度需要及时获取各级水库的出、入库流量,以及坝前、后水位信息,要求工作程序严谨,调度指令明确,信息传递快捷,在满足灌溉、防洪任务的前提下获取最大发电效益,水库调度工作难点在于如何在上游水库出库流量变化频繁的情况下确保下游水库和拦河引水枢纽安全运行[1]。

2 可利用信息资源情况

流域水情自动测报系统内共布置10个水情遥测站,28个雨量遥测站,各站观测数据用超短波传至数据中继站,监控中心接收中继站无线传输信号,编解码后送入服务器进行数据处理和存储,系统采用轮巡方式采集各测站数据,更新时间间隔为1~4 h不等,与梯级水库调度有关的观测数据包括干流入库、山口水库支流入库等流量,水库坝前水位等。2座水电站建有计算机监控系统,发电引水压力钢管和水轮机内部布置了多处压力、流量监测传感设备。系统监测数据更新时间间隔为1 min,可存储全年监测数据,系统对电厂发电、水力状况进行实时监测,已用测点1 400多个,与梯级水库调度有关的监测数据包括4台发电机组的发电径流量(测流装置为差压式流量计)、尾水位(测流装置为压力式传感器)、机组出力等。山口水电站监控系统与恰海水电站基本相同,已用测点1 900多个,与梯级水库调度有关的监测数据包括3台发电机组的发电径流量、尾水位、坝前水位、机组出力等。

3 总体设计

3.1 系统主要功能

系统设计以满足水库调度工作任务为目的,主要解决:1)实时监视水库水情及运行情况,运行管理人员通过Web页面在水库调度信息系统中快捷、方便获取实时信息;2)按调度要求快速生成调度指令,并按预定流程进行审批;3)具备水库调度历史数据查询、统计功能,能够快速计算指定时段出入库水量、发电耗水量、弃水量、洪水频率、电站发电量等。

3.2 数据来源

恰海、山口支流入库流量及水库坝前水位由水情自动测报系统提供,水电站发电用水流量由电厂计算机监控系统提供,水工泄水闸门开度数据由水调管理人员通过Web页面在水库调度信息系统中手工录入。

3.3 出库流量计算方法

水库总出库流量=发电流量+闸门总泄水流量。其中,恰海水库闸门总泄水流量=中孔泄洪洞流量+深孔泄洪洞流量+表孔溢洪洞流量;山口水库闸门总泄水流量=底孔泄洪洞+1#表孔溢洪孔流量+2#表孔溢洪孔流量+3#表孔溢洪孔流量+4#表孔溢洪孔流量,由闸门水力学计算公式确定各闸门泄水流量,主要计算参数为闸门开度和坝前水位。

3.4 系统组成

由于电厂监控内网不能直接与外部网络联接,梯级水库调度信息系统无法直接访问水电站计算机监控系统,因此系统需要分2个层次来处理数据,实现相应功能。利用水情自动测报和恰海、山口水电站计算机监控系统的历史库数据,设计电厂本地数据提取、处理及存储系统(简称PSM系统),并在电厂内安装运行PSM系统的专用服务器。梯级水库调度信息系统在管理内网中的Web服务器中运行,建立Web与PSM服务器的安全信任关系,用户只能访问水库调度信息系统服务器,所需数据由相应的Web服务从PSM服务器数据库中提取。

1)实时监测数据处理:为满足系统运行高度可靠的要求,避免因外部网络故障造成数据提取、存储过程失败,在电厂内部布置独立的PSM实时数据处理服务器,在实时数据处理服务器中安装My SQL数据库,用于存储提取到的电厂监测和水情测报实时数据。服务器需要双网卡,a)连接电厂监控内网,用于从电厂计算机监控系统中提取监测数据;b)连接防火墙设备,通过防火墙接入管理内网,使水库调度信息系统可以提取到流量、水位等监测数据。

2)水库调度信息处理:系统集成在全局综合管理信息平台中,按B/S模式设计,完成调度指令处理、数据统计分析及指令查询、单据打印等功能,梯级水库调度信息系统结构如图2所示。

4 数据结构设计

4.1 电厂监测实时处理数据

水库调度所需发电引水流量等监测数据存储在电厂计算机监控系统历史数据库中,监测数据刷新频率为60 s。恰海水电站需要提取的监测数据有:全厂总有功、总无功、机组负荷、流量、导叶开度、蜗壳压力、各出线负荷、尾水位等共计41个监测点数据;山口水电站需要提取的监测数据有:全厂总有功、总无功、机组负荷、流量、有效水头、导叶开度、各出线负荷、泄水闸门开度、坝前水位、尾水位等共计43个监测点数据。

电厂计算机监控系统在不同的电厂对各测点的定义不同,在程序中直接定义不同的数据查询语句,用来处理不同电厂的监测数据不能满足PSM数据处理系统的通用性要求,同时也使程序设计复杂程度增加。因此,需要在程序中设计查询语句自动构成处理过程,查询语句构成信息由PSM系统数据库中定义的监测数据组成关系表提供,创建数据组成关系表(table_parameter)如表1所示。

PSM系统按指定的时间间隔从电厂计算机监控系统历史数据库中提取数据进行处理后,需存储到PSM服务器中的数据库中,创建电厂监测数据同步表(psm_sync_data)如表2所示。

PSM系统在定时提取处理电厂监测数据时需同步计算各闸门泄水和水库总出库流量。泄水闸门状态数据来自于水库调度指令单,在1个调度指令单中对多个闸门进行操作时,需要将1个调度指令按照闸门数量拆分成多个闸门状态记录,创建泄水闸门状态表(zmdd_instruction)如表3所示。

4.2 水情记录数据

为从水情自动测报系统中提取水库调度所需的关键测点数据,需要在PSM系统中建立时间间隔为1 h的扫描窗口,将采集频率不同的测点数据用取平均值的方式统一为间隔为1 h的观测数据。水情自动测报系统需要根据实际对测点进行增减,为保证PSM系统通用性,在测点发生变化时,不需要更改程序、数据表结构,采用数据描述的方式构造水情数据同步表(sw_timeflux_data_synchro),同步表如表4所示。

4.3 水库调度指令单数据

在综合管理信息系统数据库中建立:1)调度单记录表(QHDD_DEAL)如表5所示,用于记录水库调度审批各工作环节及操作时间;2)水库调度指令记录表(QHDD_ITEM)如表6所示,用于记录每次调度指令中的泄水闸门工作状态、闸门操作时间、指令下达时的水情监测数据等信息,不同水库的泄水建筑物特征、数量不同,因此需要对每个水库分别定义该数据表。

5 技术实现

梯级水库调度信息系统使用A S P.N E T技术开发,应用程序需要访问SQLServer、Oracle及My SQL数据库,连接My SQL数据库需要使用My SQL Connector Net数据库连接程序,连接其余2种数据库使用.NET开发平台提供的数据访问接口程序[2]。

5.1 监测数据实时处理(PSM)程序

PSM程序设计成多线程应用程序,程序启动后按指定的时间间隔循环扫描电厂监控和水情测报系统数据库中的指定数据表,每次循环都把新的监测记录按照数据实测或平均值计算的要求进行提取和相应计算,同时检查对应数据提取时间的闸门开度数据,用给定闸门泄流公式计算各泄水闸门的泄流量,程序按任意指定时间范围自动处理历史数据,监测数据实时处理程序结构如图3所示。

把数据提取控制和操作部分封装成2个不同的类,在控制部分类中建立电厂计算机监控、水情自动测报等系统数据提取,历史数据处理3个线程,在数据提取线程启动调用方法内部采用while(true)无限循环结构,按指定数据提取时间间隔作为线程挂起时间参数,实现定时自动提取数据功能,在循环体内实例化操作部分对象,执行具体数据提取动作。在类中声明委托,并在实例化对象的过程中完成委托定义,程序在处理数据过程就可以按设计要求响应各种事件[2]。

数据提取处理过程:访问数据组成关系表(table_parameter),创建关系表数据集,建立for()循环体,循环次数为关系表记录总数,按照表中确定的源数据和转存数据的对应关系,自动构造数据提取和转存SQL语句。在不同水电站中布署PSM系统,或向系统中增加、减少测点,只需修改数据组成关系表和监测数据同步表即可对变更后的数据结构进行处理,无需修改程序。

5.2 梯级水库调度Web应用系统

梯级水库调度信息系统的用户通过Web页面完成调度指令生成、审批、执行、查询、统计及报表打印等各项操作。系统由恰海、山口水库调度指令处理,调度单查询,恰海、山口水库运行实时情况等模块组成。梯级水库调度应用系统集成在已建成的综合信息管理系统中,共享人员、单位、权限、数据描述等公共数据资源,综合信息管理系统使用Oracle数据库,集成在其中的信息应用项目使用Web服务方式访问数据库,无需构造相关ADO.NET应用对象,只需设计好数据查询语句,调用相关数据库Web服务指令即可。调度指令单处理模块程序结构如图4所示。

调度指令从发出到执行要经过调令制定、审核、审批、调令执行、回执处理、归档6个工作环节,为方便操作使用,在同一页面中填加3个Panel控件,将调度单填写所需的所有元素,包括闸门开度、完成时间、拟达流量、当前水情、计算参数等元素全部纳入第1个Panel控件,生成的调度指令单纳入第2个Panel控件,调度指令执行所需元素,包括闸门实际操作开度、操作起至时间等元素纳入第3个Panel控件。各工作环节用Radio Button控件表示,改变工作环节时页面回传(Auto Post Back)给Web服务器,服务器根据环节选项显示或屏蔽相应Panel控件,实现在1个页面中进行不同操作的功能。

水库运行实时情况按用户指定的查询时间范围内提取监测数据实时处理服务器数据库相关数据,页面使用Grid View控件显示在监测数据实时处理程序中指定的时间长度提取到的相关水情、闸门泄流量及电厂运行工况实时监测数据。使用.NET Ms Chart图表控件显示各发电机组负荷流量过程线。

调度单生成及打印使用.NET Report Viewer报表系统实现,在梯级水库调度Web应用系统中使用本地处理模式将业务对象数据源与Report Viewer Web服务器控件一起使用,生成任意需求和格式的报表,可以直接打印或生成PDF,Word,Excel格式的文件。

6 系统安全保障措施

梯级水库调度信息系统与综合信息管理系统集成,在信息专网中运行,程序需要访问水电站监控和水情自动测报系统的数据库,因此需要采取必要的技术措施增强系统信息安全防护能力。

6.1 监测数据安全

信息专网安全级别低于电厂监控内网,确保PSM服务器的信息安全可以保证电厂监控内网的安全。在PSM服务器中禁用所有非必须的服务项目,应用强口令登录,开启操作系统防火墙,对硬件防火墙侧仅开放数据库访问端口,监测数据实时处理程序只具有对电厂监控和水情测报服务器数据库的数据查询操作,禁止插入、更新、删除数据操作。监测数据实时处理服务器与信息专网之间架设硬件防火墙,应用设置访问控制列表、NAT地址转换等安全策略,只允许水库调度Web服务器通过防火墙访问监测数据实时处理服务器。

6.2 水库调度系统安全

利用综合管理信息系统用户权限管理功能,调度工作人员只有访问水库调度Web页面权限,程序只能通过在综合管理信息系统数据库服务器中运行的Web服务访问数据库,在IIS安全策略中只允许Web服务器访问数据库服务器的Web服务,应用系统的数据库及PSM服务器对于用户来说都是不可见的,用户只能通过访问水库调度Web应用系统获取相关数据,执行相关操作。

7 结语

梯级水库调度信息系统有效利用了水电站计算机监控系统的监测数据[1],成功解决了水库出库流量实时监测难题,减少了水文观测站点建设及运行费用,该系统投入使用后成功处理了百余次水库调度指令,实现了对水库工程进行远程调度管理和不间断实时监测的目标。同时,该系统具有较好的通用性,可以方便地增加或减少水库工程管理单元。

摘要：随着伊梨河流域开发建设的推进,充分利用已建的监控、遥测系统信息资源,结合梯级水库调度管理的特点设计梯级水库调度管理信息系统,使各项信息应用系统产生更广泛的应用价值。结合工程实例介绍1种综合利用水情自动测报和水电站计算机监控系统实现梯级水库调度信息化的方法。

关键词：水库调度,数据结构,程序设计,信息安全

参考文献

[1]左天才.乌江流域梯级水电站水库调度和发电运行集中管控模式的实现[C]//陈洋波.第3届全国水电站水库运行调度研讨会论文集.北京:中国水利水电出版社,2005:257-264.

余姚市双溪口水库生态调度研究 篇6

水库是指在山沟或河流的狭口处建造拦河坝形成的人工湖泊。水库建成后, 可起供水、防洪、发电、旅游、灌溉、渔业等作用, 能带来巨大的社会效益和经济效益。但同时, 水库的建设, 人为的引起河道局部断流, 破坏了河流的连续性, 改变了河流天然径流的时空分配, 引发了河道水文特征的变化, 从而导致下游河道缺水干涸、河床淤积、生态环境恶化等一系列生态问题[1]。因此, 如何既能充分发挥水库的积极作用, 又能维护下游河道生态系统的动态平衡, 受到国内外有关部门和专家学者的关注, 并将其作为目前河道生态研究的重要领域之一。1971年schlueter首先提出水利工程在满足人类对河流利用要求的同时要维护或创造河溪的生态多样性[2]。1982年Junk第一次提出了生态洪水脉冲的概念[3]。DA Hughe 建立了满足生态需水的水库调度模型等[4]。20世纪30年代, 美国陆军工程兵团在哥伦比亚河及斯内克河下游修建了8座梯级水电站, 通过各种工程措施维持鱼类洄游通道[5]。1991-1996年, 田纳西河流域管理局 (TVA) 在其管理的20个水库中, 通过适当的日调节、涡轮机脉动运行、设置小型机组、再调节堰等提高下游河道最小流量;通过机械和建筑等设施提高水库下泄水流的溶解氧浓度, 改善下游水域生态环境[6]。2005年, 墨尔本大学对河道最小生态流量及河流脉冲事件的优化调度进行了研究[7]。国内不少专家学者也从不同角度, 对水库生态调度进行研究[8,9,10,11,12,13,14], 但目前尚未形成完整的理论和成熟的模式。本文在前人研究的基础上, 对新建的余姚市双溪口水库生态调度有关问题进行探讨, 为该水库实施生态调度开展前期研究工作。

1双溪口水库概况

双溪口水库位于浙江省余姚市大隐镇章山村, 距大隐集镇3 km, 余姚城区26 km, 宁波市区20 km。是甬江水系姚江支流大隐溪上的一座以供水、防洪为主, 兼顾灌溉等综合利用的中型水库工程, 控制流域面积40.01 km2, 工程等级为Ⅲ级。

工程所在河流大隐溪, 是甬江水系姚江的一条支流, 上游分芝林和乌岩二条支流, 发源于四明山脉鄞州区横街镇大庵山冈。流经陆埠镇大坪地往东北流至芝林附近, 汇合徐鲍陈、周方地来水, 过单溪口水库于上磨附近会鄞州区横街镇乌岩来水。大隐溪在工程区内以“V”形河谷为主, 坝址以上河谷深切狭窄, 两岸山坡陡峭。大隐溪流经坝址后地形豁然开阔。流域内主流长13.16 km, 主河道平均比降0.021 1。坝址～学士桥区间集水面积18.25 km2, 区间流域平均高程121.0 m, 区间河道主河长约2 798 m, 河道平均比降0.005 3。流域内多年平均降雨量1 783.4 mm, 降水量年际变化显著, 最大年降水量2 413 mm, 最小年降水量1 015 mm, 丰枯年降水量比为2.4。流域年降水量年内分配也不均匀, 按其降水特性分为非汛期、梅汛期和台汛期。多年平均径流总量4 140万m3, 多年平均输沙量0.684万t。大坝为钢筋混凝土面板堆石坝, 最大坝高70 m, 水库最高蓄水位69.21 m, 相应库容3 398万m3;正常蓄水位65.3 m, 相应库容2 873万m3。水库按100年一遇洪水标准设计, 2 000年一遇洪水标准校核。

该水库主要向余姚城东水厂供水, 供水管道工程正在建设之中, 自2009年8月开工建设, 预计到2011年5月份完工并供水, 工程完工后双溪口水库计划供水9万t/d。

2双溪口水库生态调度总体目标和主要任务

2.1水库生态调度总体目标

对水库进行科学调度, 是确保水库在充分发挥其功能的同时, 又不会造成负面影响。目前, 按照水库调度发展过程, 可以将水库调度划分为单库调度、梯级和联合调度、流域统一调度和生态调度。对于生态调度, 是随着因水库的修建及不合理的调度方式而导致下游生态环境的破坏, 以及对河道生态需水的研究逐渐成熟而提出来的。它是一个新的专业术语, 目前没有一个统一的定义。Griphin 在文献中提到生态调度是水库既要满足人类对水资源需求又要尽量满足生态系统的需水要求[15]。汪恕诚认为生态调度是水库在发挥各种经济效益、社会效益的同时发挥最优的生态效益, 它是针对宏观的水资源配置和调度中的生态问题而言的[16]。董哲仁、孙东亚更是提出了“水库多目标生态调度”即水库在实现防洪、发电、供水、灌溉、航运等社会经济多种目标的前提下, 兼顾河流生态系统需求的调度方式[17]。综合上述观点, 基于双溪口水库具体情况, 我们认为双溪口水库生态调度总体目标为:运用水库具有的调蓄功能, 根据水库上游来水及库区蓄水实况, 并结合有关水文预报, 有计划、有目的地对入库径流进行蓄泄。通过科学合理的调度, 使其既能满足供水、防洪、灌溉等需要, 同时又能满足下游大隐溪生态系统动态平衡的需求, 从而减轻水库对河道生态系统的负面影响, 特别是避免对珍稀物种和起控制作用的物种的胁迫。

2.2水库生态调度主要任务

双溪口水库建成后, 具有显著的社会效益和经济效益。但同时, 如果不进行科学合理的调度, 将会给下游大隐溪生态系统健康带来一定影响。由于水库对入库径流的调节作用, 改变了水库下游径流的时空分布, 从而改变了河流的水文条件和变化过程, 打破了河流自然的平衡。一旦水文情势的变化超过一定的界限, 进而严重影响水质和水温时, 将会影响生态过程。一般而言, 大量的水生生物对其固有的环境具有明显的依赖性。河流水文情势发生巨大变化, 导致生物的生境发生变化, 生物进行繁殖、育肥、生长的规律受到破坏, 物种将面临新的自然选择, 甚至面临衰退、濒危和绝迹的威胁, 从而影响到生物的多样性。总而言之, 如果下泄水量过多, 不仅对下游人们生命财产安全造成威胁, 同时也对下游河道生态系统健康造成威胁, 使生物因水量过多而窒息死亡;如果下泄水量过少, 满足不了下游河道生态系统最小需水量, 将会使水生生物多样性下降, 河道生态系统受损。因此, 双溪口水库生态调度, 就是给下游一个合适的水量, 尤其是要满足下游河道生态最小用水量。基于此, 双溪口水库生态调度主要任务有三:

其一, 确保下游河道生态需水量。河道生态需水量是达到河道生态水平或维持河道生态系统平衡所需要的水量, 或是发挥期望的生态功能所需要的水量。在水量配置时, 一旦水量小于生态需水量, 将会打破河道生态系统的动态平衡, 影响生物的多样性。因此, 实施水库生态调度, 既能满足人类的需求, 同时, 河道生态系统对水资源的需求也得到了一定的保证。

其二, 改善下游河道水体水质。由于双溪口水库的供水作用, 减少了水库下游河道径流量。河道径流量的减少, 水体纳污能力和自净能力下降。有关研究表明, 河流客观具有接纳污染物的功能, 水体能够通过物理、化学与生物等方面的作用, 使污染物浓度逐渐降低为保护和改善水体水质, 对接纳污染物的水体, 维持一定水量以满足水体对污染物质净化能力的需要, 这部分水量是河流系统生态环境需水的重要组成部分。河流自净需水量的实质应该是对水环境系统进行设计, 平衡协调人类对河流水质保护要求、接纳污染物与河道内留存的水量及过程关系, 以保障河流良好水质促进经济社会的可持续发展。因此, 河流自净需水量就是指在一定的时空范围内, 为维持河流水环境系统的良好状态, 河流必须蓄存的满足良好水质的最小水量及水量过程。如果水库放水满足不了河道最小的生态需水, 将会使得河道水体水质明显下降。实施双溪口水库生态调度, 将在一定程度上改善下游河道水体水质。

其三, 缓解低温水下泄。水库建成后, 库区原有的急流生境萎缩或消失, 水库水温垂直分布呈分层型。水库在升温期下泄较天然情况的水温低。据测算, 双溪口水库建成后, 4-10月期间, 下泄水温要低于当地气温3.0～11.2 ℃。水温的改变, 对水生生物的繁衍特别是鱼类的生长、发育、繁殖、索饵、越冬等均会产生不同程度的影响。

3双溪口水库生态调度的几个关键技术问题

对双溪口水库进行生态调度, 根据实际, 需要解决几个关键技术问题。

3.1水库生态调度模型选择

目前, 关于水库优化调度模型的研究多有报道[18,19,20]。水库生态调度需统筹考虑防洪、兴利与生态环境因素。生态调度应遵循四个基本原则:①以满足人类基本需求为前提, 即首先应考虑生活、生产用水需求及防洪需求。②以河流生态需水为基础, 水库下游合理的生态用水比例应处在生态需水比例的阈值区间内。③遵循“三生”用水共享的原则, 合理地确定各用水比例。④以实现河流健康为最终目标, 实现人与河流和谐发展。其调度方法, 综合国内外研究现状, 主要包括:河流生态需水量调度、模拟生态洪水调度、防止水污染调度、控制泥沙调度、生态因子调度、水系连通性调度等。由于双溪口水库对下游大隐溪影响主要为生物、水质和水温。因此, 建立的调度模型应综合考虑这3个方面的影响因子。基于此, 本文针对河流最小生态需水量和防止水污染调度建立水库生态调度模型。其目标函数为:

式中:W为水库综合利用效益;X为决策向量;E1 (X) 、E2 (X) 、E3 (X) 指水库调度所获得的经济效益、社会效益、生态环境效益。

3.2水库生态调度参数的定量确定

不同的水文情势, 水库及其下游的生态用水需求与水库防洪和兴利目标之间存在用水矛盾, 由此导致的不同生态环境问题, 需要划分不同的调度时期, 制定合理的生态调度参数, 达到生态用水和社会经济用水的综合效益最大化。根据双溪口水库实际, 生态调度主要参数包括水库正常蓄水位及相应库容、设计洪水位及相应库容、校核洪水位及相应库容、汛期限制水位及相应库容、死水位及相应库容、防洪高水位、防洪库容、下游防洪标准和安全泄量、汛期预留防洪库容的分期起讫时间、下游河道生态需水量相应的流量等。这些参数率定时, 在考虑满足生产、生活及防洪需求的同时, 还要考虑生态调度3个主要任务所关联的条件。

3.3河道生态需水量的计算

双溪口水库生态调度, 科学合理计算下游大隐溪生态需水量是关键。以前没有考虑河流生态情况下, 水库一般考虑防洪、供水、灌溉等优化调度目标。如果要考虑河流生态的要求, 还要使河流径流过程落在适宜生态径流过程区间上, 不允许各个时段的下泄径流量小于适宜的生态径流量。目前, 国内外河道生态需水量的计算方法大致可以分为4类:传统的流量计算方法、基于水力学基础的水力定额法、基于生物学基础的栖息地法、整体分析法。大隐溪在双溪口水库建设前, 一般水流流速小、流量季节变化不大, 常年水深稳定, 水生生物易适应原有的生活条件。这些特点, 比较符合以年平均流量百分数作为河道生态需水推荐流量。基于此, 采用传统的流量计算方法中的Tennant法 (蒙大拿法) 分析水库下游大隐溪生态需水量不仅符合理论, 同时, 更符合实际的需要。由于大隐溪没有水文站点, 故无径流资料。通过研究分析, 大隐溪所在流域与相邻陆埠溪所在流域同属一个气候和水文分区, 下垫面条件一致, 流域内无蓄引水工程, 径流未受人类活动的影响, 接近天然。因为, 可选择陆埠溪的黄土岭水文站作为参证站, 以大隐溪流域与陆埠溪流域的面雨量和集水面积两个参数进行参数修正, 求取大隐溪径流系列, 作为其生态需水量计算所需要的水文资料。

3.4生态调水价值定量评价方法

水库生态调度是协调水库下游社会经济用水和河道生态用水之间的竞争, 寻求社会经济用水和生态用水的综合效益最大化。因此, 需要根据双溪口水库实际情况, 建立一套适宜的生态价值评估体系, 定量评价生态调水的价值。本文基于水资源与社会经济、生态环境之间的相互关系[21], 推荐使用指标体系法进行评价, 即建立河道生态环境、社会经济用水等两大指标, 利用数学建模理论, 建立定量评价模型:

式中:E为社会经济用水与河道生态环境用水和谐度, 其值在0～1之间, 最大的是“1”, “和谐度”越大, 表示越和谐;n为指标数;Mi为第i个指标的得分;λ为权重, 表示各指标在整个指标体系中的相对重要性程度。

最终评价结果分为4等, 分别为较协调 (E≥0.85) 、一般 (0.60≤E<0.85) 、不协调 (0.40≤E<0.60) 和极不协调 (E<0.40) 。

4结语

(1) 目前, 国内外对于水库生态调度方面的研究仍处于起步阶段, 还没有形成一套完整的理论体系。但水库工程对水库下游河道生态系统的影响已成为不容回避的现实问题。为了尽量减少水库对下游的影响, 进行水库生态调度是最佳的路径选择。

(2) 本文针对新建的双溪口水库实际, 在明确水库生态调度总体目标和主要任务的基础上, 对该水库进行生态调度需要解决的几个关键技术问题进行了探讨, 为实施生态调度开展前提基础研究。

(3) 本文在研究过程中, 由于时间有限, 一些观点只是初步的, 需要在今后做进一步研究。尤其在水库正式蓄水、开始发挥正常功能, 具有一定的基础数据后, 将根据本文研究的成果, 进行实例探讨。

摘要：水库生态调度研究是当前国内外河流生态恢复研究中的热点问题。针对余姚市双溪口水库实际情况, 明确了水库生态调度总体目标和主要任务。在此基础上, 对水库生态调度中的水库生态调度模型选择、水库生态调度参数的定量确定、河道生态需水量的计算以及生态调水价值定量评价方法等几个关键技术问题进行了探讨, 以期为双溪口水库实施生态调度提供技术参考。

水库安全调度 篇7

模型构建和算法求解是关于水库(群)优化调度问题研究的两个主要方向[1]。水库群规模至今已逐渐发展成串联、并联以及由串并联组成的混联模式,构建的优化模型更加复杂与精细,相应优化算法随之更加计算繁重。随着并行技术的兴起与发展,学者们提出了针对多种优化方法的并行化策略,可进一步提高水库(群)优化调度计算效率,实现求得满意最优解和计算耗时较少的双重目标。

本文以单一水库、并联水库群、串联水库群以及混联水库群优化调度为背景,较全面综述了诸多学者在主要传统求解方法和智能优化方法计算中应用的并行策略及其原理。并行技术有效缩短了复杂的优化计算耗时,然而目前并行策略大都还是基于或改进于传统求解方法的并行动态规划和智能优化算法中分解后子群并行性特点。串联水库群发电优化调度算法一直是学者们致力研究的重点和难点,一般很难同时兼顾优化解的精度和计算耗时。郑慧涛[2]的博士论文中,基于水库群短期发电优化调度模型计算特点,拓展粗粒度并行思维,将混联水库群分解成独立计算的单库,使具有并联、串联关系的各个子水库优化计算实现并行,在水库群发电优化调度并行策略研究中有了质的飞越。然而在串联水库群中长期发电优化调度中,郑慧涛博士研究有关出入流关系水库的并行策略依据准则并不适用。因此是否可以像并联水库群一样,在中长期优化调度中将上下库具有出入流关系的串联水库群分解为独立计算的单库子系统,分配于不同的对应的计算单元,实现粗粒度并行计算模式,将是本文致力于研究串联水库群创新性并行策略的切入点,文中将此计算模式称为异步并行计算。

之后以我国西南地区李仙江流域上崖羊山、石门坎水库组成的串联水库群为例,在其中长期发电优化调度中,对分解协调异步并行计算展开了相关论证。本文针对水库(群)展开并行策略的研究,为复杂水库群系统在发电、防洪、灌溉等水资源优化调度领域提供了新的研究与应用方向,为人力、物力、财力等资源优化配置提供了一定的理论依据。

1 水库(群)发电优化调度计算的并行策略研究进展

1.1 并行策略的主要研究方向

在单库和水库群发电优化调度中,传统优化方法主要为动态规划、线性规划、非线性规划、逐次逼近法、逐步优化法等;智能优化方法主要是以遗传算法、蚁群算法、粒子群算法、模拟退火算法、人工鱼群算法、混沌算法以及人工鱼群算法等为典型代表。

万新宇[3]针对水库发电优化调度,分析了传统串行动态规划算法的计算特点,由此建立了主从模式的并行动态规划模型。李想[4]以经典四水库问题为例构建多维动态规划模型,也是基于主从模式的并行动态规划算法,并成功在高性能并行计算机上进行求解。二位学者的并行策略基本一致,都是基于状态点相互独立的并行动态规划思想,不同之处是前者应用于单库,后者以简单的混联水库群作为研究对象。

李想[5]针对水库优化调度采用的是并行遗传算法中的粗粒度模型,基本思想是将某种群分割成若干个子种群,各子种群在对应不同编号的处理单元上相互独立地并发执行进化操作,实现计算时间的重叠,经过数次迭代进化,各子种群间会交换部分个体,从而丰富各子种群的多样性,防止早熟发生,不断积累优秀基因。陈立华[6]对水库群优化调度中的粗粒度并行粒子群算法展开研究,其基本思想是参照处理单元的数目把对象粒子群分成数个子群体,并对应分配至每个处理单元,使各处理单元上的子群体能够独立搜索最优解,实现计算时间的重叠。可见两种智能优化算法并行思想的基本点都是将待计算群体分成不相关联的子群,再分配到不同的计算单元作为子任务处理,实现并行计算。

总之,目前有关发电优化调度的并行策略可归纳为两大类:在传统优化算法的并行策略中,最常用的是基于状态点相互独立和阶段重构的并行动态规划;而在各种智能优化算法中的并行策略,基本都是将待计算群体分解成不相关联的子群,分配到不同的计算单元处理,实现并行计算。

以上两类主要并行策略可适用于单一水库以及串联水库群的优化计算。

对于并联水库群优化计算,可以遵循两种并行思路:第一,对于其中的组成单库可以应用以上两类以分解算法计算过程为子任务的并行策略;第二,将各单库独立计算体作为不同子任务分配到各自对应的处理单元并行处理,即实现粗粒度并行计算,可将对应不同组成单库的数台计算机互联,作为该并联水库群发电优化调度的仿真系统。

若将数台互联的独立计算机对应串联水库群中前后毗邻的各单库,仿真该串联水库群系统,由此可产生是否能实现此串联水库群中各单库独立计算粗粒度并行化的思考。

针对混联水库群,初步思想是将其分解成并联和串联子水库群,再用相应的并行策略解决其优化计算问题。

1.2 串联水库群优化计算新型并行策略研究切入点

毛睿[7]根据上下库无出入流关系特征把混联水库群分解出可并联的数个串联子水库群,将各自优化计算作为子任务进行了并行处理。

目前有关串联水库群的并行策略大都是围绕着并行动态规划和智能算法中并行子群的计算模式,只是在此基础上改进或进行几种算法结合,较长时间没有在串联水库群优化调度中实现并行计算的实质性算法创新。直至郑慧涛在博士论文中对串联水库群短期发电优化调度设计出了独特的并行计算方法。郑慧涛博士在大规模混联水库群短期联合优化调度模型中并行策略的关键点是根据并联、串联水库群特点,遵循单库间分布特性、单库间水流传播特性以及水库调节性能三原则,对水库群有效分解成不相关联独立计算的单库子系统,实现优化计算粗粒度并行化。

三原则的详细内容陈述如下:

(1)依据单库地理位置分解,例如在不同流域上的单库之间属于并联关系,水流上不存在直接联系,其特性可体现并行性,因此可以在模拟计算时将隶属不同流域、河流的单库进行简化分解。

(2)依据水流传播特性分解,因在水库群短期优化调度问题中,水流传播时间具有时滞性的特点。若上库泄流传播到下库时间超过了调度期长度,可将预报入流作为下库的流量输入条件。由此,单库之间可进行简化分解。此分解方式适用于串联水库群短期优化调度,但由水流特性可知其明显不适用于串联水库群的中长期优化调度。

(3)依据电站调节性能分解,即上库具有日调节的特点或是径流式,而下库具有季以上中长期调节能力,则上库时段泄流量相对于下库的调节库容来说比较小,对于下库水位的变化影响也较小,可近似认为下库水位不会随上库的泄流变化而变化,因此下库可采用预报入流作为入库流量条件。当单库之间调节性能满足上述条件时,可将此水库群进行简化分解。根据其特点,此分解方法依旧不适合串联水库群中长期优化调度模型。

总结郑慧涛的博士论文可知,将分解后各单库计算作为独立子任务依次分配给不同计算机处理单元,各自可通过优化算法得到求解,可由并行计算提高求解速度。基于划分与分治思想对水库群进行并行计算,经模拟计算结果表明该方法可以提供在较短时间内大规模水库群计算出的短期调度方案,满足了短期调度的时效性要求。得到各子任务结果后,再归约合并得到整体水库群优化调度的最优解。

求串联水库群中长期发电优化调度可借鉴郑慧涛博士分解水库群实现粗粒度并行计算的基本思想,然而水库群分解三原则只适合并联水库群或是短期优化调度的串联水库群。如何分解中长期发电优化调度的串联水库群是本文新型并行策略———异步并行计算的切入点,为研究混联水库群中长期发电优化调度粗粒度并行计算做出了铺垫。

串联水库群可以被看成一个完整的大系统。李爱玲[8]提出了如何将大系统分解协调方法应用于串联水库群中长期发电优化调度模型最优解计算,水库群中各单库之间的关联统一由协调层处理,分解后的各单库优化计算可以不相关联独立进行。吴昊[9]、纪昌明等在此模型基础上,应用多线程技术实现分解后单库子系统的并行动态规划计算,但未实现各单库的粗粒度并行计算。

在毛睿的文献[7]中提到,对于并联水库群,不管是短期还是中长期优化调度,某个单库的入流情况不会受到其他单库出流的影响,因而各单库调度计算可以实现并行;而在串联水库群中长期发电优化调度中,上库调度方案的变化直接影响下库的入流,即下库的入流只有等到上库对应时段的泄流计算得出后方可计算,即串行计算。目前还没有在串联水库群中长期发电优化调度中,实现以各单库作为独立计算体的粗粒度并行计算,即实现各单库计算时间的重叠。

参照动态规划将调度期分成数个时间段,入流随之分成数段,按时间的先后顺序入流有先有后,由此考虑到后库在较早时间段是否可先计算先获得的入流值,使分解后各单库实现计算时间重叠,这是本文研究串联水库群中长期发电优化调度新型并行策略的关键点,为今后混联水库群中长期发电优化调度实现粗粒度并行计算模式奠定了研究基础。

2 串联水库群优化计算的新型并行策略

2.1 串联水库群中长期发电优化调度的大系统分解协调模型

假设某串联水库群由R个以季调节的水库组成,以整个调度期限内的发电量最大作为该水库群中长期发电优化调度准则,可建立基本模型为:

其中约束条件表达式如下:

式中:Qit为第i单库第t时段的来水量,m3/s;IBit为第i和第(i+1)单库在第t时段区间来水量,m3/s;ηi为第i单库的出力系数;Δt为时段计算时间,s;T为时段数;R为串联库群系统中单库个数;hit为第i单库第t时段的水头;Nit min、Nit、Nit max为第i单库第t时段的最小容许出力、决策出力、最大容许出力,k W;qit min、qit、qit max为第i单库第t时段的最小容许放水量、决策放水量、最大容许放水量,m3/s;Vit min、Vit、Vit max为第i单库第t时段的最小容许蓄水量、决策蓄水量、最大容许蓄水量,m3。

串联水库群发电优化调度联合最优解并不是简单的各单库最优解相加,不能简单地将各单库计算分割,毗邻单库间不仅具有上下库的出入流关系,同时毗邻单库间的水力关系共同以合力的形式决定了整个水库群的最优解大小,是潜在的一种关联;郑慧涛博士论文中对串联水库群的分解方法也不适合中长期发电优化调度。

大系统分解协调方法以递阶控制形式将大系统分解成若干相对独立的子系统,作为分解级;并用协调器来处理各子系统间关联作用,作为协调级。通过上下级之间反复交换信息,经数次迭代求得各子系统极值,待收敛时可获得整个大系统的最优解[10]。可应用大系统分解协调方法将串联水库群发电优化调度中的单库分解成计算相互独立的子任务,而之间的关联统一由协调器来负责计算。

根据大系统分解协调方法,令μit、λit分别为式(5)、式(6)的拉格朗日乘子,由式(1)的模型表达式可构造拉格朗日函数为:

由式(7)可把该串联水库群分解成如下R个单库子系统求解模型:

其约束条件表达式与串联水库群中长期优化调度模型的一致。

该分解级单库子系统模型以及之后提及的协调级表达式,其原理可参考李爱玲的文献[8],其中协调级表达式如式(9)、式(10)。

大系统分解协调方法应用在串联库群中长期发电优化调度中,使计算耗时大幅度减少。为进一步减少计算耗时,提高计算性能,可以充分利用计算闲置资源。基于大系统分解协调方法,将分解后的单库子系统优化计算作为子任务分配于对应的计算处理单元,为实现粗粒度并行计算奠定了基础,如图1。

2.2 并行策略分析

并行计算的基本思想是把求解问题尽量分解成相互独立的子任务,并被分配到对应的计算机处理单元,各自独立计算的时间重叠实现了各子任务的并行处理,再将各子任务的处理结果汇总后得到整个问题解[11]。

分解后的各单库优化计算是相互独立的,可以被分配到各自对应的计算机进行仿真最优化计算,之间的关联由协调级处理。然而正如毛睿提及,由式(9)可知,上库对下库的入流关系是不容改变的,下库需等待上库整个调度周期内下泄流量计算得出后方可计算,每个时间点只有一台计算机处理对应的单库优化计算,各单库无计算时间重叠固然没有实现并行计算。

若将调度周期等分数个时段,下泄流量相对于每个时段都会有对应的值。为实现不同单库计算时间重叠,可以想到是否可以将上库各时段的下泄流量按计算先后顺序依次下传给下库对应时段,下库先得到入流数据的时段可先进行计算,依次直至该库群末库计算完毕。若此方法可行,各单库优化计算时间的重叠便可实现,并行计算模式自然而成。

单库优化调度计算应用动态规划算法[12]时,调度期被等分数个时段,并且每个相邻时段按逆时序依次花一定的时间寻优计算,因此上库各时段的下泄流量似乎可以逆时序先后传给下库,下库可以先计算先获得的下泄流量,最终可实现相邻单库的并行计算,直至末库计算完毕。然而在动态规划算法实际计算过程中,各时段决策变量需在逆推计算结束后再进行回代方可统一获得,那么对于下库仍需要等待上库计算得到整个调度期内的下泄流量后方可计算,各单库计算时间重叠实现又出现困难。有关单库动态规划算法原理可参考文献[12]。

设调度周期被均分成T个时段,在单库的动态规划逆推计算过程中,假设第t时段的初、末库容各有状态离散点M个,那么由此会产生M2个决策变量,而在这第t时段可得到M个较优决策变量并组成集合,占所有决策变量总数的1/M,可以看出M值越大,该集合中决策变量整体精度越高。可设定某规则选取该集合中的某个决策变量作为该时段的最优决策变量,并且所有时段决策变量的选取方法都遵循此规则,例如选定中间号为[M/2]的决策变量,其中[]表示取整。各时段决策变量计算时间基本一致,可设定为TN。按此规则在动态规划逆推计算过程中,第i单库各时段的决策变量qit值可以按时间顺序先后依次计算得出,即获得第(t+1)时段放水量qi(t+1)值比相邻的第t时段放水量qit值早TN时间,可将qi(t+1)值先下传于第(i+1)单库计算,不再需要通过回代过程求得各时段最优策略值,以及相应状态值Vit、hit等。毗邻下库的计算时间可不用等待上库TN×T时间,只需等待TN时间方可开始计算,以同等方式,直至末库计算。依此而来各单库最优决策变量计算实现了计算时间重叠,为并行计算模式奠定了坚实的基础,由于毗邻的后库比前库计算开始时间慢一个时段计算时间TN,可命名此新型计算模式为异步并行计算,原理如图2所示,表示为应用大系统分解协调方法下某次迭代过程中串联水库群各单库的并行策略。

3 实例计算与方法验证

3.1 计算模型建立

李仙江是云南省红河的一级支流,本文实例背景是以其具有调节性能的崖羊山、石门坎两座水库作为串联水库群系统,参考数据自1957年开始,调度期为43 a。

在本串联水库群系统中,崖羊山作为上库,来水量Q来自43 a统计的实际数据,石门坎作为下库,来水量Q来自崖羊山的放水量q与他们之间的区间来水量IB之和。每年按月化为12个时段,总共43 a则为43×12个时段。

以研究期内总电能最大作为优化调度准则,该串联水库群系统发电优化调度模型为:。应用大系统分解协调方法可将该串联水库群系统分解成两个单库子系统,作为分解级一为崖羊山水库发电优化调度模型:,二为石门坎水库发电优化调度模型:,其中各模型的约束条件可参考式(2)-式(6)。协调级的表达式为:

3.2 异步并行计算方法设计

本实例计算基于多核计算机,开发环境为visio studio2010,应用C#普通多线程技术控制参与工作的计算机内核数来实现异步并行计算。

将基于标准动态规划方法逆推计算的单库发电优化调度计算模块化,对于崖羊山、石门坎模块主要是输入与输出参数不同,代码构造基本一致,每一时段的最优出力计算时间基本相同,即上述的时间TN,离散点M取值越大计算结果越趋于最优值,但计算成本大幅增加,在本实例中取值为50。在主进程中开启两个子线程,将崖羊山、石门坎两模块分配于两核独立计算,在两模块外的主进程中设置一个43×12的数组,共有43×12个空位分别过渡存储崖羊山各对应时段的出水量qit。对于石门坎的43×12个时段的来水量Q2t时刻监听崖羊山模块中对应时段的q1t。在t时段一旦数组中的q1t由0值转为非空,石门坎由协调级函数Qk2t=qk1t+IB1t即刻取得值Q2t进行计算,实现此t时段与崖羊山(t-1)时段较优出力计算的并行,从而实现异步并行计算。

算出整个系统的解后,将石门坎子系统相关参数传给主进程的协调级函数λ1tk+1=η2hk2t,算出协调因子传于崖羊山用于第二次迭代计算,如此循环直至大系统目标值收敛。两库部分时段计算的程序流程图如图3所示。

3.3 实例计算结果

在本实例中,由于崖羊山、石门坎水库应用的是标准动态规划算法的逆推计算独立获得各时段的较优决策变量,在应用2.2节中异步并行计算方法的基础上,对于两单库的独立计算,可以将各个时段离散变量的所有组合进行并行处理,应用双重并行计算无疑可以更进一步节省本实例的计算时间。然而离散变量的组合并行计算方法在现今水库群调度研究中比较成熟广泛,且本文研究重点是创新型异步并行计算方法的可行性,因此在本实例的程序设计中,没有在各个时段离散变量的所有组合中应用并行计算方法。

在崖羊山、石门坎水库组成的串联水库群系统发电优化调度中,由表2可知,采用单一的标准动态规划算法求得水库群联合最优发电值所用的时间大致是采用大系统分解协调方法后计算时间的9.56倍。而采用大系统分解协调方法后的最优年平均发电量是采用单一标准动态规划算法的97.9%左右,是偏于理想值5%的可承受范围之内,因此,应用大系统分解协调方法高效求解串联水库群系统发电优化调度最优值是非常可取的。以大系统分解协调方法以及单库标准动态规划算法逆推计算为基础,结合异步并行计算求得系统发电最优解的计算时间约为并行处理之前的60%,最优年平均发电量基本与单一大系统分解协调方法一致,是单一标准动态规划算法的97.69%,亦是偏于理想值5%的可承受范围内,因此结果表明分解协调异步并行计算应用于串联水库群系统发电优化调度中,为明显减少耗时是可行的。在以后的研究中可以进一步证明串联水库数目越多,同时均匀分布于每个处理单元且应用分解协调异步并行计算方法进行计算,耗时减少的会越明显。

4 结语

“水库群优化调度”教学大纲 篇8

一、课程编号：01010

41二、课程名称：水库群优化调度(Optimal Operation of Reservoir Systems)

三、学分、学时：1学分； 16学时

四、教学对象：水文与水资源工程专业本科生

五、开课单位：水资源环境学院

六、先修课程：水利计算，运筹学，工程经济学

七、课程性质、作用、教学目标

本课程为水文与水资源工程专业选修课程，主要讲解最优化理论在水库运行管理中的应用。通过学习使学生能从事水电系统运行管理，水库运行管理，水利系统综合规划等方面的工作。

八、教学内容

第一章 概述

第一节 引言

第二节 系统与系统分析

第三节 径流特征及其处理

第二章 单库发电优化调度

第一节引言

第二节动态规划模型

第三节动态解析模型

第四节水电站机组负荷分配

第三章 库群发电优化调度

第一节 数学模型

第二节 增量动态规划轮库迭代优化算法

第三节 动态解析模型

第四章 水库防洪优化调度

第一节 引言

第二节 单库最大削峰准则调度

第三节 单库破坏历时最短调度

第四节 库群防洪优化调度

第五章 水电站水库随机模型

第一节 随机模型的特点与径流描述方法

第二节 有预报的随机模型

第六章 水库供水调度

第一节 确定性模型

第二节 随机线性规划模型

第三节 机遇约束模型

第七章 实例

九、实践性环节的内容、要求

十、多媒体教学手段运用的内容、要求及占用学时（或学时比例）

十一、教材与参考书

教材：陈乐湘主编《库群优化调度》，自编讲义。

参考书：长江流域规划办公室，河海大学，丹江口水利枢纽管理局合编

《综合利用水库调度》水利电力出版社，1990。

十二、考核方式

笔试

十三、教学大纲说明

（一）本课程的性质和任务

本课程为水文水资源工程专业选修课程，主要讲解最优化理论在水库运行管理中的应用。通过学习使学生能从事水电系统运行管理，水库运行管理，水利系统综合规划等方面的工作。

（二）本课程的基本要求

学生学完本课程后应达到以下基本要求；

1.掌握不同时间尺度的径流描述方法；

2.掌握利用动态规划求解单库发电优化调度问题；

3.掌握轮库迭代优化算法在库群优化调度中的应用；

4.掌握防洪库群优化目标确定及优化调度模型的建模与求解；

5.了解水电站水库调度的随机模型；

6.掌握供水水库调度的确定性模型。

（三）本课程与其它课程的联系与分工

本课程与水利计算、工程经济学、运筹学基础，概率论与数量统计等课程有联系，原则上，本课程应在上述课程之后进行。

径流调节的基本原理在水利计算课程中讲授。

工程水文学中的径流系列计算，设计洪水计算，典型年选择等内容不在本课程中讲授，本课程只将以上内容作简要回顾。

运筹学中有关各种最优化方法不在本课程中讲授，本课程侧重于建模、应用。概率论与数理统计中的一般原理方法，本课程不作讲授，本课程侧重统计学原理在处理不确定性问题时的应用。

（四）各部分内容重点、深度和广度

第一章 概述

重点了解水利系统的特点与径流特征及其处理方法。

第二章 单库发电优化调度

重点讲解发电水库动态规划模型与动态解析模型的建模过程；动态规划在水电站机组负荷分配中的应用；详细求解可略讲。

第三章 库群发电优化调度

重点剖析库群与单库的建模异同点；讲解轮库迭代优化算法在库群优化调度中的应用。简单介绍动态解析模型的基本思想。

第四章 水库防洪优化调度

重点讲解库群防洪优化调度目标及目标函数的构造；讲解库群防洪优化调度模型的构造过程。

第五章 水电站水库随机模型

简单介绍随机模型的特点与径流描述方法及有预报的随机模型。

第六章 水库供水调度

重点介绍水库供水调度的确定性模型，简单介绍随机线性规划模型与机遇约束模型

水库安全调度 篇9

关键词：水库,运行管理,优化调度

1 水库运行管理的有效途径

想要从根本上提高水库的运行管理水平, 就必须从技术和管理两方面着手, 具体措施如下所述。

1.1 技术措施

1) 强化观测检查

通常情况下, 水库大坝的破坏都会经历一定的发展过程, 通过观测检查, 可以及时发现坝体的问题, 从而采取有效的养护维修措施加以处理, 防止问题进一步恶化, 确保大坝安全, 延长其使用年限。对大坝的观测检查主要包括以下几个方面的内容:其一, 对大坝表面进行检查, 看是否存在裂缝、塌坑等现象;其二, 对大坝上游的坝坡进行检查, 看是否存在滑坡情况, 同时对下游的坝坡和坡脚处进行检查, 看是否存在渗流、散浸等情况;其三, 对护坡进行检查, 看有无松动、架空、塌陷等现象, 坝面是否存在冲沟;其四, 对大坝两侧的排截水沟等设施进行检查, 看是否存在损坏等情况。检查过程中, 一经发现上述情况, 应当及时采取合理、可行的措施进行处理, 以免问题扩大影响大坝的安全稳定运行。此外, 除了要做好日常巡视检查之外, 还应当在每年汛期来临前和汛期过后对大坝进行一次全面检查, 尤其是在暴雨期要加强检查工作。

2) 养护维修

大部分水库在长时间的运行过程中, 都难免会出现一些问题, 若是养护维修不及时或不到位, 这些问题便会不断扩大, 最终会对水库的安全运行构成威胁。故此, 在水库运行管理过程中, 必须加强养护维修工作。要确保坝顶平整, 并及时对坝面的裂缝、坑洼等问题进行修补;不得在大坝上堆放重量过大的物料, 以免引起沉陷;要对大坝的上下游进行经常性的养护, 冬季时应当采取相应的破冰措施, 以此来防止冰冻对大坝的破坏;要对坡面连接位置处的排水沟进行清理和维修, 确保排水系统通畅;当坝体出现裂缝时, 应当做好记录, 并查明引起裂缝的原因, 采取有针对性的措施加以解决处理;严禁在水工建筑物附近进行爆破, 渠道内不得堆放杂物, 建筑出现局部破损时, 要及时维修。

3) 抢险防汛

在汛期来临前, 应当对水库的建筑物及相关设施进行全面检查和维修, 确保闸门灵活、建筑能够安全渡过汛期。同时, 要做好防汛物资的准备的工作, 保证通讯设备正常, 为抢险防汛奠定基础。

1.2 管理措施

1) 加大资金投入力度

水库的运行安全不但关系到当地居民的生活, 而且还与地方经济发展密切相关, 鉴于水库本身的重要性, 必须做好水库的运行管理, 为此, 要不断加大对水库安全运行管理方面的资金投入, 借此来确保管理工作的正常有序进行。

2) 健全管理制度

应建立完善的水库运行安全管理责任制, 将具体工作落实到管理人员, 发挥出他们的潜能, 提高管理工作效率。同时, 要建立健全有效的监督机制。由于水库运行管理是一项长期任务, 为了确保此项工作的稳定进行, 必须加强监督, 这是非常重要的一点。不但要对水库的运行进行监督, 还要对相关管理人员进行监督, 以此来确保水库管理工作的高效实施。

3) 编制应急预案

现阶段, 人们的危机管理意识日益增强, 对各类风险的预防也越来越重视。对于水库运行管理而言, 应当风险评估的基础上, 编制合理可行的应急预案, 这不但有助于提高水库的运行安全性, 而且还能有效降低旱涝灾害所造成的损失。

2 水库优化调度方法研究

大体上可将水库的优化调度方法分为以下几类:常规方法、系统分析方法、智能优化法等。

2.1 常规方法

1) 时历法

采用该方法进行调度优化时, 假定河流的流量等情况与以往类似, 按照原始的资料进行水库调节计算, 在结合水力要素进行统计分析, 并绘制出历时曲线。应用该方法时, 必须确保资料充足和计算准确, 否则很难真实反映出水库的实际情况, 无法为调度提供可靠依据。

2) 数理统计法

该方法主要是借助数学模型以及一些统计特征, 对河流流量的变化规律进行分析, 然后通过计算获得水利要素的频率曲线。

2.2 系统分析方法

1) 线性规划

由于该优化方法的数学模型的约束条件为线性, 故此称为线性规划, 这种方法现已非常成熟, 并且应用也比较广泛, 在水资源的系统规划、施工以及运行管理中均可以应用。

2) 非线性规划

该方法可以有效解决目标函数与约束条件中所含有的非线性函数最优化问题, 可利用该方法构建水库径流补偿调节优化模型, 其唯一的不足是尚无通用的算法, 求解比较复杂。

3) 动态规划

这是进行决策过程最优化求解的一种数学方法, 其能够将多阶段的过程转化为单阶段的过程, 并逐一求解。该方法是目前水库优化调度中应用最为广泛的方法之一, 可利用该方法构建水库优化调度动态模型。但在应用中发现, 水库数量增多时, 向量维数也会随之增加, 针对这一问题, 一些转接学者在现有的基础上对该方法进行进行改进, 并提出了POA, 即逐步优化法。

2.3 智能优化法

随着计算机技术和智能理论的不断发展和完善, 一些智能优化方法被提出, 如人工神经网络、模拟退火、进化算法、遗传算法等等, 这些方法现已被广泛应用于水库优化调度当中。在上述方法中, 遗传算法的适应性较强, 并且具有算法简单、通用性好等特点, 最为适合水库的优化调度计算。

虽然以上方法都具有一定的优点, 也都可以应用于水库优化调度, 但是各种方法都或多或少地存在一些不足, 所以, 在实际应用中, 可将几种方法结合到一起使用, 这样可以取长补长, 有助于水库优化调度问题的解决。

3 结论

总而言之, 水库运行管理及调度是一项较为复杂且系统的工作, 为了确保水库的运行经济性、安全性、稳定性, 应当从技术和管理两个方面采取措施不断加强水库的运行管理。同时, 要选择合理可行的优化调度, 来解决水库的优化调度问题。只有这样, 才能使水库的作用得以最大程度的发挥。

参考文献

[1]谢新民, 陈守煜, 等.水电站水库群模糊优化调度模型与目标协调模糊规划法[J].水科学进展, 1995 (3) .

[2]曹永强, 王本德.模糊随机可靠性理论及其在供水调度中的应用[J].辽宁工程技术大学学报, 2003 (1) .

[3]都金康, 李罕, 不详.防洪水库群洪水优化调度的线性规划方法[J].南京大学学报:自然科技学版, 1995 (2) .

水库安全调度 篇10

克隆选择算法是模拟自然免疫系统功能的1种新的智能方法,它是在传统进化算法的基础上,引入了亲合度成熟、克隆和记忆机理,并利用相应的算子保证了算法能快速地收敛到全局最优解。与进化计算相比,克隆选择算法在提高收敛了速度的同时,较好地保持了种群的多样性,有效地克服了早熟收敛等进化计算本身难以解决的问题。因此,克隆选择算法也可用于解决水库优化调度问题。人工免疫系统算法在水库优化调度中已有初步的应用[1],并表现出了良好的优化性能。本文在克隆选择算法的基础上,结合抗体克隆选择学说,对克隆选择算法进行了改进,提出了1种新的人工免疫系统算法——免疫克隆选择算法(Immune Clonal Selection Algorithm,ICSA),并将其应用到水库优化调度中,建立了基于免疫克隆选择算法的水库优化调度方法,为水库优化调度问题的求解提供了1种新的方法。

1 水库优化调度数学模型

水电优化调度目标常采用在调度周期内水电系统的发电量或经济效益最大、耗水量或发电支出费用最小和弃水量最小等[2,3,4,5]。在此采用发电量最大优化调度目标,则水电优化调度问题描述为:已知水库的初始水位和调度期内各时段的来水量,求电站在调度周期内各时段的发电引用流量以及出力过程,使调度周期内电站的发电量最大,并且满足水库水位、流量限制以及水力联系等约束条件,并且弃水量最小。

以单个水电站水库为例,设1个调度周期划分为T个时段,t为时段变量(t=1,2,…,T),Qt为电站第t时段发电流量,H1为电站第t时段的平均发电水头,Mt为第t时段小时数,K为电站综合出力系数,则在调度周期内水电站发电量最大的目标函数可表示为:

约束条件:

(1)水量平衡约束

(2)水库蓄水量约束

(3)水库下泄流量约束

(4)电站出力约束

式中:E为电站年发电量;Vt+1为电站第t时段末水库蓄水量;Vt为电站第t时段初水库蓄水量;It为第t时段平均入库流量;St为水库第t时段弃水流量;Vt,min为电站第t时段应保证的水库最小蓄水量;Vt为电站第t时段水库蓄水量;Vt,max为电站第t时段允许的水库最大蓄水量;Qt,min为电站第t时段应保证的最小下泄流量;Qt为电站第t时段下泄流量;Qt,max为电站第t时段允许的最大下泄流量;Nmin为电站的保证出力;Nmax为电站的装机容量。

2 免疫克隆选择机理及算法

人工免疫系统是受免疫学启发,模拟免疫学功能、原理和模型来解决复杂问题的自适应系统。1958年Burnet等提出了著名的抗体克隆选择学说,克隆选择是生物免疫系统自适应抗原刺激的动态过程,在这一过程中所体现出的学习、记忆、抗体多样性等生物特性,正是人工免疫系统所借鉴的。目前对抗体克隆选择机理进行模拟最为经典的算法是De Castro在2000年提出的克隆选择算法[6],它通过克隆、超变异、选择等操作来完成对抗体种群成熟过程的模拟。抗体克隆选择原理如图1所示。

免疫克隆选择算法是依靠编码来实现与问题本身无关的搜索,并表现出更好的解决问题的潜力[7]。克隆是将1个低维空间的问题转化到更高维的空间中解决,然后将结果投影到低维空间中,从而获得对问题更全面的认识。

3 水库优化调度的ICSA算法设计

在水电站优化调度中,水电站运行策略一般用发电引水流量序列(Q1,Q2,…,QT)来表示[8],而发电引水流量序列又可以转化为水位变化序列(Z1,Z2,…,ZT)。为方便起见,以水库水位Zt(t=1,2,…T)作为优化变量[9]。对于水电站优化调度的ICSA可理解为:在水库运行水位允许的范围内,随机选取m组水位变化序列,根据预定的法则,逐步迭代,最终达到最优解。

3.1 抗体编码

针对水库优化调度问题的特点,本文采用实数编码方式。同时,根据水库水位编码空间是离散的还是连续的,将实数编码分为离散空间实数编码和连续空间实数编码。

(1)离散空间实数编码。把水库在时段t允许的水位变化区间分为m等份,抗体的每一向量(基因)可用整数n(n=1,2,…,m,m+1)表示。从抗体基因转换到水库水位的解码公式为:

式中:Zt,max、Zt,min分别为t时段水库水位的最大值和最小值。

(2)连续空间实数编码。在水库时段t允许的水位变化区间内随机产生1个抗体,则从抗体基因转换到水库水位的解码公式为:

式中:rand(0,1)表示[0,1]区间均匀分布的随机数。

3.2 亲和度函数

根据水库优化调度的目标,以发电量最大为目标的适应度函数如下:

3.3 克隆操作

在人工免疫系统中,克隆操作按如下方式进行定义:

式中:为抗体种群规模,Ii为元素值为1的qi维行向量,称抗体αi的qi克隆,qi如式(10)所示:

一般取

式中:f(ai(k))为抗体ai(k)的亲和度;Nc为克隆规模;Int为大于x的最小整数。

克隆过后,种群变为:

Y'(k)=A'(k)={A1'(k),A2'(k),…,A'n{k))(12)式中:A'(k)={ai1(k),ai2(k),…,aiqi(k)且aij(k)=ai(k),j=1,2,…,qi。

3.4 克隆变异操作

针对马斯京根模型参数估计具体问题,免疫克隆选择算法采用了多项式变异方式来实现对于免疫系统中超变异的模拟。根据变异概率pm,对克隆后的抗体群体进行变异操作,克隆变异操作可表示为:

3.5 克隆选择操作

与进化计算中的选择操作不同,克隆选择操作是从抗体各自克隆后的子代中选择出优秀的个体,从而形成新的种群。具体地,Vi=1,2,…n,记Bi(k)=max{Zij(k)}={Zij(k)Imaxf(Zij(k)),j=1,2,…,qi}为对应的Ai(k)经过克隆、变异操作后亲和度最大的抗体,则对概率ps(Bi(k)∪Ai(k)→Ai⑷k+1)),当f(Ai(k))0是1个与抗体种群多样性有关的值,多样性越好,α取值越大,反之越小。

3.6 算法流程

通过上面对水电优化调度的免疫克隆选择算法的描述,下面给出基于免疫克隆选择的水电优化调度算法的计算流程:

(1)初始化参数设置。抗体种群规模n,抗体克隆规模Nc,变异概率Pm,交叉概率Pc;随机生成初始抗体种群A(0)={a1(0),α2(0),…,αN(0)},设定亲和度成熟条件;设定当前迭代次数k=0。

(2)计算抗体群A(k)的亲和度A(k):{f(A(k))},若满足亲和度成熟条件,则输出A (k)中抗体-抗原亲和度最高的抗体,算法停止;否则,转步骤(3)。

(3)对抗体种群A(k)执行克隆操作:(A(k)),获得抗体种群A'(k)。

(4)对抗体种群A'(k)执行克隆变异操作:(A'(k),获得抗体种群A"(k)。

(5)计算抗体A”(k)的亲和度A"(k):{f(A"(k))}。

(6)根据亲和度大小,针对抗体种群A(k)和A"(k)执行克隆选择操作:Ts(A(k)+A"(k),生成下一代抗体种群A(k+1)。

(7)k=k+1,如果终止条件满足,则算法结束。否则,转步骤(2)。

算法终止条件:1)抗体亲和度成熟达到了指定的停止条件;2)算法达到最大迭代次数。

4 实例仿真

4.1 实例计算

为了验证上述算法的可行性与有效性,以某水库为例进行计算。已知该水电站水库的水位、库容关系曲线,下游水位与流量关系曲线,设计中水年流量过程线,水库正常蓄水位为704 m,死水位685 m,电站出力系数为8.5,保证出力为78 MW,装机容量为300 MW,要求水库在洪水期6、7、8 3个月水位不超过695 m,按年发电量最大求水库的优化调度过程。ICSA算法参数设置为:抗体种群规模n=50,抗体克隆规模Nc=5,变异概率Pm=0.8,交叉概率Pc=0.2,最大迭代数为300。用ICSA算法求得的优化调度结果如表1所示。

4.2 结果分析

本文用增大离散点的方法模拟问题规模的增大,同时为了对计算结果进行比较,分别用免疫克隆选择算法和动态规划在不同的水库水位离散情况下进行计算,其中免疫克隆选择算对法每种离散情况分别计算30次,结果取平均值。表2列出了2种算法最优解和所花费计算时间,其中免疫克隆选择算法还给出了连续编码方式下30次最优值。

由表2可知,当离散点由500增大到5 000时,动态规划求解时间明显增加,而免疫克隆选择算法运行时间增加不明显,计算速度快。同时,由表2还可以看出,对于免疫克隆选择算法,采用连续编码方式比5 000离散点的发电量增加了14 MW,而时间仅增加了0.2 s左右,说明ICSA算法具有很强的寻优能力。表3给出了ICSA连续编码30次独立运行的统计结果。可以看出,30次求解结果都优于动态规划5 000离散点的求解结果,寻优率达到了100%,这说明ICSA算法具有卓越寻优能力和很好的稳定性。

为了反应免疫克隆选择算法的收敛速度,在抗体种群规模、抗体克隆规模、进化代数、交叉概率、变异概率选取相同参数条件下,取不同的进化代数进行计算,结果见表4。由表4可知,在种群规模不、变的情况下,仅增加进化代数、增加迭代次数,免疫克隆选择算法可很快收敛。

图2给出了连续编码方式下免疫克隆选择算法求解水库优化调度问题的最优适应值变化曲线。从图2可以看出,免疫克隆选择算法在35代其求解结果就达到了动态规划5 000离散点的计算精度,其计算时间在0.5 s左右,而动态规划计算时间则超过400 s,由此可见,免疫克隆选择算法不但具有更高的求解精度,而且具有更好的求解效率。

5 结论

本文基于抗体克隆选择学说,提出了1种新的水库优化调度优化算法——基于免疫克隆选择算法的水库优化调度方法。研究结论如下:1)通过在克隆选择算法中引入免疫基因操作,提高了算法的求解精度和求解效率,避免了“维数灾”和早熟问题。2)通过水库优化调度实例验证了ICSA算法用于水库优化调度的可行性和有效性。实例研究结果表明ICSA算法为水库优化调度问题的求解提供了1种新的方法。

摘要：在研究了人工免疫系统中的克隆选择学说和克隆选择算法的基础上,研究了1种新的人工免疫算法——免疫克隆选择算法,并将其应用到水库优化调度中,提出了1种基于免疫克隆选择算法的水库优化调度方法。该算法通过在克隆选择算法中引入免疫基因操作,提高了算法的求解精度和求解效率,避免了“维数灾”和早熟问题。实例研究结果表明,相对于动态规划,免疫克隆选择算法计算速度快、收敛性好,提高了计算效率,较好地解决了传统的动态规划方法求解水库(群)优化调度问题存在“维数灾”问题。

关键词：水库,优化调度,免疫克隆选择算法

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