水库调度运行研究论文

关于小议水利工程联合调度的经济效益论文

水库联合调度必要性分析

1A水库多年来存在大量弃水的原因分析

在建水库区域，在每年的4～6月份与7～9月份分别有两次明显的雨季，一次是由于梅雨季节带来的强降水，另外一次是由于水库位于台风活动频繁区域，每年均有数次不等的台风袭击，带来大量的降雨。由于降雨的时间与空间不均匀分布，导致水库入库量严重不足。另外，由于A水库库容量的先天不足，自身调节能力较差，对较大的洪水无法进行有效的调节，另外，由于在雨季输电电网送电负荷下降，需对电站的发电量进行限制，造成水库在高水位情况下运行，遇较大洪水时只能弃水。以上这些原因造成A水库在丰水季节大量泄洪弃水，以致企业经济收入减少。

2实行联合调度的必要性

随着社会经济的发展，城市用水显著增加，水资源无法满足生产与生活的需要，随着时间的推移，水资源供需矛盾更加突出。为了缓解生产生活中城市用水的紧张状态，对城市周边水利工程进行合理配置，充分挖掘潜力，使有限的水资源得到合理的调配，从丰富水资源地向水资源短缺地进行合理调配。首先需对A水库大量弃水的现象进行改变，根据A水库区域流量特征，进行A水库跨流域水量调配，增加其覆盖面，提高社会经济效益。针对过去A水库落后的管理模式，进行优化，最大限度发挥其潜能。结合上游B水库容量调节范围较A水库的大的优势，进行A/B水库联合调度，可对A水库的调蓄能力进行有效增强，进一步增加了在枯水期A水库的调水范围，提高其调水量，降低其在丰水期的`流量，实现不同季节的流量均衡，提高其利用率。通过A/B水库的联合，也可对A上游河段的汛枯水量进行有效调配，增加水库的发电时间，提高经济效益。

实行联合调度的经济效益分析

1联合调度的硬件及软件基础

随着A/B水库上游流域的不断开发，由于受水情测报系统、水库蓄放经验不足以及管理模式等影响，导致无序调节给发电效益带来影响，在一定程度上制约了水资源的综合利用。为消除不利因素影响，即着手开展流域水库联系机制的探索和研究，通过开展走访，增进了双方了解；通过主动提供技术、信息共享，赢得了合作。由于A/B水库均位于同一流域，且相距较近，从地理地质特征来看，两水库均有共同的水文特征，从雨量测报站、水情自测系统均可以采用数据共享，通过新一代数据处理软件可对A水库上游区域内水文信息进行实时处理与分析，为两水库在防洪、供水与发电的联合调度提供了先进的平台，也为进一步的统一调度提供了科学依据。

2经济效益分析

水库联合调度的目的是提高水资源利用率与自身的经济效益，同时最大限度发挥其社会效益。人们为兴利和防洪的目的，在流域上中游修建水库。随着水库下游社会经济发展，对水库洪水调节的期望越来越高，水库防洪调度任务日益繁重。利用水库调蓄洪水，削减洪峰，是减轻或避免洪水灾害的重要防洪工程措施。因此，搞好水库洪水调度，在确保水库安全前提下，充分发挥水库防洪效益，是各级防汛部门的一项十分重要的工作。由于A/B水库在水文测报系统与发电自动化系统采用数据共享，减少重复性投资，节约了工程投资，另外B水库可充分利用A水库相关管理人员，节约运行成本。采用联合调度以后，一方面增加了自身收入，另一方面，可很好的结合当地气候条件，将流域中流量与洪水进行很好的调节。以流域内10年一遇洪水为例，A水库入库洪峰流量为800m3/s，洪水总量约为2860万m3，与之相对应的B水库的入库洪峰流量为509m3/s，洪水总量约为1650万m3，对于10年一遇的洪水，B水库如果在洪水来临前能够把水库水位降至637m左右，腾出1650万m3的库容，把B水库坝址以上143km2的洪水全部拦蓄，则A水库在该种频率的洪水过程中的实际入库洪水总量为1210万m3，水库就能把整场洪水全部拦蓄，从而减少1650万m3泄洪量，从而增加发电量660万kwh，增加经济收入231万元。从这场洪水看出，要最大限度增加效益，B水库在每场洪水来临前要适时地腾空库容，两个水库最大限度拦蓄洪水。通过统一调度，在水力、水量等方面取长补短，提高流域水资源的社会、经济与环境效益。其工程经济评价指标见表1，经济评价采用经济效益费用比、内部经济收益率、净收益现值等指标。

实现经济效益的途径

实行梯级水库联合调度，首先可以使流域的水资源得到充分合理的利用，全面发挥梯级枢纽的综合效益。

1改变B水库施工方案结合当地气候条件，对于台风季节台风雨较多的情况，应根据天气预报，在台风来临之前，将B水库的水位进行调低，为保证A水库能够正常工作，根据A水库发电量对水量的要求，增加B水库引水隧洞的尺寸，确保A水库发电用水。在水库运用方面，可根据不同水沙情况，合理优化调度，减少泥沙在水库的淤积，减少库区滑坡和泥石流等灾害的发生。

2建立联合调度机制A/B水库联合调度的产生，需要成立联合调度的机构，由双方共同管理，科学并合理对流域内的水资源进行调配，使之发挥最大的效益。针对A水库所处位置以及发电能力，应将其采用完全企业化建制与管理，而B水库在兼用发电的模式的同时，发挥公益性的事业单位建制。一方面水库需要站在水资源合理分配和利用的角度来考虑其社会效益，另一方面也需考虑自身的经济利益。

3建立经济补偿机制由于采用联合调度以后，会形成两水库的功能出现主次之分，发电量会造成很大的差别，造成B水库经济效益下降，自身收入减少。如果未对B水库进行补贴以调动两水库的积极性，将造成A水库经济效益下降，不能使得两水库发挥最大的社会效益与经济效益。同时在防洪方面，可以充分利用梯级水库的防洪库容，进行防洪补偿调度，减少洪水灾害。

结语

水库的调度运行虽然是艰巨的工作，要充分认识到A/B水库联调的必要性和紧迫性，共享水情信息平台建设，水库联合调度运用一期工程实施后，4a即可收回一期工程投资，年效益是原设计效益的1.2倍。如工程完全配套实施后，将取得更大的经济效益。每年可增产粮食1681.5×104kg，年产鲜鱼40.7×104kg，防洪保护面积达1.98×104hm2。这对于解决望地区水资源贫乏，促进农业生产和经济的发展有着举足轻重的作用，对改善人民生活水平具有重要意义。通过A/B水库联合调度机制的建立，将提升流域电厂水情预测、分析能力，有效的提升水资源利用率，实现互赢。（本文作者：宗萍 单位：云南省红河州水利水电勘察设计研究院）

综合利用水库的优化调度受多因素影响，如径流，水库特性、用水特性以及电站的机电特性等，其中径流的影响较大。本文采用马尔可夫单链弹性相关理论处理径流，以供水流量为决策变量，在考虑有效雨量的基础上建立了动态规划数学模型，编制了结构简明，功能完善，便于操作使用的大型优化调度计算程序，自动绘制出三维优化调度图，利用优化调度图进行综合利用水库调节计算，在几乎不增加投资的条件下，产生了巨大的经济效益。经实践证明，本方法准确可靠，适合于大、中、小型水库，也适合于平原水库、地下水库；更适合于我国北方水资源紧缺地区使用。1 采用离散的马尔可夫随机过程描述径流1.1 用马尔可夫过程描述径流为了计算和应用的方便，将时间序列离散化(即分为若干时段：月)，相邻时段存在着依赖关系，以水库来水的3个相邻时段t1、t2、t3间径流关系进行分析。用X1、X2、X3表示3个时段的径流，三者之间的相关情况可分为2种情况：(1)直接相关。即不管X2取值怎样(或不计X2取值的影响)的条件下，X1与X3相关，称为偏相关，其相关程度用相关系数表征，可用数量表示为γ13。(2)间接相关。即因存在着X1和X2、X2和X3之间的相邻时段相关关系，故X1的大小影响着X2的大小，从而又影响着X3的大小。这种相关是由中间量X2传递的，不是直接的，因此叫间接相关。1.2 计算相应条件概率当一年分成K个时段(月)，每个时段的径流以平均值来表示，记作QK(K=1,2,3,……,K)。应用相关理论分析，可以确定相邻时段径流QK,QK-1(如图1所示)的条件概率分布函QK,QK-1的条件概率分布函数示意 数F(QK/QK-1)。其条件概率分布是一个二维分布，用概率理论及水文统计原理来推 求径流的条件概率计算式。图1 相邻时段径流研究相邻时段的径流相关联系时，应用相关系数R及回归方程式求得(1)隔时段相关系数则为：(2)式中：Q1i,Q2i,Q3i为第i年相邻时段的实测径流值；为平均值；n为径流实测系列年数。本时段径流的相关关系，应用相关中的直线相关，以自回归线性公式来表示：(3)式中：σK,σK-1分别为时段tk,tk-1的径流均方差；R1为相邻时段径流之间的相关系数。相邻时段径流之间应用自回归线性相关时，其间隔时段的径流对回归线的偏离值即误差的分布，经刚性和弹性相关比较后，采用了弹性相关处理方法即偏态分布，按皮尔逊Ⅲ型曲线分布。相应于条件概率的流量QPK可由下式求得：(4)式中：条件变差系数，其中Cvk为变差系数。一年划分为K个时段，每个时段的径流划分为M级(即M个状态)，则相邻时段的转移概率：Pkij(k=1,2,3,……,k;i,j=1,2,3,……,M)表示的含义是tk-1时段径流为状态i时，tk时段径流为状态j时的概率而矩阵(5)则表示tk-1时段到tk时段状态的转移概率矩阵，显然，这个矩阵的每行各非负元素之和为1，即：(6)为了计算Pkij转移概率的方便，取等分的10个概率5%，15%，……95%，这样转移概率的值都为0.1，则相应的条件概率的流量Qpi由式(4)即可求得。2 动态规划动态规划法是美国数学家贝尔曼提出的，是一种研究多阶段决策过程的数学方法。近年来广泛应用于水资源规划管理领域中2.1 动态规划数学模型把径流当作随机过程的水库优化调度图的计算是一个多阶段的随机决策过程。它的计算模型如下。(1)阶段：将水库调度图按月(或者旬)划分成12个相互关连的阶段(时段)，以便求解(2)状态：因相邻两个阶段的入库平均流量Qt和Qt+1之间有相关关系，以面临时段初的库水位和本时段预报径流量Qt为状态变量St(Zt-1，Qt)(3)决策：在时段状态确定后，作一个相应的决定，即面临时段的供水量qt，同时确定了时段末水位，进行状态转移。水库水位分M级，故有M个状态转移，按0.618法在决策域内优选，对每一个状态变量St要选择一最优供水量qt，St～qt关系曲线为时段t的调度线，决策域为(QDmin,t;Qxmax,t)对决策变量供水量qt进行所有状态优选计算时，还要进行库水位限制的检查判别，若时段末蓄水量V2大于允许的最高蓄水位或限制水位，则在水库蓄满前供水量仍按qt放水计算，当水库蓄满后则按入库水量供水。当入库水量大于电厂最大过水能力时，超过部分作为弃水(4)状态转移：水库状态和调度图形式有关，因考虑当时入库径流和短期径流因素，水库调度中将一年划分为K个时段，每个时段由时段初库水位Z初和时段流量Qt组成水库的运行状态，而每一种状态有一个相应的决策变量供水流量qt，用函数关系表示为：qt = q ( Z初 , Qt , tk )(7)tk为时段数，每一个决策就有一个相应的时段末库水位，水库进行了状态转移，若将水库的水位划分为Z级，径流划分为M级。一个时段的水库面临状态有Z×M种，全年水库运行状态有K×Z×M种，水库优化调度图就是对全年各种运行状态作出相应决策变量的关系图。由式(7)可知，当时段tk的初始库水位和径流量已定时，时段的最优决策供水量是一个定值，因而下一时段tK+1的初始库水位(即时段tk末的水位)也就是一个确定值。由于下一时段tK+1的径流不是一个确定值，而是依时段tK的径流Qt变化的随机值，其值由条件概率分布函数(弹性相关)决策。因此，水库在时段tK处于状态i，而时段tK+1处于状态j的状态转移概率为Pkij，则有，而矩阵Pk=(Pkij)则表示从时段tK到时段tK+1的水库状态转移概率矩阵，Pk完全由时段tK的调度方式和径流状态转移矩阵决定。经过多年运行后，水库的运行状态达到一个稳定的概率分布(5)效益函数：水库进行状态转移，伴随着产生了效益函数(包括了工业用水、生活用水、灌溉用水、发电用水及三个保证率)其中灌溉用水：因灌溉需水量每年、每月、每天都不相同，因此是随机变量，极难编制计算机程序计算，故首次引入《农田水利学》的“有效雨量”概念，使整个优化计算大大简化，完全解决了水量平衡问题，整个优化计算，水量平衡达到100%有效雨量的计算：从水库灌区试验站获取资料Mij即从1952～1999年历年(i=1952～1999，j为第i年各月(或旬))的灌溉定额(是由历年灌溉试验站实测作物需水量采用通用电算程序计算出的)，而Mmax是48年中最枯水年的灌溉定额。Mmax-Mij=P0ij,i=1952,…,1999,j=1,…,12,逐一列表进行计算。把每年每月的有效雨量加到每年每月的来水量Qt中，因Mmax是常数，所以仅有随机变量Mij。其数学表达式如下：Cixj=Aixj-Bixj，即：(8)式中Cij为i年系列j时段(月)的有效雨量，aij为i年系列j时段农作物需水量(j可按日计算后归纳成各农作物生长期所需水量，再换算成月)。bij为i年系列j时段各类农作物综合灌溉水量。(6)目标函数：根据水库水资源不足的具体情况，拟定在满足生活用水和工业用水保证率的条件下，尽量满足农业用水。目标函数可表示为：满足用水量保证率条件下供水量最大。目标函数计算可用下列分段线性函数求得：f(st,qt)=qtQxmax≥qt≥Qxmin(9)f(st,qt)=qt+CA(qt-Qxmin)Qxmin≥qt≥QDminf(st,qt)=Qxmax+CE(qt-Qxmax)QDmax≥qt≥Qxmax式中：qt为水库供水量，QDmin为系统供水下限，即保证城市生活用水和工业用水的下限；Qxmin为农业保证供水量与QDmin之和；QDmax为电厂的最大过水能力；Qxmax为农业供水量上限与QDmin之和；CE为发电专用水量小于Qxmin时的折算系数，CA为供水量小于Qxmin时的折算系数，在计算中，可先任意假设CA、CE,CA、CE与Qxmin的保证率成正比。给定一个CA、CE就可递推得出一张优化调度图，用水库多年入库流量资料按调度图进行历时操作计算，若计算结果所得保证率低于要求的保证率，则修改CA、CE重新递推计算(一般递推2～3次即可)，求得另一优化调度图，再进行历时操作，直至所得保证率符合要求为止。即经过试算选择满足保证率要求的CA、CE值。2.2 动态规划递推方程 以qt为t阶段的决策变量，St(Zt-1,Qt)为t阶段的状态变量，则其逆时序动态规划最优递推方程为：Ft(St,qt)=max｛ft(St,qt)+Ft+1(St+1)｝ qt∈Qt t=1,2,…,N(10)式中：Ft(St,qt)代表水库从时刻t处于状态St出发至水库运行终了时刻N(计算周期末)的目标函数值；ft(St,qt)代表时刻t水库处于状态St取供水量qt时面临时段效益期望值；Ft+1(St+1)代表水库从时刻t+1处于St+1(j状态)出发至时刻期间各时段均采用最优决策时所得的效益期望值；Qt表示计算中t时段所用的入库径流序列；pi,j为t时刻采取qt决策，系统由第t阶段的第i种状态St转移为第t+1阶段的第j种状态St+1时的条件概率，Ft+1相应St+1状态最优决策的效益。递推方程的约束条件如下：①库水位约束Vmin,t≤Vt≤Vmax,t，即各时段的库水位不低于死水位Vmin,t，也不能超过该时段允许的最高蓄水位Vmax,t。②水量平衡约束Vt+1=Vt+(Qt-qt)·Δt-yt-Et,式中Vt+1、Vt代表时段t末、初的蓄水量；Qt、qt代表t时段平均入库径流量和供水量；yt为弃水量，Et为水库蒸发渗漏损失。③供水约束和输水能力约束QDmax,t≥qt≥QDmin,t。t时段内供水量不能超过水轮机的最大过水能力QDmax,t，也不能小于下限QDmin,t2.3 动态规划递推计算 采取逆时序逐时段动态规划递推计算，即每时段对所有状态逐一地优选对应的最优决策。对时段的多个入库流量代表值所产生的效益期望值。优选方法采用0.618法，规定搜索点为20个2.4 优化调度图 Howard用Z变换方法证明式(10)随年数t增加计算是收敛的，进行递推计算采取逆时序递推，即从N时段开始递推到1时段，只要知道FN(SN)即可按式(10)递推计算。开始可取库水位(库容)～蓄水量关系曲线作为初始递推线FN(SN)。当对第一个时段的所有状态优选出最优决策后，即可往前递推一个时段。当第一年逐个时段全部递推计算完毕后，还要进行第二年周期的递推计算，是因为初始递推FN(SN)是任意假设的，故第一年周期递推所得的策略并非稳定的最优策略，必需继续递推至各时段的递推线均收敛为止，这时所得的策略才是稳定的最优策略。递推线收敛的准则是：前后两年周期中同一时段的递推线相差小于规定的相对误差ε即：|Ft(Si)n-Ft(Si)(n+1)|/Ft(Si)(n+1)≤ε(11)式中：Ft(Si)n代表第n年时段t递推线上相应于状态Si的未来效益值；Ft(Si)(n+1)则是第n+1年时段t递推线上同一状态Si相应的未来效益值，ε取0.001。一般最多递推两年就可以收敛，即可得出12时段或36个时段(旬)的最优调度线。这时各时段的最优决策构成一个最优策略，即为优化调度图。显然，因考虑月(或旬)、相隔月(旬)的相关，即多用了一项概率预报，则相应增加了经济效益。由于采用了马尔可夫单链弹性相关理论对径流进行处理，使水库调度图从二维坐标变成三维坐标，形成空间水库优化调度图，再由调度图换成一组以Qt为参数的方程，递推线也由一条变成一组，即优化调度线由一条线变成一组，形成一族调度曲线图，为便于实际调度时使用。2.5 动态规划计算程序 动态规划的计算是一个非常复杂的过程，不同的规划问题，要用不同的计算程序。我们根据最优化(opt)问题的数学模型［2］，用VISUL C编制了计算程序，用递推方程找出最优解。该程序在PⅡ微机上调试成功，经实践证明其具有功能强大，使用方便，运行速度快等特点，并能自动绘出三维空间水库优化调度图及带有一组参数的调度曲线图。3 应用示例本方法已应用于山东沐浴、跋山和黄前等几个大中型水库，都取得理想效果。仅以沐浴水库多目标优化调度的应用情况来说明。沐浴水库位于山东省烟台地区莱阳市，控制流域面积455km2，总库容1.87亿m3。兴利库容1.07亿m3，年平均来水量6900万m3。水库每年向莱阳市供水180.0多万m3，灌溉面积0.93万hm2，水电站分东西电厂，装机容量共为1800kW，是一座具有灌溉、防洪、城市工业、生活供水、发电、养殖等综合利用的大型水利工程。如图2所示。在沐浴水库优化调度过程中，我们用马尔可夫单链弹性相关理论对径流进行处理，将供水流量作为决策条件，在引入有效雨量的基础上，采用优选迭代试算来满足3个保证率(生活用水保证率、工业用水保证率和灌溉用水保证率)的动态规划算法，协调了生活、工业、灌溉和发电之间的关系。更多关于工程/服务/采购类的标书代写制作，提升中标率，您可以点击底部官网客服免费咨询：