變化環(huán)境下的水庫調(diào)度-新挑戰(zhàn)與新方法課件

變化環(huán)境下的水庫調(diào)度

——新挑戰(zhàn)與新方法清華大學(xué)2012.7.21內(nèi)容提要1.變化環(huán)境帶來的理論挑戰(zhàn)2.基于風(fēng)險對沖規(guī)則的水庫調(diào)度理論3.適應(yīng)性動態(tài)調(diào)度框架4.密云水庫案例分析5.結(jié)論水資源系統(tǒng)分析基本方法現(xiàn)代水資源系統(tǒng)分析理論與方法體系起源于1950年代的“哈佛水項目”（HarvardWaterProgram）水庫調(diào)度是水資源系統(tǒng)分析的重要內(nèi)容之一，其核心問題是確定“何時放水”以及“放多少水”（Loucks，2005）優(yōu)化和模擬式水資源系統(tǒng)分析的兩個基本工具，也是傳統(tǒng)水庫調(diào)度研究的基本手段。（Labadie,M.ASCE，2004）傳統(tǒng)調(diào)度模型的一般性假定Stationarity（穩(wěn)態(tài)性）徑流概率分布隨時間不變(Labadie,M.ASCE，2004)調(diào)度規(guī)則曲線（RuleCurve）過去曾經(jīng)是打開未來之門的鑰匙，

但現(xiàn)在門鎖已經(jīng)換了！變化環(huán)境的挑戰(zhàn)徑流變化：非穩(wěn)態(tài)性（Nonstationarity）密云水庫入庫徑流

1956-2009變化環(huán)境的挑戰(zhàn)人類需求的變化密云水庫:

設(shè)計：防洪為主->灌溉為主(1960s-1980s)

->城市供水(1990s-2008)

->安全儲備(2008-)水庫:一個典型的人類-自然耦合系統(tǒng)

（CoupledHuman-Naturesystem）人類系統(tǒng)自然系統(tǒng)經(jīng)濟學(xué)水文學(xué)交互作用變化環(huán)境下的

水庫調(diào)度耦合經(jīng)濟學(xué)原理和水文學(xué)成果進行適應(yīng)性的動態(tài)調(diào)度Hydro-Economics內(nèi)容提要1.變化環(huán)境帶來的理論挑戰(zhàn)2.基于風(fēng)險對沖規(guī)則的水庫調(diào)度理論3.適應(yīng)性動態(tài)調(diào)度框架4.密云水庫案例分析5.結(jié)論調(diào)度目標的經(jīng)濟特性與調(diào)度策略供水量效益值當(dāng)調(diào)度目標為線性函數(shù)時（如缺水量最?。?，標準調(diào)度策略（SOP）是最優(yōu)策略（DraperandLund，2004；YouandCai，2008）。標準調(diào)度策略（SOP）優(yōu)先滿足當(dāng)前階段用水需求，當(dāng)前階段需求完全滿足后，水庫開始蓄水以備未來使用，直至水庫蓄滿。風(fēng)險對沖理論模型DraperandLund（2004）提出了風(fēng)險對沖規(guī)則的一般性經(jīng)濟學(xué)解釋拉格朗日定理“在最優(yōu)解處，存水的邊際效益應(yīng)該等于供水的邊際效益”如何考慮物理約束的影響？如何考慮不確定性的影響？

兩階段模型

KKT最優(yōu)性條件

如果存在常數(shù)

和一組可行解

能夠滿足上述方程，那么

是兩階段水庫調(diào)度模型的全局最優(yōu)解.

水文預(yù)報及其不確定性在理解水庫調(diào)度經(jīng)濟學(xué)原理的基礎(chǔ)上，如何耦合水文預(yù)報成果？如何考慮預(yù)報的不確定性？

水文預(yù)報中的誤差累計過程

(Viner,2002)水文預(yù)報水資源管理

Zhao,J.,X.Cai,andZ.Wang

(2011),

Optimalityconditionsforatwo-stagereservoiroperationproblem,

WaterResourcesResearch,

47,W08503,doi:10.1029/2010WR009971.考慮水文預(yù)報及其不確定性的對沖規(guī)則考慮一般性的水文預(yù)報及其不確定性,Zhaoet.al.[2011]定義了“風(fēng)險調(diào)整后的邊際效益”（Risk-adjustedmarginalbenefit,RAMB)嚴格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以證明，耦合預(yù)報及其不確定性的最優(yōu)性準則為：

“在滿足所有物理約束的條件下，讓當(dāng)前和未來階段用水的風(fēng)險調(diào)整后的邊際效益盡量接近?！盞KTconditionsRule1:最理想的情況是各階段的邊際效益相同。即Rule2:如果某個階段的流量非負約束

被違反，則該階段的最優(yōu)放水量為0.Rule3:A如果某個階段的最大或者最小庫容約束被違反，則該階段是一個RAMB的變化點。or最優(yōu)準則:

在滿足物理約束的條件下，讓各階段的風(fēng)險調(diào)整后的邊際效益盡量接近。從兩階段模型到多階段模型HRBA的效率評估算法變量離散總計算時間(秒)K=1K=2K=3K=4K=5HRBA1004.022.151.931.681.47100018.6214.1410.828.997.16DP10020.0219.6719.5719.4419.2510001968.691944.741923.761910.661902.61入流:

100個人工隨機生成徑流序列(每個序列100個階段).效用函數(shù)：計算時間與變量數(shù)目為線性關(guān)系計算時間與變量數(shù)目為二次方關(guān)系內(nèi)容提要1.變化環(huán)境帶來的理論挑戰(zhàn)2.基于風(fēng)險對沖規(guī)則的水庫調(diào)度理論3.適應(yīng)性動態(tài)調(diào)度框架4.密云水庫案例分析5.結(jié)論面向?qū)崟r的動態(tài)決策過程

Rollinghorizondecisionprocess（RHDP)面向?qū)崟r的動態(tài)決策過程，是水庫管理決策實際過程一種抽象，其核心是所有供決策使用的信息與管理實踐完全相同。這一框架下的優(yōu)化分析對實時調(diào)度管理具有直接的指導(dǎo)意義。內(nèi)容提要1.變化環(huán)境帶來的理論挑戰(zhàn)2.基于風(fēng)險對沖規(guī)則的水庫調(diào)度理論3.適應(yīng)性動態(tài)調(diào)度框架4.密云水庫案例分析5.結(jié)論Ma,et.al,2010密云水庫人類直接取水Ma,et.al,2010密云水庫案例分析調(diào)度策略定義SOP標準調(diào)度策略，盡量滿足當(dāng)前最大需水（10億方/年）HR-1基于ARIMA(4,1,0)年水量預(yù)測模型和風(fēng)險對沖的適應(yīng)性動態(tài)調(diào)度框架HR-0基于完美預(yù)報的理想調(diào)度策略（或已知未來入流信息）AO1996-2009的實際調(diào)度策略效益函數(shù)效益函數(shù)的擬定：（1）最大總需水量為10億方，且過原點。（2）將不同供水的優(yōu)先級對應(yīng)于不同邊際效益生活用水：最高優(yōu)先級，對應(yīng)于缺水時最高的邊際效益；工業(yè)用水：第二優(yōu)先級，對應(yīng)正常水量時的較高邊際效益；基本河湖用水：第三優(yōu)先級，對應(yīng)較豐水時普通的邊際效益；奢侈河湖用水：第三優(yōu)先級，對應(yīng)非常豐水時較低邊際效益；模型擬合與預(yù)報情況（從起始年份到09年）

預(yù)報未來總水量起始年份實際可用水量實際天然徑流預(yù)報來流量20088.106.468.67200710.898.5212.00200615.4511.9415.80200520.9816.3517.26200426.1520.5016.58200329.4323.1324.69200231.0124.7120.37200135.7329.4332.05200037.2030.9047.90199939.3033.0089.64199849.9743.6778.05199755.5149.21101.06199667.8161.5179.90結(jié)果對比SOP:盡可能滿足當(dāng)前需求，總效益最低.AO:不是完全的SOP，隱含考慮了缺水的風(fēng)險，總效益較SOP高.

HR-0:完美預(yù)報信息，最理想調(diào)度策略，各階段均勻供水.HR-1:供水過程圍繞HR-0波動,總效益比AO大3.1%，比HR-0小3.7%.趨勢項及預(yù)測誤差的影響評估定義評估趨勢項影響和徑流預(yù)測誤差影響的對比策略趨勢項及預(yù)測誤差的影響評估HR-1:

同時考慮徑流減少趨勢和徑流預(yù)測誤差。總效益(i.e.87593.0)比HR-1NV(i.e.87371.7)大0.25%，比HR-2(i.e.87313.4),大0.32%，反映了趨勢項和預(yù)測誤差的獨立影響幅度.HR-2NV:

既不考慮徑流減少趨勢也不考慮徑流預(yù)測誤差，導(dǎo)致過分樂觀的早期供水策略，調(diào)度效果最差(i.e.,83397.6,比HR-1小4.8%).

折現(xiàn)率的影響HR-1,HR-5%,HR-10%隨著折現(xiàn)率的增加，早期供水增加；隨著折現(xiàn)率的增加，供水過程越來越接近AO折現(xiàn)率和預(yù)測誤差的耦合影響風(fēng)險項:如果,預(yù)報誤差起支配作用，需要多存水以對沖未來缺水風(fēng)險；如果,折現(xiàn)率起支配作用，需要多放水以增加當(dāng)前經(jīng)濟效益.風(fēng)險項包含了水文要素（預(yù)報誤差）和經(jīng)濟要素（折現(xiàn)率）的耦合影響，體現(xiàn)了水庫調(diào)度的人類-自然耦合系統(tǒng)特性。

內(nèi)容提要1.變化環(huán)境帶來的理論挑戰(zhàn)2.基于風(fēng)險對沖規(guī)則的水庫調(diào)度理論3.適應(yīng)性動態(tài)調(diào)度框架4.密云水庫案例分析5.結(jié)論結(jié)論在變化環(huán)境下，由于人類活動和氣候變化，水文穩(wěn)態(tài)性假定需要重新考慮，特別是對于像密云水庫這樣的變化顯著的系統(tǒng).水文非穩(wěn)態(tài)性帶來的挑戰(zhàn)，促使我們必須重新思考傳統(tǒng)水資源調(diào)度和系統(tǒng)分析的基本方法，促使我們從人類-自然耦合系統(tǒng)的角度發(fā)展水資源學(xué)的基礎(chǔ)理論體系、提出新框架、研究新方法。結(jié)論以典型的水庫調(diào)度基本問題為例，本研究從兩階段概念模型該出發(fā)，通過嚴格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到了確定性和不確定性條件下水庫調(diào)度模型的最優(yōu)性條件，并解釋了其經(jīng)濟學(xué)含義。通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以證明，兩階段模型的理論結(jié)果，可以擴展到多