梯級泵站供水系統(tǒng)水資源優(yōu)化調度研究

梯級泵站供水系統(tǒng)水資源優(yōu)化調度研究

0多級水泵系統(tǒng)水資源調度的現(xiàn)狀圖2目前，國內外已有許多級泵站供水系統(tǒng)。例如，廣東省東深供水項目通過9個旁路站向深圳和香港供水，山東省黃濟清項目通過三個站向青島供水，山西省萬家寨楊黃供水工程、甘肅省景泰川灌溉工程、福建省加萊福義州北水南調設計（23級水泵）和前蘇聯(lián)浮游生物灌溉（8級水泵）進行。此外，批準了寧夏寧夏楊黃灌溉工程（11級高旁通信站）和培訓班（13級低旁通信站）的建設。所有這些梯級泵站供水系統(tǒng),都是由提水泵站、輸水工程、蓄水設施及多個供水片組成的一個高維復雜水資源系統(tǒng),在每級泵站中往往有多臺提水泵,相鄰兩級泵站間可能存在一個或多個供水片與調蓄設施(系統(tǒng)概化結構模型如圖1所示),其水資源調度有如下特點:(1)以提水、調水和供水為主,兼顧灌溉、防洪及改善環(huán)境等的多目標水利工程,目標間存在多種矛盾且不可公度。(2)系統(tǒng)中存在降水、徑流、用水量時空分布上的不均衡性和隨機性。(3)提水泵站、輸水工程、蓄水設施間存在較強關聯(lián)約束。(4)工程常涉及多個地區(qū),地區(qū)間存在水資源分配沖突。(5)系統(tǒng)內存在生活、工業(yè)、農業(yè)等多個用戶,用戶間有明確的優(yōu)先供水次序等。如何對這類供水系統(tǒng)進行水資源優(yōu)化調度,則是節(jié)省工程運行費用、提高泵站運行效率和工程效益的重要途徑,多年來倍受人們關注,并作了一些開拓性研究。本文針對梯級提水泵站供水系統(tǒng)中,大多決策和狀態(tài)變量多,各級泵站、水庫與泵站、提水與供水等之間關聯(lián)調度決策關系,而自優(yōu)化模擬技術具有仿真性強、自行優(yōu)化、方法簡單、不受維數(shù)限制、計算速度快等優(yōu)點,擬采用自優(yōu)化模擬技術進行系統(tǒng)水資源優(yōu)化調度研究,而暫不考慮單級泵站內多臺機組的優(yōu)化運行問題。1水資源優(yōu)化計劃的數(shù)學模型1.1多目標優(yōu)化問題描述對以提水、調水、供水為主,兼顧發(fā)電、灌溉等的梯級泵站供水系統(tǒng),可在充分利用系統(tǒng)當?shù)厮Y源量和蓄水、提水工程規(guī)模滿足用水需求條件下,以系統(tǒng)總的供水量最大、提水量最小、棄水量最小為目標函數(shù),構成下述多目標優(yōu)化問題:F=f(F1,F2,F3)(1)F=f(F1,F2,F3)(1)其中:F1=max∑i=12M+1∑t=1NW(i,t)F1=max∑i=12Μ+1∑t=1ΝW(i,t);F2=min∑i=12M∑t=1NDI(i,t);F2=min∑i=12Μ∑t=1ΝDΙ(i,t);F3=min∑i=1M∑t=1NDL(i,t)F3=min∑i=1Μ∑t=1ΝDL(i,t)式中:W(·),DI(·),DL(·)分別為供水量、提調水量和棄水量,M為蓄水設施數(shù);N為運行時段數(shù)。1.2水質達標的方式(1)水庫水量平衡方程約束,即:V(i,t+1)=V(i,t)+Q(i,t)+DI(i,t)?W(i,t)?DL(i,t)?LS(i,t)+KB[XI(i,t)?DO(i,t)?XO(i,t)](2)V(i,t+1)=V(i,t)+Q(i,t)+DΙ(i,t)-W(i,t)-DL(i,t)-LS(i,t)+ΚB[XΙ(i,t)-DΟ(i,t)-XΟ(i,t)](2)式中:V(i,t),V(i,t+1)分別是t時段水庫始、末蓄水量;Q(·)是當?shù)貜搅?DI(·)是泵站提調入庫水量;LS(·)是損失水量;KB為水庫系統(tǒng)結構控制參數(shù)(KB=1時,須考慮上游水庫的下泄入庫水量XI(·)和該水庫對區(qū)間供水片的下泄水量XO(·)及其調出水量DO(·),否則令KB=0)。(2)區(qū)間供水片的水量平衡方程約束。即:Q(i,t)+DI(i,t)+Gˉˉˉ(i,t)?W(i,t)?DL(i,t)+KB?XI(i,t)?DO(i,t)=0(3)Q(i,t)+DΙ(i,t)+Gˉ(i,t)-W(i,t)-DL(i,t)+ΚB?XΙ(i,t)-DΟ(i,t)=0(3)式中,GˉˉˉGˉ(·)為地下水時段可開采量。(3)任一時段提調水量DI(t)必須不超過下游供水子系統(tǒng)的最大允許可提調水量約束。(4)其他約束。如泵站設計提水能力約束,水庫供水片的水量平衡方程約束,最小調水流量約束,地下水開采量約束,供水優(yōu)先次序約束,水庫蓄水和泄棄水能力約束,河道或渠道等的輸水能力約束,非負約束等。2自優(yōu)化策略的提出采用自優(yōu)化模擬技術進行水資源系統(tǒng)優(yōu)化調度時,是根據自適應控制原理,在給定水庫初始控制線的一般模擬模型中,嵌入一個在線辨識環(huán)節(jié),通過對系統(tǒng)優(yōu)化目標和水庫運行線的最優(yōu)性識別,自動生成尋優(yōu)模擬控制線,引導一般模擬結果逐步趨于最優(yōu)化的反復迭代過程。因此,能否充分利用所研究問題的時空分布特性,采用一般模擬技術,獲得引導一般模擬計算結果趨于最優(yōu)化的水庫調度優(yōu)化運行控制線,即反映系統(tǒng)優(yōu)化目標的水庫經濟蓄水線(上限)和防破壞線(下限),便是自優(yōu)化模擬調度方法的關鍵。針對圖1所示供水系統(tǒng)中存在的復雜調度決策關聯(lián)關系,為達到系統(tǒng)整體優(yōu)化目標要求,須先從工程內各地區(qū)的用水需求出發(fā)進行需求向模擬;然后,以需求向模擬結果為最優(yōu)目標控制,從水源地開始,根據實際水資源狀況等約束條件,進行供給向模擬;如此多次反復迭代計算,最后即可收斂獲得既達到優(yōu)化目標要求又滿足諸多約束條件的多目標水資源優(yōu)化調度滿意解。2.1聯(lián)合模擬調度計算時提調水過程水電場聯(lián)合模擬調度計算時對于提水站需提調水量的過程中.對于年需求向模擬調度是從系統(tǒng)各地區(qū)用水需求出發(fā),通過當?shù)氐乇硭偷叵滤?lián)合模擬調度計算,確定各提水泵站需提調水量的過程。它包括逆時序模擬和順時序模擬兩個計算過程。2.1.1最優(yōu)控制線進行需求向逆時序模擬計算的目的,在于確定滿足系統(tǒng)供水量最大、棄水量和提調水量最小等目標要求的水庫經濟蓄水線,為順時序模擬計算提供最優(yōu)控制線。計算方程為:VD(i,t)=VD(i,t+1)?Q(i,t)+W(i,t)+LS(i,t)+DL(i,t)+KB[DO(i,t)?XI(i,t)+XO(i,t)](4)VD(i,t)=VD(i,t+1)-Q(i,t)+W(i,t)+LS(i,t)+DL(i,t)+ΚB[DΟ(i,t)-XΙ(i,t)+XΟ(i,t)](4)式中,VD(·)為水庫經濟蓄水線。2.1.2采用時間序列模型規(guī)劃計算方法進行需求向順時序模擬計算的目的,在于以水庫經濟蓄水線為優(yōu)化目標控制,確定泵站最優(yōu)需提調水量。計算方程為式(2)～(3)。2.2聯(lián)合模擬調度確定供給向模擬調度是從水源區(qū)的供水補給出發(fā),通過各供水片當?shù)氐乇硭⒌叵滤吞嵴{水量的聯(lián)合模擬調度計算,確定各泵站實際提調水量的過程。它包括逆時序模擬和順時序模擬兩個計算過程。3.2.1允許提調出水量進行供給向逆時序模擬計算的目的,在于確定優(yōu)先保證輸水沿線各地區(qū)供水子系統(tǒng)當?shù)乩娌皇芷茐牡姆榔茐木€,控制下一步供給向順時序模擬計算的允許提調出水量。計算方程為:VDL(i,t)=VDL(i,t+1)?Q(i,t)?DI(i,t)+W(i,t)+LS(i,t)+DL(i,t)?KB[XI(i,t)?XO(i,t)](5)VDL(i,t)=VDL(i,t+1)-Q(i,t)-DΙ(i,t)+W(i,t)+LS(i,t)+DL(i,t)-ΚB[XΙ(i,t)-XΟ(i,t)](5)式中,VDL(·)為水庫蓄水防破壞線。2.2.2確定實際提調水量供給向順時序模擬計算,是在同時考慮水庫防破壞線和經濟蓄水線、泵站提水能力與可提調水量等約束條件下,確定滿足子系統(tǒng)目標要求的面臨泵站實際提調水量和可供其他泵站提調出水量。計算方程見式(2)～(3)。3案例研究4.1河流水文系統(tǒng)圖4南水北調東線工程從長江下游揚州附近提水,利用京杭運河及大致與其平行的河道,連通洪澤湖、駱馬湖、南四湖(上級湖和下級湖)、東平湖,經13級梯級提水泵站(總揚程65m)逐級抽水至黃河邊,在位山附近穿隧洞過黃河后,經位臨運河、衛(wèi)運河、南運河等送水至天津,干線全長約1150km,是一個由35座泵站、眾多蓄水湖泊及巨大的輸水通航河道組成的復雜水資源系統(tǒng)。系統(tǒng)內多年平均來水量362.06億m3,規(guī)劃灌溉面積166.27萬hm2,概化網絡圖詳見文獻。3.2自優(yōu)化模擬調度結果分析以東線工程黃河以南10級復合泵站所組成的提水供水系統(tǒng)為背景,采用工程規(guī)劃主管單位提供的1950年7月～1989年6月共39年來用水系列等資料為依據,對抽江700m3/s、穿黃230m3/s及各級復合泵站規(guī)模下的水資源優(yōu)化調度問題進行計算,可得表1、表2結果。從表2可知,采用自優(yōu)化模擬技術進行梯級泵站提水供水系統(tǒng)多目標水資源優(yōu)化調度時,由于考慮了系統(tǒng)多目標優(yōu)化決策和來用水時空分布上的不均衡性及其相互協(xié)調,可使系統(tǒng)棄水量最少為198.47億m3、供水量次大為221.33億m3、抽江水量最小為82.75億m3、過黃水量較大為49.15億m3;在相同用水需求下,比一般模擬調度結果要減少抽