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水库水沙联合调度优化方法与应用研究

作　者: 刘方
导　师: 纪昌明
学　校: 华北电力大学
专　业: 管理科学与工程
关键词: 水库水沙联调粒子群优化算法多目标决策溪洛渡-向家坝梯级水库
分类号: TV697.11
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

我国是一个水资源严重匮乏、水利发展相对滞后的国家,如何加快水利改革发展,最大限度的合理开发利用水资源是关系到社会、经济、生态环境系统可持续发展和人民生活水平提高的迫切问题。水库作为增加水利支撑保障能力、实现水资源科学配置的关键性工程,提高其运行管理水平是未来加快水利改革发展的重要举措。泥沙淤积与水库运用同步存在,泥沙淤积严重制约水库综合效益的发挥,威胁水库的使用寿命。为充分发挥水库的综合效益,必须综合考虑水库防洪、兴利和排沙减淤等目标,开展水库水沙联合调度优化方法与应用研究,这是目前水库运用管理模式的发展方向。与一般水库调度相比,水库水沙联合调度不仅要考虑水量的合理调配,还要对泥沙的蓄泄及时间做出合理的安排,对梯级水库而言还要考虑上下游水库的运用要求和上游梯级对下游水库的累积性调节作用。水库水沙联调涉及到水库调度和泥沙冲淤计算两个方面,这两个方面相互联系、相互影响,全面认识泥沙冲淤和水库防洪、发电等目标之间的对立统一关系,从理论上将泥沙冲淤计算和水库调度更好的结合起来,实现水沙联合调度,将进一步丰富水库调度和水库泥沙的基本理论,具有重要的理论意义和实际应用价值。水库水沙联合调度是一个典型的复杂大系统多目标问题。由于泥沙冲淤计算与水库调度计算是两种性质完全不同、决策时段差异甚大的系统,且梯级水库联合调度本身是一个具有大量约束条件、动态、复杂的最优化控制问题,其优化求解一直受到“维数灾”、“容易陷入局部最优解”等缺点的制约,因此在水库调度中考虑泥沙冲淤,构建能全面反映水沙综合效益的多目标决策模型,实现模型的联合求解,具有很大的难度。基于此,论文分别从水库优化调度、水库泥沙冲淤计算、水沙联调多目标决策模型的构建与求解以及非劣解的生成与评价决策、水沙调度实例等方面对水库水沙联合调度优化方法与应用进行了系统深入研究。取得了如下主要成果：(1)水库调度与泥沙冲淤规律研究。为从宏观和微观两个层面探索水库调度与泥沙冲淤之间的规律,首先分析了四种水库宏观运用方式对泥沙淤积速率、淤积分布以及淤积平衡形态三方面的影响,给出调水调沙的宏观运用框架；其次研究了汛限水位和蓄水时间调整对泥沙淤积的影响,得出蓄水时间只改变泥沙淤积速率,而汛限水位则会改变整个淤积平衡的结论；再者分析了三种水库宏观排沙方式的排沙机理,讨论其高效排沙方式；最后对初步平衡后的水库冲淤特点进行分析,总结出根据不同冲淤特点进行蓄水排沙的规律。(2)基于鲶鱼效应粒子群算法的水库优化调度。针对求解水库群优化调度问题时,粒子群优化算法容易陷入局部最优和后期收敛速度慢等缺点,将“鲶鱼效应”机制引入到粒子群算法中,提出基于鲶鱼效应粒子群算法,并给出其求解水库优化调度问题的实现步骤；该算法中的鲶鱼启发器实现了对种群多样性的动态跟踪和鲶鱼粒子的自动引入,通过鲶鱼粒子的驱赶和高素质动态调节作用激活进化中陷入惰性的群体并提高收敛速度；最后通过单库防洪优化调度和梯级水库发电优化调度两个实例证明了算法的可行性和高效率。(3)水库水沙联合多目标优化调度。针对水库调度涉及防洪、兴利、生态和排沙减淤等综合效益的多个目标,以一维泥沙冲淤计算数学模型为基础,整合目标和决策变量建立全面反映水沙综合效益的单库多目标决策模型；通过对多目标问题非劣解生成技术的深入研究,在介绍向量优化理论权重法和约束法特点的基础上,重点提出基于鲶鱼效应多目标粒子群算法,相比于向量优化理论,该方法计算效率高,能同时获得多个非劣解；最后通过三峡水库水沙优化调度实例证明了该算法的有效性和可行性,并与基于泥沙约束的三峡水库蓄水时间优化实例进行了对比分析。(4)梯级水库水沙联合调度多目标决策模型及求解方法。从梯级水库水沙联调的目的出发,分别建立梯级水库防洪、发电和泥沙冲淤计算子模型；在此基础上,构建梯级水库水沙联合调度多目标决策模型,该模型能较好的反映梯级水库间的水沙联系以及各目标利益之间的协调；为实现模型的求解,运用约束法将多目标决策模型转化为单目标优化模型,在给定的约束阈值下采用基于鲶鱼效应粒子群算法对单目标优化模型寻优,通过不断变换约束阂值水平生成问题的非劣解集；最后根据层次分析法计算的主观权重和熵权法计算的客观权重,结合理想点评价法,构建基于组合权重的理想点评价模型,该模型在一定程度上改善了单一赋权法的不足,使评价结果更符合客观实际。(5)溪洛渡-向家坝梯级水库水沙联合调度实例。以溪洛渡-向家坝梯级水库为研究对象,首先在分析梯级水库蓄水时间优化必要性和前提条件的基础上,研究梯级组合蓄水方案调整对发电、航运和泥沙淤积的影响,结果表明：梯级水库蓄水时间应以相互错开为有利蓄水发电原则,并且蓄水提前将增加泥沙淤积,蓄水推后则会减少泥沙淤积,梯级水库的蓄水调整将改变梯级水库的泥沙分配；然后,以计算期内梯级水库多年平均发电最大和库容淤损率最小为目标,建立溪洛渡-向家坝梯级水库水沙联调多目标决策模型,采用约束法获取其非劣解,非劣解分析表明发电量的增加以增加库容淤损率为代价：最后,采用不同的权重对非劣方案集进行评价决策,结果表明：权重不同,评价得到的最优方案不同,最优方案是一个考虑了发电量和库容淤损率的均衡水沙解,从而验证了方法和模型的可行性和有效性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-17
第1章绪论  17-31
  1.1 选题背景及研究意义  17-19
  1.2 国内外研究现状  19-26
    1.2.1 水库优化调度  19-21
    1.2.2 水库泥沙冲淤  21-24
    1.2.3 水库水沙联合调度  24-26
  1.3 水库水沙联合调度研究存在的主要问题  26-28
  1.4 本文的主要内容及创新点  28-31
    1.4.1 本文的主要内容  28-29
    1.4.2 本文的创新点  29-31
第2章水库调度与泥沙冲淤规律  31-49
  2.1 引言  31
  2.2 水库调度方式对泥沙淤积的影响  31-39
    2.2.1 水库运用方式类型及特征  32-33
    2.2.2 水库运用方式对泥沙淤积的影响  33-37
    2.2.3 不同调度方式对泥沙淤积的影响  37-39
  2.3 水库排沙方式与冲淤特点  39-47
    2.3.1 水库排沙方式及其计算方法  39-44
    2.3.2 水库淤积初步平衡后的冲淤特点  44-47
  2.4 本章小结  47-49
第3章基于鲶鱼效应粒子群算法的水库优化调度  49-65
  3.1 引言  49
  3.2 鲶鱼效应粒子群优化算法  49-55
    3.2.1 粒子群优化算法及其存在的问题  49-51
    3.2.2 鲶鱼效应机制对粒子群算法的改进  51-52
    3.2.3 鲶鱼效应粒子群算法的实现步骤  52-55
  3.3 基于CE-PSO算法的水库防洪优化调度  55-59
    3.3.1 水库防洪优化调度数学模型  55-57
    3.3.2 实例应用  57-59
  3.4 基于CE-PSO算法的梯级水库发电优化调度  59-64
    3.4.1 梯级水库发电优化调度数学模型  59-60
    3.4.2 实例应用  60-64
  3.5 本章小结  64-65
第4章水库水沙联合多目标优化调度  65-98
  4.1 引言  65-66
  4.2 泥沙冲淤计算模型  66-75
    4.2.1 一维泥沙冲淤计算数学模型  66-71
    4.2.2 泥沙冲淤计算模型验证  71-75
  4.3 水库水沙联调多目标数学模型  75-80
    4.3.1 目标函数与决策变量  75-79
    4.3.2 约束条件  79-80
  4.4 多目标问题的非劣解生成技术  80-87
    4.4.1 向量优化理论  80-83
    4.4.2 基于鲶鱼效应多目标粒子群算法  83-87
  4.5 基于泥沙约束的三峡水库蓄水时间优化实例  87-92
  4.6 基于CE-MOPSO算法的水沙优化调度实例  92-96
  4.7 本章小结  96-98
第5章梯级水库水沙联合调度多目标决策模型及求解方法  98-122
  5.1 引言  98
  5.2 梯级水库水沙联调子模型  98-110
    5.2.1 防洪调度子模型  99-104
    5.2.2 发电调度子模型  104-108
    5.2.3 泥沙冲淤计算子模型  108-110
  5.3 梯级水库水沙联调多目标决策模型  110-112
    5.3.1 目标与决策变量的选取  110-111
    5.3.2 目标函数及约束条件  111-112
  5.4 模型的求解与方案评价  112-121
    5.4.1 非劣解的生成  112-115
    5.4.2 基于组合权重的理想点评价模型  115-121
  5.5 本章小结  121-122
第6章溪洛渡-向家坝梯级水库水沙联合调度实例  122-142
  6.1 溪洛渡-向家坝梯级水库概况  122-123
  6.2 蓄水时间优化的必要性和前提条件  123-126
  6.3 蓄水时间调整对发电和航运的影响  126-129
  6.4 蓄水时间调整对泥沙淤积的影响  129-134
    6.4.1 溪洛渡和向家坝水库泥沙冲淤模型验证  129-131
    6.4.2 溪洛渡和向家坝水库泥沙冲淤计算  131-133
    6.4.3 蓄水时间对泥沙淤积的影响  133-134
  6.5 梯级水库蓄水时机的水沙联调多目标决策  134-141
    6.5.1 水沙联调多目标决策模型建立  134-135
    6.5.2 蓄水方案非劣解的生成  135-138
    6.5.3 方案评价与分析  138-141
  6.6 本章小结  141-142
第7章结论与展望  142-145
  7.1 结论  142-143
  7.2 展望  143-145
参考文献  145-155
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  155-156
攻读博士学位期间参加的科研工作  156-157
致谢  157-158
作者简介  158

水库水沙联合调度优化方法与应用研究

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