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水库防洪和蓄水优化调度方法及应用

作　者: 李雨
导　师: 郭生练
学　校: 武汉大学
专　业: 水文学及水资源
关键词: 水库电站优化算法防洪调度提前蓄水 Copula函数随机模拟风险分析综合效益三峡水库清江流域
分类号: TV697.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着我国各大流域内大型水库群的相继建成,标志着我国水电工作的重点正处于从建设到管理的关键转型期。如何做好已建水库群的管理运行工作,最大程度上发挥水库群的防洪、发电、航运、生态等综合效益,实现水库群的优化调度和经济运行,是当前水库管理面临的首要任务和技术难题,也是目前水文水资源学科研究的热点和重点之一。论文以三峡水库以及清江梯级水库组成的混联水库群为研究背景,开展水库防洪和蓄水优化调度方法方面的研究,主要研究工作及成果如下：(1)回顾了水库调度理论和方法的提出及发展历程,阐述了水库防洪预报调度、优化调度、实时调度的研究进展,全面综述和总结了水库汛末蓄水调度中面临的问题,包括防洪风险问题、泥沙淤积问题以及环境和生态问题。(2)为克服群智能算法中普遍存在的早熟收敛现象,提出了一种新的基于DE算法和PSO算法的并行差分进化粒子群优化算法。前期利用两个分群并行搜索,保证了收敛速度,后期引入收敛因子,判断种群是否陷入局部最优,并利用扩展操作实现种群逃离局部最优区。选用具有不同典型数学特征的10个标准测试函数,进行100次独立仿真实验,验证了算法的优越性。(3)针对三峡和清江梯级水库群防洪补偿联合调度问题,建立了梯级单独和水库群联合防洪优化调度两种数学模型,运用加速收敛的POA算法,引入动态惩罚函数处理约束条件,采用优化、验证、调整三个模块迭代求解。研究结果表明,提出的初始解生成方法,加快了POA算法的收敛速度。选择最不利的1982年为典型年,荆江河段的防洪标准至少可分别提高到118年和136年一遇。(4)针对梯级水库防洪优化调度求解过程中存在的入库洪水过程的随机性,以及优化调度模型求解的复杂性这两方面的问题,提出了基于Copula函数的随机模拟方法,充分考虑了洪水地区组成方式的多样性和随机性,从而能模拟对梯级水库防洪调度最不利的情况；建立了梯级水库防洪优化调度模型,运用基于并行搜索思想的PDP算法,对优化调度模型进行求解。该方法既充分考虑了洪水地区组成的复杂性,又能快速的求解得到最优调洪过程,为梯级水库防洪优化调度研究提供一种新的思路。(5)分析了三峡水库汛末提前蓄水的必要性,在三峡水库现有优化调度和试验性蓄水方案的基础上,研究并拟定了30种汛末提前蓄水方案集,建立了汛末提前蓄水方案优选模型,从防洪风险和综合利用效益两个方面对三峡水库汛末提前蓄水方案进行了优选。建议三峡水库9月1日从145m起蓄,采用分段控制,均匀蓄水的方式,9月30日蓄水至168.0m。(6)应用Copula函数构建了联合分布及条件概率分布,通过随机抽样方法模拟得到三峡水库9月份随机入库流量序列。建立了三峡水库汛末提前蓄水时机优选模型,对9月份提前蓄水方案进行了优选,结果表明：若8月下旬来水为丰水,则9月下旬起蓄,月底均匀蓄水至166m；若来水为平水,则9月中旬起蓄,月底均匀蓄水至166m；若来水为枯水,通过加强实时监测,则可进一步提前至9月上旬起蓄,月底均匀蓄水至166m。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-13
第1章绪论  13-34
  1.1 问题的提出  13-15
    1.1.1 研究目的和意义  13-14
    1.1.2 研究实例  14-15
  1.2 国内外研究进展  15-25
    1.2.1 水库调度理论和方法发展历程  15-16
    1.2.2 汛期水库防洪调度  16-22
    1.2.3 水库汛末提前蓄水调度  22-25
  1.3 相关研究存在的问题  25
  1.4 研究内容与技术路线  25-28
  参考文献  28-34
第2章优化算法及比较研究  34-57
  2.1 水库调度优化算法  34-38
    2.1.1 线性规划(Linear Program,LP)  34
    2.1.2 动态规划(Dynamic Program,DP)  34
    2.1.3 逐次优化算法(Progressive Optimization Algorithm,POA)  34-35
    2.1.4 基因算法(Genetic Algorithm,GA)  35
    2.1.5 粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)  35-36
    2.1.6 差分进化算法(Differential Evolution,DE)  36-38
  2.2 并行差分进化粒子群算法及比较研究  38-52
    2.2.1 并行差分进化粒子群算法描述  38-40
    2.2.2 基于测试函数的算法比较  40-52
  2.3 本章小结  52-53
  参考文献  53-57
第3章水库群联合防洪优化调度研究  57-81
  3.1 三峡和清江梯级水库概况  58-60
    3.1.1 三峡梯级水库  58-59
    3.1.2 清江流域概况  59-60
  3.2 防洪调度规则  60-62
    3.2.1 三峡水库防洪调度规则  60-62
    3.2.2 清江梯级水库防洪调度规则  62
  3.3 典型设计洪水过程  62-65
  3.4 基于占用防洪库容最小准则的水库群联合优化调度  65-72
    3.4.1 数学模型  65-67
    3.4.2 Lingo建模及模型求解  67-69
    3.4.3 结果分析  69-72
  3.5 基于最大削峰准则的水库群联合优化调度  72-79
    3.5.1 数学模型  72-73
    3.5.2 模型算法流程  73-75
    3.5.3 优化调度结果与分析  75-79
  3.6 本章小结  79-80
  参考文献  80-81
第4章考虑入库洪水随机过程的梯级水库防洪优化调度  81-96
  4.1 梯级水库入库洪水过程的随机模拟  82-91
    4.1.1 Copula函数理论和方法  82-86
    4.1.2 分布函数拟合检验  86-89
    4.1.3 洪水过程随机生成  89-91
  4.2 梯级水库常规防洪调度  91
  4.3 梯级水库防洪优化调度模型  91-92
    4.3.1 目标函数  91
    4.3.2 约束条件  91-92
  4.4 调度结果及分析  92-94
  4.5 本章小结  94-95
  参考文献  95-96
第5章考虑防洪风险的三峡水库汛末蓄水方案优选  96-125
  5.1 三峡水库汛末提前畜水的必要性  96-102
    5.1.1 10月份入库流量的变化  96-99
    5.1.2 上游条件的变化  99-100
    5.1.3 中下游用水条件的变化  100-102
  5.2 汛末提前畜水方案集  102-104
  5.3 汛末提前蓄水方案优选模型  104-113
    5.3.1 防洪风险分析模块  105-110
    5.3.2 效益分析模块  110-112
    5.3.3 蓄水调度约束条件  112-113
  5.4 结果与讨论  113-122
    5.4.1 防洪风险分析  113-117
    5.4.2 综合效益分析  117-120
    5.4.3 2011年和2012年蓄水调度实例检验  120-122
  5.5 本章小结  122-123
  参考文献  123-125
第6章基于条件概率的水库汛末提前蓄水时机优选  125-148
  6.1 相关性检验及条件概率分析  125-132
    6.1.1 相关性检验  125-129
    6.1.2 基于Copula函数的联合分布  129-131
    6.1.3 条件概率分布  131-132
  6.2 径流过程随机模拟  132
  6.3 提前蓄水方案优选模型  132-135
    6.3.1 蓄水调度图  133-134
    6.3.2 蓄水调度方式  134
    6.3.3 方案优选评价指标  134
    6.3.4 约束条件  134-135
  6.4 结果分析  135-140
  6.5 实例典型年蓄水调度分析  140-146
    6.5.1 典型流量过程  140-141
    6.5.2 调度结果分析  141-146
  6.6 本章小结  146-147
  参考文献  147-148
第7章结论与展望  148-151
  7.1 论文的主要工作与结论  148-149
  7.2 展望  149-151
附录  151-155
致谢  155

水库防洪和蓄水优化调度方法及应用

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