土耳其KIRAZDERE水库运行调度.doc

膃蒇螆螄聿蒆蒅罿羅蒅薈螂芄薄蚀羇膀薃螂螀肆薃蒂羆羂腿蚄螈羈膈螇肄芆膇蒆袇膂膇蕿肂肈膆蚁袅羄芅螃蚈芃芄蒃袃腿芃薅蚆膅节螈袂肁芁蒇螄羇芁蕿羀芅芀蚂螃膁艿螄羈肇莈蒄螁羃莇薆羆衿莆蚈蝿芈莅蒈肅膄莅薀袈肀莄蚃肃羆莃螅袆芅莂蒅虿膁蒁薇袄肆蒀虿蚇羂葿荿袂袈葿薁蚅芇蒈蚄羁膃蒇螆螄聿蒆蒅罿羅蒅薈螂芄薄蚀羇膀薃螂螀肆薃蒂羆羂腿蚄螈羈膈螇肄芆膇蒆袇膂膇蕿肂肈膆蚁袅羄芅螃蚈芃芄蒃袃腿芃薅蚆膅节螈袂肁芁蒇螄羇芁蕿羀芅芀蚂螃膁艿螄羈肇莈蒄螁羃莇薆羆衿莆蚈蝿芈莅蒈肅膄莅薀袈肀莄蚃肃羆莃螅袆芅莂蒅虿膁蒁薇袄肆蒀虿蚇羂葿荿袂袈葿薁蚅芇蒈蚄羁膃蒇螆螄聿蒆蒅罿羅蒅薈螂芄薄蚀羇膀薃螂螀肆薃蒂羆羂腿蚄螈羈膈螇肄芆膇蒆袇膂膇蕿肂肈膆蚁袅羄芅螃蚈芃芄蒃袃腿芃薅蚆膅节螈袂肁芁蒇螄羇芁蕿羀芅芀蚂螃膁艿螄羈肇莈蒄螁羃莇薆羆衿莆蚈蝿芈莅蒈肅膄莅薀袈肀莄蚃肃羆莃螅袆芅莂蒅虿膁蒁薇袄肆蒀虿蚇羂葿荿袂袈葿薁蚅芇蒈蚄羁膃蒇螆螄聿蒆蒅罿羅蒅薈螂芄薄蚀羇膀薃螂螀肆薃蒂羆羂腿蚄螈羈膈螇肄芆膇蒆 土耳其KIRAZDERE水库运行调度Z.Rao摘要Kirazdere水库是投资8.6亿美元为Lzmit地区和西部土耳其环海湾地区供水项目的一个组成部分，水库由DSI，国家水力委员会规划设计。但是，后来的调查表明：要满足水库在高可靠性上达到额定输出量有一定难度。虽然后来考虑在溢洪道设计水位以上蓄水，通过安装用于洪水控制的大型弧形门来增加蓄水量，但是，本文主要限于描述最终目标是最大可能的获得额定输出量的长期战略的过渡期，包括在假定溢洪道设计水位决定最大可控制蓄水量的前提下，确定供水限制的时间和水量。1.概述最近投资建成的Kirazdere水库拥有268km2集水区，是Lzmit地区和西部土耳其环海湾地区的主要供水源，为约一百二十万人口和正迅速发展的工业园提供水资源。Kirazdere水库是投资额为8.6亿美元的BOT工程的一部分，该工程包括一个供水处理厂和长140km，日供水量480,000m3的引水管道系统。土坝建造在一个地震多发区，坝高108m，宽400m，在溢洪道设计水位情况下，蓄水量约为45,700,000km3。但是，如果在溢洪道以上安装四个大型弧形门，可以使最大蓄水量提高到大约60,000,000km3。八十年代初期，水库由DSI，国家水力委员会设计，但是由于资金短缺，部分工程没有完成。在和泰晤士河委员会签订协议以后，将工程转变成为一个BOT（built operate transfer）项目，开始了对水库的重新评价，包括：即使在最小补偿流和最大蓄水量60,000,000m3的情况下，整个系统也将努力实现在高可靠性上达到年额定输出量1.42亿km3。所以，为了保证供水的可靠性，考虑采用弧形门来蓄水。当然，这一切必须是在保证不增加下游形成坝的筑堤被淹没的危险性的条件下完成。然后，将这些目标系统化，形成了一个长期控制计划，即：每年不同月份的最大蓄水量依据出现洪水的危险性进行调整。最后，应用最优化模型来决定进行供水限制的时间和程度。与其相应的短期控制策略是指具体实施长期控制策略的方法，包括为洪水防治提供策略。这需要一个检测控制和数据采集（SCADA）网络系统，将水文资料和控制设置传输到控制中心。这里，利用实时降雨量作为预测水库入流的主要指标，依次输入最优化程序，来确定弧形门的控制设置。采用这种方法，就有可能利用降水和实际入流之间的时间差，从水库的溢洪道排水，保证水量不超过下游最大流量限制，从而达到更大的蓄水量。为了发展综合最优控制策略，在它得以实施以前，可以假定最大蓄水量限制为45,7000,000m3，以确定供水限制的时间和水量。这个阶段被称为长期控制策略的过渡期。（目前，从SCADA网络系统得到的数据资料还很不充分，不足以可靠的估测短期预报程序中所需要的水文参数。）本文主要介绍系统化长期控制策略过渡期过程中所采纳的方法。2. 优化模型为了尽可能的达到额定输出值，最优化程序的目标是使实际供水量和需水量的差额的平方值最小。表达式如下：Min (1)其中：T总时间长度；Rt 在t时间范围内的实际需水释放量；Dt在t时间范围内的需水量。约束条件：St+1 = St + Qt Rt Et(2)Rmin Rt Rmax(3)Smin St Smax(4)S0 = ST(5)其中：St 时间范围t内水库最初的蓄水量；St+1 时间范围t内水库最终的水库蓄水量；Qt 时间范围t内水库的入流量；Et 时间范围t内净蒸发量；Smax 最大可调控蓄水量；Smin 最小可调控蓄水量或死区；为了应用动态过程程序，将水库蓄水量设定为状态变量，供水量设定为决策变量，阶段的变化由时间来代表。因此，回归关系式可以表示为：(6)其中：目前阶段t到可调控极限范围内总供水不足额的最小值；n从目前阶段到可调控极限范围内剩余的时间步长数；通过动态过程程序求解方程（1）到（5）获得最优运行策略。3通过特定模式确定最优运行策略通过求解确定性动力模型获得的最优运行策略取决于具体的入流条件，所以基于某一年的具体条件而得到的策略的应用范围是有限制的。实际应用中，解决入流不确定性的常用方法是将可调控问题系统转化为一阶马尔可夫链。这样，在初始条件下，可以转化为特定模式分析的方法。在特定模式分析的方法中，入流的不确定性通过一系列特定模式分类，每一年的入流量被认为是一个特定的模式。确定性的优化过程通过很多特定的模式来完成，生成不同优化解的集合，每一个优化解代表与特定模式相匹配的优化策略。基于这些优化的运行策略的例子，通过模式识别技术获得良好的运行规律。4采用人工神经网络派生的运行规律最近的研究表明：一个三层的前馈神经网络（ANN）可以实现对任意函数的映射，根据相应的边界条件，它也能近似任意的连续非线性多元函数。在给定条件下，训练好的神经网络（网络节点采用全连接）能够识别输入数值集与输出数值集的关系。这样，我们无需详尽描述神经网络的结构，它可以通过生物神经元网络模型类比获得，而生物神经元网络模型可以进行模式识别以及从自身环境的相互关系中获取知识。同时，我们根据问题的性质来定义输入与输出层的神经元的数目，通过逐次增加隐含层节点数目直至获得一个满意解，这样确定一个神经网络的内部结构。本文中，神经网络的输入为初始蓄水量、水库入流量和需水量，而网络的输出为最优供水量。神经网络的神经元采用非线性的Sigmoid函数作为激励函数（而最常用的激励函数为阶梯函数），通过相应的权重值来反映网络不同层的相互连接。计算网络的权重值采用BP算法，它可以不断调整权重值，使预测误差最小化，得到尽可能满足训练模式的映射。另外，针对不同特定模式，有不同的最优运行策略，采用它们作为训练模式的样本，这样，训练好的神经网络即为鲁棒性的运行规律，它可以根据水库的最初蓄水量、入流量以及需水量等条件确定水库的最优供水量。5通过模拟评估最优可运行策略用能否提高运行性能作为衡量运行策略优劣的标准，我们可以比较模拟结果与实际情况的吻合程度，量化某种策略的优劣。模型本身是很简单的计算程序，只需要提供模拟对象的几何尺寸，包括蓄水量和水库深度等，就可以进行模拟。尽管以前没有关于特定模式下水库是如何运行的记录，但是一切比较都要尽可能的反映实际情况。例如，在确定“实际”供水量时，目标是再现唯一对水库现场状况很了解的操作人员所察觉到的主要情况。这样，通过比较实际决策和最优运行策略二者运行的结果，来量化最优运行策略带来的改进程度。6在Kirazdere水库的应用利用布置在Kirazdere 河下游的Yuvacik测量站获得的数据作为水库的入流条件。总体上说，有33年的量测数据可以应用，但是因为检测站建立以后物理条件发生了很大变化，所以1984年以后的数据一直被怀疑。但是，在水库流动转向渠和互关联处安装了电磁测量仪，Yuvacik的长期水流检测数据得到了校正。基于前文所述的方法，这些年的数据被分成33个独立模式，每一个模式跨度一年，利用动力过程计算得到对应年的最优运行策略。为了计算，假定最大可调控蓄水量由溢洪道设计水位限定（45,000,000m3），同时假定，142,000,000m3的年额定输出量利用分配调整系数（变化范围0.85-1.11）在十二个月中进行分配。为了确定最优的运行规律，我们采用各种不同的人工神经网络结构进行评估发现：调整策略按月份比按年份考虑，神经网络获得了更好的性能。因此，我们根据不同月份的运行规律采用了12个人工神经网络，每一个代表一年中相应的月份。同时，我们采用不同的隐层神经元个数对人工神经网络的内部结构进行试验，结果表明：采用2-4-1结构能够普遍代表12个人工神经网络的结构。人工神经网络的输入包括月初蓄水位和水库月入流量，输出为供水量，根据33年的入流数据对12个人工神经网络进行训练与测试，来获得最优运行策略，然后把训练好的人工神经网络作为运行规律来确定相应月份的供水量。7结论本文研究了Kirazdere水库长期运行策略的过渡期发展，它的最终目标是尽可能实现额定输出量。方法包括应用动力过程确定每年的最优策略，接着应用12个人工神经网络（每个月份一个）利用运行规律来获取知识库。然后，通过模拟来量化和单独应用工程判断相比较本方法的好处。结果表明，本研究所取得的优化操作规则比以前应用在水库可靠性评估的方法要好的多。总体上，模拟结果表明，和以前的研究结果相比较，平均年供水量可以增加2.34，最小年供水量可以增加6.94。而且，本研究获得的运行规律更健全和完备。尽管本方法有一定的局限性，但是和传统确定性方法相比它有独特的优点，在大多数情况下它都可以获得接近最优的结果，即使是在最坏的情况下至少也可以获得相当安全的结果。值得一提的是，运行策略和相关运行规律都是在提供的33年流动数据基础上得到的，因此在很大程度上依赖于所提供的数据和运行参数。但是，就过渡期策略而言，它仅仅是在完善基于随机动力学模型的长期策略期间应用，因此已经足够。但是，在长期策略进入实施以前，因为在溢洪道设计水位以上蓄水将大大增加下游发生洪水的可能性，所以作为补充的短期运行策略显得很重要。当有足够的SCADA数据来估算实时预测模型中的水文参数的时候，短期和长期运行策略便可以投入实施。同时，既然实际需水量比额定输出量小，目前看来，在溢洪道设计水位以上蓄水并没有从长久来看那么迫切。 蚂羈羂莄袇袄肁蒆蚀蝿肀蕿蒃肈聿芈虿肄肈蒁蒁羀肈薃螇袆肇节薀螂肆莅螅肁肅蒇薈羇膄蕿螃袃膃艿薆蝿膂莁螂蚅膂薄薅肃膁芃袀罿膀莆蚃袅腿蒈袈螁膈薀蚁肀芇芀蒄羆芆莂虿袂芆蒅蒂螈芅芄蚈螄芄莇薁肂芃葿螆羈节薁蕿袄芁芁螄螀莀莃薇聿莀蒅螃羅荿薈薅羁莈莇袁袇羄蒀蚄螃羄薂衿肂羃节蚂羈羂莄袇袄肁蒆蚀蝿肀蕿蒃肈聿芈虿肄肈蒁蒁羀肈薃螇袆肇节薀螂肆莅螅肁肅蒇薈羇膄蕿螃袃膃艿薆蝿膂莁螂蚅膂薄薅肃膁芃袀