（水文学及水资源专业论文）淮河水库群防洪调度模型研究.pdf

摘要 流域水库群系统防洪联合调度是提高流域防洪能力的重要非工程措施，本文以淮 河1 8 座大型水库组成的大规模水库群为背景，开展了水库群防洪调度模型及其求解方 法的一系列研究。 概化了淮河上中游水库群防洪系统，利用大系统分解协调思想将系统分解为流域 一支流一水库三个层次，实现了交互模拟模型与优化模型的有机结合。 建立了单库防洪优化调度蚁群算法模型，约束条件在解的构造过程中及在适应度 函数的设计中体现，并以寻优值、距平值和、计算时间为优化性能指标优选了算法的7 个参数。 以淮河史灌河支流流域为实例，从优化结果、计算效率及可操作性三方面比较了 蚁群算法与分段试算法的应用效果，发现蚁群算法在优化结果方面优于分段试算法， 在计算效率和可操作性方面低于分段试算法。 针对河库联合调度问题，论文建立了库容分配模型，该模型在传统的库群优化调 度目标函数中引入选择调度模式的变量和表示不同防洪点重要性的系数，可以表达空 间上不同防洪点的重要性差异以及补偿模式与削峰模式的自由组合。 关键词：淮河、水库群、防洪、蚁群算法、库容分配模型 a b s t r a c t t h e j o i n to p e r a t i o no fm u l t i - r e s e r v o i rs y s t e mi sa 1 1i m p on _ a 1 1 tn o n s t n l c t u r a lm e a s u r et o i m p r 0 v en o o dc o n t r o la b i l i t yo fr i v e rb a s i n b yc h o o s i n gt h el a r g es c a l em u l t i r e s e r v o i r i n c l u d i n g18l a 玛er e s r v o i r so fh u a i h e 砌v e ra st h eb a c k g r o u n d ，ar e s e a r c ho nn o o dc o n t r o l o p e m t i o nm o d e la i l ds o l v i n gm e t l l o di sp r e n t s e n t e di nt h i sp a p e l i ti sg e n e r a t e df l o o dc o n t r o ls y s t e m so fm u l t i - r e s e r v o i ro fh u a i h e 砌v e r t h el a 唱es c a l e m u l t i r e s e n ，o i ri sd e c o m p o s e di n t or i v e rb a s i n ，t r i b u t a r ) ra n dr e s e r v o i rt h r e e1 a y e r sb a s e do n l a 唱es c a l es y s t e md e c o m p o s i t i o n - c o o r d i n a t i o nt h e o r y ，c o m b i n i n gi n t e r a c t i v es i m u l a t i o n m o d e la n do p t i m i z a t i o nm o d e l i ti sp r o p o s e da n tc o l o n ya l g o r i t h mm o d e lo f s i n 9 1 er e s e r v o i rf o rn o o dc o n t r o lo p t i m a l o p e r a t i o n c o n s t r a i n t sw a st r a n s f i o m e dw i t ht h ed e s 啦o fs o l u t i o n 柚df i t n e s s 鼬1 c t i o n 7 p a r a m e t e r sa r es e l e c t e d 、v i t ht h r e ei n d e x e si n c l u d i n go p t i m a lv a l u e ，a 1 1 0 m a l yv a l u ea n d c a l c u l a t i o nt i m e ac o m p 耐s o no fa n tc o l o n ya l g o r i t l l i na l l dt r i a l a 1 1 d e 1 1 r o rm e t h o dt oa p p l i c a t i o no f m u l t i - r e s e r v o i rf l o o do p e r a t i o nw a sc a r r i e do u tw i t har e a lc a s eo ft r i b u t a d ，b a s i n 1 ti s c o n c l u d e da n tc 0 1 0 n ya 1 9 0 r i t l l i i li ss u p e r i o rt ot r i a l a n d e 1 1 r o rm e t h o da to p t i m i z a t i o nr e s u l t s b u ti n 尼r i o rt ot r i a l a l l d - e n o rm e t h o da te 娟c i e n c ya n d 叩e r a b i l i t y i ti se s t a b l i s h e dm o d e lo fr e s e r v o i rs t o r a g ea l l o c a t i o nf o r j o i n to p e r a t i o no fr e s e r v o i ra n d r e a c h ，o fw h i c ht h eo b j e c t i v e 矗m c t i o ni n c l u d i n gc o e 街c i e n te m b o d y i n gas p a t i a ls i g n i f i c a l l c e d i 虢r e n c ea td i 虢r e n tn o o dc o n t r o lp o i n t sa l l dv a r i a b l ed e n o t i n gas e l e c t i o no fo p e r a t i o n m o d e k e yw o r d s ：h u a 弛er h e bm u l t i - 心s e r v o i ln o o dc o n t m l ，a n tc o l o n ya l g o n t h m ，m o d d o fr e s e r y o i rs t o r a g ea l l o c a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 1 扩 论文作者( 签名) ： 重! j ：盈尘加谚年6 月肠日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 墨! 二菱 砂诱年石 月b 日 第l 章绪论 1 1 问题提出 第l 章绪论 我国是世界上洪涝灾害最为频繁和严重的国家之一，洪涝灾害对社会经济造成的 损失据各种自然灾害的首位1 1 】1 2 1 。特别是新中国成立以来，随着人口的增加、气候环境 的改变和社会经济的发展，洪涝灾害给人民的生命财产带来的损失越来越大，严重地 影响了我国的可持续发展。 为了减轻洪水灾害，我国建立了大量控制洪水的防洪工程。据统计，至2 0 世纪末 我国已建成水库8 5 万座，已建各类堤防2 7 万余千米，开辟临时分蓄洪区1 0 0 余处。 主要江河都形成了由水库、堤防、分蓄洪区组成的防洪工程系统。但与世界其他国家 一样，大量投资形成的防洪工程体系，仅仅降低了洪灾发生频率，由于沿河社会经济 发展等多种原因，洪灾损失并未减少。这些事实表明，人类改造自然的能力是有限的， 工程有标准，就必然有超标准，工程的标准愈高，一旦成灾，其致灾强度将愈大，水 灾损失将愈惨重。 我国政府在1 9 9 8 年长江发生特大洪水后，对洪水问题进行了深入的思考，对防洪 工作做了战略性的调整。提出运用系统理论与风险管理方法，从单纯控制洪水向综合 管理洪水转化，非工程防洪措施受到广泛重视。 水库防洪优化调度是一种重要的非工程措施，对确保水利工程安全运行起着重要 作用。由于其投资少、效益大、见效快，受到防洪和水资源管理部门的重视，也是防 洪领域的热点研究问题之一，目前世界各国都十分重视。在防洪联合体系中，水库群 系统防洪联合调度，是指对流域内一组相互问具有水文、水力、水利联系的水库及相 关工程设施( 如堤防、滞洪区、分蓄洪区等) 进行整体统一的协调调度，既保证水利 设施自身安全，又确保上下游洪水损失最小，从而达到全流域系统损失最小的目的【3 j 。 淮河流域包括淮河及沂( 河) 沭( 河) 泗( 河) 两个水系，地处中原，跨湖北、 河南、安徽、江苏、山东五省，流域内共有耕地1 8 亿亩，人口1 6 亿，是我国重要的 粮、棉、油生产基地和能源基地，在我国经济社会发展中占据重要地位。由于淮河流 域地处我国南北气候过渡带，气候多变，降雨时空分布不均；人口密度大，人与水争 地矛盾突出；再加上淮河流域独特的易致灾的自然地理特征和历史上黄河长期南泛夺 河海大学硕士学位论文 淮河水库群防洪调度模型研究 淮的影响，淮河流域一直洪涝旱灾害频繁，尤以洪涝为重。 经过5 0 多年的努力，淮河流域现已建成水库5 7 0 0 多座，大型水库3 6 座( 其中淮 河水系18 座，沂沭泗水系18 座) ，修建堤防5 万l ( r i l ，新开人工新河2 0 多条，建行蓄 洪区近3 0 个，形成了比较完善的防洪体系，基本解决“小雨小灾，无雨旱灾 问题， “大雨大灾”的问题也有较大减轻。但是随着近年来全球气候的变化及淮河流域的社 会经济的快速发展，争取实现“大雨小灾”依然是艰巨的任务，因此在现有的防洪工 程体系基础上研究流域水库群防洪调度具有重大意义。 1 2 水库防洪调度研究进展 随着防洪工程系统不断拓展、复杂程度不断提高，对防洪调度要求越来越高，水 库防洪调度理论与方法以及采用的技术手段也同步取得了巨大进步，问题的研究经历 了常规调度到优化调度，再到决策支持系统三个阶段。 1 2 1常规调度 常规调度方法，是相对于数学模型而言的，它是不需要通过复杂计算就能够做出 防洪调度决策的一类方法的总称。目前最为常见的形式有调度图表和调度规则1 4 】 i 引。 常规方法具有简单直观，便于操作等优点。但常规调度方法的局限性也是十分显 著的，具体表现在以下几个方面：常规调度方法多半是一种经验调度方法，对于实时 信息的接纳能力较差；方法本身体现的是统计规律，对于实时水雨情的变化和工情变 化的适应性较差；调度面对的对象越来越复杂，组合情况越来越多，常规调度方法的 有效性面临挑战。特别是对于水库群或较复杂水利系统的调度，由于组成的库数( 或工 程单元) 较多，相互关系复杂，要考虑的因素和待定的决策变量为数众多，对于这种情 况，常规调度方法就愈显得不能胜任，这就更需要采用其它优化方法和近代计算技术【9 】。 1 2 2优化调度 随着现代径流调节理论的完善，计算机和信息技术的进步，数学方法尤其是系统 分析方法的兴起与发展，给复杂防洪系统的联合调度提供了新的途径。 水资源系统分析是系统分析在水资源系统规划和管理中的应用和发展，它的主要 2 第l 章绪论 任务是从全面整体的观点出发，利用当代科学的最新成就和电子计算机技术，对水资 源系统的规划和管理问题进行分析和研究，最终设计出一个整体最优的水资源系统。 数学规划方法是最早被应用于解决水资源系统的优化问题，在防洪系统的设计与 管理方面，被广泛采用的数学规划方法有：线性规划方法、动态规划、非线性规划、 网络分析等。 线性规划方法是在水资源领域中应用最早最广泛的规划技术之一。在水库群系统 防洪联合调度方面，国外w i n d s o r 【1 最早提出以线性规划进行研究。国内王厥谋为 丹江口水库建立了一个考虑河道洪水变形和区间补偿的线性规划模型。王栋、曹升乐【1 2 1 根据水库群防洪调度的基本原理和最优准则，对水库群系统防洪联合调度建立了一类 最大防洪安全保证的线性规划模型。马勇、高似春、陈惠源l l3 j 针对由混联水库群和多 分蓄洪区组成的复杂防洪系统，建立了一个防洪系统联合运行的大规模线性规划模型。 线性规划求解方法成熟，处理方便，在满足线性和连续性等假定下具有广泛应用价值。 动态规划法是一种研究多阶段决策过程的递推最优化方法，其基本思想是建立在 r b e l l m a n 在2 0 世纪5 0 年代提出的动态规划理论基础之上的，把复杂高维的原问题化 为一系列较为简单的低维子问题，具有原理简单易懂，方法比较灵活，应用范围广泛 的特点，是水库调度中应用最多、效果最好的优化技术之一。 国外最早把动态规划应用于水库优化调度的是美国的j dl m e 【1 4 l ，他于1 9 5 5 年提 出了径流为随机的水库优化调度随机数学模型；r a h o w 删1 1 5 j 于1 9 6 2 年提出了动态规 划与马尔柯夫过程理论。y o u n g g k 于1 9 6 7 年研究了确定条件下的水库群优化调度。 r o s s m a l l l 【1 6 j 于1 9 7 9 年将l a g 瑚1 9 e 乘子理论用于随机约束问题的动态规划解。 t u r g e o n “1 7 j 于1 9 8 1 年运用随机动态规划和逼近法解决了并联水库群的优化问题。 国内对动态规划的研究与应用在2 0 世纪7 0 至8 0 年代取得了丰富的成果，虞锦江 u 剐等在最可能洪水概念的基础上，提出了满足洪水设防要求的洪水调度动态规划模型； 胡振鹏、冯尚友19 】1 2 0 1 建立了一个多状态动态规划模型，目标函数取为总分洪量最小或 者所需调洪库容最小，并以预报一决策一实施所谓的向前卷动决策方法求解；许自达【2 u 以时空动态规划求解水电站水库群最优洪水调度问题，以一般动态规划求解整体防洪 最优运用问题；李文家、许自达【2 2 】根据经过水库群拦蓄后下游超过设防标准洪水最小 的准则，结合河道滞蓄作用大小，建立了黄河三门峡、陆浑、故县三库联合调度防御 下游洪水的动态规划模型；吴保生、陈惠源【2 3 】建立了一个并联水库防洪优化调度的多 河海大学硕士学位论文淮河水库群防洪调度模型研究 阶段逐次优化算法模型，解决了河道水流状态的滞后影响问题：傅湘、纪昌明1 2 4 】针对 过去使用动态规划进行防洪调度时忽略了后效性影响的缺陷，建立了一个多维动态规 划单目标模型。 但是动态规划法也存在着许多不足之处，如计算复杂性问题( 维数灾难) ，无后效 性等，使得应用存在很大的局限性。对此，人们通过研究提出了一些改进的动态优化 算法：例如，离散微分动态规划( d d d p ) 、增量动态规划逐次逼近法( i d p s a ) 、双状态 变量动态规划( b s d p ) 以及渐进优化算法( p o a ) 等。 非线性规划能够有效处理目标函数不可分和非线性约束问题，可为水库调度提供 更为基本的数学方法。但是，非线性规划方法优化计算过程缓慢，目前还没有通用的 解法和程序，所以直接利用非线性规划方法解决水库调度问题的并不多见，实际应用 时常常需要进行线性化，将非线性规划问题转化为线性规划问题求解，或者与其他优 化方法和模拟方法结合。 网络规划方法是一种基于图论和网络分析的规划技术，网络分析法在水利系统水 库优化调度中的研究和应用，为解决日益庞大的水利系统优化调度问题开拓了新的方 向。网络规划方法求解问题的基本原理是：首先将所研究问题的性质用网络图表示出 来，然后根据该网络的性质，利用网络分析算法寻求最优解。国内外应用网络分析法 进行水库优化调度取得的大部分成果是计算水库群发电调度、水电站水库死库容优选 等方面，在库群防洪调度方面的应用还不是很多。1 9 9 7 年，杨侃、谭培伦、仲志余【2 5 】 等提出了基于传播时间的零维增益弧网络优化调度模型理论及相应的有效算法，并应 用到以三峡为中心的长江防洪系统优化调度的研究中，该模型不仅考虑了水量在时间 和空间上的合理调度，而且考虑了复杂非线性动态系统中弧流量的传播，且具有结构 概念清晰、计算机所耗内存少，计算速度较快等特点，它克服了复杂时变非线性网络 求解的困难。 随着数学与计算机技术的发展，许多新的算法被引入到水库优化调度领域，例如 对策论、存储论、灰色系统、神经网络和遗传算法等一系列方法。近年来尤以仿生算 法在水库优化调度中发展迅速。 人工神经网纠2 6 】是对人脑若干基本特性通过数学方法进行的抽象和模拟，是一种 模仿人脑结构及其功能的非线性信息处理系统。人工神经网络处理信息象人脑一样由 神经元之间的相互作用而实现，它通过信息样本对神经网络的训练，使其具有人的大 4 第l 章绪论 脑的记忆、辨别能力，进而达到信息处理的目的。 1 9 5 7 年f m a l ( r o s n e b l a n 首次提出并设计制作了著名的感知器( p e c r p e n n o ) ，这是 最早的人工神经网络模型，掀起了研究人工神经元网络的高潮。1 9 8 2 年生物物理学家 普j h o p f i e l d 教授提出了h o p f e l i d 神经网络模型，神经网络的研究取得了突破性进展。 1 9 8 6 年d e r u m e h l a n 等人提出了解决多层神经网络权值修正的算法一误差反相传播 法( b p 算法) ，使人工神经网络得以全面发展起来。 2 0 0 1 年，陈建康、马光文阳提出了水库( 电站) 最优调度规则的人工神经网络模 型，并通过实例证明了模型的合理性、可行性及实用性。同年，李明、张德福【2 8 】等在 水库优化调度的神经网络模型结构采用前馈式神经网络，验证了应用神经网络进行水 库优化调度的可行性和先进性。2 0 0 3 年，王本德、许海军【2 9 1 提出了水库防洪实时调度 决策模糊推理神经网络模型，较好地解决了实时调度决策模糊推理方法的学习功能的 问题。 遗传算法是一种基于生物遗传和进化机制的适合于复杂系统优化计算的自适应概 率优化技术【3 0 1 。它直接以目标函数值作为概率搜索的基本信息，可同时使用多个搜索 点的信息，并且占用计算机内存少，尤其适用于求解一些非线性、多模型、多目标和 多参数的复杂系统的全局总体优化问题，在水库群优化调度中发展迅速。 在国外，e a s t 和h a l l 在1 9 9 4 年将遗传算法应用于四库联调问题，目标函数是满足 水库库容约束及泄流约束前提下使发电和灌溉效益最大。他在比较对计算机性能的要 求之后，展现了遗传算法与动态规划相比降低计算费用上的优势。1 9 9 9 年r o b i n w a r d l a w 和m o h ds h 撕一3 1 】研究了几种形式的遗传算法在水库调度中的应用，并深入分 析遗传算法选用不同方式及参数对计算结果影响，分析较优的编码方式和遗传操作方 式，最后计算一个十库联调问题验证了遗传算法的鲁棒性。 遗传算法在国内水资源系统方面的研究虽然起步晚一些，但也取得了一些成果。 1 9 9 7 年，马光文、王黎【3 2 】将遗传算法用于水电站优化问题，从多个初始点开始寻优， 沿多路径搜索实现全局或准全局最优；2 0 0 3 年，宋朝红等针对水库群系统调度模型中 目标函数的高度非线性特点，提出利用十进制编码的混合遗传算法来进行求解【33 ，提 出利用罚函数法来处理边界条件和其他非等式约束；2 0 0 5 年，冯逊、王金文根据水电 站优化调度问题的实际特点【3 4 】，用基于十进制的遗传算法，加入最优保存和局部搜索 两种收敛策略对问题进行了改进，并用五强溪电站的实际例子进行了模拟计算，与未 河海大学硕士学位论文淮河水库群防洪调度模型研究 经改进的遗传算法进行了比较，取得了比较满意的结果。2 0 0 6 年付洁廉、王金文1 ) 川， 提出了遗传算法与禁忌搜索算法相结合的混合优化算法，采取禁忌搜索算法替换遗传 算法变异算子的混合策略，以此算法对一个实例进行了模拟计算和分析，也取得了满 意的结果。 粒子群算法是由k e n n e d v 和e b e r h a n 等于1 9 9 5 年开发的一种演化计算技术【3 6 】。人 们通过对鸟群飞行行为的研究，发现在群体中对信息的共享有利于在演化中获得优势。 因此粒子群算法通过对“鸟群”简单社会系统的模拟，在多维解空间中构造“粒子群 ， 并通过粒子间的相互作用发现复杂搜索空间中的最优区域。 粒子群算法虽然起步较晚，但发展迅速。2 0 0 6 年马细霞、储冬冬【3 7 】提出了基于粒 子群优化算法的水库优化调度模型，以实例进行了模拟演算与分析，并指出与动态规 划法比，粒子群算法无需存储状态点、计算时间明显减少。2 0 0 7 年，刘群明、陈守伦 等1 3 8 】提出了粒子群优化与死亡罚函数相结合的混合算法，并将模型运用某流域由4 个 水库组成的串联水库群防洪系统，得到了较好的的结果。 蚁群优化算法是由意大利学者m d 嘶g o ，v m a n i e z z 0 和a c o l o m i 【3 9 卜【4 1 1 于2 0 世纪 9 0 年代初提出来一种新型的模拟进化算法，用蚁群在搜索食物源的过程中所体现出来 的寻优能力来解决一些离散系统优化中困难问题。己经用该方法已应用于网络路由优 化、数据挖掘以及一些经典的优化问题( 如旅行商、武器分配、车辆调度、图着色等) 。 尽管蚁群优化算法显示出较大的应用前景，但是在水库优化调度问题应用较少。2 0 0 1 年，h u a n gs j 【4 2 j 应用蚁群算法求解台湾水电系统短期优化调度问题，得到了近似最优 解。2 0 0 5 年，徐刚、马光文等【4 3 】将蚁群算法引入了水库的发电优化调度中，模型引入 了变异特征，用实例表明其相对于动态规划计算速度快、收敛性好，能有效的避免维 数灾。2 0 0 6 年，王德智、董增川【4 4 】等针对供水水库优化调度问题引入了一种改进的连 续蚁群算法。 将蚁群优化算法有效应用于大规模系统及确定其参数是未来研究的重点，目前该 算法在水库防洪优化调度中应用较少。 1 2 3决策支持系统 决策支持系统d s s ( d e c i s i o ns u p p o ns y s t e m ) 是以特定形式辅助决策的一种科学 工具，它通过人机对话等方式为决策者提供一个将知识性、主动性、创造性和信息处 6 第l 章绪论 理能力相结合、定性与定量相结合的工作环境，协助决策者分析问题、探索决策方法， 进行评价、预测和优选。 2 0 世纪7 0 年代初，k e e n 和s c o t tm o n o n 就提出了“d s s ”一词，s c o t tm o n o n 在 管理决策系统一书中第一次指出计算机对于决策支持的作用，标志着决策支持理 论研究的开始。2 0 世纪8 0 年代初期，关系数据库技术日益成熟，决策支持系统研究得 到进一步深化。2 0 世纪8 0 年代后期，决策支持系统与专家系统结合，出现了智能决策 支持系统( i d s s ) 的研究热潮。2 0 世纪9 0 年代初，伴随着数据仓库( d w ，d a _ t a w a r e h o u s e ) 技术和数据挖掘( d m ，d a t am i n i n g ) 技术以及随着人工智能的深入发展，决策支持系 统的研究迈向了新的阶段。 在我国从2 0 世纪8 0 年代中期开始，国内学者将决策支持系统的方法应用于水资 源规划和管理，到目前为止，在该领域已有许多成功的应用。近年来，d s s 在防洪领 域中的应用也得到了长足的进展。 我国在“八五 期间平行安排了长江、黄河、淮河防洪决策支持系统的开发， 初步形成了黄河防洪防凌决策支持系统、长江防洪决策支持系统和淮河防洪决策支持 系统；近年防洪决策支持系统的应用领域和普及范围越来越广泛，涌现许多省级防洪 决策支持系统，如浙江省防洪决策支持系统、江西省防洪指挥决策支持系统等：1 9 9 8 年大洪水后，国家防总办公室组织7 个高等院校和科研院所开始实施“全国水库防洪 调度决策支持系统工程 建设。宋松柏，冯国章，王双银等，开发研制了石头河水库 优化调度决策支持系统，该系统集成了数据采集与传输、数据库管理、水文预报、用 水计划编制、兴利调度计划编制、度汛计划编制、实时兴利调度、实时防洪调度、水 库优化调度和系统维护1 0 个子系统。钟平安等开发的福建金溪流域水电站群管理决策 支持系统，在g i s 平台上集成信息采集与处理，数据库管理，中长期径流预报，实时 防洪调度模型库，长中短套接发电调度计划编制模型库，水电站群日负荷分配，厂内 经济运行，调度方案评价，人机交互会商等功能。 1 3 本文的研究内容 本论文以淮河1 8 座大型水库组成的水库群为背景，研究水库群防洪调度模型及其 求解方法。主要研究内容如下： 1 ) 介绍了淮河流域的自然地理与防洪工程状况，分析了水库群联合调度的难点。 河海大学硕士学位论文淮河水库群防洪调度模型研究 概化出淮河防洪系统，并利用大系统分解协调思想将淮河的大规模水库群分解 为流域一支流一水库三个层次。 2 ) 阐述了蚁群算法的基本原理和实现步骤，探究蚁群算法在水库防洪优化调度中 的应用。构造了单库防洪优化调度蚁群算法模型，并进行了参数的试算优选。 最后将蚁群算法与分段试算法两种方法应用到库群防洪优化调度中并就优化 结果、计算效率、可操作性三个方面展开分析比较。 3 ) 建立了并联水库群防洪联合调度库容分配模型，在传统优化模型的目标函数中 引入选择调度模式的变量和表示不同防洪点重要性的系数，并与轮库迭代法进 行了比较。 第2 奇淮 f i i 水库群防洪系统 2 1 流域概况 2 1 1地形地貌 淮河流域图 第2 章淮河水库群防洪系统 ： - 1 ： 图2 1 淮河流域图 淮河流域地处中国东部，介于长江和黄河两流域之间，位于东经1 1 2 度1 2 1 度， 北纬3 1 度3 6 度，流域面积2 7 万l ( m 2 。流域西起桐柏山、伏牛山，东临黄海，南以大 别山、江淮丘陵、通扬运河及如泰运河南堤与长江分界，北以黄河南堤和沂蒙l 与黄 河流域毗邻。淮河流域以废黄河为界，分淮河及沂沭泗河两大水系，流域面积分别为 1 9 万l m l 2 和8 万l 锄2 ，有大运河及淮沭新河贯通其间。 淮河发源于河南省桐柏山，东流经豫、皖、苏三省，在三江营入长江，全长1 0 0 0k m ， 总落差2 0 0m 。洪河口以上为上游，长3 6 0l ，地面落差1 7 8m ，流域面积3 0 6 万2 ； 洪河口以下至洪泽湖出口中渡为中游，长4 9 0k m ，地面落差1 6m ，中渡以上流域面积 1 5 8 万k m 2 ；中渡以下至三江营为下游入江水道，长1 5 0k m ，地面落差约7m ，三江 营以上流域面积为1 6 4 6 万k m 2 。洪泽湖以下淮河下游的排水出路，除入江水道以外， 还有苏北灌溉总渠和向新沂河相机分洪的淮沭新河。 9 河海大学硕士学位论文淮河水库群防洪调度模型研究 淮河上中游支流众多。南岸支流都发源于大别山区及江淮丘陵区，源短流急，流 域面积在2 0 0 0 7 0 0 0l 锄2 的有白露河、史灌河、淠河、东淝河、池河。北岸支流主要有 洪汝河、沙颖河、西淝河、涡河、从浚河、新汴河、奎濉河，其中除洪汝河、沙颍河 上游有部分山丘区以外，其余都是平原排水河道，流域面积以沙颍河最大，近4 万l 锄2 ， 其他支流都在3 0 0 0 1 6 0 0 0 时之间。淮河下游里运河以东，有射阳港、黄沙港、新洋 港、斗龙港等滨海河道，承泄里下河及滨海地区的雨水，总流域面积为2 5 万k m 2 。 2 1 2水文气象 淮河流域地处我国南北气候过渡带，淮河以北属暖温带区，淮河以南属北亚热带 区，气候温和，年平均气温为1 1 1 6 。气温变化由北向南，由沿海向内陆递增。极 端最高气温达4 4 5 ，极端最低气温达2 4 1 。蒸发量南小北大，年平均水面蒸发 量为9 0 0 1 5 0 0l 砌，无霜期2 0 0 2 4 0 天。自古以来，淮河就是中国南北方的一自然分 界线。 淮河流域多年平均降水量约为9 2 0m m ，其分布状况大致是由南向北递减，山区多 于平原，沿海大于内陆。流域内有三个降水量高值区：一是伏牛山区，年平均降水量 为1 0 0 0m m 以上；二是大别山区，超过1 4 0 0m m ；三是下游近海区，大于1 0 0 0m m 。 流域北部降水量最少，低于7 0 0m m 。降水量年际变化较大，最大年雨量为最小年雨量 的3 4 倍。降水量的年内分配也极不均匀，汛期( 6 9 月) 降水量占年降水量的5 0 8 0 。 淮河水系多年平均径流深2 3 7m m 。年径流时空分布类似于降水量分布，山丘区大 予3 0 0m m ，其中大别山区黄尾河达1 0 5 4m m ，淮北北部不足1 0 0m m 。径流年内分配 的不均更基于降水，6 9 月的径流量占年径流的5 0 8 8 。径流年际变化剧烈，其 特点是最大与最小年径流相差悬殊，丰枯变化频繁。最大与最小年径流比值一般为5 3 0 倍，淮南各河小于1 0 倍，淮北及下游平原约为3 0 倍。 产生淮河流域暴雨的天气系统为台风( 包括台风倒槽) 、涡切变、南北向切变和冷 式切变线，以前两种居多。在雨季前期，主要是涡切变型，后期则有台风参与。台风 路径遍及全流域。暴雨走向与天气系统的移动大体一致，台风暴雨的中心移动与台风 路径有关。冷峰暴雨多自西北向东南移动，低涡暴雨通常自西南向东北移动，随着南 北气流交绥，切变线或锋面作南北向、东南一西北向摆动，暴雨中心也作相应移动。 1 0 第2 章淮河水库群防洪系统 例如1 9 5 4 年7 月几次大暴雨都是由低涡切变线造成的，暴雨首先出现在淮南山区，然 后向西北方向推进至洪汝河、沙颖河流域，再折向东移至淮北地区，最后在苏北地区 消失。一次降水过程遍及淮河全流域。 2 1 3洪涝灾害 如前所述，淮河处于南北气候、高低纬度和海陆相三种过渡带，地理气候条件特 殊，水旱灾害频繁。据统计：在黄河夺淮( 1 1 9 4 年) 以前的1 3 7 9 年中流域共发生洪涝 灾害1 7 5 次，平均每8 年发生1 次。1 1 9 4 1 8 5 5 年黄河夺淮期间，共发生较大洪水灾 害1 1 9 次( 不含黄河决溢水灾1 4 9 次) ，平均5 6 年发生1 次。1 8 5 6 1 9 4 8 年的9 3 年中， 共发生洪涝灾害8 5 次，平均1 1 年发生1 次洪涝灾害。 新中国成立以来，淮河经过系统治理，水灾造成的损失显著减少，特别是1 9 9 1 年 以来的治淮1 9 项骨干工程的实施，使流域洪涝灾情得到有效控制。2 0 0 3 年、2 0 0 7 年 淮河发生流域性大洪水，洪水比1 9 9 1 年大，但洪涝成灾面积以及经济损失却比1 9 9 1 年小。但由于孕灾的气候特征、特定的地理特征以及不对称的水系分布等自然条件难 以改变，淮河出现水灾的概率仍然较大，如1 9 5 4 、1 9 9 1 年、2 0 0 3 年和2 0 0 7 年流域性 大洪水和1 9 5 7 、1 9 6 8 、1 9 6 9 、1 9 7 4 、1 9 7 5 、1 9 8 2 、1 9 8 3 区域性大洪水等，水灾损失仍 然较重。据统计，1 9 4 9 2 0 0 0 年的5 2 年中年洪涝成灾面积2 3 7 9 5 万亩，超过6 0 0 0 万亩的年洪涝成灾平均1 3 年出现1 次。 2 2 防洪工程分布 2 2 1洪涝成灾特性 流域西部、西南部及东北部为丘陵地区，面积约占总面积的三分之一，其余为平 原、湖洼区，平原区地势平坦，河道坡降缓、泄量小，蓄泄能力低。这种特殊的自然 地理条件再加上地处南北过渡带的气候造成了淮河流域水旱灾害频发，特别是给防汛 带来不利影响。 淮河水系的洪水多发生在6 8 月。淮河上游及淮南支流坡降大，汇流快，产生的 洪水峰高、历时短。在淮北各支流中，洪汝河、沙颍河上中游虽属山丘区，但进入平 原后，河道坡降变缓，又受河道泄洪能力限制，汇入淮干的洪水与涡河等平原河道一 河海大学硕士学位论文淮河水库群防洪调度模型研究 样，其过程也很平缓。当淮北各支流洪水缓慢汇入淮河，而淮干上游与淮南山区各河 又连接发生洪水时，这种洪水的组合对淮河干流的威胁最大。梅雨季节发生在全水系 的特大洪水均由此造成。淮河中游河段比降小，沿淮湖洼众多，河道对洪水的调蓄作 用显著，加上行蓄洪区的作用，致使淮河洪水过程愈至下游愈缓慢，一次洪水过程可 达3 0 天以上。 2 2 2防洪工程 目前淮河水系形成了比较完整的防洪工程体系。现在已建成大型水库1 8 座，控制 面积2 万多k m 2 ，约占本水系山丘面积的1 3 ，总库容1 4 0 1 0 8m 3 。这些大型水库及众 多的中小型水库发挥了防洪与灌溉等综合效益。 由于黄河夺淮，使淮河水系沙颍河以东各支流遭到严重淤积破坏。新中国成立后， 整治了干支流，扩大了泄洪、排涝能力。淮河干流上游淮滨段泄洪能力已由过去的2 0 0 0 m 3 s 提高到7 0 0 0m 3 s ；中游正阳关至洪泽湖段由过去的5 0 0 0 7 0 0 0m 3 s 增加到1 0 0 0 0 1 3 0 0 0 m 3 s ；下游开挖了苏北灌溉总渠和淮沭河，扩大了入江水道，使淮河入江入海的 泄洪能力由1 9 4 9 年的8 0 0 0m 3 s 增加到1 3 0 0 0 1 6 0 0 0m 3 s 。2 0 0 6 年的入海水道近期工 程竣工，泽湖防洪标准从5 0 年一遇提高到1 0 0 年一遇；远期工程设计将使洪泽湖防洪 标准更进一步提高到3 0 0 年一遇。淮河大部分支流河道现已达到或超过十年一遇防洪、 三年一遇除涝标准。人工开挖的怀洪新河、新汴河、茨淮新河等一大批骨干排水河道 和数以万计的排水沟渠，使泄洪、排涝能力得到了进一步提高。 淮河水系现有一、二级堤防长4 2 0 0l ( i i l ，形成了比较完整的防洪屏障，其中淮北大 堤、洪泽湖大堤、里运河大堤等一级堤防8 7 0k m ，保护区内人口4 2 0 0 万，耕地4 5 0 0 多万亩。 新中国建立后，在沿淮洼地修建了2 2 个行洪区。为扩大淮河干流行洪通道，1 9 9 1 年以后废弃了4 个行洪区，同时，在南润段、邱家湖等行洪区作了退建。现在，1 8 个 行洪区总面积1 3 2 01 2 ，在中等洪水时可分泄河道泄量的2 0 4 0 ，大洪水时可达 3 0 6 0 。淮河水系有蓄滞洪区9 个，总面积2 2 8 6m 2 ，其中淮干中游蒙洼、城西湖、 城东湖和瓦埠湖4 个蓄洪区6 6 1 0 8 m 3 ，接近正阳关百年一遇3 0 天洪量的2 0 ，效益 显著。 2 0 世纪8 0 年代以来，加强了淮河防洪非工程措施的建设。现在，已建成以微波通 第2 章淮河水库群防洪系统 信干线为主的淮河通信系统：建成包括1 2 个重要河段、大型水利、水利枢纽、蓄滞洪 区以及国家防汛指挥系统示范区在内的由9 6 处水位站、1 4 9 处雨量站组成的淮河水文 遥测系统；在行蓄洪区，建成避水庄台5 7 9 1 0 4m 2 、避洪楼1 5 4 1 0 4m 2 、撤退道路 7 8 9k m ；以淮委和流域各省水利厅为中心的信息采集、传输和洪水预报调度系统已与 国家防办联网，为防汛和其他信息交换创造了条件。 2 3 水库群防洪系统及其分解 2 3 1水库分布与特性 白沙 翔：竺平台白危山 _ 咽k 否。 疆石滩藤& ，一熙一 周口 辩。俐 黧 花描 花山多石山口罡7 ，弼，i 砖疗她f 携东艨比铡尺 、 ”8 7万佛子艟 2 00 2 0 相柚l 哪 謦予潭 囝水瘩 赫洪点 图2 2 淮河大型水库分布图 已建1 8 座大型水库中，淮河上游支流共有花山、南湾、石山口、五岳、泼河五座 大型水库。南湾水库位于淮河支流澌河上游、河南省信阳市西南71 ( 1 1 1 处，水库控制流 域面积1 1 0 0l ( 1 1 1 2 ，坝址以上流域多年平均降雨量为1 2 4 3m m ，多年平均来水量4 6 7 1 0 8 m 3 ，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾城市供水、发电、养鱼、航运等综合利用的多 年调节大型水库。石山口水库位于河南省罗山县竹竿河支流小潢河上游，集水面积3 0 6 l ( 1 n 2 ，是一座以灌溉、防洪为主，结合发电和养殖综合利用的丘陵区水库。五岳水库位 于光山县青龙河上，水库控制流域面积1 0 2k m 2 ，集防洪、灌溉、发电、养殖等功能于 燕 r 八 y ， 洲 海 簿 河海大学硕士学位论文淮河水库群防洪调度模型研究 一体。泼河水库位于光山县泼河镇东南3 5l ( n l 处淮河水系潢河支流泼陂河上，控制流 域面积2 2 2l ( i i l 2 ，是以灌溉为主，兼顾防洪、发电、水产等综合利用的丘陵区水库。 支流洪汝河上共有石漫滩、板桥、薄山、宿鸭湖四座大型水库。其中石漫滩水库 位于河南省舞钢市境内的洪河支流滚河上，水库控制流域面积2 3 0l 2 ，是一座以工业 供水及防洪除涝为主、灌溉养殖为辅的大型水库。板桥水库位于汝河上游，在驻马店 市西4 5k m 的泌阳县板桥乡，水库控制流域面积7 6 8k m 2 ，是以防洪为主，兼顾城市供 水、灌溉、发电、水产等多种功能的大型水库。薄山水库位于汝河的主要支流臻头河 上游确山县境内，流域面积5 8 0k m 2 ，是以防洪，灌溉为主，结合发电、养鱼等综合利 用的山谷水库。宿鸭湖水库位于河南省驻马店市东2 4k m ，洪汝河水系汝河干流上，控 制流域面积4 4 9 8k m 2 ( 其中包括板桥7 6 2k m 2 ，薄山5 8 0l ( 1 n 2 ) ，占汝河全流域面积6 1 ， 流域内多年平均降雨量9 6 2n u l l ，多年平均径流量1 2 9 2 1 0 8 m 3 ，是一以防洪为主，结 合灌溉、养殖、发电等综合利用的平原水库。 支流史灌河上共有梅山和鲇鱼山两座大型水库。梅山水库位于安徽省金寨县境内 的史河上游，是以防洪、灌溉为主，结合发电、航运及水产等综合利用的多年调节水 库。鲇鱼山水库位于大别山区商城县城西5l 【i i l 处，水库流域面积9 2 4k m 2 ，是开发利 用灌河水资源、根治淮河的重要工程之一。鲇鱼山水库位于史灌河西支流灌河上，下 游距离商城县城5k m ，水库控制流域面积9 2 4 2 ，是以防洪、灌溉为主，结合发电、 养鱼、航运等综合利用的丘陵区水库。 支流沙颖河上共有白沙、昭平台、白龟山、孤石滩四座大型水库。白沙水库位于 淮河流域沙颖河上游，坝址位于河南省禹州市与登封市交界的白沙村以北3 0 0m 处， 控制流域面积为9 8 5m 2 ，是以防洪、灌溉为主，兼顾城市供水、水产等综合利用的大 型水利枢纽。昭平台水库位于淮河流域沙颖河水系沙河干流上，坝址位于河南省平顶 山市鲁山县城以西1 2l ( 1 n ，水库控制流域面积1 4 3 0k m 2 ，是一座以防洪、灌溉为主， 结合发电、养鱼、工业用水等综合利用的山谷水库，与下游相距5 1 k m 的白龟山水库联 合运用，控制沙河干流洪水。白龟山水库位于淮河流域沙颖河水系沙河干流上，坝址 位于河南省平顶山市西南郊庙后村，它与上游5 1 k m 的昭平台水库形成梯级水库，是以 防洪为主，兼顾城市供水、灌溉及水产等综合利用的半平原水库。孤石滩水库位于澧 河上游叶县常村乡，控制流域面积2 8 5l ( r n 2 ，是以防洪为主，灌溉、发电、养鱼等综合 利用水库。 1 4 第2 章淮河水库群防洪系统 支流淠河目前共有磨子潭、佛子岭、响洪甸三座大型水库。响洪甸水库位于大别 山区淮河流域淠河西源的安徽省金寨县境内，流域面积1 4 3 1l ( i i l 2 ，是一座以防洪、灌 溉为主，结合发电，并发展水产、航运等综合利用的多年调节水库。磨子潭水库位于 安徽省霍山县淮河支流淠河东源的磨子潭镇，流域面积5 7 0k m 2 。佛子岭水库位于安徽 省霍山县淮河支流淠河东源，流域面积18 4 0k m 2 ，其中上游磨子潭水库至佛子岭水库 的区间流域面积为1 2 7 0k m 2 ，是一座以防洪、灌溉、发电等利用的钢筋混凝土连拱坝。 表2 1 淮河大型水库基本情况表 2 3 2 水库群联合调度难点分析 流域水库群防洪调度具有重要意义，是防洪领域的热点研究问题之一。但是，目 河海大学硕士学位论文淮河水库群防洪调度模型研究 前的研究大多侧重于理论与方法，研究重点是新方法运用的可行性、计算效率、收敛 性等。在实际中，特别是本文研究的超大规模水库群，以下的原因制约了流域水库群 防洪联合调度新方法与模型的运用。 1 ) 组成水库群的各个水库控制流域面积相差悬殊 采用同一调度期是水库群联合优化调度的基本要求之一，为了保障解的可靠性， 要求参加联合调度的各个水库以及水库与水库区间具有等长且精度一致的入流过程预 报。由于洪水预报的预见期与流域面积密切相关，而水库群中各组成水库控制流域面 积相差很大，最大者( 宿鸭湖水库4 4 9 8h 2 ) 为最小者( 五岳水库1 0 2k m 2 ) 的4 4 倍。 由于淮河流域处于南北气候、高低纬度和海陆相三种过渡带的重叠地区，雨季前期多