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梅山水库优化运行研究 摘要 阐述了水库调度研究背景和国内外研究现状，根据大别山水库群长系列水 库水位、出库流量、现状用水等资料，以梅山水库为试点区，推算出水库逐时 段入库流量。采用三次天然样条函数拟合出水库水位库容及其它相关曲线，建 立了基于m a t l a b 的水库兴利调度模型，防洪调度模型以及优化调度模型。 优化调度模型以整个调度期内发电量最大，并考虑保证出力为目标，采用动态 规划算法对模型进行求解。计算结果表明所建水库调度模型是合理的，水库优 化调度模型更有利于水资源的充分利用，为皖西水库进一步提高水电能源利用 效率提供了理论基础。 最后对全文研究成果做出了总结，并针研究内容的不足和局限性部分，提 出了有待进一步研究发展的方向。 关键词：m a t l a b ；利用效率；水库调度 3 s t u d y o no p e r a t i o n so p t i m i z a t i o no fm e i s h a n r e s e r v o i r a b s t r a c t i n t h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h ed o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a l s t u d ys t a t u sa r ee x p a t i a t e d t od e m o n s t r a t eb ym e i s h a nr e s e r v o i r ，t h et i m ea v e r a g e r e s e r v o i ri n f l o wh y d r o g r a p ho fm e i s h a nr e s e r v o i ri s r o t t o n i sw o r ko u t t h e c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fr e s e r v o i ra n d o t h e rc u r v e sa r ed r a w nu pb y c u b i c s p l i n e t h er o u t i n es h e d u l em o d e l ，t h eo p t i m a lf l o o dm o d e l ，a n dt h eo p t i m i z a t i o n s c h c d u l em o d e lw h i c hb a s e do nm a t l a ba r ee s t a b l i s h e dw i t ht h es e r i e so f t h e r e s e r v o i rw a t e rl e v e l ，t h et i m ea v e r a g er e s e r v o i ro u t f l o w , w a t e ru t i l i z a t i o na n ds o o n u s i n gd y n a m i cp r o g r a m m i n ga l g o r i t h m ，t a k i n gt h em a x i m u me n e r g y o ft h e c a s e a d e dh y g r o p o w e rs t a t i o ni nt h ew h o l eo p e r a t i o nt i m e s a n dc o n s i d e r i n g g u a r a n t e e i n gp o w e r a ss u b je c t ，t h i ss e c t i o np r e s e n t sac a s c a d e dh y g r o p o w e rs t a t l o n e c o n o m i c a lo p t i m i z e do p e r a t i o nm o d e l t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e l s a r er e a s o n a b l ea n dt h er e s u l t so fo p t i m i z e do p e r a t i o ni sb e t t e rt h a nt h e r e s u l t so ft h e o r i g i n a lo n e n e wt h e o r yi sp r o v i d e df o rt h ei n c r e a s eo f u t i l i z a t i o nf a c t o ro fw a t e r r e s o u r c e so ft h ew e s t e r nr e g i o no fa n h u ip r o v i n c e f i n a l l y ，s t u d yr e s u l t so ft h ew h o l ep a p e ra r eg i v e n ，a n dt h e ni na l l u s i o n t ot h e s h o r t a g eo ft h i sa r t i c l ec o n t e n t s ，s o m es t u d yt ob ef u r t h e rs t u d i e da r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：m a t l a b ；u t i l i z a t i o nf a c t o ro f w a t e rr e s o u r c e s ；r e s e r v o i ro p e r a t i o n 4 插图清单 图4 一l 基于m a t l a b 的三次样条水位库容曲线拟合图1 4 图4 2 基于m a t l a b 的三次样条水位一面积曲线拟合图1 5 图4 3 坝上水位与发电洞最大发电过水能力( h q 发电) 关系线1 6 图4 一坝上水位一泄量( h q ) 关系线1 7 图4 5 坝上水位与机组耗水率关系曲线1 8 图4 6 供水期兴利调节程序框图1 图4 7 汛期兴利调节程序框图- 1 图4 8 调洪计算程序框图1 图4 91 9 6 9 年第2 1 1 次洪水调洪成果( 方案一：防洪高水位1 3 0 2 ) 3 6 图4 1 01 9 6 9 年第2 1 1 次洪水调洪成果( 方案二：防洪高水位1 3 1 2 ) 一3 6 图4 一1 11 9 6 9 年第2 1 1 次洪水调洪成果( 方案三：防洪高水位1 3 2 2 ) 3 6 图4 1 21 9 9 1 年第三次洪水调洪成果( 方案一：防洪高水位1 3 0 2 ) 3 7 图4 1 31 9 9 1 年第三次洪水调洪成果( 方案二：防洪高水位1 3 1 2 ) 3 7 图4 1 41 9 9 1 年第三次洪水调洪成果( 方案三：防洪高水位1 3 2 2 ) 3 7 图5 1 动态规划求解过程示意图1 图5 2 水库优化调度流程图1 3 插表清单 表仙1 梅山水库水位与库容关系表1 4 表4 乏梅山水库水位一面积关系表1 5 表仁3 梅山水库水位一泄量关系表1 6 表4 - - 4 梅山水库水位一机组耗水率关系表。1 7 表4 - o 梅山水库1 9 6 9 年( 丰水年) 兴利计算结果2 7 表4 - “梅山水库1 9 7 3 年( 平水年) 兴利计算结果2 9 表4 7 梅山水库1 9 7 6 年( 枯水年) 兴利计算结果：3 l 表4 81 9 6 9 2 0 0 8 年兴利调节计算结果汇总表3 3 表4 9 梅山水库的调洪成果表( 方案一：防洪高水位1 3 0 2 ) ：3 5 表4 1 0 梅山水库的调洪成果表( 方案二：防洪高水位1 3 1 2 ) 3 5 表仁1 1 梅山水库的调洪成果表( 方案三：防洪高水位1 3 2 2 ) 3 5 表5 一l 梅山水库长系列优化调度计算统计表4 5 表5 21 9 6 9 年梅山水库优化调度计算表( 丰水年) 。4 6 表5 31 9 7 3 年梅山水库优化调度计算表( 平水年) 4 8 表5 _ 41 9 7 6 年梅山水库优化调度计算表( 枯水年) 5 0 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金胆工业太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 签字电嘶”m 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：金胆王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆工些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论姥躲弘吐 导师躲 阮嗍 签字日期：力l o 年牛月f 日签字日期：卅晖牛月叫日 学位论文作者毕业后去向： 工作靴：瓠印袅唑必恫黜 通讯地址2 臣 骗岔l 碗蚓1 j d 羔 2 电话：硎吣7 雕 邮编：钟细 致谢 本文是在徐得潜老师悉心指导下完成的。在校期间，徐老师为我创造了良 好的学习环境，对本论文的撰写也倾注了大量的心血。虽然平时徐老师对我要 求非常的严格，但我知道老师对学生的关爱尽在其中，我永远不会忘记老师在 学术研究以及工作中表现出来的严谨的作风、精益求精的治学态度，这些都将 是我以后人生记忆中宝贵的财富。在这里衷心的向徐老师表示感谢! 感谢安徽省水利厅、安徽省水利水电勘测设计院及当地水电站的各位领导， 向我提供了宝贵的项目资料，并毫无保留地给了我关键性的指导和建议。在这 里我衷心的向您们表示感谢，谢谢你们每次不厌其烦的帮我讲解，谢谢你们在 我无助的时候，帮我指明了方向。 感谢王慧副教授、童芳讲师从论文开题开始，一直到现在给予我的关心， 在此衷心的说声谢谢! 感谢我的父母，是他们给我提供了最好的学习条件。感谢他们赐予我生命， 并且抚养成人，衷心的说一声您们辛苦了，我愿将我生命中美好的一切奉献给 您们。 感谢三年来亲密无间的室友：王彩娟和鲍燕寒。在生活上，她们一直像亲 姐妹一样关心着，包容着我。感谢她们的帮助，感谢她们给了我一个温暖的“家”。 最后，再次衷心感谢徐老师以及所有帮助过我的良师益友! 作者：丁爱生 2 0 10 年0 4 月0 81 3 1 1 研究背景 1 概述 位于安徽省西部的佛子岭、梅山、磨子潭、响洪甸、自莲崖、龙河口等六 座大型水库【l 】，除自莲崖水库是近期新建的，其他五座水库建设均建设于上世 纪五十年代，已运行5 0 多年，在农业灌溉、城镇供水、发电、防洪等方面发挥 了重要作用，取得了重大的经济效益和社会效益。经过5 0 多年的变迁，上述六 座水库汇水区域及服务区域的自然条件、水库水电站本身情况及社会环境等都 发生了较大的变化。如：大气降雨、地面蒸发、产汇流条件、径流来水情况、 城镇工业和生活需水、农业灌溉用水、生态环境用水、水库下游农田及城市防 洪标准、电力系统市场化及水利工程管理的理念等，均发生了比较大的变化。 佛子岭、磨子潭、响洪甸等水库的加固及改建，响洪甸增装抽水蓄能机组，白 莲崖水库的建成等，对水库本身及相关联的水库( 响洪甸水库、龙河口水库) 特征水位和运行都产生了较大影响，使得目前制定的兴利调度和防洪调度规则、 水库特征水位等已不能适应这些变化，在一定程度上影响了这六座水库效益的 发挥和防洪安全，故应进行由这六座水库组成的大别山水库群优化调度研究， 以最大限度的发挥大别山水库群防洪、发电、灌溉、供水等综合效益。 实行大别山水库群统一调度，一是能增强水库的调节能力，提高防洪能力， 解决好防洪、供水与发电之间的矛盾，使有限的水资源得到充分利用，缓解皖 西皖中地区工农业用水矛盾，提高水资源的利用效率；二是有益于改善皖西、 皖中地区生态环境；三为大别山水库群制定一套切实可行的运行水位控制线及 供水期与蓄水期的调度运行规则，以指导水库的实际运行，并为将来实行水库 群实时调度和建立系统决策支持系统奠定基础，彻底解决大别山水库群运行管 理问题。 1 2 水库调度及分类 水库调度工作【2 】，亦是水库控制运行，是依据水库担任的水利任务的主次 及规定的调度原则，合理的管理水电站及水库的运行工作，在保证大坝的安全 下，有计划的进行蓄水，以解决兴利各部门之间的矛盾，充分发挥水库的综合 效益，更好的满足各部门的要求。因此，开展水库调度方法研究，发挥水库的 综合效益，具有重要意义。通常将水库调度分为兴利调度、防洪调度和环境保 护调度，从求解方法上分，通常把水库调度分为常规调度和优化调度两类。 常规方法利用径流调节理论和水能计算方法，是一种半经验半理论的水库 调度方法，是一种是建立在水能学径流调配调节理论基础上的调度方法，即以 历史水文统计资料为依据，利用古典的水文学、水力学和径流调节的基本理论， 研究调度方式、调度规则、调度图和调度规程等指导水库运行的方法。这种调 1 度法虽然简单清晰，处理水库运行中各类相关因素亦较直观明了，但很呆板、 不灵活，带有一定的盲目性，效果不理想。 优化调度【2 】贝4 以运筹学( 或称系统工程学) 为理论基础，将一步多维化成 多步维来求解，利用现代的计算技术和最优化方法，寻求满足调度原则的最 优调度方式或方案，理论基础严谨。优化调度按照水库调度的基本原则和最优 准则，通过建立相应的目标函数，拟定其应满足的约束条件，可用严密的数学 方法求解最优化方式，使目标函数取得极值的水库控制运用方式。用“偏离最优 损失”判别式来检查方案的优劣；引入“效益、惩罚”方式来满足供电保证率可靠 性要求。水库优化调度按照对径流的不同描述可以分为确定性来水条件下的水 库优化调度模型和不确定性来水条件下的水库优化调度模型。 ( 1 ) 确定性来水条件下的水库优化调度： 确定性来水1 3 】，是假定某一确定时刻相应的径流量是一确定值。径流过程 的这种确定性描述【4 】，是指对应于某一确定时段的径流量是一个确定值，包括 用实测的或人工生成的径流系列或某些典型过程。这种径流的描述方法，直接 了反映径流在一定时期变化内的连续性和周期性，问接反映了径流的统计特性， 它适用于各种课题的调节计算，是目前径流描述中有效合理的方法。 ( 2 ) 不确定性来水条件下的水库优化调度【5 j ： 由于降雨、径流具有随机性，水电站水库的长期最优运行调度问题是一个 非确定性的多阶段决策问题。径流过程的随机描述【6 】，是将水库径流过程视为 以年为周期的随机过程。不确定来水下，水库随机优化调度模型与确定性模型 最大的区别在于它的天然来水是随机的，因而它的目标函数是调度期内总效益 的数学期望最大，而不是总效益的最大。 1 3 国内外研究现状 迄今为止，水库调度的主要作用是调节河流的天然径流，研究主要经历了 以下两个阶段。第一阶段是经验寻优法。该阶段以常规调度方法为主，概念清 楚，使用方便，得到了广泛的应用，但难以处理多目标、多约束的复杂调度问 题。第二阶段是优化调度法，它是以运筹学为基础的水库调度阶段。水库优化 调度是建立在现代数学理论的基础上的，它大致可划分为：线性规划( l i n e a r p r o g r a m m i n g ，简称l p ) 、非线性规划( n o n 1 i n e a rp r o g r a m m i n g ，简称n l p ) 、 动态规划( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ，简称d p ) 、判别系数法、模拟技术、控制方 法、神经网络方法( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，简称a n n ) 、遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，简称g a ) 、逐步优化算法、基于模糊理论的优化算法以及其他由此 衍生的优化算法。 i 3 i 国外研究现状 2 最早把优化概念引人单一水库调度的是美国人m a s e s ( 1 9 4 6 ) 。单一水库优 化调度最基本的模型为线性规划模型、非线性规划和动态规划模型。 上世纪5 0 年代初，美国数学家r b e l l m a n 等人提出了“最优化原理”，并通过 研究实际问题，创建了解决最优化问题的新方法一动态规划法动态规划是解决 多阶段决策问题最优化的一种方法，它将问题分为若干阶段，逐步求解，最终 取全局最优解。1 9 5 5 年，j d c l i t t l e t 7 】以简单马尔可夫链来描述径流，提出了 径流为随机的水库优化调度随机数学模型。1 9 6 0 年r a h o w a r d 8 将动态规划与 马尔可夫决策过程理论相结合，解决了模型很难达到多年期望效益最大和满足 水库系统可靠性要求的理论缺陷问题。 1 9 6 7 年，h a l l w af 阿l s h e p h a r d 9 】建立了线性规划和动态规划耦合的水库优 化调度模型。研究并开创了用确定性模型来解决水库调度规划问题的途径。同 年，y o u n g g k 【1 0 】提出了d p 法，研究了确定性来水条件下的水库优化调度d p 模 型。由于动态规划和逐步优化算法存在不足，近代兴起的智能算法也大量的被 应用于水库调度中来。a n n 是一门新兴的交叉科学，国际上对a n n 及其应用的 研究迅速地发展起来了。g a 出现为水库有优化调度问题的求解提供了一种新思 路。g a 克服了动态规划的“维数灾”，但是g a 局部寻优能力差，容易出现早熟 现象。p s o 是一种源于对鸟群捕食行为的研究而发明的进化计算技术，最先由 e b e r h a r t 博士和k e n n e d y 博士【1 1 , 1 2 】于1 9 9 5 年提出。 1 3 2 国内研究现状 我国学者开始将优化理论引入水库调度中始于上世纪6 0 年代。1 9 6 3 年，谭 维炎、黄守信【1 3 】等将动态规划与m a r k o v 过程相结合，建立了一个长期调节水电 站水库的优化调度模型。 1 9 7 9 年，董子敖【1 4 】等人在研究刘家峡水电站水库优化调度时，提出了以国 民经济效益最大为目标函数。水库优化调度的一般求解方法为动态规划，但随 着维数的增加，计算工作量必增加较多。为克服这一问题，张玉新、冯尚友i l 5 】 又于1 9 8 8 年提出了一个称之为多目标动态规划迭代法的求解方法，它是构造一 个三级段函数，计算效率较以前有所提高。1 9 8 8 年陈守煌【1 6 1 9 】把动态规划与 模糊优选有机结合起来，系统地发展了模糊决策与工程模糊集理论，水库调洪 数值解法、水库防洪调度决策理论、汛期描述模糊集理论等己在全国许多水库 得到了应用。1 9 9 4 年，谢新民和周之豪【2 0 】提出了一种基于大系统理论和传统动 态规划技术的水电站水库群优化调度模型与改进目标协调法，有效克服了“维数 灾”的问题。同年，都金康【2 l 】等针对吴保生等提出的方法寻优速度较慢的缺点， 提出了一种简便而高效的水库群防洪调度逐次优化方法。 2 0 0 3 年，仁德记【2 2 】针对黄河干流龙羊峡、刘家峡水库水电站的水库预报调 度呈多峰曲线形式，建立了两库的最优决策规律。2 0 0 7 年，马志鹏和陈守伦i z 副 在普通动态规划的基础上融合了灰色系统的思想和方法，提出了灰色动态规划 3 模型，该模型综合了确定型动态规划方法和随机型动态规划方法的优点，为水 库调度的动态规划应用研究提供了新的思路。并且通过一个算例说明了算法的 合理性和可行性。 1 4 研究思路 通过对大别山水库群现有资料分析与实际调查，了解大别山水库群目前在 汛限水位、联合调度及运行规则等方面存在的问题，以水文学、运筹学、系统 工程理论、智能算法、经济学等理论与现有的长系列来水资料为基础，在保证 防洪安全和生态用水的前提下，以灌溉、供水和发电综合效益最大为目标，运 用动态规划、多目标规划或模糊规划建立大别山水库群优化调度数学模型，采 用常规求解方法和优化算法进行求解，对计算结果进行分析，研究确定大别山 水库群合理的运行调度规则，解决好发电与供水之间的矛盾、兴利与防洪之间 的矛盾，实现大别山水库群水资源的高效利用。 大别山水库群共有6 座水库，有供水对象联系的为五座，有水力联系的有 四座水库，是一个多维混联水库群，五座水库装有水电机组，其中响洪甸水库 装有常规水电机组和抽水蓄能机组，比较复杂。本次专题研究时间短，任务重， 为防止出现计算过于复杂，以及便于今后应用等因素，在研究中，以梅山水库 为例进行水资源优化调度研究，为今后的水库群优化调度研究做下理论铺垫。 在专题研究过程中，多听取水利厅、设计院、水库管理单位领导及专家的 意见，注意调度方案的初定、比较和筛选。对梅山水库建立优化调度数学模型。 梅山水库为单水库多目标优化调度，目标函数是缺水损失最小和发电收入最大， 但在供水量方面，与四库群有联系。在研究中设定以下方案，进行三种典型年 ( p = 5 0 、8 0 、9 5 ) 和长系列的水库( 水库群) 优化调度运算。 1 5 研究内容 本次研究根据梅山水库库区的基本资料以及当前的运行情况，通过对资料 的整理分析，进行梅山水库优化调度研究，主要内容如下： ( 1 ) 根据已有资料，采用合适的曲线拟合方法拟合出机组耗水率流量 水位水头关系曲线。根据安徽省水利厅与安徽省水利水电勘测设计院提供基 础资料，推算出梅山水库逐句入库流量与梅山水库特大洪水年洪水过程线。 ( 2 ) 以梅山水库长系列来水资料、用水资料为基础，按照水库加固后的正 常高水位和汛限水位，建立基于m a t l a b 的梅山水库兴利调度模型，进行兴 利调度，并计算出年发电量及梅山水库自1 9 6 9 年来的缺水年份。 ( 3 ) 以梅山水库1 9 6 9 - - 2 0 0 8 年入库洪水过程线为基础，根据梅山水库防 4 洪调度原则，分别设计不同的防洪高水位方案，建立基于m a t l a b 的梅山水 库防洪调度模型，并对梅山水库的特大洪水年1 9 6 9 年和1 9 9 1 年洪水过程进行 了调洪计算，从而充分验证了加固后水库的防洪安全性。 ( 4 ) 根据梅山长系列来水资料、用水资料为基础，运用运筹学理论，在保 证综合用水的前提下，提高水资源利用率，增大发电量为目标，建立梅山水库 优化调度数学模型。通过对比分析，确定梅山水库最优运行规则，以提高水资 源的综合利用效率。 5 2 1 水库基本情况 2 梅山水库概况 梅山水库【2 4 l 位于淮河中游南岸支流史河上游的金寨县境内，控制流域面积 1 9 7 0 k m 2 ，占史河流域总面积6 8 8 0 k m 2 的2 8 6 。水库地理位置为东经1 1 5 0 2 0 7 1 1 5 0 5 6 ，北纬3 1 0 0 67 - - , 3 2 0 0 4 ，；东与淠河西源为邻，西与灌河隔岭为界，南源 于大别山北麓，北距史河入淮i z l1 3 0 k m 。水库总库容2 2 6 4 亿m 3 ；汛期限制水 位1 2 5 2 7 m ，正常蓄水位1 2 8 o m ，兴利库容9 5 7 亿1 1 1 3 。 梅山水库于1 9 5 6 年建成，1 9 5 8 年正式蓄水，同年电站也投入运行。建成 初期，水库是以防洪为主，承担为淮河干流蓄洪的任务，同时结合灌溉、发电、 航运及水产等综合利用的工程。1 9 5 8 年淠史杭灌溉工程开发以来，水库灌溉任 务逐渐加重，现已成为以防洪、灌溉为主，兼顾发电。防洪方面，担负着为淮 河干流错峰调蓄的重要任务，特别是战胜了1 9 6 9 年、1 9 9 1 年和2 0 0 3 年的洪水， 保证了下游城镇人民生命财产的安全，为确保淮河安全度汛、减少淮河中游启 用行蓄洪区作出了突出的贡献；灌溉方面，作为淠史杭灌区主要水源，灌溉下 游的安徽、河南二省五县区3 8 3 万农田，使其旱涝保收。 水库自1 9 5 8 年初开始蓄水，1 9 5 9 1 9 6 1 年遭遇干旱，水库一直在死水位 下运行。1 9 6 2 年来水较丰，水库蓄水位开始抬高，至9 月2 8 日，库水位上升 到建库以来最高水位1 2 5 5 6 m ，库水位在1 2 5 m 左右持续了一个多月，至1 1 月 6 日库水位降到1 2 4 。8 9 m ，凌晨，发现右岸坝基山坡大面积漏水，并发现右岸 各拱垛位移骤增，垛基上抬，右岸坝基、坝体拱垛多处部位出现裂缝等险情， 最严重的是1 5 # 拱拱冠拉开了一条长2 8 o m 。放空水库后检查发现上游面沿拱 台前缘与岩基接触面附近自1 6 肆拱至1 3 # 垛，并贯穿1 4 拱拱台有一延伸百余米 的连续裂缝。同年1 2 月，省水电厅提出梅山水库修补加固工程任务，随后于 1 9 6 3 年3 月1 9 6 5 年5 月对梅山水库放空进行修复加固。 2 2 综合利用现在及要求 水库的现行控制运用方法 2 4 1 为：限制水位为1 2 5 2 7 m ，为淮河干流预留4 4 2 亿1 1 3 防洪错峰库容，库水位超过1 2 5 2 7 m 时，视淮河干流水情用隧洞泄洪， 库水位超过1 3 2 2 0 m 时，全开隧洞和溢洪道泄洪，确保大坝安全。 梅山水库是一座以防洪灌溉为主，结合发电、航运、养殖等综合利用的多 年调节的大( i ) 型水库。主要规划目标是： 防洪方面：水库不仅为淮河蓄洪错峰，还在保证大坝安全运行前提下，削 减洪峰，减小淮河及史河下游的洪水灾害，使百年一遇洪峰由1 6 9 5 0 m 3 s 削减 至3 2 2 0 m 3 s ，千年一遇洪峰由2 6 1 5 0 r a 3 s 削减至4 9 0 0 m 3 s ，万年一遏洪峰由 3 5 5 5 0 m 3 s 削减至6 7 5 0 m 3 s 。水库下游史河安全流量为1 5 0 0 m 3 s ，按梅山水库 6 历年入库洪水过程统计，1 9 5 6 年至2 0 0 2 年底拦蓄大于1 5 0 0 m 3 s 洪峰1 2 8 次， 大于3 0 0 0 m 3 s 洪峰5 0 次，大于5 0 0 0 m 3 s 洪峰2 4 次。其中1 9 6 9 年入库流量 1 3 9 7 8 m 3 s 。经拦蓄仅下泄1 5 6 0 m 3 s ；1 9 9 1 年水库为淮河错峰蓄洪9 3 8 亿m 。 灌溉方面：通过红石嘴灌溉枢纽工程为安徽省的金寨、霍邱、六安及河南 的固始、商城等五县的农田供水，总设计灌溉面积3 8 3 万亩。水库是史河灌区 唯一水源工程，按淠史杭灌溉总局和固始县水利局统计报表，1 9 5 8 年至2 0 0 2 年，史河灌区累计灌溉面积近1 亿亩。 发电方面：梅山电站发电厂房为坝后式，位于5 8 号垛后。水电站装机容 量为4 x1 万千瓦，设计多年平均发电量1 0 亿k w h 。水电站单机最大发电流量 2 9 8 m 3 s ，总发电流量约1 2 0 m 3 s 。从1 9 5 8 年电站投入发电至2 0 0 2 年底己累计 发电4 4 1 亿k w h 。电站主要结合灌溉供水或利用泄洪弃水发电，原则上不单独 为发电目的而放水，发电最大引用流量1 2 0 m 3 s ，而灌区设计最大灌溉流量1 9 0 m 3 s ( 包括河南省灌区) ，故在灌溉或泄洪期间，水库泄放流量常大于1 2 0m s ， 因而经常产生弃水。 其它：在正常蓄水位时，上游现已开辟航道3 3 k m ，对改善深山区公路交通 落后状况有一定的作用；正常蓄水位时水库面积达6 3 k i n 2 ，水产养殖业较为发 达；随着社会经济的发展，梅山水库现已成为一水利旅游景点，这都对促进水 库所在地区的社会经济发展、改善人民群众的生活水平起着积极的作用。 2 3 水库调度的原则、任务及依据 梅山水库调度原则【2 4 】：在保证水库大坝安全的前提下，兼顾水库和上下 游需要，统筹考虑防洪、灌溉、供水、发电、旅游、水产等综合任务，利用 可靠的工程措施、水情预报手段、水库调度技术，充分发挥水库的蓄洪、滞 洪、削峰作用，尽量减少上下游洪水灾害、增加工程的综合效益。 梅山水库调度任务：以防洪为主，主要承担为淮干蓄洪任务，结合灌溉、 发电、航运及水产等综合利用。1 9 5 8 年淠史杭灌溉工程开发以来，随着史河灌 区面积逐步达到其设计灌溉面积3 8 3 万亩，水库灌溉任务逐年加重，现己成为 以防洪灌溉为主，结合发电等综合利用的工程，水库除承担自身防洪外，还承 担部分为下游和淮干蓄洪的任务。梅山水库开始蓄水运行以来，在防洪、灌溉 等方面发挥了显著效益。 梅山水库调度依据：确保水库工程安全，服从淮河防洪要求，兼顾史河防 洪任务，满足中华人民共和国防洪法、安徽省实施中华人民共和国防洪 法办法、大中型水电站水库调度规范、综合利用水库调度通则、水库 大坝安全管理条例、水利工程水利计算规范、水电工程水利计算规范等 有关法律和规范。 7 2 4 目前水库运行存在的问题 水库( 群) 优化调度方法研究在国际上已有几十年的历史，在各方面都有 了较大进展，另外求解问题的数学方法的各个分支也不断发展，也不断的为优 化调度提供了广阔的前景。但实时调度阶段应用的却较少，直到目前仍没有形 成一种成熟的、进入实时调度阶段的水电站水库群优化调度方法。梅山水库优 化调度研究中尚存的主要问题归纳如下： ( 1 ) 水库自身问题【2 4 】：梅山水库土地征用线为1 2 9 m ，库区征地应根据规 范办理确权发证，并在工程竣工时移交水库管理单位，但梅山水库竣工时未移 交相关的确权征地证，库区管理受到制约，征用线1 2 9 o m 至第一道分水岭脊 线之间的保护范围内，存在修路建桥弃渣倒入库内现象，且其爆破影响山体的 稳定。另外水库大坝结构及泄洪建筑物闸门、启闭设备等存在严重的安全隐患。 ( 2 ) 现行体制等问题：优化研究侧重理论方法探讨，模型复杂，受生产使 用者业务素质、理论水平、现行的管理体制等约束，难以实际应用推广。在工 程管理中还存在“重电轻水”的现象，缺乏水行政管理实践经验与现代水库管理 的要求相差甚远。 ( 3 ) 入库水量预报问题：入库水量预报不但与降雨有关，还与其它地理自 然社会等因素有关。目前天气预报的尚不能做到高精度长期预报，因此导致了 入库流量长期预报的局限性。 ( 4 ) 周边环境问题：大坝下游经常有地方渔船进入工程管理范围甚至在拱 内捕鱼、电鱼等，影响大坝安全。大坝上游溢洪道进水口有地方旅游船长期停 靠、载客，航线经过大坝的管理保护区；民船经常进入离大坝上游面较近区域 并停靠在大坝两岸，以上均影响大坝的安全运行；水库周边山区目前已建成的 小水电众多，其蓄、泄流量等尚未准确统计，影响水库洪水实时预报及调洪演 算的精度，从而影响梅山水库的防洪效益的发挥。 ( 5 ) 水资源利用率问题：我国水能水资源极其丰富，居世界首位已是公认 的事实，然而人均资源较低，水资源相对匮乏，如何节约用水，提高水资源利 用率，减小水库弃水量是目前国内外专家重视的问题。 ( 6 ) 电算在水库优化调度中应用：人工智能技术与计算机技术相结合是水 库调度决策技术今后的发展趋势，目前国内外已有许多文献，采用计算机电算 的方法进行长系列水利水能计算，但是由于初始值和维数过多等原因，很容易 让程序进入“维数灾难”，而且采用二进制编码，计算比较复杂。 ( 7 ) 模型开发上存在的缺陷：模型作了太多的假设和简化，使模型不能很 好地描述水库群的实际工况，优化结果偏离实际。 3 1 资料收集 3 资料收集与整理 项目组成员到梅山水库现场考察，与当地相关工作人员相互探讨，了解了 梅山水库目前的调度情况及需要注意的问题，收集到梅山水电站保证出力、水 电机耗水率，实际运行情况，机组耗水率流量水位水头关系曲线，最大 最小出力等资料。项目组和安徽省水利水电勘测设计院紧密联系，互通有无， 取得了梅山水库1 9 6 9 年至2 0 0 8 年月需水资料。并且在安徽省水利水电勘测设 计院领导的鼎立支持下，最终成功的收集到了梅山水库1 9 6 9 年至2 0 0 8 年( 4 0 年) 的长系列逐日水位( 包括坝上、坝下) 、逐日平均出库流量资料以及19 6 9 年至2 0 0 8 年( 4 0 年) 的汛期洪水入库等资料。 3 2 资料整理分析 在各单位领导的鼎立支持下，项目组最终成功的收集到水库调度的相关资 料，但如将其输入水库调度模型，仍需进行整理与分析，具体如下： 1 ) 逐句入库流量的推求：根据坝上逐日平均水位及坝下逐日平均出库 流量，按照水量平衡方程反推得出梅山水库逐日入库流量。将计算所得结 果进行逐月累加与已知的逐月总入库水量对比。与安徽省水利水电勘测设 计院探讨，逐句入库流量通过乘以相应的修正系数最终得以解决。对于入 库流量为负值的情况，课题组采用基流校正的方法来修正，最终共整理出 1 9 6 9 - - 2 0 0 8 年长系列水库逐旬入库流量总表。 2 ) 相关曲线拟合：本次研究根据已知数据采用多项式回归或样条插值 方法拟合出水库特性曲线，再在拟合好的特性曲线中插值出逐日坝上平均 水位相对应的坝上逐日水库平均库容；采用多项式回归或样条插值方法拟 合出水电站机组耗水率曲线，再在拟合好的曲线中插值出逐旬坝上平均水 位相对应的逐旬机组耗水率。 3 ) 逐句用水量的推求：经过省设计院经过多次计算和比较之后得出梅 山水库逐月供水量数据。课题组再对其进行了整理分析。征得安徽省水利 水电勘测设计院同意后，1 1 月4 月作为刚性供水的月份，按旬平均分配求 得，其他月份用水量按旬出库流量之比进行折算。最后将计算得到的逐旬 用水量减去3 万平方米的区间来水量，最终计算得出梅山水库19 6 9 - - 2 0 0 8 长系列供水量逐旬分配表。 4 ) 洪水入库过程的推求：在进行调洪计算时，由于收集到的洪水入库 资料是随机的时段长度不等的入库流量序列，项目组调用m a t l a b 的样条 插值命令插值出梅山水库等时段长度，且时段长度为2 h 的洪水入库资料。 9 4 1 曲线拟合方法 4 梅山水库常规调度 在计算中需要拟定水库水位与库容的关系曲线、坝上水位与下泄流量关系 曲线、坝上水位与机组耗水率关系线等曲线。课题组根据最小二乘法原理，编 制了多项式回归拟合曲线的程序，以拟定水库特性曲线。理论上拟合次数越高， 模型越准确。但实际上，由于过多的计算所带来的舍入误差往往适得其反，计 算量随之增加，因此需确定最佳的拟合次数。通过编程由低次向高次逐步拟合 计算来确定最佳拟合次数，解决了拟合次数问题。此外，为了得到更高的精度， 课题组把用三次样条插值法【2 5 】和多项式回归得出的库容曲线进行对比，选取最 优者进行梅山水库相关曲线的拟合，得出的结果颇为满意。 4 1 1 多项式拟合的关系式 当认为因变量可表达成某一个自变量的多项式时，就可以按最小方差原理， 求出最佳拟合时自变量的各次项系数，即求出因变量对自变量的最小二乘多项 式2 5 1 。最小二乘法通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最 小二乘法可以拟合有关曲线，并使得拟合得到的曲线与实际数据之间误差的平 方和为最小。 ( 1 ) 最小二乘法原理 设有数据f ，而，y ，夕一= 0 ，l ，朋夕， 江o ，1 9 * t 9 m 。称，= 仉，i ，尸为残向量，用缈( 一) 基函数去拟合y = x j 的 好坏问题，变成残向量的大小问题。当确定参数a j ( j = 0 ，1 ， ) 时残量的平方 和达到最小，即通常所说最小二乘法。 设基函数为缈，( x ) = x j ( 歹= o ，l ，刀) ，已知咒= 而夕m 1 ，m ，) ，且行 m ， 用多项式 见= a o + 啊x + x 一 ( 4 1 ) 去近似厂“j ，按最小二乘法，应选择，q ，a n 使得： s ( a o ，q ，) = ( 厂( 五) 一只( z ，) ) 2 ( 4 2 ) i = o 上式取最小值。s 是非负的，求sx 寸a o ，q ，a n 的偏导数，并令其等于零，得到： ( y i - a o - 一a 旷，n ，鼍七( 豇= o ，1 ，力) ( 4 3 ) i = o 进一步将上式展开，写成矩阵形式如下： m 一 、- 、 ，l 纺q n 即 一一 m 一 、- 、 薯 ，f i 、 缈 = r 吖 令 柳+ 1 ，筇 薯 i - - 0 埘 而 l = o m # i - - - 0 朋 # 知o m # ，= o m # _ 0 r t l r y 肿l 厶1 扛o 斗 辨 咒 i = 0 m t m j = 0 脚 譬y i - - - 0 ( 4 4 ) 解矩阵方程就可求出各次项系数0 0 ，a l ，- 一，a n 。 ( 2 ) 最佳拟合次数 经验上，采用下述办法来计算合适的拟合次数：当由低次向高次逐步拟合 时，如果： ；返 = l 一j = l 一成立 ( 4 5 ) n k 一1 一n k 一 式中：拧观测的数据点数目； i k 拟合多项式为k 次的第i 个观测误差项。 e i , k = y i o 夕l x i 夕2 x ；k x f ( 4 6 ) 鼍自变量x 在i 点的取值： 因变量y 的第i 个观测值。 则选用七一1 次多项式拟合，并停止计算。若有聆组数据，拟合次数最高位, 一1 次。 4 1 2 三次样条拟合的关系式 设在区间以卵上给个划分a ：a = x o 而 吃 岛 h h + l = 6 ， 次样条j f ，x 夕岛f ，纠的一般表达式为【2 5 】 ， f 例- a o + a l x + a 2 x 2 + a 3 x 3 + c j ( x - x , ) 任意的三 ( 4 7 ) 且满足条件： 。 j f ，x j 在每个区间，x ，x ，+ 】7 f ，= o , 1 ，2 ，夕上是三次多项式； 固s ( x ) c 2c 口国】。 若s f ，x 夕还满足插值条件：j “夕= m = 门t 夕，待0 ，1 ，2 ，l on + i ，则称s f ，x 夕为区 间，珥 上具有划分的三次插值样条函数。 从插值的角度来看，条件只给出n + 2 个条件。为了使插值问题存在、唯 一，还需要增加两个条件。常用的附加条件是下面三类边界条件之一： n # 脚脚 心 譬 肼枷 h 碍 肼枷 巧 肺瑚 第一类边界条件： j f ，口夕= y o ，j p 夕= 虬+ 1 ( 4 8 ) 第二类边界条件： s ( ，口j = 蟛j 一阳夕= 蝎+ l ( 4 9 ) 当s w f ，口) = j 。阳，= 0 时，称之为自然边界条件，满足自然边界条件的样条函数 称为自然样条函数。 第三类边界条件： s f ，口夕= s ( ，6 夕s ”f ，口 = j 。f ，6 夕 ( 4 1 0 ) 当y = f t 7 x 夕是以6 一a 为周期的函数时，要求样条函数s 似，) 也是以b - a 为周 期的周期函数，这时边界条件可以写成：，f ，口) = j 丫6 ) j f ，口，j = j 阳夕。 设在区间厂口，b y _ l = 给个划分a ：a = x o 五 而 恐 h = 6 ，任给一组 数据y o ，乃，y 2 ，y n 。要求构造一个三次样条函数j 似) ，使之满足插值条件： s ( x j ) = y j ，_ = o ，1 ，2 ，n 以m f 表示j “( ，= o ，1 ，2 ，夕。由于吖x 夕为分段三次多项式。所以s 。f ，x 夕在 区间，_ + 。j ( j = o , 1 ，2 ，) 为线性函数。通过f ，而小鸠d ) 与( x j ，鸠) 两点做线性 插值得： 帆夕= 等+ 坞孚妇姚- ( 4 其中吩= x j 一一l 。 为了求出占f ，z ) 在区间 x j ，x ，+ 1 = o ，1 ，2 ，j 上的表达式。对上式进行积分 两次，并利用插值条件s f ，稚。夕= 儿。、j “夕= 以定出积分常数后得出： 昨m 一譬+ 鸩掣帆一华夕等 砒一竽) 孚艇_ ， ( 4 对函数s f ，z ) 进行求导 吖班埤，簪+ 坞掣+ 学一半鲻乃 求s f ，x 夕的关键是设法求m ，= o j l ，i v ) ，而为了求的各m ，f ，= o ，1 ，2 ，) ， 而为了求的m ，f ，= o j l ，卅，就必须利用样条结点处的光滑连接条件 吖x ，- 0 ) = 吖x ，+ 0 ) 得： 卜( x j - 0 夕= 等呜q + 等呜+ 半 h 删一竽呜一等+ 警 阻+ 华鸠+ 铷= 警半 ( 4