建立综合优化调度评估模型

2023-06-21 理论教育版权反馈

【摘要】：本节将运用赋权重的方法考虑各方面约束，以防洪、发电、航运、泥沙为主要优化目标，建立综合优化调度方案评估模型，为三峡水库选定优化调度方案提供决策支持。

水库泥沙调控与多目标优化调度要综合考虑防洪、发电、航运、供水、泥沙等多方面的需要。本节将运用赋权重的方法考虑各方面约束，以防洪、发电、航运、泥沙为主要优化目标，建立综合优化调度方案评估模型，为三峡水库选定优化调度方案提供决策支持。

8.5.3.1 评估模型约束条件

1.防洪约束

根据三峡水库调度规程，防洪调度的主要任务是在保证三峡水利枢纽大坝安全和葛洲坝水利枢纽度汛安全的前提下，对长江上游洪水进行调控，使荆江河段防洪标准达到百年一遇，遇百年一遇以上至千年一遇洪水，包括1870年同治大洪水时，控制枝城站流量不大于80000m3/s，配合蓄滞洪区运用，保证荆江河段行洪安全，避免两岸干堤溃决发生毁灭性灾害。当发挥防洪作用与保枢纽大坝安全有矛盾或发生危及大坝安全事件时，按保大坝安全进行调度。

根据三峡水库的防洪调度要求，当遇百年一遇以下洪水时，三峡水库的防洪调度应使荆江河段防洪标准达到百年一遇。因此，综合优化评估模型对汛期水位动态变化方案、城陵矶补偿调度方案、汛期沙峰排沙调度方案、提前蓄水方案等各种组合中，都要保证沙市水位不超过44.5m，对应三峡出库流量为55000m3/s。即三峡出库流量不超过55000m3/s为荆江河段防洪补偿调度的防洪限制条件，如果某个组合方案使三峡出库流量超过55000m3/s或库水位超过171m，则为无效方案。

在因调控城陵矶地区洪水而需要三峡水库拦蓄洪水时，如库水位不高于城陵矶防洪补偿控制水位，则按控制城陵矶水位34.4m进行补偿调节，水库当日下泄量为当日荆江河段防洪补偿的允许水库泄量和第三日城陵矶地区防洪补偿的允许水库泄量两者中的较小值。当库水位高于城陵矶防洪补偿控制水位之后，则按对荆江河段进行防洪补偿调度。

2.发电约束

水轮发电机组安全运行要求三峡电站毛水头不低于61m，另外96%设计保证率下保证出力不小于4990MW。葛洲坝电站运行水头不超过27m，不低于6.3m。

3.通航约束

三峡水利枢纽上游最高通航水位为175m，最低通航水位为144.9m。

葛洲坝下游庙嘴站水位是保证船队安全通过葛洲坝枢纽船闸下闸槛和下引航道的关键，三峡—葛洲坝梯级调度规程规定庙嘴站不同阶段的最低通航水位（资用吴淞高程，下同）为38m（135m围堰发电运行期）、38.5m（156m初期运行期）和39m（175m试验性蓄水运行期）。历年监测表明，三峡工程运用后，同流量下庙嘴水位处在持续下降过程中。正常运行期，为保证庙嘴水位大于39m，需要三峡水库在枯期补水以满足通航水位的要求，现阶段庙嘴39m通航水位对应三峡出库流量为5700～5800m3/s。

4.供水约束

9月蓄水期间，一般情况下控制水库下泄流量不小于8000～10000m3/s。当水库来水流量大于8000m3/s但小于10000m3/s时，按来水流量下泄，水库暂停蓄水；当来水流量小于8000m3/s时，若水库已蓄水，可根据来水情况适当补水至8000m3/s下泄。

10月蓄水期间，一般情况下水库下泄流量按不小于8000m3/s控制，当水库来水流量小于以上流量时，可按来水流量下泄。11月和12月水库最小下泄流量按葛洲坝下游庙嘴水位不低于39.0m和三峡电站不小于保证出力对应的流量控制。

根据三峡水库调度规程，一般来水年份（蓄满年份），1—2月水库下泄流量按6000m3/s左右控制，其他月份的最小下泄流量应满足葛洲坝下游庙嘴水位不低于39m。

8.5.3.2 优化目标函数与权重

1.综合优化目标

在满足各约束条件下，综合评估优化目标为水库长期运行综合效益最优[12]。其中，综合效益包括防洪效益、航运效益、发电效益、水库泥沙减淤效益，下游冲淤及对航道的影响、对供水和生态的影响等难以定量估算的效益作定性评价。

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综合效益中各分效益的目标函数是使长江中下游分洪量少和值守成本低，发电量多，航运断航时间短，以及水库泥沙淤积少，即式中：t为综合优化计算时间；n为计算时段；W、E、D、V分别为总计算时段的防洪成本、发电量、断航时间及泥沙淤积量。

2.优化目标权重

评价函数法是求解多目标最优问题最基本和实用的方法。它是根据决策者的意图和所求问题的特点，将所有分量目标函数转化为一个数值目标函数，即评价函数，然后对其进行最优化。为了避免由于各目标函数值之间存在数量级差异而导致的权系数作用失效，在确定权系数之前，须对各分量目标函数值做无量纲化处理。本研究采用“中心化”处理方法，即把防洪成本、发电量、断航时间和水库淤积量分别减去其平均值，再除以各自的均方差，使各目标函数无量纲化，这样多目标问题就转化为一个单目标问题。

遇百年一遇以上洪水时，三峡水库的调度以防洪为唯一调度目标，已不存在综合优化问题。若再遇1954年型洪水，长江中下游防洪主要表现为分洪量大小和堤防值守成本。分洪量计算时以亿m3为单位，总分洪量小于50亿m3部分，每1亿m3分洪量对应2亿元经济损失，权重为2.0；总分洪量50亿～100亿m3部分，每1亿m3分洪量对应3亿元经济损失，权重为3.0；总分洪量100亿～200亿m3部分，每1亿m3分洪量对应4亿元经济损失，权重为4.0；总分洪量大于200亿m3部分，每1亿m3分洪量对应6亿元经济损失，权重为6.0。

遇一般洪水不需要分洪时，防洪成本主要是不同方案得到的下游超警戒水位或保证水位的天数差别，认为警戒水位以下不存在防洪成本。根据有关文献数据，每千米保证布防200人，每千米警戒布防100人。超警戒水位时，按防守直接成本1000万元/（103km·d）考虑；超保证水位时，按2000万元/（103km·d）考虑。在此基础上，考虑到防洪的其他花费和社会效益等，根据水位高低给予一定权重。超保证水位不超分洪水位时，权重定为0.15，超分洪水位后权重为0.4。

发电为直接的经济效益，主要与发电量有关，综合优化的发电量包括三峡工程和葛洲坝的发电效益。三峡电站32台机组满出力流量按31000m3/s考虑，葛洲坝电站满出力流量按18000m3/s考虑。发电量计算单位为亿k W·h，权重为0.25。

航运影响因素多，难以详细计算。这里只初步考虑根据不同运行方案的停航天数，如果水库调度未造成停航，则认为各方案的航运影响没有差别。停航损失按翻坝费用折算，根据日平均通航吨位计算，每日约35万t，约合15元/t。断航以天为单位计算，则通航目标权重为0.05。

不同运行方案带来泥沙淤积的不同，根据淤积量差值，按等量清淤费用考虑淤积损失。同时考虑至不同的淤积部位其影响是不一样的，考虑按变动回水区和常年回水区的泥沙淤积给予不同的权重。根据有关文献[13]，挖泥的费用一般在6元/m3以下，但后期运送与处理费用相差较大，三峡水库单位体积清淤费用初步定为30元/m3；以106m3为计算单位，初步确定权重为：常年回水区0.3，变动回水区0.6。

3.综合优化评估模型

综合前面提出的约束条件与优化目标函数及权重，得到综合优化评估模型表达式为

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式中：t为综合效益优化计算时间；W（t）、E（t）、D（t）、V（t）分别为无量纲防洪、发电、通航和水库淤积目标函数；E、W、D、V分别为发电量、防洪成本、断航时间和水库淤积量的平均值；k e、k w、k d、k v分别为发电、防洪、断航时间和水库淤积量的权重；σe、σw、σd、σv分别为平均发电量、平均防洪成本、平均断航时间和水库平均淤积量的均方差。

各目标项的计量方法见表8.5-10，综合优化模型各约束条件见表8.5-11。

表8.5-10　三峡水库各目标项的计量方法

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表8.5-11　三峡水库综合优化评估模型约束条件

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