分析调水工程最优方案的优化探讨

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：正如上节所述，跨流域调水工程设计通常有许多不同的方案，而各种设计方案的评估是个非常复杂的问题。显然，从工程投资、社会经济效益和生态环境保护费用三方面考虑，并非所有方案都同样地引人注意，问题是要寻求最优方案。使用线性规划或其他类似的方法筛选了一系列方案后，下一阶段就是以最优方案为基础进行系统设计。所以，提出跨流域调水“最优运行规则”也许是不合适的，而应该采用“满意”方案。

正如上节所述，跨流域调水工程设计通常有许多不同的方案，而各种设计方案的评估是个非常复杂的问题。显然，从工程投资、社会经济效益和生态环境保护费用三方面考虑，并非所有方案都同样地引人注意，问题是要寻求最优方案。然而往往引起应该考虑的方案的数量与每个方案评估中能达到的详细程度之间存在矛盾。如果有大量可供选择的方案，或者所涉及的处理过程很复杂，折中方案不一定总是适用的。就水资源而论，有大量的选择方案，其相互影响复杂，任何单一的分析方法都不大可能具体确定其实际运行的最优开发策略。

在这方面，英国学者D·G·詹姆森［5］提出了一个名为“分阶段近似法”的方法。该方法起一个筛子的作用，仅让最有希望的方案通过，到后面的阶段再作进一步详细的研究。近似法有3层结构：规划模型、设计模型和运行模型。

（1）规划模型。可在全国范围内考虑跨流域调水，规划过程的特征是筛选大量方案，确定以下目标：①应当开发哪些水资源；②应当修建哪些调水联接；③选择开发时间和顺序。

以上目标确定以后，就需要将来需水量（供水、水电）、各地不同规模的水源输出量、水源和需水中心可能的调水联接以及施工和运行费用等资料。

为使水资源与需水量相适应，面对大量可供选择的方案时，如果要确定最经济的方案，则需用系统研究程序。一种可能使用的是混合整数规划，其中费用项目中包括：

式中：Cit为在t时段内修建i水库的费用现值；Sjt为零一变量，若在t时段内修建j水库，则取1，否则取0；Pkt为在t时段内修建k联接的零一变量；qkt为在t时段内k联接的比例费用现值；mkt为在t时段内修建k联接建设能力的联接变量；vkt为在t时段内通过k联接的单位输水费用现值；fkt为在t时段内k联接的流量的连续变量。

显然，可通过扩充水处理费用项考虑水质的影响。但是，混合整数规划与线性规划比较，其主要优点是对投资的“是否”靠使用“零一”变量决策，可避免不允许的小数值。

（2）设计模型。使用线性规划或其他类似的方法筛选了一系列方案后，下一阶段就是以最优方案为基础进行系统设计。目的是在预定的轮廓范围内，准确决定各组成部分的规模，如水库、调水联接和抽水容量等，以便可靠地满足规划要求。但其规模可能从全国范围减少到某个地区，尽管如此，各组成部分之间仍错综复杂、互相干扰，因而模拟可能是当前适合于分析这种形式的惟一方法。

由于系统的可靠性通常是极端事件的函数，而不是一般情况的函数，因此需要长系列水文测验记录，所以，对这种类型的综合性资料公式化生成技术，做了大量工作，其公式如下：

Qt=f｛（Tt），（Ht），（St），（At），（et），Ф｝

式中：Qt为流量；Tt为趋势；Ht为持续时间；St为季节性；At为自回归移动平均部分；et为随机变量；Φ为从历史资料导出的模型参数组。

这种近似法已经扩充到不仅考虑水量；而且考虑水质。其主要优点是利用所有的实测结果，而不是仅利用极限值，并能够根据有限的历史记录来检验优选方案是否正确。

建立设计模型，一大优点是采用程序块结构进行模拟，从而可以迅速有效地评估各种系统的轮廓。各组成部分的模型，代表组成地区水资源系统的不同单元。该模型能对复杂的组合进行公式化，然后通过建立专用的与零的优点联接，来描述较简单的变量。

根据传统观念，系统“失事”意味着完全放空库容，有时，在发生失事以前，采取措施消除这种可能性。如果将“失事”重新定义为限制用水，则用水户大概会比中断供水常常更能容忍些。所以，该方法不仅可以根据给定的历史资料对系统的可靠性作更可信的估计，而且还可考虑不同等级的限制用水。例如，在市政供水情况下，设计说明书可分别满足如下要求：98%的时间供水完全不受限制，98.5%的时间仅有极少限制，如花园浇水，99%的时间可在没有严重破坏的情况下供水。

模拟是一种估算程序，而不是一种设计方法，往往用来专门计算参数，以确定各组成分的规模，以最小费用满足所需性能要求。从理论上来说，模拟应当能够合理可靠地确定各组成部分的规模，使模型本身定出合适的水库、调水联接和抽水容量。为这类模型建立通用数值优化程序包的努力已经组合成功。对一个工程轮廓，虽能对优化过程进行有效地公式化，但同—程序很难用于其他系统。

（3）运行模型。定出系统的轮廓和各组成部分的规模后，下一步就要考虑系统的运行方式。在这方面，水资源管理的各部门，如供水部门和污水处理部门，不仅在利益上有冲突，而且对运行性能的评价标准也不相同。所以，提出跨流域调水“最优运行规则”也许是不合适的，而应该采用“满意”方案。在此方案中，只要每项功能均在可接受的范围内，就认为各用水部门对系统的状态是满意的。这个范围根据可量测的参数如流量、水深、分解氧和硝酸盐浓度等确定。如果系统的状态在此范围内，则目标是使运行费用最小。然而，如果某一特殊限制条件被突破或可能被突破时，则有关该任务的特殊目标将要优先处理。例如，当洪水即将来临（地面排水的上限可能被突破）时，则使损失最小的减洪目标优先于最小运行费用目标，当河道水深不足（低于航深下限）时，供水就得从水库引水或使用替代水源，即使这样做运行费用很高。只有当一个以上的限制条件可能同时被突破时（即航运水深不足，又无替代水源供水），才应当指定优先处理的项目。

当前，实际上能够较详细提出工程规模，分析问题可能受限于个别的子系统，如联合运用的水库群或河道上控制水流的堰坝，即使是单个流域也包括许多这样的子系统。河流开发系统的真正规模可能支配着进行控制的局部研究。当然，应该理解的是，即使所有单个子系统都以最优方式运行，也并不一定使整个系统受到最优控制。尽管如此，能够满足由较有综合性的控制策略所确定目标的子系统，其最优或接近最优控制，可使整个系统最优控制，以达到差异很小或没有实际差异。

后来，提出了一种分层控制大型水资源系统运行的原理。而战略决策却受限于所确定的目标，因此，确定必须完成的项目及如何达到战略决策的目标，均由控制子系统的联机计算处理。将决策机构公式化，通过预定的拉格朗日算法，以解决多功能非线性优化问题。战略决策时，并不是对不同位置的同一子系统反复建立相类似的程序，而是对通用控制程序块公式化，只需极小的修正就能用于全地区。

控制每个子系统的小型计算机的作用是探索遥测系统，以查明调水系统的现有状态，预报未来状态，确定达到目标的最优或接近最优的方式并在重复整个程序以前，完成布线工作。由此可见，运行决策是根据预测系统的未来状态，而不是已知的现有状态。由于预报不可能十分准确，必须具有自校措施，以纠正预报中不可避免出现的偏差。

水资源管理运行决策并不简单，最优化则更为罕见。某种动态规划也许是实时控制的最通常提出的决策机构。但是，同其他最优控制方法一样，考虑问题的范围常受到有限计算设备能力的限制。在某项研究规划中，实际上减洪算法应有5个状态变量，2个决策变量。在不降低可信度的情况下，能减为5个状态变量，1个决策变量，即：

fm（s，q，r）=min｛max［R（s），E（q），fm-1T（s，q，r，Id）］｝

式中：fm（s，q，r）为现在到预计时间内的可能最小损失费用；s、q、r分别为库水位、下游流量和水库泄量；R（s）、E（q）为易受破坏地方的费用损失函数；T（s，q，r，Id）为按决策变量d修正的s、q、r值。

此外，还建立了闸门启闭的物理限制条件，从而通过不用全部解完动态规划方程来进一步简化决策机构，有利于达到最优控制。

用分阶段近似法管理水资源具有很大的优越性。在规划阶段，线性规划保证能考虑各种水资源的组合、渠槽和联接，以推求满足现有需水量的最小费用方案。在已选定的系统轮廓范围内，利用模拟来客观地确定各组成部分的规模，以便按需要可靠地实施。最后，提出了分层控制方法作为整个系统最优控制的手段。采用这种近似法，与非定型逐项考虑的方法相比，不仅能减少工程费用，而且能改善运行性能。三个阶段分别采用不同的分析方法，这些方法是互相补充而不是互相对立的。

分析调水工程最优方案的优化探讨

相关推荐