跨流域水库群优化调度三层规划模型与风险预警机制研究

In view of the complexity, dynamic and uncertainty among water transfer, water diversion and water supply in large-scale inter-basin water transfer-supply project, based on bi-level programming and game theory, the tri-level programming is established to research multi-reservoir joint operation rules in this project, In order to reveal stackelberg structure of water transfer rule, water diversion rule and water supply rule in inter-basin water transfer-supply multi-reservoir. The operation rules is made with model solution by optimization method that can consideration to calculation accuracy and computational efficiency, to perfect the theoretical system of large-scale inter-basin water transfer-supply project. The theories of statistical analysis, fuzzy mathematics and information entropy are applicated to identify risk factors in inter-basin water transfer-supply multi-reservoir. At the same time, the coupled model of inter-basin multi-reservoir scheduling rules and risk-warning mechanism is established based on risk forewarning index, combination with scheduling rules, the risk preference and the trend of benefits of the decision-maker are integrated into. The research has prospective, fundamental and applicability. It can make scheduling rules, seek optimal balance with dispatching benefits and dispatching risk, offer rigid optimality and flexible decision-making foundation. So the research is of great theoretical significance and good application prospect.

针对大规模跨流域水库群供水调度中调水、引水、供水三者之间复杂性、动态性和不确定性的特点，本项目在二层规划模型的基础上，应用博弈论原理，建立跨流域水库群供水调度的三层规划模型，从深层次揭示水源水库（群）与受水水库（群）在调水、引水及供水规则之间主从递阶层次的独立性及相互关联性；通过能够兼顾计算精度与计算效率的优化方法进行模型求解，提取跨流域水库群供水调度规则，完善大规模跨流域水库群供水调度理论体系。应用统计分析、模糊数学和信息熵等理论，对大规模跨流域水库群供水调度风险因素进行辨识，结合供水调度规则，融入决策者的风险偏好和利益趋势，在供水调度风险预警指标体系建立的基础上，建立跨流域水库群供水调度规则与风险预警机制耦合模型。本项目研究具有前瞻性、基础性和应用性，能为调度规则提取、在调度效益与调度风险之间寻求最佳平衡点，提供刚性优化与柔性决策依据，具有重要的理论意义和良好的应用前景。

跨流域水库群供水调度规则是跨流域调水的一项重要内容，由于其在时空上水力和水量的复杂、动态性，该问题成为国内外专家学者研究的热点与难点问题。因此，制定科学、合理、有效的大规模跨流域水库群供水调度规则，为调度决策者提供理论依据，对于发挥工程最佳效益，具有重要的科学研究价值。针对大规模跨流域供水水库群联合调度中调水、引水、供水三者之间的复杂性、动态性和不确定性的特点，在二层规划模型的基础上，应用博弈论原理，建立跨流域水库群供水调度规则的三层规划模型，提出调水规则、引水规则和供水规则相结合的跨流域水库群优化调度规则；并应用基于免疫进化的粒子群算法对模型进行分层优化求解。以滦河下游跨流域水库群为对象进行研究，计算结果表明：①减少了水量损失，提高了水资源的利用率；②提高了供水区唐山、天津的供水保证率，降低了缺水破坏深度。并应用优先度原理对串联水库群共同供水任务进行分配，既减少水量损失，又缩短供水流达时间；然后拟定合理的平衡曲线，确定并联水库群共同供水任务的分配比例，指示各库在不同调度时段的蓄水最佳分配规则，并以不同拐点和斜率描述平衡曲线的分段性，表征汛期、非汛期各水库蓄水量及供水量的变化，以缺水率最小为目标函数建立优化模型对分配规则进行修正，最终得到相对优秀的供水规则——成员水库有较大的供水能力和较高的成员水库蓄水率同步性。以滦河流域下游水库群为研究对象，其库群系统供水量较补偿调节增加约4%，弃水量减少10%左右。针对传统水库调度风险评价方法无法对跨流域水库调度不确定性因素之间复杂的非线性关系进行定量分析，应用模糊数学及混合Copula函数，确定水库现状供水指标，模拟水库预报径流量与需水量的联合概率分布，对水库未来水情情况进行定量分析；应用信息熵原理，确定水库风险预警指标及灯号，并制定跨流域水库供水调度的缺水应急措施，建立跨流域水库群供水调度预警系统。实例计算表明，该风险预警系统能有效地描述水源水库和受水水库供水及缺水信息，及时以灯号进行预警，可有效为调度人员提供决策支持。本项目首次应用该风险预警方法，将水源水库和受水水库的来水、用水、缺水状况同时考虑，具有重要的研究意义及良好的应用前景。