水庫優(yōu)化調(diào)度模型的構(gòu)建及求解分析案例目錄TOC\o"1-2"\h\u12695水庫優(yōu)化調(diào)度模型的構(gòu)建及求解分析案例 1155741.1水庫優(yōu)化調(diào)度簡介 1220681.2調(diào)度的研究目標(biāo) 1145851.3模型構(gòu)建的基本思路 290791.4水庫調(diào)度模型設(shè)計 234011.5基于改進(jìn)粒子群算法的模型計算 31.1水庫優(yōu)化調(diào)度簡介水庫優(yōu)化調(diào)度是在保障各用水部門用水需求的前提下，保障水庫綜合效益最大化原則，根據(jù)恰拉水庫實(shí)際配水、調(diào)水、蓄水、供水情況建立模型，求解模型計算得到水庫最優(yōu)的調(diào)度方式。水庫優(yōu)化調(diào)度以蓄水量最大、運(yùn)行成本最低、供水量最優(yōu)、安全運(yùn)行最高、缺水量最小、棄水量最小等方面為目標(biāo)。約束條件主要體現(xiàn)水庫實(shí)際情況和各方面的需求，既包括防洪、水量平衡、水位、水產(chǎn)養(yǎng)殖、人飲等“硬約束”，也包括灌溉用水、人飲供水、生活工業(yè)供水等多方面的約束[80]。1.2調(diào)度的研究目標(biāo)墾區(qū)用水由孔雀河、塔里木河供給，在恰拉水庫進(jìn)行調(diào)節(jié)，研究區(qū)耗水主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)灌溉用水，水庫調(diào)度目標(biāo)應(yīng)體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益以及資源合理性兩方面的內(nèi)容。從調(diào)度的經(jīng)濟(jì)層面分析，灌溉缺水量在一定程度上可以間接體現(xiàn)灌溉效益的高低。從水資源利用的合理性層面分析，較大的蒸發(fā)滲漏損失是平原水庫水資源利用效率偏低的主要原因之一，條件允許的情況下旬末庫存不應(yīng)過高，庫損是評價水庫調(diào)度結(jié)果合理性的重要因素。因此從研究區(qū)農(nóng)業(yè)用水與供水兩個角度并考慮水庫調(diào)度過程中資源利用的合理性，確定調(diào)度的目標(biāo)為調(diào)度缺水總量最少、水庫蒸發(fā)滲漏損失最小兩方面。1.3模型構(gòu)建的基本思路水庫調(diào)蓄的水量絕大部分由孔雀河供給，在水庫進(jìn)行調(diào)節(jié)，首先以孔雀河來水為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)節(jié)，作物灌溉用水高峰期則由恰拉龍口引入塔里木河洪水補(bǔ)充。墾區(qū)在8月上、中旬塔河洪水期，則由恰拉龍口直接引入塔河洪水至灌區(qū)總干渠，其余時段均由孔雀河供水，恰拉水庫全年調(diào)節(jié)墾區(qū)用水。本次恰拉水庫調(diào)度把以旬為單位將恰拉水庫一年的來水量和塔里木灌區(qū)各團(tuán)一年需水量作為模型輸入數(shù)據(jù)，是以年為單位進(jìn)行調(diào)度的，根據(jù)改進(jìn)的粒子群算法求解水庫的灌溉放水限制庫容，計算塔里木灌區(qū)總灌溉缺水量，水庫蒸發(fā)滲漏損失等目標(biāo)函數(shù)值，尋找最優(yōu)的水庫的灌溉放水限制庫容。1.4水庫調(diào)度模型設(shè)計1.1.1建模目的模型以水庫調(diào)度圖法框架為基礎(chǔ)，在水庫的最大蓄水庫容范圍內(nèi)，根據(jù)調(diào)度目標(biāo)，確定水庫的灌溉水位線，為恰拉水庫實(shí)際運(yùn)作過程中蓄、放水提供依據(jù)。1.1.2調(diào)度規(guī)則（1）將恰拉水庫的庫容劃分為兩個區(qū)域和兩條控制水位，其中在恰拉水庫上游劃定蓄水水位和放水水位，蓄水水位與放水水位之間為供水區(qū)，放水水位之下為死水區(qū)。（2）恰拉水庫年初來水全蓄，根據(jù)水庫蓄水的實(shí)際上報引水計劃。（3）每旬放水前，先根據(jù)塔里木灌區(qū)用水需求進(jìn)行科學(xué)、合理、有序調(diào)配，若滿足灌溉需求，則水庫該旬停水，否則，供水取直接放到放水線所放的水與下游灌溉保證兩者的最小值。1.1.3模型的目標(biāo)函數(shù)根據(jù)水庫調(diào)度模型，以調(diào)度后灌溉缺水總量最少和水庫滲漏蒸發(fā)損失最小為目標(biāo)，其表達(dá)式為：（4-1）式中：為經(jīng)過水庫調(diào)度后每一旬灌區(qū)的缺水量，為每一旬水庫蒸發(fā)滲漏損失的水量。1.1.4約束條件（1）基本約束條件1）水庫水量平衡約束（4-2）式中：表示j+1時段初時的水庫庫容;表示j時段初時的水庫庫容；表示j時段的水庫入庫水量;為j時段水庫供水量;為水庫水量損失。2）庫容約束汛期：（4-3）非汛期：（4-4）式中：為水庫死庫容;為j時段水庫庫容;、分別為汛限庫容和興利庫容。3）水庫放水量約束（4-5）式中：為水庫放水渠道過水能力（4）非負(fù)約束1.5基于改進(jìn)粒子群算法的模型計算1.5.1粒子群算法的改進(jìn)方法粒子群算法(ParticleSwarmOptimizationAlgorithm，PSO)主要用于求解連續(xù)變量的全局優(yōu)化問題，1995年Kennedy和Eberhart提出的一種群智能的隨機(jī)搜索算法[81]。它的思想源于對鳥群捕食行為的研究，它將鳥群中的鳥看作為粒子，在迭代計算過程中，所有粒子通過向個體最優(yōu)粒子和全局最優(yōu)粒子之間的信息交流，實(shí)現(xiàn)群體向最優(yōu)位置收斂的目的[82]。PSO算法具有確定參數(shù)少、容易實(shí)現(xiàn)和收斂速度快的優(yōu)點(diǎn)，但其容易陷入局部最優(yōu)解。模擬退火算法（SimulatedAnnealingAlgorithm，SA）通過賦予搜索過程一種時變且最終趨于零的概率突跳，從而可有效避免陷入局部極小并最終趨于全局最優(yōu)解的優(yōu)化算法，目前廣泛應(yīng)用各領(lǐng)域[82]。模擬退火算法（SA）能夠跳出局部最優(yōu)，在PSO算法框架中融入模擬退火思想來改進(jìn)粒子群算法，以解決PSO存在的易發(fā)散、不收斂等問題，融合后的模擬退火粒子群算法（SAPSO）能概率性地跳出局部最優(yōu)并趨于全局最優(yōu)。1.5.2改進(jìn)粒子群算法的計算過程改進(jìn)后粒子群算法在粒子每一次迭代中以一定的概率接受適應(yīng)度較差的粒子作為全局最優(yōu)粒子，并通過公式（4-8）、（4-9）實(shí)現(xiàn)粒子群的提高。設(shè)N維空間中，有M個粒子組成粒子群，其中第i個粒子在N維度空間中的位置，速度Vi為每次迭代中粒子移動的距離，，每個粒子的位置就是一個潛在解，用適應(yīng)度函數(shù)衡量粒子的優(yōu)劣，迭代t次后i粒子迄今為止搜索到的最優(yōu)位置（個體最優(yōu)）為，整個粒子群迄今為止搜索到的最優(yōu)位置（全局最優(yōu)）為，的適應(yīng)度為，T為溫度值，采用Bolzmann[83]方程計算各的適配值，用輪盤賭策略從所有中更新全局最優(yōu)粒子，公式如下：（4-6）（4-7）全局最優(yōu)粒子更新完成后，采用公式（4-8）、（4-9）實(shí)現(xiàn)群體中所有位置更新和粒子的速度：（4-8）（4-9）式中：為壓縮因子，、為學(xué)習(xí)因子；、為（0，1）的隨機(jī)數(shù)；，為常數(shù)。1.5.3編碼設(shè)計根據(jù)恰拉水庫優(yōu)化調(diào)度模型，以各個時段的灌溉缺水量最少和水庫滲漏失蒸發(fā)最小為目標(biāo)函數(shù)，將各個時段、各旬的放水線（水庫庫容）作為決策變量，即用各個時段的水庫放水控制庫容組成的向量表示粒子進(jìn)行粒子編碼，定義一個二維粒子如下：二維粒子中的第一維表示旬編號，第二維表示粒子的位置，粒子的長度為36。對于粒子種群中第i個二維粒子表示為，其中是表示i旬水庫放水控制庫容是一個隨機(jī)實(shí)數(shù)，N為粒子的長度，二維粒子，見表4-1。表4-1粒子編碼旬123…N粒子位置…1.5.4約束條件的處理與適應(yīng)度函數(shù)構(gòu)造用目標(biāo)函數(shù)fitness表示適應(yīng)度函數(shù)，粒子確定之后，即各個時段的庫容已知，結(jié)合水庫的入庫水量、灌溉需水量，過水量平衡方程計算灌溉缺水量。根據(jù)監(jiān)測資料以及氣候自然狀況，恰拉水庫庫損比例取值為0.03，表示水庫庫損失水量為本旬旬初庫存水量的3%，由此計算水庫蒸發(fā)滲漏損失，由此便通過式（4-10）計算適應(yīng)度函數(shù)fitness。（4-10）式中為經(jīng)過水庫調(diào)度后每一旬灌區(qū)的缺水量；為每一旬水庫蒸發(fā)滲漏損失的水量；為庫損折減系數(shù)，其作用是消除缺水量和蒸發(fā)滲漏損失之間的量綱差，根據(jù)模型試算結(jié)果確定。約束條件水庫水量平衡約束、蓄水約束、防汛約束、水庫放水量約束以及非負(fù)約束在粒子編碼和適應(yīng)度函數(shù)計算過程中已經(jīng)考慮。1.5.5初始化種群PSO在進(jìn)行迭代尋優(yōu)之前，在可行解的范圍內(nèi)，生成初始的群體。本研究中對恰拉水庫進(jìn)行年優(yōu)化調(diào)度，以旬為時間節(jié)點(diǎn)，共分36個時段。確定各個時段的庫容作為決策變量，通過對庫容進(jìn)行編碼，隨機(jī)生成M個粒子，即M行、36列庫容組成的矩陣，每一行代表一個粒子，則整個種群可表示如下[80]：初始群體中的個體一般是隨機(jī)產(chǎn)生的，對于水庫優(yōu)化調(diào)度問題來說，由于水位是在可行解范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生的，如果相鄰時段的控制庫容相差較大，即對于時段t來說粒子與相差過大，可能出現(xiàn)t時段內(nèi)不泄水的情況下，全部的入庫水量也不能使水位抬升至。因此，在生成初始種群時，通過水量平衡約束，即公式（4-11）對生成的庫容過程進(jìn)行初步篩選，將滿足要求的粒子進(jìn)行保存，對于不滿足的則直接淘汰，通