考虑水文预报不确定性的跨流域调水工程优化调度研究

作     者：钟华昱 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄强;明波

授予年度：2021年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：跨流域调水 多目标优化调度 预报不确定性 集合预报 调度规则 场景缩减 

摘      要：水文系统的高度非线性以及径流形成机制的复杂性,导致天然入库径流难以准确预报。利用预报不准的径流信息指导水工程调度决策,将不可避免地产生运行风险。跨流域调水工程初始投资巨大,在实际运行管理过程中,考虑预报不确定性的跨流域调水工程优化调度可进一步挖掘工程的运行,提高工程运行效益。如何实现预报和调度的有效融合,是当前亟待解决的关键难题。本文以引汉济渭跨流域调水工程中长期调度为研究对象,分析了预报不确定性对调度性能指标的影响;并在此基础上,提出了一种高效耦合集合预报信息的跨流域调水工程优化调度方法。论文的主要工作和结论如下:(1)基于历史径流资料,制订了确定性的跨流域调水工程优化调度规则。确定了调水规则的基本型式,用于对调水过程进行长系列模拟;构建了以系统缺水指数最小、水电站发电量最大和泵站耗电量最小为目标的多目标优化调度模型,采用多目标布谷鸟算法,在“参数-模拟-优化框架下,识别了调度规则参数。结果表明:三个调度目标之间存在相互制约关系;采用层次分析法优选多年平均调水10亿m和15亿m情景下的调度规则,对应缺水指数、发电量和耗电量分别为0.68、3.89亿kW·h、2.98亿kW·h和3.41、3.60亿、5.14亿kW·h;通过参数解码后得到的调度图上、下调度线不交叉,调度线变化平稳,优化结果合理。(2)基于上述制订的确定性优化调度规则,分析了径流预报不确定性对调度性能指标的影响。采用了四种方法优选预报因子:相关系数法、逐步回归法、互信息法和最大信息系数法;构建了三种入库径流预报模型:BP神经网络模型、极限学习机模型、两参数月水量平衡模型;将径流预报过程输入到基于历史径流资料制订的确定性优化调度规则中,以量化预报不确定性对缺水指数、发电量和耗电量的影响。结果表明:多年平均调水10亿m情景下,缺水指数的变化率分别为+435.3%、+133.8%、+573.5%,发电量的变化率分别为-3.3%、-1.8%、-9.8%,耗电量的变化率分别为+20.1%、+3.4%、+5.7%;多年平均调水15亿m情景下,缺水指数的变化率分别为+111.4%、+65.1%、+180.1%,发电量入的径流预报信息存在预报不确定性时,跨流域调水工程调度性能显著下降。(3)基于集合预报信息,制订了考虑预报不确定性的跨流域调水工程优化调度规则。采用多模型随机组合方法生成集合预报信息;利用同步回代缩减算法将集合预报样本缩减为几种典型场景以及对应的发生概率;基于典型预报场景构建水库多目标优化调度模型,使得水库在多场景下性能指标的期望值最优。研究结果表明:基于多模型随机组合方法的集合预报区间在低流量时较小,在高流量时较大,能较真实地反映预报不确定性;采用同步回代缩减算法将场景从1000缩减至20时,场景均值和标准差的变化率在1%以内,计算耗时从49.17 h下降至1.05 h;与确定性调度规则相比,多年平均调水10亿m情景下,考虑了预报不确定性的调度规则缺水指数平均变化率为-19.4%,发电量的平均变化率为+2.1%,耗电量的平均变化率为-10.1%;多年平均调水15亿m情景下,考虑了预报不确定性的调度规则缺水指数平均变化率为-9.2%,发电量的平均变化率为+1.9%,耗电量的平均变化率为-5.0%。当预报不准时,考虑预报不确定性的调度规则供水效果明显变好,发电量略微提升,耗电量略微下降,整体性能优于确定性调度规则。