梯级泵站水资源优化调度研究综述

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摘 要：通过对水资源分布情况介绍，从梯级泵站水资源优化调控的管理方式、所采用建立模型的算法及梯级泵站级间有无分水任务等方面阐述梯级泵站水资源优化调度的国内外研究现状，以及存在的问题，提出今后梯级泵站水资源优化调度研究的趋势。

关键词：水资源；管理调控方式；优化调控方法

中图分类号：TV675 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20160432048

梯级泵站水资源优化调度主要研究的方向在2个方面：泵站系统本身的优化如进出水池水位调控、出水建筑物类型、抽水能源单耗与流量、抽水流量和扬程等；泵站上下梯级间的优化如最优扬程分配、泵站输水系统、各条输水线路水位和流量分配、各泵站开机台数与机组运行工况等；梯级泵站根据泵站梯级间有无分无任务来优化调度，最终的目的都是在保证正常输水的基础上降低年耗电（油）费和年运行费用，同时有利于增效、节能、环保，有利于管理，有利于资源的可持续发展。

1 国内外梯级泵站水资源优化调度研究现状

1.1 水资源分布

根据2013年水利部公布水资源显示，我国水资源总量约为2.8万亿m3，整体上呈现分布不均、时程变化大和年内年际分配不均局面，同时还存在开发空间有限、用水量逐年增加和用水结构变化明显的现象等。如黄、淮、海3大流域，水资源只占全国的8%，而耕地面积占全国的40%；而2013年统计的用水结构是用水量占当年水资源总量的22.1%，农业用水降低到63.4%，而生活、工业、生态用水相应增加到12.1%、22.8%、1.7%。而大体上水量的趋势是东南沿海向西北内陆递减，内陆西北地区也是地大水少情况。为了解决水资源分布的情况，国内相继发展了很多大大小小的调水工程，例如南水北调；在管道输水过程中，正是由于水泵及梯级泵站的广泛应用，使得水泵的能耗约占全国总能耗的21%。

据相关的统计可以发现，现在世界上很多国家已经建设、正在建设或者拟建的大型流域调水工程已经超过了160项，并且建设泵站也不是在世界各地遍布。国外如美国、前苏联、法国、澳大利亚、巴基斯坦、印度等，都根据需要规划和建设了跨流域调水梯级泵站。建设的这些泵站其技术特点以及目的都有一定的区别。比如北美的水电联盟计划，前苏联进行了二十几年研究和规划的“北水南调”也是离不开梯级泵站输送水，在1974年巴基斯坦进行了西水东调工程的建设，澳大利亚东南部规划建设了雪山工程，印度恒河区建设的调水工程以及法国帝朗斯―凡尔顿工程都是利用梯级泵站输送。

1.2 管理调度方式

国外在20个世纪60年代便开始了利用计算机来进行供水系统辅助调度管理的研究和探索，比如加拿大的多伦多以及美国的丹佛和费城等，都是通过遥控设备来将管网中控制点的压力、出厂流量、出厂压力、功率、水位以及温度等运行参数及时的传输到中心调度中去，对于出现的超常现象则需要自动的报警，并将其作为控制人员操作和控制的依据。现在日本、法国、美国以及英国等一些国家的城市已经实现了供水系统计算机优化调度管理，并进行了调度管理软件的编制，比如美国和英国的OPWAD等。为了预防泵站紧急事故，国内已经再利用计算机监测，为了准确及时掌握泵站实时动态，已经把遥感技术运用在一些大中型泵站上。

在我国国内很多学者和专家在20世纪70年代开始便努力的把计算机技术应用到泵站供水系统优化设计、模拟和水厂水质控制中去。在供水系统优化和调度管理等方面也进行了尝试和探索，进行了相关应用软件的开发，比如WNW等，并在广州等地进行了尝试应用。但是由于我国国内受到积水手段和国内设备条件的限制，可以在供水经济性和可靠性等方面获得成功的案例还比较少。但是随着科技的发展和人们的要求提高，进行供水系统调度优化是供水行业发展的整体趋势。

国内针对梯级泵站调度管理复杂等特点，从检验各种设计、控制方案、应急调度预案、工程安全运行和保证水源供给等方面提出了合理建设调度管理系统。梯级自动化调度系统构成主要包含了下面几部分：分别是应用系统、应用支撑平台、数据存储与管理系统、计算机网络系统、通信系统、系统运行实体环境6大部分组成，包括水量调度、闸站监控、视频监视、安全监测、水质监测、工程防洪等核心生产应用系统，还包括与企业运行相关的办公运营应用系统，以及通信网络等信息化基础设施。在功能监控、调度、运行以及安全管理等方面，自动化调度系统的作用非常重要，利用调度运行管理信息化决策会商职称环境以及信息化作业平台，能够实现调度和管理的自动化，目标实现能够保质保量及时的实现。

1.3 梯级泵站水资源优化调度

1.3.1 模型研究应用

最早提出水库调度优化概念的是UBeTKOB，并使用随机动态规划方法研究水库优化调度问题；Young以Hall等人研究为基础，应用动态规划方法研究了单一水库的最优控制问题，随后各个学者又将单一水库调度模型扩展到多水库情形；受到水库调度优化启示，国外相继涌现了利用动态规划方法（DP）（1968）、遗传算法（GA）（1999）和蚁群算法（ACA）（2005）方法建立的数学模型，并应用在多级泵站水资源优化调度中。21世纪以来，国内诸多学者也把遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法等许多新兴的算法应用到了泵站优化调度过程中。为了解决更加复杂的技术优化问题，收敛速度更快，搜索精度更高，于是混合粒子群算法诞生，即周期离散为若干时段并进行流量分配，通过计算各时段内的各机组耗电电费以逼近泵站实际耗电电费的免疫粒子群算法（IAPSO）（2013），能够有效地解决梯级泵站优化调度问题，降低了泵站运行成本。后来，学者们逐渐尝试将基本粒子群算法（PSO）、自适应惯性权重粒子群算法（APSO）、动态规划与模拟退火相结合的混合算法（DP-SA）（2013）结合，并应用于梯级泵站输水优化调度实践上。这些新兴的方法和传统方法结合的算法，也进一步完善了对数学模型研究梯级泵站水资源优化调度问题。

1.3.2 有无分水任务

史京转等（2012）采用动态规划和模拟技术相结合的算法，建立了级间无分水任务的多级泵站优化调度的动态规划数学模型，运用Flex语言编程对多级泵站进行优化计算，证明了改善级间流量配合也是提高多级泵站效率、降低供水能耗的主要途径。适用于多级机组间无分水的多级泵站。梯级泵站级间有分水任务；都是通过分水流量来控制，各种水力条件要比无分水任务的复杂多，不管是国内还是国外，研究均不多。

泵站优化调度主要包含了调度决策以及管理技术的优化，也就是在一定时期中，根据一定标准，在满足相关条件的情况下，确保泵站运行目标函数能够达到极值。从输水距离长短和泵站数量及泵站等各方面因素思考，梯级泵站作为一个系统本身便比较复杂，进行优化调度时不但需要考虑到上面的几种因素，还应该和社会经济、自然环境以及资源政策结合在一起。要求不同，调度时其目标也会存在一定差别。鉴于泵站的用途、自然环境、机组形式以及水泵型号等方面，决定于调度的目标有最小弃水量，最小能耗、最优组合及最佳工况点等。因此泵站的水资源优化调度也是一个综合性复杂问题。

2 梯级泵站水资源优化调度存在的问题和发展趋势

2.1 存在的问题及展望

2.1.1 梯级泵站优化调度存在的问题

梯级泵站水资源优化调度研究虽然有所进展，但还存在一些问题：

我国泵站的自动化系统不健全，只有少数大型泵站实现了局部自动化控制；

大多数泵站的优化调度研究将仅仅局限于泵站，或者考虑的因素多少是否都对梯级泵站优化调度有作用； 梯级泵站系统本身便比较的复杂和庞大，地区用水量以及径流来水量都存在明显的随机性和不确定性，对其进行预报和预测范围都比较大，很难确定其准确性；

模型算法存在一定的局限性，有些模型本身便比较繁琐，操作起来比较复杂，求解梯级最优时计算时间比较长，甚至还有些模型算法为了克服存在的维数灾问题进行了大量的假设以及简化，这样模型很难对其泵站群实际情况进行描述，优化的相关结果和实际情况存在较大误差。

2.1.2 梯级泵站优化调度展望

现在方法和最优化理论也不断的成熟，灰色理论、模糊理论、神经网络等计算方法愈加成熟，也更好的运用到了泵站优化调度中去。并且，泵站工程自动化水平也在不断提高，在泵站运行计算机监控系统中，优化调度理论的应用也在不断增加。

鉴于梯级泵站系统的复杂性，大中型泵站实现了自动化控制同时也充分考虑专业技术人才运用，这样会加强人和机优点的结合，有利于管理。

泵站作为水资源系统中的重要一环，对于泵站的优化调度研究将不仅仅局限于泵站，而会更多地从水资源大系统来全面的考虑，如包括泵站工程、蓄水工程、输水工程和控制调节工程等。

如何使梯级泵站的优化调度模型更加体现其随机性，更符合实际，获得更准确的结果是今后应考虑的问题。

模型算法的局限性主要解决研究者是否有足够的实际经验和实地勘测操作，或者参与工作，考虑主要因素，忽略次要因素，建立适合地方局域性数学模型去解决。

2.2 意义

梯级泵站水资源优化调度指的便是通过优化技术的运用来提高科学管理的科学性，努力找到最合适的调度策略，在确保其运行安全、满足水量需要以及输水水压的情况下，不断的降低其运行的实际成本，将其社会环境以及经济效益发挥出来。在优化调度梯级泵站时，不但需要考虑到单个泵站的实际运行效益，还需要全面考虑泵站系统以及水资源系统的世界情况，对其进行协调和统筹，让各级泵站和用水之间更加和谐。可以肯定，随着我国大型跨流域抽调水工程和区域抽调水工程的实施，人们将会更近一步体会到梯级泵站优化调度研究带来的优越性。

参考文献

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[2] 金明宇.大型引水工程梯级泵站优化调度模型研究[D].南京：河海大学，2004.

[3] 仇宝云，袁寿其.南水北调东线工程梯级泵站的几个问题[J].灌溉排水学报，2003（2）：69-73.

[4] 史京转，徐志嫱.多级泵站优化调度问题研究[J].西南给排水，2012，34（1）：67-70.

作者简介：虎春生（1990-），男，宁夏彭阳人，工程硕士，助工，研究方向：供水工程理论与技术。