混合式抽水蓄能电站群容量计算研究Ⅰ:短期调峰特征与梯级开发增益

依托常规梯级水电站修建混合式抽水蓄能电站(简称混蓄电站)成为提升电力系统调峰能力的重要途径。混蓄电站即可抽水又可发电的典型运行方式增加了水电基地的灵活性调节能力,为此亟需研究其运行方式以及与原有梯级水电站运行方式间的互馈关系。研究以黄河上游待开发龙羊峡-拉西瓦、拉西瓦-尼那混蓄电站为对象,建立含混蓄电站的梯级水电站短期联合调峰优化模型,分析混蓄电站对原有梯级水电站运行方式的影响,基于理论推导与数值计算两种方法揭示混蓄电站调峰效果的变化特征。主要结论如下:(1)混蓄电站抽水水量经由原有梯级水电站机组下泄,使得非填谷时段原有水电站出力增加,水电站上旋备容量降低;(2)龙羊峡水电站满发流量相对较小、拉西瓦水库调节库容较小以及日综合利用供水流量过大是制约混蓄电站调峰效果的主要因素,发现了综合利用流量影响混蓄电站调峰效果的临界特性,并提出了临界综合利用流量的计算公式;(3)发现并量化了混蓄电站梯级开发模式较单一开发模式所带来的梯级抽水调峰增益现象,并揭示了梯级抽水调峰增益背后所蕴含的“河流梯级反向再造”内在机理。

黄河中下游水资源多目标利益对古贤水库运行的响应

为量化未来古贤水库参与黄河中下游梯级水库群联合运行对供水、发电、调水调沙、生态多目标关键利益及非关键利益的影响,设置2030水平年有古贤水库及无古贤水库两种情景,基于梯级水库群多目标协同优化调度理论构建黄河中下游梯级水库群多目标协同优化调度模型,通过求解模型分析了径流减少及未来综合需水增加的背景下,黄河中下游多目标利益对古贤水库参与联合运行的响应关系。结果表明:与无古贤水库情景相比,有古贤水库情景下水库群调度系统总协同度略微增加,供水与发电子系统有序度有所增加,农业关键期、非关键期多年平均缺水量减少,水库群多年平均发电量增加;除调沙频率略微下降外,有古贤水库情景下输沙、生态目标关键利益及非关键利益均有所提升。

黄河干流梯级水库补偿效益仿真模型的建立及求解

为最大程度地反映黄河干流水资源利用的复杂性和多目标性,建立了水资源调控仿真模型来研究黄河干流补偿效益,目标函数分为防洪减灾目标、生态目标以及水资源利用目标三类,模型求解分三个层次进行:“有龙有刘”、“无龙有刘”和“无龙无刘”。得到黄河干流水量以及电量的补偿值,并将仿真模型结果与优化模型(POA法求解)结果进行对比分析,说明仿真模型更能反映复杂系统的实际运行情况。

构建生态流域理论体系 支撑流域生态文明建设

我国生态文明建设取得了可喜成绩,但是在流域生态文明建设过程中,缺乏系统理论支撑,尤其是欠缺全局性、系统性和科学性生态流域体系,迫切需要站在生态文明建设国家战略的高度,科学系统地创建生态流域的理论体系,助推生态文明建设、黄河流域生态保护和高质量发展。通过总结我国流域生态建设与保护的发展历程,分析国内外相关生态流域研究进展、发展趋势及其特点,以黄河流域生态保护和高质量发展为目标,提出了生态流域的新概念,阐述了生态流域的定义和内涵,并从水安全、水资源、水环境、水生态、水景观、水文化、水管理、水经济8个维度进行顶层设计,初步构建了生态流域的理论体系,并论述了黄河生态流域构建亟待开展的研究工作。

基于VIC模型构建的综合干旱指数在黄河流域的应用

【目的】研究黄河流域年内和年际尺度的干旱特征,为评估干旱、半干旱地区极端气候提供参考。【方法】基于VIC模型划分0.5°×0.5°经纬网,结合黄河流域多年降水资料,将子流域所有网格日径流取均值,采用GPP(Gringorten plotting position)算法构建非参数多变量综合干旱指数(Non-parametric multivariate standardized drought index,NMSDI),并在黄河流域进行了实例应用。【结果】(1)在6个月尺度上,干旱初期NMSDI指数与标准化降水指数(Standardized precipitation index,SPI)类似,末期与标准化流量指数(Standardized streamnow index,SSI)类似。(2)黄河上游及北部干旱较其他区域更为严重,旱灾风险春夏高、秋冬低。(3)黄河流域年内和年际的NMSDI指数以降低为主,但R/S分析表明,降低的趋势在未来有所减缓。(4)黄河流域年际NMSDI系列趋于稳定,仅渭河流域在1991年出现突变,可能是气候变化与人类活动耦合的结果。【结论】与传统的干旱指标相比,NMSDI综合了气象、水文干旱指标的特点且不依赖于假设的分布函数,可以有效捕获干旱状态,同时避免了不同指标之间不能直接比较的不足,在研究流域有较好的适用性。

基于西霞院反调节补偿作用的小浪底水电站短期调峰运行研究

在分析水电站调峰运行方式的基础上,探讨西霞院水库运行前后小浪底不同的调峰运行方式,建立基于西霞院反调节作用的小浪底水电站调峰模型,由模型计算结果得到小浪底水电站的综合调峰能力,制定小浪底日常规调峰计划和日联合调峰计划。分析比较结果表明,联合调峰运行明显增强了小浪底的调峰能力,在同时满足电调和水调指令的基础上优化了调峰电量的丰枯结构,提高了水资源利用率和发电企业的经济效益。

塔里木河干流生态系统变化与生态效益分析

以提取1990—2020年植被覆盖度、遥感生态指数、人类干扰指数等遥感生态指标来反映塔里木河干流生态输水工程实施前后,生态状况变化趋势。将遥感生态指标作为驱动因子,提出一种改进的生态系统服务价值计算法,量化供给、调节、支持、文化功能的生态系统服务价值,分析各功能间权衡和协同效应的动态演变关系,对1990—2020年累积生态效益进行估算。结果表明:(1)生态输水以来,干流有近1/3的区域植被覆盖度增加,较低、中、较高、高植被覆盖度面积占比分别增加17%、5%、2%、2.9%。(2)上游生态系统服务价值先增加后渐趋稳定,中、下游生态系统服务价值先增加后减小再增加,表明中、下游对生态输水的响应存在一段滞后期,且受来水水量影响较大。(3)调节和支持功能之间存在协同效应,供给与调节和支持功能之间存在权衡效应。(4)生态输水后期,干流上、中、下游累积生态效益均表现出“边际效益递减规律”,据此从生态修复角度出发,给出断面年径流量的适宜范围,上游不超过42.5×10^(8)m^(3),中游不超过21.5×10^(8)m^(3),下游不超过3.5×10^(8)m^(3)。研究结果可为优化生态水水量配置提供科学指导。

基于FUZZ-EWM法的综合干旱指数构建与应用

研究典型干旱半干旱地区渭北旱塬干旱时空演变特征,对旱灾干扰的干旱半干旱区域的水资源可持续利用和农业可持续发展研究提供理论指导。根据区域内及附近的6个气象站50多年逐月气象资料,结合地理气候特征,选取了Palmer干旱指数(PDSI)、标准化降水指数(SPI)和标准化蒸散指数(SPEI)作为干旱评价的单项指数,并采用FUZZ-EWM法构建出综合干旱指数(DI),然后利用ARCGIS10.1插值研究DI的时空分布和变化趋势,基于Morlet小波函数分析DI的变化周期。结果表明:(1)渭北旱塬是干旱的重灾地,轻旱、中旱频发,重旱、特旱次之。干旱以30年为第一主周期,在主周期内还包括17~18年与6年的小周期。(2)年内干旱的时域与频域差异较大,其中春季以轻、中旱为主,夏季重旱与特旱频发,春夏连旱发生频繁,秋冬季节干旱情况较春夏有所缓解。(3)对现状年水资源供需平衡分析,得到缺水率与综合干旱指数的评价结果基本一致。基于FUZZ-EWM法构建的综合干旱指数DI,对典型的干旱半干旱地区渭北旱塬有良好的适用性,值得进一步推广使用。

全球变化背景下特大干旱综合应对研究框架

全球变化背景下特大干旱综合应对研究是国家重大实践需求和科技前沿课题。大范围、长历时、高强度特大干旱具有“点面监测难协同、发展态势难预报、旱情程度难诊断、供需调控难兼顾”等防控难点。本研究提出特大干旱防控应对的三大关键科学问题,在“理论研究-技术开发-装备研制”的总体思路下,未来应以多技术融合为手段,在现有干旱防御技术体系基础上,进一步系统揭示特大干旱形成演变机理,创新特大干旱下供需双向调控机制,创建具有自主知识产权的特大干旱“监测预警-诊断评估-调控应对”成套理论技术体系和系统装备,在特大干旱全景监测、精确预报、精准诊断和智慧调控方面实现技术突破,更好地支撑干旱预报、预警、预演、预案“四预”措施推进和落实,为我国特大干旱应对实践提供科技支撑。

复杂约束下梯级水电站机组尺度负荷逐次降维优化分配

梯级水电站负荷优化分配涉及水位协调型、时段耦合型等复杂约束条件。面向水位协调型约束,界定梯级水电站安全运行的高限水位与低限水位,分析在梯级水电站高水位运行区、经济运行区以及低水位运行区不同组合方式下的电站出力特性;结合时段耦合型约束条件,以厂间-厂内负荷一体化分配为研究目标,提出三层逐次降维策略,将梯级水电站总负荷分配至厂间尺度,利用耦合动态规划算法将梯级水电站厂内负荷分配至机组尺度。实例结果表明,与传统的动态搜索算法相比,所提算法对复杂约束条件表现出良好的适用性,寻优质量得到明显提高。

小浪底–西霞院梯级水库生态调度研究

黄河下游水库群调度主要以发电为目标,忽视了生态用水的要求,造成了严重的生态环境问题。针对这些问题,建立水库生态调度模型,并对小浪底西霞院梯级水库进行研究,结果发现,满足生态调度的水库调度,在减少少量发电的情况下,能很大程度的改善生态功能,对于生态环境的治理和恢复具有重要的意义。

基于并行机器学习的风功率超短期预测

针对风功率存在间歇性、随机性和波动性的特征及组合预测模型耗时长的问题,提出一种并行解决方案,建立集合经验模态分解(EEMD)与双向长短期记忆(BiLSTM)神经网络相结合的风功率并行组合预测模型。首先,利用EEMD将原始风功率序列分解为一系列本征模态函数;其次,借助多进程信息传递接口为本征模态函数构建并行BiLSTM神经网络子模型阵列,并采用贝叶斯优化算法率定各子模型超参数;最后,将并行子模型预测序列合成后便得到风功率预测结果。实例验证表明,所建模型在单步预测、多步预测和执行效率方面较五组对照模型均具备一定的优势。研究成果可为电网发电计划的制定及电力系统经济运行提供数据支撑和参考价值。

新能源并网下混合式抽水蓄能电站竞价策略

随着我国西北地区新能源规模不断增长,弃风、弃光问题日益突出,建设具有更大储能容量的混合式抽水蓄能电站是目前最具有实践价值的解决方案,研究其在现货市场中的竞价策略具有重要意义。本文以黄河上游规划建设中的梯级混合式抽水蓄能电站为研究对象,构建了一个Stackelberg博弈模型,通过解决一个双层优化问题来实现其在日前市场中的利润最大化,其中,上层代表电站收入最大化问题,下层包括独立系统运营商面临的出清问题。结果表明,日前市场中,混合式抽水蓄能电站会在高电价时放水发电,低电价时抽水蓄能,电站与新能源通过打捆方式参与市场竞价的收益要高于两者联合但不打捆参与方式,且均高于混合式抽水蓄能电站单独参与市场竞价的收益。

生态输水工程对水系连通的多维影响:以塔里木河为例

生态输水工程一方面缓解了水资源时空分布不均的难题,另一方面改变了水系自然连通状态。本文结合图论与景观格局指数法,从形态、结构、功能三个维度构建水系连通评价指标体系,分析塔里木河干流生态输水工程实施前后,上、中、下游水系连通格局的时空演变。综合水系连通指数计算结果表明,生态输水以来上、中游水系连通指数先上升后渐趋稳定。生态输水之前由于断流,下游各维水系连通指数均呈下降趋势,生态输水以来下游水系连通指数开始上升,其中形态与结构连通指数响应较快,功能连通指数响应较慢。从趋势来看,水系连通指数不会随着生态输水工程的实施持续上升,而是存在一定的阈值。形态连通方面,生态输水后,上、中游水域由大面积连续斑块向小面积破碎斑块转化,下游大面积水域斑块增多。结构连通方面,水系连通时长增加,其中下游最为显著;生态输水前期上、中游水域面积减少,下游水域面积增加;输水后期流域整体水域面积增加,但上、中游持续和周期连通水域面积增幅减小,而下游增幅显著。功能连通方面,上、中游以供给和支持功能占主导,下游随着生态输水的进行,各类功能占比渐趋均衡。生态输水水量与各维水系连通指数均表现为正相关,水系形态、结构连通指数响应较快,功能连通指响应较慢,由此可见生态输水对塔里木河干流水系连通的提升具有积极效益。研究结果可为生态输水实践提供技术支撑。

基于级联效应的水库调度决策多维综合评估

水库防洪、兴利调度的核心为水库水位的科学控制。受复杂现实环境因素影响,如应急突发事件、水资源供需不确定性等,实际调度过程中各时段水库水位往往偏离初始优化路径,进而影响后续调度决策以及防洪、兴利效益目标,即水库水位控制决策受扰动后的级联效应现象。文中提出考虑影响持续性、全局损失性以及系统失效性3个方面的水库调度决策级联效应评估指标体系,以此为基础,采用TOPSIS方法量化月尺度水库调度决策级联效应,应用K-means算法划分级联效应强度等级,并在泾河流域东庄水库供水调度中进行应用。结果表明:1)相对于影响持续性指标与系统失效性指标,全局损失性指标对东庄水库调度决策的变化更加敏感,其中在枯水期尤为显著;2)水库调度决策扰动产生的综合级联效应在10月份最为显著,5-7月份相对较弱,重点管控10月水库水位有利于避免水库水位偏离初始优化路径时大规模负向级联效应的产生。

梯级水库群多目标协同均衡调控研究

梯级水库群调度下多目标矛盾突出,为实现利益的协同与均衡保障,首先识别多目标关键利益与非关键利益,并基于协同学构建了梯级水库群多目标协同优化调度模型;其次提出了基于满意边界的时段内多目标利益均衡调控方法,并引入以混沌时间序列分析的关联维数及Kolmogorov熵对水库群多目标调度系统进行混沌特征识别与引导。在黄河上游梯级水库群多目标调度中的应用结果表明:在不降低多目标利益保障水平的情况下,所提理论与方法实现了梯级水库群调度下多目标利益在时段间形成协同有序、在时段内达到利益均衡;最终方案中黄河上游梯级水库群多目标调度系统的总协同度为0.64,各目标的关键利益保障程度明显高于非关键利益。研究成果为存在多目标竞争关系的流域水资源高效利用提供了新的理论与方法,拓展了水库群多目标优化调度的研究范畴,促进了水资源系统工程学与协同学、混沌学的交叉与融合。

基于耗散结构理论和灰色关联熵的水资源系统演化方向判别模型研究

水资源系统是一耗散结构 ,本文以水资源量作为序参量 ,来描述水资源系统的有序性和演化方向。依据协同学理论 ,水资源系统要维持有序就要求经济、社会、生态子系统相互协调 ,系统序参量之间相互协同。应用耗散结构理论和灰色系统理论 ,把灰关联度与熵结合起来 ,以序参量为基础 ,建立了基于灰关联熵的水资源系统演化方向的判别模型 ,为水资源系统分析提供了新方法。并将该模型应用于黄河流域水资源系统的演化评价 。

城市供水水源联合优化调度研究

城市供水优化调度是一个多目标、复杂大系统优化问题．本文应用系统科学的原理和方法，针对西安市，建立了多水源联合多目标优化模型；探讨了优化调度的多目标、多模型结构；提出了多目标模型求解思路和方法，为实现城市供水水源优化调度奠定了理论基础．最后应用本文提出的模型和算法，进行西安市市区供水水源优化调度实例研究。

近50年泾河流域降雨-径流关系变化及驱动因素定量分析

为明确变化环境下流域降雨—径流关系变化特征,定量分析影响因素,该文提出利用滑动偏相关系数法诊断泾河流域降雨—径流关系变异情况,与双累积曲线法相互验证,引入Copula函数分析降雨-径流关系变化特征,在此基础上定量计算气候变化和人类活动对径流变化的影响。研究结果表明:泾河流域降雨—径流关系于1996年发生变异,主要由流域内持续增加的用水量以及大规模的水利水保工程致使的径流衰减性变化造成,降雨年际、年内变幅不明显;降雨-径流关系变异后(1997-2010年),相较1960-1996年,相同降雨条件下流域产流能力减弱,年降雨量≥400 mm时,产流量相对减幅达40%以上;降雨、径流联合分布发生明显变化,不同时段相同量级降雨、径流遭遇概率变化显著;1997-2010年与1960-1996年相比,人类活动对径流减少的贡献率达到80.96%,气候变化影响程度仅为19.04%。该研究可为合理进行流域水资源开发利用与水土保持工作等提供科学依据。

基于BP神经网络马尔科夫模型的径流量预测

讨论了马尔科夫链状态划分的黄金分割率法和"马氏性"检验法,并针对BP神经网络预测和马尔科夫预测的优缺点,提出了BP神经网络与马尔科夫相耦合的BP神经网络马尔科夫模型,以石泉水库年入库径流量为例,验证了该方法的可行性.