長江上游梯級水庫群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度技術(shù)研究

仲志余　鄒強　王學(xué)敏　饒光輝　丁毅

摘要：長江上游梯級水庫是流域治理開發(fā)保護的骨干性工程，在保障流域防洪安全、供水安全、生態(tài)安全等方面發(fā)揮著重要作用。為有效解決長江上游巨型水庫群防洪、供水、生態(tài)、發(fā)電、航運、應(yīng)急等多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，開展了“長江上游梯級水庫群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度技術(shù)”研究攻關(guān)。首先重點介紹了長江上游梯級水庫群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度研究的重點難點問題;然后從水文、防洪、供水、生態(tài)、發(fā)電、航運、應(yīng)急、風(fēng)險、多目標(biāo)調(diào)度集成等調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)層面，全面系統(tǒng)地梳理了研究取得的主要創(chuàng)新性研究成果和成果應(yīng)用情況;最后展望了長江流域梯級水庫群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度技術(shù)以及水工程多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度等發(fā)展方向。研究成果可為更好地為水工程調(diào)度運行管理提供理論與技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：梯級水庫群; 多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度; 關(guān)鍵技術(shù); 長江上游

中圖法分類號： TV122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.003

0引 言

長江是世界第三、中國第一大河，不僅是中華文明的發(fā)源地之一，更是當(dāng)代中國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要命脈[1-2]。治理好、利用好、保護好長江，不僅是長江流域4億多人民的福祉所系，也關(guān)系到全國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的大局，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。作為長江流域治理開發(fā)保護的骨干性工程，長江上游巨型水庫群在保障流域防洪安全、供水安全、生態(tài)安全等方面發(fā)揮著重要作用[3]。當(dāng)前，隨著長江流域控制性水庫群的數(shù)量逐年增加，可調(diào)規(guī)模不斷擴大，拓?fù)潢P(guān)系日趨復(fù)雜、聯(lián)合調(diào)度難度日益顯現(xiàn)[4-5]。水庫群聯(lián)合調(diào)度研究是一項兼具艱巨性、復(fù)雜性、緊密性的系統(tǒng)工程，涉及防洪、抗旱、供水、生態(tài)、發(fā)電、航運等相互競爭、不可公度的調(diào)度目標(biāo)，是一類多層次、多屬性的復(fù)雜群多目標(biāo)決策問題，是亟需統(tǒng)籌謀劃、科技攻關(guān)的技術(shù)難題[6-7]。如何充分發(fā)揮長江上游水庫群調(diào)度綜合效益，在保障水庫開發(fā)任務(wù)要求的同時，通過聯(lián)合調(diào)度在流域?qū)用嫔汐@取更大的效益外延，對提升保障支撐能力、推動實施長江經(jīng)濟帶發(fā)展戰(zhàn)略和長江大保護具有重大意義[8]。

國家重點研發(fā)計劃水資源高效開發(fā)利用重點專項“長江上游梯級水庫群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度技術(shù)”，于2016年7月啟動，集合了長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司、長江水利委員會水文局、中國水利水電科學(xué)研究院、南京水利科學(xué)研究院、武漢大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國長江三峽集團有限公司、中國科學(xué)院水工程生態(tài)研究所、長江水利委員會長江科學(xué)院、河海大學(xué)、清華大學(xué)、中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所、四川大學(xué)、大連理工大學(xué)、華北電力大學(xué)、湖北工業(yè)大學(xué)、長江水資源保護科學(xué)研究所、天津大學(xué)、長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心等國內(nèi)水庫群調(diào)度領(lǐng)域的19家優(yōu)勢單位，基于海量的原始資料和堅實的研究基礎(chǔ)，產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合，通過合理可行的組織實施和保障措施，歷時5 a多的艱苦研究探索和團隊共同努力，圓滿出色地完成了該項目的全部技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用示范工作，已于2021年順利通過績效評價，在水文預(yù)報、防洪調(diào)度、水資源綜合調(diào)度、多目標(biāo)調(diào)度系統(tǒng)集成等方面亮點突出，創(chuàng)新性與應(yīng)用性兼?zhèn)?，在長江流域水文氣象預(yù)報、水旱災(zāi)害防御、水資源配置、水環(huán)境水生態(tài)保護、水利信息化等研究領(lǐng)域形成了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成果，研究成果成功應(yīng)用于2020年長江流域性大洪水防御實踐，防洪社會、經(jīng)濟等綜合效益顯著。

該項目以長江上游溪洛渡、三峽等30座控制性水庫（總庫容為1 633億m3，總防洪庫容為498億m3）為研究對象，通過拓展調(diào)度范疇、深化調(diào)度內(nèi)涵、強化調(diào)度實踐，針對梯級水庫多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度領(lǐng)域的防洪、供水、生態(tài)、發(fā)電、航運、應(yīng)急、風(fēng)險分析等調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)瓶頸開展了系統(tǒng)深入的研究，攻克了防洪、供水、生態(tài)、發(fā)電、航運、應(yīng)急等綜合調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，提出了具有一定普適性和自主知識產(chǎn)權(quán)的流域巨型水庫群多目標(biāo)調(diào)度的整套方案和技術(shù)體系，開發(fā)了“全周期-自適應(yīng)-嵌套式”的水庫群多目標(biāo)綜合調(diào)度系統(tǒng)平臺，并在金沙江下游和三峽梯級進行智能調(diào)度應(yīng)用示范，有效促進了長江經(jīng)濟帶可持續(xù)發(fā)展，深入落實了長江大保護方針，提升了流域綜合管理水平[9-10]。

基于此，本文首先綜述了近年來關(guān)于長江上游梯級水庫群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度研究的重點難點問題。然后介紹了項目研究取得的主要創(chuàng)新性研究成果，可為指導(dǎo)流域水庫群聯(lián)合調(diào)度管理提供理論技術(shù)支撐。最后探討了今后梯級水庫群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度的發(fā)展趨勢，為下一步研究指明了方向。

1長江上游水庫群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度的重難點問題

1.1水系多阻斷水文預(yù)報方法

長江流域上游梯級水庫群建設(shè)運行對流域水文預(yù)報任務(wù)、預(yù)報方式及預(yù)報精度均產(chǎn)生了較大的影響，具體分為兩個方向：① 長江上游梯級水庫群建設(shè)對流域水文預(yù)報的影響，主要體現(xiàn)在流域水系由天然河道演變?yōu)橹鸺壎嘧钄嗪拥溃欢ǔ潭壬细蓴_了流域水文自然循環(huán)過程，致使預(yù)報節(jié)點加密和預(yù)報區(qū)域精細(xì)化破碎化;② 長江上游梯級水庫群運行對流域水文預(yù)報的需求，主要體現(xiàn)在流域梯級水庫調(diào)度任務(wù)逐漸豐富且多元化，流域水文預(yù)報任務(wù)、預(yù)報內(nèi)容逐漸增多，預(yù)報時效性和預(yù)報準(zhǔn)確性逐漸增強。

因此，亟需針對長江流域防洪抗旱需求并結(jié)合長江上游梯級水庫群調(diào)度運行方式，開展適應(yīng)長江流域大流域空間跨度、流域水系多阻斷、長中短期水文預(yù)測需求等特點的多尺度多阻斷大流域水文預(yù)測預(yù)報方法研究。

1.2水庫群協(xié)同聯(lián)合防洪

長江上游水庫群數(shù)目規(guī)模大、分布范圍廣、防洪對象多，防洪調(diào)度具有多區(qū)域防洪、多水庫協(xié)同、長距離河道演進等復(fù)雜特征。長江上游水庫群防洪調(diào)度，需根據(jù)工程規(guī)劃任務(wù)和實際運行需求，合理安排水庫防洪庫容?，F(xiàn)有研究主要針對水庫自身防洪安全的庫容劃定和分配，鮮有針對多區(qū)域防洪的研究實例，當(dāng)水庫群規(guī)模較大且兼有本流域、跨流域的防洪調(diào)度目標(biāo)時，相關(guān)調(diào)度模型對多區(qū)域防洪問題的描述不夠充分。

因此，面對大范圍多區(qū)域防洪調(diào)度建模時，應(yīng)進一步開展不同洪水地區(qū)組成、不同水庫防洪庫容分配方案及對不同區(qū)域防洪調(diào)度效果研究，尋求不同洪水地區(qū)條件下滿足多區(qū)域防洪要求的長江上游水庫群防洪庫容分配的優(yōu)化組合方案，進而構(gòu)建面向多區(qū)域防洪的長江上游水庫群協(xié)同防洪調(diào)度模型，為流域水庫群防洪調(diào)度決策提供快速有效支撐。

1.3水庫群聯(lián)合發(fā)電調(diào)度

長江上游巨型水庫群水力、電力聯(lián)系緊密且拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜，其聯(lián)合發(fā)電調(diào)度是一類多層次、多階段、多決策變量和多重約束的復(fù)雜優(yōu)化決策問題。如何揭示流域水庫群跨區(qū)多電網(wǎng)水力、電力補償調(diào)節(jié)規(guī)律，探明不同調(diào)度周期、不同運行工況組合下水庫群多維時空尺度發(fā)電調(diào)度模型的耦合途徑和方式，建立發(fā)電調(diào)度模型自適應(yīng)匹配和無縫嵌套模式，是水庫群跨區(qū)發(fā)電調(diào)度協(xié)同優(yōu)化技術(shù)的重點問題。

此外，流域梯級水庫群枯水期聯(lián)合運行受供水需求、發(fā)電控制、航運管理、生態(tài)響應(yīng)等多種復(fù)雜因素影響，如何推求汛前梯級水庫群水位消落最優(yōu)時機，探明水位消落最優(yōu)次序，演算水位消落最優(yōu)深度，協(xié)調(diào)均衡水頭、水量效益以最大化流域梯級水能資源綜合效益，是水庫群跨區(qū)發(fā)電調(diào)度協(xié)同優(yōu)化技術(shù)的理論難點。

1.4水庫群水資源、水生態(tài)、水環(huán)境調(diào)度

長江上游梯級水庫群在發(fā)揮防洪、發(fā)電等設(shè)計功能的同時，還需要在滿足流域河道、湖泊和區(qū)域需水，流域水生態(tài)與水環(huán)境保護，執(zhí)行應(yīng)急調(diào)度等方面發(fā)揮重要作用。然而，由于缺乏有力的理論技術(shù)支撐和統(tǒng)一有效的管理協(xié)調(diào)機制，水庫群無序調(diào)度可能嚴(yán)重影響長江流域區(qū)域水資源配置和綜合效益的持續(xù)發(fā)揮，帶來了一系列亟待解決的重大科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)難題。長江中下游供用水保障、江河湖庫生態(tài)安全、水庫群綜合效益最大化等問題十分突出。

因此，充分考慮各水庫的共同供水任務(wù)和自身供水任務(wù)，制定滿足多維度用水需求的供水任務(wù)分配策略，對指導(dǎo)水庫群水資源調(diào)度至關(guān)重要。同時，基于流域水流時空分配需求及其與水生態(tài)環(huán)境關(guān)系，研究新的水資源分配模式進行河湖結(jié)構(gòu)改造、研發(fā)新的生態(tài)修復(fù)技術(shù)“以結(jié)構(gòu)換空間”彌補河湖沿岸帶的損失、采用大數(shù)據(jù)體系進行河流水安全和生態(tài)安全評估預(yù)警，已成為亟待解決的關(guān)鍵問題。還有，突發(fā)水污染事件具有危害性、易擴散性、持續(xù)性、處理艱巨性、影響長期性，運用水庫群調(diào)度進行突發(fā)水污染應(yīng)急處置，需有效解決水污染事件信息收集、水庫運用方式制定以及應(yīng)急管理體系研究等諸多問題。

1.5水庫群調(diào)度風(fēng)險評估與決策

水庫群聯(lián)合調(diào)度涉及多重因素、多個部門、多個環(huán)節(jié)，既包括眾多自然因素產(chǎn)生的客觀風(fēng)險，又蘊含著人為因素帶來的主觀風(fēng)險，兩者的共同作用使得問題變得極其復(fù)雜，使得水庫群聯(lián)合調(diào)度風(fēng)險評估與決策成為一個具有挑戰(zhàn)性的前沿性復(fù)雜系統(tǒng)工程問題。

因此，如何構(gòu)建一套水庫群聯(lián)合調(diào)度大系統(tǒng)多目標(biāo)風(fēng)險評估與決策理論體系，是亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，可從以下幾方面突破技術(shù)瓶頸：① 針對水庫群聯(lián)合調(diào)度風(fēng)險要素進行識別與特征機理分析，尤其是在極端氣候事件下形成的物理成因、客觀條件以及演變過程，提出多維風(fēng)險變量聯(lián)合分布快速估計方法，為復(fù)雜水庫群多維風(fēng)險變量定量估計提供一條新途徑;② 構(gòu)建梯級水庫群多目標(biāo)風(fēng)險對沖序貫決策模型，提出水庫群聯(lián)合調(diào)度多目標(biāo)風(fēng)險聯(lián)合調(diào)控技術(shù)與策略;③ 充分考慮風(fēng)險傳遞過程中風(fēng)險要素的關(guān)聯(lián)性，揭示聯(lián)合調(diào)度風(fēng)險傳遞過程與響應(yīng)規(guī)律，提出水庫群大系統(tǒng)多目標(biāo)風(fēng)險決策理論;④ 提出水庫群聯(lián)合調(diào)度利益補償原則，為水庫群多目標(biāo)風(fēng)險調(diào)度利益補償機制的實施作好支撐。

1.6水庫群多目標(biāo)綜合調(diào)度

現(xiàn)有水庫群多目標(biāo)綜合調(diào)度建模主要針對具體目標(biāo)和時段，不符合覆蓋全年的實際調(diào)度情況，有必要將全年劃分為前汛期、主汛期、汛期末段、蓄水期、供水期以及汛前消落期等階段，分析不同階段的主要矛盾和重點目標(biāo)，尋求不同階段間的轉(zhuǎn)化控制指標(biāo)，實現(xiàn)對全周期調(diào)度目標(biāo)差異化考慮。同時，目前多目標(biāo)綜合調(diào)度模型缺乏對不同水庫群實際特征的考慮，通過一定程度的抽象簡化并設(shè)置“求極限”形式的多目標(biāo)函數(shù)，難以直接在實際生產(chǎn)中運用，有必要從實際調(diào)度中提取運行經(jīng)驗和成果，提出科學(xué)的、合理的、符合調(diào)度管理體制要求的優(yōu)化決策方法，來有效處理多目標(biāo)綜合調(diào)度中的各種決策偏好。

因此，亟待圍繞長江上游水庫群多目標(biāo)綜合調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)開展理論研究和技術(shù)攻關(guān)，研究并建立“全周期-自適應(yīng)-嵌套式”水庫群多目標(biāo)調(diào)度模型，解決采用固定邊界和約束方法進行多目標(biāo)調(diào)度時存在的多維邊界動態(tài)耦合難題，提出多層次、多屬性、多維度綜合調(diào)度集成理論與技術(shù)，揭示防洪-供水-生態(tài)-發(fā)電-航運多維調(diào)度目標(biāo)之間協(xié)同競爭的生態(tài)水文、水資源管理等內(nèi)在機制，提出長江上游水庫群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度方案。

2長江上游梯級水庫群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度主要研究成果

2.1面向水庫群調(diào)度的水文數(shù)值模擬與預(yù)測技術(shù)

針對變化環(huán)境下不同物理背景水文模型的局限性，揭示了長江上游梯級水庫群建成運行影響下水文循環(huán)時空演變規(guī)律，提出了反映“氣-陸-庫-水”系統(tǒng)之間物質(zhì)、能量和信息反饋機制以及耦合作用機理的非一致性預(yù)測預(yù)報方法，以提高水文預(yù)報精度并延長預(yù)見期。

（1） 面向長江流域巨型水庫群的長河系、多阻斷水文預(yù)報體系。通過研究或構(gòu)建WRF、ECWMF、T639、日本中期、CFS、RegCM4區(qū)域氣候模型等數(shù)值預(yù)報模式，開展短期、中期及延伸期等不同時間尺度融合的1～20 d無縫滾動降雨預(yù)報解釋應(yīng)用，提出了短期、中期及延伸期等不同時間尺度融合的1～20 d無縫滾動降雨預(yù)報方法，形成了適用于長江上游的基于多時間尺度（短、中期、延伸期）的降雨預(yù)報產(chǎn)品。實踐應(yīng)用表明：短期（1～3 d）降雨預(yù)報精度較高，中期（4～7 d）降雨預(yù)報趨勢把握較好，延伸期預(yù)報趨勢基本正確[11]。

（2） 基于水文風(fēng)險的非一致性設(shè)計洪水計算方法。分析了長江流域控制站點水文資料以及控制站點上游已建、在建和規(guī)劃的水利工程資料，針對實測洪水序列開展非一致性識別研究，構(gòu)建了以梯級水庫群調(diào)蓄能力為協(xié)變量的非一致性洪水頻率分布模型，采用Bootstrap方法計算了設(shè)計洪水的統(tǒng)計不確定性，建立了梯級水庫群影響下非一致性水文不確定性概率描述方法，綜合考慮氣候變化、土地利用、城市供水等漸變因素的影響，推求了未來一定時期內(nèi)某一水文風(fēng)險下的設(shè)計洪水成果[12]。

2.2面向多區(qū)域防洪的長江上游水庫群協(xié)同調(diào)度策略

揭示了流域水庫群防洪調(diào)度的“時-空-量-序-效”多維度屬性，提出了面向多區(qū)域防洪的水庫群調(diào)度體系，并通過不斷實踐和分析持續(xù)對模型進行改進升級，滿足流域多區(qū)域防洪庫容投入時序分配與水庫間、區(qū)域間防洪協(xié)同要求[13]。

（1） 面向多區(qū)域防洪的長江上游水庫群防洪庫容優(yōu)化分配模型。為科學(xué)合理地利用水庫群防洪庫容，最大程度地降低水庫群防洪系統(tǒng)的整體防洪風(fēng)險，探究了高效使用水庫群防洪庫容的可行性和必要性[14]，構(gòu)建了基于變權(quán)重剩余防洪庫容最大、系統(tǒng)非常線性安全度最大等不同策略的水庫群防洪庫容優(yōu)化分配模型[15]，有效發(fā)揮了水庫群聯(lián)合防洪能力。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性提出了長江上游水庫群防洪效果系數(shù)，揭示了水庫群之間防洪庫容的等效關(guān)系，量化了上游水庫配合三峽水庫對長江中下游防洪的作用。

（2） 具有“時-空-量-序-效”多維度屬性的長江上游水庫群多區(qū)域協(xié)同防洪調(diào)度模型。通過多區(qū)域協(xié)同防洪對象分解、調(diào)度規(guī)則選擇矩陣、防洪控制條件自適應(yīng)優(yōu)選、嵌套式多區(qū)域協(xié)同防洪調(diào)度、防洪調(diào)度效果評價-反饋-修正的調(diào)度模式，達(dá)到實現(xiàn)“科學(xué)合理利用防洪庫容，確保多區(qū)域協(xié)同防洪安全，兼顧興利效益，實現(xiàn)長江流域水資源高效利用”的整體防洪目標(biāo)，攻克了水庫之間、區(qū)域之間、水庫與區(qū)域之間的協(xié)同調(diào)度核心難題[13，16]。

（3） 面向長江流域不同洪水類型的長江上游水庫群實時防洪補償調(diào)度技術(shù)。為有效應(yīng)對復(fù)雜防汛局勢，進一步減輕長江中下游的防洪壓力，建立了長江流域面向不同類型洪水的長江上游水庫群實時防洪補償調(diào)度模型，提出了長江上游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度效益與風(fēng)險評價方法及指標(biāo)體系，解決了實時調(diào)度中聯(lián)合調(diào)度方案滾動、修正、反饋的難題[17]。

2.3面向水資源、水生態(tài)、水環(huán)境的長江上游水庫群協(xié)同調(diào)度技術(shù)

揭示了長江上游水庫群調(diào)度方式與中下游不同區(qū)域用水需求間的映射關(guān)系，解析了江河湖庫復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)宏觀和微觀過程的作用機理，提出了長江上游水庫群蓄水聯(lián)合調(diào)度模型及高效求解技術(shù)，構(gòu)建了面向應(yīng)急調(diào)度的梯級水庫群水量水質(zhì)模擬與預(yù)警模型，發(fā)展了梯級水庫群應(yīng)急與常態(tài)協(xié)同調(diào)度方法，有助于積極響應(yīng)長江大保護戰(zhàn)略。

（1） 適應(yīng)中下游重點區(qū)域取用水安全的水庫群供水調(diào)度模型。通過分析長江中上游各流域徑流年內(nèi)和年際分布特征，擬定了同豐、豐平、同平、平枯、同枯5種遭遇情景的年份及對應(yīng)的徑流過程，建立了適應(yīng)中下游重點區(qū)域取用水安全的水庫群供水調(diào)度模型，明確了供水調(diào)度模型的約束條件及邊界，形成了順序補供水的整體思路和具體實施細(xì)節(jié)，提出了滿足兩湖和長江口地區(qū)供水需求的上游水庫群聯(lián)合供水調(diào)度方案[18-19]。

（2） 面向流域生態(tài)環(huán)境保護的長江上游水庫群調(diào)控模式。針對水華防控、關(guān)鍵水生生物物種保護、通江湖泊濕地生態(tài)安全[20]，探究了不同生態(tài)調(diào)度目標(biāo)間競爭與協(xié)同關(guān)系及其觸發(fā)條件和響應(yīng)程度，確定了水華防控、葛洲壩下游“四大家魚”保護、中華鱘生態(tài)保護、兩湖生態(tài)保護等生態(tài)調(diào)度需求目標(biāo)[21-22]。進而探究了不同生態(tài)需求目標(biāo)的調(diào)度方法以及評價方法，建立了水庫群聯(lián)合生態(tài)調(diào)度模型，通過多種徑流情景下上游水庫群生態(tài)補償調(diào)度數(shù)值模擬分析，構(gòu)建了面向庫區(qū)及支流水華防控、長江中游重要生物保護、兩湖湖泊濕地生態(tài)安全保障等多目標(biāo)的長江上游水庫群調(diào)控模式[23]。

（3） 長江上游水庫群蓄水聯(lián)合調(diào)度模型及高效求解技術(shù)。建立了基于海溫多極預(yù)報降水量和月徑流預(yù)報模型，提出了基于月降雨徑流預(yù)報的水庫群蓄水時機選擇流程，在現(xiàn)有蓄水方案基礎(chǔ)上提前了水庫的蓄水時機，可為進一步挖掘水庫群蓄水潛力提供思路和方法[24-25]。同時，建立了水庫群提前蓄水多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度模型，采用智能優(yōu)化、解析優(yōu)化以及模擬優(yōu)化相結(jié)合的算法，提出了基于重點抽樣-并行動態(tài)規(guī)劃算法和并行動態(tài)規(guī)劃算法的水庫群蓄水優(yōu)化調(diào)度模型高效求解技術(shù)，有效減少各階段候選狀態(tài)變量的個數(shù)，并利用先進并行計算技術(shù)高效求解，有效解決了“維數(shù)災(zāi)”問題[26-27]。

（4） 長江上游水庫群應(yīng)對突發(fā)水安全事件預(yù)警調(diào)度模型。搭建了長江上游典型區(qū)域突發(fā)水安全事件風(fēng)險圖及數(shù)據(jù)庫，繪制了覆蓋突發(fā)水污染事件、涉水地質(zhì)災(zāi)害事件和海損事件的長江上游突發(fā)水安全事件風(fēng)險分布圖，研發(fā)了長江上游水庫群突發(fā)水安全事件遙感監(jiān)測反演解譯技術(shù)[28-30]。同時，基于突發(fā)水污染事件應(yīng)急調(diào)度的特點與需求，以污染物達(dá)標(biāo)所用時間最短以及應(yīng)急調(diào)度過程中損失的電能最少為目標(biāo)，構(gòu)建了基于水量水質(zhì)模擬與常態(tài)應(yīng)急協(xié)同優(yōu)化相結(jié)合的長江上游水庫群應(yīng)對突發(fā)水安全事件預(yù)警調(diào)度模型，并基于WEBGIS架構(gòu)研發(fā)了由多源數(shù)據(jù)自動匯集管理、模型構(gòu)建、模型運行、成果查看等功能模塊組成的河網(wǎng)水量水質(zhì)模擬預(yù)警與調(diào)控通用軟件平臺，實現(xiàn)了水庫群水量水質(zhì)模擬預(yù)警模型、應(yīng)急與常態(tài)協(xié)同調(diào)度模型之間的聯(lián)動，為突發(fā)水污染事件的防控和高效應(yīng)急處置提供了技術(shù)支撐[31]。

2.4長江上游水庫群跨區(qū)發(fā)電調(diào)度協(xié)同優(yōu)化技術(shù)

針對跨電網(wǎng)水庫群發(fā)電調(diào)度分區(qū)優(yōu)化控制和聯(lián)合調(diào)峰難題，提出了水庫群發(fā)電“協(xié)同調(diào)度，分級、分區(qū)優(yōu)化”控制策略，制定了梯級水庫群面向分區(qū)電網(wǎng)的聯(lián)合調(diào)峰、錯峰方案，建立了水電跨區(qū)聯(lián)合調(diào)峰與電量消納模型，提高了水電跨區(qū)調(diào)峰以及電網(wǎng)消納水電電量能力，最終形成了一整套水庫群多維時空尺度嵌套精細(xì)調(diào)度的共性支撐技術(shù)[32]。

（1） 復(fù)雜運行條件下巨型水庫群多維時空尺度嵌套精細(xì)調(diào)度技術(shù)。探明了不同調(diào)度周期、不同運行工況組合下水庫群多維時空尺度發(fā)電調(diào)度模型的耦合途徑和方式，建立了水庫群多維時空尺度嵌套精細(xì)調(diào)度模型，提出了基于全局優(yōu)化理論、能有效處理復(fù)雜約束的高效智能求解算法，實現(xiàn)了多維時空尺度水庫群發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型工況自適應(yīng)匹配和水調(diào)電調(diào)協(xié)調(diào)調(diào)度無縫嵌套[33-35]。

（2） 大規(guī)模水庫群分區(qū)優(yōu)化控制與跨網(wǎng)調(diào)峰響應(yīng)多級協(xié)同發(fā)電調(diào)度技術(shù)。提出了基于水庫空間拓?fù)?、補償效應(yīng)和異構(gòu)并網(wǎng)的水庫群發(fā)電調(diào)度邏輯區(qū)劃及其分區(qū)優(yōu)化控制技術(shù)，建立了以電網(wǎng)多受端余荷方差加權(quán)和最小為聚合目標(biāo)的水電短期跨區(qū)聯(lián)合調(diào)峰與電量消納調(diào)度模型，研發(fā)了單站多電網(wǎng)啟發(fā)式調(diào)峰技術(shù)及多站單電網(wǎng)非對稱鄰域搜索技術(shù)，提出了電網(wǎng)關(guān)鍵斷面潮流穩(wěn)定性判據(jù)，推求了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的調(diào)度優(yōu)化邊界，創(chuàng)建了水庫群跨區(qū)多站多電網(wǎng)短期聯(lián)合調(diào)峰消納和多級協(xié)同發(fā)電調(diào)度理論與方法體系，緩解了水電棄水窩電與電網(wǎng)調(diào)峰不足的矛盾，提高了水電跨區(qū)調(diào)峰以及電網(wǎng)消納水電電量能力[36-37]。

（3） 水庫群枯水期水位消落聯(lián)合調(diào)控方案和面向水電跨網(wǎng)消納的豐水期水能資源優(yōu)化配置方案。提出了基于消落判據(jù)的梯級水電站聯(lián)合調(diào)度消落準(zhǔn)則制定方法，推求了影響水庫群消落時機、次序和深度的消落判據(jù)，解析了不同頻率來水和消落運行方式對發(fā)電效益的影響規(guī)律。探明了汛期水庫群綜合運用效益對不同調(diào)度目標(biāo)優(yōu)先級次序的響應(yīng)規(guī)律，建立了汛期綜合運用多目標(biāo)興利協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型，提出了聯(lián)合電力系統(tǒng)間水電跨網(wǎng)消納及火電出力調(diào)整方法，實現(xiàn)了低碳減排目標(biāo)下流域水能資源的高效利用及其互聯(lián)電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行[38-39]。

2.5水庫群聯(lián)合調(diào)度大系統(tǒng)多目標(biāo)風(fēng)險評估與決策理論體系

提出了水庫群多階段-多目標(biāo)風(fēng)險效益協(xié)同優(yōu)化調(diào)控新技術(shù)，探明了水庫群優(yōu)化調(diào)度多目標(biāo)風(fēng)險-效益互饋響應(yīng)規(guī)律，提出了基于風(fēng)險-效益多維關(guān)聯(lián)互饋響應(yīng)關(guān)系的水庫群多目標(biāo)群決策方法，建立了一套水庫群聯(lián)合調(diào)度的大系統(tǒng)多目標(biāo)風(fēng)險評估與決策理論體系。

（1） 水庫群聯(lián)合調(diào)度評價指標(biāo)體系及其多維風(fēng)險要素快速估計方法。以水庫群調(diào)度不確定性要素分析為切入點，厘清了水庫群聯(lián)合調(diào)度決策及實施過程，通過定性分析與定量計算相結(jié)合的方式，系統(tǒng)構(gòu)建了多目標(biāo)風(fēng)險評價指標(biāo)體系，提出了水庫群多維風(fēng)險變量聯(lián)合分布的快速估計方法，實現(xiàn)了多維風(fēng)險要素的識別、篩選與快速估計，全面分析了現(xiàn)行水庫群聯(lián)合調(diào)度方式因水文和水力不確定性所面臨的潛在風(fēng)險損失[40]。

（2） 考慮風(fēng)險-效益互饋響應(yīng)關(guān)系水庫群多目標(biāo)群決策方法。分析了客觀風(fēng)險要素、主觀風(fēng)險要素、客觀與主觀風(fēng)險要素間的作用和轉(zhuǎn)化機制，分析歸納了水庫群調(diào)度風(fēng)險要素間相互作用與轉(zhuǎn)化規(guī)律，提出了水庫群風(fēng)險流、供應(yīng)鏈風(fēng)險流密度和水庫群風(fēng)險流傳遞速度評價指標(biāo)，建立了水庫群風(fēng)險傳遞系統(tǒng)動力學(xué)模型，闡明了單一風(fēng)險源同向串聯(lián)式傳遞風(fēng)險流和多重風(fēng)險源同向串聯(lián)式傳遞風(fēng)險流演化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，針對互饋關(guān)系下區(qū)間數(shù)多屬性群決策問題，提出了多維關(guān)聯(lián)抽樣的多目標(biāo)風(fēng)險區(qū)間數(shù)灰靶群決策方法，有效地解決了多屬性、多層次、多階段的多目標(biāo)風(fēng)險效益復(fù)雜優(yōu)化決策的重大工程應(yīng)用難題[41-42]。

（3） 綜合多重風(fēng)險脅迫和補償效益貢獻(xiàn)的水庫群風(fēng)險-利益補償理論方法體系。研究了風(fēng)險共擔(dān)情形下水庫群聯(lián)合調(diào)度風(fēng)險利益補償機理，提出了突變理論和相對風(fēng)險耦合的水庫群多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險利益補償分?jǐn)偡椒ǎ瑯?gòu)建了水庫群多目標(biāo)調(diào)度“風(fēng)險源-風(fēng)險事件-風(fēng)險受體-風(fēng)險終點”概念模型，客觀推求并量化了風(fēng)險受體各水庫所面臨的多重風(fēng)險程度。在此基礎(chǔ)上，對補償利益分?jǐn)偡桨高M行相對風(fēng)險系數(shù)折減，推求了水庫群調(diào)度風(fēng)險利益補償分?jǐn)傂路桨?，均衡分配了水庫群調(diào)度中各水庫承擔(dān)的風(fēng)險和收益，提高了水庫參與聯(lián)合調(diào)度運行的積極性和合作聯(lián)盟的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了水庫群聯(lián)合調(diào)度綜合效益最大化[40]。

2.6長江上游水庫群“全周期-自適應(yīng)-嵌套式”多目標(biāo)調(diào)度集成理論與示范應(yīng)用

提出了多層次、多屬性、多維度綜合調(diào)度集成理論與技術(shù)，建立了“全周期-自適應(yīng)-嵌套式”長江上游梯級水庫群多目標(biāo)調(diào)度模式，揭示防洪-供水-生態(tài)-發(fā)電-航運多維調(diào)度目標(biāo)之間協(xié)同競爭機制，提出了長江上游水庫群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度方案，構(gòu)建了長江上游水庫群多目標(biāo)綜合調(diào)度平臺，如圖1所示。

（1） 長江上游水庫群全周期-自適應(yīng)-嵌套式的水庫群多目標(biāo)模型。研發(fā)了基于生態(tài)位的多目標(biāo)效益競爭關(guān)系分析方法和基于領(lǐng)導(dǎo)與服從關(guān)系的水庫群建模理論，厘清了水庫群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度涉及的周期劃分、任務(wù)協(xié)同、目標(biāo)嵌套等調(diào)度模式，提出了貫穿多個細(xì)分階段的全周期調(diào)度、調(diào)度階段和調(diào)度目標(biāo)的自適應(yīng)銜接以及流域（區(qū)域）干支流目標(biāo)間的嵌套層次關(guān)系，實現(xiàn)了水庫群多目標(biāo)調(diào)度的有序高效描述和全周期-自適應(yīng)-嵌套式集成[43-44]。

（2） 面向服務(wù)體系的長江上游水庫群綜合調(diào)度云服務(wù)系統(tǒng)示范平臺。首先，提出了水庫群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度海量異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)深度挖掘與混合云模式下基礎(chǔ)云平臺建設(shè)等共性支撐技術(shù)，突破了多目標(biāo)調(diào)度模型方法庫規(guī)范化構(gòu)建與智能尋優(yōu)互操作技術(shù)瓶頸。其次，提出了高速聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下集群并行協(xié)同優(yōu)化計算平臺的多級優(yōu)化機制和調(diào)度模型規(guī)范化、結(jié)構(gòu)化表示方法，建立了水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度面向服務(wù)體系和分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的多模型架構(gòu)方法庫和知識庫[45]。然后，提出了基于分布式系統(tǒng)模型服務(wù)注冊機制，設(shè)計和搭建了調(diào)度管理節(jié)點的模型服務(wù)庫，存儲了各類水資源管理日常輔助與應(yīng)急決策模型，通過模型的調(diào)用實現(xiàn)了對水資源管理事件要素的分析、預(yù)測、評價和優(yōu)化[45-47]。最后，研發(fā)了基于多庫協(xié)同及推理機制的知識挖掘技術(shù)，提出了面向水庫群智能調(diào)度的監(jiān)測-預(yù)測-調(diào)度-評估-仿真-會商集成方法[48]。

3成果應(yīng)用情況

（1） 水文方面。

研究成果已成功應(yīng)用于2018～2020年長江科學(xué)預(yù)報和決策調(diào)度實際工作中，實現(xiàn)了耦合多尺度數(shù)值預(yù)報的多阻斷大流域水文預(yù)測預(yù)報方法技術(shù)創(chuàng)新，為解決面向長江流域巨型水庫群的長河系、多阻斷復(fù)雜水文預(yù)報難題開辟了全新途徑，助力實現(xiàn)水文水資源高效精準(zhǔn)智能預(yù)報。以三峽水庫為例，入庫流量短期1～3 d過程水量預(yù)報合格率在90%以上，中期4～7 d合格率在70%以上，延伸期8～20 d過程預(yù)報及長期預(yù)測也具有較高準(zhǔn)確率，可較好發(fā)揮預(yù)報警示作用，為長江水庫群科學(xué)調(diào)度決策提供了有效支撐。特別在2020年編號洪水預(yù)報中，1 d預(yù)見期平均誤差在4%左右，合格率在95%左右;3 d預(yù)見期內(nèi)平均誤差在10%左右，合格率在80%左右，如表1所列。

（2） 防洪方面。

2020年長江發(fā)生流域性大洪水，7～8月連續(xù)形成5次編號洪水，三峽水庫發(fā)生建庫以來最大入庫洪峰75 000 m3/s。通過防洪研究成果的應(yīng)用，以三峽水庫為核心的流域控制性水庫群共攔蓄洪水約500億m3，避免了荊江河段、城陵磯附近、湖口附近蓄滯洪區(qū)的運用，水庫群攔蓄情況如表2所列。尤其是在4，5號洪水期間，水庫群聯(lián)合調(diào)度分別降低岷江下游、嘉陵江下游洪峰水位1.4 m和2.3 m，降低川渝河段洪峰水位2.9～3.3 m，減少淹沒面積約224 km2，減少受災(zāi)人口約70萬人;避免了荊江分洪區(qū)的運用，避免了60余萬人轉(zhuǎn)移和3.29萬hm2耕地、0.67萬hm2水產(chǎn)養(yǎng)殖田（塘）被淹沒，發(fā)揮了巨大的防洪減災(zāi)效益。

（3） 綜合利用方面。

① 供水方面。優(yōu)化水庫群對長江中下游防洪調(diào)度的庫容分布、水位控制，開展中小洪水滯洪調(diào)度實踐，有效利用洪水資源。水庫群按計劃分梯次有序蓄水，合理安排起蓄時間，有效提高水庫蓄滿率，2018～2020年三峽水庫連續(xù)3 a蓄滿。蓄水期，三峽水庫的下泄流量遠(yuǎn)大于批準(zhǔn)的最小下泄流量，有效緩解了上游梯級水庫群蓄水對長江中下游干流及兩湖的影響。2018年以來，納入聯(lián)合調(diào)度的控制性水庫在枯水季節(jié)累計向長江中下游補水約1 500億m3，有效緩解了長江中下游枯水形勢，保障了流域供水安全。

② 生態(tài)方面。每年5～6月份在宜昌-監(jiān)利江段水溫達(dá)到18 ℃以上時，調(diào)度三峽水庫人為制造持續(xù)3～7 d的漲水過程，開展促進四大家魚自然繁殖的生態(tài)調(diào)度試驗，每年實施1～3次。根據(jù)沙市斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，四大家魚魚卵年徑流量2019年達(dá)到6.68億粒，2020年達(dá)到20.22億粒，為2011年監(jiān)測以來的最高值，生態(tài)調(diào)度的漲水過程對促進四大家魚繁殖具有明顯效果。2018年在溪洛渡、向家壩和三峽水庫開展聯(lián)合生態(tài)調(diào)度試驗，為魚類創(chuàng)造了適宜產(chǎn)卵的水文條件和環(huán)境，對促進川渝河段重要的產(chǎn)漂流性卵魚類的自然繁殖起到了一定作用。同時開展了溪洛渡分層取水生態(tài)調(diào)度試驗，減輕水庫滯溫效應(yīng)對生態(tài)環(huán)境的影響。

③ 發(fā)電方面。在確保防洪安全的前提下充分利用洪水資源，極大提高了水資源利用效率，也顯著增加了水庫發(fā)電效益。因聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度、洪水資源利用等調(diào)度取得的發(fā)電效益顯著，2018年三峽電站年發(fā)電量達(dá)1 016億kW·h，創(chuàng)歷史最高值，比設(shè)計年發(fā)電量多120億kW·h，其中依靠聯(lián)合調(diào)度為其有效利用汛期洪水資源約120億m3。2020年，三峽電站累計發(fā)電量1 118億kW·h，其中因優(yōu)化調(diào)度利用洪水資源增發(fā)電量約58億kW·h，刷新單座水電站年發(fā)電量世界紀(jì)錄。同時，通過合理分配梯級電站水頭和庫容、充分利用汛期洪水資源，相關(guān)成果已在三峽梯級應(yīng)用并上線部署，為金沙江下游和三峽梯級樞紐聯(lián)合調(diào)度提供了重要技術(shù)支撐和參考，較同等來水條件下的常規(guī)調(diào)度增發(fā)電量5%左右，水量利用率提高4%左右。2018～2019年分別增發(fā)電107.74億，105.23億kW·h，經(jīng)濟效益顯著。

4結(jié) 語

圍繞長江上游梯級水庫群多目標(biāo)綜合調(diào)度面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題，突破了水文預(yù)報、防洪調(diào)度、供水調(diào)度、生態(tài)安全、發(fā)電調(diào)度、水庫群蓄水、應(yīng)急調(diào)度、多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度等技術(shù)難題。但目前聯(lián)合調(diào)度工程類別單一，主要為水庫群，尚未實現(xiàn)與調(diào)水工程、蓄滯洪區(qū)、涵閘泵站等水工程系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)度，尚未實現(xiàn)防洪、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等多目標(biāo)協(xié)同調(diào)度[49]。在全球氣候變化和長江大保護背景下，為更好發(fā)揮水庫群在流域防洪、水資源配置、水環(huán)境保護與水生態(tài)修復(fù)等作用，亟待針對以下幾個方面進行突破：

（1） 長江上游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度方案應(yīng)隨著流域防洪形勢、工程防洪運用條件、長江防洪體系建設(shè)進展等變化而與時俱進、優(yōu)化完善。這需要通過吸取多年研究成果和工作經(jīng)驗，不斷地進行調(diào)整、改進、優(yōu)化和完善，并在調(diào)度實踐中加以應(yīng)用和推廣，因地制宜地深化細(xì)化相關(guān)技術(shù)方案。

（2） 當(dāng)前關(guān)于水資源、水生態(tài)、水環(huán)境的研究相對孤立，提出的調(diào)度需求往往只考慮特定的研究對象，涉及的控制指標(biāo)較為單一，尚未形成綜合考慮多種因素的調(diào)度指標(biāo)體系[50]。下一步，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮流域水利工程的調(diào)蓄手段，統(tǒng)籌水資源、水生態(tài)、水環(huán)境需求及其相關(guān)的調(diào)度因素，促進“三水”融合，提高水資源綜合利用效益。

（3） 以長江上游水庫群綜合調(diào)度為著眼點，進行了多維目標(biāo)協(xié)同競爭機制的突破，下一步應(yīng)當(dāng)納入更多具有調(diào)節(jié)性能的水庫群，并將調(diào)度對象擴展到全流域的所有水工程，不斷細(xì)化調(diào)度方式和控制參數(shù)，從物理機制上進一步挖掘發(fā)揮長江流域綜合效益。

（4） 隨著聯(lián)合調(diào)度對象的擴展和深度覆蓋，亟待建立包括水庫群、蓄滯洪區(qū)、涵閘泵站、引調(diào)水工程等不同調(diào)度對象的多目標(biāo)調(diào)度與決策體系，針對防洪、發(fā)電、水資源管理、水生態(tài)修復(fù)、水環(huán)境保護等不同調(diào)度目標(biāo)，建立流域水工程多目標(biāo)調(diào)度決策理論與方法體系，實現(xiàn)調(diào)度對象的全周期、多場景、多維度覆蓋。

致謝

感謝“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“長江上游梯級水庫群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度技術(shù)”（2016YFC0402200）研究團隊多年來的共同攻關(guān)和鼎力支持。

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（編輯：謝玲嫻）