變化環(huán)境下的水庫(kù)調(diào)度-新挑戰(zhàn)與新方法課件

變化環(huán)境下的水庫(kù)調(diào)度

——新挑戰(zhàn)與新方法清華大學(xué)2012.7.21內(nèi)容提要1.變化環(huán)境帶來(lái)的理論挑戰(zhàn)2.基于風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖規(guī)則的水庫(kù)調(diào)度理論3.適應(yīng)性動(dòng)態(tài)調(diào)度框架4.密云水庫(kù)案例分析5.結(jié)論水資源系統(tǒng)分析基本方法現(xiàn)代水資源系統(tǒng)分析理論與方法體系起源于1950年代的“哈佛水項(xiàng)目”（HarvardWaterProgram）水庫(kù)調(diào)度是水資源系統(tǒng)分析的重要內(nèi)容之一，其核心問(wèn)題是確定“何時(shí)放水”以及“放多少水”（Loucks，2005）優(yōu)化和模擬式水資源系統(tǒng)分析的兩個(gè)基本工具，也是傳統(tǒng)水庫(kù)調(diào)度研究的基本手段。（Labadie,M.ASCE，2004）傳統(tǒng)調(diào)度模型的一般性假定Stationarity（穩(wěn)態(tài)性）徑流概率分布隨時(shí)間不變(Labadie,M.ASCE，2004)調(diào)度規(guī)則曲線（RuleCurve）過(guò)去曾經(jīng)是打開(kāi)未來(lái)之門(mén)的鑰匙，

但現(xiàn)在門(mén)鎖已經(jīng)換了！變化環(huán)境的挑戰(zhàn)徑流變化：非穩(wěn)態(tài)性（Nonstationarity）密云水庫(kù)入庫(kù)徑流

1956-2009變化環(huán)境的挑戰(zhàn)人類(lèi)需求的變化密云水庫(kù):

設(shè)計(jì)：防洪為主->灌溉為主(1960s-1980s)

->城市供水(1990s-2008)

->安全儲(chǔ)備(2008-)水庫(kù):一個(gè)典型的人類(lèi)-自然耦合系統(tǒng)

（CoupledHuman-Naturesystem）人類(lèi)系統(tǒng)自然系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)學(xué)水文學(xué)交互作用變化環(huán)境下的

水庫(kù)調(diào)度耦合經(jīng)濟(jì)學(xué)原理和水文學(xué)成果進(jìn)行適應(yīng)性的動(dòng)態(tài)調(diào)度Hydro-Economics內(nèi)容提要1.變化環(huán)境帶來(lái)的理論挑戰(zhàn)2.基于風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖規(guī)則的水庫(kù)調(diào)度理論3.適應(yīng)性動(dòng)態(tài)調(diào)度框架4.密云水庫(kù)案例分析5.結(jié)論調(diào)度目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)特性與調(diào)度策略供水量效益值當(dāng)調(diào)度目標(biāo)為線性函數(shù)時(shí)（如缺水量最?。?，標(biāo)準(zhǔn)調(diào)度策略（SOP）是最優(yōu)策略（DraperandLund，2004；YouandCai，2008）。標(biāo)準(zhǔn)調(diào)度策略（SOP）優(yōu)先滿足當(dāng)前階段用水需求，當(dāng)前階段需求完全滿足后，水庫(kù)開(kāi)始蓄水以備未來(lái)使用，直至水庫(kù)蓄滿。風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖理論模型DraperandLund（2004）提出了風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖規(guī)則的一般性經(jīng)濟(jì)學(xué)解釋拉格朗日定理“在最優(yōu)解處，存水的邊際效益應(yīng)該等于供水的邊際效益”如何考慮物理約束的影響？如何考慮不確定性的影響？

兩階段模型

KKT最優(yōu)性條件

如果存在常數(shù)

和一組可行解

能夠滿足上述方程，那么

是兩階段水庫(kù)調(diào)度模型的全局最優(yōu)解.

水文預(yù)報(bào)及其不確定性在理解水庫(kù)調(diào)度經(jīng)濟(jì)學(xué)原理的基礎(chǔ)上，如何耦合水文預(yù)報(bào)成果？如何考慮預(yù)報(bào)的不確定性？

水文預(yù)報(bào)中的誤差累計(jì)過(guò)程

(Viner,2002)水文預(yù)報(bào)水資源管理

Zhao,J.,X.Cai,andZ.Wang

(2011),

Optimalityconditionsforatwo-stagereservoiroperationproblem,

WaterResourcesResearch,

47,W08503,doi:10.1029/2010WR009971.考慮水文預(yù)報(bào)及其不確定性的對(duì)沖規(guī)則考慮一般性的水文預(yù)報(bào)及其不確定性,Zhaoet.al.[2011]定義了“風(fēng)險(xiǎn)調(diào)整后的邊際效益”（Risk-adjustedmarginalbenefit,RAMB)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以證明，耦合預(yù)報(bào)及其不確定性的最優(yōu)性準(zhǔn)則為：

“在滿足所有物理約束的條件下，讓當(dāng)前和未來(lái)階段用水的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)整后的邊際效益盡量接近?！盞KTconditionsRule1:最理想的情況是各階段的邊際效益相同。即Rule2:如果某個(gè)階段的流量非負(fù)約束

被違反，則該階段的最優(yōu)放水量為0.Rule3:A如果某個(gè)階段的最大或者最小庫(kù)容約束被違反，則該階段是一個(gè)RAMB的變化點(diǎn)。or最優(yōu)準(zhǔn)則:

在滿足物理約束的條件下，讓各階段的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)整后的邊際效益盡量接近。從兩階段模型到多階段模型HRBA的效率評(píng)估算法變量離散總計(jì)算時(shí)間(秒)K=1K=2K=3K=4K=5HRBA1004.022.151.931.681.47100018.6214.1410.828.997.16DP10020.0219.6719.5719.4419.2510001968.691944.741923.761910.661902.61入流:

100個(gè)人工隨機(jī)生成徑流序列(每個(gè)序列100個(gè)階段).效用函數(shù)：計(jì)算時(shí)間與變量數(shù)目為線性關(guān)系計(jì)算時(shí)間與變量數(shù)目為二次方關(guān)系內(nèi)容提要1.變化環(huán)境帶來(lái)的理論挑戰(zhàn)2.基于風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖規(guī)則的水庫(kù)調(diào)度理論3.適應(yīng)性動(dòng)態(tài)調(diào)度框架4.密云水庫(kù)案例分析5.結(jié)論面向?qū)崟r(shí)的動(dòng)態(tài)決策過(guò)程

Rollinghorizondecisionprocess（RHDP)面向?qū)崟r(shí)的動(dòng)態(tài)決策過(guò)程，是水庫(kù)管理決策實(shí)際過(guò)程一種抽象，其核心是所有供決策使用的信息與管理實(shí)踐完全相同。這一框架下的優(yōu)化分析對(duì)實(shí)時(shí)調(diào)度管理具有直接的指導(dǎo)意義。內(nèi)容提要1.變化環(huán)境帶來(lái)的理論挑戰(zhàn)2.基于風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖規(guī)則的水庫(kù)調(diào)度理論3.適應(yīng)性動(dòng)態(tài)調(diào)度框架4.密云水庫(kù)案例分析5.結(jié)論Ma,et.al,2010密云水庫(kù)人類(lèi)直接取水Ma,et.al,2010密云水庫(kù)案例分析調(diào)度策略定義SOP標(biāo)準(zhǔn)調(diào)度策略，盡量滿足當(dāng)前最大需水（10億方/年）HR-1基于ARIMA(4,1,0)年水量預(yù)測(cè)模型和風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖的適應(yīng)性動(dòng)態(tài)調(diào)度框架HR-0基于完美預(yù)報(bào)的理想調(diào)度策略（或已知未來(lái)入流信息）AO1996-2009的實(shí)際調(diào)度策略效益函數(shù)效益函數(shù)的擬定：（1）最大總需水量為10億方，且過(guò)原點(diǎn)。（2）將不同供水的優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)于不同邊際效益生活用水：最高優(yōu)先級(jí)，對(duì)應(yīng)于缺水時(shí)最高的邊際效益；工業(yè)用水：第二優(yōu)先級(jí)，對(duì)應(yīng)正常水量時(shí)的較高邊際效益；基本河湖用水：第三優(yōu)先級(jí)，對(duì)應(yīng)較豐水時(shí)普通的邊際效益；奢侈河湖用水：第三優(yōu)先級(jí)，對(duì)應(yīng)非常豐水時(shí)較低邊際效益；模型擬合與預(yù)報(bào)情況（從起始年份到09年）

預(yù)報(bào)未來(lái)總水量起始年份實(shí)際可用水量實(shí)際天然徑流預(yù)報(bào)來(lái)流量20088.106.468.67200710.898.5212.00200615.4511.9415.80200520.9816.3517.26200426.1520.5016.58200329.4323.1324.69200231.0124.7120.37200135.7329.4332.05200037.2030.9047.90199939.3033.0089.64199849.9743.6778.05199755.5149.21101.06199667.8161.5179.90結(jié)果對(duì)比SOP:盡可能滿足當(dāng)前需求，總效益最低.AO:不是完全的SOP，隱含考慮了缺水的風(fēng)險(xiǎn)，總效益較SOP高.

HR-0:完美預(yù)報(bào)信息，最理想調(diào)度策略，各階段均勻供水.HR-1:供水過(guò)程圍繞HR-0波動(dòng),總效益比AO大3.1%，比HR-0小3.7%.趨勢(shì)項(xiàng)及預(yù)測(cè)誤差的影響評(píng)估定義評(píng)估趨勢(shì)項(xiàng)影響和徑流預(yù)測(cè)誤差影響的對(duì)比策略趨勢(shì)項(xiàng)及預(yù)測(cè)誤差的影響評(píng)估HR-1:

同時(shí)考慮徑流減少趨勢(shì)和徑流預(yù)測(cè)誤差。總效益(i.e.87593.0)比HR-1NV(i.e.87371.7)大0.25%，比HR-2(i.e.87313.4),大0.32%，反映了趨勢(shì)項(xiàng)和預(yù)測(cè)誤差的獨(dú)立影響幅度.HR-2NV:

既不考慮徑流減少趨勢(shì)也不考慮徑流預(yù)測(cè)誤差，導(dǎo)致過(guò)分樂(lè)觀的早期供水策略，調(diào)度效果最差(i.e.,83397.6,比HR-1小4.8%).

折現(xiàn)率的影響HR-1,HR-5%,HR-10%隨著折現(xiàn)率的增加，早期供水增加；隨著折現(xiàn)率的增加，供水過(guò)程越來(lái)越接近AO折現(xiàn)率和預(yù)測(cè)誤差的耦合影響風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng):如果,預(yù)報(bào)誤差起支配作用，需要多存水以對(duì)沖未來(lái)缺水風(fēng)險(xiǎn)；如果,折現(xiàn)率起支配作用，需要多放水以增加當(dāng)前經(jīng)濟(jì)效益.風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)包含了水文要素（預(yù)報(bào)誤差）和經(jīng)濟(jì)要素（折現(xiàn)率）的耦合影響，體現(xiàn)了水庫(kù)調(diào)度的人類(lèi)-自然耦合系統(tǒng)特性。

內(nèi)容提要1.變化環(huán)境帶來(lái)的理論挑戰(zhàn)2.基于風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖規(guī)則的水庫(kù)調(diào)度理論3.適應(yīng)性動(dòng)態(tài)調(diào)度框架4.密云水庫(kù)案例分析5.結(jié)論結(jié)論在變化環(huán)境下，由于人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化，水文穩(wěn)態(tài)性假定需要重新考慮，特別是對(duì)于像密云水庫(kù)這樣的變化顯著的系統(tǒng).水文非穩(wěn)態(tài)性帶來(lái)的挑戰(zhàn)，促使我們必須重新思考傳統(tǒng)水資源調(diào)度和系統(tǒng)分析的基本方法，促使我們從人類(lèi)-自然耦合系統(tǒng)的角度發(fā)展水資源學(xué)的基礎(chǔ)理論體系、提出新框架、研究新方法。結(jié)論以典型的水庫(kù)調(diào)度基本問(wèn)題為例，本研究從兩階段概念模型該出發(fā)，通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到了確定性和不確定性條件下水庫(kù)調(diào)度模型的最優(yōu)性條件，并解釋了其經(jīng)濟(jì)學(xué)含義。通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以證明，兩階段模型的理論結(jié)果，可以擴(kuò)展到多