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1、变化环境下的水库调度新挑战与新方法,赵建世清华大学2012.7.21 西安,内容提要,1. 变化环境带来的理论挑战2. 基于风险对冲规则的水库调度理论3. 适应性动态调度框架4. 密云水库案例分析5. 结论,水资源系统分析基本方法,现代水资源系统分析理论与方法体系起源于1950年代的“哈佛水项目”（ Harvard Water Program ）水库调度是水资源系统分析的重要内容之一，其核心问题是确定“何时放水”以及“放多少水”（Loucks，2005）优化和模拟式水资源系统分析的两个基本工具，也是传统水库调度研究的基本手段。（ Labadie, M.ASCE，2004 ）,调度曲线,基于历史
2、水文信息和人类需求，通过优化和模拟研究，可以设计出实践中常用的调度曲线（Rule curves），指导水库的调度管理工作。,水库调度曲线代表了确定的年内的调度规则，其一经确立，一般不会随着未来的径流情势进行改变。由于曲线规则本身基于对历史水文信息的统计表达，因此很难与实时的水文预报信息相结合（Loucks，2005）。这些基本特性决定了其难以适应不断变化的环境。,传统调度模型的一般性假定,Stationarity（稳态性）径流概率分布随时间不变,(Labadie, M.ASCE，2004),调度规则曲线（Rule Curve）,过去曾经是打开未来之门的钥匙，但现在门锁已经换了！,变化环境的挑战
3、,径流变化：非稳态性（Nonstationarity）,密云水库入库径流1956-2009,变化环境的挑战,人类需求的变化密云水库: 设计：防洪为主 -灌溉为主(1960s-1980s)-城市供水(1990s-2008)-安全储备(2008-),重新思考水库调度问题的本质,Humans have changed the way the world works. Now they have to change the way they think about it, too. The Economist, May 26, 2011,水库: 一个典型的人类-自然耦合系统 （ Coupled Hum
4、an-Nature system）,内容提要,1. 变化环境带来的理论挑战2. 基于风险对冲规则的水库调度理论3. 适应性动态调度框架4. 密云水库案例分析5. 结论,调度目标的经济特性与调度策略,当调度目标为线性函数时（如缺水量最小），标准调度策略（SOP）是最优策略（Draper and Lund，2004；You and Cai，2008）。 标准调度策略（SOP）优先满足当前阶段用水需求，当前阶段需求完全满足后，水库开始蓄水以备未来使用，直至水库蓄满。,调度目标的经济特性与调度策略,风险对冲理论模型,Draper and Lund（2004）提出了风险对冲规则的一般性经济学解释,“在最
5、优解处，存水的边际效益应该等于供水的边际效益”,如何考虑物理约束的影响？如何考虑不确定性的影响？,两阶段模型,KKT 最优性条件,如果存在常数 和一组可行解 能够满足上述方程，那么 是两阶段水库调度模型的全局最优解.,最优性条件的经济学解释,在满足所有物理约束的条件下，让当前阶段和未来阶段用水的边际效益尽量接近。,水文预报及其不确定性,在理解水库调度经济学原理的基础上，如何耦合水文预报成果？如何考虑预报的不确定性？ 水文预报中的误差累计过程(Viner,2002),水资源管理,Zhao, J., X. Cai, and Z. Wang(2011),Optimality conditions f
6、or a two-stage reservoir operation problem,Water Resources Research,47, W08503, doi:10.1029/2010WR009971.,考虑水文预报及其不确定性的对冲规则,考虑一般性的水文预报及其不确定性, Zhao et. al. 2011 定义了“风险调整后的边际效益”（Risk-adjusted marginal benefit, RAMB)严格的数学推导可以证明，耦合预报及其不确定性的最优性准则为： “在满足所有物理约束的条件下，让当前和未来阶段用水的风险调整后的边际效益尽量接近。”,Rule 1: 最理想的情
7、况是各阶段的边际效益相同。即,Rule 2: 如果某个阶段的流量非负约束 被违反，则该阶段的最优放水量为0.,Rule 3: A如果某个阶段的最大或者最小库容约束被违反，则该阶段是一个RAMB的变化点。 or,从两阶段模型到多阶段模型,基于风险对冲规则的优化调度算法（Hedging rule based algorithm， HRBA),Step3 (Rule 3): If 检查solution_1 的各阶段放水量，如果某些阶段违反了最大或者最小库容约束，挑选出违反程度最大的阶段并把这个阶段的库容设置在边界上（最大或者最下库容），这样可以将原问题分解为两个子问题，然后重复上述步骤，直至得到最优
8、解.,Step1 (Rule 1): 不考虑约束，寻找各阶段具有相同RAMB的理想解，定义为solution_0,Step2 (Rule 2): 检查 solution_0 各阶段的放水量，如果某些阶段出现负放水量，则将这些阶段放水量设置为0，然后重新计算其他阶段的防水量，得到 solution_1。,HRBA的效率评估,入流: 100 个人工随机生成径流序列( 每个序列100个阶段).效用函数：,计算时间与变量数目为线性关系,计算时间与变量数目为二次方关系,内容提要,1. 变化环境带来的理论挑战2. 基于风险对冲规则的水库调度理论3. 适应性动态调度框架4. 密云水库案例分析5. 结论,面向
9、实时的动态决策过程Rolling horizon decision process （RHDP),面向实时的动态决策过程，是水库管理决策实际过程一种抽象，其核心是所有供决策使用的信息与管理实践完全相同。 这一框架下的优化分析对实时调度管理具有直接的指导意义。,预测的密云未来径流（预报年到2009）,非稳态径流预报模型,年度径流预报模型: ARIMA (4, 1, 0)“4”代表自回归阶数；“1”代表线性趋势；“0”为移动平均阶数。,observed,predicted,内容提要,1. 变化环境带来的理论挑战2. 基于风险对冲规则的水库调度理论3. 适应性动态调度框架4. 密云水库案例分析5.
10、结论,Ma ,et.al, 2010,密云水库,天然径流变化,天然径流2003年之前采用实测数据；2003年（含）之后采用：可用水量+蒸发量（0.824）-补水量,补水情况,资料来源：北京水资源公报http:/,人类直接取水,Ma ,et.al, 2010,密云水库案例分析,效益函数,效益函数的拟定：（1）最大总需水量为10亿方，且过原点。（2）将不同供水的优先级对应于不同边际效益生活用水：最高优先级，对应于缺水时最高的边际效益；工业用水：第二优先级，对应正常水量时的较高边际效益；基本河湖用水：第三优先级，对应较丰水时普通的边际效益；奢侈河湖用水：第三优先级，对应非常丰水时较低边际效益；,模型
11、拟合与预报情况,（从起始年份到09年）预报未来总水量,结果对比,SOP : 尽可能满足当前需求，总效益最低.AO : 不是完全的SOP，隐含考虑了缺水的风险，总效益较SOP高. HR-0: 完美预报信息，最理想调度策略，各阶段均匀供水.HR-1: 供水过程围绕HR-0波动, 总效益比AO大 3.1% ，比HR-0小 3.7%.,趋势项及预测误差的影响评估,定义评估趋势项影响和径流预测误差影响的对比策略,趋势项及预测误差的影响评估,HR-1: 同时考虑径流减少趋势和径流预测误差。总效益(i.e. 87593.0) 比HR-1NV (i.e. 87371.7) 大0.25% ，比HR-2 (i.e
12、. 87313.4),大0.32%，反映了趋势项和预测误差的独立影响幅度.HR-2NV: 既不考虑径流减少趋势也不考虑径流预测误差，导致过分乐观的早期供水策略，调度效果最差(i.e., 83397.6,比HR-1小 4.8%).,折现率的影响,HR-1, HR-5%,HR-10%随着折现率的增加，早期供水增加；随着折现率的增加， 供水过程越来越接近AO,折现率和预测误差的耦合影响,风险项:如果 , 预报误差起支配作用，需要多存水以对冲未来缺水风险；如果 , 折现率起支配作用，需要多放水以增加当前经济效益.风险项包含了水文要素（预报误差）和经济要素（折现率）的耦合影响，体现了水库调度的人类-自然
13、耦合系统特性。,内容提要,1. 变化环境带来的理论挑战2. 基于风险对冲规则的水库调度理论3. 适应性动态调度框架4. 密云水库案例分析5. 结论,结论,在变化环境下，由于人类活动和气候变化，水文稳态性假定需要重新考虑，特别是对于像密云水库这样的变化显著的系统.水文非稳态性带来的挑战，促使我们必须重新思考传统水资源调度和系统分析的基本方法，促使我们从人类-自然耦合系统的角度发展水资源学的基础理论体系、提出新框架、研究新方法。,结论,以典型的水库调度基本问题为例，本研究从两阶段概念模型该出发，通过严格的数学推导，得到了确定性和不确定性条件下水库调度模型的最优性条件，并解释了其经济学含义。通过数学推导可以证明，两阶段模型的理论结果，可以扩展到多阶段问题，并设计出高效率的风险对冲算法，用于支持实际的调度管理决策。,结论,基于风险对冲理论和算法，可以将水文预报及其不确定性和水库调度目标的经济学特性相结合，进行适应性的动态调度，更加接近调度管理的实际决策过程.密云水库的案例分析表明，基于不断滚动更新的水文预报信息，适应性动态调度框架可以应对变化环境下水文非稳态性挑战，为变化环境下的水库调度问题，提供有益的科学见解、高效的模型方法和实用的调度决策工具.,谢谢大家！,请各位专家批评指正！,
