潮汐河网中多水闸与泵站的最优联合调度

《Water》：Optimal Joint Operation of Multiple Gates and Pumping Stations in a Tidal River Network

　　

沿海平原河网在台风降雨与外海潮汐顶托（tidal backwater）叠加时需要协调水闸与泵站运行。研究人员以中国余姚市北部排水河网为对象，采用台风“烟花”（Typhoon In-Fa）作为典型事件，构建了SWMM–NSGA-II模拟—优化框架。该框架耦合了分布式降雨—径流模拟、河网水动力过程、受潮汐影响的出江泵排以及沿海与内部水工建筑物的协调运行。临山（Linshan）、东浦（Dongpu）和马渚（Mazhu）水位上下限被作为全过程硬约束；在可行域内最小化三个目标：水位惩罚、泵站能耗、闸泵状态切换次数。最终帕累托（Pareto）集中含36组可行非支配调度方案，约束违反量均为零。三处控制站离散二次水位超阈惩罚指数、三座受控泵站72 h总能耗、受控水闸与单泵二进制状态变更累计数分别介于39.29–51.59 m2、914.15–1364.00 GJ、184–256。等权折中方案对应42.65 m2、967.82 GJ、215次状态变更。与未投运陶家路和莲湖泵站的历史基线相比，该方案使三站72 h目标水位以上累计超限由25.43降至8.11 m·h，降幅68.1%。结果表明沿海出江建筑物主要控制潮窗排水与强排能力，内部闸泵主要调节水量再分配及水位降幅传播。

研究背景方面，沿海平原河网在强降雨与高外海潮汐位同时出现时极易受灾。余姚北部历史上洪水东排至宁波水系，后增建北向杭州湾出口，陶家路水闸（Taojialu Sluice）承担有利潮情下的自流排涝；但涨潮时水头差减小或反向，自流窗口缩短。2021年台风“烟花”期间，外海高水位进一步限制陶家路水闸自流，低地河网积水加重。为此新建陶家路出海泵站，与陶家路水闸形成“自流+强排”互补。既有研究常把出江泵能力取为固定流量，且把水位安全约束与软性偏好目标混在一起；防洪性能、泵站能耗、设备启停应同时评价。因此，研究人员以余姚北部河网为案例，用SWMM（Storm Water Management Model，暴雨管理模型）动态波（Dynamic Wave）路由模拟降雨径流与河网水动力，并通过PySWMM将模型与NSGA-II（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II，快速非支配排序遗传算法II）耦合，在临山、东浦、马渚水位硬约束下优化6座水闸与13台泵机组72 h二进制运行序列，目标为最小化水位惩罚指数、泵站总能耗、闸泵状态切换次数。论文发表于《Water》。

关键技术方法上，研究人员利用58个子汇水区、111条明渠链接、70个计算节点及上游来流与下游潮位边界重建台风“烟花”过程并校准；以2021-07-25 08:00至2021-07-28 08:00共72 h为调度期，划分为36个2 h控制区间；采用共同热启动状态保证候选方案初始条件一致；沿海水闸按外海潮位高于内侧水位时强制关闭以防倒灌，泵组按前池水位低于安全限停机；NSGA-II种群360、迭代400代，用约束支配原则先把不可行方案排除，再在可行域做三目标帕累托寻优；泵能计算中陶家路泵站按单机扬程—流量—效率曲线积分，莲湖（Leanhu）与泗门（Simen）内泵按额定功率乘运行时间估算。

研究结果如下。3.1 收敛行为：研究人员用超体积（Hypervolume，HV）指标评判收敛与覆盖度，目标值按全局上下界归一化，参考点取最差角点；HV早期迅速上升，第400代达1.26，约为理论上界的95%，说明算法收敛稳定。3.2 帕累托前沿与目标权衡：最终36组可行非支配方案约束违反均为零；水位惩罚指数39.29–51.59 m²，能耗914.15–1364.00 GJ，切换次数184–256。最明显权衡在水位惩罚与切换次数之间，更紧水位控制通常需更频繁调整；能耗与另两目标无简单单调关系，因还受运行时长、泵组分配及潮汐扬程效率影响。3.3 代表性方案比较：取水位最优SWP、能耗最优SE、切换最优SSW与等权折中SC；SWP水位惩罚最低39.29 m²但能耗1160.19 GJ、切换256次，SE能耗最低914.15 GJ但水位惩罚42.24 m²；SC三项为42.65 m²、967.82 GJ、215次，是等权下离理想点最近的示例折中而非唯一推荐。泵能不能由启停次数直接推断，莲湖站任务分配差异可改变总能耗。3.4 控制站水位响应：东浦基线峰值约3.22 m、超靶约24 h，优化后SWP/SE/SSW/SC峰值约3.13/3.15/3.18/3.14 m，超限积分别降约88%、71%、47%、67%；临山靠沿海出江建筑，基线峰值约3.30 m，四方案峰值约2.93–2.97 m；马渚蓄滞与滞后强，基线峰值约3.51 m，四方案约3.33–3.38 m。SC使三站72 h累计超限由25.43降至8.11 m·h，降68.1%。沿海Linhaipu、Taojialu控潮窗与强排，Simen、Xihenghe、Doumen、Leanhu主司内部再分配。3.5 帕累托集内操作权衡：36条方案归一化目标平行坐标中，低水位惩罚多伴高切换，能耗排序分散，印证目标间非对称竞争。

讨论部分总结：研究人员强调把水位界限作为可行性硬约束而非惩罚项，先在批准运行包络内筛除水力不可行方案，再比较经济与运行平稳性；这与约束预测控制和实时排水调度一致。潮汐出江泵的外海潮位改变扬程，使能耗与抽排效益不成正比，低潮自流与高潮强排组合优于单纯高能耗强排。空间上临山对沿海出口最敏感，马渚受上游汇流、河网蓄量与传播滞后影响更大，内部建筑把水位降幅向河网传播；SC下临山、东浦、马渚累计超限分别降78.9%、67.2%、64.0%。优化方案依赖“烟花”边界条件，68.1%降幅同时来自新增陶家路、莲湖设施及其联合调度优化，需用多雨潮组合与预报集合检验可迁移性，未来还应做权重敏感性与交互式偏好选择。

结论部分翻译：本研究在潮汐河网多水闸与泵站联合调度中实施了SWMM–NSGA-II模拟—优化框架，并以余姚西北沿海平原及台风“烟花”为典型事件应用。现有SWMM动态波引擎提供降雨径流与河网水动力模拟，本研究贡献在于案例化建模、硬约束闸泵调度公式及通过PySWMM与NSGA-II耦合。最终帕累托集含36组可行非支配方案，水位惩罚指数39.29–51.59 m²、泵能914.15–1364.00 GJ、切换次数184–256；目标关系非对称，最清晰竞争在水位控制与启停频率间，泵能无类似单调关系。代表方案显示沿海与内部角色不同：Linhaipu与Taojialu控潮窗与高潮强排，Simen、Xihenghe、Doumen、Leanhu调内部分配；等权折中方案水位惩罚42.65 m²、能耗967.82 GJ、切换215次，三站72 h累计超限由25.43降至8.11 m·h，降68.1%。该折中仅为等权示例，并非所有管理偏好下唯一推荐，事件化设置在外推时须审慎。