随着黑河流域经济、社会发展,上世纪60年代起,黑河中游大量垦荒,农业用水不断增加,下游生态用水被挤占,造成黑河下游额济纳地区荒漠植被衰亡和沙漠化迅速扩张,中、下游用水矛盾日益突出。另外,由于缺少调蓄工程,黑河流域水资源调控手段单一,只能通过人为增加闭口满足下游需水。本文研究了黑河干流梯级水电站水库多目标联合调度问题,研究成果对于改善中、下游不和谐的用水矛盾,丰富流域水资源调控手段,遏制黑河下游生态环境恶化趋势,促进全流域经济、社会、生态可持续发展具有重要意义。本论文取得的主要研究成果如下:(1)根据黑河干流水利工程调控手段差异,设定了两个水库调度方案,方案一考虑黄藏寺和7座水电站,方案二考虑黄藏寺、正义峡和7座水电站。以灌溉、生态、发电为调度目标,构建了黑河干流梯级水电站水库多目标联合优化调度模型。提出了黑河干流梯级水库联合调度模式,即以龙头水库黄藏寺水库为主要调蓄水库,下游正义峡水库为反调节水库,发挥梯级供水、生态和发电效益整体最大化。(2)基于改进的NSGA-II多目标优化算法求解了优化调度模型,得到不同方案的Pareto曲面。多目标Pareto曲面图显示,三个目标不能同时达到样本理论最优解;构成Pareto非劣解集的各个非劣解距离样本理论最优解的加权距离相当。(3)定量描述了不同目标之间的转换关系,采用copula函数研究了多目标竞争机制。研究表明,三个目标中,发电对黑河流域整体的影响最小、最不显著;推荐各方案的灌溉年均缺水量分别为1271、1492万m3,生态过程年均缺水量分别为115696、4951万m3。(4)采用模糊优选决策理论优选了非劣解集,得到各方案的最优调度策略分别为第1449和1354个解。优化调度结果表明,黄藏寺和正义峡水库牺牲了自身发电量,大幅提高了整个梯级的发电效益。正义峡水库参与调节提高了黑河下游鼎新灌区和东风场区的供水量,极大改善了下游生态供水过程,结果对比显示,正义峡水库参与调节的方案二更优。(5)分别制定了黑河流域梯级水库综合利用调度图和调度函数,实现了优化调度结果的可操作化。研究表明,依据梯级水库综合利用调度图实施水库调度,实现了梯级调度的径流补偿和库容补偿作用。(6)基于优化调度策略,揭示了黑河干流梯级水库的水位变化规律,即黄藏寺水库频繁降至死水位且较少蓄至正常蓄水位,其原因是由于黑河地区整体缺水,黄藏寺水库要兼顾梯级综合效益和正义峡的运行策略;正义峡水库频繁调节至死水位和正常蓄水位,起到了反调节黄藏寺的作用,兼顾了下游需水。黄藏寺水位主要受来水影响,遵循丰水期蓄水、枯水期放水的基本规律;正义峡水位主要受需水影响,遵循非需水期蓄水、需水期放水的基本规律。低水位附近枯水年水位线更束窄,高水位附近丰水年水位线更束窄。(7)基于优化调度策略,揭示了黑河中、下游取水规律,即在灌溉满足的年份,中游灌区地表供水和地下供水显著负相关;在灌溉不满足的月份,中游灌区地表供水和莺落峡月径流显著正相关。中游灌区4-6月缺水最频繁,缺水量集中在5-6月。鼎新灌区和狼心山均在正义峡下泄水量小于7.5亿m3时,表现为缺水;反之,不缺水,在6-8月和11月缺水较频繁,缺水量集中在6-8月;东风场区7月缺水最频繁、缺水量最大。(8)基于优化调度策略,揭示了黑河干流梯级发电规律,即黄藏寺水库每增加100万m3年下泄水量,梯级年发电量增加0.0152亿kW·h;出库流量大于98.3 m3/s时,加大放水对梯级发电贡献不大;小于63.9 m3/s时,梯级出力提升空间很大。各电站距黄藏寺水库越远,受黄藏寺调蓄的影响越小,受区间入流影响越大。龙首二级和宝瓶河电站随黄藏寺出库流量减小的出力损失最大。