随着我国人口持续增长和经济飞速发展,能源需求不断增加的同时环境污染问题日益严重,如何实现节能减排以促进能源节约型、环境友好型社会的建设是我国当前面临的重大挑战。水电作为纯天然的清洁能源,具有可再生、无污染、运行成本低、便于调峰调频等优势,受到世界各国的普遍青睐。水电资源是我国的优势资源,在国民经济发展中具有重要的战略地位,大力发展水电是确保我国经济可持续发展的重要举措。随着我国大型水利枢纽的建设和投运,充分发挥了流域防洪、发电、航运、供水和生态等效益：然而,水电站群优化调度不仅受气象、水文、负荷等因素的制约,而且需考虑不同调度效益的均衡优化与充分发挥,是当前工程和学术界的热点研究问题。本文围绕梯级电站水资源综合管理问题,以流域梯级水电站实际运行状况和相关规范文件为基础,深入研究了大型梯级电站水资源优化调度的建模理论和求解方法,实现水资源在不同调度目标间的合理分配与高效利用,为水电站优化运行和流域综合管理提供了理论支撑和技术支持。本文的部分成果已集成于“金沙江梯级水调管控平台”和“三峡梯级优化调度系统”,并在三峡梯调中心和金沙江成都调控中心成功部署应用。研究工作的主要创新成果如下：(1)针对梯级水电站水头联系影响实际调度运行的问题,本文在整理、分析历史实测数据资料的基础上,探究了上下游电站水位衔接关系与梯级整体效益间的响应规律,并结合一维水动力模型、数据拟合、机组精细化模拟、Vague集等理论和技术,提出了一套完整的梯级最优水位控制方法。三峡梯级发电调度的实例研究表明该方法具有很好的工程实用性；在溪洛渡-向家坝梯级调度中,由于向家坝库容较大导致水位难以迅速调整,为此制订了更为严格的水位约束方式,进而计算得到溪洛渡-向家坝梯级的最优水位控制方式。所得结论能为梯级水电站日计划制作和实时出力调整提供有效的决策支持。(2)以梯级水电站多目标问题的高效求解为切入点,本文改进并完善了差分进化框架,提出了双种群多目标差分算法(DPMODE)。该算法不仅改进了变异算子,并嵌入了局部优化技术,在确保种群多样性的前提下提高了算法的收敛性。此外,结合本文提出的梯级水电站水位优化控制方法,改进了种群初始化方式和约束条件处理,使其能更好地适用于水电站优化调度。相关函数测试结果表明,DPMODE能够有效处理高维、非线性、非连续的多目标优化问题,具有良好的求解性能。(3)为满足河道生态恢复对梯级水电站调度的需求,本文从三峡水库生态调度现状入手,采用水文学统计方法确定了三峡梯级的生态适宜流量可行范围,再通过分析长江中下游若干典型生态因素,制定了三峡梯级生态适宜流量过程,并将其作为生态效益的评价标准,建立了生态-发电优化调度模型。运用本文提出的水位控制方式和DPMODE算法,进行了三峡梯级实例研究并获得能够均衡生态和发电的非劣方案集,通过详细分析计算结果,揭示了生态与发电间的影响规律。同时,针对长江中上游初露端倪的供水问题,提出了供水保证率指标以评价流域供水效益,进而构建了生态-供水-发电优化模型,调度结果验证了长江中上游未来可能出现的供水紧缺问题,为流域规划管理提供了有效的技术支持。(4)针对面向航运的梯级水电站优化调度问题,本文从三峡航运的现状出发,通过模拟实际船闸运行过程,提出在水库调度中考虑航运效益的方式,并结合发电、生态、防洪等多种调度目标,建立了汛期航运-防洪多目标优化模型和蓄水期航运-生态-发电多目标优化模型,并应用本文提出的DPMODE算法进行了模型求解,通过对方案集的分析,给出了航运调度在面临洪水下的运行方式：洪水较小时控制下泄以疏散滞留的船只,并把拦蓄的洪量分摊到其它时段。研究工作可有效促进三峡工程航运和其它综合调度效益的发挥。