CN107180318B - 基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法 - Google Patents
基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法，将串联水库作为等效水库并确定等效水库的参数；计算并联水库群中各水库剩余防洪库容的权重；根据等效水库剩余防洪库容权重计算等效水库各水库剩余防洪库容的权重；建立基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配模型，并对模型求解，获得防洪库容优化分配方案。本发明充分考虑洪水特性对水库群防洪库容优化分配的影响，根据水库入库流量、防洪库容及洪水演进过程确定各水库剩余防洪库容的权重，权重随不同调度时段而变化，避免传统方法在权重设置时主观因素的影响，优化水库群防洪库容的分配方案，提高水库群流域防洪的整体效果，有效降低水库的防洪风险。
Description
技术领域
本发明属于水库群调度技术领域，更具体地，涉及一种基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法。
背景技术
当遇到强度大、降雨时间集中的强暴雨时，大量雨水快速汇入河道，引起河道水位急剧上涨，即形成洪水。水库工程是河流防洪体系的重要组成部分，为降低洪水灾害损失，科学合理的水库群联合防洪调度是最有效的非工程措施之一。研究水库群的防洪优化调度具有重要的理论和应用价值。
现有的防洪优化调度大多数考虑单库的防洪调度，研究水库群联合防洪调度的相对较少，如何在满足各水库所在河流与共同防洪区域的防洪要求的基础上，实现水库群防洪库容的优化分配，提高水库群流域防洪的整体效果，有效降低单个水库的防洪风险，是亟待解决的难题。
现有的水库群联合防洪调度防洪库容优化分配方法有等比例蓄水和剩余防洪库容最大等方法，这些方法在实际使用中存在以下缺陷：
1、等比例蓄水和剩余防洪库容最大等方法均没有考虑洪水地区组成等洪水特性对水库群防洪库容优化分配的影响；
2、等比例蓄水方法认为各水库均同时蓄水同时泄水，与水库群实际的蓄泄水过程差别较大；
3、现有的剩余防洪库容最大方法在使用过程中，各水库剩余防洪库容权重的确定依赖于人为的主观判断，权重的确定因人而异且没有科学的计算依据。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷和不足，本发明提供了一种基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法，其目的在于根据水库入库流量、防洪库容及洪水演进过程信息确定水库剩余防洪库容的权重，优化水库群防洪库容分配方案，提高水库群流域防洪的整体效果，有效降低水库的防洪风险。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法，包括如下步骤：
(1)根据水库群各水库的入库流量Qi,t、防洪库容Vi,des及下泄流量到防洪控制站的水流滞时τi，获取水库群中各水库剩余防洪库容的权重；
由于各水库入库流量Qi,t随调度时段变化，上述水库剩余防洪库容的权重也随调度时段变化，即变权重；
(2)以水库群下游防洪控制站超标洪量最小和水库群剩余防洪库容最大为目标，建立基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配模型；
(3)采用线性规划方法对基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配模型进行优化求解，并根据优化求解的计算结果获得水库群各水库防洪库容的优化分配方案及其使用过程。
优选地，上述基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法，获取水库剩余防洪库容权重的方法，包括如下步骤：
(i)将水库群中的串联水库作为一个等效水库，并根据串联水库的参数确定等效水库的参数；以串联水库各水库防洪库容之和为等效水库的防洪库容，以第一级水库入库流量与下游各级水库区间流量之和为等效水库的入库流量，以最后一级水库下泄流量到防洪控制站的水流滞时为等效水库下泄流量到防洪控制站的水流滞时；
(ii)将水库群作为并联水库群，根据并联水库群各水库的入库流量Qi,t、防洪库容Vi,des及水库下泄流量到防洪控制站水流滞时τi，计算各并联水库剩余防洪库容的权重
(iii)根据等效水库剩余防洪库容的权重计算组成该等效水库各串联水库剩余防洪库容的权重
其中，φ(i)为串联水库的集合，τk为水库k的下泄流量至防洪控制站的水流滞时，τh为水库h的下泄流量至防洪控制站的水流滞时；
(iv)利用现有的归一化方法对水库群各水库同一调度时段剩余防洪库容权重进行归一化处理，获得各水库剩余防洪库容的权重其中n为水库群水库的个数。
优选地，上述基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法，在保证各水库所在河流的防洪要求与共同防洪区域的防洪要求的基础上考虑水库群防洪库容的优化分配，以水库群下游防洪控制站超标洪量最小和水库群剩余防洪库容最大为目标，并考虑相应的约束条件，运用权重法和无量纲法相结合的处理方法，建立基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配模型，该水库群防洪库容优化分配模型的目标函数为：
在该模型中，优先考虑目标函数f1，再考虑目标函数f2；以β1和β2分别表示目标函数f1和目标函数f2的权重系数，且β1远大于β2，即：
min f＝min{β1(W/Wmax)-β2(Vs/Vmax)}
上述水库群防洪库容优化分配模型的约束条件包括：
水量平衡约束：Vi,t+1＝Vi,t+(Qi,t-qi,t)Δt
水库库容限制：Vi,low≤Vi,t≤Vi,up
水库始末库容状态限制：Vi,1＝Vi,low
Vi,T≤Vi,up
水库下泄流量限制：qi,low≤qi,t≤qi,up
水库下泄流量变幅控制：|qi,t+1-qi,t|≤Δqi
其中，W为防洪控制站洪水调度期的超标洪量；m为防洪控制站个数；Qj,t为j防洪控制站t时段的来流量；Qj,max为j防洪控制站的安全流量；Δt为单位调度时长；Vs为水库群总剩余防洪库容；Vi,t为i水库t时段水位对应的库容；Vi,low为i水库汛限水位对应的库容；Vi,up为i水库防洪高水位对应的库容；Wmax为防洪控制站理论最大超标洪量；Vmax为水库群理论最大总剩余防洪库容，即水库群总防洪库容随调度时间的累积值；Qi,t为i水库t时段的入库流量；qi,t为i水库t时段的下泄流量；qi,low为i水库下泄流量下限；qi,up为i水库下泄流量上限；Δqi为i水库下泄流量变幅限制值，T为总调度时段数。
优选地，上述基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法，采用线性规划方法对建立的水库群防洪库容优化分配模型进行优化求解，并根据优化计算结果统计分析获得水库群各水库防洪库容的优化分配方案。
总体而言，通过本发明提出的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法，充分考虑洪水地区组成等洪水特性对水库群防洪库容分配的影响，以此来优化水库群防洪库容的分配方案，能够在提高水库群整体防洪效益的同时，有效降低水库的防洪风险。
(2)本发明提供的基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法，根据水库入库流量、防洪库容及洪水演进过程等信息确定水库剩余防洪库容的权重，优化水库群防洪库容分配方案，克服了现有剩余防洪库容最大方法中确定的水库剩余防洪库容权重因人而异，受主观因素的影响且没有科学计算依据的缺点；优化水库群防洪库容的分配方案，提高水库群流域防洪的整体效果，有效降低水库的防洪风险。
附图说明
图1是实施例所提供的基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法的流程示意图；
图2是实施例中水库群防洪系统的概化结构图；
图3是基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配方法计算的各水库剩余防洪库容权重随调度时段的变化过程；
图4是采用实施例提供的基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配方法优化前后寸滩站的流量过程示意图；
图5是采用实施例提供的基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配方法优化后各水库防洪库容的使用过程示意图；
图6是实施例采用基于等权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配模型优化前后寸滩站的流量过程示意图；
图7是实施例采用基于等权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配模型优化后各水库防洪库容的使用过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例提供的基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法，其流程示意图如图1所示，包括如下步骤：
(1)根据水库群各水库的入库流量Qi,t、防洪库容Vi,des及下泄流量到防洪控制站水流滞时τi，计算水库群中各水库剩余防洪库容的权重，由于各水库入库流量Qi,t随调度时段变化，计算的水库剩余防洪库容的权重也将随调度时段变化，即变权重；
各水库剩余防洪库容权重的计算方法包括如下子步骤：
(1.1)将水库群中的串联水库作为一个等效水库，并根据串联水库的参数确定等效水库的参数。以串联水库各水库防洪库容之和为等效水库的防洪库容，以第一级水库入库流量与下游各级水库区间流量之和为等效水库的入库流量，以最后一级水库下泄流量到防洪控制站的水流滞时为等效水库下泄流量到防洪控制站的水流滞时；
(1.2)将水库群作为并联水库群，根据并联水库群各水库的入库流量Qi,t、防洪库容Vi,des及水库下泄流量到防洪控制站水流滞时τi，计算各并联水库剩余防洪库容的权重；
(1.3)根据等效水库剩余防洪库容的权重计算组成该等效水库各串联水库剩余防洪库容的权重；
(1.4)利用归一化方法对水库群各水库同一调度时段剩余防洪库容权重进行归一化处理；
(2)在保证各水库所在河流的防洪要求与共同防洪区域的防洪要求的基础上考虑水库群防洪库容的优化分配，以水库群下游防洪控制站超标洪量最小和水库群剩余防洪库容最大为目标，并考虑相应的约束条件，建立基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配模型。
(3)采用线性规划方法对建立的水库群防洪库容优化分配模型进行优化求解；根据优化计算结果统计分析获得水库群各水库防洪库容的优化分配方案。
以下以由溪洛渡、向家坝、瀑布沟、紫坪铺、亭子口等水库和寸滩防洪控制站组成的水库群防洪系统遭遇1998年100年一遇设计洪水为实例来具体阐述本发明提供的基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法，实例中水库群防洪系统的概化结构如图2所示；实例中的水库群防洪库容优化分配方法，具体包括如下步骤：
1、搜集并处理由溪洛渡、向家坝、瀑布沟、紫坪铺、亭子口等水库和寸滩防洪控制站组成的水库群防洪系统的数据资料。实施例中溪洛渡水库和向家坝水库串联，再与瀑布沟、紫坪铺、亭子口等水库并联。
2、将溪洛渡水库和向家坝水库作为一个等效水库，并根据溪洛渡水库和向家坝水库的参数确定等效水库的参数。以溪洛渡水库和向家坝水库防洪库容之和为等效水库的防洪库容，以溪洛渡水库入库流量与向家坝水库区间流量之和为等效水库的入库流量，以向家坝水库下泄流量到防洪控制站的水流滞时为等效水库下泄流量到防洪控制站的水流滞时。
3、将溪洛渡水库和向家坝水库作为一个等效水库后，水库群可看作由等效水库、瀑布沟、紫坪铺、亭子口等水库组成的并联水库群。根据并联水库群各水库的入库流量Qi,t、防洪库容Vi,des及水库下泄流量到防洪控制站水流滞时τi，计算并联水库群各水库剩余防洪库容的权重
4、对于组成等效水库的溪洛渡水库和向家坝水库，根据等效水库剩余防洪库容的权重计算溪洛渡水库和向家坝水库剩余防洪库容的权重。溪洛渡水库剩余防洪库容的权重向家坝水库剩余防洪库容的权重其中τk1为溪洛渡水库下泄流量到寸滩站的水流滞时，τk2为向家坝水库下泄流量到寸滩站的水流滞时。
5、采用归一化方法对计算的溪洛渡、向家坝、瀑布沟、紫坪铺和亭子口等水库同一调度时段剩余防洪库容权重进行归一化处理。各水库剩余防洪库容的权重其中n为水库群水库的个数。获得的各水库剩余防洪库容的权重与水库的入库流量、防洪库容及下泄流量到防洪控制站的水流滞时有关，由于各水库入库流量随调度时段变化，获得的各水库剩余防洪库容的权重也随调度时段变化。获得的溪洛渡、向家坝、瀑布沟、紫坪铺和亭子口等水库剩余防洪库容权重随调度时段的变化过程如图3所示。
6、在保证各水库所在河流的防洪要求与共同防洪区域的防洪要求的基础上考虑水库群防洪库容的优化分配，以水库群下游防洪控制站超标洪量最小和水库群剩余防洪库容最大为目标，并考虑相应的约束条件，运用权重法和无量纲法相结合的处理方法，建立基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配模型如下：
优先考虑目标函数f1，再考虑目标函数f2，以β1和β2分别表示目标函数f1和目标函数f2的权重系数，且β1远大于β2，即：
min f＝min{β1(W/Wmax)-β2(Vs/Vmax)}
约束条件包括：
水量平衡约束：Vi,t+1＝Vi,t+(Qi,t-qi,t)Δt
水库库容限制：Vi,low≤Vi,t≤Vi,up
水库始末库容状态限制：Vi,1＝Vi,low
Vi,T≤Vi,up
水库下泄流量限制：qi,low≤qi,t≤qi,up
水库下泄流量变幅控制：|qi,t+1-qi,t|≤Δqi；
其中，W为防洪控制站洪水调度期的超标洪量；m为防洪控制站个数；Qj,t为j防洪控制站t时段的来流量；Qj,max为j防洪控制站的安全流量；Δt为单位调度时长；Vs为水库群总剩余防洪库容；Vi,t为i水库t时段水位对应的库容；Vi,low为i水库汛限水位对应的库容；Vi,up为i水库防洪高水位对应的库容；Wmax为防洪控制站理论最大超标洪量；Vmax为水库群理论最大总剩余防洪库容，即水库群总防洪库容随调度时间的累计值；Qi,t为i水库t时段的入库流量；qi,t为i水库t时段的下泄流量；qi,low为i水库下泄流量下限；qi,up为i水库下泄流量上限；Δqi为i水库下泄流量变幅限制值。
7、采用线性规划方法对建立的水库群防洪库容优化分配模型进行优化求解；根据优化计算结果统计分析获得水库群各水库防洪库容的优化分配方案及使用过程。
采用本发明提供的基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法对遭遇1998年100年设计洪水的实施例进行优化调度，优化前后防洪控制站寸滩站的流量过程如图3所示，优化后寸滩站的流量均没有超过安全流量，达到了削减超标洪量的目的，优化调度后各水库防洪库容的使用过程如图4所示，向家坝水库的防洪库容没有使用，其他各水库防洪库容的最大使用比例均在70％～95％之间。
为更好地阐述本发明提供的基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配方法的有益效果，给出同等情境下采用常用的基于等权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配模型(各水库各调度时段剩余防洪库容的权重均为0.20)优化后防洪控制站寸滩站的流量过程及各水库防洪库容的使用过程，分别如图5和图6所示，明显地，采用基于等权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配模型优化调度后寸滩站也不出现超标洪量，但除溪洛渡水库外，其他各水库防洪库容的最大使用比例均达到100％。表明本发明提供的基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法能在保证各水库所在河流的防洪要求与共同防洪区域的防洪要求的基础上优化水库群防洪库容的分配方案，有效降低向家坝、瀑布沟、紫坪铺和亭子口等水库的防洪风险。
本发明在前期工作中发现：(1)在利用基于剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配模型进行水库群联合防洪优化调度时，剩余防洪库容权重较小的水库倾向于预留较小的防洪库容，倾向于优先使用其防洪库容；(2)入库流量与防洪库容的比值越小的水库，其防洪风险越小，在使用基于剩余防洪库容最大方法进行水库群防洪库容优化分配时应倾向于预留较少的防洪库容，优先使用其防洪库容；(3)距离下游防洪控制站较远的水库，水库下泄流量至防洪控制站的水流滞时较大，其对洪水的拦蓄作用较弱，在使用基于剩余防洪库容最大方法进行水库群防洪库容优化分配时应倾向于预留较少的防洪库容，优先使用其防洪库容。本发明提供的一种基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配方法，根据水库入库流量、防洪库容及洪水演进过程等信息确定水库剩余防洪库容的权重，优化水库群防洪库容分配方案，提高水库群流域防洪的整体效果，有效降低水库的防洪风险。因此，本发明提供的基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法，充分考虑洪水特性对水库群防洪库容分配的影响，根据水库入库流量、防洪库容及洪水演进过程等信息确定各水库剩余防洪库容的权重，克服了现有技术在权重设置时易受主观因素影响的问题，优化水库群防洪库容的分配，起到提高水库群流域防洪的整体效果、有效降低水库的防洪风险的作用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据水库群各水库的入库流量、防洪库容及下泄流量到防洪控制站的水流滞时，计算水库群中各水库剩余防洪库容的权重；
(2)以水库群下游防洪控制站超标洪量最小和水库群剩余防洪库容最大为目标，建立基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配模型；
(3)采用线性规划方法对基于变权重剩余防洪库容最大的水库群防洪库容优化分配模型进行优化求解，并根据优化求解的结果获得水库群各水库防洪库容的优化分配方案及其使用过程。
2.如权利要求1所述的水库群防洪库容分配方法，其特征在于，获取水库剩余防洪库容权重的方法，包括如下步骤：
(i)将水库群中的串联水库作为一个等效水库，并根据串联水库的参数确定等效水库的参数，包括防洪库容、入库流量和等效水库下泄流量到防洪控制站的水流滞时；
(ii)将水库群作为并联水库群，根据并联水库群各水库的入库流量Qi,t、防洪库容Vi,des及水库下泄流量到防洪控制站水流滞时τi，计算各并联水库剩余防洪库容的权重其中，Qi,t为i水库t时段的入库流量；
(iii)根据所述并联水库剩余防洪库容的权重，计算等效水库各串联水库剩余防洪库容的权重
其中，φ(i)为串联水库的集合，τk为水库k的下泄流量至防洪控制站的水流滞时，τh为水库h的下泄流量至防洪控制站的水流滞时；
(iv)对水库群各水库同一调度时段剩余防洪库容的权重进行归一化处理，获得各水库剩余防洪库容的权重其中n为水库群水库的个数。
3.如权利要求2所述的水库群防洪库容分配方法，其特征在于，将串联水库各水库防洪库容之和作为等效水库的防洪库容，将第一级水库入库流量与下游各级水库区间流量之和作为等效水库的入库流量，将最后一级水库下泄流量到防洪控制站的水流滞时作为等效水库下泄流量到防洪控制站的水流滞时。
4.如权利要求1或2所述的水库群防洪库容分配方法，其特征在于，所述的水库群防洪库容优化分配模型如下：
<mrow>
<mi>min</mi>
<mi> </mi>
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<mi>f</mi>
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<mo>-</mo>
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<mi>V</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>,</mo>
<mi>t</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
水库群防洪库容优化分配模型的约束条件包括：
水量平衡约束：Vi,t+1＝Vi,t+(Qi,t-qi,t)Δt
水库库容限制：Vi,low≤Vi,t≤Vi,up
水库始末库容状态限制：Vi,1＝Vi,low
Vi,T≤Vi,up
水库下泄流量限制：qi,low≤qi,t≤qi,up
水库下泄流量变幅控制：|qi,t+1-qi,t|≤Δqi
其中，W为防洪控制站洪水调度期的超标洪量，f1是代表关于W的目标函数的符号；m为防洪控制站个数；Qj,t为j防洪控制站t时段的来流量；Qj,max为j防洪控制站的安全流量；Δt为单位调度时长；Vs为水库群总剩余防洪库容，f2是代表关于Vs的目标函数的符号；Vi,t为i水库t时段水位对应的库容；Vi,low为i水库汛限水位对应的库容；Vi,up为i水库防洪高水位对应的库容；Qi,t为i水库t时段的入库流量；qi,t为i水库t时段的下泄流量；qi,low为i水库下泄流量下限；qi,up为i水库下泄流量上限；Δqi为i水库下泄流量变幅限制值，T为总调度时段数。
5.如权利要求4所述的水库群防洪库容分配方法，其特征在于，在水库群防洪库容优化分配模型中，以β1和β2分别表示目标函数f1和目标函数f2的权重系数，且β1远大于β2，满足minf＝min{β1(W/Wmax)-β2(Vs/Vmax)}；其中，f为水库群防洪库容优化分配模型的目标函数；Wmax为防洪控制站理论最大超标洪量；Vmax为水库群理论最大总剩余防洪库容，即水库群总防洪库容随调度时间的累积值。
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