CN107392383B

CN107392383B - 基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法

Info

Publication number: CN107392383B
Application number: CN201710627855.0A
Authority: CN
Inventors: 康玲; 周丽伟; 惠六; 惠六一
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2018-05-04
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: CN107392383A

Abstract

本发明公开了一种基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法，包括如下步骤：根据单个水库非线性安全度以及水库群防洪系统非线性安全度，以水库群联合防洪控制站的超标洪量最小和水库群防洪系统非线性安全度最大为目标，建立基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容优化分配模型；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求解；根据求解的计算结果得到各调度时段水库群各水库防洪库容的优化分配方案。本发明提供的水库群防洪库容分配方法通过优化水库群防洪库容的分配，在提高水库群整体防洪效益的同时，能有效降低水库的防洪风险。

Description

基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法

技术领域

本发明属于水库群联合防洪调度技术领域，更具体地，涉及一种基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法。

背景技术

当遇到持续性大暴雨时，降雨通过产汇流形成河川径流，当径流量超过了河道的安全泄流量时，河堤可能溃决，从而导致河道内洪水外泄，形成洪涝灾害。随着国家在水利建设方面的投入，各流域修建的水库数量急剧增长，形成了混联水库群和多梯级水库群。因此，运用水库群联合防洪调度技术，充分发挥水库群整体的防洪能力，降低水库群防洪系统的防洪风险，减少洪涝灾害损失是国家重大的现实需求。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，如何利用水库群联合防洪调度科学合理的分配水库群的防洪库容，实现各水库防洪库容的优化分配，有效降低水库群的防洪风险，是亟待解决的重大关键技术。

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、剩余防洪库容最大和系统线性安全度最大等方法，这些方法能在实际使用中存在以下缺陷：

1、等比例蓄水方法假定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；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。

2、系统线性安全度最大方法假定单个水库安全度与其防洪库容最大使用比例之间是线性关系，即单个水库在其防洪库容使用的过程中使用相同防洪库容对其防洪安全性造成的影响是相同的，这与实际情况不符。

3、系统线性安全度最大方法假定水库群防洪系统安全度是水库群各个水库安全度的平均值，这使得安全度相同水库中防洪库容较大水库使用的防洪库容较多，不利于防洪库容较大水库的防洪安全。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法，其目的在于优化水库群防洪库容，提高水库群流域防洪的整体效益，有效降低单个水库的防洪风险。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法，包括如下步骤：

(1)根据水库在整个调度期内防洪库容的最大使用比例获取单个水库的非线性安全度S_i；其中，i＝1,2,…,n，n为水库群中水库的总个数；

步骤(1)具体包括如下步骤：

(i)计算第i个水库在整个调度时段内的最大使用防洪库容V_i,max＝max{V_i,t-V_i,low|t＝1,2,…,T}；其中V_i,t为第i个水库t时刻水位对应的库容，V_i,low为第i个水库汛限水位对应的库容，T为总调度时段数；

(ii)根据上述的最大使用防洪库容计算第i个水库在整个调度时段内防洪库容的最大使用比例α_i,max＝V_i,max/(V_i,up-V_i,low)，其中V_i,up为第i个水库防洪高水位对应的库容；

(iii)根据上述的最大使用比例计算第i个水库的非线性安全度

(2)根据水库的非线性安全度S_i获得水库群防洪系统的非线性安全度S＝min{S_i|i＝1,2,…,n}；

(3)以水库群联合防洪控制站的超标洪量最小和水库群防洪系统非线性安全度最大为目标，并考虑相应的约束条件，建立基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容优化分配模型；

(4)采用线性规划方法对上述的水库群防洪库容优化分配模型进行求解；根据求解的计算结果得到各调度时段水库群各水库防洪库容的优化分配方案。

优选地，上述基于系统非线性安全度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防洪库容的优化分配，以水库群联合防洪控制站的超标洪量最小和水库群防洪系统非线性安全度最大为目标，建立基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容优化分配模型如下：

(i)目标函数如下：

maxf₂＝maxS；

(ii)约束条件：

水量平衡约束：V_i,t+1＝V_i,t+(Q_i,t-q_i,t)Δt

Q'_j,t＝C_j,t+q'_j,t,j＝1,2,…,m

水库库容限制：V_i,low≤V_i,t≤V_i,up

水库始末状态条件限制：V_i,1＝V_i,low

V_i,T≤V_i,up

水库泄洪流量限制：q_i,low≤q_i,t≤q_i,up

水库泄洪流量变幅控制：|q_i,t+1-q_i,t|≤Δq_i

各水库自身防洪对象的防洪安全：q_i,t≤B_i,r

防洪控制站安全过洪能力限制：q'_j,t≤B_j,c

其中，f₁、f₂分别是水库群防洪库容分配方法的两个目标函数，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；C_j,t为第j防洪控制站t时段的超标流量；Δt为单位调度时长；Q_i,t为第i水库t时段的入库流量；q_i,t为第i水库t时段的泄洪流量；Q'_j,t为第j防洪控制站t时段的来流量；q'_j,t为第j防洪控制站t时段的下泄流量；Q″_h,t为第h水库/防洪控制站t时段的来流量；I_h,t为第h水库或防洪控制站t时段的区间来流量；q″_k,t-τ(k)为第h水库或防洪控制站的上游连接第k水库或防洪控制站的下泄流量；h是指水库或防洪控制站编号；τ(k)为第k水库或防洪控制站到下游连接水库或防洪控制站的水流滞时；φ(h)为第h水库或防洪控制站的上游连接水库或防洪控制站集合；q_i,low为第i水库泄流下限；q_i,up为第i水库泄流上限；Δq_i为第i水库泄洪流量变幅限制；B_i,r为第i水库为满足自身防洪对象防洪安全而允许的最大泄流量；B_j,c为第j防洪控制站保证水位对应控制流量。

优选地，上述基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法，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/W_max)-β₂S}，其中，f为水库群防洪库容优化分配模型的目标函数；W_max为防洪控制站理论最大超标洪量。

总体而言，通过本发明所构思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)本发明提供的基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法，能避免剩余防洪库容最大方法中水库剩余防洪库容权重依赖于人为的主观判断、权重的确定因人而异的缺点，通过优化水库群防洪库容的分配方案，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)本发明提供的基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法，单个水库非线性安全度与水库防洪库容最大使用比例之间采用非线性关系，即单个水库在其防洪库容刚开始使用时使用单位防洪库容比在其防洪库容将要用尽时使用单位防洪库容对其防洪安全性造成的影响要小，与实际情况更相符；

(3)本发明提供的基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法，以安全度最小水库的安全度作为水库群系统的非线性安全度，能克服现有技术系统线性安全度最大方法不利于防洪库容较大水库的防洪安全的缺点。

附图说明

图1是实施例所提供的一种基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法的流程示意图；

图2是实施例中的水库群防洪系统的概化结构图；

图3是实施例中的水库非线性安全度与防洪库容最大使用比例之间的关系示意图；

图4是实施例基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法调度前后寸滩站的流量过程示意图；

图5是实施例提供的基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法调度后各水库防洪库容的使用过程示意图；

图6是实施例采用基于系统线性安全度最大的水库群防洪库容优化分配模型优化调度前后寸滩站的流量过程示意图；

图7是实施例采用基于系统线性安全度最大的水库群防洪库容优化分配模型优化调度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。

实施例提供的基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法，其流程如图1所示；具体包括如下步骤：

(1)通过水库在整个调度期内防洪库容的最大使用比例α_i,max(i＝1,2,…,n；n为水库群水库的个数)计算该水库的非线性安全度S_i；具体包括如下子步骤：

(1.1)计算i水库在整个调度时段内的最大使用防洪库容V_i,max；

(1.2)计算i水库在整个调度时段内防洪库容的最大使用比例α_i,max；

(1.3)计算i水库的非线性安全度S_i。

(2)通过各个水库的非线性安全度S_i计算水库群防洪系统的非线性安全度。

(3)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防洪库容的优化分配，以水库群联合防洪控制站的超标洪量最小和水库群防洪系统非线性安全度最大为目标，并考虑相应的约束条件，建立基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容优化分配模型。

(4)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求解；根据优化计算结果得到各调度时段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年一遇设计洪水为例，具体阐述本发明所提供的基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法，实施例水库群防洪系统的概化结构图如图2所示；

1、搜集并处理由溪洛渡、向家坝、瀑布沟、紫坪铺、亭子口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。

2、计算i水库在整个调度时段内的最大使用防洪库容V_i,max＝max{V_i,t-V_i,low|t＝1,2,…,T}，其中V_i,t为i水库t时刻水位对应的库容，V_i,low为i水库汛限水位对应的库容。

3、计算i水库在整个调度时段内防洪库容的最大使用比例α_i,max＝V_i,max/(V_i,up-V_i,low)，其中V_i,up为i水库防洪高水位对应的库容。

4、计算i水库的非线性安全度水库非线性安全度与防洪库容最大使用比例之间的关系如图3所示。

5、通过各个水库的非线性安全度S_i计算水库群防洪系统的非线性安全度S＝min{S_i|i＝1,2,…,n}。

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防洪库容的优化分配，以水库群联合防洪控制站的超标洪量最小和水库群防洪系统非线性安全度最大为目标，并考虑相应的约束条件，建立基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容优化分配模型如下：

maxf₂＝maxS

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，β₁远大于β₂，即：

minf＝min{β₁(W/W_max)-β₂S}。

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：V_i,t+1＝V_i,t+(Q_i,t-q_i,t)Δt

Q'_j,t＝C_j,t+q'_j,t,j＝1,2,…,m

水库库容限制：V_i,low≤V_i,t≤V_i,up

水库始末状态条件限制：V_i,1＝V_i,low

V_i,T≤V_i,up

水库泄洪流量限制：q_i,low≤q_i,t≤q_i,up

水库泄洪流量变幅控制：|q_i,t+1-q_i,t|≤Δq_i

各水库自身防洪对象的防洪安全：q_i,t≤B_i,r

防洪控制站安全过洪能力限制：q'_j,t≤B_j,c

其中，f₁、f₂分别是指水库群防洪库容分配方法的两个目标函数，W为防洪控制站洪水调度期的超标洪量；W_max为防洪控制站理论最大超标洪量；m为防洪控制站个数；C_j,t为第j防洪控制站t时段的超标流量；Δt为单位调度时长；Q_i,t为第i水库t时段的入库流量；q_i,t为第i水库t时段的泄洪流量；Q'_j,t为第j防洪控制站t时段的来流量；q'_j,t为第j防洪控制站t时段的下泄流量；Q″_h,t为第h水库/防洪控制站t时段的来流量；I_h,t为第h水库或防洪控制站t时段的区间来流量；q″_k,t-τ(k)为第h水库或防洪控制站的上游连接第k水库或防洪控制站的下泄流量；h是指水库或防洪控制站编号；τ(k)为第k水库或防洪控制站到下游连接水库或防洪控制站的水流滞时；φ(h)为第h水库或防洪控制站的上游连接水库或防洪控制站集合；q_i,low为第i水库泄流下限；q_i,up为第i水库泄流上限；Δq_i为第i水库泄洪流量变幅限制；B_i,r为第i水库为满足自身防洪对象防洪安全而允许的最大泄流量；B_j,c为第j防洪控制站保证水位对应控制流量。

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求解；并根据优化计算结果得到各调度时段水库群各水库防洪库容的优化分配方案。

采用上述基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法对遭遇1998年100年设计洪水的上述实施例进行优化调度，优化调度前后防洪控制站寸滩站的流量过程如图4所示，优化调度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5所示，各水库防洪库容的最大使用比例均为62.89％，各水库及水库群防洪系统的安全度均为0.3711。

为更好地阐述本发明提供的基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法的有益效果，给出同等情境下采用基于系统线性安全度最大的水库群防洪库容优化分配模型优化调度前后防洪控制站寸滩站的流量过程及优化调度后各水库防洪库容的使用过程，分别如图6和图7所示；从图6和图7可以明显地看出，采用基于系统线性安全度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没有出现超标洪量，但溪洛渡水库防洪库容的最大使用比例达到100％，瀑布沟和亭子口防洪库容的最大使用比例达到32％左右，紫坪铺水库使用较少的防洪库容，向家坝水库的防洪库容没有使用，溪洛渡水库和水库群防洪系统的安全度为0；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，有效降低溪洛渡水库的防洪风险。

与现有的水库群防洪库容分配方法相比，本发明提供的基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容分配方法，单个水库非线性安全度与水库防洪库容最大使用比例之间采用非线性关系，且以安全度最小水库的安全度作为水库群防洪系统的非线性安全度，与实际情况更相符，能避免了剩余防洪库容最大方法中水库剩余防洪库容权重依赖于人为的主观判断，权重的确定因人而异的缺点，通过优化水库群防洪库容的分配方案，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。

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

1.一种基于系统非线性安全度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)根据水库在整个调度期内防洪库容的最大使用比例获得单个水库的非线性安全度S_i；其中，i＝1,2,…,n；n为水库群中水库的总个数；

具体包括如下步骤：

(i)获取第i个水库在整个调度时段内的最大使用防洪库容V_i,max＝max{V_i,t-V_i,low|t＝1,2,…,T}；其中V_i,t为第i个水库t时刻水位对应的库容，V_i,low为第i个水库汛限水位对应的库容，T为总调度时段数；

(ii)根据最大使用防洪库容获得第i个水库在整个调度时段内防洪库容的最大使用比例α_i,max＝V_i,max/(V_i,up-V_i,low)；其中V_i,up为第i个水库防洪高水位对应的库容；

(iii)根据最大使用比例获得第i个水库的非线性安全度

(3)以水库群联合防洪控制站的超标洪量最小和水库群防洪系统非线性安全度最大为目标建立基于系统非线性安全度最大的水库群防洪库容优化分配模型；

(4)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求解；根据求解的计算结果得到各调度时段水库群各水库防洪库容的优化分配方案。

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，所述水库群防洪库容优化分配模型如下：

<mrow> <mi>min</mi> <mi> </mi> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>min</mi> <mi> </mi> <mi>W</mi> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>{</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </munderover> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>T</mi> </munderover> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mi>&Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>}</mo> </mrow>

max f₂＝max S；

约束条件如下：

水量平衡约束：V_i,t+1＝V_i,t+(Q_i,t-q_i,t)Δt

Q'_j,t＝C_j,t+q'_j,t,j＝1,2,…,m

<mrow> <msubsup> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>&prime;</mo> <mo>&prime;</mo> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&Element;</mo> <mi>&phi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </munder> <msubsup> <mi>q</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>&tau;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mo>&prime;</mo> <mo>&prime;</mo> </mrow> </msubsup> </mrow>

水库库容限制：V_i,low≤V_i,t≤V_i,up

水库始末状态条件限制：V_i,1＝V_i,low

V_i,T≤V_i,up

水库泄洪流量限制：q_i,low≤q_i,t≤q_i,up

水库泄洪流量变幅控制：|q_i,t+1-q_i,t|≤Δq_i

各水库自身防洪对象的防洪安全：q_i,t≤B_i,r

防洪控制站安全过洪能力限制：q'_j,t≤B_j,c

其中，f₁、f₂分别是水库群防洪库容分配方法的两个目标函数，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；C_j,t为第j防洪控制站t时段的超标流量；Δt为单位调度时长；Q_i,t为第i水库t时段的入库流量；qi,t为第i水库t时段的泄洪流量；Q'_j,t为第j防洪控制站t时段的来流量；q'_j,t为j防洪控制站t时段的下泄流量；Q”_h,t为第h水库/防洪控制站t时段的来流量；I_h,t为第h水库或防洪控制站t时段的区间来流量；q”_k,t-τ(k)为第h水库或防洪控制站的上游连接第k水库或防洪控制站的下泄流量；h是指水库或防洪控制站编号；τ(k)为第k水库或防洪控制站到下游连接水库或防洪控制站的水流滞时；φ(h)为第h水库或防洪控制站的上游连接水库或防洪控制站集合；q_i,low为第i水库泄流下限；q_i,up为第i水库泄流上限；Δq_i为第i水库泄洪流量变幅限制；B_i,r为第i水库为满足自身防洪对象防洪安全而允许的最大泄流量；B_j,c为第j防洪控制站保证水位对应控制流量。

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，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/W_max)-β₂S}；其中，f为水库群防洪库容优化分配模型的目标函数；W_max为防洪控制站理论最大超标洪量。