CN107578134A - 一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法 - Google Patents

一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤1：建立黄河上游梯级水库防洪预警体系；步骤2：构建基于步骤1的预警体系的梯级水库防洪调度模型；步骤3：通过步骤2中构建的防洪调度模型进行优化计算，输出调度结果和最优预警对策。本发明一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法，结合梯级水库联合防洪调度模型，评估水库自身和下游防护对象的防洪风险程度，确定综合风险程度和防洪预警等级，并利用未来时段预报信息制定合理有效的预警对策，建立了适用于黄河上游梯级水库群的防洪预警体系。

Description

一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法
技术领域
本发明属于防洪调度方法技术领域，具体涉及一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法。
背景技术
洪水是威胁人类生命安全和社会稳定的主要自然灾害之一，近年来，极端洪水事件频发，成灾严重，防洪减灾问题受到密切关注。水库是抵御洪水灾害的一项重要工程措施，在防洪减灾中发挥了重要作用，随着水文监测和水库运行管理水平的提高，新时期的治水思路发生了转变，在工程建设的同时，应加强非工程措施的运用。防洪减灾的非工程措施主要包括防洪调度、防洪预报预警、洪泛区管理等。
一方面，如何根据来水信息进行合理的水库防洪调度，一直是诸多学者和水库运行管理人员关注的科学问题和防洪减灾的重要举措。现阶段，水库的防洪调度研究已经取得了丰富的成果，在调度规则确定、优化算法应用、方案优选和风险评估等方面均有大量研究。其中，洪水的风险分析是防洪系统的重要组成部分，是实施非工程措施的基础和前提，与水库防洪调度密不可分。目前，对于水库防洪调度的风险分析，通常仅给出风险率的大小，在实际应用中很难为调度人员提供可用的决策参考信息。并且，相对于风险计算，决策者更关注如何采取措施来降低水系统的防洪风险。而分级预警是应对灾害的常见应急管理机制，在台风预警、暴雨预警、干旱预警等方面得到广泛应用。该机制通过预测可能发生的灾害和等级，及时发布警示信息并启动应急预案，以达到降低灾害损失和保障防洪安全的目的。但是，现有的防洪调度和风险分析研究鲜少考虑到洪水风险分级预警。田峰巍等根据水库调度和风险特点，将风险划分为4个级别，根据风险级别判断决策的可靠性。张弛等考虑到下游河道实际行洪能力的变化性，制定了基于水库下游河道行洪能力分级的预报调度规则，提高了水库及下游防护目标的防洪安全系数，并在防洪风险得到有效控制的同时提高了洪水资源利用率。综合以上研究，将水库防洪调度的风险进行分级，探求不同风险等级对应的泄洪策略，并发布灾害预警信息是水库防洪调度中一个值得研究的问题。
另一方面，防洪预警是防洪减灾非工程措施的核心内容之一。美国、英国等发达国家已经建立起较为完善的洪灾预警系统，如欧盟的洪水预报预警和响应系统(FFWRS)，它是由灾害报警研究衍生而来的自动化系统，预报精度较高，应用范围已超过欧盟国家50％以上。Ford利用实时雨量与水位监测资料，以HEC模式进行洪水演算，建立了自动化洪水预警决策支持系统 (FW-DSS)，并应用于美国加州防洪决策中，可有效减轻灾害损失。Bürger 等通过对欧洲中央气象预报结果降尺度处理，建立了适合于小流域的洪水预警系统。我国防洪预警系统建设起步较晚，但近几年来取得了很大的进展。刘志雨等提出了基于分布式水文模型和动态临界雨量的山洪预警预报方法。冶运涛等开发了洞庭湖防洪预警仿真系统，实现了洪水淹没的三维演示，为防洪决策提供依据。任春凤研究了山洪灾害预警指标的确定方法，并设计开发了山洪灾害预警指标应用系统，实现了高效而准确的山洪动态预警。晋磊根据中小流域洪水特点，构建了中小流域洪水预报预警系统，实现了实时监测、洪水预报、洪水淹没分析和洪水预警功能。可以看出，当前的防洪预警研究多集中在雨水情信息系统建设、暴雨洪水预报模型、山洪灾害预警等方面，预警指标也多是选取雨量、水位、流量等监测和预报的数据。而对于具有水库调节的水系统而言，水库防洪调度和防洪预警均对防洪减灾有着至关重要的作用，将二者结合起来共同抵御洪水是提高防洪安全度的有效手段。黄春雷等基于水情预报信息，考虑水库短期优化调度，建立了日调节水库实时调度及预警模式，为减轻调度人员工作负担和发挥电站经济效益提供了一种实用的方法。Huang等以中国台湾石门水库为研究对象，结合水库优化调度和预警指标计算，建立了单一水库防洪预警模式，对台风影响下的水库防洪运用具有很好的指导意义。而对于由水库群组成的复杂防洪体系来说，如何利用预报信息，将防洪预警与水库群的实时防洪调度结合起来，基于防洪风险评估，建立梯级水库群防洪预警体系，也是洪灾管理的一个重要课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法，解决了现有技术中复杂水系统防洪调度与防洪预警相互分离，风险分析难以应用于防洪调度的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法，包括以下步骤，
步骤1：建立黄河上游梯级水库防洪预警体系；
步骤2：构建基于步骤1的预警体系的梯级水库防洪调度模型；
步骤3：通过步骤2中构建的防洪调度模型进行优化计算，输出调度结果和最优预警对策。
本发明的特点还在于，
步骤1具体包括，
步骤1.1：选取评估因子
将评估因子分为两类，即水库防洪状况指标和下游防洪情势指标，水库防洪状况指标选取刘家峡水库天然入库流量和龙刘总蓄洪量两个评估因子，下游防洪情势指标选取刘家峡水库出库流量作为评估因子；
步骤1.2：计算预警指标与预警指数
首先，根据刘家峡水库各重现期设计洪峰流量，将刘家峡天然入库流量在6860m3/s以下定义为1级，5430m3/s至8270m3/s为2级，6860m3/s至 9450m3/s为3级，8270m3/s至10800m3/s为4级，超过9450m3/s为5级；并依次用右半梯形、三角形、三角形、三角形、左半梯形模糊数表示，建立入库流量隶属函数；
根据龙羊峡、刘家峡总蓄洪量占用龙羊峡、刘家峡总调洪库容的比例，将蓄洪量在25.69亿m3以下定义为1级，12.84亿m3至38.52亿m3为2级， 25.69亿m3至51.36亿m3为3级，38.52亿m3至85.6亿m3为4级，超过51.36 亿m3为5级；并依次用右半梯形、三角形、三角形、三角形、左半三角形模糊数表示，建立蓄洪量隶属函数；
根据入库流量隶属函数和蓄洪量隶属函数定量计算出评估因子的隶属度后，建立模糊评估矩阵：
式中：uij表示第i个评估因子对第j个等级的相对隶属度；
则水库防洪状况指标的综合评判集：
R＝WοU＝(r1，r2，r3，r4，R5)
式中：“ο”为模糊合成算子；ri为综合隶属度；W为权重集，以梯级水库总蓄洪量占梯级水库总调洪库容的百分比来确定权重系数w2，则w1＝1-w2，并且权重随水库泄洪变化而改变；最终以累加隶属度大于0.5时对应的等级作为水库防洪状况指标的评估程度；
其次，结合下游防护对象对应的防洪标准，根据刘家峡水库不同频率下的最大允许泄量划分危险等级见表1，计算下游防护对象的防洪情势指标；
表1：
最后，将水库防洪状况指标与下游防洪情势指标耦合为预警指数来综合反映水库与下游防洪危险程度，预警指数的表达式如下：
式中：FAI表示预警指数，且0≤FAI≤2。X表示水库防洪状况指标，Y表示下游防洪情势，n1表示水库防洪状况的等级，n2表示下游防洪情势的等级；
步骤1.3：发布预警信息
将预警等级划分为5个等级，见表2，分别表示“无”、“轻度”、“中度”、“高度”、“严重”5个危险程度，并与预警指数区间相对应，依次用绿、蓝、黄、橙、红色指示灯进行警示；
表2：
步骤1.4：确定预警对策
不同预警信号对应不同的流量增加量，其中绿色表示安全，按常规泄洪，其余4个信号都需加大流量，危险等级越高，流量增加量越大，通过预泄来降低风险。
步骤2包括依次建立包含下列四个子模型的梯级水库防洪调度模型，
步骤2.1：建立联合防洪调度模型
首先，综合考虑梯级水库流量补偿与洪量补偿的特点，刘家峡水库的洪水量级大小采用设计资料的泄量控制图判别，即当刘家峡水库入库日均流量 Q>6510m3/s，龙羊峡、刘家峡两库总蓄洪量W≥29.6亿m3时，说明刘家峡水库遇100年一遇以上洪水，此时刘家峡水库限泄4510m3/s；当刘家峡水库入库日均流量Q>8420m3/s，龙羊峡、刘家峡两库总蓄洪量W≥44.5亿m3时，说明刘家峡水库遇1000年一遇以上洪水，此时刘家峡水库限泄7260m3/s；当刘家峡水库入库日均流量Q>8970m3/s，且龙羊峡、刘家峡两库总蓄洪量 W≥49.9亿m3时，说明刘家峡水库遇2000年一遇以上洪水，此时刘家峡水库敞泄；龙羊峡水库的洪水级别大小根据入库流量是否超过相应频率下的设计洪峰流量判别，即当龙羊峡水库入库日均流量Q≤4200m3/s，说明龙羊峡水库遇20年一遇以下洪水，龙羊峡水库限泄2000m3/s，当4200m3/s<Q≤7040m3/s，说明龙羊峡水库遇20年一遇以上且1000年一遇以下洪水，龙羊峡水库限泄4000m3/s，当Q>7040m3/s，说明龙羊峡水库遇1000年一遇以上洪水，龙羊峡水库限泄6000m3/s；其次，在不考虑洪水预报和预泄的情况下，龙羊峡、刘家峡梯级的防洪调度规则如下：
1)龙羊峡、刘家峡两库的蓄洪比例(4.0～4.5)/1.0；
2)刘家峡入库洪水小于100年一遇时，水库尽量不蓄水；
3)在涨水段水库下泄量不超过天然日平均入库流量，目的是不人为造洪；
4)龙羊峡、刘家峡两库下泄流量不得大于相应频率洪水的最大允许下泄流量；
5)水库下泄流量日变幅不宜太大，龙羊峡、刘家峡两库下泄量日变幅不超过1000m3/s；
最后，基于上述泄量控制图和调度规则建立联合防洪调度模型，计算得到调度结果，即蓄洪量和出库流量；
步骤2.2：建立预警等级计算模型
根据入库流量以及步骤2.1中得到的联合防洪调度模型的调度结果进行预警指标与预警指数计算，确定预警等级；
步骤2.3：建立反馈调度模型
利用未来3天的径流预报信息，结合水库泄量控制图，提前判断刘家峡入库洪水级别和最大允许泄量达到预泄的目的；结合联合防洪调度模型的调度结果和预警对策确定反馈后的刘家峡水库出库流量；根据联合防洪调度模型的龙羊峡调度结果和蓄洪比例确定反馈后的龙羊峡水库出库流量；
步骤2.4：建立预警对策优化模型
以各预警等级对应的加大流量值作为决策变量，建立预警对策优化模型，优化模型的目标函数为：
f＝min(kLmax+Tmax)
式中：Lmax为最高预警等级；Tmax为处于最高预警等级的时段数；k为权重系数，取值范围是大于计算时段数的整数；
约束条件：
决策变量约束：Qd2≤Qd3≤Qd4≤Qd5
水量平衡约束：V(m,t+1)＝V(m,t)+(QI(m,t)-QO(m,t))×Δt
水库水位约束：Zmin(m,t)≤Z(m,t)≤Zmax(m,t)
下泄流量约束：QOmin(m,t)≤QO(m,t)≤QOmax(m,t)
式中：Qd2、Qd3、Qd4、Qd5分别表示预警等级为2、3、4、5级时刘家峡水库的出库流量增加值，m3/s；V(m,t)和V(m,t+1)分别表示水库m在t时段和 t+1的库容，亿m3；Z(m,t)、Zmin(m,t)和Zmax(m,t)分别表示水库m在t时段的水位、该时段的水位约束上、下限，m；QI(m,t)和QO(m,t)分别表示水库m在t时段的入库和出库流量，m3/s；QOmin(m,t)和QOmax(m,t)则表示水库m在t时段出库流量约束上、下限，m3/s。
步骤2.1中计算蓄洪量和出库流量的具体过程为，根据龙羊峡和刘家峡水库时段初的蓄洪量和当前时段入库信息，基于泄量控制图进行刘家峡水库的洪水判别，并确定刘家峡的出库流量和时段末蓄洪量；根据龙羊峡当前时段入库信息判定洪水量级，基于龙羊峡、刘家峡蓄洪量计算蓄洪比例，并确定龙羊峡的出库流量和时段末蓄洪量；其中，计算时段为1天，龙羊峡到刘家峡的洪水传播时间约为1天，因此，龙羊峡、刘家峡两库t时刻总蓄洪量为龙羊峡水库t-1时刻蓄洪量与刘家峡水库t时刻蓄洪量之和。
步骤3具体包括，
步骤3.1：预警对策优化模型通过布谷鸟搜索算法初始生成预警对策，并依次传递给联合防洪调度模型、预警等级计算模型和反馈调度模型；
步骤3.2：联合防洪调度模型、预警等级计算模型和反馈调度模型计算获得该时段的预警信息，确定预警等级，遍历所有时段后，计算当前预警对策的适应度；重复计算，获得全部初始预警对策的适应度，并传递到预警对策优化模型。
步骤3.3：预警对策优化模型选取一个预警对策进行莱维飞行，获得一个新的预警对策，重复步骤3.2计算新预警对策的适应度；
步骤3.4：预警对策优化模型随机选取一个初始预警对策，并比较该对策和步骤3.3获得的新的预警对策的适应度，保留最优预警对策；
步骤3.5：以一定概率淘汰小部分适应度较差的预警对策，并随机生成新的预警对策，以保持种群中预警对策的个数不变；
步骤3.6：对所有预警对策进行排序，找到当前最优对策，直接保留到下一代；
步骤3.7：重复步骤3.3～3.6直至达到终止条件，并输出调度结果和预警对策的加大流量值。
步骤3.2中预警等级的确定具体包括，
步骤3.2.1：向联合防洪调度模型中输入初始水位和入库流量，通过联合防洪调度模型计算获得出库流量和蓄洪量；
步骤3.2.2：将步骤3.2.1中得到的出库流量和蓄洪量输入预警等级计算模型，计算得到预警等级；
步骤3.2.3：将步骤3.2.1中得到的出库流量和蓄洪量、步骤3.2.2中得到的预警等级以及预警对策输入反馈调度模型，获得调整后的出库流量和蓄洪量；
步骤3.2.4：将步骤3.2.3中得到的调整后的出库流量和蓄洪量输入到预警等级计算模型再次计算预警等级。
本发明的有益效果是：本发明一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法，结合梯级水库联合防洪调度模型，评估水库自身和下游防护对象的防洪风险程度，确定综合风险程度和防洪预警等级，并利用未来时段预报信息制定合理有效的预警对策，建立了适用于黄河上游梯级水库群的防洪预警体系。解决了现有技术中复杂水系统防洪调度与防洪预警相互分离，风险分析难以应用于防洪调度的问题，为梯级水库的防洪调度和预警提供一种新思路。
附图说明
图1是本发明一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法中预警体系的示意图；
图2是本发明一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法中入库流量隶属函数图；
图3是本发明一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法中蓄洪量隶属函数图；
图4是本发明一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法的流程图；
图5是本发明一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法中刘家峡水库泄量控制图；
图6是本发明一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法中联合调度模型的流程图；
图7是龙羊峡水库调度结果对比图；
图8是刘家峡水库调度结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法，包括以下步骤，
步骤1：建立黄河上游梯级水库防洪预警体系
如图1所示，本发明应用模糊集理论建立黄河上游梯级水库防洪预警体系，该体系由四部分组成，即评估因子、预警指标与预警指数、预警信息、预警对策。以下分别对各部分进行详细说明。
评估因子选取
水库防洪调度的首要任务是保证水库自身防洪安全，水库防洪预警的评估因子应选取与水库自身防洪密切相关的影响因子；其次还要考虑下游防护对象的防洪安全。因此将评估因子分为两类，即水库防洪状况指标和下游防洪情势指标。前者选取刘家峡水库天然入库流量和龙刘总蓄洪量两个因子，后者选取刘家峡水库出库流量作为评估因子。
预警指标与预警指数计算
首先，根据设计洪峰流量和占用调洪库容的比例划分危险等级，利用模糊集理论中的三角形与梯形隶属函数分别建立了入库流量和总蓄洪量隶属函数(如图2和图3所示)来定量计算评估因子对防洪等级的隶属度，并采用模糊综合评判计算水库防洪状况指标，也即危险等级。具体如下：
如图2所示，根据刘家峡水库各重现期设计洪峰流量，将刘家峡天然入库流量在6860m3/s以下定义为1级，以右半梯形隶属函数表示；5430m3/s 至8270m3/s为2级，以三角形隶属函数表示；6860m3/s至9450m3/s为3级，以三角形隶属函数表示；8270m3/s至10800m3/s为4级，以三角形隶属函数表示；超过9450m3/s为5级，以左半梯形隶属函数表示。
如图3所示，根据龙、刘总蓄洪量占用龙、刘总调洪库容的比例，将蓄洪量在25.69亿m3以下定义为1级，以右半梯形隶属函数表示；12.84亿m3至38.52亿m3为2级，以三角形隶属函数表示；25.69亿m3至51.36亿m3为3级，以三角形隶属函数表示；38.52亿m3至85.6亿m3为4级，以三角形隶属函数表示；超过51.36亿m3为5级，以左半三角形隶属函数表示。
在定量计算出评估因子的隶属度后，建立模糊评估矩阵：
式中：uij表示第i个评估因子对第j个等级的相对隶属度。
则水库防洪状况指标的综合评判集：
R＝WοU＝(r1，r2，r3，r4，R5)
式中：“ο”为模糊合成算子；ri为综合隶属度；W为权重集，以梯级水库总蓄洪量占梯级水库总调洪库容的百分比来确定权重系数w2，则w1＝1-w2，并且权重随水库泄洪变化而改变。最终以累加隶属度大于0.5时对应的等级作为水库防洪状况指标的评估程度。
其次，结合下游防护对象对应的防洪标准，根据刘家峡水库不同频率下的最大允许泄量划分危险等级(见表1)，计算下游防护对象的防洪情势指标。最后，将水库防洪状况指标与下游防洪情势指标耦合为预警指数来综合反映水库与下游防洪危险程度，预警指数的表达式如下：
式中：FAI表示预警指数，且0≤FAI≤2。X表示水库防洪状况指标，Y表示下游防洪情势，n1表示水库防洪状况的等级，n2表示下游防洪情势的等级。
表1刘家峡水库下游防洪情势分级
预警信息发布
预警信息发布可采用不同颜色信息灯代表不同的预警等级，达到示警的目的。将预警等级划分为5个等级(见表2)，分别表示“无”、“轻度”、“中度”、“高度”、“严重”5个危险程度，并与预警指数区间相对应，利用绿、蓝、黄、橙、红色指示灯进行警示。
表2预警指数划分
预警对策确定
防洪预警的目的是根据预警信息采取适当应对措施，降低洪水灾害损失。根据未来入库信息，提前判断洪水量级，以加大刘家峡出库流量并适当调整龙羊峡水库蓄洪量作为预警对策。不同预警信号对应不同的流量增加量，其中绿色表示安全，按常规泄洪，其余4个信号都需加大流量，危险等级越高，流量增加量越大，通过预泄来降低风险。该对策既能反映预警指标和预警指数的变化，又和联合防洪调度的决策变量一致，兼具有效性和可操作性。具体的加大流量值还需结合调度模型进行求解。
步骤2：构建考虑预警的梯级水库防洪调度模型
如图4所示，结合上述预警体系，建立了考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度模型。该模型包含四个子模型：梯级水库联合防洪调度模型(模型 1)，预警等级计算模型(模型2)，反馈调度模型(模型3)，预警对策优化模型(模型4)。其中模型1是模拟水库防洪运用过程，模型2是根据调度结果计算防洪预警指标和预警指数进而确定预警等级，模型3是预警对策的实施，即根据预警对策进行反馈调度获得新的水库运用过程，模型2和模型3 联合构成了上述预警体系，模型4是对预警对策进行优化。以下分别对各模型进行详细说明。
建立联合调度模型
在实际运行过程中，水库防洪调度一般采用便于操作和实施的模拟调度模型，根据洪水大小和泄量判别条件，基于一定的调度规则确定水库的出库过程。
首先，综合考虑梯级水库流量补偿与洪量补偿的特点，刘家峡水库的洪水量级大小采用设计资料的泄量控制图(见图5)判别，也即当洪峰流量和相应时段内龙、刘两库总蓄洪量都大于某一频率的相应设计值时，才认为刘家峡水库入库洪水大于该频率洪水；龙羊峡水库的洪水级别大小根据入库流量是否超过相应频率下的设计洪峰流量判别。具体地，当刘家峡水库入库日均流量Q>6510m3/s，龙、刘两库总蓄洪量W≥29.6亿m3时，说明刘家峡水库遇100年一遇以上洪水，此时刘家峡水库限泄4510m3/s；当刘家峡水库入库日均流量Q>8420m3/s，龙、刘两库总蓄洪量W≥44.5亿m3时，说明刘家峡水库遇1000年一遇以上洪水，此时刘家峡水库限泄7260m3/s；当刘家峡水库入库日均流量Q>8970m3/s，且龙、刘两库总蓄洪量W≥49.9亿m3时，说明刘家峡水库遇2000年一遇以上洪水，此时刘家峡水库敞泄。龙羊峡水库的洪水级别大小根据入库流量是否超过相应频率下的设计洪峰流量判别，即当龙羊峡水库入库日均流量Q≤4200m3/s，说明龙羊峡水库遇20年一遇以下洪水，龙羊峡水库限泄2000m3/s，当4200m3/s<Q≤7040m3/s，说明龙羊峡水库遇20年一遇以上且1000年一遇以下洪水，龙羊峡水库限泄4000m3/s，当Q>7040m3/s，说明龙羊峡水库遇1000年一遇以上洪水，龙羊峡水库限泄 6000m3/s。
其次，在不考虑洪水预报和预泄的情况下，龙、刘梯级的防洪调度规则如下：
1)龙、刘两库的蓄洪比例(4.0～4.5)/1.0；
2)刘家峡入库洪水小于100年一遇时，水库尽量不蓄水；
3)在涨水段水库下泄量不超过天然日平均入库流量，目的是不人为造洪；
4)龙、刘两库下泄流量不得大于相应频率洪水的最大允许下泄流量；
5)水库下泄流量日变幅不宜太大，龙、刘两库下泄量日变幅不超过1000 m3/s。
最后，基于泄量控制图和以上调度规则建立联合防洪调度模型，计算流程如图6所示。一是根据龙羊峡和刘家峡水库时段初的蓄洪量和当前时段入库信息，基于泄量控制图进行刘家峡水库的洪水判别，并确定刘家峡的出库流量和时段末蓄洪量；而是根据龙羊峡当前时段入库信息判定洪水量级，基于龙、刘蓄洪量计算蓄洪比例，并确定龙羊峡的出库流量和时段末蓄洪量。其中，计算时段为1d，龙羊峡到刘家峡的洪水传播时间约为1d，因此，龙、刘两库t时刻总蓄洪量为龙羊峡水库t-1时刻蓄洪量与刘家峡水库t时刻蓄洪量之和。
预警等级计算模型
基于上述预警体系，根据入库流量和模型1的调度结果(蓄洪量和出库流量)进行预警指标与预警指数计算(详见步骤1)，确定预警等级。
建立反馈调度模型
在防洪预警体系中，要根据预警等级对应的预警对策进行反馈调度，通过实施预警对策，重新确定水库的运用过程，发挥预警体系的作用。具体流程如下：利用未来3d的径流预报信息，结合水库泄量控制图，提前判断刘家峡入库洪水级别和最大允许泄量达到预泄的目的；结合模型1的调度结果和预警对策确定反馈后的刘家峡水库出库流量；根据模型1的龙羊峡调度结果和蓄洪比例确定反馈后的龙羊峡水库出库流量。并且，实施对策后若水库出库流量仍然要满足调度规则和约束条件，例如出库流量超出水库最大允许泄量，仍按最大允许泄量控制。
建立预警对策优化模型
在防洪预警体系中，不同预警等级对应不同的防洪预警对策，目的是降低水利工程自身和下游防护对象的防洪风险；选择能够反映风险程度最低的优化模型，可以快速获得理想方案，从而为防洪决策提供依据。以各等级对应的加大流量值作为决策变量，并采用智能优化算法(Cuckoo Search，CS) 进行求解，最终获得更为客观和可靠的预警对策。
优化模型的目标函数：f＝min(kLmax+Tmax)
式中：Lmax为最高预警等级；Tmax为处于最高预警等级的时段数；k为权重系数，取值范围是大于计算时段数的整数。
约束条件：主要包括决策变量约束、水量平衡约束、水位约束、流量约束等，并且除了决策变量约束以外，其他约束条件已在模拟调度中得到满足，减轻了优化负担。
决策变量约束：Qd2≤Qd3≤Qd4≤Qd5
水量平衡约束：V(m,t+1)＝V(m,t)+(QI(m,t)-QO(m,t))×Δt
水库水位约束：Zmin(m,t)≤Z(m,t)≤Zmax(m,t)
下泄流量约束：QOmin(m,t)≤QO(m,t)≤QOmax(m,t)
式中：Qd2、Qd3、Qd4、Qd5分别表示预警等级为2、3、4、5级时刘家峡水库的出库流量增加值，m3/s；V(m,t)和V(m,t+1)分别表示水库m在t时段和t+1 的库容，亿m3；Z(m,t)、Zmin(m,t)和Zmax(m,t)分别表示水库m在t时段的水位、该时段的水位约束上、下限，m；QI(m,t)和QO(m,t)分别表示水库m在t时段的入库和出库流量，m3/s；QOmin(m,t)和QOmax(m,t)则表示水库m在t时段出库流量约束上、下限，m3/s。
基于以上模型，建立了考虑预警的梯级水库防洪调度模型。如图4所示，左侧虚线框内为模型4的求解流程，也是上层模型；右侧虚线框内为下层模型，它包含了模型1、模型2与模型3。具体流程如下：
1)上层模型通过智能优化算法初始生成预警对策，并传递给下层模型。
2)下层模型通过模型1～3计算，获得该时段的预警信息，确定预警等级，遍历所有时段后，计算当前对策的适应度。重复计算，获得全部初始预警对策的适应度，并将之传递到上层模型。具体地，把初始水位和入库流量输入到模型1中，获得出库流量和蓄洪量；然后输入到模型2中，计算预警等级；将模型1和2的结果以及预警对策输入到模型3中，获得调整后的出库流量和蓄洪量；并输入到模型2中再次计算预警等级；遍历所有时段后可计算出当前预警对策的适应度，也即目标函数值；最后将该适应度传递到上层模型。
3)上层模型选取一个预警对策进行莱维飞行，获得一个新的预警对策，重复步骤2)计算新预警对策的适应度。
4)上层模型随机选取一个初始预警对策，并比较该对策和步骤3)获得的新的预警对策的适应度，保留最优预警对策。
5)以一定概率淘汰小部分适应度较差的预警对策，并随机生成新的预警对策，以保持种群中预警对策的个数不变。
6)对所有预警对策进行排序，找到当前最优对策，直接保留到下一代。
7)重复步骤3)～6)直至达到终止条件，并输出调度结果和预警对策的加大流量值。
结果分析
为了验证考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度模型的合理性，选取以 1967年洪水为典型的不同频率设计洪水进行计算，洪水历时为45d，计算时段为1d。获得考虑预警的防洪调度结果(见表3)，并选取最优方案进行分析。同时，作为对比方案，将模型1结果直接进行预警等级计算而不进行反馈决策，从而获得不考虑预警的防洪调度结果(见表4)。此外，由于模型输出的预警对策为50组，仅选取一组为代表进行分析，其中100年一遇洪水的加大流量值为278m3/s、1238m3/s、1633m3/s、2308m3/s；1000年一遇洪水的加大流量值为508m3/s、1382m3/s、1905m3/s、2693m3/s；10000年一遇洪水的加大流量值为988m3/s、1043m3/s、2007m3/s、3600m3/s。
表3考虑预警的防洪调度结果
表4不考虑预警的防洪调度结果
由表3和表4可知：
(1)随着洪水重现期的增大，最高预警等级由2级增至5级，表明洪水越大，预警等级越高，验证了预警指标与指数计算的合理性。
(2)在不增加最大出库流量和最高水位，即不增加下游防洪风险和水库最大蓄洪风险的前提下，100年一遇洪水的最高预警等级及其时段数均无变化，而1000年一遇洪水和10000年一遇洪水最高预警等级时段数分别降低了1d和7d，说明洪水越大，预警作用越明显。究其原因，100年一遇洪水发生时，梯级水库蓄洪量较小，受联合调度模型的调度规则约束，刘家峡水库出库流量应严格控制在4290m3/s以内，因此，防洪运用过程中水库蓄洪风险和下游风险均较小，系统风险主要受来水大小的影响，因而无法通过预警降低系统风险；而大洪水发生时上游来水量与梯级蓄洪量均很大，水库下泄量增加空间也大，可以充分发挥预警体系的作用，降低系统防洪运用风险。
(3)对于100年一遇洪水，龙羊峡和刘家峡水位不变。对于1000年一遇洪水，龙羊峡水位不变，而由于预泄的原因，考虑预警的刘家峡水库最高水位和末水位都低于不考虑预警的对应水位，说明考虑预警的防洪调度模型更为安全可靠。对于10000年一遇洪水，相比不考虑预警的情况，考虑预警的刘家峡水库最高水位和末水位都低于不考虑预警的对应水位；其中，龙羊峡水库最高水位有所降低，而末水位2595.73m高于不考虑预警的末水位2593.85m，说明在考虑预警的防洪调度后期，相对刘家峡水库，龙羊峡水库承担了更大的蓄洪任务。
以10000年一遇洪水为例，对比分析考虑预警和不考虑预警的调洪过程差异，龙、刘调度结果见图7和图8。
由图7、图8可知，对于龙羊峡水库，考虑预警的调度方式在洪峰流量到来前开始加大出库，整个调洪过程中龙羊峡最大出库流量为5500m3/s，并于洪峰过后减至5000m3/s；而不考虑预警的最大出库流量为6000m3/s，并于洪峰过后减至5500m3/s。对于刘家峡水库，在涨水段，考虑预警的调度通过预泄减少刘家峡水库蓄洪量，使得调洪过程中水库最高水位变小；在退水段，水库出库一直保持在7260m3/s以内，明显小于不考虑预警的最大出库流量7539m3/s，且库水位在第35个时段已恢复到汛限水位。究其原因，是因为洪峰过后，刘家峡水库减小出库流量以降低下游风险，将下游防洪风险转移到上游水库，虽然该过程增加了梯级水库某些时段的蓄洪风险，但不会增加最大蓄洪风险，且可保证整个调洪运用过程中系统的总风险最小。

Claims (6)

1.一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1：建立黄河上游梯级水库防洪预警体系；
步骤2：构建基于步骤1的预警体系的梯级水库防洪调度模型；
步骤3：通过步骤2中构建的防洪调度模型进行优化计算，输出调度结果和最优预警对策。
2.如权利要求1所述的一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法，其特征在于，所述步骤1具体包括，
步骤1.1：选取评估因子
将评估因子分为两类，即水库防洪状况指标和下游防洪情势指标，水库防洪状况指标选取刘家峡水库天然入库流量和龙刘总蓄洪量两个评估因子，下游防洪情势指标选取刘家峡水库出库流量作为评估因子；
步骤1.2：计算预警指标与预警指数
首先，根据刘家峡水库各重现期设计洪峰流量，将刘家峡天然入库流量在6860m3/s以下定义为1级，5430m3/s至8270m3/s为2级，6860m3/s至9450m3/s为3级，8270m3/s至10800m3/s为4级，超过9450m3/s为5级；并依次用右半梯形、三角形、三角形、三角形、左半梯形模糊数表示，建立入库流量隶属函数；
根据龙羊峡、刘家峡总蓄洪量占用龙羊峡、刘家峡总调洪库容的比例，将蓄洪量在25.69亿m3以下定义为1级，12.84亿m3至38.52亿m3为2级，25.69亿m3至51.36亿m3为3级，38.52亿m3至85.6亿m3为4级，超过51.36亿m3为5级；并依次用右半梯形、三角形、三角形、三角形、左半三角形模糊数表示，建立蓄洪量隶属函数；
根据入库流量隶属函数和蓄洪量隶属函数定量计算出评估因子的隶属度后，建立模糊评估矩阵：
<mrow> <mi>U</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = "}"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mn>11</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>u</mi> <mn>12</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>u</mi> <mn>13</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>u</mi> <mn>14</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>u</mi> <mn>15</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mn>21</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>u</mi> <mn>22</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>u</mi> <mn>23</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>u</mi> <mn>24</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>u</mi> <mn>25</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
式中：uij表示第i个评估因子对第j个等级的相对隶属度；
则水库防洪状况指标的综合评判集：
式中：为模糊合成算子；ri为综合隶属度；W为权重集，以梯级水库总蓄洪量占梯级水库总调洪库容的百分比来确定权重系数w2，则w1＝1-w2，并且权重随水库泄洪变化而改变；最终以累加隶属度大于0.5时对应的等级作为水库防洪状况指标的评估程度；
其次，结合下游防护对象对应的防洪标准，根据刘家峡水库不同频率下的最大允许泄量划分危险等级见表1，计算下游防护对象的防洪情势指标；
表1：
最后，将水库防洪状况指标与下游防洪情势指标耦合为预警指数来综合反映水库与下游防洪危险程度，预警指数的表达式如下：
<mrow> <mi>F</mi> <mi>A</mi> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>X</mi> <mo>,</mo> <mi>Y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>log</mi> <msub> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>X</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>log</mi> <msub> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>Y</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中：FAI表示预警指数，且0≤FAI≤2。X表示水库防洪状况指标，Y表示下游防洪情势，n1表示水库防洪状况的等级，n2表示下游防洪情势的等级；
步骤1.3：发布预警信息
将预警等级划分为5个等级，见表2，分别表示“无”、“轻度”、“中度”、“高度”、“严重”5个危险程度，并与预警指数区间相对应，依次用绿、蓝、黄、橙、红色指示灯进行警示；
表2：
步骤1.4：确定预警对策
不同预警信号对应不同的流量增加量，其中绿色表示安全，按常规泄洪，其余4个信号都需加大流量，危险等级越高，流量增加量越大，通过预泄来降低风险。
3.如权利要求2所述的一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法，其特征在于，所述步骤2包括依次建立包含下列四个子模型的梯级水库防洪调度模型，
步骤2.1：建立联合防洪调度模型
首先，综合考虑梯级水库流量补偿与洪量补偿的特点，刘家峡水库的洪水量级大小采用设计资料的泄量控制图判别，即当刘家峡水库入库日均流量Q>6510m3/s，龙羊峡、刘家峡两库总蓄洪量W≥29.6亿m3时，说明刘家峡水库遇100年一遇以上洪水，此时刘家峡水库限泄4510m3/s；当刘家峡水库入库日均流量Q>8420m3/s，龙羊峡、刘家峡两库总蓄洪量W≥44.5亿m3时，说明刘家峡水库遇1000年一遇以上洪水，此时刘家峡水库限泄7260m3/s；当刘家峡水库入库日均流量Q>8970m3/s，且龙羊峡、刘家峡两库总蓄洪量W≥49.9亿m3时，说明刘家峡水库遇2000年一遇以上洪水，此时刘家峡水库敞泄；龙羊峡水库的洪水级别大小根据入库流量是否超过相应频率下的设计洪峰流量判别，即当龙羊峡水库入库日均流量Q≤4200m3/s，说明龙羊峡水库遇20年一遇以下洪水，龙羊峡水库限泄2000m3/s，当4200m3/s<Q≤7040m3/s，说明龙羊峡水库遇20年一遇以上且1000年一遇以下洪水，龙羊峡水库限泄4000m3/s，当Q>7040m3/s，说明龙羊峡水库遇1000年一遇以上洪水，龙羊峡水库限泄6000m3/s；
其次，在不考虑洪水预报和预泄的情况下，龙羊峡、刘家峡梯级的防洪调度规则如下：
1)龙羊峡、刘家峡两库的蓄洪比例(4.0～4.5)/1.0；
2)刘家峡入库洪水小于100年一遇时，水库尽量不蓄水；
3)在涨水段水库下泄量不超过天然日平均入库流量，目的是不人为造洪；
4)龙羊峡、刘家峡两库下泄流量不得大于相应频率洪水的最大允许下泄流量；
5)水库下泄流量日变幅不宜太大，龙羊峡、刘家峡两库下泄量日变幅不超过1000m3/s；
最后，基于上述泄量控制图和调度规则建立联合防洪调度模型，计算得到调度结果，即蓄洪量和出库流量；
步骤2.2：建立预警等级计算模型
根据入库流量以及步骤2.1中得到的联合防洪调度模型的调度结果进行预警指标与预警指数计算，确定预警等级；
步骤2.3：建立反馈调度模型
利用未来3天的径流预报信息，结合水库泄量控制图，提前判断刘家峡入库洪水级别和最大允许泄量达到预泄的目的；结合联合防洪调度模型的调度结果和预警对策确定反馈后的刘家峡水库出库流量；根据联合防洪调度模型的龙羊峡调度结果和蓄洪比例确定反馈后的龙羊峡水库出库流量；
步骤2.4：建立预警对策优化模型
以各预警等级对应的加大流量值作为决策变量，建立预警对策优化模型，优化模型的目标函数为：
f＝min(kLmax+Tmax)
式中：Lmax为最高预警等级；Tmax为处于最高预警等级的时段数；k为权重系数，取值范围是大于计算时段数的整数；
约束条件：
决策变量约束：Qd2≤Qd3≤Qd4≤Qd5
水量平衡约束：V(m,t+1)＝V(m,t)+(QI(m,t)-QO(m,t))×Δt
水库水位约束：Zmin(m,t)≤Z(m,t)≤Zmax(m,t)
下泄流量约束：QOmin(m,t)≤QO(m,t)≤QOmax(m,t)
式中：Qd2、Qd3、Qd4、Qd5分别表示预警等级为2、3、4、5级时刘家峡水库的出库流量增加值，m3/s；V(m,t)和V(m,t+1)分别表示水库m在t时段和t+1的库容，亿m3；Z(m,t)、Zmin(m,t)和Zmax(m,t)分别表示水库m在t时段的水位、该时段的水位约束上、下限，m；QI(m,t)和QO(m,t)分别表示水库m在t时段的入库和出库流量，m3/s；QOmin(m,t)和QOmax(m,t)则表示水库m在t时段出库流量约束上、下限，m3/s。
4.如权利要求3所述的一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法，其特征在于，所述步骤2.1中计算蓄洪量和出库流量的具体过程为，根据龙羊峡和刘家峡水库时段初的蓄洪量和当前时段入库信息，基于泄量控制图进行刘家峡水库的洪水判别，并确定刘家峡的出库流量和时段末蓄洪量；根据龙羊峡当前时段入库信息判定洪水量级，基于龙羊峡、刘家峡蓄洪量计算蓄洪比例，并确定龙羊峡的出库流量和时段末蓄洪量；其中，计算时段为1天，龙羊峡到刘家峡的洪水传播时间约为1天，因此，龙羊峡、刘家峡两库t时刻总蓄洪量为龙羊峡水库t-1时刻蓄洪量与刘家峡水库t时刻蓄洪量之和。
5.如权利要求4所述的一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法，其特征在于，所述步骤3具体包括，
步骤3.1：预警对策优化模型通过布谷鸟搜索算法初始生成预警对策，并依次传递给联合防洪调度模型、预警等级计算模型和反馈调度模型；
步骤3.2：联合防洪调度模型、预警等级计算模型和反馈调度模型计算获得该时段的预警信息，确定预警等级，遍历所有时段后，计算当前预警对策的适应度；重复计算，获得全部初始预警对策的适应度，并传递到预警对策优化模型。
步骤3.3：预警对策优化模型选取一个预警对策进行莱维飞行，获得一个新的预警对策，重复步骤3.2计算新预警对策的适应度；
步骤3.4：预警对策优化模型随机选取一个初始预警对策，并比较该对策和步骤3.3获得的新的预警对策的适应度，保留最优预警对策；
步骤3.5：以一定概率淘汰小部分适应度较差的预警对策，并随机生成新的预警对策，以保持种群中预警对策的个数不变；
步骤3.6：对所有预警对策进行排序，找到当前最优对策，直接保留到下一代；
步骤3.7：重复步骤3.3～3.6直至达到终止条件，并输出调度结果和预警对策的加大流量值。
6.如权利要求5所述的一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法，其特征在于，所述步骤3.2中预警等级的确定具体包括，
步骤3.2.1：向联合防洪调度模型中输入初始水位和入库流量，通过联合防洪调度模型计算获得出库流量和蓄洪量；
步骤3.2.2：将步骤3.2.1中得到的出库流量和蓄洪量输入预警等级计算模型，计算得到预警等级；
步骤3.2.3：将步骤3.2.1中得到的出库流量和蓄洪量、步骤3.2.2中得到的预警等级以及预警对策输入反馈调度模型，获得调整后的出库流量和蓄洪量；
步骤3.2.4：将步骤3.2.3中得到的调整后的出库流量和蓄洪量输入到预警等级计算模型再次计算预警等级。
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