CN110232479B - 一种城市水库防洪补偿优化调度方法 - Google Patents

一种城市水库防洪补偿优化调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种城市水库防洪补偿优化调度方法，包括以下步骤：步骤S1:根据区域地形地势与管网拓扑结构，划分水库坝址至断面
Figure DEST_PATH_IMAGE002
之间对应的区间洪水的集水范围
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；步骤S2:计算区间来水的净雨过程；步骤S3:基于区间来水集水区域的历史降雨过程模拟计算控制断面
Figure 786892DEST_PATH_IMAGE002
的流量时间序列；步骤S4:计算区间来水的流量单位线;步骤S5:在实时调度中，根据预报降雨过程与流量单位线计算区间来水的流量过程；步骤S6：构建水库防洪调度目标函数;步骤S7:计算水库
Figure DEST_PATH_IMAGE006
时刻的下泄流量初始值；步骤S8：根据水库防洪调度目标函数和下泄流量初始值，基于控制约束条件计算水库的控制下泄流量。本发明方法能够精确有效的进行水库防洪补偿调度的调洪演算。

Description

一种城市水库防洪补偿优化调度方法
技术领域
本发明涉及城市内涝防治领域，具体涉及一种城市水库防洪补偿优化调度方法。
背景技术
近年来，城市内涝是影响城市正常生产生活最严重的灾害之一。为有效防治城市内涝灾害，绝大多数城市逐步建立了一套行之有效的城市洪涝防治工程体系，包括快排设施与调蓄设施，其中，调蓄设施主要为城市水库、人工湖体、调蓄池、公园绿地等。水库是城市防洪设施的重要组成部分，是城市水安全的重要保障。目前，流域大型水库的防洪优化调度方法研究已发展较为成熟，而城市小型水库的防洪优化调度方法研究发展较为滞后，实际调度过程中多依赖于调度决策者的实际经验。
补偿调度是城市防洪水库最为科学的调度方式，科学的水库补偿调度调洪演算需基于精准的水文预报过程而进行，涉及水库入库洪水过程与城市区间洪水过程两种水文过程的预报，入库洪水过程计算可参考流域水文相关计算原理得到，而城市区间洪水的计算涉及城市管网产汇流等原理，与流域水文截然不同，目前多基于城市水力模型计算获取，计算速度较慢。由于城市水库到控制断面的城区集水面积较小，下垫面不透水率高，产汇流速度较快，水库调度响应时间极为有限，城市水力模型计算显然难以满足城市防洪排涝实时调度对响应时间的需求。此外，城市水库防洪调度的原则与流域型水库防洪调度的原则亦存在一定差异，需考虑的因素更为复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种城市水库防洪补偿优化调度方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种城市水库防洪补偿优化调度方法，包括以下步骤：
步骤S1:设防洪控制断面为M，根据区域地形地势与管网拓扑结构，划分水库坝址到断面M之间对应的区间洪水集水范围N；
步骤S2:统计水库坝址至断面M之间对应的区间集水区域N中不同土地利用类型的面积，计算区间来水的净雨过程；
步骤S3:耦合城市二维地形、雨水管网、内河，构建城市水力模型，进行参数率定，使模型产汇流计算误差控制在允许范围内，计算区间来水演算至控制断面的流量时间序列{Q1,Q2,…,QT}，其中，T为时间序列长度；
步骤S4:通过模拟多场历史降雨过程下的洪水演进过程，构建单位线率定目标函数，并采用极值法或智能搜索算法，计算水库坝址至断面的区间来水演算至断面的流量单位线；
步骤S5:在实时调度中，根据气象预报的降雨过程，计算区间来水的净雨过程，利用上述区间来水的流量单位线，计算区间来水演算至断面M的流量过程；
步骤S6:根据水库入库洪水与区间来水演算至断面M的流量过程，以最大削峰准则，构建水库防洪调度目标函数；；
步骤S7:根据水量平衡原理，计算水库t时刻的下泄流量Q泄(t)初始值；
步骤S8：根据水库防洪调度目标函数和初始值，基于控制约束条件控制水库下泄流量。
进一步的，所述步骤S2根据式(1)计算净雨过程：
Figure GDA0003208446630000031
式中，p(t)为t时段内净雨量，P(t)为气象预报得到的t时段内降雨量，Ψi为区域N中第i种土地利用类型的径流系数，Fi为区域N中第i种土地利用类型的面积，n为土地利用类型总数。
进一步的，所述步骤S3具体为：
构建式(2)为流量单位线目标函数，采用极值法或智能搜索算法，计算区间来水演算至断面M的流量单位线：
Figure GDA0003208446630000032
Figure GDA0003208446630000033
式中，Q(t)为水力模型基于区间集水区域上降雨过程模拟得到的计算结果中控制断面M在t时刻的流量值，Q'(t)为使用区间洪水流量单位线计算得到控制断面M在t时刻的流量值，Q″j(t)为区域N第j条上游支流汇入的流量演算至M断面的流量值，T为所计算的流量过程总时长，m为汇入区域N的支流总数，q(i)为流量单位线中第i个时段的数值，α(t)为权重系数。
进一步的，所述断面M区间来水的流量过程，首先基于降雨预报结果，按照式(1)进行计算该场降雨的净雨过程。然后，基于以上净雨过程与区间来水单位线，按照式(3)计算。
进一步的，所述水库防洪补偿调度目标函数，如式(4)所示：
Figure GDA0003208446630000041
Figure GDA0003208446630000042
式中，Q泄(t)为水库t时刻的下泄流量，Q区间(t-τ)为t-τ时刻通过区间来水流量单位线计算得到的区间流量，p(j)为j时段内净雨量，T0为调度期开始时间，Tm为调度期结束时间。
进一步的，所述步骤S6计算Q泄(t)初始值具体为：
Figure GDA0003208446630000043
式中，Q入库(t)为水库t时刻的入库流量，
Figure GDA0003208446630000044
为调度计算时段T0到Tm内水库可使用的防洪库容。
进一步的，所述步骤8中控制约束条件包括水位涨落段调度约束、水库泄流能力约束、水库出库変幅约束和最高水位约束。
进一步的，所述水位涨落段调度约束具体为：
若(Q入库(t)+Q区间(t-τ)-Q入库(t-1)-Q区间(t-τ-1))(Q泄(t)-Q泄(t-1))≤0，则Q泄(t)计算结果符合约束条件，否则，令
Figure GDA0003208446630000051
其中，ΔQ为决策控制变量且0≤ΔQ≤ΔQ泄m，ΔQ泄m为水库在t时刻的泄流変幅控制上限。
进一步的，所述水库泄流能力约束具体为：Q泄(t)≤Qm(t)，则Q泄(t)计算结果符合约束条件；否则，令Q泄(t)＝Qm(t)，Qm(t)为水库在t时刻的泄流能力。
进一步的，所述水库出库変幅约束具体为：
若|Q泄(t)-Q泄(t-1)|≤ΔQ泄m，则Q泄(t)计算结果符合约束条件；否则，令
Figure GDA0003208446630000052
ΔQ泄m为水库在t时刻的泄流変幅控制上限。
进一步的，所述最高水位约束具体为：
根据水库库容曲线计算调度期内各时刻水库水位Z(t)，设最高水位出现时刻为tp，若Z(tp)≤Zm，则各时刻Q泄(t)计算结果符合约束条件；否则，按比例分配超额洪水控制下泄流量，式(7)计算Q泄(t)
Figure GDA0003208446630000053
ΔV＝V(Z(tp))-V(Zm) (8)
式中，Zm为水库最高水位限制，Z(t)为t时刻的水库水位，V(Z(tp))为水库水位达到Z(tp)时刻的库容，可由水库库容曲线求出，ΔV为超出水库最高水位的超额洪量。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明不仅体现调洪演算的科学性与高效性，同时融入水位涨落段调度约束，在快速有效获取精准的水文预报的基础上，迅速及时地做出科学的调度响应。
附图说明
图1是本发明一实施例中流域示意图；
图2是本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图2，本发明提供一种城市水库防洪补偿优化调度方法，包括以下步骤：
步骤S1:设防洪控制断面为M，根据区域地形地势与管网拓扑结构，划分水库坝址到断面M之间对应的区间洪水集水范围N；
步骤S2:统计水库坝址至断面之间对应的区间集水区域N中不同土地利用类型的面积，根据式(1)计算净雨过程：
Figure GDA0003208446630000061
式中，p(t)为t时段内净雨量，P(t)为气象预报得到的t时段内降雨量，Ψi为区域N中第i种土地利用类型的径流系数，Fi为区域N中第i种土地利用类型的面积，n为土地利用类型总数。
步骤S3:耦合城市二维地形、雨水管网、内河，构建城市水力模型，进行参数率定，使模型产汇流计算误差控制在允许范围内，计算区间来水演算至控制断面M的流量时间序列{Q1,Q2,…,QT}，其中，T为时间序列长度；
步骤S4:通过模拟多场历史降雨过程下的洪水演进过程，构建式(2)为流量单位线率定目标函数，采用极值法或智能搜索算法，计算断面M的流量单位线：
Figure GDA0003208446630000071
Figure GDA0003208446630000072
式中，Q(t)为水力模型模拟计算结果中控制断面M在t时刻的流量值，Q'(t)为使用流量单位线计算得到控制断面M在t时刻的流量值，Q″j(t)为区域N第j条上游支流汇入的流量演算至M断面的流量值，T为所计算的水位过程总时长，m为汇入区域N的支流总数，q(i)为水位单位线中第i个时段的数值，α(t)为权重系数。
S5：在实时调度中，根据气象预报的降雨过程，利用式(1)计算区间来水的净雨过程，基于净雨过程计算结果和区间来水的流量单位线计算结果，利用式(3)计算区间来水演算至断面M的流量过程；
步骤S6:根据水库入库洪水与区间来水演算至断面M的流量过程，以最大削峰准则，构建水库防洪调度目标函数；所述水库防洪调度目标函数，如式(4)所示：
Figure GDA0003208446630000081
Figure GDA0003208446630000082
式中，Q泄(t)为水库t时刻的下泄流量，Q区间(t-τ)为t-τ时刻水库坝址位置到防洪控制断面之间的区域区间流量，p(j)为j时段内净雨量，T0为调度期开始时间，Tm为调度期结束时间。
步骤S7:根据水量平衡原理，计算水库t时刻的下泄流量Q泄(t)初始值；
Figure GDA0003208446630000083
式中，Q入库(t)为水库t时刻的入库流量，
Figure GDA0003208446630000084
为调度计算时段T0到Tm内水库可使用的防洪库容。
步骤S8：根据水库防洪调度目标函数和Q泄(t)初始值，基于控制约束条件计算水库控制下泄流量。
在本实施例中，所述控制约束条件包括水位涨落段调度约束、水库泄流能力约束、水库出库変幅约束和最高水位约束。
在本实施例中，所述水位涨落段调度约束具体为：
若(Q入库(t)+Q区间(t-τ)-Q入库(t-1)-Q区间(t-τ-1))(Q泄(t)-Q泄(t-1))≤0，则Q泄(t)计算结果符合约束条件，否则，令
Figure GDA0003208446630000091
其中，ΔQ为决策控制变量且0≤ΔQ≤ΔQ泄m，ΔQ泄m为水库在t时刻的泄流変幅控制上限。
在本实施例中，所述水库泄流能力约束具体为：Q泄(t)≤Qm(t)，则Q泄(t)计算结果符合约束条件；否则，令Q泄(t)＝Qm(t)，Qm(t)为水库在t时刻的泄流能力。
在本实施例中，所述水库出库変幅约束具体为：
若|Q泄(t)-Q泄(t-1)|≤ΔQ泄m，则Q泄(t)计算结果符合约束条件；否则，令
Figure GDA0003208446630000092
ΔQ泄m为水库在t时刻的泄流変幅控制上限。
在本实施例中，所述最高水位约束具体为：
根据水库库容曲线计算调度期内各时刻水库水位Z(t)，设最高水位出现时刻为tp，若Z(tp)≤Zm，则各时刻Q泄(t)计算结果符合约束条件；否则，按比例分配超额洪水控制下泄流量，式(7)计算Q泄(t)
Figure GDA0003208446630000093
ΔV＝V(Z(tp))-V(Zm) (8)
式中，Zm为水库最高水位限制，Z(t)为t时刻的水库水位，V(Z(tp))为水库水位达到Z(tp)时刻的库容，可由水库库容曲线求出，ΔV为超出水库最高水位的超额洪量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种城市水库防洪补偿优化调度方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:设防洪控制断面为M，根据区域地形地势与管网拓扑结构，划分水库坝址到断面M之间对应的区间洪水集水范围N；
步骤S2:统计水库坝址至断面M之间对应的区间集水区域N中不同土地利用类型的面积，计算区间来水的净雨过程；
步骤S3:耦合城市二维地形、雨水管网、内河，构建城市水力模型，进行参数率定，使模型产汇流计算误差控制在允许范围内，计算区间来水演算至控制断面M的流量时间序列{Q1,Q2,…,QT}，其中，T为时间序列长度；
步骤S4:通过模拟多场历史降雨过程下的洪水演进过程，构建单位线率定目标函数，并采用极值法或智能搜索算法，计算水库坝址至断面M的区间来水演算至断面M的流量单位线；
步骤S5:在实时调度中，根据气象预报的降雨过程，计算区间来水的净雨过程，利用上述区间来水的流量单位线，计算区间来水演算至断面M的流量过程；
步骤S6：根据水库入库洪水与区间来水演算至断面M的流量过程，以最大削峰准则，构建水库防洪调度目标函数；
步骤S7:根据水量平衡原理，计算水库t时刻的下泄流量Q泄(t)初始值；
步骤S8：根据水库防洪调度目标函数和Q泄(t)初始值，基于控制约束条件控制水库下泄流量。
2.根据权利要求1所述的一种城市水库防洪补偿优化调度方法,其特征在于：所述步骤S2根据式(1)计算净雨过程：
Figure FDA0003208446620000021
式中，p(t)为t时段内净雨量，P(t)为气象预报得到的t时段内降雨量，Ψi为区域N中第i种土地利用类型的径流系数，Fi为区域N中第i种土地利用类型的面积，n为土地利用类型总数。
3.根据权利要求1所述的一种城市水库防洪补偿优化调度方法,其特征在于：所述步骤S4具体为：
构建式(2)为流量单位线率定目标函数，采用极值法或智能搜索算法，计算区间来水演算至断面M的流量单位线：
Figure FDA0003208446620000022
Figure FDA0003208446620000023
式中，Q(t)为水力模型基于区间集水区域上降雨过程模拟得到的计算结果中控制断面M在t时刻的流量值，Q'(t)为使用区间洪水流量单位线计算得到控制断面M在t时刻的流量值，Q″j(t)为区域N第j条上游支流汇入的流量演算至M断面的流量值，T为所计算的流量过程总时长，m为汇入区域N的支流总数，q(i)为区间来水流量单位线中第i个时段的数值，α(t)为权重系数。
4.根据权利要求1所述的一种城市水库防洪补偿优化调度方法,其特征在于：所述水库防洪补偿调度目标函数，如式(4)所示：
Figure FDA0003208446620000031
Figure FDA0003208446620000032
式中，Q泄(t)为水库t时刻的下泄流量，Q区间(t-τ)为t-τ时刻通过区间来水流量单位线计算得到的流量，p(j)为j时段内净雨量，T0为调度期开始时间，Tm为调度期结束时间。
5.根据权利要求4所述的一种城市水库防洪补偿优化调度方法,其特征在于：所述步骤S7计算Q泄(t)初始值具体为：
Figure FDA0003208446620000033
式中，Q入库(t)为水库t时刻的入库流量，
Figure FDA0003208446620000034
为调度计算时段T0到Tm内水库可使用的防洪库容。
6.根据权利要求1所述的一种城市水库防洪补偿优化调度方法,其特征在于：所述控制约束条件包括水位涨落段调度约束、水库泄流能力约束、水库出库変幅约束和最高水位约束。
7.根据权利要求6所述的一种城市水库防洪补偿优化调度方法,其特征在于，所述水位涨落段调度约束具体为：
若(Q入库(t)+Q区间(t-τ)-Q入库(t-1)-Q区间(t-τ-1))(Q泄(t)-Q泄(t-1))≤0，则Q泄(t)计算结果符合约束条件，否则，令
Figure FDA0003208446620000035
其中，ΔQ为决策控制变量且0≤ΔQ≤ΔQ泄m，ΔQ泄m为水库在t时刻的泄流変幅控制上限。
8.根据权利要求6所述的一种城市水库防洪补偿优化调度方法,其特征在于，所述水库泄流能力约束具体为：Q泄(t)≤Qm(t)，则Q泄(t)计算结果符合约束条件；否则，令Q泄(t)＝Qm(t)，Qm(t)为水库在t时刻的泄流能力。
9.根据权利要求6所述的一种城市水库防洪补偿优化调度方法,其特征在于，所述水库出库変幅约束具体为：
若|Q泄(t)-Q泄(t-1)|≤ΔQ泄m，则Q泄(t)计算结果符合约束条件；否则，令
Figure FDA0003208446620000041
ΔQ泄m为水库在t时刻的泄流変幅控制上限。
10.根据权利要求7所述的一种城市水库防洪补偿优化调度方法,其特征在于，所述最高水位约束具体为：
根据水库库容曲线计算调度期内各时刻水库水位Z(t)，设最高水位出现时刻为tp，若Z(tp)≤Zm，则各时刻Q泄(t)计算结果符合约束条件；否则，按比例分配超额洪水控制下泄流量，式(7)计算Q泄(t)
Figure FDA0003208446620000042
ΔV＝V(Z(tp))-V(Zm) (8)
式中，Zm为水库最高水位限制，Z(t)为t时刻的水库水位，V(Z(tp))为水库水位达到Z(tp)时刻的库容，可由水库库容曲线求出，ΔV为超出水库最高水位的超额洪量。
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