CN110288239A - 基于自适应分级预泄法的汛限水位动态控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于水库调度技术领域，公开了一种基于自适应分级预泄法的汛限水位动态控制方法及系统，根据有效预见期和下游防洪安全组合流量中允许的水库最大下泄流量，确定水库汛期水位动态控制域；当预报有面临时刻时，根据不同面临时刻水库水位及来水情况自适应推求不同面临时刻的风险库容；对有效预见期进行分级，将风险库容按递增形式分配至每一级水库，根据每一级水库所分配的风险库容分别计算分级预泻流量。本发明克服了传统预泄能力约束法在预泄时一直按下游允许安全流量下泄导致的水库水位消落过快、洪水过后水库回蓄困难等问题；克服了传统预泄能力约束法预泄开始时泄流量增幅过快，容易导致人造洪峰，可操作性差等问题。

Description

基于自适应分级预泄法的汛限水位动态控制方法及系统

技术领域

本发明属于水库调度技术领域，尤其涉及一种基于自适应分级预泄法的汛限水位动态控制方法及系统。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

汛期水位动态控制域的确定是开展汛期水位动态控制的基础。目前，已有国内学者研究了汛期水位动态控制域的确定方法。王本德等分析了传统静态控制汛限水位的不合理性，主张以汛限水位动态控制方式控制汛期水位并提出了预泄能力约束法来确定汛限水位动态控制域。王国利等考虑了水库实际调度中的可操作性，提出了分级预泄法来确定汛限水位动态控制域。任明磊等研究了降雨预报信息的可利用性，提出考虑降雨预报信息的改进预泄能力约束法。然而，目前研究关注的重点是理论上如何确定汛限水位动态控制域，没有充分考虑到水库在实际运行中的可操作性，导致水库在实际调度中仍然存在一些不足，导致水库泄流量增幅过快、下游人造洪峰、水库回蓄困难等问题。

现有预泄能力约束法是确定汛限水位动态控制域的主要方法之一。其主要有两点不足：(1)预泄时没有充分考虑当前水库水位状态，保持下游河道的安全允许泄量泄流，导致水库水位消落过快。当预报发生小洪水时，初始泄流量过大会导致后期水库回蓄困难；(2)没有充分考虑水库在实际运行中的可操作性。当预报有洪水发生时，立即按下游河道的安全允许泄量泄流，不考虑闸门启闭操作过程，且泄流量增幅过大，容易导致人造洪峰。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)在现有技术中，预泄能力约束法预泄时一直按下游安全允许泄流量下泄，没有考虑当前水库水位状态，导致水库水位消落过快，洪水过后回蓄困难。

(2)在现有技术中，预泄能力约束法忽略了水库在实际运行中的可操作性，忽略了闸门启闭需要一定的操作时间和过程，导致泄流量增幅过大，容易导致人造洪峰。

(3)在现有技术中，分级预泄法虽然提出了分级控制下泄流量的思路和案例，但尚未明确给出规范性的分级操作方式，导致分级下泄操作存在过多的随机性。

解决上述技术问题的难度：

目前我国水库多以汛限水位静态控制模式运行，汛限水位静态控制模式又分为传统静态控制模式和汛期运行水位分期的控制方式，部分水库已经开始使用汛期运行水位分期的控制方式并取得了非常良好的效益。由于汛限水位动态控制模式是近几年新兴的研究课题，用于实践的水库数量还比较少，且相关法律十分欠缺，所以仍未有相关文件允许水库长期以汛限水位动态控制模式运行，解决上述技术问题的难点在于多尝试、多校正，只有勇于尝试才有经验积累。

解决上述技术问题的意义：

本发明的提出解决了预泄能力约束法预泄时不能根据实时来水自适应控制下泄流量而导致水库水位消落过快、洪水过后回蓄困难的问题，以及忽略了水库在实际运行中的可操作性导致泄流量增幅过大的问题。本发明在不增加防洪风险的前提下，提高了流域洪水资源利用率并改善了水库汛期的可操作性。一种基于自适应分级预泄法的汛限水位动态控制方法及系统不仅是预泄能力约束法的一种改进，更是我国汛限水位动态控制研究上的一大进步，所以解决上述技术问题的意义十分重大。

内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于自适应分级预泄法的汛限水位动态控制方法及系统。

本发明是这样实现的，一种基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法，所述基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法包括以下步骤：

步骤一，根据有效预见期和下游防洪安全组合流量中允许的水库最大下泄流量，确定水库汛期水位动态控制域。

步骤二，根据洪水预报信息，当预报有面临时刻时，根据不同面临时刻水库水位及来水情况自适应推求不同面临时刻的风险库容。

步骤三，基于分级预泻思想，对有效预见期进行分级，将风险库容按递增形式分配至每一级水库，根据每一级水库所分配的风险库容分别计算分级预泻流量。

进一步，步骤一中，利用预报信息，在有效预见期内按预泄能力大小计算限制风险库容，确定汛期运行水位控制域上限。汛限水位控制域下限为原设计汛限水位。

进一步，步骤一中，确定水库汛期水位动态控制域的公式为：

z_lmax＝f[f[z_lmin]+V_dmax]。

V_dmax＝(q_max-Q_in)×T。

式中，z_lmax为汛期运行水位动态控制域上限值。z_lmin为汛期运行水位动态控制域下限值。T为有效预见期。q_max为下游防护点安全组合流量中允许的水库最大下泄流量。Q_in为有效预见期内考虑预报误差的平均入库流量。f[*]为库容水位关系函数。V_dmax为限制风险库容。

进一步，步骤二具体包括：当预报有面临时刻发生时，自适应分级预泄法根据不同面临时刻水库水位z自适应推求不同面临时刻的风险库容V_d，进而计算不同的预泄流量。

进一步，根据不同面临时刻水库水位自适应推求不同面临时刻风险库容的具体公式为：

V_d＝f[z]-f[z_lmin]，z_lmin≤z≤z_lmax。

式中，z为面临时刻水库水位，单位，m。V_d为面临时刻风险库容，单位亿m³。

进一步，步骤二，洪水预报信息包括：水库的水情、雨情，入库洪水预报和降雨预报的预见期，预见期内水库的泄流能力，下游河道的安全过流能力，以及决策和闸门操作时间。

所述的风险库容为汛期占用防洪库容的多少，限制风险库容为风险库容的最大值。

进一步，步骤三中，考虑到预泄能力约束法预泄开始时泄流量增幅过快的问题，自适应分级预泄法对下泄流量进行分级，将有效预见期划分为n级，将面临时刻风险库容从第1级开始以逐级递增形式分配给每一级，根据每一级分配的风险库容依次计算分级预泄流量。

进一步，分级预泄流量的公式为：

Q_x＝Q_r+Q_k。

式中，l_k为分级系数，w为单位转换系数，w＝3.6×10^-5。t_k为第k级分配有效预见期时长(h)。m为各级分配有效预见期时长的最大公约数。n为总分级数。k为级数。V_dk为第k级分配风险库容(亿m³)。Q_m为根据限制风险库容推求的最大预泄流量(m³/s)。Q_k为每一级的预泄流量(m³/s)。Q_x为水库最终下泄流量(m³/s)。Q_r为预见期内水库实时入库流量(m³/s)。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法的基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制系统。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法的基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制终端。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明的目的是为了在不增加防洪风险的前提下，使设计成果与实时调度较好地结合起来，提出一种具有良好操作性的水库汛期水位动态控制方法，即自适应分级预泄法。自适应分级预泄法的提出解决了预泄能力约束法预泄时不能根据实时来水自适应控制下泄流量的问题，以及预泄能力约束法在有效预见期内一直按固定下泄流量泄流带来的水位消落过快、已形成人造洪峰的问题，在不增加防洪风险的前提下，本发明提高了流域洪水资源利用率。

本发明的优点进一步体现在以下几点：

1)本发明提出了一种在不增加防洪风险的前提下，使水库设计成果与实时调度较好地结合起来，具有良好操作性的汛期水位动态控制方法。当预报有洪水发生时，自适应分级预泄法根据不同面临时刻水库水位自适应推求不同的预泄流量，克服了传统预泄能力约束法在预泄时一直按下游允许安全流量下泄导致的水库水位消落过快、洪水过后水库回蓄困难等问题。

2)当预报有洪水发生时，自适应分级预泄法根据风险库容对下泄流量进行分级，克服了传统预泄能力约束法预泄开始时泄流量增幅过快，容易导致人造洪峰，可操作性差等问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于自适应分级预泄法的汛限水位动态控制方法流程图。

图2是本发明实施例提供的防洪调度水位过程图。

图3是本发明实施例提供的防洪调度下泄流量过程图。

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。

在现有技术中，预泄能力约束法预泄时不能根据实时来水自适应控制下泄流量，以及预泄能力约束法在有效预见期内一直按固定下泄流量泄流带来的水位消落过快、形成人造洪峰，而且流域洪水资源利用率低。

过度引入部分：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于自适应分级预泄法的汛限水位动态控制方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于自适应分级预泄法的汛限水位动态控制方法包括：

S101：根据有效预见期和下游防洪安全组合流量中允许的水库最大下泄流量，确定水库汛期水位动态控制域。

S102：洪水预报信息，当预报有洪水发生时(以下称面临时刻)，根据不同面临时刻水库水位及来水情况自适应推求不同面临时刻的风险库容。

S103：基于分级预泻思想，对有效预见期进行分级，将风险库容按递增形式分配至每一级水库，根据每一级水库所分配的风险库容分别计算分级预泻流量。

在本发明实施例中，自适应分级预泄法基本思想为：利用预报信息，在有效预见期内按预泄能力大小计算限制风险库容，进而确定汛期运行水位控制域上限。汛限水位控制域下限为原设计汛限水位。

在本发明实施例中，“风险库容”为描述汛期占用防洪库容的多少而引入的概念，用“限制风险库容”来描述风险库容的最大值。

在本发明实施例中，自适应分级预泄法的影响因素有：水库的水情、雨情，入库洪水预报和降雨预报的预见期，预见期内水库的泄流能力，下游河道的安全过流能力，以及决策和闸门操作时间等。

在本发明实施例中，自适应分级预泄法的数学描述如下：

z_lmax＝f[f[z_lmin]+V_dmax] (1)。

V_dmax＝(q_max-Q_in)×T (2)。

式中，z_lmax为汛期运行水位动态控制域上限值。z_lmin为汛期运行水位动态控制域下限值。T为有效预见期。q_max为下游防护点安全组合流量中允许的水库最大下泄流量。Q_in为有效预见期内考虑预报误差的平均入库流量。f[*]为库容水位关系函数。V_dmax为限制风险库容。

在本发明实施例中，自适应泄流量思想为：考虑到预泄能力约束法预泄时不能根据实时来水自适应控制下泄流量的问题，当预报有洪水发生时(以下称面临时刻)，自适应分级预泄法根据不同面临时刻水库水位z自适应推求不同面临时刻的风险库容V_d，进而计算不同的预泄流量。

在本发明实施例中，根据不同面临时刻水库水位自适应推求不同面临时刻风险库容的具体公式为：

V_d＝f[z]-f[z_lmin]z_lmin≤z≤z_lmax (3)。

式中，z为面临时刻水库水位(m)。V_d为面临时刻风险库容(亿m³)。其他符号意义同上。

在本发明实施例中，分级预泄思想为：考虑到预泄能力约束法预泄开始时泄流量增幅过快的问题，自适应分级预泄法对下泄流量进行分级。具体操作为：将有效预见期划分为n级，将面临时刻风险库容从第1级开始以逐级递增形式分配给每一级，根据每一级分配的风险库容依次计算分级预泄流量。

在本发明实施例中，分级预泄的数学描述为：

Q_x＝Q_r+Q_k (6)。

式中，l_k为分级系数，w为单位转换系数，w＝3.6×10^-5。t_k为第k级分配有效预见期时长(h)。m为各级分配有效预见期时长的最大公约数。n为总分级数。k为级数。V_dk为第k级分配风险库容(亿m³)。Q_m为根据限制风险库容推求的最大预泄流量(m³/s)。Q_k为每一级的预泄流量(m³/s)。Q_x为水库最终下泄流量(m³/s)。Q_r为预见期内水库实时入库流量(m³/s)，其他符号意义同上。

为了更清晰直观地表达本发明的思路方法，下面结合实施例(丹江口水电站)，对基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法作进一步说明。

(1)汉江流域概况。

汉江流域位于东经106°15′～114°20′、北纬30°10′～34°20′，流域面积约15.9万km²。汉江是长江中游最大的支流，丹江口以上为上游，河长约925km，控制流域面积9.52万km²。丹江口至钟祥(皇庄)为中游，河长270km，控制流域面积4.68万km²。汉江流域属东亚副热带季风气候区，具有明显的季节性。流域多年平均年降水量约为700～1100mm，由上游向下游增大，上游地区由南向北减少。暴雨经常发生在7～10月，有夏季暴雨与秋季暴雨之分，相应的洪水也有夏季洪水与秋季洪水，夏季洪水一般发生在8月下旬以前，往往是全流域性的，峰高量大。秋季洪水一般发生在8月下旬以后，主要来水区为汉江上游，多为连续性洪峰，历时长、洪量大。

(2)防洪调度周期。

本次研究对象为汉江上游控制性水库的丹江口水库。本次研究分别采用了常规防洪调度法、预泄能力约束法和自适应分级预泄法进行汛期调度。研究年份为发生典型洪水的1983年，研究时段为丹江口水库汛期，即6月21日至9月30日。本次研究中小洪水实时动态调度需要有可靠的洪水预报精度作为前提，目前汉江中上游72h内的入库洪水预报精度已达可利用程度，本次研究以有效预见期为72h为例。

(3)汛限水位动态控制域的确定。

考虑有效预见期为72h。考虑丹江口有下游补偿流量(夏汛11000m³/s，秋汛12000m³/s)限制，并取考虑预报误差的丹皇区间平均流量为5000m³/s，下游防护点安全组合流量中允许的水库最大下泄流量q_max为7000m³/s(夏汛)，8000m³/s(秋汛)。Δt内考虑预报误差的平均入库流量Q_in取2062.4m³/s。汛限水位下限值取160m(夏汛)，163.5m(秋汛)。

通过预泄能力法计算可得：丹江口汛限水位可分别提高1.56m(夏汛)，1.72m(秋汛)，考虑一定安全裕度，丹江口汛限水位提高值取1.5m(夏汛)，1.5m(秋汛)，则丹江口汛期运行水位动态控制域上限值为161.5m(夏汛)，165m(秋汛)。

表1丹江口水库夏季汛限水位上限计算成果

表2丹江口水库秋季汛限水位上限计算成果

(4)汛期水位动态控制计算成果

丹江口汛期防洪调度期间，当水位分别在160.421m、161.149和161.386m时，分别预报到3天后会有洪水发生，以下为各防洪调度方法制定的预泄方案，由于常规防洪调度法不考虑汛期运行水位动态控制，所以没有制定预泄方案。

表3面临时刻水库水位为160.421m时各方法预泄方案

表4面临时刻水库水位为161.149m时各方法预泄方案

表5面临时刻水库水位为161.386m时各方法预泄方案

以下为丹江口水库汛期，即6月21日至9月30日，分别采用常规防洪调度方法、预泄能力约束法和自适应分级预泄法的防洪调度结果。

表6各方案调度结果汇总

(5)结果分析。

通过比较预泄能力约束法与自适应分级预泄法在不同面临时刻水库水位下的各时段预泄流量，如表3至表5，可以清楚的看出预泄能力约束法的各时段预泄流量与不同面临时刻水库水位无关，预泄能力约束法的预泄流量为一个定值，即下游防护点安全组合流量中允许的水库最大下泄流量。而自适应分级预泄法的各时段预泄流量取决于不同面临时刻水库水位，当面临时刻水库水位较高时，泄流量会相应增大。而当面临时刻水库水位较低时，泄流量也会相应减少。并且自适应分级预泄法将下泄流量进行分级控制，在实际防洪调度中的操作性更强。并且解决了预泄能力约束法在预泄时一直以下游允许安全流量下泄导致的水库水位消落过快、洪水过后水库回蓄困难，以及预泄前期泄流量增幅过快，易导致人造洪峰、可操作性差等问题。

通过常规防洪调度法、预泄能力约束法和自适应分级预泄法对丹江口水库1983年6月21日至9月30日实测来水进行模拟防洪调度，从表6的各方案调度结果汇总可知，自适应分级预泄法的发电量比常规防洪调度法、预泄能力约束法分别提高了4.57％和0.42％。自适应分级预泄法的弃水量比常规防洪调度法、预泄能力约束法分别减少了0.70％和3.03％。从上述分析中可以得出结论：自适应分级预泄法在不增加防洪风险的前提下，提高了水电站的发电量并实现了洪水的资源化，且其效果优于预泄能力约束法和常规防洪调度法。

在本发明实施例中，图2是本发明实施例提供的防洪调度水位过程图。

图3是本发明实施例提供的防洪调度下泄流量过程图。

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 (10)

1.一种基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法，其特征在于，所述基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法包括以下步骤：

步骤一，根据有效预见期和下游防洪安全组合流量中允许的水库最大下泄流量，确定水库汛期水位动态控制域；

步骤二，根据洪水预报信息，当预报有面临时刻时，根据不同面临时刻水库水位及来水情况自适应推求不同面临时刻的风险库容；

步骤三，对有效预见期进行分级，将风险库容按递增形式分配至每一级水库，根据每一级水库所分配的风险库容分别计算分级预泻流量。

2.如权利要求1所述的基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法，其特征在于，步骤一中，利用预报信息，在有效预见期内按预泄能力大小计算限制风险库容，确定汛期运行水位控制域上限；汛限水位控制域下限为原设计汛限水位。

3.如权利要求1所述的基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法，其特征在于，步骤一中，确定水库汛期水位动态控制域的公式为：

z_lmax＝f[f[z_lmin]+V_dmax]；

V_dmax＝(q_max-Q_in)×T；

式中，z_lmax为汛期运行水位动态控制域上限值；z_lmin为汛期运行水位动态控制域下限值；T为有效预见期；q_max为下游防护点安全组合流量中允许的水库最大下泄流量；Q_in为有效预见期内考虑预报误差的平均入库流量；f[*]为库容水位关系函数；V_dmax为限制风险库容。

4.如权利要求1述的基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法，其特征在于，步骤二具体包括：当预报有面临时刻发生时，自适应分级预泄法根据不同面临时刻水库水位z自适应推求不同面临时刻的风险库容V_d，进而计算不同的预泄流量。

5.如权利要求4述的基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法，其特征在于，根据不同面临时刻水库水位自适应推求不同面临时刻风险库容的具体公式为：

V_d＝f[z]-f[z_lmin]，z_lmin≤z≤z_lmax；

式中，z为面临时刻水库水位，单位，m；V_d为面临时刻风险库容，单位亿m³。

6.如权利要求1所述的基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法，其特征在于，步骤二，洪水预报信息包括：水库的水情、雨情，入库洪水预报和降雨预报的预见期，预见期内水库的泄流能力，下游河道的安全过流能力，以及决策和闸门操作时间；

所述的风险库容为汛期占用防洪库容的多少，限制风险库容为风险库容的最大值。

7.如权利要求1所述的基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法，其特征在于，步骤三中，考虑到预泄能力约束法预泄开始时泄流量增幅过快的问题，自适应分级预泄法对下泄流量进行分级，将有效预见期划分为n级，将面临时刻风险库容从第1级开始以逐级递增形式分配给每一级，根据每一级分配的风险库容依次计算分级预泄流量。

8.如权利要求7所述的基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法，其特征在于，分级预泄流量的公式为：

Q_x＝Q_r+Q_k；

式中，l_k为分级系数，w为单位转换系数，w＝3.6×10^-5；t_k为第k级分配有效预见期时长(h)；m为各级分配有效预见期时长的最大公约数；n为总分级数；k为级数；V_dk为第k级分配风险库容(亿m³)；Q_m为根据限制风险库容推求的最大预泄流量(m³/s)；Q_k为每一级的预泄流量(m³/s)；Q_x为水库最终下泄流量(m³/s)；Q_r为预见期内水库实时入库流量(m³/s)。

9.一种实施权利要求1所述基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法的基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制系统。

10.一种实施权利要求1所述基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制方法的基于自适应分级预泄法的水库汛期水位动态控制终端。