CN110298559A - 一种获得水库防洪库容等效比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水库群联合防洪调度技术领域，公开了一种获得水库防洪库容等效比的方法，获得参与联合防洪调度的水库乙对水库甲防洪库容等效比的方法包括：以调度期内各水库防洪库容最大使用比例最小为目标，建立水库群防洪库容优化分配模型；计算各水库最大使用防洪库容；设置各水库防洪库容使用限制，逐步增加水库甲最大使用防洪库容的减少量；计算水库乙的最大使用防洪库容及其增加量；计算水库乙对水库甲防洪库容等效比。本发明提供的这种获得水库防洪库容等效比的方法，能被用来确定水库群联合防洪调度中各水库的防洪库容分配方案，降低流域的防洪风险，提高水库群联合防洪调度的整体防洪效益。

Description

一种获得水库防洪库容等效比的方法

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，涉及一种获得水库防洪库容等效比的方法。

背景技术

目前，一个区域的防洪任务通常由上游多个水库通过联合调度的方式来共同承担。当流域发生洪水时，根据洪水特性和下游区域的防洪要求确定各水库防洪库容分配，各水库根据分配的防洪库容适时拦蓄洪水，削减洪峰，保障下游区域的防洪安全。现有的水库群防洪库容分配方案未考虑承担相同防洪对象防洪任务时不同水库防洪效益的差异性。受洪水发生的主要位置、洪水量级、洪水历时等因素影响，为削减下游防洪对象相同的洪量，上游不同水库需要使用的防洪库容可能不同。当上游水库与下游防洪控制点(或防洪对象)距离很近时，可以忽略洪水在河道演进过程中的变形和坦化，这种情况下可认为水库拦蓄洪量与防洪控制站在相应时段内削减洪量相等。当上游水库与下游防洪控制点(或防洪对象)距离较远时，不能忽略洪水从上游水库运动到下游防洪控制站期间的演进变形，这种情况下上游水库拦蓄洪量与下游防洪控制站在相应时段内的削减洪量不相等。由于洪水演进的作用，造成了在相应时段内河道上游水库蓄水量与河道下游防洪控制站削减量的不相等，导致处于不同位置水库的防洪效益不一样，增加了实际防洪调度的复杂性，因此需要一种确定水库群联合防洪调度中水库之间防洪库容的等效比方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种获得水库防洪库容等效比的方法，其目的在于得到削减下游相同洪量时上游不同水库防洪库容的等效比和水库防洪效益。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种获得水库防洪库容等效比的方法，计算水库j对水库i防洪库容的等效比，包括如下步骤：

(1)以调度期内各水库防洪库容最大使用比例最小为目标，建立水库群防洪库容优化分配模型；其中，水库防洪库容最大使用比例是指在整个调度期内水库最大使用防洪库容与水库设计防洪库容的比值；

(2)运用水库群防洪库容优化分配模型，计算参与联合防洪调度的各水库最大使用防洪库容V₁、V₂、...、V_i、...、V_j、...、V_n；其中，1～n为水库编号；

(3)逐步增加水库i最大使用防洪库容的减少量ΔV_i，运用水库群防洪库容优化分配模型计算水库j的最大使用防洪库容V′_j及其最大使用防洪库容的增加量ΔV_j＝V′_j-V_j；

(4)计算水库j对水库i防洪库容的等效比其中，水库j对水库i防洪库容的等效比是指水库j最大使用防洪库容增加量ΔV_j与水库i最大使用防洪库容减少量ΔV_i的比值。

优选地，上述获得水库防洪库容等效比的方法，以各水库防洪库容最大使用比例最小为目标所建立的水库群防洪库容优化分配模型的目标函数为：

其中，f为目标函数；n为水库个数；k为水库编号；V_k为水库k在调度期内最大使用防洪库容；V_k,des为水库k的设计防洪库容。

优选地，上述获得水库防洪库容等效比的方法，其水库群防洪库容优化分配模型还包括如下约束条件：

水库水量平衡约束：

防洪控制站水量平衡约束：

水库入库或防洪控制站入站流量约束：

水库防洪库容使用限制：0≤V_k,t≤V_k,lim，k∈Γ₁；

水库起调库容限制：V_k,t＝0，t＝1,k∈Γ₁；

水库出库流量限制：

水库出库流量变幅控制：X_k,t≤X_k,max，

防洪控制站过流流量限制：

河道洪水演进约束：

其中，Г₁为水库集合；Г₂为防洪控制站集合；V_k,t、V_k,t+1分别为水库k在t时段和t+1时段使用的防洪库容；Δt为调度单位时段；为水库或防洪控制站k在t时段的入库或入站流量；为水库或防洪控制站k在t时段的出库或出站流量；为水库或防洪控制站k在t时段的区间流量；Q_k,t为水库或防洪控制站k在t时段来自上游连接水库或控制站的入库或入站流量；V_k,lim为水库k在调度期内限制使用的最大防洪库容；为水库k允许最小出库流量；为水库k允许最大出库流量；X_k,t为水库k在t+1时刻与t时刻的泄流之差；X_k,max为水库k在调度单位时段内允许的最大泄流变幅；q_k为防洪控制站k允许的过流流量；c_kl,0、c_kl,1、c_kl,2为水库或防洪库容k与其上游连接水库或防洪控制站l之间的河道洪水演进参数；Ω_k表示水库或防洪控制站k上游连接水库和防洪控制站集合。

优选地，上述获得水库防洪库容等效比的方法，步骤(2)具体包括以下步骤：

(2.1)设置各水库的防洪库容使用限制为其设计防洪库容，即V_k,lim＝V_k,des,k＝1、2、...、n；其中V_k,lim为调度期内水库k的防洪库容使用限制，V_k,des为水库k的设计防洪库容，n为水库个数；

(2.2)采用水库群防洪库容优化分配模型计算各水库最大使用防洪库容V_k＝max{V_k,t,t∈T}，k＝1,2,...,n；其中V_k,t为水库k在t时段使用的防洪库容。

优选地，上述计算水库防洪库容等效比方法，其步骤(3)具体包括以下步骤：

(3.1)设置水库i的防洪库容使用限制为V_i,lim＝V_i-ΔV_i，设置水库j的防洪库容使用限制为其设计防洪库容V_j,lim＝V_j,des，设置其它水库k＝1,...,n；k≠i,k≠j的防洪库容使用限制为其最大使用防洪库容，即V_k,lim＝V_k；

(3.2)在保证水库j的最大使用防洪库容V_j'不超过其设计防洪库容的前提下，逐步增加水库i最大使用防洪库容的减少量ΔV_i，运用水库群防洪库容优化分配模型，计算水库j的最大使用防洪库容V′_j及其最大使用防洪库容的增加量ΔV_j＝V′_j-V_j。

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)通过本发明提供的获得水库防洪库容等效比的方法，得到在削减下游相同洪量时，上游不同水库需要使用的防洪库容，以及它们之间的等效关系(即等效比)，同时得到各水库的防洪效益，为水库群防洪库容分配方案的制定提供科学合理的依据，有助于提高水库群整体的防洪效益，水库防洪库容等效比可用于分析评估水库群联合防洪调度防洪库容分配方案的合理性。

(2)通过本发明提供的获得水库防洪库容等效比的方法，不仅能够得到两个水库防洪库容的等效比，也能得到由多个水库构成的组合水库对某个水库(例如水库甲)防洪库容的等效比，实施方法为减少水库甲的最大使用防洪库容时，设置参与计算等效比的组合水库中各水库防洪库容使用限制为其设计防洪库容，设置水库群中其它各水库防洪库容使用限制为其最大使用防洪库容。此外，由于本方法并不限于计算一场特定洪水下的水库防洪库容等效比，通过改变输入洪水的类型和量级，本方法能够计算分析不同类型、不同量级洪水下水库防洪库容等效比，为应对流域可能发生的各种洪水情况提供合理的防洪库容分配方案。

附图说明

图1是实施例所提供的获得水库防洪库容等效比的方法的流程示意图；

图2是实施例中的水库群防洪系统的概化结构图；

图3是实施例中的锦屏一级防洪库容增加量与三峡水库防洪库容减少量的关系曲线示意图；

图4是实施例锦屏一级对三峡水库防洪库容等效比与三峡水库最大使用防洪库容减少量的关系曲线示意图。

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。

实施例提供的获得水库防洪库容等效比的方法，其流程参照图1所示；采用该方法计算水库j对水库i防洪库容的等效比，具体包括如下步骤：

(1)以水库群联合防洪调度中各水库防洪库容最大使用比例最小为目标，结合约束条件建立水库群防洪库容优化分配模型；实施例中，约束条件包括水库水量平衡约束、防洪控制站水量平衡约束、水库入库或防洪控制站入站流量约束、水库防洪库容使用限制、水库起调库容限制、水库出库流量限制、水库出库流量变幅控制、防洪控制站过流流量限制以及河道洪水演进约束；

(2)运用上述水库群防洪库容优化分配模型，计算参与联合防洪调度的各水库最大使用防洪库容V₁、V₂、...、V_i、...、V_j、...、V_n；具体包括如下子步骤：

(2.1)设置各水库的限制使用防洪库容为其设计防洪库容，即V_k,lim＝V_k,des,k＝1、2、...、n；其中V_k,lim为调度期内水库k的限制使用防洪库容，V_k,des为水库k的设计防洪库容，n为水库个数；

(2.2)运用水库群防洪库容优化分配模型，计算各水库最大使用防洪库容V_k＝max{V_k,t,t∈T}，k＝1,2,...,n；其中V_k,t为水库k在t时段使用的防洪库容；

(3)逐步增加水库i最大使用防洪库容的减少量ΔV_i，运用水库群防洪库容优化分配模型，计算水库j的最大使用防洪库容V′_j及其最大使用防洪库容的增加量ΔV_j＝V′_j-V_j；具体包括如下子步骤：

(3.1)设置水库i的防洪库容使用限制为V_i,lim＝V_i-ΔV_i，设置水库j的防洪库容使用限制为其设计防洪库容V_j,lim＝V_j,des，设置其它水库k＝1,...,n；k≠i,k≠j的防洪库容使用限制为其最大使用防洪库容，即V_k,lim＝V_k；

(3.2)在保证水库j的最大使用防洪库容V′_j不超过其设计防洪库容的前提下，逐步增加水库i最大使用防洪库容的减少量ΔV_i，在保证下游共同防洪对象安全前提下，运用水库群防洪库容优化分配模型，计算水库j的最大使用防洪库容V′_j及其最大使用防洪库容的增加量ΔV_j＝V′_j-V_j；

(4)计算水库j对水库i防洪库容的等效比其中，水库j对水库i防洪库容的等效比是指在保证下游共同防洪对象安全前提下，水库j最大使用防洪库容增加量ΔV_j与水库i最大使用防洪库容减少量ΔV_i的比值，即

以下结合由锦屏一级、二滩、溪洛渡、向家坝、三峡5座水库和枝城防洪控制站组成的水库群防洪系统遭遇1931年100年一遇设计洪水的实施例，计算锦屏一级对三峡水库防洪库容的等效比，进一步阐述本发明所提供的获得水库防洪库容等效比的方法。该实施例中的水库群防洪系统的概化结构图如图2所示，在该实施例中，水库群防洪系统包括由锦屏一级、二滩、溪洛渡、向家坝、三峡5座水库和枝城防洪控制站。

1、以调度期内各水库防洪库容最大使用比例最小为目标，结合约束条件，建立水库群防洪库容优化分配模型如下：

其中，f为目标函数；n为水库个数；k为水库编号；V_k为水库k在调度期内最大使用防洪库容；V_k,des为水库k的设计防洪库容。

上述水库群防洪库容优化分配模型的约束条件包括：

水库水量平衡约束：

防洪控制站水量平衡约束：

水库入库或防洪控制站入站流量约束：

水库防洪库容使用限制：0≤V_k,t≤V_k,lim，k∈Γ₁；

水库起调库容限制：V_k,t＝0，t＝1,k∈Γ₁；

水库出库流量限制：

水库出库流量变幅控制：X_k,t≤X_k,max，

防洪控制站过流流量限制：

河道洪水演进约束：

其中，n为水库个数；V_k为水库k在调度期内最大使用防洪库容；V_k,des为水库k的设计防洪库容；Г₁为水库集合；Г₂为防洪控制站集合；V_k,t、V_k,t+1分别为水库k在t时段和t+1时段使用的防洪库容；Δt为调度单位时段；为水库或防洪控制站k在t时段的入库或入站流量；为水库或防洪控制站k在t时段的出库或出站流量；为水库或防洪控制站k在t时段的区间流量；Q_k,t为水库或防洪控制站k在t时段来自上游连接水库或控制站的入库或入站流量；V_k,lim为水库k在调度期内限制使用的最大防洪库容；为水库k允许最小出库流量；为水库k允许最大出库流量；X_k,t为水库k在t+1时刻与t时刻的泄流之差；X_k,max为水库k在调度单位时段内允许的最大泄流变幅；q_k为防洪控制站k允许的过流流量；c_kl,0、c_kl,1、c_kl,2为水库或防洪库容k与其上游连接水库或防洪控制站l之间的河道洪水演进参数；Ω_k表示水库或防洪控制站k上游连接水库和防洪控制站集合。

2、设置5座水库防洪库容使用限制为其设计防洪库容：V_k,lim＝V_k,des，k＝1,2,3,4,5；

3、运用水库群防洪库容优化分配模型计算锦屏一级、二滩、溪洛渡、向家坝和三峡5座水库的最大使用防洪库容V₁、V₂、V₃、V₄、V₅；

4、减少三峡水库最大使用防洪库容ΔV₅，设置三峡水库防洪库容使用限制V_5,lim＝V₅-ΔV₅，保持锦屏一级水库防洪库容使用限制为其设计防洪库容V_1,lim＝V_1,des，设置二滩、溪洛渡、向家坝3座水库防洪库容使用限制为V_2,lim＝V₂、V_3,lim＝V₃、V_4,lim＝V₄；

5、在保证下游共同防洪对象安全前提下，运用防洪库容优化分配模型，计算锦屏一级水库最大使用防洪库容V₁'，及其最大使用防洪库容的增加量ΔV₁＝V₁'-V₁；

6、计算锦屏一级水库对三峡水库防洪库容的等效比

采用上述计算水库防洪库容等效比方法对遭遇1931年100年一遇设计洪水时，计算三峡水库最大使用防洪库容分别减少1亿m³、2亿m³、3亿m³、4亿m³、5亿m³、6亿m³、7亿m³、8亿m³、9亿m³、10亿m³时，锦屏一级对三峡水库防洪库容的等效比。首先得到锦屏一级最大使用防洪库容增加量与三峡水库最大使用防洪库容减少量的关系曲线，如图3所示。根据锦屏一级与三峡水库防洪库容的增减情况，计算锦屏一级对三峡水库防洪库容的等效比与三峡水库最大使用防洪库容减少量的关系曲线，如附图4所示，锦屏一级对三峡水库防洪库容的等效比大于1，表明针对枝城防洪控制站，锦屏一级的防洪效益低于三峡的防洪效益，为枝城站削减相同的洪量，锦屏一级需要的防洪库容多于三峡水库需要的。而随着三峡水库最大使用防洪库容减少量的增加，锦屏一级对三峡水库防洪库容的等效比逐渐增大。

采用本发明提供的获得水库防洪库容等效比的方法，可以定量获得削减下游相同洪量时，上游不同水库需要使用的防洪库容，以及水库防洪库容之间的等效比；该等效比作为水库群防洪库容分配方案的科学依据，在水库群联合防洪调度时，库容调配系统根据该水库防洪库容之间的等效比来确定分配给联合防洪水库群中各水库的泄洪量，由此控制相关水库闸门的开关以及开度，调节多个水库之间的防洪库容使用量，以使得水库群整体的防洪效益达到最大，降低流域的防洪风险。

譬如水库群中的水库甲对水库乙防洪库容的等效比为1.5，在对某一场洪水进行水库群联合防洪调度时，水库甲、乙需要使用24亿m³、30亿m³的防洪库容以保障水库群下游区域的防洪安全；但水库乙当下最大允许使用的防洪库容为28亿m³；此时根据水库甲对水库乙防洪库容的等效比，确定水库乙至少要使用27亿m³的防洪库容，进而根据该防洪库容控制水库甲、乙的进水闸门开度，调节甲、乙两个水库之间的防洪库容使用量。

在获得水库防洪库容等效比后，进一步获得水库间防洪库容的防洪效益，由库容调配系统根据其中各水库的防洪效益来设置各水库防洪库容使用的优先级，根据优先级控制各水库蓄水的先后顺序。譬如：水库群中的水库甲对水库乙防洪库容的等效比为1.5，表明水库甲防洪库容防洪效益是水库乙防洪库容防洪效益的2/3，在进行水库群联合防洪调度时，由库容调配系统根据防洪效益设置这两个水库的防洪库容使用优先级，根据优先级控制乙水库先蓄水，优先使用水库乙的防洪库容，这样能使用较小的防洪库容达到同样的防洪效果。

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)

1.一种获得水库防洪库容等效比的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)以调度期内各水库防洪库容最大使用比例最小为目标，建立水库群防洪库容优化分配模型；所述水库防洪库容最大使用比例是指在调度期内水库最大使用防洪库容与水库设计防洪库容的比值；

(2)采用所述水库群防洪库容优化分配模型计算参与联合防洪调度的各水库最大使用防洪库容V₁、V₂、...、V_i、...、V_j、...、V_n；其中，下标1、2…i…j…n为水库编号；

(3)逐步增加水库i最大使用防洪库容的减少量ΔV_i，采用所述水库群防洪库容优化分配模型计算水库j的最大使用防洪库容V′_j及其最大使用防洪库容的增加量ΔV_j＝V′_j-V_j；

(4)计算水库j对水库i防洪库容的等效比水库j对水库i防洪库容的等效比是指水库j最大使用防洪库容增加量ΔV_j与水库i最大使用防洪库容减少量ΔV_i的比值。

2.如权利要求1所述的获得水库防洪库容等效比的方法，其特征在于，所述水库群防洪库容优化分配模型的目标函数如下：

其中，f为目标函数；n为水库个数；k为水库编号；V_k为水库k在调度期内最大使用防洪库容；V_k,des为水库k的设计防洪库容。

3.如权利要求1或2所述的获得水库防洪库容等效比的方法，其特征在于，所述水库群防洪库容优化分配模型的约束条件包括：

水库水量平衡约束：

防洪控制站水量平衡约束：

水库入库或防洪控制站入站流量约束：

水库防洪库容使用限制：0≤V_k,t≤V_k,lim，k∈Γ₁；

水库起调库容限制：V_k,t＝0，t＝1,k∈Γ₁；

水库出库流量限制：

水库出库流量变幅控制：X_k,t≤X_k,max，

防洪控制站过流流量限制：

河道洪水演进约束：

其中，Г₁为水库集合；Г₂为防洪控制站集合；V_k,t、V_k,t+1分别为水库k在t时段和t+1时段使用的防洪库容；Δt为调度单位时段；为水库或防洪控制站k在t时段的入库或入站流量；为水库或防洪控制站k在t时段的出库或出站流量；为水库或防洪控制站k在t时段的区间流量；Q_k,t为水库或防洪控制站k在t时段来自上游连接水库或控制站的入库或入站流量；V_k,lim为水库k在调度期内限制使用的最大防洪库容；为水库k允许最小出库流量；为水库k允许最大出库流量；X_k,t为水库k在t+1时刻与t时刻的泄流之差；X_k,max为水库k在调度单位时段内允许的最大泄流变幅；q_k为防洪控制站k允许的过流流量；c_kl,0、c_kl,1、c_kl,2为水库或防洪库容k与其上游连接水库或防洪控制站l之间的河道洪水演进参数；Ω_k表示水库或防洪控制站k上游连接水库和防洪控制站集合。

4.如权利要求1或2所述的获得水库防洪库容等效比的方法，其特征在于，步骤(2)具体包括以下步骤：

(2.1)设置各水库的防洪库容使用限制为设计防洪库容，即V_k,lim＝V_k,des,k＝1、2、...、n；其中V_k,lim为调度期内水库k的防洪库容使用限制，V_k,des为水库k的设计防洪库容，n为水库个数；

(2.2)采用水库群防洪库容优化分配模型计算各水库最大使用防洪库容V_k＝max{V_k,t,t∈T}，k＝1,2,...,n；其中V_k,t为水库k在t时段使用的防洪库容。

5.如权利要求2或3所述的获得水库防洪库容等效比的方法，其特征在于，步骤(3)具体包括以下步骤：

(3.1)设置水库i的防洪库容使用限制V_i,lim＝V_i-ΔV_i；设置水库j的防洪库容使用限制为设计防洪库容，即V_j,lim＝V_j,des，设置其它水库k＝1,...,n；k≠i,k≠j的防洪库容使用限制为最大防洪库容，即V_k,lim＝V_k；

(3.2)在保证水库j的最大使用防洪库容V′_j不超过设计防洪库容的前提下，逐步增加水库i最大使用防洪库容的减少量ΔV_i，采用水库群防洪库容优化分配模型计算水库j最大使用防洪库容V′_j及其最大使用防洪库容增加量ΔV_j＝V′_j-V_j。