CN110705869A - 一种基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方法 - Google Patents

一种基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方法 Download PDF

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CN110705869A CN201910932715.3A CN201910932715A CN110705869A CN 110705869 A CN110705869 A CN 110705869A CN 201910932715 A CN201910932715 A CN 201910932715A CN 110705869 A CN110705869 A CN 110705869A
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Abstract

本发明涉及一种基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方法，其包括以下步骤：(1)水库防洪调度信息收集；(2)根据水库防洪补偿调洪演算出需要做风险决策的节点时段；(3)从所述节点时段开始，根据“下游防洪安全”决策统计库区回水淹没损失E，同时根据“库区防洪安全”决策统计下游淹没损失E'；(4)比较E和E'，选择防洪补偿调度方式。所述方法可以快速识别库区或下游的洪灾损失，并将损失可接受的决策方案作为优选方案提供给管理部门。

Description

一种基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方法
技术领域
本发明属于水利水电技术领域，特别是涉及一种基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方法。
背景技术
水库防洪调度是一个多阶段、多层次、多目标的复杂决策过程，既要兼顾水库防洪和兴利调度的矛盾，又要统筹考虑梯级水库库区及下游的防洪要求。由于水库防洪制度的实时性、紧迫性和不可逆转性，使得在发生大洪水时要提早做好防洪风险决策，以最大程度地减少洪灾损失。
目前开展的水库防洪调度，大多根据既定的水库防洪控制条件，按照常规或优化求解方法计算出相应的出库流量过程，但不能快速地反映下游洪灾损失，甚至还忽略了库区回水淹没损失。例如，杨小松等(水电能源科学，2018，36(10))建立了水库库区回水计算模型，分析了水库坝前水位、来水流量等因素对库区回水的影响，结果表明水库下泄流量对于保障防洪对象防洪安全具有重要影响，有必要在实时调度过程中密切关注防洪调度进程。事实上，在面临大洪水时，在水库实时防洪调度实践中，往往会出现库区回水淹没和下游超额洪量两难处理的尴尬局面，既有库区各断面超出控制线的淹没风险，又有下游河段分洪的淹没风险，如何进行调度抉择成为防洪人员的重要难题。
因此，亟待在水库防洪调度过程中实时跟踪防洪损失，为防洪调度提供有效的风险决策。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提出了一种基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方法，可以快速识别库区或下游的洪灾损失，并将损失可接受的决策方案作为优选方案提供给管理部门。
本发明所述基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方法包括以下步骤，
(1)水库防洪调度信息收集；
(2)根据水库防洪补偿调洪演算出需要做风险决策的节点时段；
(3)从所述节点时段开始，根据“下游防洪安全”策略统计库区回水淹没损失E，同时根据“库区防洪安全”策略统计下游淹没损失E'；
(4)比较E和E'，选择淹没损失小的风险策略进行水库防洪调度。
进一步地，所述步骤(2)中，按水库对下游防洪调度方式调洪，获得各时段的坝前水位和出库流量，判断是否会出现库区回水淹没损失，如果发现已出现淹没损失，则判断该时段为节点时段。
进一步地，所述步骤(3)中，根据“下游防洪安全”策略统计库区回水淹没损失E包括以下分步骤，
(3.1a)按照防洪补偿调度方式，计算当前时段的出库流量；
(3.2a)计算当前时段的水库坝前水位；
(3.3a)依据出库流量和回水断面末端流量，插值计算当前时段的库区各回水断面流量；
(3.4a)依据水库坝前水位，计算当前时段的库区各回水断面水位；
(3.5a)计算当前时段库区各断面淹没损失；
(3.6a)按照(3.1a)-(3.5a)循环迭代，计算各时段的库区淹没损失；
(3.7a)统计库区回水淹没损失E。
进一步地，所述步骤(3)中，根据“库区防洪安全”策略统计下游淹没损失E'，包括以下分步骤，
(3.1b)按照防洪补偿调度方式，计算当前时段出库流量；
(3.2b)增加出库流量；
(3.3b)计算当前时段的水库坝前水位；
(3.4b)依据出库流量和回水断面末端流量，插值计算当前时段的库区各回水断面流量；
(3.5b)依据水库坝前水位，计算当前时段的库区各回水断面水位；
(3.6b)判断：各回水断面是否超过安全限制水位，若有任一回水断面水位超过相应安全限制水位，则重复步骤(3.2b)～(3.6b)；若所有回水断面水位均在相应安全限制水位以下，则继续进行(3.7b)；
(3.7b)统计下游淹没损失E'。
进一步地，所述步骤(3.4a)或所述步骤(3.5b)中，计算当前时段的库区各回水断面水位按照如下步骤得到：
从坝址处第1个断面开始，逐一计算下一个断面相比上一个断面的水位差值ΔZn,n+1，计算回水水位Zn+1,t＝Zn,t+ΔZn,n+1，直至获得回水断面末端的水位ZN,t；
其中，
Figure BDA0002220731890000031
in,t、in+1,t分别为t时段回水断面n和断面n+1的摩阻比降，vn,t、vn+1,t分别为t时段回水断面n和断面n+1的平均流速，g为重力常数。
进一步地，所述步骤(3.7b)为：依据下游淹没损失计算模型，统计水库下游淹没总损失E′＝f3(Q1,Q2,...,Qt,...,QT)，其中T为总的计算时段，Qt为t时段出库流量，f3()为下游损失计算函数。
本发明的有益效果：
本发明所述基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方法可以识别决策者对库区回水影响和下游防洪影响的重要性偏好，实时动态反映库区各断面水面线和下游河道断面的水面线，进而快速给出两种风险决策的洪灾损失，为实际调度中权衡协调考虑库区及下游防洪安全提供决策依据。
本发明所述基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方法针对面临大洪水时，给出了明确的基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方式；在计算中通过考虑库区回水影响和下游防洪影响，迭代计算库区回水断面水位及其控制条件，实时动态反映不同决策后的库区回水淹没损失和下游淹没损失，为实际调度中权衡协调考虑库区及下游防洪安全提供准确、快速、合理的决策依据。
本发明提出的方法具有简单、快速、实用的特点，适用于水库在面临大洪水时有效协调库区回水淹没损失和下游淹没损失，能够为防洪形势严峻时水库运行管理部门快速决策提供技术支持。
附图说明
图1为本发明所述“一种水库实时防洪补偿调度的减压控制水位确定方法”的原理流程图；
图2为本发明采用“下游防洪安全”决策进行防洪演算时的流程图；
图3为本发明采用“库区防洪安全”决策进行防洪演算时的流程图；
图4为本发明实施例1水库防洪调度过程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
本发明提供了一种水库实时防洪补偿调度的减压控制水位确定方法，具体包括以下步骤：
步骤(1)水库防洪调度信息收集。
收集水库特征参数、水库调度方式、水库水位库容曲线、水库库区及下游主要断面基本资料、下游防洪控制站安全泄量、库区及下游损失关系曲线等信息，并将之作为水库防洪调度的约束。
步骤(2)根据水库防洪补偿调洪演算出需要做风险决策的节点时段。
按水库防洪调度方式进行调洪，获得时段的坝前水位和出库流量，判断是否会出现库区回水淹没损失，如果发现已出现淹没损失，则在该时段执行“下游防洪安全”策略和“库区防洪安全”策略的调度决策。
步骤(3)结合专家意见，按照相应的防洪控制条件进行调洪演算，计算不同调度决策的洪灾损失。
当选取下游防洪安全策略时，依次按照如下步骤确定出库流量和库区回水淹没损 失：
步骤(3.1a)按照防洪补偿方式确定出库流量。
计算t时段水库至下游防洪控制站区间流量q区间,t，依据下游控制站安全限量Q安全，按照补偿方式确定t时段水库出库流量为Qt＝Q安全-q区间,t。
步骤(3.2a)计算水库坝前水位。
首先，按照水库调洪的水量平衡方程Vt＝Vt-1+(It-Qt)·Δt，得到t时段末的水库库容，其中It，Qt分别为t时段水库入库流量和出库流量，Vt-1为t-1时段末的水库库容，Δt为时段长度。
然后，由水位库容曲线插值，求得t时段末的水库水位Z1,t＝f1(Vt)，其中f1()为水位库容关系曲线插值函数。
步骤(3.3a)计算库区各回水断面流量。
根据t时段库区回水断面末端流量Q末端,t和水库出库流量Qt，按照距坝址里程插值计算t时段库区回水断面n的断面流量Qn,t＝Qt+Dn·(Q末端,t-Qt)/DN，其中DN为回水末端距坝址里程，N为设置的回水断面总数，Dn为断面n的距坝址里程。
步骤(3.4a)逐次计算库区各回水断面水位。
首先，获取回水断面n的河道糙率cn、水力半径Rn和断面面积Sn。
其次，计算t时段回水断面n的平均流速为vn,t＝Qn,t/Sn，并计算回水断面n的摩阻比降in,t＝cn 2·vn,t 2/Rn 4/3。
然后，计算回水断面n和断面n+1之间河段长度ΔLn,n+1＝Dn+1-Dn，其中Dn、Dn分别为断面n和断面n+1的距坝址里程。
再次，从坝前水位开始，逐步计算t时段回水断面n和断面n+1之间的水位差值
Figure BDA0002220731890000061
其中in,t、in+1,t分别为t时段回水断面n和断面n+1的摩阻比降，vn,t、vn+1,t分别为t时段回水断面n和断面n+1的平均流速，g为重力常数。
最后，从坝址处第1个断面开始，逐一计算下一个断面相比上一个断面的水位差值ΔZn,n+1，计算回水水位Zn+1,t＝Zn,t+ΔZn,n+1，直至获得回水断面末端的水位ZN,t。
步骤(3.5a)计算库区回水淹没损失。
比较t时段回水断面n是否超过限制线，依据库区损失关系曲线计算各断面的淹没损失En,t＝f2(Zn,t)。
步骤(3.6a)按照(3.1a)-(3.5a)循环迭代计算各时段库区淹没损失。
步骤(3.7a)统计库区回水淹没损失E。
统计库区回水淹没总损失其中T为总的计算时段，N为总的回水断面数量，f2()为库区损失关系曲线插值函数。
当选取库区防洪安全决策时，依次按照如下步骤确定出库流量和下游淹没损失：
步骤(3.1b)按照防洪补偿方式确定出库流量。
计算t时段水库至下游防洪控制站区间流量q区间,t，依据下游控制站安全限量Q安全，按照补偿方式确定t时段水库出库流量为Qt＝Q安全-q区间,t。
步骤(3.2b)在出库流量的基础上进行增大处理。
此时按照调度决策，库区会出现回水淹没，需适当加大出库流量以降低水位，令Qt＝Qt+ΔQ，其中ΔQ为出库流量加大值。
步骤(3.3b)计算水库坝前水位。
首先，按照水库调洪的水量平衡方程Vt＝Vt-1+(It-Qt)·Δt，得到t时段末的水库库容，其中It，Qt分别为t时段水库入库流量和出库流量，Vt-1为t-1时段末的水库库容，Δt为时段长度。
然后，由水位库容曲线插值，求得t时段末的水库水位Z1,t＝f1(Vt)。
步骤(3.4b)计算库区各回水断面流量。
根据t时段库区回水断面末端流量Q末端,t和水库出库流量Qt，按照距坝址里程插值计算t时段库区回水断面n的断面流量Qn,t＝Qt+Dn·(Q末端,t-Qt)/DN，其中DN为回水末端距坝址里程，N为设置的回水断面总数，Dn为断面n的距坝址里程。
步骤(3.5b)逐次计算库区各回水断面水位。
首先，获取回水断面n的河道糙率cn、水力半径Rn和断面面积Sn。
其次，计算t时段回水断面n的平均流速为vn,t＝Qn,t/Sn，并计算回水断面n的摩阻比降in,t＝cn 2·vn,t 2/Rn 4/3。
然后，计算回水断面n和断面n+1之间河段长度ΔLn,n+1＝Dn+1-Dn，其中Dn、Dn分别为断面n和断面n+1的距坝址里程。
再次，计算t时段回水断面n和断面n+1之间的水位差值
Figure BDA0002220731890000071
其中in,t、in+1,t分别为t时段回水断面n和断面n+1的摩阻比降，vn,t、vn+1,t分别为t时段回水断面n和断面n+1的平均流速，g为重力常数。
最后，从坝址处第1个断面开始，逐一计算下一个断面相比上一个断面的水位差值ΔZn,n+1，计算回水水位Zn+1,t＝Zn,t+ΔZn,n+1，直至获得回水断面末端的水位ZN,t。
步骤(3.6b)判断各回水断面是否超过限制水位。
如果均没有超过限制水位，则判定该出库流量为决策后的选用值，完成计算转步骤(3.7b)；否则转步骤(3.2b)继续加大出库流量，重新计算。
步骤(3.7b)计算下游淹没损失。
依据下游淹没损失计算模型，统计水库下游淹没总损失
E′＝f3(Q1,Q2,...,Qt,...,QT)，其中T为总的计算时段，Qt为t时段出库流量，f3()为下游损失计算函数。
步骤(4)比较“下游防洪安全”决策的库区淹没损失值E和“库区防洪安全”决策的下游淹没损失值E′，优选出损失值小的调度决策提供给水库运行管理部门，并输出该决策所对应的水库防洪调度结果，包括水位过程和流量过程，计算完毕。
实施例1
以我国长江上游某水库为例，对于某场实际发生造成较大洪灾损失的大洪水，进行基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算，包括以下步骤：
步骤(1)水库基础数据收集。
收集水库特征参数、水库调度方式、水库水位库容曲线、水库库区及下游主要断面基本资料、下游防洪控制站安全泄量、库区及下游损失关系曲线等信息，并将之作为水库防洪调度的约束。该场洪水共有31个时段，每个时段为24小时；库区共有70个回水断面，用于计算库区回水水面线，并获取了库区及下游的损失关系曲线，折合为经济损失。
步骤(2)根据水库防洪补偿调洪演算出需要做风险决策的节点时段。
依据来水情况开展水库调洪演算，随着库水位不断增加，发现在第9个时段会出现库区淹没损失，此时水库水位356m，入库流量为5900m3/s，出库流量为5356m3/s，第48～52号回水断面超过相应安全限制水位，详见下表1。
表1第40个时段库区回水淹没情况
断面序号 47 48 49 50 51 52 53
安全限制水位(m) 377 377 377.1 377.2 377.4 377.6 377.7
回水水面(m) 376.8 377.08 377.14 377.25 377.46 377.62 377.68
由上表可知，此时需要进行调度风险决策，即选取两种调度决策，即库区防洪安全策略、下游防洪安全策略。
步骤(3)从第9个时段开始，根据“下游防洪安全”策略统计库区回水淹没损失E，同时根据“库区防洪安全”策略统计下游淹没损失E'。
例如，在第9个时段，如果按照“下游防洪安全”策略，则此时下游出库流量不变化而库区回水淹没，此时段发生库区回水淹没损失。
而如果按照“库区防洪安全”策略，则此时下游出库流量需做处理，此时令出库流量增加10m3/s到5366m3/s，重新计算库水位以及各回水断面的水位和流量，发现仍有断面超过其安全限制水位。为此，继续加大出库流量并重复这一计算操作，当出库流量5396m3/s时，所有回水断面的水位均在安全限制水位以下，详见下表2。
表2第40个时段加大出库流量后库区回水淹没情况
断面序号 47 48 49 50 51 52 53
安全限制水位(m) 377 377 377.1 377.2 377.4 377.6 377.7
回水水面(m) 376.7 369.99 377.08 377.19 377.36 377.52 377.58
如此操作，直至所有计算时段均完成计算。
两种调度决策下的水库调洪过程见下图4，包括水位过程和流量过程。由图4可知，在第1-8个计算时段调洪过程相同，在第9个时段开始分别采用两种调度决策开始调洪，获得了不同的水位过程和流量过程。
步骤(4)决策方案优选输出。
由步骤(3)调洪计算和分洪损失统计可知，“下游防洪安全”调度决策的库区淹没损失值为0.23亿元，“库区防洪安全”调度决策的下游淹没损失值0.12亿元，可见，“库区防洪安全”调度决策的淹没损失值更小，可将其作为优选方案提供给水库运行管理部门。
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 (6)

1.一种基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)水库防洪调度信息收集；
(2)根据水库防洪补偿调洪演算出需要做风险决策的节点时段；
(3)从所述节点时段开始，根据“下游防洪安全”策略统计库区回水淹没损失E，同时根据“库区防洪安全”策略统计下游淹没损失E'；
(4)比较E和E'，选择淹没损失小的风险策略进行水库防洪调度。
2.根据权利要求1所述的基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方法，其特征在于：所述步骤(2)中，按水库对下游防洪调度方式调洪，获得各时段的坝前水位和出库流量，判断是否会出现库区回水淹没损失，如果发现已出现淹没损失，则判断该时段为节点时段。
3.根据权利要求1所述的基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方法，其特征在于：所述步骤(3)中，根据“下游防洪安全”策略统计库区回水淹没损失E，包括以下分步骤，
(3.1a)按照防洪补偿调度方式，计算当前时段的出库流量；
(3.2a)计算当前时段的水库坝前水位；
(3.3a)依据出库流量和回水断面末端流量，插值计算当前时段的库区各回水断面流量；
(3.4a)依据水库坝前水位，计算当前时段的库区各回水断面水位；
(3.5a)计算当前时段库区各断面淹没损失；
(3.6a)按照(3.1a)-(3.5a)循环迭代，计算各时段的库区淹没损失；
(3.7a)统计库区回水淹没损失E。
4.根据权利要求1所述的基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方法，其特征在于：所述步骤(3)中，根据“库区防洪安全”策略统计下游淹没损失E'，包括以下分步骤，
(3.1b)按照防洪补偿调度方式，计算当前时段出库流量；
(3.2b)增加出库流量；
(3.3b)计算当前时段的水库坝前水位；
(3.4b)依据出库流量和回水断面末端流量，插值计算当前时段的库区各回水断面流量；
(3.5b)依据水库坝前水位，计算当前时段的库区各回水断面水位；
(3.6b)判断：各回水断面是否超过安全限制水位，若有任一回水断面水位超过相应安全限制水位，则重复步骤(3.2b)～(3.6b)；若所有回水断面水位均在相应安全限制水位以下，则继续进行(3.7b)；
(3.7b)统计下游淹没损失E'。
5.根据权利要求3或4所述的基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方法，其特征在于：所述步骤(3.4a)或步骤(3.5b)中，计算当前时段的库区各回水断面水位按照如下步骤得到：
从坝址处第1个断面开始，逐一计算下一个断面相比上一个断面的水位差值ΔZn,n+1，计算回水水位Zn+1,t＝Zn,t+ΔZn,n+1，直至获得回水断面末端的水位ZN,t；
其中，
Figure FDA0002220731880000021
in,t、in+1,t分别为t时段回水断面n和断面n+1的摩阻比降，vn,t、vn+1,t分别为t时段回水断面n和断面n+1的平均流速，g为重力常数。
6.根据权利要求4所述的基于库区及下游风险决策反馈的水库防洪调度计算方法，其特征在于：所述步骤(3.7b)为：依据下游淹没损失计算模型，统计水库下游淹没总损失E′＝f3(Q1,Q2,...,Qt,...,QT)，其中T为总的计算时段，Qt为t时段出库流量，f3()为下游损失计算函数。
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