CN111461419B - 一种通航河流水库水沙联合调度方案生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种通航河流水库水沙联合调度方案生成方法,包括以下具体步骤,1)分别求解一、二维水沙数学模型,得出泥沙特征指标值;2)采用临界碍航因子、使用寿命因子和长期发电效益,确定泥沙调度优化目标;3)确定通航河流水库水沙联合调度的约束条件;4)采用优化算法得到通航河流水库水沙联合调度方案。本发明能够权衡水库泥沙调度的航道目标与其他兴利目标,并在保证水库使用寿命的前提下提高水库的综合效益,可广泛应用于通航河流水库或梯级水库的泥沙设计与多目标优化调度生产实践中。
Description
技术领域
本发明涉及水库泥沙调度技术领域,特别是涉及一种通航河流水库水沙联合调度方案生成方法。
背景技术
泥沙淤积是修建水库后必然出现的现象,与水库使用寿命、防洪安全、发电效益、工程安全等密切相关。传统水库调度对径流和泥沙联合调度重视不够,一般先由水能专业通过径流调节计算拟订初步运行方式,泥沙专业采用数学模型等预测该运行方式下泥沙淤积结果,并返回到水能专业,经过反复协调才能最终确定。水沙联合调度是满足水资源高效精细运用需求,平衡泥沙管理与兴利效益间矛盾的有效措施。
现有水沙联合调度可分为:①“蓄清排浑”调度方式改进。通过利用不同流量下水流输沙能力的差异性,采取双汛限水位、多汛限水位、平蓄洪排、汛后分期提前蓄水等方式,提高传统“蓄清排浑”调度方式的利用效率。②多目标优化方法。将水沙动力学与运筹学相结合,在水库多目标调度模型中引入泥沙模块,一般将淤积量和淤积高程作为泥沙调度的目标,以实现水库水沙联合调度。
现行方法存在的问题是:①水库泥沙调度目标侧重于水库淤积总量或某一控制段淤积高程,对通航河流因河床冲淤引起的航道条件变化没有充分考虑;②因水库泥沙淤积造成的库容变化及其对水库发电效益的长期影响少有涉及,无法定量评估水库的长期发电效益;③水库泥沙调度目标的缺乏明确的评判标准或阈值。
发明内容
本发明的目的就是针对上述背景技术的现状,基于泥沙淤积-水库效益-调度方式三者间响应关系,合理确定水库水沙联合调度中泥沙调度各子目标,以提高泥沙管理精细化水平和水库综合效益为目标,提供一种通航河流水库水沙联合调度方案生成方法。
本发明一种通航河流水库水沙联合调度方案生成方法,包括以下步骤:
(1)分别求解一、二维水沙数学模型,得出泥沙特征指标值;
(2)确定通航河流水库水沙联合调度中泥沙调度优化目标;
(3)明确通航河流水库水沙联合调度的约束条件;
(4)采用优化算法或模拟算法得到通航河流水库水沙联合调度方案。
所述步骤(1)泥沙特征指标包括水库变动回水区平衡淤积量V(θ)、水库不同时期库容曲线f(θ,t)和典型碍航河段航道条件无法满足通航要求时的水库运行时间Tnavi(θ)。
其中,θ=0,N,为水库不同运行策略,0代表设计运行策略,N为优化运行策略总数,t为水库运行时刻。
所述步骤(2)确定通航河流水库水沙联合调度中泥沙调度优化目标的具体步骤如下:
(1)确定泥沙调度的通航条件目标为临界碍航因子:
其中,DTnavi(θ)为给定水库典型碍航河段的临界碍航因子,Tnavi(θ)和Tnavi(0)分别为优化策略θ和设计运行策略下典型碍航河段航道条件无法满足通航要求时的水库运行时间。临界碍航因子DTnavi(θ)≥1表征泥沙调度的通航条件目标为,优化运行策略θ下,典型碍航河段航道条件应等于或优于水库初始设计运行策略。
(2)确定泥沙调度的长期使用目标为使用寿命因子:
其中,DV(θ)为给定水库使用寿命因子,V(θ)和V(0)分别为优化策略θ和设计运行策略下变动回水区平衡淤积量。使用寿命因子DV(θ)≤1表征泥沙调度的长期使用目标为,优化运行策略θ下,水库变动回水区平衡淤积量应小于或等于水库初始设计运行策略。
(3)确定泥沙调度的长期发电效益目标:
E(θ,t)=KQHΔt (4)
其中,为给定水库长期使用时间T内总发电效益,E(θ,t)为给定水库在优化运行策略θ下某t时刻的发电量,K为出力系数,Q为发电流量,H为发电净水头,等于水库上、下游水位差Z上-Z下再减去水头损失ΔH,水头损失ΔH可按枢纽流量~水头损失关系计算,Δt为时段长度。水库调度过程中,在给定其他条件下,下一时刻的水库水位Z上(t+1)依据上一时刻水位Z上(t)、库容曲线f(θ,t)和水量平衡关系确定,如此反复直至完成所有的时段计算为止。
水库有多个典型碍航河段时,分别选取各个典型碍航河段的临界碍航时间DTnavi作为优化目标。
本发明通航河流水库水沙联合调度方案生成方法,可广泛应用于单一水库或水库群的水沙联合调度。与现有技术相比,本发明具有以下的显著进步和突出的效果:
其一:本方法考虑泥沙冲淤对航道条件的影响,将航道调度子目标引入水库水沙联合调度,使得通航河流水库水沙联合调度得以实现;
其二:考虑因泥沙淤积导致的库容减少对水库发电效益的影响,将水库的发电目标由初期发掉效益最大优化为长期使用期间总发电效益最大;
其三:本方法泥沙调度评价指标明确,包括临界碍航因子、使用寿命因子和长期发电效益3个评价指标。
本发明提供的一种通航河流水库水沙联合调度方案生成方法,能够权衡水库泥沙航道目标与其他兴利目标,并在保证水库使用寿命的前提下提高水库的综合效益,可广泛应用于通航河流水库或梯级水库的泥沙设计与多目标优化调度生产实践中。
附图说明
图1为本发明实施例的通航河流水库水沙联合调度方案生成流程示意图。
图2为本发明实施例的泥沙调度目标各指标因子示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明:
本发明提出了一种通航河流水库水沙联合调度方案生成方法。其基本思路是:通过分别求解一、二泥沙数学模型,得出水沙联合调度中泥沙特征指标值,从而采用临界碍航因子、使用寿命因子和长期发电效益表征泥沙调度优化目标,进而在明确水沙联合调度其他约束指标的基础上,最终采用优化算法或模拟算法得到通航河流水库水沙联合调度方案。本发明技术方案提供的流程可采用计算机软件技术实现自动运行,其具体流程详见图1.
下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案做进一步具体说明。
一种通航河流水库水沙联合调度方案生成方法,包括以下步骤:
步骤1,分别求解一、二维水沙数学模型,得出泥沙特征指标值。包括步骤1.1和步骤1.2。
步骤1.1,求解以下水库一维水沙数学模型:
其中,A为河道待预测段各断面面积,g为重力加速度,R为河道各断面的水力半径,ql为河道旁侧流量,C为谢才系数,由曼宁公式计算求得n为糙率系数根据河道实际情况进行经验取值,α为恢复饱和系数,取值范围为0.01~10,ω为泥沙沉速,B为河道断面宽度,S*为河道断面挟沙力,t为时间,x为相邻两端面之间的距离。
可以得到水库变动回水区平衡淤积量V(θ)和水库长期使用期间库容曲线f(θ,t),其中θ=0,N,为水库不同运行策略,0代表设计运行策略,N为优化运行策略总数;t=0~T,为水库长期使用期间任一时刻,T为预期总使用时间。
上述一维水沙数学模型的求解方法可以有多种,本发明的一个实施例中采用四点偏心隐格式法求解上述一维水沙数学模型。
步骤1.2,求解以下平面二维水沙数学模型:
其中,U,V分别为ξ、η方向流速分量;Z为水位;H为水深;g为重力加速度;σξξ、σηη、σξη、σηξ为应力项,表达式如下:
Cξ、Cη为物理正交曲线坐标系中的拉梅系数:
f为柯氏力系数,f=2ωsinΦ,ω为地球自转角速度,Φ为河段所处纬度。
其中,S、S*为分组粒径的含沙量及挟沙力;εξ、εη为坐标向的泥沙扩散系数。
可以得到典型碍航河段航道条件无法满足通航要求时的水库运行时间Tnavi(θ),其中θ=0,N,为水库不同运行策略,0代表设计运行策略,N为优化运行策略总数。
上述二维水沙数学模型的求解方法可以有多种,本发明的一个实施例中方程的数值离散采用有限体积法,离散方程的求解基于SIMPLEC算法;在求解过程中采用了以高斯-塞德尔迭代为主的迭代算法,并配合了超松弛和欠松弛技术。
步骤2,确定通航河流水库水沙联合调度中泥沙调度优化目标。泥沙调度优化目标由通航条件目标、长期使用目标和长期发电效益目标组成,包括步骤2.1、步骤2.2和步骤2.3。
步骤2.1,确定泥沙调度的通航条件目标为临界碍航因子如下:
其中,DTnavi(θ)为给定水库典型碍航河段的临界碍航因子,Tnavi(θ)和Tnavi(0)由步骤1.2计算得出,分别为优化策略θ和设计运行策略下典型碍航河段航道条件无法满足通航要求时的水库运行时间,θ=1,N为给定水库优化设计运行策略,N为优化运行策略总数。临界碍航因子DTnavi(θ)≥1表征泥沙调度的通航条件目标为,优化运行策略θ下,典型碍航河段航道条件应等于或优于水库初始设计运行策略(如图2所示)。
步骤2.2,确定泥沙调度的长期使用目标为使用寿命因子如下:
其中,DV(θ)为给定水库使用寿命因子,V(θ)和V(0)由步骤1.1计算得出,分别为优化策略θ和设计运行策略下变动回水区平衡淤积量,θ=1,N为给定水库优化设计运行策略,N为优化运行策略总数。使用寿命因子DV(θ)≤1表征泥沙调度的长期使用目标为,优化运行策略θ下,水库变动回水区平衡淤积量应小于或等于水库初始设计运行策略(如图2所示)。
步骤2.3,确定泥沙调度的长期发电效益目标如下:
E(θ,t)=KQHΔt (16)
其中,为给定水库长期使用时间T内总发电效益(如图2所示),E(θ,t)为给定水库在优化运行策略θ下某t时刻的发电量,K为出力系数,Q为发电流量,H为发电净水头,等于水库上、下游水位差Z上-Z下再减去水头损失ΔH,水头损失ΔH可按枢纽流量~水头损失关系计算,Δt为时段长度。水库调度过程中,在给定其他条件下,下一时刻的水库水位Z上(t+1)依据上一时刻水位Z上(t)、库容曲线f(θ,t)和水量平衡关系确定,如此反复直至完成所有的时段计算为止。库容曲线f(θ,t)由步骤1.1计算得出。
步骤3,确定通航河流水库水沙联合调度的约束条件。包括步骤3.1、步骤3.2和步骤3.3。
步骤3.1,确定水量平衡约束:
QVi+1=QVi+(Q上,i-Q下,i)·Δt (16)
其中,QVi为i时段的水库库容,Q上,i和Q下,i分别为i时段的入库和出库流量,Δt为时段长度。
步骤3.2,确定水库水位约束:
步骤3.3,确定水库出库流量约束:
步骤4,采用优化算法或模拟算法得到通航河流水库水沙联合调度方案。通常水库设计阶段设计的水沙调度策略,距离最优泥沙调度目标存在较大偏差。需要使用优化算法或者模拟算法进行参数调整,使得优化策略后的水库在满足泥沙调度航道条件目标和使用寿命目标的同时长期总发电效益最大,最大程度的提高水资源精细化利用程度。
主要流程如下:
①确定需要调整的调度策略系数。
②将调度策略系数离散化,取适当步长。
③使用新的调度策略进行泥沙模拟和调度计算。
④计算临界碍航因子、使用寿命因子和长期发电效益。
⑤比较并重复②~④直到满足终止条件。
此时对应的调度策略,即为优化后的通航河流水库水沙联合调度方案。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (1)
1.一种通航河流水库水沙联合调度方案生成方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)分别求解一、二维水沙数学模型,得出泥沙特征指标值;
(2)确定通航河流水库水沙联合调度中泥沙调度优化目标;
(3)明确通航河流水库水沙联合调度的约束条件;
(4)采用优化算法或模拟算法得到通航河流水库水沙联合调度方案;
所述步骤(1)泥沙特征指标包括水库变动回水区平衡淤积量V(θ)、水库不同时期库容曲线f(θ,t)和典型碍航河段航道条件无法满足通航要求时的水库运行时间Tnavi(θ);
其中,θ为水库不同运行策略,t为水库运行时刻;
所述步骤(2)确定通航河流水库水沙联合调度中泥沙调度优化目标的具体步骤如下:
(1)确定泥沙调度的通航条件目标为临界碍航因子:
其中,DTnavi(θ)为给定水库典型碍航河段的临界碍航因子,Tnavi(θ)和Tnavi(0)分别为优化策略θ和设计运行策略下典型碍航河段航道条件无法满足通航要求时的水库运行时间;临界碍航因子DTnavi(θ)≥1表征泥沙调度的通航条件目标为,优化运行策略θ下,典型碍航河段航道条件应等于或优于水库初始设计运行策略;
(2)确定泥沙调度的长期使用目标为使用寿命因子:
其中,DV(θ)为给定水库使用寿命因子,V(θ)和V(0)分别为优化策略θ和设计运行策略下变动回水区平衡淤积量,使用寿命因子DV(θ)≤1表征泥沙调度的长期使用目标为,优化运行策略θ下水库变动回水区平衡淤积量应小于或等于水库初始设计运行策略;
(3)确定泥沙调度的长期发电效益目标:
E(θ,t)=KQHΔt (4)
其中,为给定水库长期使用时间T内总发电效益,E(θ,t)为给定水库在优化运行策略θ下某t时刻的发电量,K为出力系数,Q为发电流量,H为发电净水头,等于水库上、下游水位差Z上-Z下再减去水头损失ΔH,水头损失ΔH按枢纽流量~水头损失关系计算,Δt为时段长度,水库调度过程中,在给定其他条件下,下一时刻的水库水位Z上(t+1)依据上一时刻水位Z上(t)、库容曲线f(θ,t)和水量平衡关系确定,如此反复直至完成所有的时段计算为止;
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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