CN112785151A - 串联水库联合防凌补偿调度方法及其专用系统 - Google Patents

串联水库联合防凌补偿调度方法及其专用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种串联水库联合防凌补偿调度方法及其专用系统,S1、采集串联水库及其下游河道涉及范围内的流量、输沙率、水位及断面数据、水库的特征参数和水库运行相关数据，以及流凌、封河、开河日期及冰厚、冰塞、冰坝的凌情特征数据；S2、分析计算河道凌情影响因素;S3、河道凌汛期各阶段防凌安全控制流量指标;S4、建立并存储下水库至防凌河道区间流量过程；S5、建立并存储凌汛期各阶段下水库控泄流量指标;S6、建立并储存串联水库联合防凌补偿调度模型；S7、拟定串联水库联合防凌调度方案；S8、串联水库联合防凌调度方案比选与推荐。本发明为应对河道凌汛的串联水库联合防凌补偿调度提供了一种有效途径。

Description

串联水库联合防凌补偿调度方法及其专用系统
技术领域
本发明涉及河流防凌减灾，尤其是涉及应对水库下游河道凌汛的串联水库联合防凌补偿调度方法及其专用系统。
背景技术
冬季气候寒冷地区，不少江河会出现流凌、结冰、封冻，形成凌汛。例如黄河上游宁蒙河段和下游河段由低纬度流向高纬度，凌汛期长达4～5个月，冬季封河自下而上，上游河段流凌易在封河处堵塞，形成冰塞灾害；春季开河自上而下，上游河段融化的冰、水拥向下游，形成冰凌洪水，极易在弯曲、狭窄河段卡冰结坝，造成凌汛灾害。凌汛受热力、动力、河道边界条件等多种因素影响，凌汛期时间长、各因素影响关系复杂，凌汛险情和灾害具有突发性强、难预报，天寒地冻难抢险，发生风险高、损失巨大等较为明显的特点，因此研究水库防凌调度技术、确保河道防凌安全对保障地方经济社会高质量发展、维持社会稳定等具有十分重要的意义。
通过水库控制凌汛期下泄流量，调控凌汛期河道流量是防凌的重要手段。由于凌汛发生在非汛期、持续时间长、水库综合利用要求高，使得水库需要同时考虑防凌和综合利用要求；同时水库与防凌河段区间、上下游串联水库区间一般都有天然来水和社会经济用水等因素，受气温变化影响，水库至防凌河段区间河道水流发生封冻、融化，有槽蓄水增量形成和释放过程，这些因素都直接影响水库防凌调度。文献检索表明，应对下游河道凌汛的水库防凌调度尤其是串联水库防凌补偿调度的研究十分罕见，李会安等人开展的黄河上游水库群防凌优化调度研究，主要考虑刘家峡水库防凌库容与梯级出力的关系，提出了优化刘家峡水库防凌库容方法和模拟优化模型，未研究水库以下河道凌汛控制流量和水库与河道区间流量过程影响，也未研究应对下游河道凌汛的防凌补偿调度内容。
以往的防凌调度，水库侧重出库流量，对防凌库容、特别是凌汛期不同阶段预留防凌库容研究不多；串联水库或梯级调度，多为优化梯级发电效益，基本没有串联水库联合防凌补偿调度的研究。目前，我国北方江河上梯级水库大量建设，社会经济发展对防凌安全要求高，如何考虑区间流量的复杂影响，应对水库下游河道防凌要求，科学合理的进行防凌补偿调度是水库防凌调度的关键，串联水库联合防凌补偿调度技术已成为本领域研究的重点和难点。
发明内容
本发明目的在于提供一种串联水库联合防凌补偿调度方法，本发明另一目的在于提供一种实现该防凌补偿调度方法的专用系统。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述的串联水库联合防凌调度方法，按照以下步骤进行：
S1、采集串联水库及其下游河道涉及范围内的流量、输沙率、水位及断面数据、水库的特征参数和水库运行相关数据，以及流凌、封河、开河日期及冰厚、冰塞、冰坝的凌情特征数据；
S2、分析计算河道凌情影响因素：
从动力(主要指河道流量，影响河道流量的因素包括天然来水、水库蓄量及下泄流量、社会经济用水等)、热力(主要指气温、水温等，反应为流凌、封河、开河等凌情特征日期)和河道边界条件(主要指河道及主槽过流能力，平滩流量等)方面计算分析凌情影响因素；根据凌情特征日期和凌汛期河道流量计算分析河道槽蓄水增量；
S3、河道凌汛期各阶段防凌安全控制流量指标：
根据河道防凌安全要求、社会经济及生态用水要求，建立并存储满足下游河道典型断面凌汛不同阶段防凌要求的控制流量和相应控制时间，即：通过对下游河道凌情影响因素(动力条件、河道边界、热力条件等)、凌汛演变特点和凌汛变化成因分析，确定下游河道流凌封河期、稳封期、开河期不同阶段的时间范围和相应的防凌控制流量；所述流凌封河期主要控制适宜封河流量、避免冰塞发生，所述稳封期控制水位和槽蓄水增量、避免流量忽大忽小，所述开河期由于槽蓄水增量释放，应减小河道流量、避免冰坝发生；
S4、建立并存储下水库至防凌河道区间流量过程，即：根据下游河道流凌、封河、开河的凌情特征时间和区间各断面流量过程，考虑畅流期、封冻期水流演进特性和支流来水、灌区引水与退水，计算由于河道封冻、形成槽蓄水增量对区间流量过程的影响；气温下降河道从流凌到封河，逐渐形成槽蓄水增量，区间流量为负值；河道全部封冻后，进入稳封期，区间流量稳定；气温升高后，进入开河期，河道槽蓄水增量释放，区间流量与上游来水共同形成凌洪过程；
S5、建立并存储凌汛期各阶段下水库控泄流量指标，即：基于下游河道凌汛各阶段防凌要求的控制流量指标和相应控制时间，考虑串联水库下水库出库断面至下游河道典型断面之间相应的区间流量变化过程，河道生态流量和社会经济用水要求，稳封期水库下泄流量与河道冰下过流量的关系，确定串联水库下水库出库控制断面的控制流量指标和相应控制时间；模型主要原理如下：
(1)水量平衡
Vi,t+1＝Vi,t+(Ii,t-Qi,t)×ΔTt t＝1,2,…,T i＝1,2,…,N
式中：Ii,t为第i个水库第t时段入库流量；Qi,t为第i个水库第t时段出库流量；
Vi,t为第i个水库第t时段初水库库容；
(2)串联水库间的水力联系
Ii,t＝Qi-1,t+qi,t t＝1,2,…,T i＝2,3,…,N
式中：Qi-1,t为上游水库在第t时段的出库流量；qi,t为第i个水库在第t时段的区间入流；
(3)库容约束
Vi,tmin≤Vi,t≤Vi,tmax t＝1,2,…,T i＝1,2,…,N
式中：Vi,tmin为第i个水库第t时段最小库容限制；Vi,tmax为第i个水库第t时段最大库容约束；
(4)水位约束
Zi,tmax≤Zi,防凌 i＝2,3,…,N
Zi,tend≤Zi,蓄水 i＝2,3,…,N
式中，Zi,tmax、Zi,tend分别代表第i个水库第t时段防凌控制计算最高水位及凌汛期末水库蓄水位；Zi,防洪、Zi,蓄水分别代表第i个水库防凌允许的最高水位及凌汛期末蓄水的最高水位；
(5)流量约束
Qi,tmin≤Qi,t≤Qi,tmax
对于串联水库下水库：
流凌封河期：QDi,t＝QA+QJ,t-Δt
稳封期：QDi,t∈[QA-50,QA+50]
开河关键期：max(QDi,t)≤QA-QJ,t-Δt
式中，Qi,tmax为第i个水库第t时段水库下泄流量最大限制，由下游防凌要求的控制泄量给定或水库泄洪能力、库容条件的限制；Qi,tmin为第i个水库第t时段水库下泄流量最小限制，由下游防凌要求的控制泄量给定或其他综合利用要求给定；
QDi,t代表串联水库最下游的水库在第t时段出库流量，QA代表下游河道典型断面控制流量要求，可以考虑在一定范围内的波动变化；QJ,t-Δt代表串联水库至下游河道典型断面区间考虑传播时间影响后的流量；
此外，在模型求解计算过程中还涉及到下泄流量变幅控制约束和河道安全控制流量约束：
Qi,t-Qi,t-1≤ΔQ
QJ,t-Δt+Q区间≤Q安全流量
式中，Qi,t为第i个水库第t时段水库下泄流量，Qi,t-1为第i个水库第t-1时段水库下泄流量，ΔQ为该水库允许的下泄流量变幅；Q区间为串联水库至下游河道断面区间流量，Q安全流量为下游河道断面安全过流量；
(6)边界条件
Figure BDA0002910601140000051
式中：Vi,o为第i个水库的起调库容；Vi,T为第i个水库调节末时段的库容；
(7)槽蓄水增量
ΔW＝∑(Q上-Q下)Δt
式中，ΔW为计算河段的槽蓄水增量，Q上、Q下为计算河段上、下断面单位时段的平均流量，Δt为计算时段；河段的槽蓄水增量应不大于该河段允许的槽蓄水增量最大值，即ΔW≤ΔWmax；
(8)梯级水库发电量
Figure BDA0002910601140000052
式中，E为凌汛期总发电量，Ai为第i个水库电站的综合出力系数；Qi(t)为第i个水库发电流量函数；Hi(t)为第i个水库发电水头函数；T为凌汛期总时段数；N为梯级水库总数；Δt为计算时段长；
S6、建立并储存串联水库联合防凌补偿调度模型，即：基于水量平衡原理，按照上、下串联水库联合控制防凌库容、下水库根据区间流量防凌补偿控制河道流量的调度原则，以下游河道凌汛期流量、槽蓄水增量安全可控为目标，以水库下泄流量、库水位、防凌库容条件为约束，分析河道畅流、封冻时不同流量演进特点，在考虑供水、灌溉、生态流量要求和水库发电效益的基础上，依据串联水库联合防凌补偿调度规则，构建串联水库联合防凌补偿调度模型；
S7、拟定串联水库联合防凌调度方案，求解串联水库联合防凌调度模型，建立并存储各方案串联水库联合防凌补偿调度结果；即：采用典型年和长系列分别计算，输入天然来水、社会经济及生态用水，流凌、封河、开河凌情特征日期，根据河道及主槽过流能力，以及不同方案的水库起调水位、控泄流量指标、预留防凌库容指标基础资料；并根据串联水库的防凌调度运行规则、约束条件、防凌目标，进行水库联合防凌补偿调度计算；输出串联水库水位、库容、下泄流量、河道各控制断面流量、槽蓄水增量、水库群发电量；分析各方案结果，对于不满足约束条件和计算要求的方案，重新分析拟定计算方案，直至计算结果满足设计要求；
S8、串联水库联合防凌调度方案比选与推荐:
分析各方案典型年和长系列计算结果，以防凌安全(下游河道流凌封河、稳封、开河流量和最大槽蓄水增量不超标，水库防凌库容不超标、且各阶段预留防凌库容合理等)和综合利用效益好(满足供水、灌溉等社会经济及生态用水需求，梯级发电效益高)为目标，对各计算方案结果进行分析比较，比选推荐串联水库联合防凌补偿调度方案。
实现本发明所述串联水库联合防凌补偿调度方法的专用系统，包括下述模块：
数据采集模块，用于采集所述串联水库的特征参数及水库运行相关数据，以及采集水库下游河道涉及范围内流量、输沙率、水位及断面数据，并采集流凌、封河、开河日期及冰厚、冰塞、冰坝的凌情特征数据；
凌情影响因素分析计算模块，用于接收所述数据采集模块发送的数据，从动力(河道流量，包括天然来水、水库蓄量及下泄流量、社会经济用水等)、热力(气温、水温，流凌、封河、开河等凌情特征日期等)和河道边界条件(河道及主槽过流能力等)等方面计算分析凌情影响因素，根据凌情特征日期和凌汛期河道流量计算分析河道槽蓄水增量；
河道防凌安全控制流量指标计算模块，用于通过对下游河道凌情影响因素(动力条件、河道边界、热力条件等)、凌汛演变特点和凌汛变化成因进行分析，确定下游河道流凌封河期、稳封期、开河期各阶段的时间范围和相应的防凌控制流量；
下水库至防凌河道区间流量过程计算模块，用于根据下游河道流凌、封河、开河的凌情特征时间、区间各断面流量过程，并根据畅流期、封冻期水流演进特性和支流来水、灌区引水与退水，计算由于河道封冻、形成槽蓄水增量对区间流量过程的影响；
凌汛期各阶段下水库控泄流量指标计算模块，用于基于下游河道凌汛各阶段防凌要求的控制流量指标和相应控制时间，并结合串联水库下水库出库断面至下游河道典型断面之间相应的区间流量变化过程、河道生态流量和社会经济用水要求、稳封期水库下泄流量与河道冰下过流量的关系，确定串联水库下水库出库控制断面的控制流量指标和相应控制时间；
串联水库联合防凌补偿调度模型构建模块，用于基于水量平衡原理，按照上下串联水库联合控制防凌库容、下水库区间流量防凌补偿控制河道流量的调度原则，以下游河道凌汛期流量、槽蓄水增量安全可控为目标，以水库下泄流量、库水位、防凌库容条件为约束，分析河道畅流、封冻时不同流量演进特点，在结合供水、灌溉、生态流量要求和水库发电效益的基础上，依据串联水库联合防凌补偿调度规则，构建串联水库联合防凌补偿调度模型；
串联水库联合防凌补偿调度方案计算及结果输出模块，用于采用典型年和长系列分别计算，输入天然来水、社会经济及生态用水，流凌、封河、开河的凌情特征日期、河道及主槽过流能力、各方案的水库起调水位、控泄流量指标，预留防凌库容指标基础资料；并根据串联水库的防凌调度运行规则、约束条件、防凌目标，求解串联水库联合防凌调度模型；并输出串联水库水位、库容、下泄流量、河道各控制断面流量、槽蓄水增量、水库群发电量；
串联水库联合防凌调度方案分析与比选推荐模块，用于以防凌安全(下游河道流凌封河、稳封、开河流量和最大槽蓄水增量不超标，水库防凌库容不超标、且各阶段预留防凌库容合理等)和综合利用效益好(满足供水、灌溉等社会经济及生态用水需求，梯级发电效益高)为目标，对各计算方案结果进行分析比较，比选推荐出串联水库联合防凌补偿调度方案。
本发明基于影响河道凌情的热力、动力、河道边界条件等多因素，从控制河道流量、减小致灾动力因子角度，提出凌汛期各阶段河道防凌安全控制流量指标。建立串联水库联合防凌补偿调度模型，根据来水、用水、水库至防凌河道区间过程和河道凌情特征日期等，提出凌汛期各阶段串联水库控泄流量、控制水位、预留防凌库容和河道流量、槽蓄水增量等防凌调度关键指标。考虑水库河道防凌安全和供水、灌溉、生态、发电等综合利用效益，以确保防凌安全和综合效益为目标，多方案比选提出推荐方案，为应对河道凌汛的串联水库联合防凌补偿调度提供了一种有效途径。
附图说明
图1是本发明所述方法和系统的流程框图。
图2是实施例中宁蒙河段典型年份槽蓄水增量形成与释放过程图。
图3是实施例中宁蒙河段典型断面(三湖河口断面)地形变化图。
图4是实施例中宁蒙河段典型断面凌汛期不同阶段水位流量关系图。
图5是实施例中宁蒙河段典型断面汛期、封河期水位流量关系图。
图6是实施例中2000年～2010年凌汛期刘家峡出库小川站～宁蒙河段区间平均流量过程图。
图7是实施例中龙羊峡、刘家峡水库联合防凌调度的示意图。
图8是实施例中用于展示龙羊峡、刘家峡水库联合防凌调度各阶段运行指标的示意图。
具体实施方式
为便于对本发明的进一步理解，现以黄河上游以龙羊峡、刘家峡为主的串联水库联合调度为例作进一步详细说明：
如图1所示，本发明所述串联水库联合防凌补偿调度方法，按照下述步骤进行：
S1、为应对下游宁蒙河道凌汛，采集以龙羊峡、刘家峡为主的串联水库联合防凌补偿调度分析所需数据，即：
采集龙羊峡、刘家峡等水库的特征水位、特征库容参数及水库运行调控指标等数据；采集刘家峡水库出库小川至头道拐区间干流、支流及引退水渠的流量、输沙率、含沙量、水位及断面数据；采集宁蒙河段流凌、封河、开河日期及冰厚、冰塞、冰坝情况等凌情特征数据；
S2、分析计算宁蒙河段河道凌情影响因素；从动力(主要指宁蒙河段河道流量，影响宁蒙河段河道流量的因素包括上游天然来水、龙羊峡刘家峡水库蓄量及下泄流量、宁蒙河段社会经济用水等)、热力(主要指气温、水温等，反映为宁蒙河段流凌、封河、开河等凌情特征日期)和河道边界条件(主要指宁蒙河段河道及主槽过流能力，平滩流量等)方面计算分析凌情影响因素；根据宁蒙河段凌情特征日期和凌汛期河道流量等计算分析河道槽蓄水增量；
S3、设定河道凌汛期各阶段防凌安全控制流量指标；根据河道防凌安全要求、社会经济及生态用水要求，建立并存储满足宁蒙河道典型断面凌汛不同阶段防凌要求的控制流量和相应控制时间，即：
通过对宁蒙河道凌情影响因素(动力条件、河道边界、热力条件等)、凌汛演变特点和凌汛变化成因方面分析，给出宁蒙河道流凌封河期、稳封期、开河期等不同阶段的时间范围和相应防凌控制流量指标，主要包括封河期流量、稳封期流量和开河关键期流量，流凌封河期主要控制适宜封河流量、避免冰塞发生，稳封期控制水位和槽蓄水增量、避免流量忽大忽小，开河期由于槽蓄水增量释放，应减小河道流量、避免冰坝发生；
S4、建立并存储刘家峡水库出库小川断面至宁蒙河段三湖河口断面之间相应的区间流量变化过程，即：
根据宁蒙河段流凌、封河、开河等凌情特征时间，区间各断面流量过程，考虑畅流期、封冻期水流演进特性，分析支流来水、灌区引水与退水，计算由于河道封冻、形成槽蓄水增量对区间流量过程的影响；气温下降宁蒙河段从流凌到封河，逐渐形成槽蓄水增量，区间流量为负值；河道全部封冻后，进入稳封期，区间流量稳定；气温升高后，进入开河期，宁蒙河段槽蓄水增量释放，区间流量与上游来水共同形成凌洪过程；
S5、建立并存储凌汛期各阶段刘家峡出库小川断面的控泄流量指标，即：
基于宁蒙河段三湖河口断面凌汛不同阶段防凌要求的控制流量指标和相应控制时间，考虑小川至三湖河口区间流量变化过程、河道生态流量和社会经济用水要求、稳封期水库下泄流量与河道冰下过流量的关系，确定刘家峡出库小川断面的控制流量指标和相应控制时间；
S6、建立并储存龙羊峡、刘家峡水库联合防凌调度模型，即：
基于水量平衡原理，按照龙羊峡刘家峡水库联合控制防凌库容、刘家峡水库根据区间流量防凌补偿控制宁蒙河道流量的调度原则，以宁蒙河段凌汛期流量、槽蓄水增量安全可控为目标，以两水库下泄流量、库水位防凌库容等条件为约束，分析宁蒙河段畅流、封冻时不同流量演进特点，在考虑供水、灌溉、生态流量要求和水库发电效益的基础上，依据串联水库联合防凌补偿调度规则，构建龙羊峡刘家峡水库群联合防凌调度模型；
S7、拟定龙羊峡、刘家峡水库联合防凌调度方案，求解龙羊峡、刘家峡水库联合防凌调度模型，建立并存储各方案龙羊峡、刘家峡水库联合防凌补偿调度结果；即：
采用典型年和长系列分别计算，输入宁蒙河段天然来水、社会经济及生态用水，流凌、封河、开河等凌情特征日期，河道及主槽过流能力，不同方案的水库起调水位、控泄流量指标、预留防凌库容指标等基础资料；根据龙羊峡、刘家峡水库的防凌调度运行规则、约束条件、防凌目标等，进行龙羊峡、刘家峡水库联合防凌补偿调度计算；输出龙羊峡、刘家峡水库水位、库容、下泄流量，宁蒙河段各控制断面流量、槽蓄水增量，水库群发电量等；分析各方案结果，对于不满足约束条件和计算要求的方案，重新分析拟定计算方案，直至计算结果满足要求；
S8、比选推荐龙羊峡、刘家峡水库联合防凌调度方案；
分析各方案典型年和长系列计算结果，以防凌安全(宁蒙河段流凌封河、稳封、开河流量和最大槽蓄水增量不超标，龙羊峡刘家峡水库防凌库容不超标、且各阶段刘家峡水库预留防凌库容合理等)和综合利用效益好(满足供水、灌溉等社会经济及生态用水需求，梯级发电效益高)为目标，对各计算方案的结果进行分析比较，比选推荐出龙羊峡、刘家峡水库联合防凌补偿调度方案。
本实施例分析如下：
(1)宁蒙河段凌汛阶段划分和控制流量分析
统计分析宁蒙河段历年流凌、封河、开河日期等特征时间，分析流凌封河流量、稳封期流量、开河期流量，分析宁蒙河段主槽过流能力、历年凌汛期河道水位和槽蓄水增量变化(如图2所示)，分析典型断面水位流量关系及变化(如图3～图5所示)，分析凌汛期冰塞、冰坝等险情发生时间、地点、河道流量等；对宁蒙河道凌汛演变特点、凌汛变化成因等多方面分析研究，划定宁蒙河道流凌封河期、稳封期、开河期等不同阶段时间范围分别为11月下月至12月上旬、12月上旬至2月中旬、2月下旬至3月上旬，相应防凌控制流量指标主要包括封河期流量、稳封期流量和开河关键期流量，以三湖河口断面作为宁蒙河段的代表断面，根据来水丰枯情况和2010年前后河道主槽过流能力约2000m3/s，确定其封河流量、稳封期流量分别控制在650～800m3/s、550～750m3/s，开河流量应控制不超过1000m3/s左右。
(2)刘家峡水库出库(小川断面)至三湖河口断面区间流量分析
根据宁蒙河段的防凌控制流量和时间要求，考虑水流传播，分析支流来水、灌区引水与退水以及宁蒙河段槽蓄水增量形成与释放过程等对流量过程的影响，计算得到区间流量变化(如图6所示)；刘家峡～宁蒙河段区间流量，重点分析了流凌封河期宁蒙冬灌引退水和开河期槽蓄水增量释放的影响，冬灌引水期，区间平均最大流量约500m3/s，封河前区间退水波动流量约150m3/s；稳封期区间来水变化不大；开河期，槽蓄水增量释放，形成凌洪流量。
(3)刘家峡出库(小川断面)的控泄流量指标分析
基于宁蒙河道三湖河口断面凌汛不同阶段防凌要求的控制流量指标和相应控制时间，考虑小川至三湖河口区间流量变化过程，河道生态流量和社会经济用水要求，稳封期水库下泄流量与河道冰下过流量的关系等，分析得到刘家峡出库小川断面的控制流量；流凌封河前为满足宁蒙冬灌需求，刘家峡下泄较大流量，根据不同来水条件，控制水库泄流范围1500m3/s～700m3/s；宁蒙河段适宜封河流量相应的刘家峡控泄流量为500～650m3/s，宁蒙河段稳封期安全流量相应的刘家峡控泄流量为450～600m3/s，考虑河段用水及生态流量要求条件下开河期刘家峡控泄流量为300m3/s左右。
(4)龙羊峡、刘家峡水库联合防凌调度模型构建与调度方案计算
如图7所示，构建龙羊峡、刘家峡水库联合防凌调度模型；根据龙羊峡、刘家峡水库的运行要求和防凌库容设置情况，以天然来水、社会经济及生态用水、凌情特征日期、河道及主槽过流能力、不同方案的水库起调水位等为输入条件，以下游河道凌汛期流量、槽蓄水增量安全可控为目标，以水库下泄流量、库水位、防凌库容等条件为约束，拟定不同防凌调度方案，利用模型计算分析不同防凌调度方案的计算结果，包括龙羊峡、刘家峡水库水位、库容、下泄流量、河道控制断面流量、槽蓄水增量、水库群发电量等。
表1为龙羊峡、刘家峡水库不同防凌调度方案。表2为龙羊峡、刘家峡水库不同调度方案计算结果。
表1
Figure BDA0002910601140000141
表2
Figure BDA0002910601140000142
Figure BDA0002910601140000151
(5)方案比选与推荐
以龙羊峡、刘家峡水库为主的串联水库，根据上述不同方案计算的调度运行指标分析提出推荐方案，如图8所示；由表2可知，凌汛期龙羊峡水库入库水量约31亿m3，出库水量约65亿m3，水库平均补水约34亿m3，龙刘区间平均来水10.9亿m3，刘家峡水库平均出库水量约70亿m3；封河前，刘家峡水库的最低水位由1724.8m平均降至1722.11m，11月1日～刘库最低水位期间，龙羊峡水库平均减少库内蓄水0.93亿m3，刘家峡减少库内蓄水2.81亿m3。流凌封河直至河道全部贯通，龙羊峡水库补水约27.6亿m3，刘家峡水库蓄水约10.7亿m3。
调度方案1：
在封河前可以将刘家峡水库的最低水位降至平均1722.11m，封、开河期蓄水位最高至平均1731.21m，防凌调度利用的库容为5.9亿m3～14.3亿m3。
调度方案2：
在封河前可以将刘家峡水库的最低水位降至平均1722.11m，封、开河期蓄水位最高至平均1731.19m，防凌调度利用的库容为5.9亿m3～14.7亿m3。
对比两个运用方案，相对而言，方案2利用的库容更加合理，且黄河上游梯级水库发电出力和发电量较优，作为推荐方案。
表3是龙羊峡、刘家峡水库凌汛期调度推荐方案不同来水年份的发电出力和发电量情况。
表3
Figure BDA0002910601140000161

Claims (2)

1.一种串联水库联合防凌补偿调度方法，其特征在于：包括下述步骤：
S1、采集串联水库及其下游河道涉及范围内的流量、输沙率、水位及断面数据、水库的特征参数和水库运行相关数据，以及流凌、封河、开河日期及冰厚、冰塞、冰坝的凌情特征数据；
S2、分析计算河道凌情影响因素：
从动力、热力和河道边界条件方面计算分析凌情影响因素；根据凌情特征日期和凌汛期河道流量计算分析河道槽蓄水增量；
S3、河道凌汛期各阶段防凌安全控制流量指标：
通过对下游河道凌情影响因素、凌汛演变特点和凌汛变化成因分析，确定下游河道流凌封河期、稳封期、开河期各阶段的时间范围和相应的防凌控制流量；所述流凌封河期主要控制适宜封河流量、避免冰塞发生，所述稳封期控制水位和槽蓄水增量、避免流量忽大忽小，所述开河期由于槽蓄水增量释放，应减小河道流量、避免冰坝发生；
S4、建立并存储下水库至防凌河道区间流量过程，即：根据下游河道流凌、封河、开河的凌情特征时间和区间各断面流量过程，考虑畅流期、封冻期水流演进特性和支流来水、灌区引水与退水，计算由于河道封冻、形成槽蓄水增量对区间流量过程的影响；气温下降河道从流凌到封河，逐渐形成槽蓄水增量，区间流量为负值；河道全部封冻后，进入稳封期，区间流量稳定；气温升高后，进入开河期，河道槽蓄水增量释放，区间流量与上游来水共同形成凌洪过程；
S5、建立并存储凌汛期各阶段下水库控泄流量指标，即：基于下游河道凌汛各阶段防凌要求的控制流量指标和相应控制时间，考虑串联水库下水库出库断面至下游河道典型断面之间相应的区间流量变化过程，河道生态流量和社会经济用水要求，稳封期水库下泄流量与河道冰下过流量的关系，确定串联水库下水库出库控制断面的控制流量指标和相应控制时间；模型主要原理如下：
（1）水量平衡
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE003
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE005
个水库第
Figure DEST_PATH_IMAGE006
时段入库流量；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE008
个水库第
Figure DEST_PATH_IMAGE009
时段出库流量；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE011
个水库第
Figure DEST_PATH_IMAGE012
时段初水库库容；
（2）串联水库间的水力联系
Figure DEST_PATH_IMAGE013
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE015
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为上游水库在第
Figure DEST_PATH_IMAGE017
时段的出库流量；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE019
个水库在第
Figure DEST_PATH_IMAGE020
时段的区间入流；
（3）库容约束
Figure DEST_PATH_IMAGE021
Figure DEST_PATH_IMAGE022
Figure DEST_PATH_IMAGE023
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE025
个水库第
Figure DEST_PATH_IMAGE026
时段最小库容限制；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE028
个水库第
Figure DEST_PATH_IMAGE029
时段最大库容约束；
（4）水位约束
Figure DEST_PATH_IMAGE030
Figure DEST_PATH_IMAGE031
Figure DEST_PATH_IMAGE032
Figure DEST_PATH_IMAGE033
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure DEST_PATH_IMAGE035
分别代表第
Figure DEST_PATH_IMAGE036
个水库第
Figure DEST_PATH_IMAGE037
时段防凌控制计算最高水位及凌汛期末水库蓄水位；
Figure DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure DEST_PATH_IMAGE039
分别代表第i个水库防凌允许的最高水位及凌汛期末蓄水的最高水位；
（5）流量约束
Figure DEST_PATH_IMAGE040
对于串联水库下水库：
流凌封河期：
Figure DEST_PATH_IMAGE041
稳封期：
Figure DEST_PATH_IMAGE042
开河关键期：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE045
个水库第
Figure 32803DEST_PATH_IMAGE026
时段水库下泄流量最大限制，由下游防凌要求的控制泄量给定或水库泄洪能力、库容条件的限制；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE047
个水库第
Figure DEST_PATH_IMAGE048
时段水库下泄流量最小限制，由下游防凌要求的控制泄量给定或其他综合利用要求给定；
Figure DEST_PATH_IMAGE049
代表串联水库最下游的水库在第
Figure DEST_PATH_IMAGE050
时段出库流量，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
代表下游河道典型断面控制流量要求；
Figure DEST_PATH_IMAGE052
代表串联水库至下游河道典型断面区间考虑传播时间影响后的流量；
此外，在模型求解计算过程中还涉及到下泄流量变幅控制约束和河道安全控制流量约束：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
Figure DEST_PATH_IMAGE054
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE056
个水库第
Figure DEST_PATH_IMAGE057
时段水库下泄流量，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE059
个水库第
Figure 196281DEST_PATH_IMAGE017
-1时段水库下泄流量，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
为该水库允许的下泄流量变幅；
Figure DEST_PATH_IMAGE061
为串联水库至下游河道断面区间流量，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
为下游河道断面安全过流量；
（6）边界条件
Figure DEST_PATH_IMAGE063
Figure DEST_PATH_IMAGE064
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE065
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE066
个水库的起调库容；
Figure DEST_PATH_IMAGE067
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE068
个水库调节末时段的库容；
（7）槽蓄水增量
Figure DEST_PATH_IMAGE069
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE070
为计算河段的槽蓄水增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE071
、
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为计算河段上、下断面单位时段的平均流量，
Figure DEST_PATH_IMAGE073
为计算时段；河段的槽蓄水增量应不大于该河段允许的槽蓄水增量最大值，即
Figure DEST_PATH_IMAGE074
；
（8）梯级水库发电量
Figure DEST_PATH_IMAGE075
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE076
为凌汛期总发电量
Figure DEST_PATH_IMAGE077
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE078
个水库电站的综合出力系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE079
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE080
个水库发电流量函数；
Figure DEST_PATH_IMAGE081
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE082
个水库发电水头函数；
Figure DEST_PATH_IMAGE083
为凌汛期总时段数；
Figure DEST_PATH_IMAGE084
为梯级水库总数；
Figure DEST_PATH_IMAGE085
为计算时段长；
S6、建立并储存串联水库联合防凌补偿调度模型，即：基于水量平衡原理，按照上、下串联水库联合控制防凌库容、下水库根据区间流量防凌补偿控制河道流量的调度原则，以下游河道凌汛期流量、槽蓄水增量安全可控为目标，以水库下泄流量、库水位、防凌库容条件为约束，分析河道畅流、封冻时不同流量演进特点，在考虑供水、灌溉、生态流量要求和水库发电效益的基础上，依据串联水库联合防凌补偿调度规则，构建串联水库联合防凌补偿调度模型；
S7、拟定串联水库联合防凌调度方案，求解串联水库联合防凌调度模型，建立并存储各方案串联水库联合防凌补偿调度结果；即：采用典型年和长系列分别计算，输入天然来水、社会经济及生态用水，流凌、封河、开河凌情特征日期，根据河道及主槽过流能力，以及不同方案的水库起调水位、控泄流量指标、预留防凌库容指标基础资料；并根据串联水库的防凌调度运行规则、约束条件、防凌目标，进行水库联合防凌补偿调度计算；输出串联水库水位、库容、下泄流量、河道各控制断面流量、槽蓄水增量、水库群发电量；分析各方案结果，对于不满足约束条件和计算要求的方案，重新分析拟定计算方案，直至计算结果满足设计要求；
S8、串联水库联合防凌调度方案比选与推荐:
分析各方案典型年和长系列计算结果，以防凌安全和综合利用效益为目标，对各计算方案结果进行分析比较，比选推荐出串联水库联合防凌补偿调度方案。
2.实现权利要求1所述串联水库联合防凌补偿调度方法的专用系统，包括下述模块：
数据采集模块，用于采集所述串联水库的特征参数及水库运行相关数据，以及采集水库下游河道涉及范围内流量、输沙率、水位及断面数据，并采集流凌、封河、开河日期及冰厚、冰塞、冰坝的凌情特征数据；
凌情影响因素分析计算模块，用于接收所述数据采集模块发送的数据，从动力和河道边界条件方面计算分析凌情影响因素，根据凌情特征日期和凌汛期河道流量计算分析河道槽蓄水增量；
河道防凌安全控制流量指标计算模块，用于通过对下游河道凌情影响因素、凌汛演变特点和凌汛变化成因进行分析，确定下游河道流凌封河期、稳封期、开河期各阶段的时间范围和相应的防凌控制流量；
下水库至防凌河道区间流量过程计算模块，用于根据下游河道流凌、封河、开河的凌情特征时间、区间各断面流量过程，并根据畅流期、封冻期水流演进特性和支流来水、灌区引水与退水，计算由于河道封冻、形成槽蓄水增量对区间流量过程的影响；
凌汛期各阶段下水库控泄流量指标计算模块，用于基于下游河道凌汛各阶段防凌要求的控制流量指标和相应控制时间，并结合串联水库下水库出库断面至下游河道典型断面之间相应的区间流量变化过程、河道生态流量和社会经济用水要求、稳封期水库下泄流量与河道冰下过流量的关系，确定串联水库下水库出库控制断面的控制流量指标和相应控制时间；
串联水库联合防凌补偿调度模型构建模块，用于基于水量平衡原理，按照上下串联水库联合控制防凌库容、下水库区间流量防凌补偿控制河道流量的调度原则，以下游河道凌汛期流量、槽蓄水增量安全可控为目标，以水库下泄流量、库水位、防凌库容条件为约束，分析河道畅流、封冻时不同流量演进特点，在结合供水、灌溉、生态流量要求和水库发电效益的基础上，依据串联水库联合防凌补偿调度规则，构建串联水库联合防凌补偿调度模型；
串联水库联合防凌补偿调度方案计算及结果输出模块，用于采用典型年和长系列分别计算，输入天然来水、社会经济及生态用水，流凌、封河、开河的凌情特征日期、河道及主槽过流能力、各方案的水库起调水位、控泄流量指标，预留防凌库容指标基础资料；并根据串联水库的防凌调度运行规则、约束条件、防凌目标，求解串联水库联合防凌调度模型；并输出串联水库水位、库容、下泄流量、河道各控制断面流量、槽蓄水增量、水库群发电量；
串联水库联合防凌调度方案分析与比选推荐模块，用于以防凌安全和综合利用效益为目标，对各计算方案结果进行分析比较，比选推荐出串联水库联合防凌补偿调度方案。
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