CN113077163B - 耦合预报的梯级水库群两阶段弃水风险评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及耦合预报的梯级水库群两阶段弃水风险评估方法,包括:对预见期内水库来水进行多情景预报;建立梯级水库两阶段弃水风险评估模型,对梯级水库预见期内、预见期外两阶段的弃水风险进行评估,耦合得到梯级水库两阶段总弃水风险;对梯级水库两阶段弃水风险评估模型进行合理性验证;对预见期内预报信息进行滚动更新,得到整个调度期的弃水风险评估结果。本发明对预见期内、外的弃水风险进行量化计算,耦合得到两阶段总弃水风险,合理评估了梯级水库群的弃水风险;本发明的方法计及预见期外的弃水风险,计算得到的弃水风险准确性更好,更符合梯级水库实际调度风险。
Description
技术领域
本发明属于水库调度风险管理领域,具体涉及一种耦合预报的梯级水库群两阶段弃水风险评估方法。
背景技术
水库弃水风险事件一直备受重视,随着气候的变化和人类活动,洪水越来越频繁,而在现有水库调节能力情况下不可避免地存在弃水风险,尤其对于调节能力较差的水库弃水风险尤为突出。对于预见期来水较大时,梯级水库面临弃水风险,水库通过蓄水方式以减少弃水风险。然而,当预见期外来水也较大时,梯级水库将面临更加严重的弃水风险。因此,如何合理定量评估弃水风险,并通过合理调度控制策略有效减少梯级弃水,对于梯级水库调度风险管理的研究是十分必要的。基于此,梯级水库弃水风险评估应该考虑预见期内的弃水风险,同时分析预见期外面临的弃水风险。如何合理量化梯级水库两阶段弃水风险是一个关键问题。
目前关于梯级水库弃水风险评估的研究多数侧重于预见期内分析,同时考虑预见期内和预见期外的弃水风险研究较少,也缺乏工程实际案例的应用分析。
因此,研究一种耦合不确定性预报的梯级水库群两阶段弃水风险评估方法。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题,提供一种耦合预报的梯级水库群两阶段弃水风险评估方法,量化计算预见期内弃水风险,并考虑预见期外弃水风险和预见期内来水情况的关联性,耦合得到预见期内、外两阶段总弃水风险,使得梯级水库弃水风险预测的预测时间段更长,且避免预见期外弃水风险预测准确性低的问题。
本发明的技术方案是耦合预报的梯级水库群两阶段弃水风险评估方法,包括以下步骤:
步骤1:对预见期内水库来水进行多情景预报;
步骤2:建立梯级水库两阶段弃水风险评估模型,对梯级水库预见期内、预见期外两阶段的弃水风险进行评估,耦合得到梯级水库两阶段总弃水风险;
步骤3:对梯级水库两阶段弃水风险评估模型进行合理性验证;
步骤4:对预见期内预报信息进行滚动更新,得到整个调度期的弃水风险评估结果。
进一步地,步骤2包括以下子步骤:
1)计算预见期内弃水风险;
根据步骤1得到的多个径流预报情景,采用梯级水库预见期内调度方案进行模拟调度,统计梯级水库弃水风险;梯级水库只要有一个水库发生弃水现象,则认为梯级水库存在弃水风险,梯级水库预见期内弃水风险的计算式如下:
式中n为水库数量,M为预见期内预报情景的数量,为第i种情景下第k个水库在时段t的下泄流量,/>为第k个水库在时段t的机组发电所耗流量;t1、t2分别表示预见期内第1、2个时段,tF表示预见期内最后一个时段;f(·)表示预报情景下梯级水库是否弃水的判断函数。
2)计算预见期外弃水风险;
基于梯级水库多年历史来水过程,采用调度图进行模拟调度,计算预见期外的弃水风险:
3)耦合得到两阶段总弃水风险;
梯级水库总弃水风险为预见期内和预见期以外两阶段弃水风险率的耦合,计算式如下:
式中M表示梯级水库在预见期内发生弃水风险的径流预报情景集合;T表示预见期内的径流预报情景中发生水库弃水现象的情景。
步骤3中,所述合理性验证,对来水入库过程的不确定性进行随机模拟,以水库水位的上、下限为边界,对水库群进行模拟调度,得到最大弃水风险率Rmax和最小弃水风险率Rmin,判断步骤2计算得到的两阶段总弃水风险RT的数值是否在区间[Rmin,Rmax]内,若满足判断条件,即
Rmin≤RT≤Rmax (5)
则说明计算得到的两阶段总弃水风险结果是合理的、适用的。
相比现有技术,本发明的有益效果是对预见期内、外的弃水风险进行量化计算,耦合得到两阶段总弃水风险,合理评估了梯级水库群的弃水风险,相比现有的仅计算预见期内弃水风险的风险评估方法,本发明的方法计及预见期外的弃水风险,计算得到的弃水风险准确性更好,更贴近梯级水库实际调度实际;本发明的方法延长了梯级水库弃水风险预测的预测期,将梯级水库的预见期长度统一,解决了梯级水库群中各水库预见期长度不一致的利用问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例的梯级水库群两阶段弃水风险评估方法的流程图。
图2a为本发明实施例不同方法计算的清江水库2016年弃水风险的示意图。
图2b为本发明实施例不同方法计算的清江水库2017年弃水风险的示意图。
图2c为本发明实施例不同方法计算的清江水库2018年弃水风险的示意图。
图2d为本发明实施例不同方法计算的清江水库2019年弃水风险的示意图。
具体实施方式
如图1所示,耦合预报的梯级水库群两阶段弃水风险评估方法,包括以下步骤:
步骤1:对预见期内水库来水进行多情景预报;
由于径流资料长度有限、预报模型存在结构误差、参数不确定性等因素,径流情景预报均存在一定的不确定性。预报方法可采用集合预报、区间预报和预报误差等预报方式描述径流预报情景。实施例基于预报误差方法,根据实际入库流量过程叠加模拟的相对预报误差得到预报情景,其中相对预报误差采用2012年第43卷《水利学报》刊登的闫宝伟等的论文“考虑洪水过程预报误差的水库防洪调度风险分析”公开的水文预报误差的概率密度函数。
步骤2:建立梯级水库两阶段弃水风险评估模型,对梯级水库预见期内、预见期外两阶段的弃水风险进行评估,耦合得到梯级水库两阶段总弃水风险;
步骤2.1:计算预见期内弃水风险;
根据步骤1得到的多个径流预报情景,采用梯级水库预见期内调度方案进行模拟调度,统计梯级水库弃水风险;梯级水库只要有一个水库发生弃水现象,则认为梯级水库存在弃水风险,梯级水库预见期内弃水风险的计算式如下:
式中n为水库数量,M为预见期内预报情景的数量,为第i种情景下第k个水库在时段t的下泄流量,/>为第k个水库在时段t的机组发电所耗流量;t1、t2分别表示预见期内第1、2个时段,tF表示预见期内最后一个时段;f(·)表示预报情景下梯级水库是否弃水的判断函数。步骤2.2:计算预见期外弃水风险;
基于梯级水库多年历史来水过程,采用调度图进行模拟调度,计算预见期外的弃水风险:
步骤2.3:耦合得到两阶段总弃水风险;
梯级水库总弃水风险为预见期内和预见期以外两阶段弃水风险率的耦合,计算式如下:
式中M表示梯级水库在预见期内发生弃水风险的径流预报情景集合;T表示预见期内的径流预报情景中发生水库弃水现象的情景。
步骤3:对梯级水库两阶段弃水风险评估模型进行合理性验证;
对来水入库过程的不确定性进行随机模拟,以水库水位的上、下限为边界,对水库群进行模拟调度,得到最大弃水风险率Rmax和最小弃水风险率Rmin,判断步骤2计算得到的两阶段总弃水风险RT的数值是否在区间[Rmin,Rmax]内,若满足判断条件,即
Rmin≤RT≤Rmax (5)
则说明计算得到的两阶段总弃水风险结果是合理的、适用的。
步骤4:对预见期内预报信息进行滚动更新,得到整个调度期的弃水风险评估结果。
实施例以清江梯级水库为例,以1951-2019年间每年的6月1日-8月31日历史来水过程为输入,并将水库运行水位最大值作为初始条件,采用本发明的弃水风险评估方法分别计算2016-2019年的弃水风险。同时,采用常规调度图进行模拟调度,统计得到最大弃水风险率Rmax和最小弃水风险率Rmin,计算结果如表1所示。由表1可见,本发明方法计算得到的清江梯级水库群弃水风险均在[Rmin,Rmax]范围内。计算结果说明通过本发明的两阶段弃水风险评估方法没有高估弃水风险,也没有低估风险。本发明的两阶段弃水风险评估模型用于评估梯级水库群弃水风险是合理的。
表1本发明方法的评估结果对比表
实施例中,随机模拟得到的径流预报情景,相对预报误差如表2所示,预见期为7天时,前3天的径流预报情景的预报误差不高于20%,后4天的预报误差不高于30%。基于径流预报情景和历史来水数据,分别评估了2016、2017、2018和2019年预见期内和两阶段的弃水风险,如图2a、2b、2c、2d所示。由图可见,随着预报信息的更新,调度决策亦滚动更新,弃水风险也呈现减小的趋势。预见期内、外两阶段的弃水风险大于仅考虑预见期的弃水风险,预见期外也有弃水风险。
表2径流预报情景的预报误差表
如图2a所示,对于2016年6月21日~8月7日,清江梯级水库在预见期内发生弃水的概率为100%,说明清江梯级水库在现有的调度方案下一定发生弃水。而在6月1日~6月20日,尽管预见期内无弃水发生,但是预见期外存在一定弃水风险,弃水风险大于50%。说明清江梯级水库在该时段的调度方案运行下,也面临弃水风险。由图2b、2c、2d可知,2017、2018和2019年在预见期可保证无弃水风险,但预见期外存在弃水风险。如2019年,清江梯级水库在预见期内均无弃水风险,但存在预见期内、外两阶段弃水风险。随着预报信息的更新,两阶段弃水风险也越来越小,说明2019年来水非常小,现有调度方案可确保水库在预见期内无弃水。实施例的结果说明了清江梯级水库弃水风险的评估考虑预见期内、外两阶段是必要的。本发明描述了梯级水库两阶段弃水风险,完善了同时考虑预见期内和预见期外的弃水风险分析理论与方法,为合理评估梯级水库弃水风险提供一种新的途径。
以上所述仅为本发明的较佳的实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的方法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 (1)
1.耦合预报的梯级水库群两阶段弃水风险评估方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:对预见期内水库来水进行多情景预报;
预报方法可采用集合预报、区间预报和预报误差描述径流预报情景,根据实际入库流量过程叠加模拟的相对预报误差得到预报情景,其中相对预报误差采用水文预报误差的概率密度函数;
步骤2:建立梯级水库两阶段弃水风险评估模型,对梯级水库预见期内、预见期外两阶段的弃水风险进行评估,耦合得到梯级水库两阶段总弃水风险;
步骤3:对梯级水库两阶段弃水风险评估模型进行合理性验证;
步骤4:对预见期内预报信息进行滚动更新,得到整个调度期的弃水风险评估结果;
预见期内、外两阶段的弃水风险大于仅考虑预见期的弃水风险;
步骤2包括以下子步骤:
1)计算预见期内弃水风险;
根据步骤1得到的多个径流预报情景,采用梯级水库预见期内调度方案进行模拟调度,统计梯级水库弃水风险;梯级水库只要有一个水库发生弃水现象,则认为梯级水库存在弃水风险,梯级水库预见期内弃水风险的计算式如下:
式中n为水库数量,M为预见期内预报情景的数量,为第i种情景下第k个水库在时段t的下泄流量,/>为第k个水库在时段t的机组发电所耗流量;t1、t2分别表示预见期内第1、2个时段,tF表示预见期内最后一个时段;f(·)表示预报情景下梯级水库是否弃水的判断函数;
2)计算预见期外弃水风险;
基于梯级水库多年历史来水过程,采用调度图进行模拟调度,计算预见期外的弃水风险:
3)耦合得到两阶段总弃水风险;
梯级水库总弃水风险为预见期内和预见期以外两阶段弃水风险率的耦合,计算式如下:
式中M表示梯级水库在预见期内发生弃水风险的径流预报情景集合;T表示预见期内的径流预报情景中发生水库弃水现象的情景;
步骤3中,所述合理性验证,对来水入库过程的不确定性进行随机模拟,以水库水位的上、下限为边界,对水库群进行模拟调度,得到最大弃水风险率Rmax和最小弃水风险率Rmin,判断步骤2计算得到的两阶段总弃水风险RT的数值是否在区间[Rmin,Rmax]内,若满足判断条件,即
Rmin≤RT≤Rmax (5)
则说明计算得到的两阶段总弃水风险结果是合理的、适用的。
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