CN113361798A - 基于预泄指数的水库防洪调度方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预泄指数的水库防洪调度方法、系统及存储介质，其中方法包括：获取水库预报信息，结合水库当前蓄水状态，计算当前时段的实时预泄指数r_t；将实时预泄指数r_t与预设的预泄启动阈值r_st及预泄终止阈值r_nd进行比较；当r_t<r_st时，不启动预泄调度，进行常规调度；当r_t≥r_st时，水库启动预泄调度，计算预泄目标水量，并基于预泄目标水量将水库水量下泄；当r_t≤r_nd时，水库终止预泄调度，进行常规调度。考虑了洪量、洪峰流量及峰现时间三要素，可靠性高；明确了预泄起迄时间与预泄水量，能实现实时滚动调度，操作性强，且对不同量级洪水具有良好的适应性。

Description

基于预泄指数的水库防洪调度方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及水库防洪调度技术领域，尤其涉及一种基于预泄指数的水库防洪调度方法、系统及存储介质。

背景技术

水库防洪调度是利用水库的调蓄作用和控制能力，有计划地调蓄洪水，保障水库及下游防洪保护区的防洪安全。预泄调度是基于水文预报信息，在洪水来临前有计划地将水库水位下泄至汛限水位以下，以腾出库容来调蓄洪水。现有预泄调度技术与方法存在预泄的起迄时间判定机理不明，操作性不强等问题；预泄调度起迄对于水文要素的实时变动反应不够灵敏，难以实现动态和精细化控制；同时，不同流域和不同水库的差别，导致现有技术的可移植性差，适应性不强。因此，预泄调度起讫判断条件的标准化、简洁化、自动化还需要更深入的研究，以利于水库预泄防洪的调度实践。

发明内容

针对于现有技术的不足之处，本发明提供了一种基于预泄指数的水库防洪调度方法、系统及存储介质，可结合中短期水文预报，实现水库的实时滚动调度，对不同量级洪水具有良好的适应性。

第一方面，提供了一种基于预泄指数的水库防洪调度方法，包括：

获取水库预报信息，结合水库当前蓄水状态，计算当前时段的实时预泄指数r_t；

将实时预泄指数r_t与预设的预泄启动阈值r_st及预泄终止阈值r_nd进行比较；

当r_t<r_st时，不启动预泄调度，进行常规调度；

当r_t≥r_st时，水库启动预泄调度，通过下式计算预泄目标水量，并基于预泄目标水量将水库水量下泄；

其中，V_pre为水库t时段的预泄目标水量，V_p-pre为P％频率设计洪水下最大预泄水量；

当r_t≤r_nd时，水库终止预泄调度，进行常规调度。

进一步地，所述预泄指数r_t通过如下公式计算得到：

其中，t为时段编号；r_t为水库t时段的预泄指数，V_obj为水库t时段的目标蓄水量；V_t为水库t时段初的蓄水量；d为预报峰现时间距离现在的时段数；Q_d为预报洪峰流量；Q_p为水库设计洪峰流量；W_t为预报洪水的洪量；W_p为水库设计洪水的洪量；α₁，α₂，α₃为权重系数，α₁+α₂+α₃＝1。

进一步地，所述水库预报信息为预报期为T₀的逐时水库预报信息，其预报数据包括预报洪峰流量、预报洪峰的峰现时间、预报洪水的洪量。

进一步地，所述预泄启动阈值r_st及预泄终止阈值r_nd通过如下方法得到：

获取K场水库历史洪水过程数据，其中K为预设值；

基于目标函数和约束条件构建水库防洪优化调度模型；其中，所述目标函数为水库蓄水安全目标函数与下游防洪安全目标函数的加权和；所述约束条件包括水量平衡约束、库容约束、下泄能力约束；

将K场水库历史洪水过程数据作为水库防洪优化调度模型的输入，逐场次进行数值模拟计算，得到各场次水库历史洪水的防洪优化调度结果；

分析第k场水库历史洪水的防洪优化调度结果，逐时段计算洪水调度期间的预泄指数k-r_t；获取洪水来临前水库水位第一次低于防洪限制水位的时刻k-t_s并作为预泄开始时刻，并获取该时刻的预泄指数k-r_st；获取洪峰过后水库水位第一次下降的时刻k-t_p，在水库防洪调度的k-t_s至k-t_p阶段，预泄指数k-r_t取得最小值的时刻为第k场洪水预泄终止时刻，获取该时刻的预泄指数k-r_nd；其中，k＝1，2，3，…K；

计算所有场次水库历史洪水的预泄开始时刻的预泄指数k-r_st的平均值，得到预泄启动阈值r_st，计算所有场次水库历史洪水的预泄终止时刻的预泄指数k-r_nd的平均值，得到预泄终止阈值r_nd。

进一步地，所述水库蓄水安全目标函数如下式所示：

其中，f₁(V)表示水库蓄水量超过目标蓄水量的无量纲数；T为时段总数；△V_t为t时段蓄水量与目标蓄水量的差值；V_obj为水库t时段的目标蓄水量；V_t为水库t时段初的蓄水量；V_des为水库设计洪水位对应库容；β为水位超设计洪水位时的惩罚系数；

所述下游防洪安全目标函数如下式所示：

其中，f₂(Q)表示下游防洪控制断面的流量超过安全泄量的无量纲数；△Q_t为t时段水库超下游安全泄流量的部分流量；Q_safe为水库下游防洪控制断面的安全泄量；outQ_t为水库在t时段的平均出流；

所述目标函数为水库蓄水安全目标函数与下游防洪安全目标函数的加权和，如下式所示：

minF＝α₁f₁(V)+α₂f₂(Q)

其中，F为水库防洪优化调度模型的总目标，α₁+α₂＝1。

进一步地，所述水量平衡约束表达式如下：

V_t+1＝V_t+(inQ_t-outQ_t)△t

其中，V_t为水库t时段初的蓄水量；inQ_t为水库在t时段的平均入流；△t为t时段长度；

所述库容约束表达式如下：

V_dead≤V_t≤V_max

其中，V_dead为水库死库容；V_max为水库总库容；

所述下泄能力约束表达式如下：

outQ_t<Q_max

其中，Q_max为水库下泄能力。

进一步地，获取K场水库历史洪水过程数据时，若水库历史洪水场次小于K，则采用径流模拟器模拟生成若干场洪水过程数据，使总场次为K，且K≥50。

进一步地，在预泄调度时，若计算得到的预泄目标水量超过安全泄量，则按安全泄量将水库水量下泄。

第二方面，提供了一种基于预泄指数的水库防洪调度系统，包括：

预泄指数计算模块，用于获取水库预报信息，结合水库当前蓄水状态，计算当前时段的实时预泄指数r_t；

预泄调度模块，用于将实时预泄指数r_t与预设的预泄启动阈值r_st及预泄终止阈值r_nd进行比较；

当r_t<r_st时，不启动预泄调度，进行常规调度；

当r_t≥r_st时，水库启动预泄调度，通过下式计算预泄目标水量，并基于预泄目标水量将水库水量下泄；

其中，V_pre为水库t时段的预泄目标水量，V_p-pre为P％频率设计洪水下最大预泄水量；

当r_t≤r_nd时，水库终止预泄调度，进行常规调度。

第三方面，提供了一种计算机存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载时执行如上所述的基于预泄指数的水库防洪调度方法。

有益效果

本发明提出了一种基于预泄指数的水库防洪调度方法、系统及存储介质，该方案与水文预报结合紧密，考虑了洪量、洪峰流量及峰现时间三要素，可靠性高；基于预泄指数的防洪调度方案，以预泄指数数量化预报信息，以预泄指数随预报来水的变化而变动实现预报调度的动态控制，以优化预泄调度的起迄点的预泄指数值作为水库调度起迄判断条件，明确了预泄起迄时间，建立预泄指数调整与预泄水量的关系，明确了预泄调度的与预泄水量，能实现实时滚动调度，操作性强，且对不同量级洪水具有良好的适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的按水库防洪优化调度模型得到的流量过程及库容曲线图；

图2是本发明实施例提供的水库预泄指数阈值识别的流程图；

图3是本发明实施例提供的基于预泄指数的水库防洪调度方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供了一种基于预泄指数的水库防洪调度方法、系统及存储介质，在实施之前，需预先确定预泄指数计算方法及得到预泄启动阈值和预泄终止阈值。

预泄指数是指水库实时调度过程中指导水库实行预泄调度的参数，其与水库当前蓄水量、预报洪峰流量、预报洪峰的峰现时间、预报洪水的洪量等因素相关。预泄指数r_t通过如下公式计算得到：

其中，t为时段编号；r_t为水库t时段的预泄指数，V_obj为水库t时段的目标蓄水量；V_t为水库t时段初的蓄水量；d为预报峰现时间距离现在的时段数；Q_d为预报洪峰流量；Q_p为水库设计洪峰流量；W_t为预报洪水的洪量；W_p为水库设计洪水的洪量；α₁，α₂，α₃为权重系数，α₁+α₂+α₃＝1。

如图2所示，预泄启动阈值和预泄终止阈值通过如下方法得到：

A：获取K场水库历史洪水过程数据，其中K为预设值；若水库历史洪水场次小于K，则采用径流模拟器模拟生成若干场洪水过程数据，使总场次为K，且K≥50。径流模拟器为现有技术，在此不再赘述。

B：构建包括目标函数和约束条件的水库防洪优化调度模型；其中，所述目标函数为水库蓄水安全目标函数与下游防洪安全目标函数的加权和；所述约束条件包括水量平衡约束、库容约束、下泄能力约束。具体的：

B1：建立目标函数

B11：所述水库蓄水安全目标函数：使水库蓄水量超过目标蓄水量的值尽可能小，其表达式如下式所示：

其中，f₁(V)表示水库蓄水量超过目标蓄水量的无量纲数；T为时段总数；△V_t为t时段蓄水量与目标蓄水量的差值；V_obj为水库t时段的目标蓄水量；V_t为水库t时段初的蓄水量；V_des为水库设计洪水位对应库容；β为水位超设计洪水位时的惩罚系数；

B12：所述下游防洪安全目标函数：使下游防洪控制断面的流量超过安全泄量的值尽可能小，其表达式如下式所示：

其中，f₂(Q)表示下游防洪控制断面的流量超过安全泄量的无量纲数；△Qt为t时段水库超下游安全泄流量的部分流量；Q_safe为水库下游防洪控制断面的安全泄量；outQ_t为水库在t时段的平均出流；

B13：所述目标函数为水库蓄水安全目标函数与下游防洪安全目标函数的加权和，如下式所示：

minF＝α₁f₁(V)+α₂f₂(Q)

其中，F为水库防洪优化调度模型的总目标，α₁+α₂＝1。

B2：建立约束条件

B21：所述水量平衡约束表达式如下：

V_t+1＝V_t+(inQ_t-outQ_t)△t

其中，V_t为水库t时段初的蓄水量；inQ_t为水库在t时段的平均入流；△t为t时段长度；

B22：所述库容约束表达式如下：

V_dead≤V_t≤V_max

其中，V_dead为水库死库容；V_max为水库总库容；

B23：所述下泄能力约束表达式如下：

outQ_t<Q_max

其中，Q_max为水库下泄能力。

C：将K场水库历史洪水过程数据按逐小时历史洪水过程数据的作为水库防洪优化调度模型的输入，逐场次进行数值模拟计算，得到各场次水库历史洪水的防洪优化调度结果；

D：分析第k(k＝1，2，3，…K；K≥50)场水库历史洪水的防洪优化调度结果，逐时段计算洪水调度期间的预泄指数k-r_t，如图1所示；获取洪水来临前水库水位第一次低于防洪限制水位的时刻k-t_s并作为预泄开始时刻，并获取该时刻的预泄指数k-r_st；获取洪峰过后水库水位第一次下降的时刻k-t_p，在水库防洪调度的k-t_s至k-t_p阶段，预泄指数k-r_t(t＝t_s，t_s+1，…，t_p)取得最小值的时刻为第k场洪水预泄终止时刻，获取该时刻的预泄指数k-r_nd；

E：计算所有场次水库历史洪水的预泄开始时刻的预泄指数k-r_st(k＝1，2，3，…K；K≥50)的平均值，得到预泄启动阈值r_st，计算所有场次水库历史洪水的预泄终止时刻的预泄指数k-r_nd(k＝1，2，3，…K；K≥50)的平均值，得到预泄终止阈值r_nd。

在确定了预泄指数计算方法及得到预泄启动阈值和预泄终止阈值，即可进行基于预泄指数的水库防洪调度方案。

实施例1

如图3所示，本实施例提供了一种基于预泄指数的水库防洪调度方法，包括：

S1：获取水库预报信息，结合水库当前蓄水状态，计算当前时段的实时预泄指数r_t。所述水库预报信息为预报期为T₀的逐时水库预报信息(如未来7日逐1h数据)，输入时刻为t，其预报数据包括预报洪峰流量、预报洪峰的峰现时间、预报洪水的洪量。

S2：将实时预泄指数r_t与预设的预泄启动阈值r_st及预泄终止阈值r_nd进行比较；

S3：当r_t<r_st时，不启动预泄调度；

S31：进行常规调度(即按照水库现有调度规程进行防洪调度)；t＝t+1；

S32：判断t是否小于T₀；

S33：若t小于T₀，则返回步骤S1，再次判断是否启动预泄调度；

S34：若t大于或等于T₀，则结束防洪调度。

S4：当r_t≥r_st时，水库启动预泄调度；

S41：通过下式计算预泄目标水量V_pre：

其中，V_pre为水库t时段的预泄目标水量，V_p-pre为P％频率设计洪水下最大预泄水量；

以不超过安全泄量的前提下将水库水位下泄预泄目标水量，若计算所得的预泄目标水量V_pre大于安全泄量，以安全泄量下泄；

S42：t＝t+1，重复步骤S1，计算r_t，，判断r_t是否大于r_nd；

S43：若r_t大于r_nd，返回步骤S41；

S44：若r_t小于或等于r_nd，则终止预泄调度，进行常规调度，返回步骤S3。

实施例2

本实施例提供了一种基于预泄指数的水库防洪调度系统，包括：

预泄指数计算模块，用于获取水库预报信息，结合水库当前蓄水状态，计算当前时段的实时预泄指数r_t；

预泄调度模块，用于将实时预泄指数r_t与预设的预泄启动阈值r_st及预泄终止阈值r_nd进行比较；

当r_t<r_st时，不启动预泄调度，进行常规调度；

当r_t≥r_st时，水库启动预泄调度，通过下式计算预泄目标水量，并基于预泄目标水量将水库水量下泄；

其中，V_pre为水库t时段的预泄目标水量，V_p-pre为P％频率设计洪水下最大预泄水量；

当r_t<r_nd时，水库终止预泄调度，进行常规调度。

实施例3

本实施例提供了一种计算机存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载时执行如实施例1所述的基于预泄指数的水库防洪调度方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于预泄指数的水库防洪调度方法，其特征在于，包括：

获取水库预报信息，结合水库当前蓄水状态，计算当前时段的实时预泄指数r_t；

将实时预泄指数r_t与预设的预泄启动阈值r_st及预泄终止阈值r_nd进行比较；

当r_t<r_st时，不启动预泄调度，进行常规调度；

当r_t≥r_st时，水库启动预泄调度，通过下式计算预泄目标水量，并基于预泄目标水量将水库水量下泄；

其中，V_pre为水库t时段的预泄目标水量，V_p-pre为P％频率设计洪水下最大预泄水量；

当r_t≤r_nd时，水库终止预泄调度，进行常规调度。

2.根据权利要求1所述的基于预泄指数的水库防洪调度方法，其特征在于，所述预泄指数r_t通过如下公式计算得到：

其中，t为时段编号；r_t为水库t时段的预泄指数，V_obj为水库t时段的目标蓄水量；V_t为水库t时段初的蓄水量；d为预报峰现时间距离现在的时段数；Q_d为预报洪峰流量；Q_p为水库设计洪峰流量；W_t为预报洪水的洪量；W_p为水库设计洪水的洪量；α₁，α₂，α₃为权重系数，α₁+α₂+α₃＝1。

3.根据权利要求1所述的基于预泄指数的水库防洪调度方法，其特征在于，所述水库预报信息为预报期为T₀的逐小时水库预报信息，其预报数据包括预报洪峰流量、预报洪峰的峰现时间、预报洪水的洪量。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于预泄指数的水库防洪调度方法，其特征在于，所述预泄启动阈值r_st及预泄终止阈值r_nd通过如下方法得到：

获取K场水库历史洪水过程数据，其中K为预设值；

基于目标函数和约束条件构建水库防洪优化调度模型；其中，所述目标函数为水库蓄水安全目标函数与下游防洪安全目标函数的加权和；所述约束条件包括水量平衡约束、库容约束、下泄能力约束；

将K场水库历史洪水过程数据作为水库防洪优化调度模型的输入，逐场次进行数值模拟计算，得到各场次水库历史洪水的防洪优化调度结果；

分析第k场水库历史洪水的防洪优化调度结果，逐时段计算洪水调度期间的预泄指数k-r_t；获取洪水来临前水库水位第一次低于防洪限制水位的时刻k-t_s并作为预泄开始时刻，并获取该时刻的预泄指数k-r_st；获取洪峰过后水库水位第一次下降的时刻k-t_p，在水库防洪调度的k-t_s至k-t_p阶段，预泄指数k-r_t取得最小值的时刻为第k场洪水预泄终止时刻，获取该时刻的预泄指数k-r_nd；其中，k＝1，2，3，…K；

计算所有场次水库历史洪水的预泄开始时刻的预泄指数k-r_st的平均值，得到预泄启动阈值r_st，计算所有场次水库历史洪水的预泄终止时刻的预泄指数k-r_nd的平均值，得到预泄终止阈值r_nd。

5.根据权利要求4所述的基于预泄指数的水库防洪调度方法，其特征在于，所述水库蓄水安全目标函数如下式所示：

其中，f₁(V)表示水库蓄水量超过目标蓄水量的无量纲数；T为时段总数；△V_t为t时段蓄水量与目标蓄水量的差值；V_obj为水库t时段的目标蓄水量；V_t为水库t时段初的蓄水量；V_des为水库设计洪水位对应库容；β为水位超设计洪水位时的惩罚系数；

所述下游防洪安全目标函数如下式所示：

其中，f₂(Q)表示下游防洪控制断面的流量超过安全泄量的无量纲数；△Qt为t时段水库超下游安全泄流量的部分流量；Q_safe为水库下游防洪控制断面的安全泄量；outQ_t为水库在t时段的平均出流；

所述目标函数为水库蓄水安全目标函数与下游防洪安全目标函数的加权和，如下式所示：

minF＝α₁f₁(V)+α₂f₂(Q)

其中，F为水库防洪优化调度模型的总目标，α₁+α₂＝1。

6.根据权利要求5所述的基于预泄指数的水库防洪调度方法，其特征在于，所述水量平衡约束表达式如下：

V_t+1＝V_t+(inQ_t-outQ_t)△t

其中，V_t为水库t时段初的蓄水量；inQ_t为水库在t时段的平均入流；△t为t时段长度；

所述库容约束表达式如下：

V_dead≤V_t≤V_max

其中，V_dead为水库死库容；V_max为水库总库容；

所述下泄能力约束表达式如下：

outQ_t<Q_max

其中，Q_max为水库下泄能力。

7.根据权利要求4所述的基于预泄指数的水库防洪调度方法，其特征在于，获取K场水库历史洪水过程数据时，若水库历史洪水场次小于K，则采用径流模拟器模拟生成若干场洪水过程数据，使总场次为K，且K≥50。

8.根据权利要求1所述的基于预泄指数的水库防洪调度方法，其特征在于，在预泄调度时，若计算得到的预泄目标水量超过安全泄量，则按安全泄量将水库水量下泄。

9.一种基于预泄指数的水库防洪调度系统，其特征在于，包括：

预泄指数计算模块，用于获取水库预报信息，结合水库当前蓄水状态，计算当前时段的实时预泄指数r_t；

预泄调度模块，用于将实时预泄指数r_t与预设的预泄启动阈值r_st及预泄终止阈值r_nd进行比较；

当r_t<r_st时，不启动预泄调度，进行常规调度；

当r_t≥r_st时，水库启动预泄调度，通过下式计算预泄目标水量，并基于预泄目标水量将水库水量下泄；

其中，V_pre为水库t时段的预泄目标水量，V_p-pre为P％频率设计洪水下最大预泄水量；

当r_t≤r_nd时，水库终止预泄调度，进行常规调度。

10.一种计算机存储介质，其存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器加载时执行如权利要求1至8任一项所述的基于预泄指数的水库防洪调度方法。

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