CN114239992A - 一种水库动态汛限水位制定方法 - Google Patents

一种水库动态汛限水位制定方法 Download PDF

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CN114239992A CN202111605874.6A CN202111605874A CN114239992A CN 114239992 A CN114239992 A CN 114239992A CN 202111605874 A CN202111605874 A CN 202111605874A CN 114239992 A CN114239992 A CN 114239992A
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李二辉
白桦
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    • Y02A10/40—Controlling or monitoring, e.g. of flood or hurricane; Forecasting, e.g. risk assessment or mapping

Abstract

本发明公开了一种水库动态汛限水位制定方法。该方法首先运用聚类分析对水库汛期进行分期，然后把水库原设计汛限水位作为动态控制的极限下限值，按分期设计洪水确定的汛限水位作为动态控制的建议下限值，考虑预泄确定的汛限水位作为动态控制的极限上限值，考虑预泄和洪水预报不确定性确定的汛限水位作为动态控制的建议上限值，最后确定汛限水位动态控制范围。在确定动态汛限水位和预泄值时，通过引入整数变量把水库现有防洪调度规则表达为约束条件建立预泄优化模型。本发明提供的水库动态汛限水位制定方法提高了汛期水位动态控制的科学性和可操作性，可应用于水库防洪的精细化管理，提高水库的发电和综合利用效益。

Description

一种水库动态汛限水位制定方法
技术领域
本发明涉及防洪调度技术领域，具体为一种水库动态汛限水位制定方法。
背景技术
对于兼有防洪和发电任务的水库，一般要求汛期水位不高于汛限水位，以预留足够的防洪库容，应对可能发生的洪水。单一的汛限水位控制方式，使水库水电站在汛期处于低水头运行，并且可能在汛后无法蓄水至正常蓄水位，影响发电效益。
随着流域和水库水情自动测报系统的建设与运行、降雨预报与流域洪水预报精度的提高，防洪调度的预见性和科学性也得到提高。洪水预报调度相关的信息，最早是气象部门的降雨预报信息，随后是遥测系统提供的实际降雨信息，接着是实际降雨的净雨信息、预报的入库洪峰信息，最后是调洪最高水位信息。前期信息作为判断水库遭遇洪水的量级、改变泄流量的判断指标，甚至是提前预泄，可减小所需的防洪库容，保证水库工程上下游安全的前提下，提高汛限水位，充分利用水能或洪水资源。
然而，现有的防洪优化调度方法或分期汛限水位动态控制方法往往没有考虑水库具体的调洪规则，且受预报不确定性的影响，在实际中难以应用。
发明内容
针对现有技术在解决水库防洪调度和动态汛限水位控制方面的不足，本发明提供了一种水库动态汛限水位制定方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水库动态汛限水位制定方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤S1：重新划分汛期分期为前汛期、前过渡期、主汛期、后过渡期和后汛期；
步骤S2：水库原分期对应的各设计汛限水位作为相对应的汛期动态控制的极限下限值Zx0，
步骤S3：按分期设计洪水确定的汛限水位作为动态控制的建议下限值Zs0；
步骤S4：考虑预泄确定的汛限水位作为动态控制的极限上限值Zx1；
步骤S5：考虑预泄和洪水预报不确定性确定的汛限水位作为动态控制的建议上限值Zs1；
步骤S6：确定各分期汛限水位动态控制范围。
进一步的方案是，所述步骤S1中重新划分汛期分期具体步骤为：
以旬为单位，基于旬最大日流量、旬平均日流量、旬最大日雨量和旬雨量，运用K-means聚类方法重新划分汛期分期。
进一步的方案是，所述步骤S2中将水库原分期对应的各设计汛限水位作为相对应的汛期动态控制的极限下限值Zx0具体步骤为：
当重新划分的汛期分期与水库原汛期分期时间段完全重合，原汛期分期对应的汛限水位作为汛期动态控制的极限下限值Zx0，当重新划分的汛期分期与水库汛期分期时间段不完全重合，前汛期和后汛期选取原汛限水位较大值，前过渡期、主汛期和后过渡期选取原汛限水位较小值。
进一步的方案是，所述步骤S3中按分期设计洪水确定的汛限水位作为动态控制的建议下限值Zs0具体步骤为：
S31：对每个汛期分期的设计洪水假定不同起调的水位，水位值不小于Zx0；
S32：以步骤S31的起调水位，依据水量平衡方程和蓄泄方程进行洪水调节计算，逐时段试算，公式如下
Figure BDA0003433810930000031
其中
Figure BDA0003433810930000032
是时段平均入库流量，
Figure BDA0003433810930000033
是时段平均出库流量，Δt是洪水过程时段时间，ΔV是水库时段蓄水变化量；q＝f(V)是蓄泄方程，反应泄流量q与蓄水量V之间的关系；
S33：重复上述步骤，选取满足防洪要求的最高起调水位作为该分期汛限水位的建议下限值Zs0。
进一步的方案是，所述步骤S4中考虑预泄确定的汛限水位作为动态控制的极限上限值Zx1具体步骤为：
步骤S41：建立预泄优化模型，使预泄流量最小，避免不必要的预泄流量，以q0表示预泄流量，目标函数如下：
min q0；
步骤S42：构建约束条件，约束条件包括蓄水量限制、水量平衡和泄流量限制；
①蓄水量限制
Vmin≤vt≤Vmax
其中vt是水库在时段t初的蓄水量，Vmin和Vmax分别是水库蓄水的下限和上限，Vmin取调洪的初始库容值V0，Vmax取水库按现有调洪规则得到的最高库水位相应库容；
②水量平衡
(Qt-qt)·Δt＝vt+1-vt
vt和vt+1分别是水库在时段t初末的蓄水量，Qt是时段入库流量，qt是时段出库流量，Δt是时段时间长；
③泄流量限制
水库调洪规则表示为
qt＝qi
Vi≤vt≤Vi+1
其中qi是第i级控泄流量，Vi是第i级控泄蓄水量，Vi+1是第i+1级控泄蓄水量，对上式引入0-1变量δ，可等价转化为：
Figure BDA0003433810930000041
Figure BDA0003433810930000042
Figure BDA0003433810930000043
步骤S43：试算不同起调水位，起调水位从大到小依次取值，采用Gurobi解算器求解预泄优化模型，当求得预泄值q0不超过安全泄量，对应的起调水位作为汛限水位动态控制的极限上限值Zx1。
进一步的方案是，所述步骤S5中考虑预泄和洪水预报不确定性确定的汛限水位作为动态控制的建议上限值Zs1具体步骤为：
步骤S51：建立预泄优化模型，使预泄流量最小，避免不必要的预泄流量，以q0表示预泄流量，目标函数如下：
min q0；
步骤S52：构建约束条件，约束条件包括蓄水量限制、水量平衡和泄流量限制；
①蓄水量限制
Vmin≤vt≤Vmax
其中vt是水库在时段t初的蓄水量，Vmin和Vmax分别是水库蓄水的下限和上限，Vmin取调洪的初始库容值V0，Vmax取水库按现有调洪规则得到的最高库水位相应库容；
②水量平衡
(Q′t-qt)·Δt＝vt+1-vt
vt和vt+1分别是水库在时段t初末的蓄水量，Qt'是时段入库流量，其中Qt'为原设计洪水的时段入库流量Qt运用蒙特-卡罗随机模拟法得到的新的一组时段入库流量，qt是时段出库流量，Δt是时段时间长；
③泄流量限制
水库调洪规则表示为
qt＝qi
Vi≤vt≤Vi+1
其中qi是第i级控泄流量，Vi是第i级控泄蓄水量，Vi+1是第i+1级控泄蓄水量，对上式引入0-1变量δ，可等价转化为：
Figure BDA0003433810930000051
Figure BDA0003433810930000052
Figure BDA0003433810930000061
步骤S53：针对得到的一组时段入库流量Qt'，依次试算不同起调水位，起调水位从大到小依次取值，采用Gurobi解算器求解预泄优化模型,当求得预泄值q0不超过安全泄量，依次确定不同入库流量Qt'对应的起调水位，再选取其中起调水位数值最低值作为汛限水位动态控制的建议上限值Zs1。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明首先运用聚类分析对水库汛期进行分期，然后把水库原设计汛限水位作为动态控制的极限下限值，按分期设计洪水确定的汛限水位作为动态控制的建议下限值，考虑预泄确定的汛限水位作为动态控制的极限上限值，考虑预泄和洪水预报不确定性确定的汛限水位作为动态控制的建议上限值，最后确定汛限水位动态控制范围，在确定动态汛限水位和预泄值时，通过引入整数变量把水库现有防洪调度规则表达为约束条件建立预泄优化模型，本发明提供的水库动态汛限水位制定方法提高了汛期水位动态控制的科学性和可操作性，可应用于水库防洪的精细化管理，提高水库的发电和综合利用效益。
附图说明
图1是本发明一种水库动态汛限水位制定方法的流程图；
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明的权利要求做进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制，任何在本发明权利要求保护范围内所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求保护范围之内。
本实施例中，参阅附图1，以七一水库为例，详细说明本发明提供的一种水库动态汛限水位制定方法。
七一水库位于鄱阳湖水系信江支流，是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电、养殖等综合利用的大型水利工程。七一水库在实际管理中将汛期分为主汛期和后汛期，主汛期4月1日至6月30日的汛限水位定为159.40m，后汛期7月1日至8月31日的汛限水位定为160.40m。
按照本发明提供的一种水库动态汛限水位制定方法，具体步骤如下：
步骤S1：以旬为单位，基于旬最大日流量、旬平均日流量、旬最大日雨量和旬雨量四个指标，运用K-means聚类方法将七一水库汛期重新分期，划分为前汛期、前过渡期、主汛期、后过渡期和后汛期。七一水库汛期的分期结果为：3月-4月上旬为前汛期，4月中旬-6月上旬为前过渡期，6月中下旬为主汛期，7月上旬为后过渡期，7月中旬-9月为后汛期。
步骤S2：水库原分期对应的各设计汛限水位作为相对应的汛期动态控制的极限下限值Zx0。其中前汛期与原主汛期时间不完全重合，为了有利于发电，前汛期选取原主汛期和后汛期数值较大值，前过渡期和主汛期时间与原主汛期重合，因此前过渡期和主汛期动态控制的极限下限值Zx0取值159.4m，后过渡期和后汛期时间与原后汛期重合，因此后过渡期和后汛期动态控制的极限下限值Zx0取值160.4m，见表1。
步骤S3：依据水量平衡方程和蓄泄方程进行洪水调节计算，对每个汛期分期的设计洪水试算不同起调水位，在满足上下游防洪要求的前提下(本领域技术人员可以根据上下游防洪要求的具体情况进行设置，既避免水库的水位太高造成库区淹没，又防止水库的下泄流量过大导致下游受灾)，选取最高起调水位作为该分期汛限水位的建议下限值Zs0，见表1，具体步骤如下：
S31：对每个汛期分期的设计洪水假定不同起调的水位，水位值不小于Zx0；
S32：以步骤S31的起调水位，依据水量平衡方程和蓄泄方程进行洪水调节计算，逐时段试算，公式如下
Figure BDA0003433810930000081
其中
Figure BDA0003433810930000082
是时段平均入库流量，
Figure BDA0003433810930000083
是时段平均出库流量，Δt是洪水过程时段时间，ΔV是水库时段蓄水变化量；q＝f(V)是蓄泄方程，反应泄流量q与蓄水量V之间的关系；
S33：重复上述步骤，选取满足防洪要求的最高起调水位作为该分期汛限水位的建议下限值Zs0。
步骤S4：考虑预泄确定的汛限水位作为动态控制的极限上限值Zx1；具体步骤如下：
步骤S41：建立预泄优化模型，使预泄流量最小，避免不必要的预泄流量，以q0表示预泄流量，目标函数如下：
min q0；
步骤S42：构建约束条件，约束条件包括蓄水量限制、水量平衡和泄流量限制；
①蓄水量限制
Vmin≤vt≤Vmax
其中vt是水库在时段t初的蓄水量，Vmin和Vmax分别是水库蓄水的下限和上限，Vmin取调洪的初始库容值V0，Vmax取水库按现有调洪规则得到的最高库水位相应库容，Vmin和Vmax取值于《江西省玉山县七一水库除险加固工程初步设计报告》。
②水量平衡
(Qt-qt)·Δt＝vt+1-vt
vt和vt+1分别是水库在时段t初末的蓄水量，Qt是时段入库流量，qt是时段出库流量，Δt是时段时间长，其中Qt取值于《江西省玉山县七一水库除险加固工程初步设计报告》；
③泄流量限制
水库调洪规则表示为
qt＝qi
Vi≤vt≤Vi+1
其中qi是第i级控泄流量，Vi是第i级控泄蓄水量，Vi+1是第i+1级控泄蓄水量，表示在时段t的泄流量qt由当前时段的蓄水量vt的级别(在Vi和Vi+1之间)规定的泄流量qi确定，其中控泄蓄水量级别划分以及各级别对应的控泄流量参阅《江西省玉山县七一水库除险加固工程初步设计报告》。对上式引入0-1变量δ，可等价转化为：
Figure BDA0003433810930000091
Figure BDA0003433810930000092
Figure BDA0003433810930000101
步骤S43：试算不同起调水位，起调水位从大到小依次取值，采用Gurobi解算器求解预泄优化模型，当求得预泄值q0不超过安全泄量，对应的起调水位作为汛限水位动态控制的极限上限值Zx1，见表1。
步骤S5：考虑预泄和洪水预报不确定性确定的汛限水位作为动态控制的建议上限值Zs1；具体步骤为：
步骤S51：建立预泄优化模型，使预泄流量最小，避免不必要的预泄流量，以q0表示预泄流量，目标函数如下：
min q0；
步骤S52：构建约束条件，约束条件包括蓄水量限制、水量平衡和泄流量限制；
①蓄水量限制
Vmin≤vt≤Vmax
其中vt是水库在时段t初的蓄水量，Vmin和Vmax分别是水库蓄水的下限和上限，Vmin取调洪的初始库容值V0，Vmax取水库按现有调洪规则得到的最高库水位相应库容，Vmin和Vmax取值于《江西省玉山县七一水库除险加固工程初步设计报告》；
②水量平衡
(Q′t-qt)·Δt＝vt+1-vt
vt和vt+1分别是水库在时段t初末的蓄水量，Qt'为原设计洪水的时段入库流量Qt运用蒙特-卡罗随机模拟法得到的新的一组时段入库流量，qt是时段出库流量，Δt是时段时间长，其中Qt取值于《江西省玉山县七一水库除险加固工程初步设计报告》；
③泄流量限制
水库调洪规则表示为
qt＝qi
Vi≤vt≤Vi+1
其中qi是第i级控泄流量，Vi是第i级控泄蓄水量，Vi+1是第i+1级控泄蓄水量，表示在时段t的泄流量qt由当前时段的蓄水量vt的级别(在Vi和Vi+1之间)规定的泄流量qi确定，其中控泄蓄水量级别划分以及各级别对应的控泄流量参阅《江西省玉山县七一水库除险加固工程初步设计报告》。对上式引入0-1变量δ，可等价转化为：
Figure BDA0003433810930000111
Figure BDA0003433810930000112
Figure BDA0003433810930000113
步骤S53：针对得到的一组时段入库流量Q′t，依次试算不同起调水位，起调水位从大到小依次取值，采用Gurobi解算器求解预泄优化模型,当求得预泄值q0不超过安全泄量，依次确定不同入库流量Q′t对应的起调水位，再选取其中起调水位数值最低值作为汛限水位动态控制的建议上限值Zs1，见表1。
步骤S6：对汛期各分期的汛限水位动态控制极限下限值、建议下限值、极限上限值、建议上限值，组合在一起，作为水库防洪的汛限水位动态控制范围，见表1。
Figure BDA0003433810930000114
Figure BDA0003433810930000121
表1七一水库动态汛限水位
以上所述的仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则范围内所作的任何修改、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)

1.一种水库动态汛限水位制定方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤S1：重新划分汛期分期为前汛期、前过渡期、主汛期、后过渡期和后汛期；
步骤S2：水库原分期对应的各设计汛限水位作为相对应的汛期动态控制的极限下限值Zx0，
步骤S3：按分期设计洪水确定的汛限水位作为动态控制的建议下限值Zs0；
步骤S4：考虑预泄确定的汛限水位作为动态控制的极限上限值Zx1；
步骤S5：考虑预泄和洪水预报不确定性确定的汛限水位作为动态控制的建议上限值Zs1；
步骤S6：确定各分期汛限水位动态控制范围。
2.根据权利要求1所述的一种水库动态汛限水位制定方法，其特征在于，所述步骤S1中重新划分汛期分期具体步骤为：
以旬为单位，基于旬最大日流量、旬平均日流量、旬最大日雨量和旬雨量，运用K-means聚类方法重新划分汛期分期。
3.根据权利要求1所述的一种水库动态汛限水位制定方法，其特征在于，所述步骤S2中将水库原分期对应的各设计汛限水位作为相对应的汛期动态控制的极限下限值Zx0具体步骤为：
当重新划分的汛期分期与水库原汛期分期时间段完全重合，原汛期分期对应的汛限水位作为汛期动态控制的极限下限值Zx0，当重新划分的汛期分期与水库汛期分期时间段不完全重合，前汛期和后汛期选取原汛限水位较大值，前过渡期、主汛期和后过渡期选取原汛限水位较小值。
4.根据根据权利要求1所述的一种水库动态汛限水位制定方法，其特征在于，所述步骤S3中按分期设计洪水确定的汛限水位作为动态控制的建议下限值Zs0具体步骤为：
S31：对每个汛期分期的设计洪水假定不同起调的水位，水位值不小于Zx0；
S32：以步骤S31的起调水位，依据水量平衡方程和蓄泄方程进行洪水调节计算，逐时段试算，公式如下
Figure FDA0003433810920000021
其中
Figure FDA0003433810920000022
是时段平均入库流量，
Figure FDA0003433810920000023
是时段平均出库流量，Δt是洪水过程时段时间，ΔV是水库时段蓄水变化量；q＝f(V)是蓄泄方程，反应泄流量q与蓄水量V之间的关系；
S33：重复上述步骤，选取满足防洪要求的最高起调水位作为该分期汛限水位的建议下限值Zs0。
5.根据权利要求1所述的一种水库动态汛限水位制定方法，其特征在于，所述步骤S4中考虑预泄确定的汛限水位作为动态控制的极限上限值Zx1具体步骤为：
步骤S41：建立预泄优化模型，使预泄流量最小，避免不必要的预泄流量，以q0表示预泄流量，目标函数如下：
min q0；
步骤S42：构建约束条件，约束条件包括蓄水量限制、水量平衡和泄流量限制；
①蓄水量限制
Vmin≤vt≤Vmax
其中vt是水库在时段t初的蓄水量，Vmin和Vmax分别是水库蓄水的下限和上限，Vmin取调洪的初始库容值V0，Vmax取水库按现有调洪规则得到的最高库水位相应库容；
②水量平衡
(Qt-qt)·Δt＝vt+1-vt
vt和vt+1分别是水库在时段t初末的蓄水量，Qt是时段入库流量，qt是时段出库流量，Δt是时段时间长；
③泄流量限制
水库调洪规则表示为
qt＝qi
Vi≤vt≤Vi+1
其中qi是第i级控泄流量，Vi是第i级控泄蓄水量，Vi+1是第i+1级控泄蓄水量，对上式引入0-1变量δ，可等价转化为：
Figure FDA0003433810920000031
Figure FDA0003433810920000032
Figure FDA0003433810920000033
步骤S43：试算不同起调水位，起调水位从大到小依次取值，采用Gurobi解算器求解预泄优化模型，当求得预泄值q0不超过安全泄量，对应的起调水位作为汛限水位动态控制的极限上限值Zx1。
6.根据根据权利要求1所述的一种水库动态汛限水位制定方法，其特征在于，所述步骤S5中考虑预泄和洪水预报不确定性确定的汛限水位作为动态控制的建议上限值Zs1具体步骤为：
步骤S51：建立预泄优化模型，使预泄流量最小，避免不必要的预泄流量，以q0表示预泄流量，目标函数如下：
min q0；
步骤S52：构建约束条件，约束条件包括蓄水量限制、水量平衡和泄流量限制；
①蓄水量限制
Vmin≤vt≤Vmax
其中vt是水库在时段t初的蓄水量，Vmin和Vmax分别是水库蓄水的下限和上限，Vmin取调洪的初始库容值V0，Vmax取水库按现有调洪规则得到的最高库水位相应库容；
②水量平衡
(Q′t-qt)·Δt＝vt+1-vt
vt和vt+1分别是水库在时段t初末的蓄水量，Q′t是时段入库流量，其中Q′t为原设计洪水的时段入库流量Qt运用蒙特-卡罗随机模拟法得到的新的一组时段入库流量，qt是时段出库流量，Δt是洪水过程时段时间长；
③泄流量限制
水库调洪规则表示为
qt＝qi
Vi≤vt≤Vi+1
其中qi是第i级控泄流量，Vi是第i级控泄蓄水量，Vi+1是第i+1级控泄蓄水量，对上式引入0-1变量δ，可等价转化为：
Figure FDA0003433810920000051
Figure FDA0003433810920000052
Figure FDA0003433810920000053
步骤S53：针对得到的一组时段入库流量Q′t，依次试算不同起调水位，起调水位从大到小依次取值，采用Gurobi解算器求解预泄优化模型,当求得预泄值q0不超过安全泄量，依次确定不同入库流量Q′t对应的起调水位，再选取其中起调水位数值最低值作为汛限水位动态控制的建议上限值Zs1。
CN202111605874.6A 2021-12-25 2021-12-25 一种水库动态汛限水位制定方法 Pending CN114239992A (zh)

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