CN116307261B - 一种水库防洪调度评估系统及其调度评估方法 - Google Patents

一种水库防洪调度评估系统及其调度评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水库防洪调度评估系统及其调度评估方法，属于水库调度评估技术领域。包括以下步骤：获取n处水库的水库信息，其中n≥2；创建水库水位约束条件；获取水库各个控制点的决策变量因素，计算得到对应的权重值；将权重值进行加权求和得到决策变量指数Kn；将各调度方案中各水库对应的决策变量指数Kn进行无重叠加权求和得到各调度方案的调度值ki‑c；将所述调度值ki‑c进行降序排列得到调度方案执行的优先级，选取优先级最高的方案完成调度。本发明通过获取对应水库的约束条件和决策变量，结合对应水库各个控制点决策变量加权求和得出对应值，用于衡量流域整体洪水过程平缓程度，并以此为联合调度的最优方案。

Description

一种水库防洪调度评估系统及其调度评估方法
技术领域
本发明属于水库调度评估技术领域，具体涉及一种水库防洪调度评估系统及其调度评估方法。
背景技术
利用水库的调蓄作用和控制能力，有计划地控制调节洪水，以避免下游防洪区的洪灾损失，不承担防洪任务的水库，为保证工程本身的防洪安全而采取的调度运用措施，水库群联合调度可充分利用各水利工程的防洪作用，最大限度减小洪灾损失。
现有的水库群联合调度的过程中，遇到下垫面和降雨时空分布不均匀的情况时，导致库容曲线不确定，防洪安全造成了一定的隐患，而目前通常采用随机模拟方法和解析，配合水库的模拟调度，通过概率计算预定水位高度，该种方法的精确度比较低，无法使水库群达到最优的防洪调度效果。
发明内容
发明目的：提供一种水库防洪调度评估系统及其调度评估方法，解决了现有技术存在的上述问题。
技术方案：一种水库防洪调度评估方法，包括以下步骤：
获取n处水库的水库信息，其中n≥2；对每个水库执行以下操作：创建水库的水位约束条件：每个水库的实时最高水位不超过对应的预定水位；获取水库的各个控制点的决策变量因素，并计算得到每个决策变量因素的权重值；将权重值进行加权求和得到关于水库的决策变量指数Kn；
利用水库n及对应的决策变量指数Kn创建联合水库调度评判标准，基于联合水库调度评判标准生成不同调度方案的优先级排序；
其中，所述联合水库调度评判标准的创建流程如下：将所述水库n对应的决策变量指数Kn进行两两无重叠加权求和得到对应的调度值ki-c；并将所述调度值ki-c进行降序排列得到不同调度方案的调度优先级排序，水库按照优级的调度方案完成调度；其中，i、c均为水库的编号。
优选的，所述决策变量指数的计算公式如下：
；
式中：Bj为决策变量因素j的权重值，Ij为决策变量因素j指标的标准化值，Zi（t）为水库i的实时最高水位，1≤i≤n，Zi，max为水库i的预定水位；
其中，所述决策变量因素j至少包括：超汛限历时、下泄洪峰流量和下游淹没面积。
优选的，所述各控制点决策变量因素加权求和计算公式如下： ，
式中，Hn为n水库的权重，Kn为n水库的决策变量指数。
优选的，所述标准化值Ij是通过对所述决策变量因素进行赋分直接得到。
优选的，所述超汛限历时的赋分标准为：获取标准状态下超汛限历时占整场洪水总时长的比例，得到对应的标准比例，按照预设的计算方式，计算出标准比例对应的评分值，获取实时超汛限历时和整场洪水总时长，计算实时超汛限历时占整场洪水总时长的比重得到对应的实时比例，将实时比例与标准比例匹配，得到对应的评分值，即为标准化值Ij；
所述下泄洪峰流量的赋分标准为：获取标准状态下下泄洪峰流量与河道泄洪能力之间的倍数关系得到标准倍数，按照预设的计算方式，计算出对应标准倍数的评分值；获取当前下泄洪峰流量，计算当前下泄洪峰流量和河道泄洪能力之间的实时倍数，将实时倍数与标准倍数匹配，得到对应的评分值，即为标准化值Ij；
所述下游淹没面积的赋分标准为：获取标准下游淹没水深在指定水位以上的区域总面积时，下游淹没面积占最大受淹面积的比例得到对应的标准比例，按照预设的计算方式，计算出标准比例对应的评分值，获取实时下游淹没面积和最大受淹面积，计算实时下游淹没面积占最大受淹面积的比重得到对应的实时比例，将实时比例与标准比例匹配，得到对应的评分值，即为标准化值Ij。
优选的，在调度过程中，获取对应水库的自由表面水流运动规律、自由表面水体流动的范围与水深之间的关系、以及水库与水库之间的流量交换的关系，创建水动力模型，通过水动力模型对目标水库的水流受力与运动相互关系进行计算，检验联合水库调度优先级的精准度；
所述水动力模型至少包括一维水动力模型、二维水动力模型和堤岸溢流的计算；当水库的自由表面的浅水体中出现渐变不恒定水流运动时，则采用水动力模型中一维水动力模型对该水库水流的加速度进行计算；当水库自由表面水体流动的范围大于水深，则采用二维水动力模型对该水库进行三角化方法进行网格剖分；当水库与水库之间有流量交换时，则采用堤岸溢流的经验计算公式判断上限满溢量。
优选的，所述一维水动力模型对该水库水流的加速度进行计算的计算公式如下：
；
式中：B为断面河宽，Q为浅水体中的水流量，Z为水位，A为过水断面面积，h1为水深，S0为河底比降，Sf为摩阻比降，u1为断面平均流速，t为时间，e为距固定断面的距离，g为重力加速度；其中，该计算公式具有以下基本假设：
①假设断面水面在河道宽度方向上水平；
②流速沿整个过水断面或垂线均匀分布，可用其平均值代替，不考虑水流垂直方向的交换和垂直加速度,从而可假设水压力呈静水压力分布，即与水深成正比；
③河床比降小，其倾角的正切与正弦值近似相等；
④水流为渐变流动，水面曲线近似水平，此外，在计算不恒定的摩阻比降时，常假设可近似采用恒定流的有关公式；
⑤水的密度为常数。
优选的，所述二维水动力模型对该水库进行三角化方法进行网格剖分的计算公式如下：
连续性方程
；
动量方程包括x和y两个方向，其中，
x方向：
；
y方向：
；
式中，h为水深，u为x方向的流速，v为y方向的流速，为流体运动粘度，q为深水体 中的水流量；
sx和sy为源项，sx的表达式为：
；
sy的表达式为：
；
τbx和τby为x和y方向的阻力，τbx的表达式为：
；
τby的表达式为：
；
式中，a为糙率。
优选的，当水库与水库之间有流量交换时，获取其中一水库的实时水位和该水库堤防高程，用以判断该水库流量交换时水流方向为自由出流或淹没出流，并计算出对应的漫溢量，其计算方法如下：
自由出流公式：
；
淹没出流公式：
；
式中，m为流量系数，b为堰宽，H0为堰上水头，σs为淹没系数，g为重力加速度；
其中，流出为正值，流入为负值。
一种计算机设备，所述计算机包括存储器和处理器，所述存储器内存储有计算机可读取的执行程序；
所述处理器执行所述存储器内存储的执行程序来实现上述所述方法的步骤。
有益效果：本发明涉及一种水库防洪调度评估系统及其调度评估方法，通过创建水库水位的约束条件并获取各个控制点的决策变量因素，计算得到对应的决策变量指数，利用水库及对应的决策变量指数创建联合水库调度评判标准并进行优先级排序，并按优级的调度方案完成水库的联合调度，使对应流域内的洪水能够平缓地通过，降低洪灾损失。
附图说明
图1为本发明中水库防洪调度评估方法的流程线框图。
具体实施方式
如图1所示，一种水库防洪调度评估方法，包括以下步骤：获取n处水库的水库信息，其中n≥2；对每个水库执行以下操作：创建水库的水位约束条件：每个水库的实时最高水位不超过对应的预定水位；获取水库的各个控制点的决策变量因素，并计算得到每个决策变量因素的权重值；将权重值进行加权求和得到关于水库的决策变量指数Kn；利用水库n及对应的决策变量指数Kn创建联合水库调度评判标准，基于联合水库调度评判标准生成不同调度方案的优先级排序；
其中，所述联合水库调度评判标准的创建流程如下：将所述水库n对应的决策变量指数Kn进行两两无重叠加权求和得到对应调度方案的调度值ki-c；并将所述调度值ki-c进行降序排列得到各调度方案的优先级排序，按照优级的调度方案完成水库的联合调度，使对应流域内的洪水能够平缓地通过，降低洪灾损失；其中，i、c均为水库的编号；本实施例中决策变量因素包括超汛限历时、下泄洪峰流量和下游淹没面积，建立n处水库洪水联合调度的调度方案，通过对所述决策变量因素进行赋分，该赋分即为Ij的标准化值，用于决策变量指数Kn的计算，其中，结合表1所述超汛限历时的赋分标准如下，标准比例为0%时，对应的评分值为100，标准比例为12.5%时，对应的评分值为90，标准比例为25%时，对应的评分值为80，标准比例为50%时，对应的评分值为60，标准比例为55%时，对应的评分值为56，标准比例为75%时，对应的评分值为40，标准比例为100%时，对应的评分值为0，按照此计算规律获取对应标准比例的评分值，获取实时超汛限历时和整场洪水总时长，计算实时超汛限历时占整场洪水总时长的比重得到对应的实时比例，将得到的实时比例与标准比例匹配，得到对应的评分值，即为标准化值Ij；
表1：超汛限历时赋分标准表
占比 0% 12.5% 25% 50% 55% 75% 100%
赋分 100 90 80 60 56 40 0
本实施例中，结合表2所述的下泄洪峰流量的赋分标准如下，当下泄洪峰流量小于等于河道泄洪能力时，对应的评分值为100，当下泄洪峰流量为河道泄洪能力的1.5倍时，对应的评分值为75，当下泄洪峰流量为河道泄洪能力的1.75倍时，对应的评分值为62.5，当下泄洪峰流量为河道泄洪能力的2.0倍时，对应的评分值为50，当下泄洪峰流量为河道泄洪能力的2.2倍时，对应的评分值为40，当下泄洪峰流量为河道泄洪能力的2.5倍时，对应的评分值为25，当下泄洪峰流量大于河道泄洪能力的2.5倍时，对应的评分值为0；按照此计算规律获取对应标准倍数的评分值，获取实时下泄洪峰流量与河道泄洪能力，计算实时下泄洪峰流量与河道泄洪能力之间的倍数关系，将得到的实时倍数与标准倍数匹配，得到对应的评分值，即为标准化值Ij；
表2：下泄洪峰流量赋分标准表
本实施例中，结合表3所述的下游淹没面积的赋分标准如下；当下游淹没面积占最大受淹面积0%时，对应的评分值为100，当下游淹没面积占最大受淹面积25%时，对应的评分值为80，当下游淹没面积占最大受淹面积50%时，对应的评分值为60，当下游淹没面积占最大受淹面积62.5%时，对应的评分值为50，当下游淹没面积占最大受淹面积75%时，对应的评分值为40，当下游淹没面积占最大受淹面积80%时，对应的评分值为32，当下游淹没面积占最大受淹面积100%时，对应的评分值为0；按照此计算规律获取对应标准比例的评分值，获取实时下游淹没面积和最大受淹面积，计算实时下游淹没面积占最大受淹面积的比重得到对应的实时比例，将实时比例与标准比例匹配，得到对应的评分值，即为标准化值Ij；
表3：下游淹没面积赋分标准表
S（m2） 0% 25% 50% 62.5% 75% 80% 100%
赋分 100 80 60 50 40 32 0
本实施例中采用构建沙河-大溪水库流域水文动力一体化模型，其中，沙河的编号为i，大溪水库为g，针对20年、50年和100年一遇设计暴雨，并从小流量至大流量的调度原则，并在每种暴雨下各设置了11种调度方案，设计洪水调度方案名称表如表4所示：
表4：设计洪水优化调度方案名称表
设计洪水优化调度情景表如下所示：
表5：设计洪水优化调度情景表
模拟启动预设调度的多种方案，综合评估优化调度方案削峰防洪增效效果，确定每种降雨情景下每个水位分级的最小泄量，提出沙河、大溪水库最优的调度方案；
其中，各控制点的决策变量指数的计算公式如下：
，式中：Bj为决策变量因素j的权重值，Ij为决策 变量因素j指标的标准化值，Zi（t）为水库i的实时最高水位，1≤i≤n，Zi，max为水库i的预定 水位；
所述各控制点决策变量因素加权求和计算公式如下：，式 中：Hn为n水库的权重，Kn为n水库的决策变量指数，通过各个控制点的决策变量加权求和得 到的值对联合调度方案的总体进行评价。
其中20年一遇的洪水下水库防洪优化调度方案计算结果如下：
表6：20年一遇的洪水下水库防洪优化调度方案表
表6中沙河水库方案2-1和方案2-2中沙河水库水位超过设计水位，因此方案决策变量指数赋分为0，方案判定为不合理。综合超汛限历时、下泄洪峰流量和下游淹没面积，方案2-3综合评价指数最大，为95.4。评估结果表明，在20年一遇设计洪水调度中，沙河水库泄洪闸前三阶段最小泄流量分别为0m3/s、40.0m3/s和50.0m3/s；上珠岗闸前四阶段最小泄流量分别为40.0m3/s、0m3/s、50.0m3/s和60.0m3/s；大溪水库泄洪闸前三阶段最小泄流量分别为30m3/s、50.0m3/s和60.0m3/s。
50年一遇的洪水下水库防洪优化调度方案计算结果如下：
表7：50年一遇的洪水下水库防洪优化调度方案表
沙河水库最高水位随着上珠岗闸和沙河水库溢洪闸各阶段下泄流量的提升而下降，下泄洪峰随之先降低后升高。从表7中可以看出，方案3-1至3-5中沙河水库水位超过设计水位，因此方案决策变量指数赋分为0，方案判定为不合理。综合超汛限历时、下泄洪峰流量和下游淹没面积，方案3-8综合指数最高为60.6，为最优方案。方案3-6至3-8在下泄洪峰及下游淹没面积指标赋分中均为最高值，但方案3-8在超讯限历时指标中赋分高于方案3-6和3-7，因此综合指数略高于方案3-6和3-7的方案。评估结果表明，在50年一遇设计洪水调度中，沙河水库泄洪闸前三阶段最小泄流量分别为0m3/s、90.0m3/s和100.0m3/s；上珠岗闸前四阶段最小泄流量分别为90.0m3/s、0m3/s、100.0m3/s和100.0m3/s；大溪水库泄洪闸前三阶段最小泄流量分别为30.0m3/s、70.0m3/s和110.0m3/s。
100年一遇的洪水下水库防洪优化调度方案计算结果如下：
表8：100年一遇的洪水下水库防洪优化调度方案表
随着上珠岗闸和沙河水库溢洪闸各阶段下泄流量的提升而下降，从表8中可以看出，方案4-1至4-9中沙河水库水位超过设计水位，因此方案决策变量指数赋分为0，方案判定为不合理。对比方案4-10与4-11，方案4-10中沙河水库下泄峰值与下游淹没面积均略低于方案4-11，综合指数为39.9，高于方案4-11的39.4。评估结果表明，在100年一遇设计洪水调度中，沙河水库泄洪闸前三阶段最小泄流量分别为0m3/s、110.0m3/s和120.0m3/s；上珠岗闸前四阶段最小泄流量分别为100.0m3/s、0m3/s、100.0m3/s和100.0m3/s；大溪水库泄洪闸前三阶段最小泄流量分别为30.0m3/s、70.0m3/s和120.0m3/s。
获取对应水库的自由表面水流运动规律、自由表面水体流动的范围与水深之间的关系、以及水库与水库之间的流量交换的关系进行匹配对应的水动力模型，通过水动力模型匹配对应的水库并进行计算，获得对应模型的参数，用于对调度方案进行评估，检验调度方案评估的精准度，其中，所述水动力模型至少包括一维水动力模型、二维水动力模型和堤岸溢流的经验计算公式。
当水库的自由表面的浅水体中出现渐变不恒定水流运动时，则采用水动力模型中一维水动力模型对该水库水流的加速度进行计算，所述一维水动力模型对该水库水流的加速度进行计算的计算公式如下：
；
式中：B为断面河宽，Q为浅水体中的水流量，Z为水位，A为过水断面面积，h1为水深，S0为河底比降，Sf为摩阻比降，u1为断面平均流速，t为时间，e为距固定断面的距离，g为重力加速度；其中，该计算公式具有以下基本假设：
①假设断面水面在河道宽度方向上水平；
②流速沿整个过水断面或垂线均匀分布，可用其平均值代替，不考虑水流垂直方向的交换和垂直加速度,从而可假设水压力呈静水压力分布,即与水深成正比；
③河床比降小，其倾角的正切与正弦值近似相等；
④水流为渐变流动，水面曲线近似水平，此外，在计算不恒定的摩阻损失时，常假设可近似采用恒定流的有关公式；
⑤水的密度为常数。
当水库自由表面水体流动的范围大于水深，则采用二维水动力模型对该水库进行三角化方法进行网格剖分，所述二维水动力模型对该水库进行三角化方法进行网格剖分的计算公式如下：
连续性方程
；
动量方程包括x和y两个方向，其中，
x方向：
；
y方向：
；
式中，h2为水深；u2为x方向的流速，v为y方向的流速，为流体运动粘度，q为深水体 中的水流量，g为重力加速度；
sx和sy为源项，sx的表达式为：
；
sy的表达式为：
；
τbx和τby为x和y方向的阻力，τbx的表达式为：
；
τby的表达式为：
；
式中，a为糙率。
当水库与水库之间有流量交换时，获取其中一水库的实时水位和该水库堤防高程，用以判断该水库流量交换时水流方向为自由出流或淹没出流，并计算出对应的漫溢量，其计算方法如下：
自由出流公式：
；
淹没出流公式：
；
式中，m为流量系数，b为堰宽，H0为堰上水头，σs为淹没系数，g为重力加速度；
其中，流出为正值，流入为负值。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种水库防洪调度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取n处水库的水库信息，其中n≥2；对每个水库执行以下操作：创建水库的水位约束条件：每个水库的实时最高水位不超过对应的预定水位；获取水库的各个控制点的决策变量因素，并计算得到每个决策变量因素的权重值；将权重值进行加权求和得到关于水库的决策变量指数Kn；
利用水库n及对应的决策变量指数Kn创建联合水库调度评判标准，基于联合水库调度评判标准生成不同调度方案并按优先级进行排序；
其中，所述联合水库调度评判标准的创建流程如下：将所述水库n对应的决策变量指数Kn进行两两无重叠加权求和得到对应的调度值ki-c；并将所述调度值ki-c进行降序排列得到不同调度方案的调度优先级排序，按照优级的调度方案完成水库的联合调度；其中，i、c均为水库的编号，其中，所述决策变量指数的计算公式如下：
；
式中：Bj为决策变量因素j的权重值，Ij为决策变量因素j指标的标准化值，Zi（t）为水库i的实时最高水位，1≤i≤n，Zi，max为水库i的预定水位；其中，所述标准化值Ij是通过对所述决策变量因素进行赋分直接得到；
其中，所述决策变量因素j至少包括：超汛限历时、下泄洪峰流量和下游淹没面积；
所述联合水库调度决策变量因素加权求和计算公式如下：；
式中，Hn为n水库的权重，Kn为n水库的决策变量指数。
2.根据权利要求1所述的一种水库防洪调度评估方法，其特征在于，
所述超汛限历时的赋分标准为：获取标准状态下超汛限历时占整场洪水总时长的比例，得到对应的标准比例，按照预设的计算方式，计算出标准比例对应的评分值，获取实时超汛限历时和整场洪水总时长，计算实时超汛限历时占整场洪水总时长的比重得到对应的实时比例，将实时比例与标准比例匹配，得到对应的评分值，即为标准化值Ij；
所述下泄洪峰流量的赋分标准为：获取标准状态下下泄洪峰流量与河道泄洪能力之间的倍数关系得到标准倍数，按照预设的计算方式，计算出对应标准倍数的评分值；获取当前下泄洪峰流量，计算当前下泄洪峰流量和河道泄洪能力之间的实时倍数，将实时倍数与标准倍数匹配，得到对应的评分值，即为标准化值Ij；
所述下游淹没面积的赋分标准为：获取标准下游淹没水深在指定水位以上的区域总面积时，下游淹没面积占最大受淹面积的比例得到对应的标准比例，按照预设的计算方式，计算出标准比例对应的评分值，获取实时下游淹没面积和最大受淹面积，计算实时下游淹没面积占最大受淹面积的比重得到对应的实时比例，将实时比例与标准比例匹配，得到对应的评分值，即为标准化值Ij。
3.根据权利要求1所述的一种水库防洪调度评估方法，其特征在于，
在调度过程中，获取对应水库的自由表面水流运动规律、自由表面水体流动的范围与水深之间的关系、以及水库与水库之间的流量交换的关系，创建水动力模型，通过水动力模型对目标水库的水流受力与运动相互关系进行计算，检验联合水库调度方案优先级的精准度；
所述水动力模型至少包括一维水动力模型、二维水动力模型和堤岸溢流的计算；当水库的自由表面的浅水体中出现渐变不恒定水流运动时，则采用水动力模型中一维水动力模型对该水库水流的加速度进行计算；当水库自由表面水体流动的范围大于水深，则采用二维水动力模型对该水库进行三角化方法进行网格剖分；当水库与水库之间有流量交换时，则采用堤岸溢流的经验计算公式判断上限满溢量。
4.根据权利要求3所述的一种水库防洪调度评估方法，其特征在于，
所述一维水动力模型对该水库水流的加速度进行计算的计算公式如下：
；
式中：B为断面河宽，Q为浅水体中的水流量，Z为水位，A为过水断面面积，h1为水深，S0为河底比降，Sf为摩阻比降，u1为断面平均流速，t为时间，e为距固定断面的距离，g为重力加速度。
5.根据权利要求3所述的一种水库防洪调度评估方法，其特征在于，
所述二维水动力模型对该水库进行三角化方法进行网格剖分的计算公式如下：
定义连续性方程：
；
则，动量方程包括x、y两个方向，其中，
x方向：
；
y方向：
；
式中，h2为水深，u2为x方向的流速，v为y方向的流速，为流体运动粘度，q为深水体中的水流量，g为重力加速度；
sx和sy为源项，sx、的表达式为：
；
sy的表达式为：
；
τbx和τby为x和y方向的阻力，τbx的表达式为：
；
τby的表达式为：
；
式中，a为糙率。
6.根据权利要求3所述的一种水库防洪调度评估方法，其特征在于，当水库与水库之间有流量交换时，获取其中一水库的实时水位和该水库堤防高程，用以判断该水库流量交换时水流方向为自由出流或淹没出流，并计算出对应的漫溢量，其计算方法如下：
自由出流公式：
；
淹没出流公式：
；
式中，m为流量系数，b为堰宽，H0为堰上水头，σs为淹没系数，g为重力加速度；
其中，流出为正值，流入为负值。
7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机包括存储器和处理器，所述存储器内存储有计算机可读取的执行程序；
所述处理器执行所述存储器内存储的执行程序来实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。
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