（农业水土工程专业论文）基于汛限水位动态控制的水库优化调度研究.pdf

摘要 水资源是基础的自然资源，同时也是宝贵的战略资源。我国是一个水资 源贫乏的国家，水资源的匮乏已严重地制约了我国社会经济的发展。为此， 本文首次进行了基于汛限水位动态控制的水库优化调度方法研究，旨在充分 利用洪水资源，以缓解日益突出的水资源供需矛盾。 本文首先介绍了汛限水位动态控制和水库优化调度研究的国内外发展 现状，并对其研究方法进行了归纳和总结。其次，本文提出了汛限水位动态 控制范围的确定方法，主要是通过对历史洪水的综合评价与分析，采用预蓄 预泄法初步确定汛限水位动态控制范围的方案，然后计算各方案相应的风险 和效益指标，最后采用模糊优选模型确定合理的汛限水位控制范围。 对于实时调度阶段的汛限水位控制，本文首次提出了洪水调度不同阶段 的汛限水位动态控制模型，具有简单、直观、易于实际应用的特点。通过分 析各风险因素的特点及其发生规律，提出了两个主要风险因素的风险计算方 法。针对采用模拟降雨进行洪水预报问题，本文提出了相似系数法和模糊聚 类法进行雨量的时程分配，这两种方法充分利用了历史资料和实时的气象预 报信息，较现有的雨量平均分配法具有更高的准确度，从而提高了预测洪水 的精度。 本文建立的水库优化调度模型，利用汛限水位动态控制值作为期望调洪 术水位，通过模型求解得出面临时刻的水库最优泄量以指导水库的实际调 度，如此反复求解从而完成一次洪水调度过程。模型采用离散微分动态规划 法求解，具有求解速度快，计算结果准确等优点。最后以辽宁省大伙房水库 为例，采用历史洪水作为输入，对其进行了模拟优化调度，并与常规调度结 果进行对比，证明模型是可靠的，实用的。 关键词：汛限水位；动态控制；优化调度；风险计算 沈阳农业大学母 士学位论文 一、绪论 ( 一) 问题的提出 1 我国的水资源缺乏现状 水资源是基础的自然资源，是生态环境的控制性因素之一：同时，又是 战略性经济资源，是一个国家综合国力的有机组成部分。联合国世界水资 源综合评估报告指出：水问题将严重制约2 1 世纪全球经济与社会发展， 并可能导致国家间冲突。我国的水资源总量为2 8 万亿m 3 按1 9 9 7 年人口 统计，人均水资源量为2 2 2 0 m 3 ，预测到2 0 3 0 年人口增至1 6 亿时，人均水 资源量将降到1 7 6 0 m 3 。按国际上一般承认的标准，人均水资源量少于1 7 0 0 r n 3 为用水紧张的国家。据统计，我国农村有8 0 0 0 力人饮用水困难：全国6 0 0 多个城市一半以上发生水危机，其中严重缺水城市11 4 个，日缺水量达1 6 0 0 万t 。地下水超采，区域性地下水漏斗面积达8 2 万h m 2 。因此，目前我国已 处于水资源严重缺乏的阶段。 此外，我国的水资源不仅人均占有量低，而且时空分布变化大，水土资 源不相匹配，生态环境相对脆弱。近18 年来南涝北旱较明显，北方天然水 资源量有减少趋势( 陈志恺，2 0 0 0 ) 。一方面是多年降水偏少，连续处于枯 水年，而另一方面是需水量的膨胀式扩大，此外，水源污染和水资源的严重 浪费更加剧了我国水资源缺乏的程度。为了保证城市生产、生活用水，在缺 水的情况下，就不得不占用农业用水，从而造成农业生产的巨大损失。目前 我国1 8 3 7 亿亩耕地中只有7 5 亿亩耕地确保灌溉，另外l o 多亿亩的旱耕地， 只能依靠自然降水来进行农业生产，导致我国常年农作物受旱面积3 亿4 亿亩，每年损失粮食近3 0 0 亿公斤，占各种自然灾害损失总量的6 0 。可见， 水资源的缺乏己严重地制约了我国国民经济的可持续发展。因此，我国未来 的水资源形势是严峻的，特别是对于水资源总量较少的我国北方大部分地 区，亟待解决水资源短缺问题，以保证国民经济快速、稳定、高效地发展。 2 解决水资源短缺问题的方法和途径 针对于我国水资源严重缺乏的现状，不少专家、学者都提出了各种解决 的方法和途径，如海水淡化、中水回用、防污治污、节水农业、雨水集蓄利 用等方法，总体而言，这些方法可以归纳为两个方面，一方面就是“开源”， 勇一方面就是“节流”。作为调节水资源时空分布不均的控制性工程之一一 一、绪论 水库而言，为解决水资源短缺问题，就必须去多渠道“开源”，这里的“源” 也就是洪水资源，在保证防洪安全的前提下，尽可能地拦蓄洪水资源，既减 轻了下游的防洪压力，又可大幅度地提高水库的兴利效益。因此，面对严重 的缺水形势，研究洪水资源化具有重要的理论价值和现实意义。 3 洪水资源化的可能性分析及其对水库提出的新要求 ( 1 ) 洪水资源化的可能性分析 任何事物都具有双重性，对于洪水，也不例外，它具有双重属性，即水 害和水利，我们应当采取科学的方法，在一定的风险限度内，充分利用洪水 资源变害为利。随着科学技术的发展，特别是水文科学、自动化技术、计 算机技术、气象预报技术等技术理论的发展，在洪水实时调度过程中，这些 先进的技术和手段能够为我们提供多方面的辅助决策信息，增长了洪水的预 见期，特别是降雨预报精度的提高和预见期的增长，为实施预报调度奠定了 基础，同时，也为超量拦蓄洪水资源提供了必要的信息和技术支持，使洪水 资源化成为可能。 ( 2 ) 洪水赘源化对水库提出的新要求 洪水资源化就是在保证防洪安全的前提下，最大限度地利用洪水资源。 这就对水库提出了新的要求，对于有条件的水库，这里的条件主要包括两方 面的内容，一是“硬件”，主要是具备水文自动测报系统，大坝安全监测系 统等获取信息的设备；二是“软件”，主要指实施预报调度的水库，应具有 便于操作的水库调度系统软件，洪水预报方案应达到乙级以上，当地气象台 站发布的气象预报应具备一定的预报精度和足够长的预见期等必要条件。以 上这两个方面可以为拦蓄洪水提供必要的信息和技术支持，另一个重要的方 面就是防洪观念上的转变，目前的水库在调度运行中，年年要做好预防发生 设计、校核或上下游发生防洪标准洪水的准备，水库在规定的主汛期内严格 受原设计的汛限水位约束：这种理念将人们的注意点集中于小概率事件上， 只要有降雨或预报有降雨发生，无论未来降雨范围、雨量大小，都将按照耍 发生设计标准洪水来控制运行水库水位，其指导思想着眼于控制小概率洪水 事件所确定的汛期限制水位( 邱瑞田，2 0 0 4 ) ，这样做虽然在一定程度上保 证了水库和下游地区的防洪安全，但面对洪水资源，面对水资源的严重短缺， 只能白自的舍弃大量洪水资源而不敢多蓄水；而在汛末期，由于来水量较少， 又造成了无水可蓄的局面。从而导致汛期结束后，水位蓄不到正常水位，以 优| 5 h 职业犬学坝士芋位诧卫 至于影响日后水库兴利效益的正常发挥，特别是遇到连续枯水年，情况更为 严重。 由于洪水是一随机过程，是不可准确预测的，因此，人们在抵御洪水时 就要面对一定的风险，为了实现洪水的资源化，为了获得定的兴利效益， 就必须敢于承担一定的风险，问题的关键在于如何进行水库的控制运用，从 而达到风险最小、效益最大的目的，且风险应在一定的可以承受的限度内。 综上所述，洪水资源化对水库提出的新要求就是要求调度决策者在面对 洪水时，为了多蓄洪水，须打破传统汛限水位的控毒4 理念，在允许的风险范 围内，动态控制汛限水位，从而以定的风险去换取更大的效益。 4 论文的选题依据 在汛期，若要合理地超量拦蓄洪水，就必须突破传统汛限水位的观念， 研究水库可以承担的风险，研究风险与效益的关系，适当地抬高汛限水位。 科学技术的发展为汛限水位的动态控制提供了必要的技术和信息支持，特别 是天气预报预见期的增长和预报精度的提高，使此项研究成为可能。汛限水 位动态控制，是基于实时运用的理念，从小概率事件出发，综合利用现代科 学技术提供的一切有用信息，利用弥补措施预防非常事件，在设计的动态控 制汛限水位范围内，安全经济地确定一个实时汛限水位。即在设计的汛限水 位允许控制范围内，根据实时雨情、水情信息，确定未来2 4 h 7 2 h 控制的 汛限水位值，既可能高于原规划设计值又可低于规划设计值，高于规划设计 值时增加防洪风险，低于规划设计值时增加兴利风险。本文研究的内容就是 根据面临时刻的水库状态，如何去选定一个适宜的汛限水位控制值。此外， 单独依靠提高汛限水位只是增加了水库的兴利效益，而在汛期理应以防洪为 主，为了提高水库的防洪效益，必须实施优化调度，研究在舍弃同样水量的 情况下，如何实施蓄泄决策以达到水库的防洪效益最大。 因此，若要充分利用洪水资源，使水库调节洪水的防洪效益和兴利效益 充分结合，就必须将汛限水位动态控制与水库的优化调度二者有机地结合起 来，从而充分挖掘水库的潜力，在现有工程条件不变的情况下，最大限度地 提高水库的综合效益，这也正是本研究的出发点。 一、埔论 ( 二) 本研究的目的和意义 1 本研究的目的 为了缓解水资源短缺状况，充分利用汛期的洪水资源，针对传统方法的 缺点，本文提出了结合汛限水位动态控制的防洪优化调度的新理念，新理念 的形成首先需要人们转变防洪观念，敢于承担一定的风险，以适度的风险去 换取效益。概括起来，本课题的研究目的有以下几点： ( 1 ) 合理调蓄洪水，蓄洪补枯 我国北方的大多数水库，通常存在汛期不敢蓄，汛后蓄不满的状况，大 量洪水资源被白白浪费掉，来年用水又得不到满足。针对这问题，采用动 态控制汛限水位的方法，在汛期内科学地抬高( 降低) 汛限水位，从而最大 限度地多蓄水，以满足用水需求。 ( 2 ) 增强调度决策的科学性 本研究采用近年来兴起的模糊决策理论，充分考虑到水库调度决策中多 目标、多阶段的决策特点，应用此理论的优选模型可以较好地解决此类问题， 以便于为领导决策提供可靠的依据。 ( 3 ) 提高水库的综合利用效益 采用结合汛限水位动态控制的优化调度，无疑会增加水库的蓄水量，提 高水库的防洪及兴利效益，有利于充分发挥水库的综合效益。 ( 4 ) 寻求汛限水位动态控制中诺预报因素与风险的关系 汛限水位的动态控制是在原规划设计的基础上，适当抬高原汛限水位， 虽增加了效益，但是却冒着一定的防洪风险，因此有必要研究水位的提高值 与由此带来的风险大小的关系。预报调度中预报因子的预见期、预报误差等 因素也给防洪调度带来一定的风险，因此，研究防洪调度中的风险问题至关 重要，对决策起着必不可少的辅助作用。 2 本研究的意义 ( 1 ) 对于防洪减灾的意义 翻开世界灾害史，洪水灾害始终是现在和未来人类面临的主要自然灾害 之一，仅1 9 9 1 1 9 9 5 年的5 年中，世界水灾造成的直接经济损失就超过了 沈阳农业丈学填士学位论文 2 0 0 0 亿美元，约占所有自然灾害造成损失的一半。 我国地域辽阔江河众多，也是世界上受洪水威胁最严重的国家之一。 由于我国江河堤防工程建设投入不足等原因，我国目前防洪工程现状不容乐 观，主要江河只能防御常遇洪水( 一般l o 2 0 年一遇) ，并且平原河道淤积 严重，洪涝灾害加剧。丽据有关人士初步测算若我国江河防洪工程普遍达 到百年一遇或以上标准，投资至少要达到l o o 万亿元以上。由此看来，单纯 的工程措施与生态措施难以彻底解决我国的防洪问题，鉴于以上原因，在工 程体系标准不足或不齐时，必须借助于非工程与工程措施相结合的途径。因 此，建立合理、高效、科学的调度系统，通过对各种防汛信息的采集和分析 处理，及时萨确的实施指挥调度，便成为一种相对成本低、收益大的方法。 水库调度是根据水库所承担的水利水电任务的主次和规定的运用原则， 凭借水库的调蓄能力，在保证大坝和水库上、下游安全的前提下，对水库的 入库水量过程进行调节，发挥水库综合利用效益的一种控制运用技术。水库 调度可分为兴利调度和防洪调度，其中以防洪调度最为重要。水库防洪调度 的好坏直接关系到水库自身及上、下游防护区的安全，而水库的优化调度， 能够在现有的工程标准上，充分发挥水库的防洪与兴利效益，减轻洪水灾害， 从而取得巨大的经济效益和社会效益。由此可见，研究水库的优化调度具有 更重要的理论价值和现实意义。 ( 2 ) 有利于充分利用洪水资源 充分利用水库尽可能多地拦蓄径流，为农业、工业以及城市供水服务， 以减轻水资源时空分布不均所造成的灾害。特别是近些年来，随着人口的增 长、工农业的发展，加之气候条件的改变以及水源地的严重污染，更加剧水 资源短缺状况，因此，亟待解决水源短缺问题，从而为国民经济的快速、稳 定发展创造有利条件。所以，研究汛限水位的动念控制，尽量减少汛期大放 水、汛后蓄不满的情况，使水库根据其实际需要在汛期尽可能多的拦蓄洪水， 以便于汛后为兴利部门服务，在水资源总量不变的条件下，通过科学、合理 的调蓄洪水，最大限度地发挥水库的效益。 一、绪论 ( 三) 本研究的国内外发展现状 1 汛限水位动态控制的国内外发展现状 ( 1 ) 国外发展现状 针对水库汛限水位动态控制方面的研究，在国外虽然没有类似的研究， 但在发达国家，通常也是以非工程措施来应对超标准洪水，承担风险。以美 国为例，美国自上世纪7 0 年代就开始实施洪水保险计划认为人类要想完 全战胜洪水是不可能的，总是存在超标准洪水事件，修建标准再高的防洪工 程，也总是存在一定的洪水风险，因此，完全依赖于工程措旌是不能达到目 的的，必须辅以一定的非工程措施，为此，美国推行“洪水保险”，以洪水 保险手段来弥补超标准洪水所造成的损失，类似的情况也出现在其他一些发 达国家。总之，在目前的社会发展水平下，人类想完全战胜洪水是不现实的， 也是不经济的，一些发达国家在面对洪水的风险和效益问题上，通常采取的 都是以适当的风险去换取较大的效益，实践证明，这种方法是可行的。 ( 2 ) 国内发展现状 由于我国还是一个发展中国家，我国的国情和国力决定我们不可能修建 标准很高的防洪工程去控制洪水，因此，这就需要我们结合本国的国情，采 取一定的非工程措施来弥补工程措施的不足之处，为此，对于此领域的研究， 国内已有一些初步的尝试。 早在上世纪六、七十年代研究提出的“预蓄预泄”方法的基本思想是： 通过拦蓄本次洪水的尾水部分超蓄部分水量，利用降雨径流预报的预见期、 水库泄流能力，在河道的安全泄量范围内，下次洪水起涨前保证库水位回落 到原设计汛限水位。这种方法对于“年内发生次洪水檄率高”的水库效益 较明显。八十年代末研究提出了“预报调度方式及规则”，这种调度方式的 优点在于增长了预见期、提高了防洪效益，缺点是冒预报误差带来的风险， 亦属于风险调度。随着预报技术的发展和完善，此方法必将得到更广泛的普 及应用。对于洪水的发生具有明显季节规律的地区，又提出了分期汛限水位 方法，这种方法利用历史的洪水统计规律，将汛魏划分为若干个阶段，推求 分期的水库设计洪水过程线，然后进行调洪计算，得出每一时期的汛限水位， 这种方法较采取固定的汛限水位有了较大的改进，能够较传统方法增加水库 的蓄洪量。以上这些方法都是冒着一定的风险去追求效益，为此，相应的风 险分析技术也在不断地发展，为进行风险决策提供了必要的支持。 沈阳农业大学顿十学位论文 就汛限水位动态控制方面的研究工作，大连理工大学在此领域做了较多 的研究工作，成果应用的也较多，其提出了基于综合信息推理模式法的汛限 水位动态控制方法，结合水文及降雨预报信息，推求2 4 h 后的理想汛限水位。 王本德等人研究了动态控制汛限水位的风险分析技术：考虑降雨预报的洪水 实时调度极限风险率计算方法：建立了水库预蓄效益与风险控制模型：提出 了汛限水位动态控制的极限风险分析方法，以上诸多方面的成果和经验为本 领域的研究奠定了基础。 此外，还有一些其它的研究成果，如陈惠源等人进行了拦蓄洪尾的风险 分析。傅湘、纪昌明( 1 9 9 8 ) 研究了水库汛期的最大洪灾风险率。冯平、陈 根福( t 9 9 5 ) 以岗南水库为例，进行了水库超汛限水位蓄水的风险效益分析。 凌桂珍、项丽媛( 2 0 0 2 ) 以参窝水库为例，研究了汛限水位的动态控制方法。 2 水库优化调度的国内外发展现状 伴随着系统工程理论的发展，水库的优化调度砚究应运而生，特别是近 年来计算机技术的飞速发展，使得求解大规模数学方程成为可能，相应的解 算软件层出不穷，为水库的优化调度研究提供了求解的数学工具，从而使模 型的求解更加快速、准确，为本领域的研究提供了必要条件。 最早把优化概念引入单一水库调度的是美国入m a s e s ( 1 9 4 6 ) 。我国开展 单一水库优化调度的研究与应用始于6 0 年代。水库防洪调度的研究方法大 体可分为两类，即常规方法和系统分析方法。 ( 1 ) 常规方法 常规方法是一种借助于调度准则的半经验半理论方法。此方法利用水库 的抗洪能力图、防洪调度图等经验图表实施防洪调度操作，并考虑了前期一 些水文、气象因子对预留防洪库容的影响，此方法对预泄、错峰和补偿调度 等具有一定的指导价值。因此，常规方法是目前普遍采用的一种传统方法。 但由于常规方法是一种经验性方法，且不能考虑预报因子，所以此法仅适合 于中小型水库。 ( 2 ) 系统分析方法 近5 0 多年来，系统分析方法在水库( 群) 调度的研究和实践中得到了 广泛应用，并取得了丰硕的成果，此方法先确定水库( 群) 防洪系统的目标 函数，并建立相应的约束条件，然后运用一定的优化方法求得目标函数的极 一、辅诧 值，从而得到水库控制运用的最佳调度运行方式。目前常采用的有模拟方法 和优化方法。 模拟方法 模拟方法是将所要研究的客观系统转化为数学模型，利用计算机对数学 模型进行有计划、多步骤的多次模拟运行，通过一定的优选技术，分析每次 模拟运行的特性，从而选出最优决策。模拟方法与优化方法相比，它通常不 受数学模型的限制，即使非常复杂的数学模型，也能够进行模拟运行，且有 利于计算机求解。但模拟技术只能提供模拟对象的活动过程，而不能直接产 生模拟对象的最优成果，这是它的一个缺点，在应用时，应与数学优选法相 结合确定最优解。此外，模拟技术很难使用现有的模拟模型，程序设计的工 作量比较大，模拟运转时间也较长。 优化方法 优化方法是使用一个包括目标函数和约束方程的简化数学模型，直接求 解最优决策。在水库( 群) 防洪调度研究中，常采用的优化方法有线性规划法、 动态规划法、非线性规划法、随机规划法、多目标决策技术、大系统分解协 调法等。 a 线性规划方法。此方法于是1 9 3 9 年提出，是最早、最简单、应用最广 泛的种规划方法，而对于一些特定的非线性规划，也常常进行线性化处理 使之变为线性规划问题。在水库调度方面，都金康等分析了并联水库群下泄 流量与河道防洪控制点洪峰流量之间的内在联系，提出了水库洪水调度模型 及其逐次优化解法。王栋、曹升乐针对水库群防洪调度建立了一类最大防洪 安全保证的线性规划模型。目前，线性规划方法的求解技术成熟，处理方便， 易于利用计算机进行求解，运用前景广阔，如何扩大其研究范围，是一个值 得重视并具有重要现实意义的研究课题。 b 动态规划方法。此方法是本世纪5 0 年代初由美国数学家贝尔曼等人提 出，动态规划的数学模型和求解方法比较灵活，对于系统是连续的或离散的， 线性或非线性的，确定性的或随机性的只要能构成多阶段决策过程，便可 用此方法求解。此方法以其解决多阶段优化问题的有效性，在水库调度领域 引起了广泛重视。邵东国( 1 9 9 9 ) 等建立了具有模糊约束条件的某水库防洪 实时优化调度模型，并提出了含罚函数的离散偏微分动态规划。梅亚东提出 了梯级水库防洪优化调度的动态规划模型。 动态规划方法适用于水库调度的多阶段决策特点，但求解较繁琐，随着 沈阳农业大学戳士学位论文 决策阶段数的增加，将会出现“维数灾”问题，这就使其在应用时受到很大 的限制。因此，需要借助一定的方法来降维，如增量动态规划、离散动态规 划、增量和连续逼近相结合的动态规划、微分动态规划等方法，都是在传统 动态规划的基础上，为解决“维数灾”问题提出的。 随机动态规划作为随机规划与动态规划耦合的一种方法，主要用于水库 长期优化调度，一般将水库来水径流系列描述为某种随机过程，以目标函数 的期望值最大或最小为准则，采用此方法寻求水库的优化调度策略。对于随 机动态规划问题，它所采用的最优策略是随着各阶段输入的随机因素的不同 变化过程而异的，它不能得到一种适合于各种状态变化过程的最优策略。 c 多目标分析方法。大多数水库为综合利用水库，往往存在多个不同目 标，且各目标之间是既“不可公度”又常常相互矛盾，因此，引入多目标分 析方法是必要的。多目标分析方法的解通常是一组非劣解，决策时，按决策 者偏好的要求，在非劣解中，选择满意解或最佳均衡解。 g l b e c k o r 用约束扰动法研究了多目标水库群系统的优化决策问题。王 本德、周惠成、程春田( 1 9 9 4 ) 结合丰满一白山梯级水库的洪水联调实例， 以调度方案作为决策，水库的泄流过程作为状态，用模糊优选技术选择系统 的洪水调度方案。陈守煜将模糊优选理论与多目标分析方法有机地结合起 来，建立了以相对隶属度、隶属函数为基础的多目标决策系统模糊优选的理 论、模型与方法，提出了主客观相结合的确定目标权重的方法。邹进、张勇 传( 2 0 0 3 ) 提出一种利用模糊集理论来求解定性多目标决策闽题的方法，并 将其应用于水库实际洪水调度方案的多目标决策。 多目标分析法中考虑了不可公度目标的组合及其影响因素，但各目标权 衡系数的确定目前还没有较可行的方法，这方面有待于进一步研究。 d 大系统分解协调方法。此方法是将复杂的大系统分解为若干简单的子 系统，实现子系统局部最优化，然后根据大系统的总任务和总目标，使各子 系统互相配合，实现全局最优化。 水库群防洪系统就是一个相互关联的复杂大系统，它具有多级谱系结 构，因此分解协调法是解决水库群优化调度的有效途径之一，但目前此方法 在水库群防洪系统中的应用才刚刚起步。 黄志中、周之豪( 1 9 9 4 ) 以大系统分解一协调理论为基础，研究了串联 和并联库群实时防洪调度的分解一协调算法，并将它推广到混联库群的实时 调度中。 一、辖诧 e 模糊决策方法。模糊数学于1 9 6 5 年由z a d e h 首先提出，陈守煜等人将 其应用于水文水资源系统中，取得了较好的效果。模糊决策方法为解决水库 调度中方案的选优问题开辟了一条新途径，较成功地解决了传统数学方法难 以胜任的问题，模糊逻辑规则鲁棒性好，且易调整，好理解，能够反殃专家 意见，因此适宜推广应用于实践。 人工神经网络具有快速收敛于状态空间中一稳定平衡点的优点，对于 诸如动态规划等方法在目前窜行计算机上模拟求解时存在着不同程度的“维 数灾”问题，此方法无疑提供了一条新途径。胡铁松研究了h o p f i e l d 网络在 水库群优化调度中的应用，建立了一般意义下混联水库群优化调度的神经网 络模型。 g 遗传算法是模拟生物在自然界环境中遗传进化过程的种自适应全局 优化概率搜索算法，具有简单通用、鲁棒性强，适于并行处理的优点。遗传 算法适于处理各类非线性问题，并常常能有效地解决常规优化方法难以解决 的复杂问题，因此，此方法在水库群防洪调度中具有广泛的应用前景。 h 其它优化方法。如非线性规划、网络流规划等在水库调度领域中也有 所应用。此外近些年来，随着一批新的优化方法的产生和发展，如对策论、 存贮论、排队论、灰色系统等，它们极大地丰富了水库群防洪系统调度的研 究方法。 由此可见在目前的水库防洪优化调度理论研究中，还没有一套成熟的 通用模型和解法，不同的水库，需要因地制宜，针对所研究对象的特点，建 立起相应的优化调度数学模型，并选用合适的方法进行求解。 将汛限水位动态控制与优化调度相结合这方面的研究目前还尚未见到， 但此方面的研究具有重要的现实意义，因此，应开展此项研究工作，使水库 调度工作迈上一个新台阶。 ( 四) 本文的主要研究内容 本文的研究对象为已实施预报调度的水库，通常大中型水库都属于这类 水库，因此，本研究就研究对象而言，具有一定的普遍性。就研究内容来说， 主要有以下几个方面： 1 提出水库汛限水位实时动态控制方法 总结和归纳国内外本领域的发展现状及研究方法。提出水库实施汛限水 位动态控制的必要条件和可行性分析方法，按照洪水调度所处的不同阶段提 沈阳农业大学坝l 学位论义 出相应的汛限水位实时动态控制值计算方法。 2 研究水文、气象预报中的不确定性因素对水库防洪安全的影响 水库的预报调度中存在着大量的不确定性因素，如降雨预报误差和洪水 预报误差等。这些因素无疑会给水库的防洪带来一定的风险。本课题在借鉴 相关领域的研究基础上，研究这些不确定性因素对实时调度的影响，提出此 类防洪风险的计算方法，从而为调度方案的优选提供科学依据。 3 建立水库防洪优化调度模型 本研究力图建立一个较为通用的防洪优化调度模型，并提出求解方法， 开发相应的求解软件。此模型适用于下游有防洪任务的水库，适用于调度设 计标准内洪水。模型力求简洁求解迅速，以适应实时调度的要求。 4 进行模型验证 以实际水库为例，将历史洪水作为调度对象，进行模拟调度，将优化调 度结果与常规调度结果进行对比分析，验证模型的可行性，对模型进行适当 地改进，以利于实时调度的要求。 一、讯限水位动态柠制托砌的确定 二、汛限水位动态控制范围的确定 ( 一) 实施汛限水位动态控制的必要条件 汛限水位的动态控制，是以定的风险去换取水库的兴利效益，但并不 是承担风险就一定会获取效益，水库要实施汛限水位的浮动，必须具备以下 基本条件： ( 1 ) 水文信息系统性能可靠、运行稳定，能及时、准确、可靠地提供 水情、雨情信息。 ( 2 ) 洪水预报方案要达到规范规定的甲缎水平，即合格率大于8 5 ： 方案的有效性达到甲等即确定系数都大于o 9 0 。 ( 3 ) 短期气象预报要达到一定稽度，中长期气象预报的二级分辨预报 也要达到可利用的程度。 ( 4 ) 水库的调度系统稳定可靠，分柝计算迅速、准确，能够辅助制定 各种调洪方案，并能快速计算方案的调洪结果，为决策提供支持。 ( 5 ) 决策者与实掩者之 馐】的通讯要畅通。 ( 6 ) 泄流设各启闭灵活，有条件的水库最好有闸门启闭自动化系统。 汛限水位的动态控制在很大程度上依赖于气象预报的精度和预见期的 长短，近些年来，短期降雨预报的准确率有了很大提高，未来2 4 h 定量( 分 级) 预报已经达到了可利用的程度，未来2 4 h 有雨无雨的二级分辨预报的误 报率为1 0 1 5 ，定量( 划分为9 级) 预报的误报率为3 0 ，未来4 8 h 定 量预报的误报率为4 0 ( 王本德等，2 0 0 0 j ，因此，未来2 4 h 4 8 h 的降雨定 量预报、定性趋势预报成果具有重要的参考价值，可以作为汛限水位动态控 制的参考依据。 此外，除了上述几点外，实施汛限水位动态控制的水库还应具有较长期 的实测洪水资料和气象资料，便于进行统计分析，从而寻求洪水发生、发展 的统计规律，以为汛限水位的动态控制提供必要的基础条件。 ( 二) 汛限水位动态控制范围的确定 作为防洪与兴利的结合点，汛限水位的高低直接影响着水库的防洪安全 和兴利效益，进行汛限水位动态控制，并不是无限地抬高或者降低汛限水位， 而是要求在一个可以承担的风险范围内，综合评价由于汛限水位的抬高或降 低丽带来的风险与效益，从而合理她确定汛限水位上下浮动的范围。在实际 一、讯限水位动态柠制托砌的确定 调度中，以此范围作为汛限水位动态控制的上下限。决策者在决策时，综合 考虑面临时刻的水、雨、工情，控制汛限水位值不得超过此阈值。本文采用 模糊汛期法和预蓄预泄法确定汛限水位动态控制的上限值，然后对其进行风 险分析，通过综合评价风险与效益的关系，最终确定水库可以承受的汛限水 位控制范围。 1 汛限水位上限位的确定 汛限水位动态控制的上限值为在洪水入库之前，水库在保证防洪安全的 前提下所允许蓄至的最高水位。此值不应超过正常蓄水位，它的大小直接影 响着水库的防洪安全。对于大多数水库而言，通常为防洪库容与兴利库容相 结合，如果汛限水位上限值确定过高，虽可增加兴利蓄水量，相应地却减少 了防洪库容，增大了水库的防洪风险。因此，在确定此上限值时一定要慎重， 进行合理的风险分析，分析不同起调水位的变化对防洪风险的影响程度，进 行必要的灵敏度分析，通过多方案比较最终确定一个合理的汛限水位控制上 限值。除了以上的分析计算，还必须考虑万一预报失误后，可能产生的洪水 灾害及损失，应当采取哪些有效措施尽可能地减小灾害损失，从而做到全盘 考虑，在合理利用洪水资源的同时，将洪灾损失降到最低限度。 ( 1 ) 模糊汛期法 汛期属模糊性现象，但现象本身总是受着物理成因过程的控制与影响。 模糊汛期法就是通过对历史洪水的发生时间及量级进行统计分析，得出汛期 各个时间段相对于汛期的隶属度，以此作为分配水库防洪库容的依据，求出 各个时间段水库所需的防洪库容，最后通过计算将其转化为相应的汛限水位 控制值。此法的主要思想由陈守煜教授提出，成为制定水库分期汛限水位的 一种可行方法。求解方法如下( 朱小凯，2 0 0 2 ) ： 首先，确定隶属函数。根据选择模糊集隶属度函数的基本原则，对前汛 期向主汛期过渡的隶属度函数选择升半正态分布；考虑到汛期不仅具有模糊 性，而且具有随机性，同时还必须考虑水库自身的安全等因素，因此，主汛 期的隶属度函数采用矩形分布；汛后期采用降半正态分布。对于模糊集r ， t 内的任一时间t 时的隶属度函数可用下式表示： 一、讯限水位动态柠制托砌的确定 f e x p 亡- ( ( a l f ) b 1 ) 2 t 0 ro ) = 1 口1 ，口2 ( 2 1 ) 7 、 【e x p - ( o 一疗2 ) 62 ) 2 jt 口2 ，b 2 0 式中：a l 、a 2 一主汛期开始和结束的时间； b i 、b 2 一与汛期最早、最晚时间所需防洪库容有关的参数。其求解方 法可采用参数率定或曲线拟合，或者从防洪安全角度出发，结合实际情况选 定。另外，b l 、b 2 的初始值可采用下式计算： b 1 2 ( a l h ) 1 n ( v o v 。1 ) r ，。 b 2 = ( t 2 a 2 ) 1 n ( v d v c 2 ) 】0 5 “。 式中：t l 、t 2 一前汛期和后汛期的最早和最晚时间； v 。l 、v 。2 _ - t l 、t 2 时所需的防洪库容； v c _ 一以年最大值取样计算的设计标准下的防洪库容。 把b l 、b 2 的初始值代入式( 2 1 ) 便可求得汛期各日的隶属度l lr ( t ) 。以 各日的隶属度为权重，求出各日所需的防洪库容v 。，可采用下式计算： k = r ( f ) k ( 2 3 ) 将设计洪水位( 有时也取为防洪高水位) 对应的库容值减去各日所需的 防洪库容v 。，得出各日的库容值v d ，查v z 曲线便得出水库各日的汛限水 位控制值z x 。此法适合于求解处于非汛期时的汛限水位上限值。 ( 2 ) 预蓄预泄法 为确定汛限水位动态控制的上限值，本文采用预蓄预泄法，所谓预蓄预 泄，其基本思想就是水库有多大的泄流能力，就将水位上浮多少，且留有一 定的余地。本方法将入库洪水过程分为两阶段考虑，第一阶段为从水库接到 降雨预报到库水位开始起涨，此阶段为水库预泄的主要时期：第二阶段为从 洪水起涨时刻到峰前水库下泄流量等于入库流量时刻，此阶段由于入库流量 小于水库此时的最大下泄能力，所以水库还可以进行下泄以降低库水位。下 面介绍预蓄预泄法确定汛限水位控制上限值的方法。 以有下游防洪任务的水库为例，应用此方法确定汛限水位上限值时，主 要由以下几个影响因素决定：有效预见期，预见期内水库的入流，预见期内 水库的泄流能力，下游的安全泄量。具体求解步骤如下： 有效预见期( t ) 的确定 有效预见期按下式确定。 沈阳农业大学硕士学位论文 t - - - - t y + t h + t a 。t c 。t j t z ( 2 - 4 ) 式中：t ，一降雨预报的有效预见期； “一汇流历时； t a _ 入库洪水流量等于水库相应此时的最大下泄流量的历时： t ，一预报信息传递时问； t i 一预泄决策、调令传播时| 日j ； t 厂闸门操作时间。 有效预见期内水库的入流 有效预见期内水库的入流情况有3 种，详见图2 1 。 ( a ) 、 、 q 、 、 t 口 ( b ) ( c ) 、 j i q 一、 七。 图2 - 1 水库入流类型 f i g 2 - 1t y p e so f t h er e s e r v o i ri n f l o w 情况( a ) 为水库在无任何前续降雨过程和洪水过程的| 下常入流；情况 ( b ) 为降雨已开始后。考虑一部分峰前入库洪水过程，这一部分洪水过程 可根据洪水的涨洪规律，从历史洪水中或概化洪水过程中取一些不利情况， 在洪水的涨水段寻找一个流量q ，q 的值应等于相应于原汛限水位时水库的 最大泄流量，从洪水过程线上q 所对应的时刻t 。起逆时序截取至时段长恰好 为有效预见期t 的洪水过程作为入库洪水；情况( c ) 为本次洪水还处于退水 段，但已开始关闸蓄水，而此时又收到降雨预报，新的洪水开始入库，此种 情况的入库洪水过程的取值方法同情况( b ) ，不再阐述。通常情况( c ) 为 最不利情况。 下游安全泄量的选择 安全泄量接下游防护区最低一级防洪标准控制，为安全计，适当考虑发 生一定频率的区间洪水与水库泄流的不利组合情况，防护点的安全泄量应当 相应地减少。 有效预见期内水库的预泄水量 假定汛限水位上限值为z i ，在由上述步骤确定的入流条件下，按规划设 计的调洪规则经调洪计算得出在有效预见期t 内水库的总下泄水蟹v 。 一、汛限水位动态静制范用的确定 汛限水位上限值的计算 由规划设计的汛限水位z o 查水位库容曲线得到相应的库容值v o ，计 算v = v o + v 、，由v 反查水位库容曲线得出相应的z 值，如z = z ；，则假设 的z 。就是所求的汛限水位上限值，否则继续假设试算，直到二者楣等为止。 2 汛限水位控制上限值的风险分析 取不同的入库洪水过程和不同的预见期，按照上述方法进行调节计算， 可初步确定汛限水位控制上限值的若干个方案，为了确定最终的上限值，需 要对这些方案进行风险分析，从而经过综合比较确定一个合理的汛限水位控 制上限值。 此处的风险是指由于抬高汛限水位导致水库有效防洪库容减少，从而在 遭遇设计频率洪水时，调洪最高水位超过水库的校核洪水位从而给大坝安全 带来的风险。在进行此类问题的风险分析时，现行的主要方法有蒙特卡洛法 和频率分析法，下面分别介绍这两种方法。 蒙特卡洛模拟法 这种方法受资料限制，通常采用直接途径，依据流域实测水文资料，采 用季节性一阶自回归模型，先模拟出序列的洪水总量，然后随机抽取实测样 本中的一个典型洪水过程，对其总量进行分配得到模拟的洪水过程，选择起 调水位z o 以规划的调度原则、方式、规则对模拟洪水进行调洪计算得到调 洪最高水位z 。，最后比较是否大于原规划设计的校核( 设计) 洪水位( z 。o ) 。 风险率按下式计算： p ，= ( m v ) x l o o ( 2 5 ) 式中：1n 随机模拟抽样的总次数； m 一发生z ，z 。o 的次数。 这种方法假定：降雨预报发生漏报或人为干预使预蓄的水位没有回落到 原规划设计的汛限水位控制值，可能遭遇各种大小量级的洪水，其中调洪最 高水位超过校核洪水位z r r i o 的频率即称起调水位为z o 时的风险率。 实际上，降雨预报发生漏报的概率不是1 0 0 ，预蓄的水位也不可能一 点不回落，所以上述方法计算的风险率通常偏高。且上述方法在模拟时，由 于是将随机产生洪水总量按定比例分配，很可能产生不符合实际的洪水过 程，且计算工作量大，虽然采用计算机进行模拟，但费时多，所以较少采用。 频率分析法 l 6 沈阳农业大学填士学位论义 假定由前述方法确定的若干个汛限水位控制上限值为z ( i ；l 2 ) ，以 此为起调水位，按照规划的调度方式及规则，分剐调节冬种频率的设计洪水， 求出相应的调洪商水位z , j ( i 为各种频率设计洪水序号) 。以设计洪水位( 校 核洪水位) 为风险控制指标，由内插法求出以z ，为起调水位经调洪计算所得 的最高水位恰好等于风险控制指标时的洪水频率，以此频率( p ) 作为起 调水位为z 时的风险率。此风险还可解释为，当水库的起调水位为z ，时， 水库尚可抵御频率为p 的洪水，这可以为决策者提供在某一水位时，水库 所具有的防洪能力。 也可通过下式可计算相对于设计洪水位或者校核洪水位的相对风险率， p = t ( 2 - 6 ) p 只 式中：p 广相对风险率： p 一设计( 校核) 水位所对应的洪水频率： p ，一由上述方法计算的某水位的风险率。 通过上述计算，可计算出各个汛限水位控制上限值( z 。) 相对于不同的 参考指标时所具有的风险( p ) ，以水位( z 。) 为横坐标，风险( p ) 为纵 坐标可以绘制不同水位( z ) 所对应的风险曲线图，利用此圈我们可以直 观地看出不同水位和其相应风险的变化情况。 3 上浮汛限水位控制值的效益计算 上浮汛限水位增加的效益可按如下方法计算。 a 调蓄次洪水的效益计算 方法一为按现行供水价格计算，以提高汛限水位增加的库容v 乘以现行 的单位供水价格，即可得到抬高汛限水位所获得的效益。 方法二为由于汛限水位的抬高，用多蓄的水量进行发电所获得的效益， 可以将这部分水量通过计算转化为电量，从而求出发电效益，以此作为抬高 汛限水位的效益。 b 多年效益的计算 将选取的汛限水位值代替原汛限水位，进行兴利调度的长系列调节计 算，得出相应的效益指标值，与原汛限水位的效益进行比较，以增加值作为 此汛限水位的效益。 4 确定汛限水位上限值的方案优选方法 通过上述步骤计算出上述各方案的效益和风险，如何在效益与风险之阅 做比较，从而确定个合理的方案，本文采用由大连理工大学王本德等人 ( 2 0 0 0 ) 提出的模糊优选法，方法如下： 目标函数。从兴利效益来看，汛限水位越高越好：从防洪安全来看， 汛限水位越低越好。对应子不同的汛限水位上限值方案，将其效益与风险用 b ，和凡表示，故目标函数为： g l = m a x b i ) r ，1 、 g 2 = m i n p ，i = l ，2 ，n 。一 决策变量。决策变量指预蓄的水位z 。 约束条件。约束条件为： z o z ，z r b d b b 。 ( 2 - 8 ) p n p 。p o 式中：z 0 一原规划设计的汛限水位； z r - 兴利蓄水位： b 扑b f 一对应于z 0 、z r 的水利及动能效益指标； p n 、p 乜一分别为水库设计时的下游最低级防护目标的防洪标准频率及 校核标准频率。 可行方案集。若满足上述约束条件的方案集称为可行方案集。 模糊控制模型的求解方法如下： 设目标值矩阵为： 印隐o ：甜丑川名一 。， g 1 ( b ) 为效益型目标，为描述某个方案目标值属于“最优”的程度而 构造以下一个目标值优属度函数： r l i = o l i m i n ( o l i ) m a x ( o i i ) 一m i n ( o l i ) 】 ( 2 - 1 0 ) 式中：r 一第i 个方案相对于第1 个目标值的优属度： m a x ( g l 。) 、m i n ( o l i 卜一分别是第1 个目标n 个方案中的最大、最小值。 很显然，当g “为最大时，。j ；j ，说明此方案的目标值最优：当g i ，为最 小时，r 。i = o ，说明此方案的目标值最劣。 二、汛隈水位动态控制范雨的确定 g 2 i ( 已i ) 为风险型目标，其目标优属度函数构造为： r 2 1 5 l - g z i - m i n ( g 2 i ) m a x ( g 2 0 - m i n ( g z ) 】 式中各符号含义同上。 ( 2 1 1 ) 利用式( 2 - 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 可将式( 2 9 ) 矩阵化为目标优属度矩阵为： ：卜j ( 2 1 2 ) l r 2 , 厂2 2 一厂2 n j 若将矩阵( 2 1 2 ) 中每一行的最大值抽出，并称 r s 5 ( 嘲，。9 2 产 m a x ( r i 0 ，m a x ( r 2 i ) 为理想优等方案。 若将矩阵( 2 1 2 ) 中每一行的最小值抽出，并称 r c ( r g l , r e 2 ) 2 m i n ( r l i ) ，m i n ( r 2 i ) ) 为理想劣等方案。那么，任一方案i 都以一定的隶属度u 叠。，u b 隶属于优 等方案r g 和劣等方案r b ，称为方案的优属度和劣属度，因此可构成最优模糊 分划矩阵为： u ：1 u g l z j 9 2 l ( 2 - 1 3 ) l u g , “b 2 “h j 式( 2 1 3 ) 应满足约束：0 u g i l ，o u b 。1 ，e u g i 0 ，u b i 0 ，l l g 。+ u b i ；l ，i = l ，2 ，1 1 。 目标之间的重要程度用以下目标重要度向量表示： w = ( w j ，w 2 ) ，w k = 1 ，k = l ，2 ( 2 1 4 ) 式中，w 为目标重要度向量；w 1 、w 2 分别是目标b 与p f 的重要度。 为求解矩阵式( 2 - 1 3 ) ，将方案优、劣属度定义为权重，设目标函数为： m ；n f 一莩 “；军( 啡( 一k ) ) 2 + ( t 一) 2 莩( 纯( 一) ) 2 ( 2 彤) l j ti| j 即全体可行方案对理想的优等方案与劣等方案的加权欧氏距离平方和 最小。 解d f d u 2 i = 0 ，得式( 2 1 3 ) 各要素计算式为： 圹- 十+ 倭b 舰刊r ，莩姒刊1 2 ) 沼，s ， il i女 j = 1 一u 口 ( 2 1 7 ) 求得式( 2 1 3 ) 后，按方案优属度最大的原则选择最优方案： 二、汛限水位动态控制范围的确定 u 印= m 腻 u 毋净1 ，2 ，n ；p n ( 2 - 1 8 ) 则第p 方案是最佳的汛限东位控制方案。按照决策者对风险的不同态度， 考虑水库自身的状况，确定一个可以接受的汛限水位控制的上限值。 5 汛限水位下限值的确定 汛限水位的上浮是为了增加水痒的兴利效益，相反，汛限水位的下调则 增加了水库的防洪安全，相应的风险则是由于汛限水位的降低而增加的水库 后期蓄不足水的可能性。通常一般情况下