（水文学及水资源专业论文）水库兴利调节输入模型及计算方法研究.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 本文以大连理工大学水资源教研室的研究成果为基础，重点研究水库兴利调节中的 输入模型和计算方法。主要研究内容由兴利调节输入模型、兴利调节计算方法和水库兴 利调度图生成三部分组成。具体研究内容和成果概括如下： ( 1 ) 简述我国水资源的发展状况，从我国的水资源特点和开发利用现状的角度出 发，指出水库兴利调节研究的必要性。介绍了目前国内外中长期水文预报模型、径流序 列随机模拟模型研究现状，水库兴利调节方法研究现状，分析了亟待解决的关键问题， 并简要提出解决问题的办法及相应对策。 ( 2 ) 阐述了径流输入模型概念，分析了径流输入模型中确定性、模拟、预报三种模 型的各自特点。重点研究了模拟模型中的径流系列随机模拟混合模型和中长期径流预测 模型中的单要素多周期径流预测方法。采用径流模拟混合模型，以大伙房流域径流系列 资料为基础，建立数据库和模拟模型，进行参数的调节计算，生成了多年模拟径流系列 资料，通过参数统计、频率曲线拟合和k - s 拟合优度假设检验，认为模拟序列与实测序 列符合良好。使用单要素多周期推理模式预测方法对大伙房水库年径流量进行预测，得 出了具有一定精度的入库水量预报值，能够为水库调度人员的调度决策提供参考。 ( 3 ) 介绍了防洪兴利连续调节计算方法的提出背景、基本思想和基本原理，分析了 该方法与常规方法的异同点及科学性之后，以大伙房水库为例，分别采用常规方法和防 洪兴利连续调节计算方法进行兴利调节计算，分析两种计算方法对水库兴利效益影响， 并进一步从实例中论证防洪兴利连续调节方法的科学性。最后，总结分析了防洪兴利连 续调节方法的适用条件。 ( 4 ) 以大伙房水库现状调度图为基础，在保证目前工农业供水量和保证率情况下， 以减少弃水、增加发电用水为目的，采用防洪兴利连续调节方法，经过反复演算，得到 防洪兴利连续调度图。基于对水文预报资料的运用需求，研究了考虑年预报和中短期预 报资料运用的水库调度图，为水库调度工作提供参考。 ( 5 ) 最后为全文的结论和展望，对论文的特色以及获得的成果作了总结，并指出论 文写作过程中存在的不足之处及对今后工作研究的展望。 关键词：兴利调节；连续调节；输入模型；调节计算方法；调度图；大伙房水库 水库兴利调节输入模型及计算方法研究 s t u d yo ni n f l o ws e r i e sg e n e r a t i o nm o d e l sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o d sf o r r e s e r v o i rw a t e rc o n s e r v a n c yo p e r a t i n g a b s tr a c t t h ei n p u ts t r e a mm o d e la n dr e s e r v o rb e n e f i tc a l c u l a t ea r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h e p a p e rc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ：t h ei u p mi n f l o wm o d e l ，t h er e s e a r c h0 1 1m e t h o d st oc a l c u l a t e r e s e r v o i rb e n e f i ta n dt h es t u d yo nt h em a k i n go fr e s e r v o i ro p e r a t i o ng r a p h 1 1 坨m a j o r c o n t e n t sa n dr e s e a r c hr e s u l t sa r e 雒f o l l o w s ： ( 1 ) i nt h ef i r s tp a r t , o u t l i n e sw a t g l - r e 戴) u r c e ss i t u a t i o ni nc h i n aa n dp o i n t so u tt h e n e c e s s i t yo f t h er e s e a r c h n 蛇p r e s e n ts i t u a t i o no f m i d - l o n gr e f i l lp r e d i c t i o no f r u n o f f m e t h o d s r a n d o ms i m u l a t i o no f1 1 1 1 1 0 f ra n dc a l c u l a t i o no fr e s e r v o i r p r o f i t i n gr e g d a t i o na r e i n 舡o d u c e d k e yc a 辩s t u d ym a ds o l v i n go f t h ep r o b l e m si sa n a l y z e d ( 2 ) s t a t e st h eb a s i cc o n c e p to f i n p u ts t r e a mm o d e l ，d e t e r m i n a t em o d e l ，s i m u l a t i o nm o d e l a n df o r e c a s tm e t h o d e m p h a s e sa r ep l a c e do nt h em i x e ds t o c h a s t i cm o d e la n do n e f a c t o r m u l t i c y c l ei n f e r e n c em e t h o d s u p p o r t e db yt h em i x e ds t o c h a s t i cm o d e l ，t h ed a t a b a s ea n d r a n d o ms i m u l a t i o nm o d e lo fd a h u o f a n gr e s e r v o i rw e r ee s t a b l i s h e d u s i n gt h em o d e l s i m u l a t ed a h u o f a n gr e s e r v o i r sr u n o f f t h er e s u l t so fs t a t i s t i c a la n a l y s i s f r e q u e n c yc , u l v e s a n dg o o d n e s so ff i tt e s ts h o wt h a tt h es i m u l a t i o nr u n o f fi si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h eb a s i c d a m t h eo n e - f a c t o rm u l t i c y c l ei n f e r e n c em e t h o di sa p p l i e dt of o r e c a s tm m u a lr u n o f fo f d a h u o f a n gr e s e r v o i ra n dt h er e s u l ti sp r a c t i c a la n df e a s i b l e i ts h o w st h em o d e lc 趾b e a p p l i c dt oo t h e rs i m i l a r l yw a t e r s h e d s ( 3 ) t h et h i r dp a r ti sa b o u tm e t h o d so nh o wt oc a l c u l a t er e s e r v o i rb e n e f i t 1 1 a f f e c to f d i f f e r e n tm e t h o d so nb e n e f i tm a i n l yc a u s e db yt h ed i f f e r e n c eo f o p e r a t i o nw a yi nf l o o ds e a s o n , s oi nt h i sp a r t , t h er e s e r v o i ro p e r a t i o ns t a g e si nf l o o d8 e b s o n 撇d i v i d e di n t ot h r e eg r o u p a c c o r d i n gt or e s e r v o i rs t a t e ，t oe v e r ys i n g l es t a g e ，t h ed i f f e r e n c e1 0 e b v c c l lm e t h o d si sa n a l y z e d f r o md i f f e r e n ta s p e c t s ，s u c ha sr u n o f f , r e s e r v o i rt a s k , w a t e rl c 、，e la n dr e l e a s e 。e t ct od e c i d et o w h a te x t e n tt h em e t h o d si n f l u e n c et h eb e n e f i tc a l c u l a t i o n ( 4 ) i nt h ef o r t hp a r t , t h em a k i n go fr e s e r v o i ro p e r a t i o ng r a p hb a s e do ns e r i a lr e g u l a t i o n m e t h o di ss t u d i e d 1 1 l em e t h o dt a k e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f l o n g - t e r mr u n o f f a n dr e s e r v o i rt a s k , a sw e l la sr e l i a b u i t yi n d e xi n t oa c c o u n tt om a k es u r et h eo p e r a t i o ng r a p hr e f l e c t st h er e a l n a t u r eo fr e s e r v o i r a sn s ed e m a n do fr u n o f ff o r e c a s t , r e s e r v o i ro p e r a t i o ng r a p hc o n s i d e r i n g l o n g - t e r ma n dm e d i u m - s h o r tr a n g er u n o f ff o r e c a s ti ss t u d i e d t h el a t e ra c t si na l li n t e r - a c t i v e w a y ，b yw h i c h , t h ee x p e r i e n c e so f r e s e r v o i ra d i l i n i s l l a t o r sc a nb et a k e ni n t oa c c o t m l ( 5 ) n l cf i f mp a r ti s 曲o u ts u l m n a l ta n df u t u r ee x p e c t a t i o n 一i i 盔垄望三盔堂堕主堑窒生堂垡丝苎 k e yw o r d s ：r e s e r v o i rp r o f i t i n gr e g u l a t i o n ： r e s e r v o i rb e n e f i t s ) r e s e r v o i ro p e r a t i o nc n a p h ： s e d a lr e g u l a t i o n ：i n p u ts t r e a mm o d e l ： d a h u o f a n gr e s e r v o i r i i i - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或- i 正4 + 所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：燃 水库兴利调节输入模型及计算方法研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名 迦年月旦目 5 0 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 本文的选题背景 水资源是人类生存和经济社会发展的基础，是不可替代的自然资源。水资源问题成 为世界普遍关注问题，其根本原因在于它不仅影响、制约现代社会的可持续发展，而且 将成为2 1 世纪全球资源环境的首要问题，直接威胁人类的生存和发展，并可能成为战 争的诱因。 中国水资源总量2 8 万亿一但人均只有2 2 0 0 一。到2 0 3 0 年，我国的人口将达 到1 6 亿，人均水资源量将下降到1 7 0 0 一，接近国际公认的警戒线”1 。总体来说，我国 人均水资源不足，而且时间、空间分布不均。在时间分布上，不平衡主要表现在年内各 个季节分配不均。夏秋多冬奏少，夏秋季节河漉水位暴涨。水资源白自滚失，而且易形 成洪涝灾害；冬春枯水季节水位低落，水资源量少，造成严重的干旱缺水。在空间分布 上，我国南方水资源多，北方水资源少；沿海多，内陆少；山区多，平原少。长江流 域及其以南地区耕地面积占全国的3 6 ，地表水资源占全国的8 1 以上，而淮河以北 的华北、东北、西北等地的耕地面积占全国的6 4 ，地表水资源量仅为全国的1 9 ， 水资源量严重不足，这对我国工农业生产和人民生活有着很大的影响，造成水资源供需 矛盾突出，水资源的配置不合理，已经制约了我国经济的发展。水资源的年际变化也很 大，往往形成干旱年份和洪涝年份交错出现的现象，丰水年或桔水年往往连续出现，丰 水年组与枯水年组交错，丰枯年组循环的周期不等、丰枯的量值也不相同。 由于我国水资源的固有特点，以及人口的增长和国民经济的发展带来的工农业用水 量的增加，污水的任意排放，水质性缺水也日益严重，水资源供需矛盾突出；同时，由 于资源与人口、经济发展的不合理配置，致使水资源供需矛盾更加突出。一方面，表现 在农业生产上，北方大面积耕地遭受干旱的威胁，全国平均每年受旱面积达到3 亿亩， 成灾面积1 亿亩，抗旱己经成为些地区常抓不懈的任务；另一方面，表现在城市上， 城市缺水，工业用水严重不足。尤其是北方城市缺水已经影响到国民经济的发展和人们 的日常生活。据报道，全国现有6 6 8 座城市，有4 0 0 座城市缺水，其中有1 0 0 座城市严 重缺水，1 9 8 2 年大连市因为缺水，工业产值就减少6 亿元，上交利润减少1 亿元。 为了解决降水时问分布不均问题，人们修建了大量的水库，在汛期拦蓄洪水、消减 洪峰，在桔水期则根据灌溉、发电、航运、工业与民用供永等兴j ( f 部l 了的要求重新分配 天然径流“1 。水库在减少洪涝灾害、保护下游城市、工矿企业、农田村庄等方面发挥了 重要作用，同时，水库还可能是所在流域工农业、居民生活用水和城市用水的重要水源 地。水库具有防洪和兴利的双重作用，而且这两种作用是相互矛盾的，在水库实际运行 中要寻找防洪和兴利的切合点，优化水库防洪与兴利蓄水的综合效益。由于水库入流具 有随机性，水库用户用水量也受大气降水的影响，年际之间变动较大，这些不确定因索 水库兴利调节输入模型及计算方法研究 给水库调度研究带来了很大困难。因此，水库调度是水库建立以来水利工作者的重要研 究内容。 进行水库兴利调节计算，首先需要考虑输入资料问题，即兴利调节输入模型，它是 水库兴利调节计算的基础；其次，在资料确定的情况下，需要分祈采用哪种方法进行调 节计算，不同的计算方法对水库的效益计算可能有较大影响。从系统工程角度考虑，水 库兴利调节可分为：径流输入、约束条件、调节计算方法和输出成果四部分。本文在作 者所在研究室已有研究成果的基础上，重点研究水库兴利调度的输入模型和调节计算方 法。 1 2 兴利调节输入模型研究现状 1 2 1径流过程随机模拟研究现状 早在1 9 2 7 年c e s u d l e r 就曾为确定库容的概率分布而生成了1 0 0 0 年的年径流序 列。我国这方面的研究起步较晚，6 0 年代，谭维炎等人曾用蒙特卡洛法生成水文系列， 进行统计误差的研究”。8 0 年代以来，一些水电设计院、流域机构、高等院校和科研院 所相继开展了随机水文学的研究，在径流随机模拟方面，做了很多研究工作，并取得了 一定成果”“。 随机模拟方法虽然不能改变历史径流系列的统计特性，但可以给出与历史径流系列 在统计特性上基本保持一致的足够长的系列，以反映径流系列的各种组合情况，为以后 对水库兴剥调度的研究提供资料基础。径流模拟方法的主要内容包括模拟模型的选择、 识别、参数估计、检验、适用性分析以及调节后径流系列的统计特性分析等。 1 2 2 径流中长期预报研究现状 准确和及时的径流中长期预报，对于争取防汛、抗旱的主动权，制定科学调度预案， 发挥水利设施的安全与经济效益有着重要的作用。为实现这一目标，水文科学工作者研 究试用了多种径流中长期预测方法，虽然不少部门多年来有了许多卓有成效的研究，使 水文中长期预报有了前所未有的发展，但是由于长期水文过程的物理机制并未揭示，再 加上长期过程的全球性和非绝热性的特点，对许多物理背景尚未深入研究。目前我国水 文中长期预报的现状可作如下归纳： ( 1 ) 气象部门长期预报时间尺度和空间尺度均较大，很难在水文部门特别是水库管 理部门使用。 ( 2 ) 一些天气学方法和宇宙一地球物理成因分析方法，因为预报量与其所选的前期 预报因子之闻缺乏因果关系或物理机制的解释，而且获取基本气象资料困难，目前应用 的还比较少，动力学方法也基本未作研究。 ( 3 ) 统计方法应用最多，但是精度难以提高。当前应用比较多的是采用在物理分析 的基础上，挑选一些具有一定物理意义或影响关系的因子，应用大量资料和多种统计方 一2 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 法，建立中长期预报模型，综合得出预报结论。这一方法在目前尚无成熟中长期预报物 理模型的条件下，已经得到使用部门的普遍重视。 1 3 水库兴利调节方法研究现状 水库调度是根据水库承担的水利任务的主次及规定的调度原则，运用水库的调蓄能 力，在保证大坝安全的前提下，有计划的对水库的天然洪水径流进行蓄泄，达到除害兴 利、综合利用水资源，最大限度地满足国民经济各部门需要的目的“”。水库调度可以分 为防洪调度和兴利调度。 兴利调度是水库调度的重要部分。兴利调节计算方法，按照对原始径流资料描述和 处理方法的差异可以分为时历法和数理统计法两大类。时历法是以实测径流资料为基 础，按时历顺序逐时段进行水库水量蓄泄平衡计算的径流调节计算方法；数理统计法是 应用径流的统计特性，按概率论原理对入库径流的不均匀性进行调节的计算方法t 水库兴利调度的主要任务，是在保证水库安全渡汛的前提下利用水库的蓄水调节能 力重新分配河流的天然来水量，使之符合兴利部门的用水要求，充分发挥水库的综合利 用效益“3 。为了实现这个任务，必须在原规划设计的基础上，求出各种水利水能要素( 供 水量、电站出力、库水位、蓄水量、弃水量及损失水量等) 的时间过程以及调节流量、 兴利库容和设计保证率三者之间的关系，作为确定工程规模、工程效益和运行方式的主 要依据。兴利调度依据的主要资料包括有水库的特征水位及其相应的特征库容、水库的 水位面积和水位容积关系、水库历史入库径流资料、水库蒸发渗漏损失资料或者它们的 计算方法、水库各用水部门的用水计划、水库的兴利调度方案等。 由于在开发、利用水资源的规划设计中出现了许多复杂的课题，2 0 世纪6 0 年代， 在水库兴利调节计算方法领域，h a j r t h o m a s 等人提出了径流调节随机模拟法。它是 应用随机过程和时间序列分析理论与时历法相结合的径流调节计算方法，即先根据历时 径流资料和径流过程的物理特性，建立径流系列的随机模型，并据此模拟出足够长的径 流系列，而后再按径流调节时历法进行计算。 传统兴利调节的调节时段一般为月或者旬，在汛期不能够真实显现库水位的变动过 程；在水库的规划过程中传统方法也将防洪与兴利分开，造成防洪库容和兴利库容的部 分重叠。因此，一些水文学者提出了防洪兴利连续调节方法“”，该方法在调节计算过 程中，考虑水库洪水调度方式与规则，能够反映洪水期与枯水期径流连续变化盼特性。 对待建水库和己建水库都更符合水库的实际运用情况，得到的计算结果更科学合理。 水库的兴利调度方法啪1 主要有： ( 1 ) 常规方法 常规方法是一种半经验半理论的方法，主要包括时历法和概率法，其中时历法又分 为典型年法和长系列法。常规方法简便迅速，易于操作。由于常规方法的经验性比较强， 因此适合一些小型水库。 水库兴利调节输入模型及计算方法研究 ( 2 ) 模拟方法“埘 模拟方法是通过模拟系统的实际情况来建立一个模型，作为实际物理系统的缩体来 预测一定条件下( 入流、调度规则等) 该系统的响应( 调蓄水位、下泄流量等) 。当选用严 格适合的数学模拟较为困难时，以功能模拟为基础的模拟方法相对而言较为有利。但是， 该方法不能直接得到水库调度的最优解。模拟方法在早期的库容能力和调度分析方法与 当代复杂的优化方法之闯起到了桥梁作用。 ( 3 ) 优化方法 优化调度是一种建立以水库为中心的目标函数，拟定其满足的约束条件，然后利用 最优化方法求解由目标函数和约束条件组成的系统方程组，使目标函数取得极值的水库 运行控制方式“”。”。 水库调度模型确立后，用来求解的优化方法很多，主要有线性规划、非线性规划、 动态规划、多目标优化方法、大系统分解协调方法、模糊，灰色优化法、神经网络、遗 传算法和混沌优化法等。 线性规划法是一种较成熟的优化方法，它利用线性规划迭代方法求解线性或非线性 规划问题，其优点是处理高维问题的能力强，易于处理复杂的约束条件，算法简单、计 算速度快。缺点是线性规划法中目标函数和约束条件必须是线性的，这使它在水库优化 调度中的应用受到一定限制。 动态规划的基本原理是最优化决策序列，从当前状态出发，使面l f 缶时段的效益和预 留期的效益之和最大。由于动态规划是一个多阶段决策过程，其分析计算的工作量随着 状态变量、决策变量的增加而增加，当决策比较数增加到一定程度时，容易产生“维灾 数”问题。动态规划适合于小型单一水库调度的优化运算问题。 多目标优化方法求解通过目标权重系数将多目标转化为单且标，或由决策者权衡各 目标之重要性来选择最优方案。目前，多目标规划的理论及方法尚不成熟，有待于进一 步完善。 大系统分解协调方法是目前解决大规模复杂问题的有效途径之一。其基本思想是先 将复杂的大系统分解为若干简单的子系统，先实现子系统局部最优化，再根据大系统的 总目标，使各子系统相互协调配合，实现全局最优化。该方法与一般方法相比有简化复 杂性、减小工作量、避免“维灾数”等优点，其缺点是收敛性差。 水库兴利调度图h 捌是用来规定水库运行方式的曲线图，它由一些基本调度线组成。 为使水库兴利调度图具有指导水库运行的意义，不能仅限于按设计枯水年的来水过程绘 制调度线，还必须计及各种可能出现的年内径流分配情况。为此，应从已有水文资料中 选取不同的年内径流分配的典型年份，特别是不利的年内分配典型，或者对水库具有的 历史资料进行长系列调节。 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 4 本文研究方法 水库兴利调节可分为：径流输入信息、约束条件、调节计算方法和成果输出四个部 分嘲。本文的研究重点是研究第一部分输入径流信息和第三部分调节计算方法径流 输入模型和兴利调节方法及调度图绘制。 径流系列作为兴利调节的输入在水库规划设计和实际运用中起着举足轻重的作用。 为尽可能的估算水库流域的来水特性，径流系列应该尽可能的长。可是实测径流系列的 长度往往比较短，不能全面表征流域径流统计变化特性，从而径流系列的生成是水库兴 利调节计算中一个十分现实而又迫切的问题。本文在水库原有径流系列的基础上采用径 流随机模拟混合模型田”，汛期径流量按p e a r s o n 型独立随机变量进行随机抽样，然 后从以往实际发生过的同期径流量过程中抽取一个作为典型进行分配，并采用在典型年 中凸现洪水变化过程的方法模拟出洪水过程；非汛期利用季节性一阶线性自回归模型进 行月径流量模拟。在制定年调度计划时，未来一年的水库来水过程( 即径流数据信息) 是 未知的，这是径流过程的一大特点：随机性，因此，径流中长期预报成是必须的研究课 题。本文主使用基于水文系列多周期性的水文预报方法：单要素多周期推理模式法。 兴利调节计算基本原理是水量平衡，各种调节方法的不同之处主要在调节时段的选 择、调度规则、输入资料等方面。本文分别采用防洪兴利连续调节计算方法和长系列法 调节计算，分析两种方法由于调节时段、调度规则的不同对工业城市、农业灌溉和发电 用水等方面的影响，从而分析两种方法的适用性。 在防洪兴利连续调节方法的研究基础上生成水库连续调节调度图。考虑到调度图在 实际运用时往往要增加预报资料，当预报的是年径流量，选择典型年进行年内分配，调 节计算后在调度图上做出预测年水库水位变动过程线，可以给调度人员提供定性分析的 基础。当为中期或短期预报时，将调度图和水库z v 关系曲线绘制在一张图上联合应用， 在知道时段用水的情况下可以直接得到水库时段末的水位，这种调度图在一定的预报精 度情况下可以代表水库的实际水位变动过程。 1 5 本文主要内容 本文内容安排： 第一章绪论。阐述了水资源的重要性和中国水资源现状，论述了研究水库兴利调 节方法的必要性。在阅读大量文献和参与实际工程项目的基础上对兴利调节输入模型、 兴利调节计算方法研究意义及现状作了介绍。 第二章兴利调节计算输入模型研究。主要研究在原始径流资料的基础上采用径流 模拟模型生成径流模拟资料和采用中长期径流预报方法产生预报径流资料，以及这些生 成资料在兴利调节中的可用性分析。 水库兴利调节输入模型及计算方法研究 第三章兴利调节计算方法研究。对防洪兴利连续调节方法的基本原理、特点及与 传统方法的区别进行了系统介绍。以大伙房水库为例，分别使用传统方法和防洪兴利连 续调节方法进行兴利调节计算，分析了连续调节方法对水库兴利效益的影响和其科学 性。 第四章生成防洪兴利连续调节调度图。介绍了大伙房水库现状调度图，在现状调 度图的基础上生成了防洪兴利连续调节调度图；考虑到中长期预测和短期预报资料的使 用，研究了考虑年预测资料和时段预测资料的水库调度图。 第五章初步结论与展望。 一6 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 水库兴利调节输入模型研究 从系统工程角度，水库兴利调节可分为：径流输入信息、约束条件、调节计算方法 和成果输入四个部分。径流输入信息是水库兴利调度决策的基础，对于调节方法的确定、 统计参数指标和兴利指标均有影响，因而本章重点研究是第一部分径流输入信息，即水 库兴利调节输入模型。 影响入库径流量的因素很多，入流变化也相当复杂，因此，在研究水库兴利调节计 算时有必要分析研究水库的入流特性。在进行水库设计、制定水库调度规划时，需要的 是确定性过程。但由于实测系列资料缺乏，或者系列太短不能全面表征水库流域径流特 征，因而，有必要生成人工径流系列；另一方面，制定来年兴利计划时需要确定来水过 程，水文中长期径流预测也是兴利调度研究中一个不可或缺的课题。 径流输入信息一般为流域的历史实测径流资料，称之为径流系列的“确定性”模型。 如水库历史资料年限较少，不能全面反殃流域豹来水特性，可以在本流域原有历史资料 或借鉴相近流域径流资料上利用径流随机模拟方法产生多年径流序列，此为径流系列随 机模拟模型。在制定未来年份的兴利调度规划，需要利用径流中长期预报模型预测未来 年份的径流过程，此为径流系列的预报模型。下面分别来研究这三种输入模型。 2 1 确定性模型 河川径流各年过程均不相同，具有不重复性。由于影响因素复杂，同时受预报水平 限制，未来径流过程无法确知，因而河川径流具有随机性。另一方面从多年观测资料看 也是有规律可循的，如多年径流系列存在明显的周期性、持续性、相似性，最大最小可 能性和转折点等。在统计特性方面随着资料的累积，其统计参数( 如均值、方差) 也趋于 稳定。河川径流是随时间变化的连续过程，在面临时刻以前的历史时期河川径流是确 定的，我们在水利研究中使用的历史实测资料就是这种确定的河川径流资料。我们可以 称为确定性模型。 水库坝址以上的天然河川径流是水库的输入，是水库调节计算的基础“。水库兴利 调节确定性模型的输入资料为历史实测月、旬径流资料或更短时段的流量资料。若确定 性模型能够全面反映所在流域的水文特性，这些资料必须具备“三性”汹1 ；可靠性、一 致性和代表性。关于确定性模型的“三性”审查方法，请查阅相关水文书籍，在这里不 作介绍， 水库兴利调节输入模型及计算方法研究 2 2 径流系列随机模拟模型 2 2 1 径流随机模拟及其特点 径流随机模拟就是把实测径流序列作为样本，以此来估计一种数学模型，然后用此 模型生成充分长的径流序列，用于水资源评价、制定水库调度曲线、确定各种水利参数 和对未来径流量做出预估等。“。径流过程随机模拟系列的特点可以概括为以下两点： ( 1 ) 模拟径流序列更全面的表征径流变化的特性。模拟序列出自随机径流模拟模 型，模拟模型将径流在时间和空间上的变化有机的结合在一起。大量的模拟序列以直观 的方式全面地表征径流的统计特性。 ( 2 ) 大量的模拟序列表征着未来的来水过程可能出现的各种情况。短期的实测序列 只能表征水文现象的过去情况，未来的水文现象不可能是过去水文现象的完全重复。随 机模拟方法是对实测序列的重大改进，在实际应用中有许多优越之处。 2 2 2 模拟方法简介 水资源工程中常用到的随机模拟模型是线性自回归模型，多站模型和月径流模型 及它们的组合与推广啪删。 ( 1 ) 线性自回归模型 线性自回归模型在径流系列的随机模拟理论中占有很重要的位置，常用于描述径流 系列的时间相依性，故一般用于拟合年径流系列。 自回归模型的一般形式： 茧= a 户1 善，卅+ a ，2 髻，一2 + + 口，善，+ 7 ， ( 2 1 ) 式中：口，为自回归系数；尸为模型阶数。 实际计算中，由实测资料通过模型识别确定模型阶数尸，根据统计上常用的相关系 数计算方法计算系列相关系数作为自相关系数口u = 1 , 2 ，o 及独立随机数方差仃；， 即可确定模型。 ( 2 ) 多站模型 在水资源系统规划中常常需要生成一个流域或一个地区多站的同步径流系列。为此 建立多变量生成径流的随机模型即所谓的多站模型。多站模型又有一阶多站自回归模型 和多阶多站线性自回归模型两种。 一阶多站自回归模型为： 髻，2 彳眚_ l + b t 7 ， ( 2 2 ) 大连理工大学硕士研究生学位论文 式中：喜= ( 考 ：，考。，) 7 为一个( m x l ) 向量，其中善，o = 1 ，2 ，m ) 煳j t 第越占 的径流；7 7 ，= ( 7 7 ，7 2 ，7 。j ) 7 为时刻t 独立的正态分布随机数向量：a 和口均为仰1 ) 的 系数矩阵，其元素的确定应使生成的多变量生成径流系列保持所有站历史径流系列的均 值、方差、偏态系数、系列相关系数和互相关系数。可根据各站同步历史径流资料计算 协方差和互相关系数，确定系数矩阵a 、b ，从而确定模型。 此模型即适用于多站年径流的生成，又适用于多站月径流的生成。 多站多阶线性自回归模型形式为： 专= 4 喜f - l + a 2 毒，一l + + a ，善，_ i + b 叼， f 23 、 式中：4 ，幺，彳，分别为滞时为1 ，2 ，尸的系数矩阵，其它符号同一阶多站自回归 模型。4 ，( f = 1 , 2 ，力和口均为( m m ) 的系数矩阵，可根据各站同步历史年径流的系列 相关系数和互相关系数计算。 ( 3 ) 月径流随机模型 水资源工程中常用的月径流随机模型基本上可分为两大类，即自回归模型和分解模 型。自回归模型认为当前月的径流时历史上发上的月径流的某种线性组合和随机数之 和，模型参数可根据历史月径流系列计算求得，然后由自回归方程按时序方式直接生成 月径流系列。常用的马尔柯夫模型( 删) 、托马斯( t f ) 和多变量模型( m a ) 都属于自回归模 型。分解模型是首先研究年径流的随机模拟，建立适合的年径流模型，然后采用适当的 方法将年模型生成的年径流分解成月径流。常用的分解模型有：片断模型( f l i ) 和多站分 解模型( d m ) 。多站分解模型( d m ) 的数学表达及其求解方法类同于一阶多站自回归模型。 片断模型( f m ) 方法的基本要点是将生成的年径流系列按历史径流系列的年内分配模型 进行分解。其具体步骤是：建立年径流随机模型，生成年径流系列。将历史月径流 系列按年逐月规格化，形成“片断”。分解人工年径流，生成人工月径流。将历史年 径流系列按递增( 或递减) 顺序分级，每一级与相应的片断意义对应，然后根据生成的年 径流的所属级别，采用该级别相应的片断将其分解，生成所需的人工径流系列。 2 2 3 径流过程随机模拟混合模型 在多年调节综合利用水库的兴利与防洪为目的径流模拟中，需要同时考虑年径流量 序列的模拟和径流年内分布的模拟，单用上面介绍的一种模拟模型效果一般不够理想， 利用平稳模型和季节性模型，建立的径流过程随机模拟混合模型( 以下称混合模型) 可以 解决这种问题。将年径流量和径流年内分布应分别视作平稳随机过程和季节性非平稳随 机过程，分别采用线性形式的平稳模型和季节性模型来描述1 。 线性平稳随机模型中的自回归滑动模型可表示为： 水库兴利调节输入模型及计算方法研究 e = l z + e p l 0 ，1 一p ) + + 9 ，0 ，卢一p ) + 占，一0 1 8 h 一一o q 6 ，- 叮 ( 2 4 ) 其中平稳随机过程置的p 个自回归系数仍，9 。和g 个滑动平均系数b ，o q 满 足扩展的y u l e - w a l k e r 方程组，由样本自回归系数代替此方程组中的自相关系数，即可解 出各个参数作为相应参数的矩法估计；p 为z ，的均值；各8 代表独立随机项。 对于应用最广的一阶自回归模型，考虑序列边际分布的偏态性质而采p e a r s o nh i 型分布时，其形式为 z = z + p ，墨一，一) + 盯( 1 一p ；) l ”妒 其中a 为一阶自相关系数，d 为标准差， 和以的偏态系数和c j 要求满足 ( 2 5 ) 以为标准“s p e a r s o n 型分布序列。置 = o p ? k ( 1 一p 尹 ( 2 6 ) 同样是采用p e a r s o n 型分布，季节性线性自回归模型的一般形式可表为 x i # = 甲o # + 中l ，x t ，d + 9 z ，x t f 2 + + 9p # x t # 呻+ 0 5 # 辛t f ( 2 1 、 其中非平稳过程置，的下标t 表示年，f 表示年内的月、旬或日等时段，第f 时段的 参数仍，可用多元回归和逐步回归法估计，吒，为独立随机项的标准差，虹为标准化 p e a r s o n 型分布序列。五，和的偏态系数e r ，和o ，存在关系 = k ，一p ：，。) ( 1 一p 少 f 2 8 ) 其中岛，为一阶自相关系数函数。 滞时为1 的l “a r k o v 链形式的上述两种模型，即一阶线性自回归模型( 2 5 ) 和一阶线 性季节性自回归模型( 式( 2 7 ) 中令j d = 1 ) 中各参数的具体表达式可参考有关文献。 上述模型适在用时需区分不同模拟对象而进行分别处理。当实测资料为年内各时段 的径流量，那么仅用平稳模型模拟以年为间隔的各时段的径流量，从而得到模拟的径流 过程；或者仅用平稳模型模拟年径流总量，再借助典型解集模型得到径流的年内分布，也 可得到模拟径流过程。这两种只利用平稳模型的做法，都是利用了年径流量序列或以年 为间隔的时段径流量序列的平稳性质，非平稳性质隐含地完全由实测资料中的径流年内 分配来保证，这需要统计较多年份的径流资料才能收到好的模拟效果，即要求有较长的 实测径流序列。但当模拟径流序列是为用来评价多年调节水库兴利防洪联合调度下的兴 利防洪效益，从而寻求水库优化调度方案，则必须在拟定模型结构时能尽可能较好地反 大连理工大学硕士研究生学位论文 映主汛期内的洪水特性，用较小的时间尺度以产生充分反映非平稳性的人工径流序列， 如日径流量人工序列等。 2 2 4 混合模型在大伙房水库径流模拟中的应用 大伙房水库位于浑河中上游，坐落在辽宁省抚顺市境内，是一座防洪、工业及城市 供水、灌溉、发电、养鱼等综合利用的大型水利枢纽工程。本文以大伙房水库径流资料 为基础，使用数据库s q ls e r v e r2 0 0 0 和j a v a 语言0 7 删，利用平稳随机模型和季节性自 回归模型建立了混合随机模型，模拟得到多年大伙房水库径流过程资料。下面混合模型 的建立方法建立大伙房径流模拟混合模型： ( 1 ) 基本径流资料数据库的建立 模拟工作的前提是首先建立一个完整的基本径流资料数据库。基本径流资料数据的 整编，汛期为日径流资料，并在其中插入洪水过程；非汛期为月径流资料。大伙房水库 从1 9 3 5 年到2 0 0 4 年有句径流资料，从1 9 5 9 年到2 0 0 4 年有日径流量资料。以每年按7 月卜3 1 日、8 月卜3 1 日，9 月卜3 0 日，其中插入入库洪水过程资料，1 0 - 1 2 月，次年 卜3 月，4 月上、中、下旬，5 月上、中、下旬，6 月上、中、下旬的径流量列在同一行 的前面。紧接着把下一个水文年的资料列在下一行，如上法处理，直到将全部可用资料 处理完为止。依据最后采用的资料，统计年q 。，w 。，w 3 ，w 7 ，w 。和w4 的均值，g 和c 。值，见表2 1 。 ( 2 ) 模拟模型的建立 汛期径流过程模拟模型 将各年汛期径流总量视为p e a r s o n l l 型独立随机变量进行随机抽样，然后再从以往 实际发生过的同期流量过程中选取典型进行分配。此时，先将全部汛期流量过程按总水 量大小分为5 组。根据生成的汛期径流总量，从相应得汛期水量分配典型组中按均匀分 布概率模型抽取该次模拟应采用的典型过程，并据此求出该年汛期的逐日或逐时段的来 水量，及该年主汛期的特征值，如洪峰及其发生日期和历时最大水量及起止日期。 非汛期径流过程模拟模型 非汛期利用季节性一阶线性自回归模型，从前面求褥的汛期最后一月径流量逐个递 推，直到下一年汛期开始。 ( 3 ) 对上述求出的模拟模型进行统计检验 主要对上述求出的具有足够年数的径流过程统计其q _ ，w 。，w 3 ，w ，w 。和w 。 的统计参数，看模拟序列与原始求出的同类参数之间有无显著差异，以便修改模型。最 后选定模型，生成多年径流系列。 ( 4 ) 模拟结果及分析 使用上述模型模拟产生了2 0 0 年系列资料。对模拟系列进行频率分析与实测系列对 比，表2 i 和表2 2 列出了实测系列和模拟系列的均值、变差系数、偏态系数，图2 1 、 水库兴利调节输入模型及计算方法研究 图2 2 和图2 3 绘出了汛期、非汛期和年径流量的频率曲线拟合图，从中可以看出它们 均符合的较好。模拟序列和实测序列的分布通过k s 拟合优度假设检验，在显著性水平 0 0 0 5 下认为相同。 表2 1 汛期统计参数表 t a b 2 1s t a t i s d c sm b l ef b rf l o o ds 既l 咖 序列 均值 蓁萋囊蠢 均值 紊萋集蠢 均值 蓁萋萎妻 表2 2 非汛期统计参数表 t 曲2 2s t a f f s n c st a b l ef o rl o ww a t e r a s o n 1 月 2 月3 月 实测 4 2 81 0 42 3 44 1 81 1 9 2 6 7 2 1 0 7 0 7 21 6 3 模拟 5 0 20 8 4 2 2 44 2 7l 2 22 7 92 0 8 80 6 91 6 7 一1 2 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 图2 1 模拟与实测汛期径流量频率曲线拟合图 f 皓2 1f r e q u e n c y c t u v e $ o f s i m u l a t e da n d m e a s u r e dr u n o f f i n f l o o ds e a s o n 图2 2 模拟与实测非汛期径流量频率曲线拟合图 f i g 2 2f r e q u e n c yc b l n e so f s i m u l a t e da n dm e a s u r e dr u n o f f i nl o ww 砒e rs e a 鲫l 一1 3 水库兴利调节输入模型及计算方法研究 图2 3 模拟与实测年径流频率曲线拟合图 f i g 2 3f r j u c a c yg u l v c so f s i m u l a t e da n dm e a s u r e da n n u