多闸多时段联合防洪的闸群防洪体系优化调度研究

多闸多时段联合防洪的闸群防洪体系优化调度研究

1原河网水利工程对表现的防洪系统设计平原河网交错，水系混乱，洪水开发过程相当复杂。此外，随着经济的发展和人口众多，洪水灾害造成的经济损失和社会影响极为严重。防洪调度是防洪实践活动中的一项重要内容,防洪系统的合理调度可以充分发挥整体防洪能力,保护人民生命财产安全,最大限度削减洪涝灾害损失。近年来,防洪优化调度在理论和实践上已日趋成熟,但研究工作主要集中在水库防洪方面,对于平原以闸群为主要防洪措施的防洪系统的优化调度还研究甚少。因此,开展平原河网水力计算和闸群防洪体系优化调度研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本次研究的平原河网防洪体系由河道、堤防工程、闸群体系和下游出口外海组成,其系统构成如图1所示。河道和堤防工程构成河网主干,是整个防洪系统相互联系的纽带,充分发挥其槽蓄作用,可有效控制洪峰流量,提高整体防洪效益;闸群由内河闸及外河闸组成,均为一孔或多孔节制闸或挡潮闸,主要通过闸门的启闭调度对整个河网水系的洪水过程进行优化调度,进而实现防洪体系防洪效果的整体最优。2计算最优的工况下进行选优闸群防洪体系优化调度,就是在满足防洪体系各种约束条件的前提下,通过闸群的合理调度,使综合防洪效果(或目标函数)达到最优,并获得相应的闸群运行最优策略。根据闸群调度多阶段非线性以及水力约束较多等特点,同时参照文献在相关领域的研究成果,本文采用水力学方法和动态规划方法建立了基于一维河网水动力模型的闸群防洪体系优化调度模型,可以进行TN个时段洪水过程、R条河道、N个闸组成的闸群防洪体系的优化调度计算及常规调度计算。2.1第k至第k+1阶段本文研究的平原防洪体系以闸群为调度对象,在优化模型建立过程中有下列基本假定:(1)不考虑闸孔开启时间。如在第k阶段,若闸门i的第j号闸孔处于开启状态,而第k+1阶段该闸孔关闭,则认为在第k到第k+1阶段内该闸孔始终开启,只在进入第k+1阶段时瞬间关闭。(2)假定河道堤防具有一定高度,洪水始终在河道内行进,不发生破堤。也就是说,当河道洪水水位不超过相应堤防堤顶高程时,洪水将在主河槽及滩地内行进,本模型可以模拟此种情况;而当河道洪水水位高于相应堤防堤顶高程时,洪水将四处漫溢,水流流态已不再属于一维非恒定流的研究范畴。2.2计算时段及状态变量建立动态规划优化模型的关键之一是各类变量的合理选取,这将直接影响到整个模型的可行性、收敛性及其计算精度。(1)阶段变量。考虑到各类变量的关联性和协调性,以及河网水力计算逐时段计算的特性,本模型以计算时段作为阶段变量,记为k,k=1,2,……,TN。(2)状态变量。结合决策变量的需要,本模型选定闸群中各闸当前计算时段开启孔数作为状态变量。当闸门总数大于1时,该状态变量即为多维向量,记为,N为闸群中闸门总数。(3)决策变量。根据闸群优化调度实际运行的要求,在模型中选取闸门调度孔数,即当前计算时段某闸门开启孔数较之其前一计算时段开启孔数的变化量作为决策变量。当闸门总数大于1时,该决策变量即为多维向量,记为。2.3目标函数的设定参考文献,结合平原闸群防洪体系的特点,本文以洪水期河网水系下泄水量最大为目标,故优化模型的目标函数可表示为:式中k为阶段变量,这里即为计算时段数;TN为计算时段总数;Vk(Sk,dk)为第k阶段整个河网水系下泄水量,m3;Sk,dk为各阶段的状态与决策。F为洪水期结束时,满足所有约束条件的河网水系最大下泄水量,也即是优化调度的最优值。2.4水动力模型及约束平原河网闸群防洪体系优化调度的约束条件应从河网水力计算、闸边界过流计算、闸孔调度数目和闸门调度方式等方面加以考虑。对于第k阶段而言,其主要的约束条件如下。(1)无调蓄能力节点水量平衡约束。河网水力计算中,通常将河道交接处概化为几何节点。当节点面积近似忽略不计时,该节点即为无调蓄能力节点,必须满足流量衔接条件和动力衔接条件:式中为河道j汇入节点i的流量,m3/s;为节点i的平均水位,m;为与节点i相连的河道j相应断面的水位,m,i=1,2,…,N0;Ai为节点i的蓄水面积,m2;t为时间,s;N0为与节点i相连的河道数。(2)闸边界水力约束。平原水网地区,基本河网内部用于沟通不同级别河道的节制闸以及排水河道与出口排水闸间的水力联系常通过过闸流量方程(堰流公式)表示:式中Q为过闸流量,m3/s;为第k阶段闸上游水位,m;为第k阶段闸下游水位,m;Z0为闸底高程,m;B为闸门开启总净宽,m。(3)闸门开启数目约束。闸门可以开启孔数给出了决策变量的允许决策集合,同时也为多维状态变量各维向量的确定给出了范围。该约束可表示为:式中为第k阶段第n个闸门开启闸孔数;为假定闸门所有闸孔均可用,即为第n个闸门设计闸孔数。(4)过闸设计流量约束。过闸流量由式(3)计算得到,但不得超过水闸设计流量,若超过,则只能按照水闸设计流量限流。式中第k阶段闸门i的过流量,m3/s;为闸门i设计流量,m3/s。(5)闸门开启方式约束。根据工程经验和一般运用要求,本模型考虑了2项约束:①闸门仅存在全关和全开两种状态,即每孔闸门若开启,则开启高度必在水面以上全开位置;②隔孔交替或自中孔开始对称均匀开启。(6)河道水位约束。无论是外河道还是内河道,各计算断面在任一阶段的水位必须高于断面处的河底高程,防止河道出现断流,保证水动力模型的有效性。式中为第k阶段第i个计算断面的水位,m;为第i个计算断面处对应的河底高程,m。(7)汛末河网水位约束。根据实际调度要求,一般要求汛末回复到汛前水位附近,也即是说洪水期内河网下泄总量应与天然来水总量持平或略大于天然来水总量。式中Wd为洪水期末河网下泄洪水总量,m3;AWin。为洪水期内天然来水总量,m3,包括山区洪水入流和平原内部产水两部分;A为经验放大系数,略大于1。实际洪水有大有小,若遇较低频率洪水,汛期内河网泄洪总量将小于来洪总量,汛末河网平均水位必然高于汛末限制水位,优化模型自动满足该约束条件;若遇较高频率洪水,汛期内河网泄洪总量将大于来洪总量,河网有能力下泄掉洪水期内所有天然来水,该项约束条件将自动添加到本文所建立的优化模型中。2.5水力要素的初始计算本模型选用各闸开启孔数为状态变量,通过水动力模型的计算方程实现状态在不同阶段的变化。因此,优化模型中的状态转移方程也就是水动力模型中离散化的圣维南方程组:式中为k断面i阶段的水位,m,k=j、j+1,i=n、n+1;为k断面i阶段的流量,m3/s,k=j、j+1,i=n、n+1;Cj、Dj、Ej、Fj、Cj、Hj为常数,均由各个时段水力要素的初值计算得到。综上所述,整个闸群防洪体系优化调度模型基于变量的合理选择,在满足各类约束条件的前提下,应用状态转移方程式(8),逐段进行择优计算,以获得目标函数的最优值及其相应的最优策略。3基于新时代动态规划前向递推的求解方法考虑到本模型选择的状态变量与决策变量本身是离散的,其可行域是有限的,同时结合阶段变量的时间特性,本文选择一般动态规划前向递推方法进行求解。计算步骤如图2所示。4独立水系分布本文以宁波市北仑区作为研究背景,区内水系贯通,交织成网,依据地形大致分为两大独立水系,之间由一节制闸控制,各水系均自西南流向东北入海。现状河道总长259.1km,在常水位时,水面面积554.0万m2,总蓄水量898.8万m3。4.1联合开启试验根据北仑区防洪体系概况及其目前的工程现状,区内闸群防洪体系优化调度的任务是在洪水期各种洪潮遭遇条件下,依据河道行洪能力及汛末对河网整体水位的要求,逐时段研究内河闸和外河闸联合运用的最优启闭组合及开启时各自的开启数目,以使北仑区两大平原水系通过内河闸的调度合理分配所有水量,并进一步通过外河闸的优化调度将分配水量尽快排出基本河网,进入外海。4.2门和防洪系统的优化配置和结果分析为验证本文提出的优化调度模型、方法和优化调度程序,笔者根据北仑区防洪优化调度任务,选用两场不同频率洪水过程为算例进行实例计算。4.2.1计算成果及分析(1)计算条件。洪水过程1为20a一遇设计洪水过程。本次研究采用北仑区20a一遇设计暴雨过程进行产汇流计算,以所得逐时流量过程及偏不利情况下的设计潮位过程作为外边界条件;初始时刻假定河网平均水位1.2m,下泄流量为0,所有闸门处于关闭状态;计算步长Δt取为0.5h。(2)计算成果及分析。为突出优化调度较常规调度的优越性,在相同计算条件下,本文将洪水过程1对应的洪潮组合作为闸群优化调度计算和常规调度计算的输入边界。结果表明:经优化调度,汛期末河网最大下泄水量为4974.9万m3,而常规调度时下泄水量为4336.6万m3,较优化调度少了638.3万m3,也就是说与常规调度相比,采用优化调度将比其多下泄约15%的洪水。优化调度计算结果见表1。由此可见,闸群优化调度对于洪水期河网防洪效果明显,不仅能够合理分配河网蓄水空间,有效降低河网整体水位,在一定程度上缓解河网防汛压力,同时给出了逐时段闸群调度方案,可为防汛决策提供技术支撑。4.2.2确定外边界条件(1)计算条件。洪水过程2为20a一遇以下设计洪水过程。本次研究采用北仑区5a一遇设计暴雨过程进行产汇流计算,以所得逐时流量过程及偏不利情况下的设计潮位过程作为外边界条件;其他计算条件与洪水过程1完全一致。(2)计算成果及分析。计算结果表明,经闸群优化调度,在第133个时段,河网已留出足够容量容纳洪水期所有来水量。从第134个时段开始,优化问题受到水量和水位的双重控制,闸群调度规则也随之发生变化以实现对整场洪水的优化调度。若在洪水期间完全采用常规调度,当河网已预留出足够空间时,仍会通过外河闸不断向外海排水,将无法