水库调度模型范文（精选8篇）
水库调度模型 第1篇
1梯级水库群联合防洪调度风险评价指标体系
梯级水库群联合防洪调度一般都具有共同防护对象, 并兼有水文补偿、库容补偿效益, 需要根据各水库大坝的设计标准及下游共同防护对象的防洪标准, 研究如何由各水库联合调控, 以达到在保证大坝安全前提下最大限度地满足下游的防洪要求, 同时获得尽可能大的兴利效益。梯级水库群联合防洪调度的目标主要涉及如下三个方面:确保大坝安全、使下游防洪保护区损失最小、防洪调度期末水库水位在控制范围内。其中防洪调度期末水库水位在控制范围内是指当参加联合防洪调度的各水库的汛期不尽相同时, 调节一次洪水过程后各水库水位可能位于汛前期、汛中期、汛末期 (假设有分期) 、蓄水期中或蓄水期末等各种不同的水位控制区间内。
对于一个包含m个水库的联合防洪调度系统, 则可建立如下图1所示的风险评价指标体系。
(1) 水库自身防洪调度风险率。水库自身防洪风险率是指水库库水位超越水库防洪安全水位的概率, 对于第i个水库而言, 一般可以表示为:
式中:Zi (t) 是第i水库t时刻的水库水位;Za-i是第i水库的防洪安全水位。
(2) 梯级水库群自身防洪风险率。由于水库垮坝会造成严重损失, 水库本身安全是防洪调度首先要保证的前提条件, 对于梯级水库群自身防洪风险率可以认为是各个水库自身防洪调度风险率的最小者。因此, 可以表示为:
(3) 共同防护区防洪风险率。梯级水库群联合防洪调度的目的在于控制共同防洪保护区控制点 (如果仅有一个) 的流量qcq不超过安全流量qacq, 或水位不超过安全水位。而对于各个水库所具有的自身防洪保护区的任务可以作为联合防洪调度的约束条件考虑。因此, 共同防护区防洪风险率为:
(4) 梯级水库群蓄水不足风险率。由于梯级水库调度运行期划分不尽相同, 在梯级水库群联合防洪调度过程中, 尤其是在一场洪水调节期末, 有的水库可能已经到蓄水期或蓄水期已经结束, 此时水库应该蓄到规定的水位才能保证后期兴利效益不受影响, 因此, 如果有m1 (
(5) 梯级水库群控制水位不达标风险率。对于某一场洪水调节期末未到蓄水期的水库, 比如有m2个 (m1+m2=m) , 则应保持这些水库的水位回落至规定的水位, 以迎接后续洪水的到来。如果第i个水库的调节期末的水位控制下限和上限分别为ZL-i, ZM-i (i=1, 2, …, m2) , 则该水库的控制水位不达标风险率为:
则梯级水库群控制水位不达标风险率可取其中的最大者, 即:
2梯级水库联合防洪调度风险估计模型
2.1入库洪水过程的模拟
根据统计学原理, 可认为预报误差主要分为系统误差和偶然误差, 前者是受预报系统模型和方法的影响, 一般可以掌握其大致规律, 例如, 入库洪水预报值的修正就是在参考前一阶段预报值的基础上完成的。如果调度人员能够很好掌握系统误差的大致分布规律, 那偶然误差将是预报误差分析的主要困难。工程数学分析中, 偶然误差一般可作为正态分布处理, 所以在修正系统误差的基础上, 将预报误差作为正态分布变量来考虑是符合统计规律的。
以Q实测和Q预测分别表示入库洪水的实测值与预报值, 并定义X= (Q实测-Q预测/Q实测为预报误差, 则X与0的接近程度反映了预报误差的大小, 设x1, x2, …, xn为X的样本, 则有:
则易知, 参数μX, σX的极大似然估计分别为:
在上述参数求解基础上, 可以采用随机模拟方法 (比如蒙特卡洛) 随机产生预报误差的样本系列X, 而后依据式Q实测= Q预测/ (1-X) 可以获得入库洪水过程的系列, 再按照本地洪水的特点分别采用同倍比、同频率或其他方法进行缩放, 从而可以获得指定频率的入库洪水过程系列Qi模拟 (i=1, 2, …, n) 。
2.2梯级防洪调度风险估计模型
2.2.1模型建立
梯级水库群联合防洪调度的目的主要是为了满足防洪目标安全的条件下, 尽可能多地利用水库进行兴利, 而由于流域洪水过程的频率大小不一, 有时相差甚远, 如果按照同一级别进行控制, 不仅防洪效能得不到提高, 而且可能造成大量洪水资源的浪费, 难以最大化地发挥兴利效益。为了更好地发挥水库的综合利用功能, 提出三级控制措施, 当水库群遭遇流域洪水量级处于大坝设计标准及以上时, 要重点保证大坝安全;当洪水频率小于或等于下游设计标准时要重点保护下游防洪保护区安全;当洪水频率小于某一指定标准, 不会给下游防洪造成压力时, 要尽可能利用洪水多兴利。因此, 对于上述所建立的梯级水库群联合防洪调度评价指标体系, 一般应该满足如下关系Pcqr>Pcqd>Pcqdb>Pcqxs。同时, 可建立如下梯级水库群联合防洪调度风险估计模型:
式中:ZMi为第i水库的最高库水位;qm为共同防洪保护区控制点下泄流量最大值;ZLi为第i水库洪水调节期末水位;p= (p1, p2, …, pm) 为各水库遭遇洪水频率向量;pds (pds1, pds2, …, pdsm) 为各水库设计标准洪水频率向量;pxy= (pxy1, pxy2, …, pxym) 为各水库下游设计标准洪水频率向量;fr (·) 、fd (·) 、fxy (·) 、fdb (·) 为各变量的分布密度函数。
2.2.2模型求解
多数情况下梯级水库群遭遇大坝设计标准以上的洪水是极为少见的, 有时在面临下游设计标准洪水时也尽量控制各种风险事件的发生, 所以上述模型中所包含的各个风险评价指标都可以看作是小概率事件。如果要想得到相对精确的风险估计结果, 运用随机模拟方法 (比如蒙特卡洛) 往往需要进行大量的计算, 尤其是梯级水库群联合防洪调度涉及的因素和变量众多, 计算更为耗时, 为了提高模型求解速度, 以便增加防洪调度风险决策的时效性, 这里将联合调度看做一个系统, 引入一种改进的蒙特卡洛方法[10], 如下图2所示。
基于改进的蒙特卡洛方法框架下的模型求解步骤如下:
(1) 随机模拟得到n场洪水过程系列:
式中:T为调度期。
(2) 结合流域地区洪水特点应用同频率或同倍比等方法对[Qij (t) ]进行缩放得到[q′ij (t) ];
(3) 基于缩放的洪水系列, 按照联合调度规则进行调度, 得到各个水库库水位变化过程Zij (t) 、下泄流量过程qj (t) 和各水库调度期末水库水位值ZLij;
(4) 对于任意一个水库, 求解ZMij=maxZij (t) 和qMj=maxqj (t) , 则得到其对应上述模拟洪水系列的样本点为ZMij、qMj、ZLij (i=1, 2, …, m1) 、ZLij (i=1, 2, …, m2) ;
(5) 应用模拟最大熵理论[11], 求解fr (· ) 、fd (· ) 、 fxs (·) 、fdb (·) ;
(6) 将各密度函数表达式带入模型 (8) , 得到梯级水库群联合防洪调度风险率。
3算例分析
3.1工程概况
选取了长江中上游的两座大型水库 (三峡和溪洛渡) 进行算例分析, 两个水库都是按照一千年一遇的设计标准和一万年一遇的校核标准进行规划, 三峡作为长江中下游地区防洪的关键工程, 是对上游洪水进行调节的重要关卡, 汛期溪洛渡水库在三峡上游直接拦蓄金沙江洪水, 减少进入三峡水库的洪量, 两库联合运行使枝城防洪控制点和城陵矶防洪控制点流量或水位控制在安全流量或水位以下, 达到共同防护下游荆江等地区防洪安全的目的。两个水库的主要参数如表1所示。
3.2溪洛渡与三峡梯级入库洪水过程模拟
梯级水库洪水过程的模拟可以在参考历史洪水过程相关关系基础上, 依据典型水库入库洪水过程的模拟为基准进行同倍比缩放得到。这里采用三峡水库入库洪水预报误差进行控制, 对预报误差的标准差在可行范围内进行分析试算, 从而模拟得到三峡和溪洛渡两个水库的洪水过程样本系列, 模拟流程如下图3所示。
为了符合实际预报调度的需求, 在采用上述方法对三峡入库洪水过程进行模拟的基础上, 经统计分析, 模拟得到的洪水过程的洪峰误差小于1 000m3/s, 最大三十天洪量的误差小于1%, 并在此条件下进行梯级联合防洪调度的风险估计。表2是三峡入库洪水过程模拟分析表。
3.3溪洛渡与三峡梯级联合防洪调度风险估计
溪洛渡水库配合三峡水库进行联合防洪调度曾有专家提出了多种方式, 这里选取了1998年典型洪水过程为例, 时段为6月初到9月末四个月长的洪水过程样本, 洪水过程假设为百年一遇, 洪峰误差小于1 000m3/s, 洪量误差小于1%。经统计分析, 预报误差的标准差大于某一值a≈2时, 模拟的洪水过程样本系列的洪峰和洪量就不再满足上述误差控制条件, 因此, 将预报误差的标准差分为两部分μX∈ (0, a]和μX∈ (a, +∞], 后一部分由于不满足误差控制条件可以认为是一种不合格的预报, 只需对μX∈ (0, a]范围内的进行分析, 调度结果如表3所示。
按照已有调度规程三峡和溪洛渡的蓄水时间不相同, 从上表可以看出, 在联合调度期末溪洛渡水库都能蓄满, 且三峡水库水量也蓄到一定水位范围内, 不会影响后期水库蓄满率。同时, 在遭遇此洪水量级时的, 枝城分洪量随着预报误差标准差的增大而变化, 在预报误差标准差小于0.05时基本不分洪, 但是当预报误差标准差大于0.05时, 分洪量随其增大而增大, 这是由于预报误差的影响使得宜~ 枝区间流量与三峡泄流量之和大于枝城安全泄量的原因。而且在预报误差标准差为0.05时的期望分洪量为0.33, 说明此时存在一定的分洪可能性, 所以要想使得枝城分洪量为0, 需保证预报误差标准控制在 μX∈ (0, 0.05) 的范围内。依据模型 (9) 中表达式计算得到风险率如表4所示。
从表4可以看出, 溪洛渡蓄水不足的可能性较小, 三峡控制水位不达标风险随着预报误差标准差的增大而增大, 且在 μX∈ (0.15, 0.2]时不达标的可能性非常大;枝城分洪风险率也存在着随着预报误差标准差增大而逐渐递增的趋势, 但是存在0.05和0.15两个明显的分界点, 预报误差标准差小于0.05时, 枝城分洪可能性很小, 大于0.05小于0.15时存在一定的分洪可能性, 但是, 当其大于0.15时分洪的可能性很大。因此, 预报误差的大小是下游防洪风险的重要影响因素。
4结语
梯级水库群联合防洪调度是一个非常复杂的过程, 随着现有预报水平的不断提高, 已经基本上可以掌握短期洪水预报的规律, 并在实践过程中逐步得到验证。虽然利用预报结果作为调度的参考依据可以收到很好的效果, 但是预报误差的存在对于调度决策却是一种潜在的威胁, 由于其不可避免性, 需要更深层次地研究, 本文首先提出以防洪目标和约束的破坏概率为要素的风险评价指标体系, 建立了考虑洪水频率大小的梯级水库联合防洪调度风险估计模型, 可以很快确定此频率洪水条件下库群联合防洪调度所面临的风险情况, 在概率意义下了解其形式和影响, 对防洪调度决策具有一定的参考价值。但是这仅是一次有意义的尝试, 选取的水库群和影响因素都在一定程度上进行了概化, 实际水库群调度过程涉及的不确定性因素更多、更为复杂, 需要有兴趣的研究学者结合水库群的特点进一步的探索分析。
参考文献
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水库调度方案 第2篇
1.1、工程概况XX水库位于位于XXX，所在河流为XX溪。坝址以上集雨面积6.3km2，河道长度3.4km，河道坡降103‰，原设计水库总库容366万m3，20XX年正式投入运行，是一座以灌溉为主，结合防洪、养殖等综合利用的小（一）型水库。
水库枢纽工程由主坝、副坝、溢洪道和输水隧洞等建筑物组成。主坝为均质土坝，最大坝高35.45m，坝顶高程485.45m，坝顶宽4.8m，坝顶长度126m，坝顶设有防浪墙，墙顶高程486.62m；迎水坡为干砌块石护坡，背水坡为草皮护坡和干砌块石护坡结合方式，背水坡坡脚为排水棱体，棱体顶宽2.4m，内、外坡坡比均为1:2，棱体底高程450.00m。
副坝为均质土坝，最大坝高15.17m，坝顶高程485.74m，坝顶宽5m，坝顶长度52m。迎水坡为干砌块石护坡，背水坡为草皮护坡，背水坡坡脚高程470.57m～473.27m位置设贴坡式排水体。
溢洪道位于主坝的左岸，为开敞式宽顶堰，堰顶高程482.00m，堰顶净宽19.40m。溢洪道进口平流段长30m，陡坡段长234.12m。溢洪道的消能型式是底流式消能，最大下泄流量为73m3/s。溢洪道未设闸门，为自由泄流。
输水隧洞为城门型无压隧洞，位于主、副坝之间的小山包上，长157.50mm，洞内套Φ400钢管，钢管长147.5m。进口方向为南东173度，中下部为弧形拐弯，出口方向为南东103度，出口接原有渠道。洞进口0+015.5～0+079.5m(0+000～0+015.5m为明挖段)采用C20砼全断面回填封堵，0+079.5～0+173采用C25钢筋砼衬砌。衬砌厚度边墙及洞顶30cm，底部衬砌10cm。隧洞进口底高程464.50m，出口底高程459.60m，洞身坡降为3%。
XX水库设计灌溉面积5500亩。水库保护下游人口1万人、耕地0.4万亩、公路7.9km。
1.2、水文气象特征XX水库位于XX县XX镇XX村，所在河流为XX溪，距XX县城关50km。坝址以上流域面积为6.30km2主河道长度3.4km河道平均坡降103‰。据XX县气象站的观测资料统计分析，本流域多年平均气温为19℃，最高月为7月，7月平均气温为27.1℃，最低月为1月，1月平均气温为9.1℃；极端最高气温38.7℃，极端最低气温-6.3℃。多年平均相对湿度为80%。多年平均风速1.1m/s，最大风速12.3m/s。
流域多年平均降雨量达1566mm。降雨特点：空间上分配不均，自东南向西北递增，降雨等值线在海拔1500m以下基本与地形高低相对应，水系的分水岭和河流上游雨量较大；降雨时间分布不均，年际变化大，年内分布又不平衡。
XX水库工程特性表（见附表1）
1.3、水库水位---库容关系表及溢洪道水位～泄洪量关系表（见表3.1、3.2）
XX水库水位-库容关系表（见附表2）
溢洪道水位～泄洪量关系表（见附表3）
二、运行管理
本工程任务为一座灌溉为主的水库，其中拦河坝、输水涵洞及溢洪道三大建筑物由运行管理单位负责；供水水量分配根据灌溉的需求统一调度。
水库调度运用的原则是在保证水库工程安全的前提下，根据水库工程任务，结合下游河道安全泄量的实际情况，本着局部服从整体，兴利服从防洪的原则调度。在具体运用中，整体要照顾局部、防洪兼顾兴利，统一领导，全面安排，把灾害降低到最小范围，将效益扩大到最大限度。
2.1运行管理机构
根据《水库大坝安全管理条例》成立XX水库管理所，根据除险加固后的情况，对水库进行日常运行管理。
2.2运行管理制度
XX水库管理所成立后，已建立了成套的各种规章制度，从水工建筑物的检查观测到水库管理处工作人员的日常工作都有一整套完整的规章制度：
⑴大坝安全监测检查制度⑵防汛值班制度⑶洪水调度规程⑷水雨情观测、报汛制度⑸巡视检查制度⑹闸门操作规程与维护保养制度⑺技术培训制度
2.3运行检查工作
水库管理所负责对大坝、溢洪道、进水闸等建筑物进行检查观察，安全检查工作做到经常检查、定期检查和特别检查。
2.3.1经常检查
用眼看、耳听、手摸等直接观察或用仪器设备对大坝、溢洪道等的外部进行观测，了解异常变化现象。
2.3.2定期检查
防汛指挥部的调度，以“蓄泄兼施、以泄为主”的原则进行调度，保证水库大坝安全。
⑵枢纽工程设有大坝、灌溉隧洞和溢洪道，承当泄洪和拦蓄洪水时的任务，但工程竣工后没有经受洪水考验。因此，在拦蓄洪水时，坚持“循序渐进”原则，有条件地逐步提高拦蓄洪水水位，并严格执行上级防汛部门下达年度水库防汛调度方案。
2.5.2.2超标准洪水防御方案
枢纽工程承担拦蓄洪水和渲泄洪水任务，因此当库区发生超标准洪水时，库水位将偏高，水库大坝安全将受到影响或库水位超过汛限（482.0m）时，主坝工程相应采取非常措施。
⑴库水位接近（482.0m）时，大坝及各枢纽建筑运行正常，天气好转，近期确定无大降雨发生，库区上游来水量减少或基本停止，此时按上级防汛指挥部门批准的方案正常度汛利用水库其它建筑物泄洪，尽快降低库水位，减少水库蓄水量。
⑵加强枢纽工程的防汛值班。做到二十四小时不离人。巡回检查大坝、溢洪道及建筑物，发现险情及时上报。
⑶防汛常备队，突击抢险队现场待命。防汛物资准备充足。
⑷及时报告乡镇指挥所，通知下游做好群众转移的准备工作，并保持经常联系。
⑸当库水位超过汛限水位，并有迅速上升趋势，库区仍然继续降大到暴雨，库区来水迅猛。此时，要“严防死守”确保大坝安全，同时，经请示上级防汛指挥部门批准后，立即采取非常措施（由现场专家确定）。
⑹在采取非常措施前，利用有限时间，做好下游沿河行洪区的群众转移工作。全体参加防汛人员应高度重视做好观测工作。防汛队伍全力以赴，严阵以待，应付随时出现的险情。
2.5.2.3防御突发性洪水
突发性洪水是指由于主（副）坝失事（垮坝）造成的洪水。XX水库坝址地势较高，此次虽进行了全面的除险加固处理，但加固完后还未经过洪水考验。因此主（副）坝未经历高水位的考验。一旦出现超出汛限水位的情况，主（副）坝安全可靠程度就会下降。因此要求防汛工作在近期，特别是头一年，一定要做细做扎实。主（副）坝一旦出现漫顶、垮坝或破口等事故，必须最大限度地采取做子堤、抛投块石及打桩堵口等非常措施，抑制破口的扩大，减缓洪水的下泄速度和下泄流量，确保人民生命财产安全，降低一切损失。
水库主（副）坝的失事，库内3百多万立方米的洪水下泄，将对下游造成不堪设想的后果。沿河一带将面临毁灭性的灾难。因此，当出现重大险情时，应及时做好以下几点：
（1）拉响警报，有线、无线电话迅速通知下游沿途人口转移。
（2）紧急报告各级防汛指挥机构。
（3）安全有序地组织群众转移到指定地点，并妥善安置。
（4）有条不紊地组织抢险救灾。
2.5.3防汛组织机构设置
（1）成立XX水库防汛领导小组，以XX镇党政一把手任组长，成员由XX镇主管水利副镇长、水利工作站、XX村委会等组成。
（2）成立以XX镇XX村民兵为主防汛抢险应急分队。防汛抢险应急分队队长由镇武装部部长担任，成员由镇政府10人，XX村30人，共计40人组成。
（3）工作方式XX水库的防洪工作在XX县防汛指挥部直接领导下，由水库防汛领导小组负责组织、协调实施。XX镇防汛指挥机构负责下游泄洪通知、报警以及撤退等工作。XX水库防汛指挥网络图附后。
当发现枢纽工程中发生较严重的破坏现象，出现险情时，立即上报主管部门，组织专门力量进行检查，并采取相应的应急措施。
2.5.4抢险物资准备
防汛物资是保证防洪抢险的物质基础，为保证水库安全度汛，在做好工程措施与非工程措施的同时，还必须做好防汛物资的准备工作。XX水库为小（一）型水库，按照水利部《防汛物资储备定额编制规程》的标准要求必须备足袋类5000条，砂石料500m3，块石500m3，竹、木、镐锹类其它防汛物资若干。
2.5.5人员安置方案
XX水库大坝一旦失事，沿河两岸人民以确保生命为前提，就近向高山处转移，视沿线有利地形进行安置。
当水库发生险情后应立即向防汛指挥机构报告，并及时电话通知沿途各村组，各村组在接到通知后立即组织和帮助地势低洼地处人员财产转移，确定转移地点。人们得到通知（或警报）后，一般情况下应根据河床水位高程向两岸高处就近迅速撤离疏散，紧急情况下由镇政府统一指挥，根据地理位置合理组织安排。
2.5.6防汛值班电话
XX县防汛抗旱指挥部：xxxxxxx
2.5.7救灾防疫
灾情过去后各级政府应迅速统一部署，县防疫站、医院、镇卫生院立即行动起来，做好灾区防病防疫工作，杜绝各类传染病流行病暴发，保障群众生命安全。同时还应积极做好灾区群众的安抚工作，开展生产自救，恢复生产，重建家园。
三、工程初期运行
XX水库建库初期以灌溉为主，由于由于建库当时的施工技术落后，造成工程质量较差，施工中地基及边坡处理要求不严，致使建成后土坝沉陷量大，水库漏水严重。20XX年经委托福建省宏禹水利水电咨询设计院对XX水库进行大坝安全鉴定，由三明市水利局组织XX县XX水库大坝安全鉴定专家组进行审定，确认XX水库大坝为三类坝。20XX年5月XX水库除险加固工程完成后，经过XX县水利局组织的完工验收后，水库开始正常蓄水，蓄水最高水位达到476.60m高程（20XX年12月15日），经过巡查，水库运行未发现异常情况。
四、工程监测资料和分析
XX水库建成后，由于但是资金有限，各项监测未完成安装，大坝监测不能开展。本次除险加固对大坝监测设备进行完善，安装大坝安全监测项目主要有：大坝表面变形（包括垂直位移和水平位移）、大坝渗流（包括坝体浸润线和渗漏量）。大坝表面变形包括垂直位移和水平位移。本次除险加固利用原有观测点进行观测。大坝渗流监测包括坝体浸润线和大坝渗流量监测。坝体浸润线监测目的是了解监测断面上压力分布和浸润线位置的确定，本次加固采用钻孔埋设测压管的监测方法。大坝渗流量采用设置量水堰进行监测。
原主坝背水坡左坝端与山体接触位置，高程460.00m位置左右处有1小股渗水，水位为474.26m时，渗漏量约0.93L/s，本次加固后，水位为474.30m时，渗漏为0.35L/s，渗漏量明显减少；加固前副坝底中部高程472.00m位置也有1小股水渗流，渗漏量约0.18L/s，加固后未发现渗漏，水库防洪标准得到提高，大坝稳定性得到加强。下一步管理单位应继续加强渗漏水观测，分析渗漏水来源。加固前与加固后渗漏量如下表：（见附表4）
五、意见和建议
1、观测设备自动化。XX水库建库已近40年，在水库工程观测上基本上没有进行观测，在测压管工程观测上，本次加固采用人工纤绳测量，既费时费工，又不能满足工程测量要求，往往在数据采集上产生较大的误差，特别是在水库大坝位移观测项目上，仍无法观测，设备已经成为工程监测影响水库安全的隐患，急待解决。
水库调度模型 第3篇
关键词：水库调度,机会约束,随机多目标,不确定模拟,混合智能算法
0 引言
梯级水电站水库群一般是兼顾多个目标的大型水利枢纽系统,通常具有防洪、发电、航运、供水及灌溉等多种功能,上下游水库间往往具有复杂的水力、电力联系,同时梯级水电站水库群在调度的过程中,各部门在年内部分时段不同目标之间存在着一定程度的用水矛盾,如具有结合库容的水库在汛期防洪与发电争夺库容利用的矛盾、枯水期上游供水与发电的矛盾等等。因此水电站水库群联合调度是一个具有复杂约束条件的多目标优化调度决策问题。传统的水电站水库群调度往往仅考虑单一调度目标,忽略了流域梯级上下游电站群以及多个调度目标间的统筹协调关系,造成上下游电站调度运行不匹配、流域梯级水电枢纽综合效益难以充分发挥等问题。另外,水库在进行实际调度的过程当中,受到水文、水力等众多不确定性因素的影响[1],其中以入库径流的不确定性影响最大,目前的许多研究把入库径流当作确定性径流处理[2,3,4,5],忽略了不确定性给水库实际调度带来的风险,难以描述水库的实际运行情况,无法量化水库调度风险与效益之间的关系,给决策者进行调度决策带来一定的困难。机会约束规划主要是针对约束条件中含有随机变量,且须在观测到随机变量实现之前做出决策的问题。本文分析入库径流的不确定性给水库调度带来的影响,结合对入库径流的随机模拟,建立基于机会约束的梯级水库调度随机多目标决策模型。
在处理多目标问题时,目前已有多种优化方法应用到多目标模型求解中,如线性规划[6]、非线性规划[7]、网络流[8]、群体智能算法[9,10,11]等。利用线性规划法建立的优化模型难以反映水库调度过程中的强非线性因素;非线性规划法计算量相对较大,求解大规模优化问题时存在收敛特性不稳定的缺点;动态规划法易陷入“维数灾”。群体智能算法对优化模型无连续性、光滑性及其凸性要求,从理论上可全局收敛到优化问题的全局最优解,因此成为研究热点,并显示出其独特的优越性。本文针对所建模型的多目标性及约束条件的复杂性,给出了混合智能算法的求解方法,并以三峡和葛洲坝梯级水库为例,通过对模型的求解,获得梯级水库调度的最佳妥协解,为不确定环境下的水库多目标优化调度提供技术支持。
1 模型建立
机会约束规划是随机规划的一种,规划允许所作决策在一定程度上不满足约束条件,但该决策应使约束条件成立的概率不小于决策者事先给定的某一置信水平α[12],即违反约束条件的概率小于1-α。
梯级水电站水库群进行调度过程中,不同部门涉及到不同的用水目标,如防洪目标、发电目标、航运目标、供水目标等。本文主要研究水库的防洪、发电和航运等几类目标。水库在汛期,对于有防洪要求的水库,主要考虑大坝和下游的防洪安全,一般以水库坝前水位最低和下泄流量最小为目标。在调度的过程中,水库水位和下泄流量受到入库流量不确定性的影响,防洪目标以随机机会约束的方式进行处理;在整个调度期内,针对梯级水电站水库群发电优化调度,以可能实现的总的发电效益最大为目标,以平均年发电量最大来表征,模型中允许在一定置信水平的前提下存在风险;对于有航运要求的水库,以航运效益最大为目标,以通航保证率来表征,模型中允许在一定置信水平的前提下存在风险。综上分析,构建基于机会约束的水库调度随机多目标决策模型如下。
优化目标:
约束条件:
式中:为梯级电站水库群联合调度的目标利润,其中式(2)和式(3)分别为梯级电站水库群联合调度发电效益(发电量)的计算公式和航运效益(通航保证率)的计算公式;Ni,t为t时段电站i的出力;N为电站数;T为调度期总时段数;m为模拟计算的年数;△t为时段长度;Ki为电站i的出力系数;qi,t为t时段电站i的发电流量,Hi,t为t时段电站i的平均发电水头。St(zt,qt)为时段t的通航情况,是一个0-1变量,与水位和下泄流量有关,zt、qt分别为t时段的水位和下泄流量,时段满足通航要求取值为1,否则取值为0;式(4)和式(5)为目标的机会约束条件,其中α1、α2分别为发电和航运目标约束的置信水平。
式(6)为水库蓄水量的机会约束条件,将水库的蓄水量视为不确定变量,Vimin为电站i的死库容;Vimax为电站i正常蓄水位对应的库容,汛期时则是防洪限制水位所对应的库容;β1为水库蓄水量约束的置信水平;式(7)为水库下泄流量的机会约束条件,将水库的下泄流量视为不确定变量,式中qi,tmin,qi,tmax分别为t时段电站i的最小下泄流量和下游允许最大下泄流量,β2为水库下泄流量约束的置信水平;式(8)为水库水量平衡约束,Vi,t、Vi,t+1为t时段电站i初、末水库蓄水量;Qi,t、qi,t、qlossi,t为t时段电站i入库流量、出库流量及扣损流量(对应蒸发、渗漏等水量损失);式(9)为水电站预想出力约束,Ni,t、Nimin和Ni,预分别为t时段电站i的实际出力、最低出力限制及预想出力;式(10)为水库之间的水量平衡约束,Qi+1,t为t时段下游电站的入库流量,qi,t为t时段上游电站的下泄流量,Qini+1,t为t时段下游电站的区间入流。
2 模型求解
2.1 入库径流的随机模拟
梯级水电站水库群进行调度过程中,受到众多不确定因素的影响,尤以入库径流的不确定性影响最大。水电站的入库径流具有多变性与不确定性的特点,是一种连续随机过程。入库径流的不确定性分析对梯级电站水库群的多目标调度决策方案的确定具有重要意义。本文采用考虑相邻时段影响的正态分布对梯级电站水库群的入库径流量进行随机模拟,概率分布密度函数可表示为
式中:Qi,t为水库i在时段t的入库流量;t|t-1、t,t-1分别为计及前一时段入库流量Qi,t-1影响后Qi,t的条件期望值和方差。
由历史数据可得相关的分布参数,具体计算公式为
式中:t、t分别为入库流量Qi,t的期望值和方差;t-1、t-1分别为入库流量Qi,t-1的期望值和方差;t为入库流量Qi,t、Qi,t-1的相关系数;T为时段数。
2.2 对多目标问题的处理
对于许多实际多目标规划问题,有效解集可能很大,复杂程度随着目标数量的增加而大致呈指数上升趋势,从一大群有效解中选出最好的一个也较困难。妥协方法是一种基于偏好的方法,该方法寻找的是根据某种距离度量方式来确定的与理想点最近的解作为多目标问题的最佳妥协解。妥协方法不直接探讨怎样权衡最理想,而是描述如何选择最不后悔,它的数学描述是后悔函数。
采用LP范数的距离函数作为后悔评价函数,其中q为目标个数,模型中q=2,p为范数参数,p≥1,zj为第j个目标的取值,模型中目标值的表达式如式(2)和式(3),zj*为理想点的值,在用遗传算法对问题进行求解时,理想点的值取当前代中的最大值。多目标问题中不同目标函数的优化结果由于量纲、数量级之间的不同,需要先对各目标的后悔值进行归一化,使它们在区间[0,1]取值,归一化后的后悔函数表达式为
其中:zmax表示最大值;zmin表示最小值。妥协方法是根据后悔函数求解妥协解的方法,定义最佳妥协解为后悔函数最小的一个,即min r(z,p),其他约束条件不变。
2.3 混合智能算法求解
对于所建的基于机会约束的随机多目标决策模型,传统方法难以求解,因此本文设计了基于妥协方法、不确定模拟技术和遗传算法的混合智能算法进行求解。混合智能算法的具体求解步骤如下。
1)输入系统数据及遗传算法要求的种群规模、交叉概率、变异概率等。
2)遗传编码。遗传算法采用实数编码,以水库时段末水位值作为优化变量,即以各水库各时段末水位实数值为“基因”,以整个调度期各水库各时段末水位系列为“染色体”。
3)种群初始化。初始化N个染色体,并采用不确定模拟技术检验染色体是否满足机会约束(即对任一染色体,生成N个随机向量,若有n(0≤n≤N)个随机向量使得约束条件满足,且n/N大于等于给定的机会约束置信水平,则表示染色体满足机会约束),满足模型所有的约束条件,则接受其为可行染色体。
4)对染色体进行交叉和变异操作,并同样采用不确定模拟技术计算后代染色体的可行性。
5)采用不确定模拟技术计算所有染色体的目标值(对任一染色体,生成N个随机向量,针对每一个随机向量计算其目标值;然后将这N个目标值由小到大进行排序,得到序列{f1,f2,…,fN}。取N′为aiN(i(28)1,2)的整数部分。由大数定律,序列{f1,f2,…,fN}中第N’个最大的元素可以作为染色体目标值的估算)。
6)根据目标值使用基于后悔函数的评价函数式(17)计算各个染色体的适应度。
7)通过旋转赌轮的方法选择染色体。
8)重复步骤4)至步骤7)直到完成给定的循环次数,给出最好的染色体作为决策者的最佳妥协解。
3 实例研究
三峡和葛洲坝是长江中上游干流的两座大型水库。三峡工程是治理开发长江的关键性工程,规模巨大、举世瞩目,三峡大坝为千年一遇设计,万年一遇校核,工程承担防洪、发电、航运和枯水期向下游补水等综合利用任务,其综合利用效益显著。葛洲坝水库距上游的三峡水库38 km,是一座径流式水电站,是长江干流上修建的第一座大型水电工程,是三峡工程的反调节和航运梯级。三峡、葛洲坝在汛期共同承担下游地区的防洪任务,本文主要考虑大坝和下游的安全,在模型中以机会约束的形式控制库容和下泄流量;梯级发电要求以整个调度期内的发电量最大为目标;航运要求在枯水期尽量保持高库水位(采用坝前水位达到150 m的时间)。增加坝下游枯水期下泄流量,使枯水期航深提高(采用下泄流量不小于5 000 m3/s控制)。水库参数如表1所示。
假定各电站各时段入库流量都符合相邻时段相互影响的正态分布的随机变量。以日为计算时段长,假定三峡和葛洲坝水库各时段的入库流量预测方差为50。混合智能算法求解中,种群规模为50、交叉概率pc=0.8,变异概率pm=0.025,最大迭代次数2 000,后悔评价函数中p=1。
令梯级电站目标利润的置信水平α1,α2及库容和下泄流量约束的置信水平β1,β2变化,其他参数不变,采用混合智能算法进行求解,可以得到不同置信水平下的调度方案,如表2所示。
由表2可以看出,当β1,β2一定时,随着目标达到机会α1,α2的逐渐增大,发电和航运的两个目标值逐渐减小(方案1、2、3、4、8)。可见多目标问题的优化结果越好,实现该结果的机会就越低。对于决策者来说,可以从计算结果判断出发电计划和航运计划可能获得的效益和实现该计划的机会。实际上,置信水平反映了调度人员对梯级水库运行可靠性的重视程度,给定的置信水平越高,说明对系统的可靠性越重视,对运行风险越厌恶,但同时系统运行的经济性也就越差。因此,在给定置信水平时需要统筹考虑系统运行的可靠性和经济性。当发电和航运的目标约束固定在0.8时,随着β1,β2的减小(方案4、5、6、7),发电目标值逐渐增大,从变化过程可以看出,三峡梯级水库防洪与发电之间矛盾突出,而发电与航运之间并没有明显的矛盾。
在固定的置信水平下,令α1=α2=0.8,β1=β2=0.9。假定龙头水库入库径流的预测方差发生变化,得到入库径流预测方差变化条件下的计算结果,如表3所示。
由表3可以看出,在给定的置信水平下,随着入库径流预测精度的降低(预测入库径流的方差增大),发电和航运的两个目标值逐渐减小,目标值的变化反映了入库径流不确定性的影响,入库径流不确定性越强,对调度的影响越大。因此在对不确定性因素合理预测的基础上,本文所建模型能事先对梯级水电站的风险和效益进行比较分析,利于决策者进行权衡并做出较满意的调度决策。
4 结论
由于梯级水电站水库群联合调度是一个具有复杂约束条件的多目标优化调度决策问题,并且在调度过程当中受到众多不确定性因素的影响。本文主要针对不确定性条件下水电站水库群的调度优化决策进行探索研究,所建立的随机多目标模型受输入条件的不确定性和各目标间的复杂关系影响,一般优化算法难以求解,这里采用耦合不确定模拟技术、妥协算法及遗传算法的联合求解方法对模型进行求解得到了预期效果,与现有方法相比,所提出的模型能够根据系统所面临的不确定性因素的范围与影响程度,为调度人员做出调度决策提供必要的方案和信息。但由于所针对的研究对象不同和问题的复杂性,所建模型的适用范围和求解效率还有待进一步提高。
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水库调度模型 第4篇
跨流域可调水量是指供水区域调出水量在满足本流域用水需求的基础上,对受水区域水资源短缺量进行跨流域补给的能力。
对于跨流域可调水量的研究,在规划期一般通过分析水量调入区的需水要求、流域径流特点,在分析水量调出区水资源总量的基础上,结合跨流域调水工程的规模,来规划跨流域调水总量。在实时调度过程中客观、科学地确定跨流域调水可供水量,还需要建立跨流域供水调度模型,通过模型计算分析实际调度运行规律,为跨流域调水的决策提供依据,这对跨流域调水工程的运行管理有重要意义。
跨流域供水优化调度模型在考虑跨流域供水量最大的基础上,还需要考虑调水量对调出区的环境、经济(包括供水、发电等行业的经济效益)等多方面的影响,是一个多目标优化的问题;在实时优化调度模型中,需要逐时段对调度模型进行优化,确定多个决策变量,因此,模型具有多目标多变量的特点。进行水库优化调度的研究一般采用调度图每一控制点作为决策变量。因为水库调度图是根据水库多年的水库综合任务和水文资料绘制而成,是指导水库调度的重要工具,直接决定了水库效益的好坏,因此,需要将调度图中各条控制线上的每一个控制点作为一个决策变量,逐时段进行优化。
本文主要通过建立了梯级水库跨流域供水、发电预报优化调度模型对实时调度中的跨流域可调水量进行研究。建立梯级水库跨流域供水、发电模拟调度模型,以最大供水能力和最大发电量为主要目标,选择逐步优化算法对调度系统进行优化,得到最优的调度结果;以H江流域梯级水库为实例研究对象建立预报优化调度模型,并与常规调度方法相比较,验证预报优化调度模型在跨流域调水调度运行过程中的优越性。
1 梯级水库跨流域供水、发电预报优化调度模型
1.1 逐步优化算法简介
由于逐步优化算法(Progressive Optimality Algorithm,POA)程序简单,容易实现,占用计算机内存小,可有效解决动态规划的维数灾问题,是目前应用较为广泛的优化算法之一,针对以上特性,故本文选择该算法进行跨流域调水优化调度。
逐步优化算法是由加拿大学者H. R. Howson 和N. G. F. Sancho于1975年提出的,主要用来求解多状态的动态优化问题,属于DP算法,算法本身收敛,不需要离散状态变量,能够获得总体的满意解。此算法根据Bellman最优化的思想,提出了逐步最优化的原理,即“最优路线具有这样的性质,每对决策集合相对于它的初始轨迹值和终止值来说是最优的”。
POA算法将多阶段决策问题分解成若干个子问题,子问题之间由系统状态联系;每个子问题在其他阶段变量不变的条件下仅考虑某个时段的状态及相邻两时段的目标函数值;在解决该阶段问题后再考虑下一个两阶段,将上次的结果作为下次优化的初始条件,逐个时段进行寻优,反复循环,直到收敛为止。
POA算法流程如图1所示。
1.2 梯级水库跨流域供水、发电预报优化调度模型及求解
以梯级水库多年长系列调节数据和径流预报数据为基础,建立梯级水库跨流域供水、发电优化调度模型,其目标函数和约束条件可以描述为:
(1)目标函数。由于梯级水库有跨流域供水和发电两个任务,所以在满足本流域用水要求的前提下,选择跨流域可供水保证率最大为目标函数之一,同时也需要考虑梯级水电站的发电效益,选择梯级水库多年平均发电量最大为第二个目标函数,为电网提供尽可能大的均匀可靠出力,充分发挥水电的容量效益。
目标函数Ⅰ:
式中:
目标函数Ⅱ:
式中:
(2)约束条件。模型的约束条件由水库特征类约束、跨流域调水类约束和发电类约束3个部分组成,其公式表达为:
水量平衡条件约束:
水位约束:
水库下泄流量约束:
跨流域调水流量约束:
发电流量约束:
出力约束:
发电保证率约束:
式中:Vt、Vt+1分别为水库t时段初始库容和末库容;Q入,t、Q调,t、Q弃,i分别为水库t时段入库流量、跨流域供水流量、弃水流量;Zt为t时段水位;Zt、
其中,式(3)～(5)为水库特征类约束,式(6)为跨流域调水类约束,式(7)～(9)为水电站发电类约束,梯级水库中各个水库的约束条件值各不相同。
模型求解步骤为:
(1)采用水库常规调度方法利用长系列资料逐时段模拟梯级水库调度过程,即根据库群中各水库时段初的蓄水状态来确定跨流域供水量或发电量,从而得到逐时段的梯级水库调度结果;
(2)以水库常规调度图为初始调度图,建立水库预报调度模拟系统,在模拟调度过程中计算出多年平均跨流域可调水量、可调水保证率和各单库、库群的多年平均发电量、发电保证率等值,以这些值作为统计指标,建立目标函数;
(3)利用逐步逼近优化算法以初始调度图的基本调度线为决策变量,逐步生成不同的基本调度线,得到新的调度图并采用新调度图进行水库预报调度调节计算,根据调度结果统计指标选择或淘汰调度图,从而获得满足精度要求的优化调度图;
(4)最后根据优化调度图对梯级水库进行跨流域调水、发电等任务的模拟调度,同常规调度方法进行比较,来验证调度结果,得出结论。
2 实例分析
2.1 H江流域梯级水库跨流域供水、发电调度特性
(1)跨流域供水调度特性。
WE工程是从H江流域梯级水库的第一级H水库坝下的F水电站库区引水。由于F水电站位于H水库和HL水电站之间,其中H-F区间流域占H-HL区间流域总面积的50%左右,其区间入流不能忽略,因此在调水过程中,实际的跨流域供水流量由两部分组成,一部分为H水库的出库流量,另一部分为H-F区间径流量。
H水库的出库流量需要优先满足水库下游工农业用水和河道生态环境用水,当下游河道流量低于生态环境用水最低流量时,由H水库补放至生态环境用水最低流量。
工程设计的跨流域最大调水流量为70 m3/s,因此,H江梯级水库时段供水流量不超过工程设计跨流域最大调水流量。
(2)H江梯级水电站发电调度特性。
H江梯级水电站由H水电站、F水电站、HL水电站、TP水电站4个水电站串联组成,其中H水库为不完全年调节水库,HL水库和TP水库均为日调节水库,HL水电站、TP水电站的发电情况受H水库出库的影响极大。F水电站是径流式电站,且受管理体制约束,本文只将H、HL、TP三电站为梯级电站寻优对象。
梯级的各水电站水力发电机组运行特性各不相同,机组最大发电流量从小到大依次为HL水电站、H水电站、TP水电站。HL水电站虽处于梯级电站中间,但其装机容量最小,若H水电站或TP水电站满发,则HL水电站必定产生弃水,因此,在实际调度中需要针对流域入流情况考虑H水电站满发,或者HL水电站满发,或者TP水电站满发多种条件下不同调度方案的调度结果。
(3)综合调度特性。
在分别分析跨流域供水特性和梯级水库发电特性的基础上,梯级水库需要将跨流域调水和发电作为整体考虑,在调度运行过程中对跨流域调水与库水位关系、各电站出力与库水位关系进行有机协调,使得水资源得到最优化利用。
2.2 H江流域梯级水库跨流域供水、发电预报优化调度模型
以梯级水库跨流域供水、发电预报优化调度模型为基础,结合H江流域特点,建立H江流域梯级水库预报优化调度模型。
H江流域梯级水库跨流域供水、发电预报优化调度模型结构流程如图2所示。
2.3 不同调度方式调度结果比较和分析
由于H水库为梯级水库群的龙头,而且是唯一不完全年调节水库,其他水库均为日调节水库,H水库的水库调节结果对梯级水库的总调度的影响最大,鉴于上述特点,只研究H水库常规调度和预报优化调度条件下,梯级水库调度效益的变化规律。
为便于方法对比分析,选择H江梯级水库2001-2010年10年资料分别采用常规调度模型和预报优化调度模型进行梯级水库调度,其中图3为H水库常规调度图和优化调度图。
在常规调度中H江梯级水库跨流域供水操作规则为:当取水口径流量大于等于最大调水流量与下游最小生态需水流量之和时,按照最大调水流量供水;当取水口径流量小于最大调水流量与下游最小生态需水流量之和,先满足下游最小生态需水要求,剩余水量进行跨流域供水。
在常规调度中H水库发电调度操作规则为:根据调度图,利用若干条水位控制线将调度图分成多个区域,其中①区为装机出力运行区,在该区水电站按装机出力工作,N=N装;②区为加大出力运行区,在该区水电站按加大出力线所指示的出力工作,NP<N<N装;③区为保证出力运行区,在该区水电站按保证出力工作,N=NP;④区为降低出力运行区,在该区水电站按降低出力线所指示的出力工作,N降≤N<Np。
常规调度只是根据取水口的径流量来进行跨流域供水调度,并没有利用水库对水资源的调节性能,对跨流域供水的水量进行调节计算。在预报优化调度过程中,将时段径流预报信息输入梯级水库调度系统,进行跨流域供水、发电优化调度决策。
根据各水库调度规则,按照各水库的来水情况和当前水库状态,生成预报优化调度方案集指导梯级水库调度运行。
分别采用常规调度和预报优化调度模型对H江梯级水库2001-2010年资料进行跨流域供水、发电调度模拟计算,得到多年平均的调度结果见表1。
由采用不同调度模型的调度结果可以看出,采用预报优化调度模型进行梯级水库跨流域供水、发电优化调度比采用常规调度方式进行水库调度有明显的优越性。在跨流域供水方面:其跨流域供水保证率由79.4%提高到了91.7%,其多年平均跨流域可调水量由19.45亿m3增加到了20.65亿m3,增加了约1.2亿m3的水量;在梯级水库发电调水方面:各个水电站的发电总量均有所增加,梯级多年平均发电总量增加了1.05亿kWh,并且H水库的发电保证率也略有提高。
为了更明显的描述预报优化调度模型的优越性,绘制采用不同调度模型进行跨流域供水调度时,不同跨流域供水保证率下跨流域调水流量的变化曲线,见图4所示,采用常规调度方式进行水库调度,当调水保证率大于84%时,跨流域调水流量由最大调水流量70 m3/s开始递减,经计算得到多年平均跨流域调水流量为61.5 m3/s;采用预报优化调度方式进行水库调度,当调水保证率大于93%时,跨流域调水流量由最大调水流量70 m3/s开始递减,经计算得到多年平均跨流域调水流量达到了66 m3/s。
综上所述,梯级水库跨流域供水、发电预报调度模型在跨流域供水调度和梯级发电调度过程中,能够进一步的提高水能利用率。
3 结 语
本文通过建立梯级水库跨流域供水、发电预报优化调度模型,采用逐步优化算法寻求梯级水库优化调度规则,分析供水区跨流域调水可调水量。以H江流域梯级水库为主要研究对象建立模型,并与采用常规调度方式的水库调度过程相比较,结果表明,采用预报优化调度模型进行跨流域供水和梯级水库发电调度,能够明显的提高水资源的利用效率,能够较好的利用水库的调节性能进行水量调配,使得跨流域可调水量有明显的增加。
摘要：通过构建梯级水库跨流域预报优化调度模型对跨流域调水实时调度过程中的供水水库的跨流域可调水量进行研究。梯级水库跨流域预报优化调度模型以最大供水能力和最大发电量为主要目标,选择逐步优化算法对跨流域调水调度系统进行优化调度。实例研究结果表明,采用预报优化调度模型进行跨流域供水和梯级水库发电调度,能够明显地提高跨流域可调水量,有效地提高水资源的利用效率。
关键词：跨流域调水,预报优化调度,梯级水库,调水量
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水库调度模型 第5篇
关键词：抑咸调度,自优化模拟技术,珠江流域,骨干水库
由于全球气候变化、海平面上升、河道无序采砂、河道外用水增加和下游贮水能力不足等原因,珠江河口地区咸潮上溯现象日益严重,澳门及珠海等地供水形势十分严峻。自2005年1月起,珠江流域连续实施了多次枯水期水量统一调度,但抑咸调度流程长,骨干水库涉及区域广,是一复杂的混联系统,调度难度大。一般优化方法难以满足抑咸调度要求,而对复杂系统常用的模拟模型又不能实现目标优化。论文利用自优化模拟技术,研究建立了珠江骨干水库群抑咸调度的自优化模拟模型。
1 自优化模拟基本原理
一般模拟技术通过模拟获得对某一输入的输出响应。对水库系统来说,是在来、用水序列已知,给定初始条件下,按一定调度规则形成的调度过程线,其输出仅是一种自然响应,不具备使输出响应趋于最优目标的功能,属开环控制方式。要实现控制模拟,必须改开环控制为闭环控制方式,使输出结果反馈到输入端,并生成对系统进行控制的反馈修正量,自动形成控制模拟线,引导模拟结果趋于目标最优值。这种模拟系统类似于自适应控制系统,如图1所示。
对水库系统而言,水库的水位变化过程完全描述了水库运行时的状态。自优化模型通过“在线识辨”的自适应环节反馈修正量,综合水库调度运行规则及其他约束条件引导系统模拟结果进一步优化,使模拟的调度线逐渐收敛于最优控制线。
2 抑咸调度的自优化模拟模型
由于珠江流域骨干水库群是一复杂的混联系统,由西江(含支流郁江)和北京骨干水库组成。即存在天一、龙滩和岩滩的串联系统,也存在百色和飞来峡的并联系统。除5个骨干水库外,另有武宣、贵港、石角和思贤滘4个水文站点,调度节点如图2所示。
西北江通过思贤滘汇入珠江三角洲,该断面流量与下游咸潮强度密切相关,因此以思贤滘为抑咸关键控制断面。
2.1 目标函数
水库群优化调度目标除抑咸外,还应包括梯级电站发电效益、航运和生态环境等。根据《珠江水资源综合规划报告》:西、北江河道内需水量取航运需水、生态需水和压咸需水用值三项需水的外包线:武宣站1 500 m3/s、贵港413 m3/s、石角343 m3/s、思贤滘2 500 m3/s,其中下游关键控制断面思贤滘的生态流量为2 200 m3/s。在抑咸调度中抑咸是尽量满足的硬指标,在建模时以控制断面流量的形式将该目标转换为约束条件。则原多目标优化问题转化为在满足抑咸约束、航运和生态条件下的发电目标优化问题。
发电效益E发电可用函数表示,即:
式中:A(m)为出力系数;QD(m,t)为第m个水库t时段的发电流量;H(m,t)为m个水库t时段的平均发电水头;Δt为计算步长;M为电站个数;T为总时段数。
2.2 约束条件
(1)水库水量平衡约束。
式中:V(m,t)、RW(m,t)、W(m,t)、LW(m,t)分别为第m个水库t时段库容、入库水量、出库水量和损失水量;q(m,t)为第m个水库t时段的出库流量。
(2)出库流量约束。
式中:QDmin(m,t)、QDmax(m,t)分别为第m个水库t时段最小、最大允许过机流量;qmin(m,t)、qmax(m,t)分别为第m个水库t时段最小、最大允许出库流量。
(3)出力约束。
式中:N(m,t)、Nmin(m,t)、Nmax(m,t)分别为第m个水库t时段出力、允许最小和最大出力;NSUMmin(t)为梯级t时段允许最低总出力。
(4)水库库容(水位)约束。
式中:Vmin(m,t)、Vmax(m,t)分别为第m个水库t时段允许库容上下限。
(5)河道水量演进约束。
其中:∑C=1
Q(i,t)为第i个节点t时段的流量。
(6)变量非负约束。
3 模型求解
根据图2,以思贤滘流量为目标控制流量,当目标控制断面流量小于目标流量,以差值反馈至武宣、贵港和石角,即以武宣站为协调变量将串、并联水库联系起来,分别进行各自子系统的自优化模型求解。
3.1 串联系统
在初始模拟调度线的基础上,利用水库群单库逆、顺时序进行优化控制模拟,在此基础上,利用水库的最优决策域,通过上下游水库之间的耦合协调,实现水库群的整体优化。
(1)逆、顺时序模拟及其特点。
由逆时序所得的水位(库容)和顺时序所得的水位(库容)除了在计算周期始末和既不发生弃水又不发生缺水的时段相等外,在其他时段形成一个封闭的区域,该区域即为水库调度最优决策域。上下游水库的耦合正是通过这一决策域来实现的。
(2)顺、逆流向模拟及其特点。
一次逆流向模拟包括对每个水库逆、顺时序两次模拟:以控制断面流量约束逆推得出各水库的缺水过程;顺流向模拟包括每一水库进行逆、顺时序两次模拟过程:根据区间来水及反馈修正量,通过水库决策域耦合,按约束条件建立新的系统模拟控制线。
3.2 并联系统
武宣以下的并联系统,水库之间没有明显的水力联系,不存在顺、逆流向之分,只需进行逆时序模拟决策和顺时序模拟决策。在武宣流量一定的情况下,通过协调贵港、石角两站流量,实现并联系统的最优调度。
3.3 串联系统与并联系统的耦合关系
自优化模拟决策时,串联系统与并联系统通过武宣站实现耦合:并联系统自优化模拟决策依赖于武宣流量,反过来又为串联自优化模拟决策提供依据,决定串联系统的补水水量。两者紧密联系,经反复迭代协调,实现整个混联系统的全局最优。骨干水库群自优化模拟流程见图3。
4 算例分析
一般而言,枯水期与咸潮上溯期是同步的。珠江枯水期为11月至次年3月, 1998-1999为枯水期P=97%的典型水文年,根据珠江骨干水库群抑咸调度的自优化模拟模型,以实测资料作为系统输入,计算分析思贤滘的流量变化,见图4。
在15个时段中,调度前只有2个时段满足思贤滘断面抑咸流量要求,有4个时段满足生态流量要求;经骨干水库调度后,所有时段均满足生态流量要求,只有4个时段不满足抑咸要求。
珠江干流水库群抑咸调度跨度大,距离思贤滘最近的水库岩滩和百色均有6 d的流程。飞来峡距离控制断面较近,但为日调节水库,作用有限。骨干水库的控制面积只占思贤滘断面控制面积的36%,无控区间大,区间来水难以利用,无法将后期水量调蓄至前期,致使后期流量较大,而前期整个12月份仅满足生态流量要求,不能满足抑咸要求。凸显出中下游控制性水利枢纽亟须建设。尽管如此,通过西、北江骨干水库的联合调度,抑咸控制断面思贤滘的断面流量还是得到极大的改善。
5 结 语
珠江骨干水库群抑咸调度是一个大系统大跨度多维多目标的优化问题,抑咸调度难度大。实例计算表明,自优化模拟模型利用现代控制论的基本原理,对模拟过程进行最优控制、引导。在求解复杂大系统优化问题,具有仿真好、运算速度快的优点,很好地解决了决策后效性问题,层次结构简明、紧凑、收敛速度快、计算时间少,且模拟过程容易进行控制。
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论水库防汛调度 第6篇
关键词：水库,防汛调度,措施
水库的建立能够帮助边缘区域实现灌溉水和自来水的供应、疏通运河系统、帮助电力生产、强化防汛措施等, 可带来多重社会效应, 因此对其防汛调度工作的探讨具有现实意义。
1 水库防汛调度工作的内容
水库属水利工程构筑物, 建造在河流隘口位, 通过拦河建坝以形成人造湖域。水库可用以进行防汛、灌溉、发电或发展渔业。水库建设的目标在于防汛调度, 防汛调度主要通过在上游建立蓄调水库, 实现洪水拦截和水利积蓄, 功能可分为滞洪和蓄洪, 其中蓄洪工作要求水库必修建有闸门[1]。水库的防汛调度工作具体包括以下方式:第一, 水库调度, 又称固定性蓄泄调度, 即结合水情测报、水文预测和水库的实际蓄调性能, 管理入库的径流的蓄泄活动;第二, 预报性防汛调度, 又称水库的预报调度, 即在水库防汛调度中整合水文和气象因素, 增加径流监控的精确度;第三, 补偿性防汛调度, 该调度方式主要通过控制泄洪量保障下游防汛区流量的安全性;第四, 防汛兴利调度, 该调度方式同时肩负防汛和兴利的任务, 需结合使用水库的兴利库容和防汛库容, 提升该调度法的综合效应;第五, 水库群联合防汛调度, 即同一河段的各级水库进行协同调度, 通常用于不同区间内的洪水蓄泄, 为船只往来提供通道。由此可见, 根据防汛调度要求的变化, 水库可采取不同的调度方式进行防汛调度工作。
2 水库防汛调度策略分析
2.1 防汛管理工作责任明确化
水库的防汛调度工作是水库安全管理机制中的重要一环, 其完整的调度流程需要多种部门和人员的协调配合。防汛调度工作的管理机制自上而下可包括水利总局、各级水利站、区域水库单位、地方级水利政府及政府下设的各级管理部门和机构等。由此可见, 中国的水库防汛调度安全管理机制较为完善, 但由于机制划分细致, 导致部门和单位冗杂。在此背景下, 制定统一的防汛调度方案以明确各级机构、各单位甚至各人员的工作职责具有一定的必要性。当水库面临汛期威胁时, 安全管理机制中的各环节可有秩序、有组织地依照统一防汛调度方案开展救险工作。除对整体的防汛调度安全管理机制推行责任制, 在其中各环节进行内部问责制也是提升防汛调度工作效果的重要手段之一。防汛调度的工作主体具有综合性、复杂性的特点, 责任分配可能有重复或混淆的现象, 导致防汛工作在执行或失误后的问责中难以确切追究相关责任方或个人。基于此, 防汛调度部门内部需明确职能, 落实各项目的负责方。通过推行由整体到部分的防汛调度责任制, 全面提升防汛管理工作的效率和质量。
2.2 防汛调度技术现代化
新时期下水库的防汛调度技术可充分利用智能化、自动化的防汛系统, 通过不同系统的协调配合, 实现防汛调度的现代化。水库的防汛调度系统可包括水情测报技术、闸门监控系统以及大坝监测系统等。水情测报技术即是运用计算机无线通讯或遥感技术等, 对水库区域的气象、水文参数进行搜集和处理, 所得信息能够为水库的防汛工作提供参考和指导。其工作模式为在调度的决策系统、决策软件以及计算机监控模式的共同作用下对无线通讯、闸门监控和大坝监测提供信息支持。闸门监控系统则是通过计算机自动化程序对闸门位置、开闭状态进行监测。按控制等级可分为手动级、集中级和远程自动级, 各级闸门监控系统的运作原理均是根据水情测报及其他情报系统获得的水文、气象等数据, 对闸门的运作活动进行控制。大坝监测系统主要由传感器、裂缝计、气压计、水位计等设备构成, 传感器可帮助调度控制中心与测量控制中心进行信息传输, 从而保障大坝监测的安全性和稳定性。通过现代化技术的运用可提升水库防汛调度工作的效率和质量。
2.3 限制水位调整动态化
限制水位是指水库建立完成后, 为保障后期使用的安全性, 增加水库的防汛抗洪能力, 在库容中规划出独立部分用以拦蓄或削减洪峰。水库的水位限制量通常由规定的部门或机构参与管理, 在常规情况下, 限制水位可规范水库的供水管理, 提升水库的供水调度工作效率。然而在防汛抗洪阶段, 由于水库的库容有限, 蓄雨量相对较大, 同时防汛调度工作还需兼顾水库的经营管理效益, 在此特殊时期若遵照常规的水位限制量, 可能导致在枯水期或平水期水库蓄水困难, 从而影响防汛调度的工作效果。因此应根据实际情况, 实行水位调整的动态化。具体可通过以下方式进行:水库的调度员在汛期来临前通过水情测报技术对气象和水文信息进行采集分析, 根据分析结果及时进行发电和备泄工作, 并提前降低水位。当洪汛结束后进行洪尾的蓄调工作, 从而提升水位。限制水位动态管理可帮助水库在遵循统一防汛调度方案的基础上完成水库的安全运作, 实现防汛调度与水库经济效益的双重保障。通过动态化的水位管理, 水库可增加发电量, 产生良好的经济收益, 从而进一步促进水库防汛调度系统的发展。
3 结语
水库作为中国社会经济的基础建设之一, 在社会生产生活中发挥着重要作用, 包括抗洪、发电、养鱼等。水库的安全管理以防汛调度作为主要的工作内容。在防汛工程中, 通过明确管理责任制、更新防汛技术以及动态管理水位限制, 能够多方面、多层次地推进水库防汛调度工作, 从而保障下游及周边地区的安全性, 为社会的持续发展提供稳定、可靠的环境。
参考文献
水库调度模型 第7篇
荔枝朗水库位于海口市琼山区三门坡镇谭文墟荔枝朗村附近，所属水系为铁炉溪，是一宗以灌溉为主的综合利用的小(1)型水库。坝址以上集雨面积4.49km2，河道比降4.25‰，河道长度4.5km。设计洪水位65.91m，相应库容342万m3;校核洪水位66.28m;相应库容373万m3;正常水位65.20 m，相应库容284万m3;死水位58.50 m，相应库容22.5万m3。水库设计灌溉面积7800亩，现实际灌溉面积3900亩。
荔枝朗水库建于1965年11月，枢纽工程由大坝、溢洪道和输水涵管组成。大坝为均质土坝，坝顶长375m，坝顶高程67.8m，最大坝高12.3m，坝顶宽4.0m，大坝上游坝坡较平整规则，坡度为1:3.0，下游坝坡为1:2.5。上游坝坡为砼护坡，厚15cm。坝脚未设反滤排水设施。溢洪道位于大坝右侧，为宽顶堰，有闸控制，闸门高1.7m，侧墙为浆砌石挡土墙，底为浆砌石护面，堰顶高程63.50m，溢洪道过水净宽5.7m，底流消能。放水涵位于大坝0+264桩号处，为钢筋混凝土圆涵，尺寸(直径)为0.7m，长64m，管身进口高程56.30m，出口高程56.08m，最大允许通过流量2.61m3/s，进口闸门为直径0.8m的转动门盖，斜拉式螺杆启闭机启闭。
荔枝朗水库位于海南岛的东北部，所在区域为玄武岩侵蚀、剥蚀残丘地貌单元，区内多分布低矮残丘，地形波状起伏，地形标高为50～200m。枢纽工程区位于火山岩侵蚀残丘地貌单元，地势略有起伏，地表高程一般在50～150m之间，区内最高点为库区东南侧残丘顶部，高程130m，总体呈东南高、西北低的趋势。
2 洪水计算
2.1 设计暴雨计算
根据流域中心的暴雨均值和变差系数CV，采用P-Ⅲ型频率线曲线，CS=3.5CV，计算流域中心点的暴雨量。按汇流历时，查点面换算系数～汇流历时～集水面积关系图，查得面换算系数a，经点面折算得设计面雨量，由于水库集水面积小于10km2, a=1.00。成果详见下表1。
2.2 库容曲线
荔枝朗水库水位～库容曲线直接移用原成果，详见表2。
3 溢洪道堰流流量计算
荔枝朗水库溢洪当闸门不开时，水流形式为薄壁堰堰流公式进行计算，闸门全开时按宽顶堰堰流公式进行计算。
1)当不开闸时，堰型为薄壁堰，溢流曲线其泄流按(1)公式计算，溢流曲线计算成果详见表3。
2)开闸时为宽顶堰，溢流计算公式见式(2)，溢流曲线详见表4。
4 调洪计算
荔枝朗水库是以灌溉为主的综合利用的小(1)水库，溢洪道往往都设有闸门控制。在有闸控制的情况下，为同样满足下游防洪要求而所需的防洪库容要比无闸的小，如图1所示。而当防洪库容相同时，有闸控制的最大下泄量也可以较小些，如图(b)所示。
溢洪道设置闸门，还为下游避免区间洪水与上游洪水遭遇创造了条件，有利于下游的防洪。同时，也为水库兴利库容与防洪库容的结合提供了可能，洪水调节原理：根据水量平衡原理进行调节，起调水位按63.5.～65.2起调，当来水量小于库水位66.00m对应下泄流量7.57m 3/s时，可以不开启闸门，当入库流量增大时，且大于溢洪道下泄流量量时，考虑开启闸门，但维持正常水位不变应增加，当来水量加大时，闸门开度加大，直至洪水退至洪峰流量小于或等于8.2m3/s，闸门逐渐关闭，进入蓄水阶段。当荔枝朗按无闸控制从堰顶起调时，最大下泄流量达14.1m3/s，当根据闸门全开时泄流量时，最大下泄流量为14.8m3/s，从两种调方式分析，从堰顶调洪时，洪水位虽然较低，大坝安全，但下游防洪要求等级将大大提高。
从上述两种调节计算中可知，虽然水位不同，但最大下泄流量相差不大，最高库水位与起调水位之间的库容均约为100万m3，根据洪峰总量考虑，削峰较小，水库正常水位至堰项高程的库容为110万m3，当P=1%时，W24h=134万m3, W3d=147万m3，则洪量削减率26%～33%，溢洪道设计是可行的。
最优调度运行方案：根据上述洪水调节方案成果可知，最优开闸水位应在两种洪水调节方案洪水水位间存在最优开闸水位。最优运行调度方案，在保证大坝安全的前提下，不增加坝体抗洪能力的条件下，开闸高度在合理的条件下确定开闸高度。
通过调整闸门开度进行调洪时，最高库水位应处于这两者之间，且该下泄流量应最小。调整闸门开度进行洪水调计算，接合坝顶超高计算，初步试算以正常水位起调时的最高库水位作为坝顶超高计算值，闸门开度按孔流进行计算，孔流发生条件e/H<0.65，公式如下。
经试算当水位在控制在66.28m时，闸门开度e=0.35m，最大下泄流量8.2m3/s，库区校洪洪水位将达到最高库水位，坝项超高满足要求;当水位在控制在65.91m时，闸门开度e=0.365m，最大下泄流量6.42m3/s，库区设计洪水位将达到库水位65.91m，坝项超高也满足要求。
但当水位在66.28m，闸门全开时，最大泄量达38m3/s，当以65m高程起调时，66.28m对应下泄流量21.2 m 3/s;当水位在65.91m，闸门全开时，最大泄量达30.7m 3/s，当以65m高程起调时，水位在65.91m，下泄流量19.7m3/s。
5 结论
水库防洪调度的实践与认识 第8篇
1 案例分析
制订科学、合理的防洪调度措施能够有效降低洪水灾害, 提高洪水资源的利用效率。比如辽宁大伙房水库研究的“应用降雨二级分辨预报, 洪水总量预报信息的防洪预报调度方式”, 有效地提高了沈阳区域的防洪标准, 将汛期限制水位从原来的126.4 m提高到了127.8 m, 虽仅有1.4 m之差, 却增加该区域工业供水达4.3×107 m3。位于河北省的岗南水库, 在防洪调度思想的引导下, 每年蓄水总量高达1.0×1010 m3, 有效地缓解了该区域发生的特大洪水灾害, 实现了抗洪减灾与赢利的双重经济效益。莱芜市大、中、小型水库约有197座, 塘坝约有1 000座, 其总蓄水量为4.5×108 m3, 全市年平均降水量为708 mm, 尤其是最近几年来, 夏季暴雨频发, 且在高水位水库不利于运行的情况下, 通过采取科学调度措施, 仍抵御了2004年和2005年的特大暴雨侵袭, 防洪抗灾效益十分明显, 维护了全市的财产安全, 促进了社会建设的平稳、健康发展。由此可知, 防洪调度指导思想和科学、有效的防洪调度措施能够为水库的平稳运行提供重要支撑。
2 水库防洪调度的几种类型
调度期规划设计和实时防洪调度是水库防洪调度研究的两个不同阶段。防洪调度类型的选用、防洪调度计划的设定属于调度期规划、设计阶段;而防洪调度实施和防洪调度措施的确定属于实时防洪调度范畴。由于两者性质不同, 其目的也不同。调度期规划设计阶段的主要工作内容是对事先已经设计好的洪水统计参数进行详细的复核后, 选择合理的调度方式、拟定调度方案, 并对其进行综合性的评判, 选定相对满意的调度方案;实时防洪调度工作的首要内容是针对“实际降水量与事先设计好的频率标准不一致”的问题, 收集具体时刻的水情、雨情和工作情况, 并制订维护水库本身安全以及水库上下游安全的调度方案, 指导实际防洪工作的开展。
依照水库防洪工作任务性质的不同, 可将水库防洪调度分为有下游防洪任务和无下游防洪任务。两者的不同之处在于防洪工作任务的控制点。确保水库本身的防洪安全是防洪调度工作的总目的和唯一目的, 以该目的为依据, 则需采取具有固定性质的防洪调度方式。如果水库执行下游防洪任务, 则需要在接近下游防洪控制点且水量较小处实行固定泄量方式;如果水库远离防洪控制点且水量较大时, 可选择补偿调节方式, 依照区间变化大小泄流, 将两者合理地控制在防洪控制点允许的泄流量内。
依照水库防洪调度方法理论, 可以将水库防洪调度分为常规性防洪调度、优化调度和模糊优化调度。常规性防洪调度规则是依照过去的实测资料、水文学、净流量变化等绘制水库调度图谱, 指导水库合理运行;优化调度是在系统工程学理论知识的指导下, 使用动态规划法、层次分析法等选择最佳方案;模糊优化调度是把常规调度原理和模糊集合论结合在一处, 优化相关的防洪调度技术, 规避水库调度过程中产生的模糊信息。
3 水库防洪调度存在的风险问题
一般情况下, 水库防洪调度的影响因素为洪水的大小、水库实际调度操作方案、水库的实际泄洪能力、洪水降雨预报不确定性等。由于存在这么多不确定因素, 特别是汛期水位的不断上升, 导致水库防洪控制阶段可能出现泄洪量超出下游河道所能承受的安全排泄量以及水库水位超标等, 因此, 在维护水库防洪安全性的基础上, 应加大水库的蓄水量。要想实现防洪与兴利产生的效益最大化, 就要对该过程中出现的各种不确定风险因素进行分析和预防。当前国内外防洪调度风险分析法主要分下面几步: (1) 识别风险源。其中, 可能存在的风险源为防洪调度操作、入库洪水量、水库泄洪能力和气象预报误差等。 (2) 识别风险主体, 即水库上下游、水库大坝本身等。 (3) 根据防洪调度风险设定模型分析法。现阶段, 国内外并没有十分标准的风险模型分析法, 一般从可能导致的经济损失、调洪水位超过防洪水位等方面进行分析、评估。 (4) 评估汛期限制水位调整完成后可能出现的风险等。
4 做好防洪调度工作的几点建议
4.1 不断提升防洪调度的现代化建设水平
按照防洪工作的实际需求, 积极使用现代化的科学技术手段, 更新水库防洪调度通信设备, 利用移动公司通道、卫星通道等传递水雨情信息, 保证信息传递的准确性和时效性。新建一批现代化的防洪会商系统。水库控制流域内有提供水雨情信息的遥测站点, 且可靠性强, 能够及时、准确地反映水雨情变化。集中检测降水情况, 充分利用气象卫星云图、多媒体信息演示技术和防洪信息管理技术, 提高防洪调度水平。
4.2 不断完善防洪调度紧急度汛方案
在不同区域, 需根据水库运行的实际情况修订汛期所使用的防洪应急方案和大坝安全管理紧急方案, 编制完整的水库应急抢险手册, 针对正在建设的工程制订特定的应急度汛方案, 力求汛期安全施工、安全度汛。另外, 还要做好水库中下游群众紧急转移方案, 保证防洪调度方案的科学性和合理性, 确保防洪抗灾工作的有序进行。
4.3 不断完善防洪调度方式
要实现防洪调度优化, 就需要不断完善工程、预报和调度等方面的综合措施。尽可能地在下游河道建设拦蓄工程, 建立完整的防洪调度网络体系, 合理分配水量, 优化调度方式, 逐步实现联合调度法, 并优化现代化管理手段, 从根源上解决区域性缺水问题。另外, 还要不断加强汛限水位的研究工作, 对水位进行动态化管理监测, 提高水资源的利用效率。
4.4 强化防洪调度方案审批的严谨性
水库防洪调度工作的开展必须向地方防办相关部门提交审核方案, 经地方防办统筹规划后, 再根据水库、河道行洪能力的情况削峰、错峰, 确定开闸泄洪时间, 下达调度指令之后方可执行。
5 结束语
综上所述, 水库防洪调度的根本目的在于维护水库自身安全以及上下游安全, 确保人民群众的生命财产安全不受损害, 最大限度地发挥水资源的综合效益, 最终达到兴利避害的目的。因此, 在实际调度工作开展的过程中, 要明确防洪调度指导思想的重要性, 根据防洪调度工作的目的、性质和理论知识, 确定好泄洪类型。
摘要：在水库防洪实际调度工作开展的过程中, 要明确其中存在的调度风险和汛限水位, 及时了解实时调度工作的基本任务, 掌握最新动态。通过案例论述了水库防洪调度工作的重要性, 分析了防洪调度工作的类型, 并指出其中存在的风险问题, 希望能对防洪调度工作的开展有所帮助。
关键词：水库,防洪调度,调度风险,汛限水位
参考文献
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