基于水文水动力模型的洪泽湖汛末蓄水策略智能优化设计.pdf
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1、第 39 卷第 4 期Vol 39 No 4水 资 源 保 护Water Resources Protection2023 年 7 月Jul.2023 基金项目:江苏省水利科技基金项目(2019003);国家重点研发计划项目(2018YFC1508200)作者简介:崔璨(1999),女,博士研究生,主要从事水文水资源研究。E-mail:cuican_通信作者:董增川(1963),男,教授,博士,主要从事水资源规划管理与可持续利用研究。E-mail:zcdong DOI:10 3880/j issn 10046933 2023 04 018基于水文水动力模型的洪泽湖汛末蓄水策略智能优化设计崔 璨
2、1,董增川1,罗 赟1,2,张天衍1,韩亚雷1,杨 婕3,石晴宜4,童 建4,郭玉法4(1.河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098;2.黄河水利科学研究院,河南 郑州 450003;3.杭州市钱塘区水利发展服务中心,浙江 杭州 311222;4.江苏省水文水资源勘测局,江苏 南京 210029)摘要:针对洪泽湖丰水年汛末蓄水中蓄水时机与蓄水方案之间、防洪目标与蓄水目标之间的双重博弈,基于水文水动力模型精细化的仿真能力及枚举蓄水策略与数值模拟相结合的思路,构建了“时量 标”三维映射关系,将水文水动力模型与 NSGA-多目标优化模型相耦合,提取了汛末多闸门组合下泄的最优调控规则。结果表明
3、:丰水年湖泊防洪风险与蓄水效益之间的 Pareto 竞争关系较为明显,两目标可以通过置换关系相互补偿;典型丰水年 2003 年洪泽湖汛末蓄水策略的全局最优解为 9 月 20 日起蓄,将蓄水调度规则中 13.00 m 水位所对应的闸门下泄总量由 1 600 m3/s 提升至2213 m3/s,在降低防洪风险的同时可减少弃水损失。关键词:洪水资源化;汛末蓄水调度;多目标优化;水文水动力学模型;机器学习;洪泽湖中图分类号:TV877 文献标志码:A 文章编号:10046933(2023)04014309Intelligent optimization design of water storage
4、strategy for post-flood period of Hongze Lake based onhydrological-hydrodynamic model CUI Can1,DONG Zengchuan1,LUO Yun1,2,ZHANG Tianyan1,HAN Yalei1,YANG Jie3,SHI Qingyi4,TONG Jian4,GUO Yufa4(1.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Yellow River Institute of
5、Hydraulic Research,Zhengzhou 450003,China;3.Hangzhou QiantangDistrict Water Conservancy Development Service Center,Hangzhou 311222,China;4.Jiangsu Province Hydrology and WaterResources Investigation Bureau,Nanjing 210029,China)Abstract:Aiming at the dual games between impounding time and water stora
6、ge schemes,flood control target and storagebenefit target for the water storage problem of Hongze Lake in post-flood period in high-flow years,a three-dimensional“time-discharge-index”mapping relationship was constructed based on the refined simulation with the hydrological-hydrodynamic model and th
7、e idea of combining enumeration water storage strategies and numerical simulation.By coupling ofthe hydrological-hydrodynamic model with the NSGA-II multi-objective optimal model,optimal regulation rules for dischargeunder multi-gate combination in post-flood period were extracted.The results show t
8、hat there is an obvious Pareto competitionrelationship between flood control risk and water storage benefits in high-flow years,and the two objectives can compensateeach other through the replacement relationship.According to the obtained global optimal solution of the water storage strategyfor Hong
9、ze Lake in post-flood period in a typical high-flow year of 2003,the impoundment should start from September 20th,and the discharge volume is recommended to increase from 1 600 m3/s to 2 213 m3/s corresponding to the water level of13.00m,which can decrease the flood control risk as well as the aband
10、oned water loss.Key words:flood utilization;water storage dispatch in post-flood period;multi-objective optimization;hydrological-hydrodynamic model;machine-learning;Hongze Lake 洪泽湖是淮河中下游防洪体系中“蓄泄兼筹”的多功能巨型调蓄水库,又是关系到上游回水区因洪致涝的关键节点1-2,不但面临着洪水的严重威胁,又肩负苏北、淮北以及淮河两岸部分地区水资源341供给的重要任务,作为南水北调东线工程输水干线上的过水通道,每年
11、还需向山东、河北、天津等缺水地区输送数十亿 m3的水资源。近年来,受全球气候变化影响,极端水文事件频发,洪泽湖周边地区常发生干旱性缺水;同时随着经济社会发展和国民用水需求的日益增长,湖泊供水能力受到了严峻挑战,致使洪泽湖需采取“江水北调”和“引沂济淮”等调度性措施进行补水。因此,在保证洪泽湖堤防及下游地区防洪安全的前提下,如何采用工程性措施或非工程性措施,科学合理地挖掘湖泊流域的洪水资源,实现从“灾害水”向“资源水”的转变,是当前研究的热点问题。王蔚等3采取枚举蓄水策略与大规模数值模拟相结合的方式逼近湖泊汛末蓄水策略的最优解,给出了不同典型年来水条件下洪泽湖下泄闸门的具体操控规则。该方法在一定
12、程度上探索了湖泊汛末蓄水规律,但仍不可避免枚举法的局限性,存在陷入“局部最优”的缺点,尤其是在丰水年系列下,“先蓄后泄”策略中泄水效率较低的设计与“先泄后蓄”策略中蓄水效率较高的设计,二者的防洪风险较为相近,侧面说明湖泊系统的来水量越多,蓄水策略中“缓泄”和“急蓄”之间的博弈越激烈,因此需要为系统寻找最优解。湖泊作为一类重要的水资源调蓄功能体,不同于传统的水库蓄水调度,即预先设定蓄水过程的目标需求和约束环境,在给定的来水条件下,基于水量平衡原理,采用常规或优化求解技术寻找满足条件的非劣蓄水过程作为调度决策解集4-7。湖泊的水文要素对不同区域入湖径流组分的响应程度更为敏感1,8-10,其不同下泄
13、通道的组合运用对湖区周边蓄滞洪区可能带来不可忽略的防洪风险,因此在生产实践过程中通常采用水文水动力学模型模拟闸门蓄放水替代水库的调洪过程11。流域水文水动力耦合模型已被众多学者沿用至今12-16,但该模型通常仅用于高精度的数值模拟计算和洪水风险评估17-20,要实现水资源智能综合管理与方案决策,还需要进一步构建目标导向的优化决策模型。目前,基于智能算法的多目标寻优策略研究已经日趋成熟,并应用于水文领域,涵盖了以水资源可持续利用、经济社会与生态环境协同发展为目标的水库多目标联合调度21-23、区域水资源优化配置24-25、流域水文模型参数优化26-27等,但在面对湖泊流域复杂的河网拓扑关系和不同
14、层次防洪排涝工程调度之间的协调性问题时,只有将水文水动力学模型与多目标优化模型及算法进行耦合,才能把洪水演进模型与工程优化调度有机结合,从而提高优化调控模型的可靠性与最优性,实现局部复杂河网地区水流精细化模拟与水资源的综合治理。本文深入讨论了洪泽湖汛末蓄水策略的优化设计方法,通过耦合水文水动力模型与多目标智能优化算法,提取了汛末多闸门组合下泄的全局最优解,旨在为该类地区的洪水资源利用与避险策略制定提供系统的理论支撑。1 研究区概况与数据来源1.1 研究区概况洪泽湖位于江苏省境内、淮河中下游结合部,处于东经 11810 11852,北纬 3306 3340,其西纳淮河、南入长江、东贯黄海、北连沂
15、沭水系8,承泄淮河上中游 15.8 万 km2的来水(图 1)。洪泽湖湖盆形态呈西北高、东南低,湖底高程 10.0 m(1985 国家高程基准),死水位 11.30 m,汛限水位12.50 13.50 m,正常蓄水位 13.50 m,破圩警戒水位14.50 m,总库容 37.3 亿 m3,现状防洪标准为 100年一遇,多年平均水位12.37m,历史最高、最低水位分别为 15.23 m 和 9.68 m。研究区属南北气候过渡区,受东亚季风影响显著,降雨年内分配不均,多集中于 58 月,极易形成流域性暴雨洪水。图 1 洪泽湖概况及入湖河流和水文站点分布Fig.1 Overview of Hongz
16、e Lake and distributions of riversinflowing in lake and gauging stations目前,洪泽湖的主要入湖河道为淮河干流,其他入湖河道包括北部的徐洪河、西部的怀洪新河、新老濉河、新汴河及南部的池河;泄水通道集中在湖区东部,洪水由三河闸、二河闸和高良涧闸分别泄入入江水道、苏北灌溉总渠、入海水道及淮沭新河。区域防441洪工程由入湖、出湖控制建筑物,洪泽湖大堤,滞洪区与行洪区等组成。长期以来,洪泽湖周边的蓄滞洪区作为洪水淹没和调蓄的场所,是宿迁、淮安两市及省属洪泽湖农场、三河农场的防洪屏障,在淮河中下游防洪体系中发挥了重要作用。1.2 数据
17、来源本文所采用的 2003 年主要出入湖河道的日径流量数据、湖区周边逐日降水、蒸发与水位数据来自水利部淮河水利委员会;构建水文水动力模型所需洪泽湖及其周边蓄滞洪区的基础地形与工程资料,包括5m 5m DEM 地形图、河流水系及河道断面、水工建筑物及堤防、土地利用分类等,均来自江苏省水利厅。2 汛末蓄水策略优化设计王蔚等3考虑湖泊不同下泄通道组合可能给蓄滞洪区带来的风险,以及河道和湖面的降雨产流对湖区水情的影响,采用水文水动力学数值模拟代替水库调洪演算过程。基于研究成果能够更加方便地指导生产实践的理念,分析后汛期入湖洪水特征,制定蓄水时机和蓄水调度规则,并对两者进行遍历组合,给出蓄水策略集。将不
18、同策略分别输入水文水动力学模型进行精细化模拟并优选模拟结果,总结不同来水条件下湖泊汛末蓄水时机和蓄水规则的组合规律,进行蓄水策略研究,最终确定最优湖泊提前蓄水时机和各闸门控制方式,达到预蓄预泄的目标。但在丰水年系列下,“先蓄后泄”策略中泄水效率较低的设计与“先泄后蓄”策略中蓄水效率较高的设计,二者的防洪风险较为相近,说明湖泊系统的来水量越多,蓄水策略中“缓泄”和“急蓄”之间的博弈越激烈。从侧面说明,目前蓄水策略中虽然包含了最优解,但是最优解的位置不够明确,需要更为系统的优化方法去寻找。因此,本文针对洪泽湖丰水 年来水情景,引入智能优化算法,探讨水文水动力数值模拟与传统调度模型相耦合的调控思路,
19、旨在进一步提高蓄水效率,降低蓄水过程中的防洪风险。表 1 2003 年后汛期蓄水调度规则细化方案Table 1 Refinement programs of storage scheduling rules in post-flood period of 2003水位/m下泄流量/(m3/s)方案方案方案方案三河闸高良涧三河闸高良涧三河闸高良涧三河闸高良涧12.50 0 0 0 0 0 0 0 013.001000600060040060080060013.5020008000780500800102080014.0086001000860010008600100086001000水位/m下泄
20、流量/(m3/s)方案方案方案方案三河闸高良涧三河闸高良涧三河闸高良涧三河闸高良涧12.50 0 0 0 0 0 0 0 013.00120060016006002000600240060013.50154080020608002580800310080014.00860010008600100086001000860010002.1 蓄水策略样本库构建a.细化蓄水时机。鉴于蓄水时机对调度过程中的湖泊水位及弃水量有显著影响,因此将后汛期的起蓄时间间隔由原本的10d 缩短至5d,调整后的汛末蓄水时机集合 T=8 月 21 日,8 月 26 日,8 月31 日,9 月 5 日,9 月 10 日,9
21、 月 15 日,9 月 20 日。b.深化蓄水调度规则。后汛期与前汛期作为主汛期与非汛期的过渡阶段,降雨和径流过程具有高度的相似性,在拟定蓄水调度规则时需要以洪泽湖现行前汛期的水位 泄量关系为基准,后汛期不仅需要承接前、主汛期调度的结果,还需应对降水不确定性带来的丰枯转换等复杂水文情势。因此,本研究对各闸门的调度规则进行深化,具体设计原则为:根据汛限水位动态控制的上下限,确定以蒋坝站为代表水位站的湖泊水位操控范围为 12.50 13.50 m。根据淮河流域防洪规划,确定下泄总量的变化范围为 600 9 600 m3/s,在此范围内二河闸关闭。考虑灌溉总渠和高良涧水电站的用水需求,优先使用高良涧
22、闸下泄,其泄流能力为 600 800 m3/s,在达到该闸门的泄流能力前,三河闸保持关闭;若水位抬升至 14.00 m 及以上,转为采用主汛期的防洪调度规则,即水位 14.00 m 对应下泄总量为 9600 m3/s。以 2003 年优选蓄水方案3(方案I)为基准,将湖水位为 13.00 m 时的闸门下泄总量控制在 600 3000 m3/s 范围内,方案 三河闸的下泄流量为以400m3/s 公差增长的等差数列;参考洪泽湖主汛期的水位 泄量关系,设定湖水位13.50m与13.00m 的两闸门下泄总量以1.3 倍比增加。综上,共设置 7 组后汛期蓄水调度规则细化方案,构成方案集 Q,如表 1 所
23、示。5412.2“时 量 标”三维映射关系量化7 种蓄水时机和 7 组蓄水调度规则组合构成了以最优解为核心的搜索空间,采用构建的湖泊及其蓄滞洪区联合运用的水文水动力学模型3对 49 组蓄水策略进行洪水过程模拟,统计每组方案蓄水过程中的蒋坝水位超限率(Re)、最高蓄水位(Zmax)两项反映防洪风险的指标,以及弃水量(Wd)、汛末蓄水位(Zt)两项反映蓄水效益的指标,采用均匀分布方法形成 4 组 100 100 100 的蓄水时机(时)、蓄水调度规则(量)、评价指标(标)的三维映射关系。图 2 为蓄水时机、蓄水调度规则及防洪风险指标的三维映射关系,以下泄总量反映蓄水调度规则。由图 2 可知,蒋坝水
24、位超限率和最高蓄水位随着起蓄点的推迟和下泄总量的增大均呈现下降趋势,但二者的下降规律存在一定差异。在进入后汛期的20 d 内起蓄时,蒋坝水位超限率对“时 量”的响应程度均不显著,相反地,最高蓄水位对“时 量”的响应 则较为明显,尤其在 8 月 31 日前起蓄时,此项指标的下降梯度最大;在后汛期结束前的 10 d 内起蓄时,水位超限率和最高蓄水位则分别呈线性下降和指数下降趋势。(a)蒋坝水位超限率(b)最高蓄水位图 2 蓄水时机、蓄水调度规则及防洪风险指标的三维映射关系Fig.2 Three-dimensional mapping relationship among impounding ti
25、me,scheduling rules,and flood control risk indexes(a)弃水量(b)汛末蓄水位图 3 蓄水时机、蓄水调度规则及蓄水效益指标的三维映射关系Fig.3 Three-dimensional mapping relationship among impounding time,scheduling rules,and water storage benefit indexes图 3 为蓄水时机、蓄水调度规则及蓄水效益指标的三维映射关系。由图 3(a)可知,弃水量随着起蓄点的推迟和下泄总量的增大呈现上升趋势,蓄水时机为其主导因素,在后汛期前 10 d、后
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