串联水库群弱耦合条件下实时防洪调度方法研究.pdf
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1、中国农村水利水电China Rural Water and H串联水库群弱耦合条件下实时防洪调度方法研究李颖,王斌,徐孙钰,朱非林,本梦雪,钱心缘,钟平安(河海大学 水文水资源学院,江苏 南京 210098)摘要:水库群防洪联合调度是提高流域防洪安全的重要技术措施,但串联水库群常由于洪水传播时间导致上下级水库在调度期内水量不平衡问题,研究串联水库群水流时滞并提出有效的应对方法,对防洪调度具有重要的现实意义。针对梯级水库群水流滞时的影响,提出了“弱耦合”条件下基于信息价值最大化的梯级水库群实时防洪联合调度方法,建立了超额水量由下而上的逐级消纳机制,在此基础上,采用基于防洪控制断面最大洪峰流量最小
2、化的最大削峰准则,构建了反向补偿调度模型,发挥梯级水库群水文与水力补偿作用。以江西省北潦北河流域三库串联水库群为例开展实例研究,多情景模拟调度结果表明:结合该地区的水利工程以及洪水特点,在中小洪水时可适当发挥各水库的调蓄作用,掌握防洪主动性;在大洪水时,应预先泄流、降低库水位,保证水库群拥有足够的防洪库容,充分发挥流域水库群的防洪效益,最大程度减轻下游防洪压力。场次洪水经上述调度后,罗湾水库平均水库削峰率为20.63%,滞洪量49.6 万m3;洪屏水库平均水库削峰率为30.09%,滞洪量1 395 万m3;小湾水库平均水库削峰率为33.02%,滞洪量597 万m3。防洪断面流量峰值比天然来水的
3、流量峰值平均减少了48.83%,并且相较于该区域的原有调度规则,水库群联合调度的削峰作用更显著。关键词:防洪调度;串联水库群;超额水量消纳;逐级补偿中图分类号:TV697 文献标识码:A DOI:10.12396/znsd.222260李 颖,王 斌,徐孙钰,等.串联水库群弱耦合条件下实时防洪调度方法研究 J.中国农村水利水电,2023(8):63-69.DOI:10.12396/znsd.222260.LI Y,WANG B,XU S Y,et al.Method of real-time flood control operation of cascade reservoirs under
4、 weak coupling conditions J.China Rural Water and Hydropower,2023(8):63-69.DOI:10.12396/znsd.222260.Method of Real-time Flood Control Operation of Cascade Reservoirs under Weak Coupling ConditionsLI Ying,WANG Bin,XU Sun-yu,ZHU Fei-lin,BEN Meng-xue,QIAN Xin-yuan,ZHONG Ping-an(College of Hydrology and
5、 Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,Jiangsu Province,China)Abstract:Joint flood control operation of reservoirs is an important technical measure to improve flood control safety of the river basin.During the flood control operation,water imbalance is usually caused by the flow travel ti
6、me in the upper and lower reservoirs in a cascade reservoir system.It is of great significance to study the flow delay in that system and propose an effective measure for flood control operation.This study proposes a real-time flood control joint operation method to address the influence of water fl
7、ow delays,applying information value maximization for cascade reservoirs under the condition of“weak coupling.”The excess water consumption mechanism is established from the lowest reservoir to the uppermost one.Based on this mechanism,a compensation operation model is established based on the maxim
8、um peak shaving principle,which minimizes peak flow on flood control cross-section,utilizing the hydrological and hydraulic compensation function in cascade reservoirs.This paper takes the northern tributary of the Beiliao River Basin of Jiangxi Province with three cascade reservoirs as a 文章编号:1007-
9、2284(2023)08-0063-07收稿日期:2022-11-07基金项目:国家自然科学基金项目(52079037);水利部重大科技项目(SKR-2022075)。作者简介:李颖(1997-),女,硕士研究生,研究方向为水资源规划与管理。E-mail:。通讯作者:钟平安(1962-),男,教授,博士,研究方向为水资源规划与管理。E-mail:。水文水资源63串联水库群弱耦合条件下实时防洪调度方法研究 李颖 王斌 徐孙钰 等case study,whose results of the multi-scenario simulation show the following message.
10、Considering the hydraulic engineering and flood characteristics of the area,during small and medium floods,the regulation function of each reservoir can be appropriately exploited to grasp the initiative of flood control.During large flood events,the flow should be pre-discharged to a lower water le
11、vel to ensure that the reservoir group has sufficient flood control capacity.It can fully use the reservoir group s flood control function in the basin and relieve downstream flood pressure to the greatest extent.After the operation mentioned above,the average ratio of cutting down flood peak of Luo
12、wan Reservoir is 20.63%,with a detention volume of 496 thousand cubic meters.The average ratio of cutting down flood peak of Hongping Reservoir is 30.09%,with a detention volume of 13.95 million cubic meters.The average ratio of cutting down flood peak of Xiaowan reservoir is 33.02%,with a detention
13、 volume of 5.97 million cubic meters.Peak flow at the flood control cross-section decreases by 48.83%on average compared to the peak flow of natural inflow.The peak reduction effect of the joint flood control operation of reservoirs is more significant than the original scheduling rules in the area.
14、Key words:flood control operation;cascade reservoirs;excess water consumption;gradually-compensating0引 言水库防洪调度领域的研究重点大体包括建模理论1、求解方法2以及风险决策3,4等方面。随着水文预报精度的提高、有效预见期的延长和计算机技术的进一步发展,调度研究历经了从单库拓展到库群,从经验逐渐向优化5的过程,水库群防洪联合调度成为重要的非工程防洪措施,也是调度领域的研究热点6-8和数字孪生流域中防洪“四预”的核心技术9,10。水文、水力和库容补偿11是水库群联合调度的物理基础。在此方面,李安
15、强12等基于大系统分解协调原理,以溪洛渡、向家坝和三峡三库为研究对象,从水库防洪库容分配的角度,研究了如何做协同防洪联合调度;康玲13等以长江上游五座水库组成的防洪系统为研究对象,考虑不同防洪库容对水库安全的影响程度,构建了基于系统非线性安全度策略的水库群防洪库容分配模型,弥补了线性安全度策略的不足;钟平安14等提出并联结构水库群防洪库容分配模型,采用轮库补偿法指导调度次序,以实现水库群的空间协同;顿晓晗15等为实现三峡水库的实际防洪调度需求,分析了汛期不同时段防洪风险,研究了上下游水库间防洪库容分配及其互用性问题。串联水库群间的水力联系是复杂多变的16,由于洪水传播时间造成的滞时影响以及洪水
16、在两库之间的坦化变形作用,给串联水库群实时防洪调度模型的建立和求解都造成很大困难。在调度期内,上一级水库出流只有部分过程能够在下一级水库同期内响应,相当部分在调度期外滞后反映,可见水流滞时会造成上下级水库之间在调度期内产生水量不平衡的问题,上下库之间的水力联系被削弱了,耦合程度降低,本文称之为“弱耦合”。国内外对串联水库群水流时滞的研究中,大多简单地将水流滞时看作不变的常数,将上库泄流等值平移传播时间后作为下库的部分入库17,虽然有一些考虑传播过程坦化作用的研究,也没有提出有效的方法来求解防洪调度模型18,19。因此,进一步开展水流时滞的串联水库群实时防洪调度建模和求解方法研究,具有重要的实用
17、意义。研究以具有公共防护点的串联水库群为背景,基于防洪点最大削峰准则,提出了一种考虑时滞影响的“弱耦合”条件下串联水库群实时防洪调度方法,并以三库防洪系统为实例,验证方法的有效性。1串联水库群实时防洪调度模型对于n座水库,n个防洪点的串联水库群,见图 1。图中,Ri,i=1,2,n,表示第i座水库;Di,i=0,1,n,表示第i防洪控制断面;Qi(t),i=1,2,n,为第i库至第i+1库的区间流量过程,m3/s,其中Q0(t)为第一库的入库流量过程,m3/s。1.1目标函数考虑区间来水,基于最大削峰准则的串联水库群防洪优化调度的目标函数如下:minF=t=1Ti=0nqi()t+Qi()t2
18、(1)式中:qi(t)为第i库出库流量qi(t)在第i防洪断面的响应流量,m3/s;1.2约束条件(1)水量平衡约束。QIi(t)=qi-1(t)+Qi-1(t)(2)Vi(t)-Vi(t-1)=QIi()t+QIi()t-12-qi()t+qi()t-12 t(3)式中:Vi(t)、Vi(t-1)分别为第i座水库第t时段末、初的蓄水量,m3;QIi(t)、QIi(t-1)分别为第i座水库第t时段末、初的入库流量,m3/s;qi(t)、qi(t-1)分别为第i座水库第t时段末、初的出库流量,m3/s;t为时段长,h。(2)水库水位上限约束。Zi(t)Zi,max(t)(4)式中:Zi(t)为第
19、i座水库t时刻的计算水位,m;Zi,max(t)为第i座水库在t时刻允许的最高水位,m。(3)水库泄流能力约束。0 qi(t)fiZi(t)(5)图1串联水库群防洪系统结构Fig.1 Topological structure of flood control system for cascade reservoirs64串联水库群弱耦合条件下实时防洪调度方法研究 李颖 王斌 徐孙钰 等式中:fiZi(t)为第i座水库在t时刻相应水位下的泄流能力,m3/s。(4)出库变幅约束。|qi(t)-qi(t-1)|q(6)式中:q为相邻时段允许的最大出库流量变幅值,m3/s,该约束体现泄流变化对下游堤
20、防等防洪设施的影响。(5)调度期末水位约束。Zi(T)Zi,e(7)式中:Zi(T)为第i座水库调度期末的计算水位,m;Zi,e为第i座水库调度期末的控制水位,m,该约束主要考虑洪水过后的洪水资源利用。2考虑时滞的“弱耦合”模型的求解2.1水流时滞影响分析梯级水库群上下库之间存在水力联系,下库来水为上库放水和上下库区间来水之和。当考虑上下库区间的洪水传播时间时,水流时滞将导致上下库流量过程产生错位现象。图2为三库串联水流时滞示意图,图中T为调度期总时段数,i为第i库到i+1库区间的水流传播时间,mi为第i库泄流对i+1库入流的影响时段数(由单位线的时段数确定)。第i+1库前期的入流受第i库调度
21、期之前的放水影响,第i库后期的放水对第i+1库的影响被延迟到调度期外。串联水库群在“弱耦合”条件下进行短期调度,如果优化算法要追求最大削峰效果,可以预见,第i库的调度策略必会加大调度期后期的下泄量,使更多的水转移到调度期外。此策略治标不治本,只变相增加了调度期内的调洪库容,未考虑到对调度期外的库群调度有何影响,实际上实时调度是滚动推进的,水量后移会给后续调洪产生累积风险。因此需构建考虑滞时影响的优化调度模型,并采用适用的方法进行模型求解,这对水库群的实际运行管理有着重要的指导意义。2.2“弱耦合”模型轮库迭代求解由上文分析可知,由于串联水库群的“弱耦合”性,模型如果使用传统方法直接求解,难以得
22、到具有可操作性的最优解。本文提出一种基于信息价值最大化的“不完全”优化思路,通过调度过程迭代,充分利用调度期内上下库之间的水量交换信息,减轻由于时滞造成的调度期内水量不平衡的影响。采用由下而上的反向逐级补偿,得到满足可操作性要求的次优调度方案(“不完全”优化方案)。反向逐级补偿的计算步骤如下:(1)首先对第n库进行单库单防洪点的补偿调度。先不考虑 1n-1库的调蓄作用,假定防洪任务完全由第n库承担。第n库的天然来水过程为In(t),则:In(t)=i=0n-1Qni()t(8)式中:Qni(t)为第i区间的来水Qi(t)在第n库的响应过程,由区间来水经过马斯京根法演算得到。以Dn断面为补偿对象
23、,则第n库的最大削峰准则目标函数为:minF=t=1Tqn(t)+Qn(t)2(9)考虑第n库的约束条件,采用分段试算法20求解得到第n库的最优出库过程q*n(t)。由马斯京根法计算得到q*n(t)在Dn处的响应过程q*n(t)。qDn为Dn处的安全泄量,如果q*n(t)+Qn(t)qDn,说明在给定条件下,第n库可以单库满足防洪断面Dn的安全泄量要求。这时前n-1库按出入库平衡模式调度,即qi(t)=Ii(t),i=1,2,n-1,以保留足够的防洪库容拦蓄后续来水,防洪断面的防洪要求由第n库满足,计算结束;如果q*n(t)+Qn(t)qDn,说明第n库无法单独满足Dn断面的安全泄量要求,如图
24、3所示,则按式(10)计算超额流量过程,然后转第(2)步进行上一级水库的反向补偿调度。DQn(t)=maxq*n(t)+Qn(t)-qDn,0(10)(2)为减小超额流量DQn(t),对第n-1库进行补偿调度。计算步骤如下:计算第n-1库的天然来水过程In-1(t):In-1(t)=i=0n-2Qn-1i(t)(11)式中:Qn-1i(t)为第i区间的来水Qi(t)在第n-1库的响应过程,由区间来水经过马斯京根法演算得到。第n-1库的主要任务是配合第n库进行拦蓄,满足Dn断面的安全泄量。计算第n-1库的目标出库过程qn-1(t)。图2三库串联水流时滞示意图Fig.2 Schematic dia
25、gram of flow delay in a three-cascade reservoir system图3防洪断面流量组成图Fig.3 Schematic diagram of flow component on flood control cross-section65串联水库群弱耦合条件下实时防洪调度方法研究 李颖 王斌 徐孙钰 等QBn-1(t)=In(t)-DQn(t)-Qn-1(t)(12)qn-1(t)=QBn-1(t)(13)式中:DQn(t)为DQn(t)逆流向马斯京根法21反演到第n库的坝址过程。QBn-1(t)为QBn-1(t)逆流向马斯京根法反演到第n-1库的坝址过
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