【精品硕博论文-水利水电工程】石虎塘航电枢纽工程汛期调度运用方案研究

工程硕士学位论文石虎塘航电枢纽工程汛期调度运用方案研究前言航电枢纽工程是航运和发电两者完美结合的内河航运建设模式，项目是以航运为主，航电结合，综合开发利用水资源和水能资源。我国水资源十分丰富，但是如何合理开发利用水资源成为当今水资源利用的一大难题。近些年，我国兴修水利，水利枢纽工程数量的增多很大程度上的解决了用电难的问题，因此在调度中进行优化研究是很有必要的。水库调度，顾名思义，根据主次任务原则，通过对水库的水位、库容、流量等参数的调控，达到水资源利用效率的最大化。按照综合利用水资源的原则进行调度，合理利用流量和水头，可在获得最大的发电效益的同时，让国民经济各部门达到效益最大化。石虎塘航电枢纽工程座落在赣江中游，水库坝址位于赣江干流泰和县城公路桥下游26KM的石虎塘村附近，是一座以航运为主，兼有发电、防洪（库区内的防护区防洪）等效益的综合利用枢纽工程。水库坝址以上控制流域面积43770KM2，水库总库容743108M3，兴利库容0085108M3562565M之间容积，562570M之间的容积为0233108M3；正常蓄水位565M（黄海高程，下同，入库流量小于2200M3/S时可提高到570M运行），死水位562M，设计（P2）洪水位5948M，校核（P033）洪水位6103M；设计船闸有效尺寸1802335M（长宽门槛水深），电站装机容量120MW（20MW6台）。工程由枢纽和防护区两大部分组成，枢纽主要建筑物有泄水冲沙闸、电站厂房、船闸和左右两岸土坝；防护区主要建筑物有防洪堤、泄洪挡水节制闸、导托渠（导排渠）和排涝站（电排站）。本文主要以石虎塘航电枢纽工程为例，对其航电枢纽工程汛期调度运用方案进行设计、探讨和研究，确定了石虎塘航电枢纽工程设计调度运行方案，保障闸坝运行安全性。明确石虎塘航电枢纽工程水库蓄泄水判断指标，统筹兼顾工程防洪与兴利功能的发挥，制定了水库汛期洪水调度具体运用方案，包括枢纽工程的洪水调度具体运用方案和各防护区内排涝站（电排站）的排涝调度具体运用方案，大幅度提高枢纽工程综合利用效益。同时又对石虎塘航电枢纽工程水库预泄对下游防洪影响进行了分析评估，为坝址下游防洪排涝提供了科学的指导建议。摘要石虎塘航电枢纽工程是一座以航运为主，兼有发电、防洪等综合利用效益的水利枢纽工程。工程建成后，枯水期利用闸坝抬高水位，增加坝址上游的航道水深，改善通航条件；非洪水期利用闸坝所形成的坝上与坝下水流落差及赣江的来水进行发电，缓解江西省电力系统用电的紧张状况。本文针对石虎塘航电枢纽工程，充分考虑其水库坝址位于赣江中游干流河段上，及其所在河段河道平缓、地势开阔的特点，并且石虎塘坝址上游沿江两岸的台地上分布着较多的村庄和数万亩耕地，为了保护人类赖以生存且宝贵的土地资源，同时降低库区的淹没处理投资，结合工程建设方案，在对枢纽和防护区进行洪水调节计算等水文水利条件分析的基础上，对枢纽工程水库汛期调度运用方案进行设计和研究，主要包括以下几方面的内容（1）研究确定了石虎塘航电枢纽工程设计调度运行方案，确定水库蓄水分界流量赣江干流栋背站为2020M3/S，石虎塘坝址为2200M3/S，支流灌苑水为70M3/S；水库由兴利调度转为泄洪调度的拉闸临界流量栋背站为4330M3/S，石虎塘坝址为4700M3/S，支流灌苑水为70M3/S。水库调度运行不分汛期和非汛期，依据上游来水流量结合坝前水位，按确定的“分界流量”采用“分级运行水位”的防洪、蓄水方式进行防洪、兴利调度，调度运行原则是小水（小于蓄水分界流量）关闸蓄水兴利（航运、发电），进行径流调节；中水（介于拉闸临界流量和蓄水分界流量之间）开闸泄流降低坝前水位，减少库区淹没；大水（大于或等于拉闸临界流量）拉闸敞泄洪水，保障闸坝运行安全。（2）明确了石虎塘航电枢纽工程水库蓄泄水判断指标确定方法，栋背站流量由水文站实测水位查本站综合水位流量关系线得到；石虎塘坝址流量由石虎塘坝址与栋背站日平均流量相关线转换得到；支流灌苑水流域拉闸面雨量和万合导排渠首水位540M一并作为灌苑水发生洪水时水库蓄泄水判断指标；只要其中一个判断指标达到临界值，水库即转为泄洪调度。（3）制定了石虎塘航电枢纽工程水库汛期洪水调度具体运用方案，包括枢纽工程的泄水闸、樟塘节制闸、万合节制闸、万合自排闸的洪水调度具体运用方案和各防护区内排涝站（电排站）的排涝调度具体运用方案。（4）对石虎塘航电枢纽工程水库预泄对下游防洪影响进行了分析评估，水库预泄时的最大下泄流量为8500M3/S，小于坝址2年一遇的设计洪峰流量，水库预泄对坝址下游3年一遇以上洪水没有影响。关键词石虎塘航电枢纽工程，防洪影响分析，防洪排涝，水库调度，来水分析ABSTRACTSHIHUTANGNAVIGATIONANDHYDROPOWERPROJECTISASHIPPINGBASEDWATERCONSERVANCYPROJECTWITHPOWERGENERATION,FLOODCONTROLANDOTHERCOMPREHENSIVEUTILIZATIONBENEFITSWHENTHEPROJECTISCOMPLETED,DAMWILLINCREASETHECHANNELDEPTHOFUPSTREAMAREAANDIMPROVETHENAVIGATIONCONDITIONSINDRYSEASONSTHEWATERDROPFORMEDBETWEENUPSTREAMANDDOWNSTREAMANDRUNOFFFROMTHEGANJIANGRIVERWATERWILLBEUSEDFORPOWERGENERATIONINNONFLOODPERIODTOALLEVIATETHESHORTAGEOFELECTRICITYPOWERSYSTEMINJIANGXIPROVINCEFORTHERESERVOIRDAMISLOCATEDINTHEMAINSTREAMOFGANJIANGRIVERWITHTHEGENTLEWATERCOURSEANDOPENTERRAINDISTRIBUTINGALOTOFVILLAGESANDTENSOFTHOUSANDSOFACRESOFARABLELANDALONGTHEUPPERREACHESOFRIVER,THISPAPERFULLYCONSIDERSFLOODREGULATIONCALCULATIONOFHYDROLOGYANDWATERCONSERVANCYCONDITIONSONTHEHUBANDTHEPROTECTIONZONE,ANDSEEKSTHESCHEDULINGSOLUTIONOFRESERVOIROFSHIHUTANGNAVIGATIONANDHYDROPOWERPROJECTINFLOODSEASONAIMINGATPROTECTINGTHEPRECIOUSLANDRESOURCES,REDUCINGTHEINVESTMENTOFRESERVOIRINUNDATIONTREATMENTANDCOMBININGENGINEERINGCONSTRUCTIONSCHEMETHEPAPERMAINLYINCLUDESTHEFOLLOWINGASPECTS1THEDESIGNINGOPERATIONPLANOFSHIHUTANGNAVIGATIONANDHYDROPOWERPROJECTWASDETERMINEDBYRESEARCH,ALONGWITHTHEBOUNDARYFLOWOFIMPOUNDMENTDONGBEISTATIONINTHEGANJIANGRIVERWAS2020M3/S,DAMSITEOFSHIHUTANGWAS2200M3/S,GUANYUANRIVERTHETRIBUTARYWAS70M3/SANDTHECRITICALFLOWTOOPERATEASWITCHFROMBENEFICIALUSETOFLOODDISCHARGEDONGBEISTATIONWAS4330M3/S,DAMSITEOFSHIHUTANGWAS4700M3/SANDGUANYUANRIVERTHETRIBUTARYWAS70M3/STHEOPERATIONOFRESERVOIRDIDNOTDISTINGUISHFLOODSEASONFROMNONFLOODSEASONACCORDINGTORUNOFFFROMTHEUPSTREAMANDWATERLEVELATDAMSITEWITH“CRITICALFLOW“DETERMINED,SCHEDULEOFFLOODCONTROLANDWATERSTORAGEON“GRADINGRUNNINGWATERLEVEL”COULDBEARRANGEDPRINCIPLESFORSCHEDULEWEREWHENFLOWWASLOWERTHANCRITICALFLOWOFIMPOUNDMENT,CLOSEDAMGATETOSTORAGESHIPPINGANDPOWERGENERATIONWHENFLOWWASBETWEENCRITICALFLOWOFOPERATINGASWITCHANDIMPOUNDMENT,OPENEDTHEGATETOLOWERDAMWATERLEVELANDREDUCEDRESERVOIRSUBMERGEWHENFLOWWASHIGHERTHANCRITICALFLOWTOOPERATEASWITCH,WEEPAGETOENSURETHESAFETYOFTHEDAM2STORAGEANDDISCHARGEJUDGMENTINDEXESOFSHIHUTANGNAVIGATIONANDHYDROPOWERPROJECTWEREDETERMINEDTHEFLOWOFDONGBEISTATIONWASOBTAINEDFROMCOMPREHENSIVEWATERLEVELANDFLOWRELATIONSHIPLINEBASEDONMEASUREDWATERLEVELINHYDROMETRICSTATIONTHESITEFLOWOFSHIHUTANGDAMWASDERIVEDFROMWIRECONVERSIONOFDAILYMEANFLOWBETWEENSHIHUTANGDAMSITEANDDONGBEISTATIONTHESURFACERAINFALLOFTRIBUTARYGUANYUANRIVERBASINANDTHEWATERLEVEL540MOFTHEHEADOFWANHEDRAINAGEDITCHWEREBOTHUSEDASDISCHARGEINDICATORSIFONLYONEINDEXREACHEDACRITICALVALUE,ITWOULDCONVERTTORESERVOIRFLOODDISPATCHING3THECONCRETEAPPLICATIONSOFRESERVOIRFLOODDISPATCHINGSCHEMEFORSHIHUTANGNAVIGATIONANDHYDROPOWERPROJECTINFLOODSEASONSWEREFORMULATED,INCLUDINGTHEFLOODDISPATCHINGSCHEMESOFTHESLUICE,ZHANGTANGREGULATINGSLUICE,WANHEREGULATINGSLUICEANDWANHEAUTOMATICSLUICEANDTHEDRAINAGESCHEDULINGSCHEMESOFDRAINAGESTATIONSPUMPINGSTATIONSINTHEPROTECTIONZONE4THEFLOODPREDISCHARGEINFLUENCESONDOWNSTREAMFLOODCONTROLFORTHESHIHUTANGNAVIGATIONANDHYDROPOWERPROJECTHADBEENANALYZEDANDEVALUATEDTHELARGESTPREDISCHARGEWAS8500M3/SWHICHWASLESSTHANTHEDESIGNFLOODWITHRETURNPERIODOF2YEARSTHEFLOODPREDISCHARGEONDOWNSTREAMDAMSITEHADNOEFFECTFORTHEDESIGNFLOODWITHRETURNPERIODOFABOVE3YEARSKEYWORDSHIHUTANGNAVIGATIONANDHYDROPOWERPROJECT,FLOODIMPACTSANALYSIS,FLOODCONTROL,RESERVOIROPERATION,INFLOWANALYSIS目录前言I摘要IIIABSTRACTIV第一章绪论111选题的背景和意义112石虎塘航电枢纽工程概况213汛期运行调度研究进展514本文主要研究内容和技术路线10第二章工程设计调度运行方案1221工程设计概况1222工程调度设计2823本章小结34第三章水库蓄泄水判断指标3531赣江干流来水判断指标3532支流灌苑水来水判断指标3933本章小结46第四章石虎塘航电枢纽汛期调度运用方案4741概述4742航电枢纽汛期调度运用方案4743防护区排涝调度运用方案5344本章小结58第五章水库预泄对下游防洪影响分析5951典型断面安全泄量5952水库预泄时下泄流量极限值6053水库预泄对下游防洪影响分析6054本章小结61第六章总结与展望6261总结6262展望65参考文献67致谢70第一章绪论11选题的背景和意义我国水资源十分丰富，水资源总量为28124亿M3，居世界的第六位，仅次于巴西、加拿大、美国、俄罗斯和印度利西亚，江河湖泊纵横分布。据统计，流域面积在100KM2以上的河流有5万多条，共计约43万KM长；流域面积在1000KM2以上的河流有1500多条，大小湖泊900多个，航道总里程1216万多KM。我国具有航运价值的江河流域占我国陆地面积的2/3，主要分布于中西部地区的内河，因此，相对于世界其它国家，我国的内河分布比较广泛，具有开发航运得天独厚的自然地理条件。航电枢纽项目是以航运为主，航电结合，综合开发利用水资源，通过渠化提高航道等级，并利用挡水发电的工程项目，一般包括船闸、泄水闸、水电站、坝顶交通等。航电结合，以电促航是我国内河航运建设模式的一种新尝试，即航电并举，以电站发电收入作为水运基础设施，尤其是航道的整治、养护所需的资金。该建设模式充分利用了内河水运资源，避免了内河水运资源为航运或发电单一目的的开发，是航运和发电两者的完美结合，实现了双赢。水能资源是可再生的清洁能源，也是生产生活必不可少、不可缺少的资源，属水域水力资源的范畴，是水利资源的一部分。通常指河流或潮汐中长时期内的天然能量或功率，单位为千瓦或马力。通过水力发电工程开发利用，将水流体中含有的能量天然资源，转化为人类利用的能源，例如水力发电。能量大小决定于水库水位落差和上游径流量的大小。研究更加有效率的水资源利用是水利调度中一项重要的研究内容。如何合理开发利用水资源成为当今水资源利用的一大难题，近些年，我国兴修水利，水利枢纽工程数量的增多很大程度上的解决了用电难的问题，因此在调度中进行优化研究是很有必要的。水库调度，顾名思义，根据主次任务原则，通过对水库的水位、库容、流量等参数的调控，达到水资源利用效率的最大化。按照综合利用水资源的原则进行调度，合理利用流量和水头，可在获得最大的发电效益的同时，让国民经济各部门达到效益最大化。本文主要以石虎塘航电枢纽工程为例，对航电枢纽工程汛期调度运用方案进行设计、探讨和研究。12石虎塘航电枢纽工程概况石虎塘航电枢纽工程座落在赣江中游，工程坝址位于赣江干流泰和县城公路桥下游26KM的石虎塘村附近。该工程坝址控制流域面积43770KM2，水库总库容743108M3，兴利库容0085108M3562565M之间容积，562570M之间的容积为0233108M3；正常蓄水位565M（黄海高程，下同，入库流量小于2200M3/S时可提高到570M运行），死水位562M，设计（P2）洪水位5948M，校核（P033）洪水位6103M；设计船闸有效尺寸1802335M（长宽门槛水深），电站装机容量120MW（20MW6台）。是一座以航运为主，兼有发电、防洪（库区内的防护区防洪）等效益的综合利用枢纽工程。本工程由枢纽和防护区两大部分组成，枢纽主要建筑物有泄水冲沙闸、电站厂房、船闸和左右两岸土坝；防护区主要建筑物有防洪堤、泄洪挡水节制闸、导托渠（导排渠）和排涝站（电排站）。石虎塘航电枢纽工程在赣江干流上修建23孔总净宽460M的泄洪闸坝，在同一断面的右岸建20MW6台水电站，在其左岸修建有效尺度为1802335M的单线、单级船闸。在万合、沿溪、金滩、樟塘、泰和县城5个防护区沿江布置防洪堤总长3838KM，沿防护区一定高程的山腰布置导托渠（导排渠）总长5595KM；在各防护区的低洼处建电排站9座，电排装机容量5980KW，整修排涝引水渠线长1185KM；在支流灌苑水出口建泄洪挡水节制闸一座，在樟塘与万合两防护区联通的引（导）排渠上建引水导排节制闸一座；在万合防护区排涝导排渠出口建排水挡洪节制闸一座。石虎塘枢纽建筑物布置从左岸到右岸依次为左岸土坝、船闸、泄水闸、厂房、右岸连接坝段和右岸土坝；鱼道和导排渠从右岸土坝穿过，二线船闸布置在左船闸的左侧。枢纽建筑物坝顶总长度16457M，其中左岸土坝长度4476M，船闸宽度434M，泄水闸长度532M，主厂房长度139M，连接段长度835M，右岸土坝长度4002M。工程建成后可渠化航道38KM，使坝址上游航道常年可顺畅通行1000T级船舶；电站年发电量5265108KWH，且与上游万安电站同步协调调度为江西电力系统调峰，缓解江西省电网用电紧张状况；可提高各防护区的防洪标准，尤其是能使万合、沿溪、金滩3个防护区的防洪标准由25年一遇提高到10年一遇。石虎塘坝址上游83KM处已建成万安水力发电厂，该工程座落在赣江中游上段，坝址位于万安县城以上2KM处，下离吉安97KM，控制流域面积36900KM2。万安水力发电厂是一座以发电为主，兼有防洪、航运、灌溉、养殖等综合效益的水利枢纽工程。该工程于1993年按设计最终规模完建，其最终规模为死水位8811M，正常蓄水位9811M，防洪限制水位8811M，防洪高水位9811M，设计洪水位9881M，校核洪水位10171M；水库总库容2214108M3，防洪库容1019108M3，调节库容101108M3；电站装机容量500MW（100MW5台），设计年发电量1516108KWH。由于库区的淹迁问题还未解决，目前水库按初期运用水位蓄水运行，其运行水位为死水位8311M，正常蓄水位9411M，防洪高水位9171M，4月1日6月20日水库水位在83118611M之间实行动态控制调度。万安水库按初期运用水位蓄水运行时的防洪库容为570108M3，兴利库容为798108M3。石虎塘坝址下游90KM处目前正在兴建峡江水利枢纽工程。该工程位于赣江中游，坝址座落在峡江老县城巴邱镇上游6KM处，控制流域面积62710KM2。峡江水库正常蓄水位4600M，死水位4400M，防洪高水位、设计洪水位和校核洪水位均为4900M；防洪库容60108M3，兴利库容214108M3，总库容1187108M3；电站装机容量360MW；通航过坝设施按级航道过1000T级船舶的单线单级船闸设计，闸室尺寸为1802335M（长宽门槛水深）。是一座具有防洪、发电、航运、灌溉等综合利用功能的大型水利枢纽工程。峡江水利枢纽挡水重力坝最大坝高221M，最大闸高305M，闸坝顶全长845M。在库区，对同江、上下陇洲、柘塘、金滩、樟山、槎滩和吉水县城等7片区采取了工程防护措施，对沙坊、八都、醪桥及乌江等15片区采取了抬田措施。石虎塘航电枢纽工程、万安水力发电厂和峡江水利枢纽工程坝址具体的工程布置详见“流域水系及工程位置示意图”，石虎塘航电枢纽库区主要工程布置见图11。图11石虎塘航电枢纽库区主要工程布置示意图图12流域水系及工程位置示意图13汛期运行调度研究进展航电枢纽工程在汛期和非汛期的调度目标不同，所依据的调度规则和调度条件峡江水利枢纽工程万安水力发电厂不一样，所承担的风险内容和水平也有区别。131水库调度水库调度是一个以泄水（供水和泄洪）为决策变量，以来水为输入，以蓄水为状态的多目标决策问题。调度运行始于20世纪初，最初的方法是依据实际测量水文数据，利用水库对来水进行调节。之后，逐步发展形成了以水库调度图为调度方案依据的水库调度方法，被称为常规调度，至今仍在小型水库中广泛采用。上世纪50年代以来，由于径流调节理论、计算机应用技术、现代应用数学以及实时控制技术的发展，促使以经济效益最大为目标的优化调度理论得到了迅速发展，以水电站和电力系统经济运行为目标的水电站水库优化调度变得日益完善，在实际运用中取得了很好的效果1。（1）常规调度孟明星2等分析了孤山水电站汛期预泄调度方式的制约因素，选取了5个典型历史洪水过程，在研究库区防洪运行控制水位、预泄调度时机的基础上，拟定了汛期调度方式，并对发电和航运效益的影响进行了分析，证实了该调度方式在一定程度上缓解了水利水电开发与该地淹没损失的矛盾1。廖松3在深入分析潮白河水文特性的基础上，并考虑新建3个水库对下游流域洪峰流量的影响，提出的几个新的方案，以提高密云水库的效益。李旭东4等总结了三门峡水库1973年以来“蓄清排浑”调度运用工作，回顾了水库在该运用方式下的摸索、完善的变化过程，提出了小浪底水库建成后调度运用方式的改进设想。钟德钰5基于微分对策理论，将多沙河流水库汛期的供水兴利与泄水排沙看作博弈双方，建立起以排沙和供水的综合效益作为性能指标函数的多沙河流水库汛期调度模型，研究了多沙河流水库汛期的调度问题，并通过试验进行了验证。徐伟6针对万家寨水库一直处于低水位运行和凌汛期未达到设计水位运行进行了分析，提出了可行的调度方式、降低发电耗水率，充分发挥社会效益和经济效益。周政民7针对武烈河橡胶坝群提出限蓄立坝组合，并从多方面对橡胶坝群汛期调度运行进行了详细分析，提出了独具武烈河橡胶坝群特色的运行方案，极大地促进了工程运行管理的规范化、制度化和科学化。（2）优化调度单水库调度最先是由美国一个学者早在1947年提出的。水库调度的里程碑式成果是，在此10年后李特尔建立水库优化调度模型。水库优化调度研究在上个世纪70年代日趋完善。西方的研究相对于我国来说将近早了20年左右8。水库优化调度于上世纪六十年代中期引入我国，当时的标志事件为，中国科学院和水利科学院联合出版了关于运筹学在水库调度中的应用的书。之后，我国学者根据美国研究人员的理论，建立了水库长期优化调度模型，并在实际水库中得到了很好的应用。水电站水库优化调度常用的方法有动态规划法DP和逐步优化算法POA9。动态规划产生于20世纪50年代，其中确定性动态规划的研究开始于60年代，是解决多阶段决策过程最优化的一种数学方法，但是使用动态规划时状态空间和决策空间约束在优化过程中容易产生“维数灾”。为了克服动态规划的“维数灾”，HRHOWSON和NGSANDON在1975年提出了逐步优化算法POA10可以将多阶段问题化为两阶段问题，POA算法对单库求解非常方便，但水库数目增加时，收敛速度大大降低。即使是具有适者生存和基因遗传思想的遗传算法GENETICALGORITHM，GA在求解优化问题时，也有局部寻优能力差，容易出现早熟的现象，且算法流程比较复杂，交叉概率和变异概率的选择对问题的解有较大的影响。根据研究需要，研究者提出了许多源于自然界的智能演化算法，如粒子群优化算法11PARTICLESWAINOPTIMIZATION，PSO、蚁群算法、鱼群算法等，其中PSO是一种基于群集智能的演化计算技术，由于算法具有依赖的参数少，收敛速度快，编程易实现等特点而在电力系统12、图像分割13、参数估计14、神经网络参数训练15、水电站厂内经济运行、水库调度等领域得到了广泛的应用。尤其在求解水库单目标、多目标、日优化、长期优化和防洪调度等方面都取得了一定的成果。水库电站优化调度是PSO应用较为深入的一个领域。武新宇等16提出了水电站群优化调度的两阶段粒子群算法，并在粒子群中引入初始可行解，以提高粒子群的质量和求解效率。并以云南电网统调的7库14站主力水电站群系统为计算实例结果表明，该算法能有效克服“维数灾”问题。杨道辉等17介绍了粒子群算法在水电站优化调度中的应用，通过与动态规划对此水库优化调度分析，指出PSO具有收敛速度快，计算精度高的优点。PENG，Y18为解决梯级水库的优化调度问题，提出一种改进粒子群优化算法IPSO，提高了搜索效率。YUN，R19比较了遗传算法（GA）和粒子群优化算法（PSO）在优化水库运行方面的特性，遗传算法具有高稳定性和较高的计算效率，但不能获得问题的精确的全局最优解；粒子群优化算法可以获得准确的全球问题的最优解有更高的计算效率，但较不稳定。在水库防洪调度方面，袁鹏等20利用粒子群算法的惯性权重模型对南盘江上游水库洪水调度进行了计算，结果合理，证明粒子群优化算法在水库洪水调度上也有较好的应用。钟建伟等21提出了基于PSO算法求解梯级电站单目标优化调度问题的一般算法结构，通过计算时段库水位的变化范围，把梯级电站优化调度问题转化为无约束的优化问题处理；芮钧等22探讨了PSO算法在水电站中长期优化调度的应用方法及效果；程春田等23探讨了代替动态规划的必然性和潜力，认为PSO算法是代替动态规划来求解装机规模庞大的巨型水电站厂内经济运行的有效方法。水量调度优化问题是在不同用水单元内进行水量的合理分配。赵晓军等24利用粒子群优化算法智能寻优的特点，结合塔里木河流域水资源统一管理和调度实践，对粒子群算法在水量调度方案优化问题的应用进行了研究。但其在水量调度领域的应用较少，随着水量分配方案的落实和水量调度的实施，基于PSO优化算法的量调度将得到广泛的应用。与常规调度相比，优化调度虽然有了很大的提高和改进，但它不能够回避优化调度方案与水库实际调度存在偏差的问题，同时在模型开发上存在一定的缺陷，一些方法片面追求最优解，因而在应用方面受到了非常大的局限性。132汛限水位汛限水位（汛期限制水位）在水库防洪兴利关系中承担着协调作用，合理的汛限水位是实现水库综合效益的关键。我国海河流域及北方其它流域为挖掘水库供水潜力，提高水资源的利用率，进行了大量的汛限水位研究，也在水库实践调度运行中取得了较好的效果25。汛限水位可以从以下两个层面进行分类按水库汛限水位在汛期内是否随水雨情和工情的实际变化而变化分静态汛限水位和动态汛限水位两种26（邱瑞田等2004）。汛限水位静态控制法是水库在整个汛期内正常蓄水按照一个固定的水位控制水库运行，这种静态汛限水位一般都是在水库设计时分析确定的。我国水利事业发展初期建设的一批重要的大型水库就是根据国外水库运行调度的经验，并结合本流域特点，采用固定汛限水位来控制水库汛期的调度运行。该方法是传统的汛限水位研究方法，目前大多数水库仍然在采用，静态控制汛限水位均偏低，且运行时间较长，对汛期洪水具有明显季节性、水资源比较紧缺的水库已不太适用。随着人们对洪水季节性规律研究的深入，社会对供水要求的不断提高，水库防洪减灾与供水兴利的矛盾日趋突出，在汛期根据洪水季节性特点，采用变动汛限水位控制水库的调度运行势在必行27。胡振鹏等28采用分解聚合模型求解了丹江口水库不同汛期分期的汛限水位。丁晶等29认为模糊集分析方法存在洪水过程线频率概念模糊、难于达到指定年防洪标准等问题，提出了基于随机水文学原理的洪水随机模拟法。冯平等30在分析计算水库防洪能力的基础上，通过概率组合法提出了基于风险效益分析法的汛限水位计算方法。周建军等31从水库淤积的角度出发，对三峡水库的汛限水位进行了研究，提出了多汛限水位值，但对整个汛期洪水的分析上考虑不足。莫崇勋等32依据广西澄碧河水库汛期各时期的相对隶属度，并以防洪库容为控制，计算了该水库的分期汛限水位。汛限水位动态控制法是指以一个阈值作为汛限水位，实际运行时依据水情、工情使汛限水位在此阈值内上下浮动。水库实行汛限水位的动态控制，对提高滞蓄洪能力，实现洪水资源化，挖掘水库潜力具有重要意义。大连工学院70年代提出的“预蓄预泄”汛限水位控制方法是动态汛限水位的雏形，该法在洪水起涨前，将水库水位回落到原设计汛限水位，洪峰过后根据预报洪水实时利用洪水尾水超蓄部分水量，可见高精度的洪水预报是该方法实施的前提条件。对三峡水库正常蓄水调度后的蓄水情况做了较深入研究，并对分期汛限水位进行了优化分析。李继清等37（2007）采用库容补偿方法建立了刘家峡水库动态汛限水位的旬变化过程线。王国利等38（2008，2010）分析了防洪预报调度方法和预泄能力约束法，提出了以实际洪峰流量作为判断洪水量级指标制定调度方案，并在辽宁省葠窝水库进行了应用。133风险分析风险分析作为一种技术手段，对于工程项目来说，风险可以被描述为“任何可能影响项目在预算范围内按期完成的因素”39（王振强等2004）。项目成本风险是在给定项目条件下项目实施期内可能产生的成本变动40（郭宇等2002）。大坝防洪风险则可定义为大坝各种可能发生事故概率与事故后果的乘积之和，即期望损失41（韩宇平等2003）。风险分析是风险管理的基础和前提条件，近年来，国内外许多学者在水库调度、水环境问题和水资源配置以及水库漫顶方面运用风险分析理论对水库的防洪风险进行了研究。田峰巍等42（1998）在研究水库调度规则时，考虑了水库放水风险，并采用联合概率分布函数分析了风险率。汪新宇和张翔等43（2004）基于水文和工程结构的不确定性，从超标准洪水风险角度出发，建立了防洪体系的复合泊松风险率模型，并提出了可靠度计算模型。范子武等44（2009）分析了不同预报精度等级和不同预见期条件下水文预报误差的传递与演化过程，并建立了水库汛限水位动态控制的风险率计算模型。陈卫和温天福等45（2008）对水库预报预泄调度的风险率做了定义，认为风险率是一个关于最高库水位和汛限水位的分段函数，建立了考虑洪水预报误差情况下入库径流的随机模拟模型，并提出采用MONTECARLO方法随机生成预报误差系列，从而得到入库洪水过程，进而计算水库动态水位控制调度的风险值。潘敏贞46对海河流域及北方地区大型汛期运行调度的风险分析问题提出不能简单把规划设计阶段所确定的设计防洪汛期限制水位作为运行中水库必需遵守的硬性条件，同时对于当前汛期限制水位以上能否蓄水，蓄多少水的问题，应该进行不同蓄水方案的风险效益计算和各种方案在遭遇不同频率特大洪水时所增加的风险损失的概率分布，提供不同蓄水方案的风险效益，风险损失信息，以帮助决策者在认真分析比较的基础上作出符合科学原则的风险决策。14本文主要研究内容和技术路线141研究内容本文针对石虎塘航电枢纽工程，考虑其水库坝址位于赣江中游干流河段上，其所在河段河道平缓、地势开阔，石虎塘坝址上游沿江两岸的台地上分布着较多的村庄和数万亩耕地，为了保护人类赖以生存且宝贵的土地资源，同时降低库区的淹没处理投资，结合工程建设方案，在对枢纽和防护区进行洪水调节计算等水文水利条件分析的基础上，对枢纽工程水库汛期调度运用方案进行设计和研究。主要研究内容包括（1）研究确定了石虎塘航电枢纽工程设计调度运行方案。（2）明确了石虎塘航电枢纽工程水库蓄泄水判断指标确定方法。（3）制定了石虎塘航电枢纽工程水库汛期洪水调度具体运用方案。（4）对石虎塘航电枢纽工程水库预泄对下游防洪影响进行了分析评估。142技术路线确定水库调度运行方案及分界流量阅读文献、收集资料水库汛期调度理论研究水库蓄泄水判断指标汛期调度运用方案水库预泄对下游防洪影响分析结论与分析典型断面安全泄量下泄流量极限值下游防洪影响分析航电枢纽汛期调度运用方案防护区排涝调度运用方案支流灌苑水来水判断指标赣江干流来水判断指标图13论文研究技术路线图第二章工程设计调度运行方案21工程设计概况石虎塘航电枢纽工程位于赣江中游。赣江是长江流域鄱阳湖水系的第一大河流，位于长江中下游南岸，地理位置为东经1133011640、北纬24292911之间。流域东部与抚河分界，东南部以武夷山脉与福建省分界，南部连广东省，西部接湖南省，西北部与修河支流潦河分界，北部通鄱阳湖在湖口连长江。流域东西窄、南北长，略似斜长方形。赣江流域控制站外洲水文站以上流域面积80948KM2。石虎塘航电枢纽工程位于赣江中游吉安市市区与泰和县城之间，坝址座落在泰和县城公路桥下游26KM的石虎塘村附近，控制集水面积43770KM2。石虎塘坝址上游83KM处已建成万安水力发电厂，下游90KM处目前正在兴建峡江水利枢纽工程。石虎塘航电枢纽工程坝址上游库区内左岸主要有蜀水、右岸主要有云亭河和灌苑水等支流汇入赣江，三条支流的流域面积分别为1305KM2、763KM2和558KM2。211水文分析计算成果2111设计径流1年月径流系列及频率分析计算成果石虎塘坝址处无长期实测流量资料，根据坝址上、下游水文测站分布及水文资料情况，选用石虎塘坝址上游的栋背和林坑两水文站作为石虎塘坝址年、月径流计算的依据站。由于栋背、林坑两站控制了石虎塘坝址集水面积的942，并具有49年同步、连续的实测流量资料，且通过分析发现，泰和以上流域降雨分布较均匀。因此，石虎塘坝址年月径流根据栋背、林坑两站年月径流采用水文比拟法进行计算，其中面积比指数取10。栋背站上游建有万安水利枢纽工程。万安电厂1992年全部机组投产运行，水库1993年下闸蓄水，按初期运行水位9411M运行。万安水库对径流有一定的调蓄能力，因此，设计阶段利用万安水库的入、出库流量对石虎塘坝址的年、月径流进行还原计算，将1992年以后的年月径流还原到不受万安水库调蓄影响下的天然状态流量。石虎塘航电枢纽工程坝址设计时采用19572005年共49年径流系列，对石虎塘坝址49年年径流及枯水期时段平均流量系列进行频率分析计算，频率分析计算采用目估适线法，频率曲线线型采用P型曲线，成果见表21。表21石虎塘坝址时段平均流量频率分析计算成果表设计参数各频率设计值M3/S时段资料系列起止年份资料年数均值M3/SCVCS/CVP10P25P50P75P90日历年1957200549116003420169013801120875691水利年1957200549116003320167013801120883705102月195720054954705435935660461335274111月1957200549469054358025703952872352设计代表年日径流及日平均流量保证率曲线根据石虎塘坝址水利年年平均流量和枯水时段平均流量系列及其频率分析计算成果，选取年平均流量接近设计值的19921993年、19821983年、19901991年、19661967年和19861987年5个年份为设计丰水年、设计偏丰年、设计平水年、设计偏枯年和设计枯水年。石虎塘坝址19921993年、19821983年、19901991年、19661967年和19861987年的年平均流量、枯水时段平均流量与设计频率P10、P25、P50、P75、P90的设计值差异不大，因此，石虎塘坝址设计丰水年、设计偏丰年、设计平水年、设计偏枯年和设计枯水年的日径流直接采用石虎塘坝址19921993年、19821983年、19901991年、19661967年和19861987年的逐日平均流量。石虎塘坝址设计年平均流量、设计枯水时段平均流量与典型年（设计代表年）年平均流量、枯水时段平均流量比较见表22。表22石虎塘坝址设计时段平均流量与设计代表年时段平均流量比较表设计时段平均流量M3/S时段平均流量M3/S频率水利年102月111月设计代表年份水利年102月111月101670935802199219931640374380251380660570198219831330106095250112046139519901991113055953875883335287196619678773772909070527423519861987758246267平均1150533458平均1147523485石虎塘坝址19572005年共49年全系列平均值1150543464注本表枯水段平均流量采用月均流量的加权平均法求得。灌苑水流域面积558KM2，仅占石虎塘坝址集水面积（43770KM2）的127，故灌苑水出口断面的径流量占石虎塘坝址径流量的比重很小。灌苑水出口断面设计代表年日径流用于石虎塘航电枢纽工程运行方式方案比较时电能指标的计算，因此，其设计代表年须与石虎塘坝址相同，所以，也为19921993年、19821983年、19901991年、19661967年和19861987年。经分析，灌苑水出口断面设计代表年日径流依据林坑站实测日径流资料采用水文比拟法推求，水文比拟法中面积比指数N取1，各设计代表年年平均流量和枯水期102月平均流量成果见表23。表23灌苑水出口断面设计时段平均流量与设计代表年时段平均流量比较表林坑水文站设计时段平均流量M3/S灌苑水出口断面设计时段平均流量M3/S灌苑水出口断面设计代表年时段平均流量M3/S频率水利年102月水利年102月年份水利年102月1042322222311719929318724125346151183797198283190139502739661445101990911687837521464211333919666710647890172492908260198687111281平均286117151615平均152635林坑站全系列平均值288120灌苑水出口断面全系列平均值152633注全系列平均值依据19572005年共49年径流资料求得，枯水段平均流量采用月均流量的加权平均法求得。依据石虎塘坝址、灌苑水出口断面上述5个设计代表年日平均流量进行排频分析计算，并绘制石虎塘坝址和灌苑水出口断面日平均流量保证率曲线，成果见图21图23。石虎塘坝址日平均流量历时保证率曲线图（考虑万安水库96M调蓄）0204060801012014010203040506070809010保证率（）日平均流量（M3/S）图21石虎塘坝址日平均流量历时保证率曲线图灌苑水出口断面日平均流量历时保证率曲线图0501015020250303504045010203040506070809010保证率（）日平均流量（M3/S）图22灌苑水出口断面日平均流量历时保证率曲线图灌苑水出口断面日平均流量历时保证率曲线放大图050101502025010203040506070809010保证率（）日平均流量（M3/S）图23灌苑水出口断面日平均流量历时保证率曲线放大图2112暴雨洪水特性1暴雨特性赣江流域是江西省的多雨区之一，气候受季风影响，主要的降水时期为每年的49月，3月和10月也偶尔会发生暴雨。暴雨类型既有锋面雨，又有台风雨，其水气的主要来源是太平洋西部的南海和印度洋的孟加拉湾。一般每年从4月份开始，降水量逐渐增加；至5、6月份，西南暖湿气流与西北南下的冷空气持续交绥于长江流域中下游一带，冷暖空气强烈的辐合上升运动，形成大范围的暴雨区。赣江流域正处在这一大范围的锋面雨区中，此时期（56月），本流域降水量剧增，不仅降水时间长，而且降水强度也大。因此，锋面雨是赣江流域的主要暴雨类型。79月，本流域常受台风影响，此时期，既有锋面雨出现，也有台风雨产生。暴雨历时一般为45天，最长可达7天，最短的仅2天。锋面雨历时较长，台风雨历时较短。从暴雨出现的时间统计，绝大多数的暴雨出现在48月份，以5、6月份出现次数最多，此时期正值江南梅雨期，冷暖气团交绥于江淮流域，形成持续性梅雨天气。2洪水特性赣江为雨洪式河流，洪水由暴雨形成，因此，洪水季节与暴雨季节相一致。一般每年自4月份起，本流域开始出现洪水，但峰量不大；5、6月份为本流域出现洪水的主要季节，尤其是6月份，往往由大强度暴雨产生峰高量大的大量级洪水；79月由于受台风影响，也会出现短历时的中等洪水，3月和10月偶尔也会发生中等洪水。因此，本流域46月份洪水由锋面雨形成，往往峰高量大，79月份洪水一般由台风雨形成，洪水过程一般较尖瘦。一次洪水过程一般为710天；长的可达15天，如1964年和1968年洪水；最短的仅为5天，如1996年洪水和2002年秋汛洪水。峰型与降水历时、强度有关，多数呈单峰肥胖型，一次洪水总量主要集中在7天之内。据栋背水文站（位于赣江干流，控制面积40231KM2）19572010年共54年实测洪水资料统计，年最大洪峰流量出现在5月和6月份的频率分别为2592和3889，其它各月出现年最大洪峰流量的频次和频率详见表24及图24。栋背站实测年最大洪峰流量为15300M3/S，出现在1964年6月17日，年最大洪峰流量的历年最小值为2540M3/S，出现在1963年6月18日。据林坑水文站（位于赣江支流蜀水，控制面积994KM2）19572009年共53年实测洪水资料统计，年最大洪峰流量出现在5月和6月份的频率分别为2264和3962，其它各月出现年最大洪峰流量的频次和频率详见表24及图25。林坑站实测年最大洪峰流量为1480M3/S，出现在1977年5月29日，年最大洪峰流量的历年最小值为145M3/S，出现在2009年5月20日。表24栋背站、林坑站年最大洪峰流量各月出现频次和频率统计表站名项目三月四月五月六月七月八月九月十月十一月合计出现次数741421331154栋背出现频率12967412592388955655618518510000出现次数112216453153林坑出现频率18922643962113275594356618910000栋背站年最大洪峰流量散布图1957201年共54年资料0204060801012014016018012345678910112时间（月份）流量（M3/S）图24栋背站年最大洪峰流量散布图林坑站年最大洪峰流量散布图1957209年共53年资料0204060801012014016012345678910112时间（月份）流量（M3/S）图25林坑站年最大洪峰流量散布图2113洪水地区组成及库区干支流洪水遭遇情况赣江纵贯江西南北，流域面积大和纬度跨越大，流域内暴雨地区组成复杂，因此，洪水地区组成也较复杂。赣江流域洪水地区组成大致可分为三种类型第一种为中上游来水为主，下游相应，如1961年、1962年、1968年、1994年和1998年洪水；第二种为中上游相继发生大洪水，下游来水较小，如1959年、1964年和2002年洪水；第三种为洪水主要来源于中下游，上游来水较小，如1982年洪水。第一种是较为常见的洪水，第二种类型洪水发生机率较小，第三种类型洪水很少发生。由于赣江的纬度跨越大，石虎塘坝址上游的洪水与库区支流洪水相遭遇的机会较小。据石虎塘坝址上游赣江干流的栋背站和库区内支流上林坑站19572009年共53年实测洪水资料分析除1966年、1982年、2005年三年两站在同一天发生年最大洪峰流量，1980年两站发生年最大洪峰流量相隔时间为1天，1962年、1978年、1989年、2001年、2003年五年两站发生年最大洪峰流量相隔时间为2天外