（水利工程专业论文）水库预蓄预泄调度方式系统控制方法的研究与应用.pdf

摘要 本学位论文研究的核心内容是运用预蓄预泄调度方式系统控制理论，有计 划地对入库的天然径流进行蓄泄，在一定程度上减少洪水造成的损失，同时利用 现有水库工程在保证蓄水安全的前提下，最大限度地发挥其蓄水功能，发挥供水 作用，兴利除害，造福于民。 全文共分为十章。 第一章，预蓄预泄调度方式的基本概念，系统控制理论的一般概念及其应 用，本文的主要内容和研究方法。 第二章，水库汛期预蓄预泄调度方式系统控制可行性分析、必要性分析以 及基础条件分析。 第三章，降雨预报信息应用于水库预蓄预泄调度方式系统控制的可行性分 析。 第四章，洪水预报信息应用于预蓄预泄调度方式系统控制的可行性分析。 第五章，预蓄预泄调度方式系统控制边界条件求解。 第六章，水库预蓄预泄调度系统控制方法，包括离散系统控制模型的基本 结构，广义荷载与广义抗力概念的引用等。 第七章，水库汛期预蓄预泄调度方式系统控制的防洪效益分析。 第八章，水库预蓄预泄调度方式系统控制的灌溉效益分析。 第九章，其它效益分析。 第十章，结论。 关键词：水库调度系统控制 摘要 本学位论文研究的核心内容是运用预蓄预泄调度方式系统控制理论，有计 划地对入库的天然径流进行蓄泄，在一定程度上减少洪水造成的损失，同时利用 现有水库工程在保证蓄水安全的前提下，最大限度地发挥其蓄水功能，发挥供水 作用，兴利除害，造福于民。 全文共分为十章。 第一章，预蓄预泄调度方式的基本概念，系统控制理论的一般概念及其应 用，本文的主要内容和研究方法。 第二章，水库汛期预蓄预泄调度方式系统控制可行性分析、必要性分析以 及基础条件分析。 第三章，降雨预报信息应用于水库预蓄预泄调度方式系统控制的可行性分 析。 第四章，洪水预报信息应用于预蓄预泄调度方式系统控制的可行性分析。 第五章，预蓄预泄调度方式系统控制边界条件求解。 第六章，水库预蓄预泄调度系统控制方法，包括离散系统控制模型的基本 结构，广义荷载与广义抗力概念的引用等。 第七章，水库汛期预蓄预泄调度方式系统控制的防洪效益分析。 第八章，水库预蓄预泄调度方式系统控制的灌溉效益分析。 第九章，其它效益分析。 第十章，结论。 关键词：水库调度系统控制 ab s t r a c t t h ec o r eo ft h i sp a p e ri ss t u d yh o wt oc o n t r o lr e s e r v o i ri n f l o wd e s i g n e d l yb yu s i n g s y s t e mc o n t r o lt h e o r yo fp r e d i s c h a r g i n ga n dp r e i m p o u n d i n gf o rr e d u c i n gt h ed a m a g e c a u s e db yf l o o d i n gt h i sp a p e rh a sa l s or e s e a r c h e dh o w 十oe x e r t e dr e s e r v o i r 。sf u n c t i o no f m p o u n df o rs u p p l y i n gw a t e re f f e c t i v e l y t h ec o r eo ft h i sp a p e rh a sb e e ne x p a t i a t e db y1 0a s p e c t sa sb e l o w o t h eb a s i cc o n c e p t i o no fd i s p a t c h i n gm e t h o df o rp r e - d i s c h a r g i n ga n dp r e - i m p o u n d i n g t h eg e n e r a lc o n c e p t i o na n da p p l i c a t i o no fs y s t e mc o n t r o lt h e o r y ，a n dm a j o rr e s e a r c h m e t h o do ft h i sp a p e r a n a l y s i so ff e a s i b i l i t y ，i n e v i t a b i l i t y 。a n db a s i ct e r mt o r e s e r v o i r s d i s p a t c h i n g m e t h o db yu s i n gs y s t e mc o n t r o lt h e o r yo fp r e d i s c h a r g i n ga n dp r e - i m p o u n d i n gd u r i n gf l o o d s e a s o n a n a l y s i so ff e a s i b i l i t yi np r e d i c t i n gr a i n f a l li n f o r m a t i o nt or e s e r v o i r sd i s p a t c h i n g m e t h o db yu s i n gs y s t e mc o n t r o lt h e o r yo fp r e - d i s c h a r g i n ga n dp r e i m p o u n d i n g a n a l y s i so ff e a s i b i l i t yi np r e d i c t i n gf l o o di n f o r m a t i o nt o r e s e r v o i r4 sd i s p a t c h i n g m e t h o db yu s i n gs y s t e mc o n t r o lt h e o r yo fp r e - ，d i s c h a r g i n ga n dp r e i m p o u n d i n g n u m e r i c a le v a l u a t i o no fb o u n d a r yc o n d i t i o n1 0r e s e r v o i r sd i s p a t c h i n gm e t h o db y u s i n gs y s t e mc o n t r o lt h e o r yo fp r e - d i s c h a r g i n ga n dp r e - i m p o u n d i n g c o n t r o lm e t h o do fr e s e r v o i r s d i s p a t c h i n gb yu s i n gp r e d i s c h a r g i n g a n d p r e i m p o u n d i n g ，i n c l u d i n gb a s i cf r a m e w o r ko fs e p a r a t es y s t e mc o n t r o l l i n gm o d e l ，c i t i n gt h e c o n c e p t i o no fg e n e r a l i z e dl o a da n dg e n e r a l i z e dr e s i s t a n c e ，a n de t c a n a l y s i so ff l o o dc o n t r o lb e n e f i tt or e s e r v o i r sd i s p a t c h i n gm e t h o db yu s i n gs y s t e m 2 c o n t r o lt h e o r yo fp r e - d i s c h a r g i n ga n dp r e - i m p o u n d i n gd u r i n gf l o o ds e a s o n q a n a l y s i so fi r r i g a t i o nb e n e f i tt or e s e r v o i r sd i s p a t c h i n gm e t h o db yu s i n gs y s t e m c o n t r o lt h e o r yo f1 0 r e d i s c h a r g i n ga n dp r e i m p o u n d i n gd u r i n gf l o o ds e o s o n i a n a l y s i so fs u b s e q u e n tb e n e f i t c o n c l u s i o n k e yw o r d s ：r e s e r v o i r ，d i s p a t c h s y s t e m ，c o n t r o l 前言 辽宁省水资源的人均占有量少，特别是辽北地区，水量的供需矛盾更为突出。 如果水资源短缺的问题能得到一定程度的的解决，将促进地区的经济发展。同时， 该地区降雨径流在年内和年际的分配极不均匀，一旦发生洪水，往往柬势迅猛， 造成的损失巨大，合理的预蓄预泄调度方式可以有t 一划地对入库的天然径流进行 蓄泄，在一定程度上减少洪灾造成的损失。如何利用现有水库工程在保证蓄水安 全的前提下，最大限度地发挥其蓄水功能就成了一个亟待解决的课题。 本论文就是基于这一出发点，着力解决防洪安全与兴利蓄水之间的矛盾，一 改传统的预蓄水量计算方法和预蓄预泄调度方式，将系统控制理论应用于预蓄水 量计算和预蓄预泄调度方式制定，可在一定程度上弥补传统的预蓄水量计算方法 和预蓄预泄调度方式只对部分频率洪水有效，预泄率较大，蓄水的保证程度较低， 而且会给工程带来较大的安全隐患的不足。 本论文的主要内容包括：水库预蓄预泄调度方式的基本概念，系统控制理论 的基本原理；水库采用预蓄预泄调度方式系统控制的可行性分析；降雨预报、洪 水预报应用于水库实施预蓄预泄调度方式系统控制的可行性分析；预蓄预泄调度 方式系统控制的边界条件；柴河水库对水库预蓄预泄调度方式系统控制理论与方 法的应用研究，以及在防洪、灌溉、工业、城市生活用水、发电、养鱼、水土保 持等方面的效益分析对比。 进行水库预蓄预泄方法研究的目的是：依据水库承担的水利任务的主次及规 定的调度原则，在确保工程安全的前提下，充分运用水库的调蓄能力，尽量考虑 防洪与兴利的结合，合理地减小防洪库容，减少弃水，充分利用水利资源。 本文运用系统控制论中的离散系统模型、水库风险调度理论和水库优化调度 理论，去解决常规预蓄预泄调度方式只对部分频率洪水有效，预泄率大，蓄水保 证程度低，安全隐患大的问题。 本文的创新之处在于：首次将控制论中的离散系统模型应用于水库预蓄预泄 调度方式系统控制中，呵在。定程度卜增加蓄水保证程度，降低安令隐患。 以本文所提出的方法为理论依摒，2 0 0 4 年汛期，辽宁省柴河水库管理局采用 r 预蓄预泄系统控制调度方式，获得成功，并取得显著经济效益，获得辽宁省水 利厅的好评。 第一章绪论 摘要：作为论文的选题背景，本章简要介绍了预蓄预泄调度方式系统控制的基本概念， 系统控制理论的基本原理和及其在水利中的应用情况，并对其应用于预蓄预泄调度方式进行 了论证。 1 1 引言 东北地区降雨径流的年内和年际分配极不均匀，降雨径流主要集中在汛期， 特别是主汛期，水库蓄水主要来源丁这一时期的径流。同时，东北地区水资源紧 缺，辽宁的人均水资源占有量仅占全国人均水平的三分之一。为解决防洪安全与 兴利蓄水之间的矛盾，北方地区水库通常采用预蓄预泄调度方式。但是传统的预 蓄水量计算方法和预蓄预泄调度方式只对部分频率洪水有效，预泄率较大，蓄水 的保证程度较低，而且会给工程带来较大的安全隐患。本文将系统控制理论应用 于预蓄水量计算和预蓄预泄调度方式制定，可在一定程度上弥补这一不足。 1 2 预蓄预泄调度方式的基本概念 所谓预蓄预泄调度方式，是指在洪水期，利用短期降雨预报和短期洪水预报 在水库中预留超过汛限水位的水量，接到暴雨预报后再进行预泄，使下一次洪水 到来之前，预蓄水量按预泄方式全部泄出，水位降到规定的汛期限制水位或某一 可确保安全的水位。将系统控制理论应用于预蓄预泄调度方式，就是预蓄预泄调 度方式系统控制。 确定安全的预蓄水量和合理的预蓿预泄方式足预蓄预泄系统控制调度方式 的核心，两者的确定取决于短期天气预报精度及其预见期，短期洪水预报精度及 其预见期，水库泄流能力，洪水来| | f i j 之前入库流量，预泄量等诸多浏素。鉴于其 受多种确定和不确定因素的影响，本文拟采用含多个单元的离散系统控制模型来 确定预蓄水量和预蓄预泄方式。 河海大学工程硕 学位论文 1 3 系统控制理论的一般性概念及其应用 系统控制理论是“从不同侧面揭示对象之间相互联系、相互作用的内在运动 规律的科学”。它产生于1 9 世纪末，在2 0 世纪5 0 年代开始应用于水利。在解 决水利的实际问题时，系统控制理论可以提供许多方法，用来解决本文所提出问 题的方法是其中的离散系统控制模型。 1 4 离散系统控制模型的一般性概念及其在水利中的应 用 离散系统控制模型是一个完整的系统分析框架。它的产生源于对系统失事及 与失事有关的研究。此后，随着科技的发展，系统控制理论渗透到许多领域，并 开始应用于水利。这种应用一般是建立一种模型，以模拟和评价系统的可靠性以 及其它与失事有关的特征。 在2 0 世纪7 0 年代，离散系统模型开始应用于水利，主要是模拟水上建筑物 或供水设施的可靠性与风险。或提供一种系统分析框架，以确定与水库大坝、输 水道以及其它枢纽的事故和事故有关的准则。在应用之仞，系统离散模型所描述 的事故是严重的事故，如稀遇洪水、溃坝、决口等。2 0 世纪8 0 年代，系统离散 模型开始用于描述一般事故，所谓一般事故，就是该事故未必具有 二程结构意义 上的破坏性，可以是系统或系统中的某子系统或两者之一的某一环节未达到设 定标准或效益最佳的目标。描述一般事故离散模型的出现，为这理论在水利工 程管理中应用奠定了基础。 1 5 离散系统控制模型应用于水库预蓄预泄调度方式的 论证 常规的汛期预蓄水量计算和顶蓄预泄方式确定存在以f 局限： 1 用数理统计方法确定的洪水分期分布规律，只是历史洪水的的般统计 规律，并未体现其特殊规律。更主要的，历史洪水的统计规律并不能有效地代表 末来洪水的统计规律。 2 洪水状况取决于气象因素，而后者的变化非常复杂，降雨天气系统的出 河海大学工程硕士学位论文 1 7 本文的主要内容和研究方法 本文针对目前北方水库蓄水存在的问题，从防洪安全与合理利用洪水资源两 个基本目标出发，提出了水库预蓄预泄调度方式系统控制的理论与方法，并对其 进行了全面、细致的效益分析。 本文主要包括以f ) l 方面主要内容： 1 进行水库实施汛期预蓄预泄调度方式系统控制的可行性分析。 2 进行洪水预报和短期降雨预报应用于预蓄预泄调度方式系统控制的可行 性分析。 3 求解预蓄水量系统控制的边界条件。依据水库工程安全的要求采用不同 方法确定汛期预蓄水量的匕、下限。 d 进行水库预蓄预泄调度方式系统控制研究，采用系统控制论方法确定预 蓄水量值及合理的预蓄预泄模式。 5 对预蓄预泄调度模式系统控制进行全面效益分析，并将其作为水库是否 实施该方式的主要标准。 4 水库汛期预蓄预泄调度方式系统控制可行性分析 第二章水库汛期预蓄预泄调度方式 系统控制可行性分析 摘要：本章首先对水库实施汛期预蓄预泄调度系统控制的必要性进行分析，然后分析水 库是否具备运用这一系统的基本条件。 2 i 水库实施汛期预蓄预泄调度系统控制必要性分析 1 水资源供需情况分析 进行汛期预蓄预泄调度系统控制的目的就是为了增加兴利蓄水，以缓解水资 源紧张状况。如果水库流域内无洪水资源可利用，或水库供水区域内不存在水资 源紧张状况，就没有必要进行这研究。因此，本文首先对水库控制流域内可利 用洪水资源和水量需求状况进行调查、分析。 2 水库工程情况分析 水利是国民经济i i i i 去! i i i 产业，水库又是这一产业的主体，它在防洪、灌溉 中具有无呵替代的作用，一旦发生溃坝、决口等事件损失的不仅是工程本身的价 值，还直接威胁到下游人民生命财产的安全，l ! l 止k ，水库工程的安全是头等大事。 预蓄凋度系统控制增蓄水量的目标，决定了其势必给 程的安全带来一定风险。 因此在进行研究z i i - ，必须对水库工程的运行状况进行分析。 工程运行状况的分析方法有很多种。本文除采用常规分析方法，还引进了 风险分析方法改进的一次二阶矩法，该法可提供水库运行风险的定量值。 3 控运方式分析 控制运用方式分析，包括以下两点： 产生影响；如产：生影响是否存在不利的后果 于联调的水库是甭产生影响。 4 洪水可利用量分析 是增菁的水量是否对水库控运方式 这种不利的后果能否克服；二是划 分析洪水可利用量，以确定有无可供利用的洪水资源，如无洪水资源可利 用，则无必要进行此项研究。分析采用统计方法，理论频率采用皮尔逊一i i i 曲线 配线采用目估适线法。 5 河海大学工程硕士学位论文 2 2水库实施汛期预蓄预泄调度方式系统控制的基础条 件分析 水库若实施汛期预蓄预泄调度系统控制，必须具备以下条件： 1 、可及时地获取可靠性高的气象信息。 2 、雨情自动测报系统运行稳定，能及时提供精确的雨情信息。 3 、水库洪水预报系统精度高。 因此，拟实旌汛期预蓄预泄调度系统控制的水库，必须对上述3 项条件进行 分析。分析方法如下： 1 气象信息的可靠性采用确率指标计算。 2 雨情自动测报系统的运行精度采用下面公式计算： 绝对误差6 = 预报值一实测值 相对误差e = ( 预报值实测值) 实测值 相对精度g = l e 3 水库洪水预报系统的精度根据预报规范进行。 2 3算例 下面以辽宁省柴河水库为例，具体说明水库实施汛期预蓄预泄调度系统控制 必要性和基础条件分析方法。 1 柴河流域概况 表2 一l柴河流域( 坝址以_ 二) 自然地理及水文特征值表 f项目单位 数值 1 降 全流域均值毫米 7 9 6 坝址以l 均值毫米 7 9 6 水 流域m 1 均年虽大值毫米 1 0 7 l ( 19 6 4 年) 流域半均年最小值毫米5 2 0 8 ( i9 5 8 年) 量 7 、8 月份占全年比重 4 8 年最大l 小时均值毫米3 9 年最大6 小时均值毫米 l l ( ) ( 19 9 5 年7 月) 年最大2 4 小时均值毫米 2 1 6 ( 1 9 9 5 年7 月) 水库汛期预蓄预泄调度方式系统控制可行性分析 年最大3 曰均值毫米2 5 7 6 ( 1 9 9 5 年7 月) 坝址以上多年平均值亿立方米3 4 6 灌溉期多年平均值亿立方米 2 5 9 径多年平均径流深毫米2 5 5 3 多年平均流量立贵、米砂1 1 o 流 年径流系数 o 3 2 l 量 变差系数 0 5 6 建库后最大径流量 亿立方米 7 1 l ( 】9 9 5 年) l 建库后最小径流量亿立方米0 9 2 9 ( 1 9 8 2 年) 2 柴河水库概况 柴河水库是一座以防洪灌溉为主，结合养鱼、发电及工业城 了用水的大型 水利枢纽工程，总库容6 3 6 亿立方米，坝高4 2 3 米，控制面积i 3 5 5 平方公里。 下游1 2 公里处有铁岭市、长大铁路、沈哈高速公路，影响2 0 余万人口，5 0 余 万卣耕地。 柴河水库工程特性及水文特性见表22 表22 柴河水库工程特性一览表 项目单位 数值 集雨面积 平方公里 】3 5 5 坝长米9 8 2 坝高米4 2 3 溢洪道闸门孔数 孔 4 溢洪道最大泄量 立方米秒 2 9 5 0 输水道最大泄量 立方米秒 3 0 4 设计重现期 年 1 0 0 设计洪峰流量 立方米秒 3 4 8 0 设计洪水总量 万立方米 3 2 5 0 0 校核重现期 毫米p 忡三同面雨量6 5 0 校核洪峰流量过再羝f 转1 0 0 0 0 校核洪水总量 万立方米 8 1 5 0 0 调节性能 多年调节 7 河海大学丁程硕士学位论文 调节水量 万立方米 2 8 8 0 0 调节系数 o 9 多年库容系数 o 5 4 校核洪水位 米 1 1 6 8 0 校核洪水位相应库容如立b 羝 6 3 5 5 0 设计洪水位 米1 1 2 o 设计洪水位相应库容万立方米 4 6 0 0 0 正常蓄水位米 1 0 8 0 0 相应库容 万立方米 3 5 2 0 0 汛限水位 米1 0 5 2 汛限水位相应库容h 过b 羝 2 8 3 8 0 调洪库容万立方米 3 5 1 7 ( ) 防洪高水位米 i l ( ) 5 3 防洪库容 万立方米 1 3 4 0 4 共用库容万立方米6 8 2 0 多年调节库容 万立方米 1 8 4 0 0 死水位米 8 4 0 0 死库容 万立方米 1 6 3 0 淹没标准 年一遇2 0 淹没水位米1 0 8 5 下游防洪标准( 铁岭)年一遇 2 0 大坝安全超高 米o 5 错峰水位 米 10 8 o o 1 1 0 5 0 历史最高蓄水位米 1 0 9 2 8 历史最高洪水位米 1 1 2 1 0 农、用水量设计保证率 7 5 水| _ f _ i 综合灌溉定额立力米 8 0 0 设计灌溉面积 力亩 4 0 8 水库汛期预蓄预泄调度方式系统控制可行性分析 实际灌溉面积 万亩 4 0 工业周水量保证率 9 5 城市居民用水量保证率 9 7 3 铁岭地区工、农业用水状况 柴河水库设计灌溉面积4 0 万亩，设汁保证率为7 5 。虽己达到设计标准， 但仍存在设计保证率偏低的问题。近年来，随着国民经济的发展，铁岭市的工业、 城市生活用水不断增加，铁岭发电厂、市自来水公司、铁法矿务局计划总需水量 为0 9 8 5 亿立方米，而且，还有不断增加的趋势。自1 9 9 7 年以来，柴河流域进 入枯水期，水库持续低水位运行，农业供水受到很大制约，无法达到没计标准。 故按原控运方式无法完成上述供水任务。 由柴河水库的基本情况可以看出，柴河流域存在严重的缺水问题，需水量远 大于可供水量，柴河水库有必要进行增加蓄水能力的研究，根据近期和未来发展 的需求情况分析，水库增蓄的水量可1 0 0 供出。增蓄水量可以采取工程和非工 程措施，本文进行的研究是非工程措施的一种。 4 柴河水库现行汛期水位控制及泄流方式存在的主要问题 柴河水库汛期水位控制及泄流方式存在的主要问题有以下四个方面： ( 1 ) 柴河水库j i ：常蓄水位1 0 8 0 0 米，汛期水位分三段控制，其中7 月2 0 日8 月2 0 同控制水位为1 0 4 0 0 米；8 月2 1 日8 月3 l 同控制水位为1 0 6k i ； 9 月1f j 9 月1 0 同为1 0 7 米。洪水发生规律见表23 ： 表2 - 3大丁二2 0 0 立方米秒洪峰分配规律及汛限水位 f 时段 7 2 l 8 2 08 2 l 8 3 l9 0 9 1 09 l l 9 2 0其它州问 出现次数 2 7711 o i 频率( ) 7 51 93 3 0 南表3 可以看出，柴河流域洪水径流主要集中在汛期，特别是主汛期( 7 月 2 1 日一8 月2 0r _ | ) ，而水库又要严格执行汛期限制水位，致使些年份，形成“汛 期弃水，汛后又无水可蓄”的局面，造成洪水资源很大的浪费。 9 河海大学_ 程硕十学位论文 ( 2 ) 现行的泄流方式不考虑洪水预报或降雨预报。因此在实时水库洪水调 度中，无论目前水情、雨情及预报的水情雨情如何，只要库水位超过汛限水位便 弃水，没有充分利用已建立的气象云图分析系统、水雨情遥测、洪水预报调度系 统灵活控制汛限水位。 ( 3 ) 柴河水库现行汛期划分基于统计学原理，应用的是水库建库以前的雨 洪资料。截止到2 0 0 2 年，水库雨洪资料已延长3 0 年，且由于水库的建成，流域 的径流彤态发生了较大改变。资料系列的延长与改变对水库不同时期的蓄水位有 较大的影响，凶此应将这种改变考虑到水库汛期预蓄水量的确定中，特别是后汛 期预蓄水量的确定中。 ( 4 ) 原分期汛限水位缺乏风险与效益分析。 基于以上问题，柴河水库埘汛限水位进行动态控制研究，改变传统的汛限 水位控制方法，提出可操作性强的汛限水位动态控制方案。该研究对于提高柴河 水库供水能力、缓解铁岭市供水紧张局面具有重大的意义。 5 洪水资源可利用量分析 洪水资源可利用量分析是汛限水位动态控制研究的前提，对其分析采用大连 理工大学提出的“可利用的弃水期调度模拟法”。 洪水资源可利用量主要源于两个方面： ( 1 )多年调节水库的年际洪水资源可利用量。 经对5 0 年连续径流资料利1 8 年非连续径流系列的分析发现，柴河水库流 域具有明显的水文变化周期一连丰连枯规律，连续丰水段上一年多蓄的水量， 如在第：年汛日可库水位超过汛限水位，无论有无供水需要都需弃掉，直到库水位 降至汛限水位。只有存丰水年后即遇到枯水年，多蓄的水量才能发挥作用。 闪此，在进行洪水资镢可利1 l | 量分析时，首先应依据第年无弃水的年份弃水期资制， 以水库i f 常莆水位1 0 8 0 0m 为约束，进行调g i 模拟计算，求出本年弃水可利h j 餐。然 后州多年资料分析出弃水可利用量频率曲线，最后根据设计供水保证率商求相应的弃水 叫利川量。 经对历史资料的统计分析，柴河水库的水文周期在9 1 1 年之间，取其均值 为l0 年。柴河水库有实测资料且连续的资料系列长度为i o 年，在这5 0 年内有 5 个连十连枯周期，且考虑水库农业供水设计供水保证率为7 5 ， ：业供水的设 计保证率为9 5 ，城市生活供水的保证率为9 7 ，故席用最枯连续( 1 9 9 52 0 0 2 年) 水库汛期预蓄预泄调度方式系统控制可行性分析 时段分析。 调洪和频率计算的结果表明，相应于7 5 的农业设计供水保证率，9 5 的工 、世供水设计保证率，9 7 的城市生活供水的保证率，弃水可利用量为2 0 1 0 万立方 米。 ( 2 ) 水库的年内洪水资源可利用量。 按现行的汛期预蓄水量控制方法，汛期发生较大洪水，库水位超过汛期预蓄 水量时，无论后期有无洪水发生，超蓄的部分都要弃掉。在东北地区，降雨径流 的集中程度很高，主要集中在汛期，特别是主汛期。一般流域使水库蓄水的洪水 只是一场频率小的洪水和一场频率较小的洪水，或是连续几场频率较大的洪水。 水库连续两次发生小频率洪水的概率小于4 。柴河流域每年进入汛期之初，汛 后直至来年6 月，水库的降雨和径流量骤减，而来年4 6 月水库“f 游稻田泡插， 每年皆因水库蓄水量不足无法足额供给农业灌溉用水，6 0 的情况下只能保证5 0 的农灌用水。水库汛期预蓄水量的动态控制方法就是要将暴雨径流集中时节水库 超蓄的水量，在保证水库工程安全和水库上游最高回水位不超过淹没标准的前提 下，留蓄在水库，以备工业城市居民用水，特别是次年春季的农、世供水之用。 6 。基础条件分析方法、资料和标准 从前面的分析结果可以看出，柴河水库既有可利用的洪水资源，供水区域内 又有需水要求。实现洪水资源优化利用这一目标的关键是洪水预报及降雨预报的 精度。所以，柴河水库的洪水预报的预见期和精度，雨情自动传输系统的运行精 度，气象台站短期降雨预报精度是实施预蓄调度系统控制方案的基础条件。 ( 1 ) 洪水预报及降雨预报精度分析方法 采用柴河水库建库后洪峰大于2 0 0 m 3 s 的降雨径流资料，依据“水文情报预 报规范一s 1 2 5 0 一2 0 0 0 ”分析洪水预报方案精度。 应用气象部门传统的确率指标评价清原县和铁岭i h 两气象台未来2 4 h 、来柬 4 8 h 、未来7 2 h 预报精度。 ( 2 ) 确定汛限水位极限允许范围采用的资料和方法 柴河流域气象资料，水库主体l j 程特征数据，设计洪水参数及过程，水位、 库容及泄量关系曲线，历史洪水资料，水席上下游淹没损失资判。 依据上述资料，分别采用预泄能力约束法、最高水位防渗体富余高程约束法、 河海大学 程硕j 学位论文 考虑年内洪水统计特征变化规律的汛期极限允许起凋水位约束法和满足供水量 及保证率约束方法分别推求极限允许动态控制汛限水位值。 然后应用上下包线法确定汛限水位极限允许动态控制范嗣。 ( 3 ) 预蓄调度动态控制方法 柴河水库预蓄调度系统控制研究，主要应用文献1 中提剑的通用离散系统模 型和大连理工大学提出的“汛期水位动态控制方法”，结合水库实时调度经验， 建立适合于柴河水库的实时系统控制预蓄调度方式。 ( 4 ) 汛限水位动态控制的效益和风险分析 防洪效益分析采用以下4 种方法：历史资料对比法；发生年法：洪灾损失频 率曲线法；实际年系列法。 灌溉效益分析采用以下两种方法：灌溉效益分摊系数法；发生年法。 7 分析结论 柴河水库更新了水两情遥测、洪水预报调度自动化系统，初步分析，柴河水 库洪峰流量的预报精度达到8 6 ，基本达到甲级水平；洪量的预报精度达到9 0 ， 达到甲级水平；峰现时间的预报精度达到9 2 ，达到甲级水平。根据对铁岭市和 清原县未来2 4 h 4 81 1 天气预报的分析结果，无雨量级的漏报率为1 9 2 ，小雨 量级预报的漏报率为1 7 2 ，中雨量级预报的漏报率是g 4 ，大雨量级预报的漏 报率是5 4 ，降村漏报率平均为4 7 。灾害性、区域性的大暴雨( l o o m m ) 漏 报率趋于零，均达到町利用程度。 2 4 小结 由前面的分析可以看出，只有那些水资源供需矛盾突出，且径流的年际和年 内分配不均匀程度大的地区才适宜，咆有必要进行预蓄预泄系统控制研究。换言 之，必须有水可蔷，n 增蒂的水量，必须在有经济效益的前提下完令供出。 l2 降雨预报信息应用于水库预蓄预泄调度方式系统控制的可行性分析 第三章降雨预报信息应用于水库预蓄预泄 调度方式系统控制的可行性分析 摘要：本章研究降雨预报信息应用于水库预蓄预泄调度系统控制的可行性分析。 3 1 问题的提出 预蓄预泄调度方式的具体实施方法是：根据洪水预报方案，在汛限水位以卜 再增加一部分共用库容，接到暴雨预报后，立即预泄，使库水位降低到预蓄以前 的水平。预蓄预泄调度方式系统控制就是用系统控制理论中的方法约束上述过程 中的各环节安排和数据计算。叮见，暴雨预报在预蕾预泄调度中至关重要。因此， 本章进行降雨预报信息应用于其中的可行性分析。 3 2 降雨预报信息的精度分析 1 分析内容 按照表3 1 降雨等级表，选用统计学的方法，分析铁岭市气象台未来2 4 小 时不同等级降雨预报的确率、漏报率、卒报率。从防洪安全角度m 发，还重点分 析某一量级降雨预报条件下实际发牛降雨量的概率分布规律。 表3 1降水等级表 2 分析方法 不同等级降雨量预报确率的计算公式为： 口= ( 用) l o o ( 3 1 ) 式中m 为发布预报次数，月为实际值落于预报等级区域内的次数。 不同等级降雨量漏报率的计算公式为： 口2 ( ，7 7 ) 1 0 0 ( 32 ) 式中所为发布预报次数，是发和预报。i ，漏报( 实际降雨人于等级域侦日，即 尸， ，) ，) 的次数。 11 降雨预报信息应用于水库预蕾预泄调度方式系统控制的可行性分析 为使预蓄水量系统控制建立在安全可靠的基础上，即能够回答“接到不司量 级降雨预报信息”是否加大泄量问题，还需要进一步分析某一量级降雨预报条件 下实际可能发生各级降雨量的概率分布规律，给决策者提供“外延”信息。 2 分析方法 某一量级降雨预报条件下实际发生降雨量的概率分布规律，采用频率分析法 计算。其统计参数计算公式为： ；：上争x 鲁 ( 正一1 ) 3 n z 2 ) 2 气万_ ( ) ( ”一2 ) 2 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 蔚一1 ) 3 上l 一( 3 6 ) 0 3 ) g 3 式中x 对应某级预报的实际降雨值；n 样本容量；x 期望值 岛x ，x 模比系数；c 。偏差系数；c ，偏态系数。 3 计算实例 应用式( 3 4 ) 与式( 3 5 ) 计算统计参数与g ；由于样本容量较小，应用式 一6 ) 计算的c 均方误较大( 如容量1 0 0 ，为1 ，则均方误相对误差达4 2 ) ， 故所以用适线法定c 值，计算与适线法确定的参数列入表3 3 。 表33无雨、小雨、中雨、大雨预报的实际降雨分布参数 4 统计参数规律分析 由表3j 1 1 j 看出： 匝 ，iy 7 他 5 2 m 互 均 0 旧 l 互 明 勰 叭 民 加 z g ，龇 河海人学r 程硕十学位论文 ( 1 ) 变差系数e 随预报的量级值增大而减少。 ( 2 ) 除无雨量级外，三个量级的实际降雨期望值接近每一量级域值的中值， 接近上限的6 0 7 0 ，说明预报水平较稳定： ( 3 ) 因为本表分析依据的样本容量与表33 、表3 4 中发布预报次数的差是 “实际无降雨”的天数，计算是“实际有雨”分布参数，所以需作校正。校正的 方法是：适线定参数时经验频率采用计算式： p = n ，n 。 ( 3 7j 式中为发布预报次：川为实际有雨的天数 5 可能发生降雨值的概率分布 基于表3 3 e ，e 适线确定的参数计算未来2 4 h 可能发生降雨值的概率分 布列入表3 4 。 表3 4 大雨以下量级预报未来2 4 h 可能发生的降雨值x ，崩概率分布 量级尸( ) ( m m ) o 0 1o 10 2o 51251 02 05 0 7 59 5 02 41 51 51 197b321oo o 11 08 66 65 24 33 42 81 81 41 3542 l o 1 2 51 8 i1 4 l1 2 71 0 68 77 65 74 22 7974 2 5 5 01 8 71 5 01 4 21 2 31 1 69 47 76 34 92 8178 6 概率分布可利用的信息 上面的计算结果可为决策者动态控制汛限水位提供如下信息： ( 1 ) 若气象台预报“晴”，则流域实际无雨的概率约6 0 ，发7 e 小雨的概率约 为1 8 ，发生中雨的概率约为o 2 ，发生大雨的概率约为o 0 7 ： ( 2 ) 如预报“小雨”，则流域发生中雨的概率约1 6 ；发生大阿的概率约为 2 ，发生暴雨的概率约为( ) 2 ，发生大暴雨的概率约 0 叭； ( 3 ) 如预报“中雨”，则流域发生中雨的概率约6 5 ，发生大柯的概率约1 5 ， 发生暴雨的概率约为7 ；发生大暴雨的概率约为o 4 ； ( 4 ) 如预报“大雨”，! l | i j 流域发生r p 雨的概率约d 0 ，发生大椭的概率约5 ( ) ， 发生暴阳的概率约为j ( ) ，发生大暴阿的概率约为0 5 ； 河海大学【：稃硕士学位论文 3 5 算例 下面以柴河水库1 9 9 4 年资料为例，对降雨预报信息应用于预蓄预泄调度方 式系统控制可行性分析方法进行具体说明。见表3 5 、3 6 。 通过上面的分析计算可得出以下结沦： ( 1 ) 在接到“无雨预报”信息后，可不泄流，保持库水位在理想动态控制值： 7 月2 0f 一8 月2 0 日为1 ( ) 4 米，8 月2 lr 8 月3 1 日为1 0 7 米，9 月l 同9 月1 0 日为1 0 8 米，仪有0 ，2 的概率需适当泄流5 5 0 m 3 s 控制。 ( 2 ) 在接到“小雨预报”信息后，不泄流而将库水位控制在以下理想范围内 的可靠率为9 9 8 ：7 月2 0 日一8 月2 0 日为1 0 4 米，8 月2 1 日8 月3 lr i 为1 0 7 米，9 月1 日9 月l o | = _ l 为1 0 8 米，仅有o 2 的概率需要加开溢洪道半天，泄 量在5 0 2 1 0 3 0 m 3 s 左右，小于下游安全泄量，满足防洪要求。 ( 3 ) 接到“中雨预报”信息后，仍保持库水位存理想动态控制水位值 1 0 4 1 0 4 j 范围，将有9 9 的安全保障：接到“大雨预报”信息后，仍保持库水 位在理想动态控制水位值1 0 4 一1 0 4 5 米范围，将有9 8 的安全保障。 ( 4 ) 如果调度决策者接到“暴雨或大暴雨预报”信息后，要等降雨丌始时再 动作，在满足下游安全泄量要求前提下加大泄流，降低面临时刻库水位；另外， 根据水库设计时所留有的余地，可抗御的降雨量达到2 6 0 毫米，只要面临时刻库 水位在极限允许动态控制范围内，也可不降f 【乇面临时刻库水位。 因此，在柴河水库，降雨预报信息可以应用于预蓄预泄调度系统控制。 3 6 小结 通过上面的分析町得出以下结论：精度可靠的短期降雨预报是水库实施预 蓄预泄调度系统控制的关键条件。在实际应用时，不仅要分析其本身精度，还要 将其氓差与水库抗洪能力结合起来共同分析。只有短期降雨预报精度符合要求， 且其误差折合的水量小于水库抗洪能力，降雨预报才，j 应用。 裂o e 卜苗盘 霜 圈 降食 进圭3怅 乓琵 堂 点n辖 吕 一 昭蚤 寻 叫 掣 器 2 妪 k 墓墼 霹 h 螺最- 平t ? 善高 * 爆妪 掣删 长状赵 赢撒 ( o 世白 耄吾蚕委 o 嫂球蜒 寺 苗吾辍 n 3 景 囊蓉塑 霪蒸霎 啦唰 蓬套譬 辖*2 霹，o n 譬量面 娶装 4 嚣零萋 = 甚 蜮詈 篓羹 去瘩 基建 求投 僻纂求兽谣s磊鞘螺峨懈恹：；粤妻嚼怖暖莨制蹬齄聪窿 仪智晕粘书妻一粹长建庭 洪水预报信息应用于水库预蓄预泄调度方式系统控制的可行性分析 第四章洪水预报信息应用于水库预蓄预泄 调度方式系统控制的可行性分析 摘要：本章进行洪水预报信息应用于预蓄预泄调度方式系统控制的可行性分析 4 1 洪水预报方案的选取原则 洪水预报方案是实现水库预蓄预泄调度方式系统控制最重要的因素。对于 拟实施汛期限制水位系统控制的水库，其作业预报使用的洪水预报方案应具备 以下基本条件： 1 在作业预报资料条件下，洪水总量( 净雨) 、洪峰流量、峰现时间的预 报精度都比较可靠。 在这里，特别强调作业预报资料条件f 方案要有可靠的精度保汪，即所谓 的实时洪水预报精度可靠。许多方案在建模阶段效果特别好，一旦用于实时洪 水预报，根本达不到率定阶段的精度，在预蓄预泄调度方式系统控制条件下， 这样的预报方案最易带来风险。所以，检验预报方案是否可用于上述目的，一 是要求洪水预报方案要经过较眨一段时间的作业预报检验；二是检验的精度要 采用实时预报的精度。 2 模型结构在反应洪水宏观规律的基础上，最大限度的简洁明了。 在柴河水库多年的实时洪水预报中，应用了许多模型，多年的作业预报经 验是：参数众多的精细模型，预报精度不仅达不到建模时的精度，甚至达不到 乙级方案标准。原因就在于这些模型过分精确地描述了历史洪水。历史洪水可 以在一定程度上反应未来洪水的宏观规律，但术来洪水不是历史洪水的再现。 流域径流形态及组成随着大。i 环流条件的改变，降雨条件的改变，流域下垫面 条件的改变不断发生变化。对历史洪水过于精细的模拟模型，将其用于对未来 洪水的预报，实际就是用历史洪水代替未来洪水，只不过改变其中的一个输入 条件降雨。鉴于上述原冈，选用的洪水预报模，型参数不要过于众多，过于 精细。在比较可靠地反应洪水的基本宏观规律的基础上，愈简洁愈好。 3 便于经验校正。 洪水预报信息应用_ 丁水库预蓄预泄调度方式系统控制的可行性分析 4 4 算例 下面以柴河水库为例，对洪水预报方案应用于系统控制的可行性研究方法做 具体说明。 1 、柴河水库洪水预报模型的组成 模型由两部分组成，产流模型选用了蓄满产流模型，蓄水容量曲线采用辽 宁指数曲线，蒸发量计算采用辽宁省水文总站提出的半湿润地区双层计算模型。 汇流模型采用时段单位线，在实时预报中根据降雨空间分布。 产流模型将下垫面分为上、下两层。上层土壤中的张力水蓄量与植物截流、 填洼储存合称上层土壤含水量只上，其极值为表层蓄水容量，。r ；下层土壤中的 张力水蓄量称为下层蓄水量只t ，其极值为下层蓄水容量，；流域上、下层蓄水 容量之和称流域包气带蓄水容量。产、汇流模型参数调试过程中主要涉及到 以下几个参数： 只l 、只t 、e ，、，。上、j l ：汀、厶，、e 、足。 各参数的含义如下： l “上层土壤蓄水容量； ，下层土壤蓄水容量； ，流域包气带蓄水容量； e 流域雨期蒸发 e 。，流域蒸发能力： 足系数： i m p ：不透水面积占全流域面积之比 f c ：稳定入渗率 k k f ；：地下径流的消退系数 k l ：降雨空间分布对汇流的影响系数 k 2 ：降闲时间分布对汇流的影响系数 k 3 ：不i 刊径流纽成对汀：流的影响系数 2 5 河海大学 程硕士学位论文 2 、洪水预报模型参数的求解 预报模型的初始值采用实测值或经验值，然后选一有代表性时期内连续资料 计算，求出计算结果与实测结果的误差，以误差最小为目标函数，进行优化计算。 1 9 8 6 年曾用1 9 7 4 年1 9 8 5 年建库运行初的1 2 年资料凋试过产汇流参数。至今 又积累1 6 年资料，因此有必要选用1 9 8 6 2 0 0 2 年的洪水资料对参数再次优选。 鉴丁柴河水库流域汛期分期统计规律选用2 0 0 m 3 s 指标；往往大于此标准洪水时 有系统控制汛限水位的要求，所以这次选用洪峰大于2 0 0 m 3 i s 的4 0 场洪水调试 参数。 预报模型参数的优选分别采用0 6 1 8 优选法、模糊优选法和牛顿迭代法。 本次优选将原优选参数作为初始值，产流参数以合格率最高为目标，汇流参数 以峰值与峰现时间合格率最高为目标，以人机交互方式进行调试。 3