（水力学及河流动力学专业论文）漳泽水库库群防洪实时优化调度研究.pdf

a 1 8 2 0 7 太原理工大学硕士学位论文 漳泽水库库群防洪实时优化调度研究 摘要 本文针对山西省长治市漳泽水库库群的流域特点、工程特性，采 用系统分析方法，提出了漳泽水库库群防洪实时优化调度数学模型， 建立了库群洪水调度动用的总调洪库容加权总和最小的目标函数，并 采用马斯京根分段连续洪水演进法建立了串联和并联水库的耦合约束 条件，给出基于此模型的逐步优化( p o a ) 算法，有效解决了一般动态 规划算法中的“维数灾”问题，提高了计算速度。 为了对水情信息进行实时预报、传递和处理，对面临时段洪水作 出调度决策，本文提出用改进的前向卷动决策方法实现库群的实时优 化调度，采取在利用新的洪水预报信息进行新一轮决策时，以水库实 时蓄水状态为控制，对预报洪水洪量作处理，使面临时段的初始状态 以实际情况充分体现在决策过程中，提高了计算精度。 此外，本文选用先进的计算机编程语言v i s u a lb a s i c6 0 ，开发 了基于w i n d o w s 的实用性较强的漳泽水库库群洪水调度软件。 采用该模型对漳泽水库库群百年一遇洪水调度进行了实例计算和 分析，结论认为经过库群联合调度，适当提高漳泽水库的汛限水位， 提高漳泽水库的水量利用水平是可行的，同时也证明该模型是科学、 合理和可靠的，可供其他水库参考或应用。 关键词：水库群，防洪调度，实时调度，动态规划 逐步最优化 太原理工大学硕士学位论文 s t u d y o nr e a l t i m eo p t i m a l f l o o d d i s p a t c h i n g m o d e lo f z h a n g z em u l t i r e s e r v o i r s y s t e m a b s t r a c t b a s e do nt h eb a s i na n de n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fz h a n g z e m u l t i r e s e r v o i ri n c h a n g z h i ，s h a n x i ，t h i s p a p e rp r e s e n t s ar e a l - t i m e o p t i m a lf l o o dd i s p a t c h i n g m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h i ss y s t e mb yu s i n g s y s t e m sa n a l y s i sm e t h o d s t h em a t h e m a t i c a lm o d e li s c o n s i d e r e dt h e m i n i m u mt o t a lf l o o ds t o r a g ea so b j e c t i v eo n e i ta l s og i v e st h ec o u p l e d c o n s t r a i n tc o n d i t i o n sf o rp a r a l l e l - s e r i a lr e s e r v o i r sb yu s i n gt h em u s k i n g u m f l o o d r o u t i n g m e t h o d t h es o l u t i o no ft h em o d e l i sr e a c h e d b y p r o g r e s s i v eo p t i m a l i t ya l g o r i t h m ( p o a ) w h i c h c a ne f f e c t i v e l yo v e r c o m e t h ed i m e n s i o n a l i t yo b s t r u c t i o nw h i c hi sd i f f i c u l tt ot h et r a d i t i o n a ld y n a m i c p r o g r a m m i n g s oa st oi m p r o v et h ev e l o c i t yo f c a l c u l a t i o n i no r d e rt of o r e c a s t r e a l t i m e l y , t r a n s m i t a n dt r e a tt h ec u r r e n t h y d r o l o g i cd a t a ，t h i sp a p e rp r e s e n t s t h ea d v a n c e dm e t h o df o rr o l l i n g d e c i s i o n m a k i n g t or e a l i z et h er e a l t i m ef l o o d d i s p a t c h i n g f o rt h e m u l t i r e s e r v o i rs y s t e m b yt h i sm e t h o d ，f l o o dd i s p a t c h i n gd e c i s i o nf o rt h e c u r r e n ts t a g ec a r lb em a d e ，w h i c hm a k e st h ei n i t i a ls t a t eo fr e s e r v o i r sf o r t h ec u r r e n ts t a g ee m b o d yf u l l yi nt h ep r o c e s so ff l o o dd i s p a t c h i n gd e c i s i o n m a k i n g s oa st oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f c a l c u l a t i o n i n a d d i t i o n ，f u l l f u n c t i o na n d g o o du t i l i t y s o f t w a r eo ff l o o d d i s p a t c h i n g f o r z h a n g z e m u l t i r e s e r v o i rw e r e d e v e l o p e d i na d v a n c e d c o m p u t e rp r o g r a m m i n gl a n g u a g eb a s e d o nt h ew i n d o w sxi nt h i sp a p e r f i n a l l y , t h ee x a m p l eo ft h et y p i c a lf l o o dd i s p a t c h i n gc a l c u l a t i o nf o r 2 - 太原理工大学硕士学位论文 z h a n g z e m u l t i - r e s e r v o i r s y s t e ma p p l y i n g t h er e a l - t i m e o p t i m a l m a t h e m a t i c a lm o d e li sg i v e ai nt h i sp a p e r t h er e s u l t sp r o v et h ep o s s i b i l i t y a n d f e a s i b i l i t yt h a tt h ew a t e r l e v e lr e s t r i c t e di nf l o o dp e r i o dc o u l db er a i s e d p r o p e r l ya n di m p r o v i n gt h el e v e l o fw a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o n a tt h e s a n l e t i m e ，t h e r e s u k sa l s os h o wt h a tt h i sr e a l - t i m e o p t i r e a l f l o o d d i s p a t c h i n g m a t h e m a t i c a lm o d e li so ft h e s c i e n c e ，r a t i o n a l i t y a n d c r e d i b i l i t y i tc a n b ear e f e r e n c et oo t h e rr e s e r v o i r s k e yw o r d s ：m u l t i - r e s e r v o i r , f l o o dd i s p a t c h i n g ，r e a l - t i m e d i s p a t c h i n g ， d y n a m i cp r o g r a m m i n g ，p r o g r e s s i v eo p t i m a l i t ya l g o r i t h m - 3 太原理工大学硕士学位论文 1 1 项目背景 第一章绪论 山西省水资源贫乏，随着日益增长的工、农业及城市用水的需要， 充分利用地面水资源对本省国民经济发展具有重要意义。而承担防洪、 灌溉、工业、城市供水等任务的大中型水库具有调节天然径流的作用， 它既能控制洪水，也能将所蓄的水量供给各兴利部门使用，是调节控 制水资源的一项重要措施。目前我省水库约8 4 2 座，其中大中型5 8 座， 总库容达4 2 6 亿立方米，是工农业及城市用水的主要来源，但由于自 然条件、水文条件、用水条件等的变化，沿用原来简单的水库调度方 式，已不能满足日益增长的用水需求，同时传统的调度方式导致每年 汛期产生大量“弃水”。因此，研究如何获取和利用水情信息，妥善处 理各种矛盾，合理进行控制决策，在保证防洪安全的前提下，实现水 库洪水实时调度，减少弃水，提高水的利用效率，解决水库供水不足 是目前亟待解决的问题之。 漳泽水库位于浊漳河南源于流上，其上游共有六座中型水库，多 座小型水库，组成一水库群系统。它们共同承担着对下游长治市及效 区、潞城、襄垣县等3 个县( 市、区) 8 个乡6 3 万人5 9 万亩耕地 1 6 9 亿元财产以及长钢、五阳、漳村矿等厂矿企业的重要的防洪任务， 并且兼顾着长治钢铁厂、漳泽发电厂、太行锯条厂等九个国营大中型 企业供水和长治市4 3 万居民的生活用水任务，还担负着1 9 4 万亩的 农田灌溉供水和发展水产养殖的任务。由于日趋紧张的水源，使得漳 泽水库的农业灌溉自9 0 年代以来，每年平均灌溉面积仅得1 万余亩， 太原理工大学硕士学位论文 远未达到设计水平，而下游工业供水及城市用水发展很快，从7 0 年代 的年均供水量i 0 0 0 余万m 3 到9 0 年代达到年实际供水4 5 0 0 万m 3 ，最高 年供水量达5 6 2 6 万m 3 。另外，漳泽电厂三期工程需水约1 4 6 0 万m 3 ， 最近王曲电厂又提出供水2 7 0 0 万m 3 的用水要求。与之相应的漳泽水库 从1 9 8 1 年到1 9 9 8 年平均年弃水量达1 6 3 1 万m 3 ，弃水占出库水量的近 3 0 ，2 0 0 1 年弃水高达7 3 5 1 万m 3 ，仅2 0 0 1 年7 月2 8 曰至8 月1 3 日 就弃水3 9 0 8 万m 3 。因此，研究如何对此水库群防洪系统进行统一的整 体的防洪实时优化调度，使各个水库间相互协调、相互补偿，充分发 挥各库防洪能力，结合已有自动化洪水预报设施，建立一套方便、实 用、科学合理的水库群洪水实时调度系统，在保障水库大坝安全和下 游防护对象安全的前提下，尽可能地适当提高汛限水位，增加用水、 减少弃水，充分发挥漳泽水库库群巨大的经济效益和社会效益势在必 行。本论文重点就水库群防洪实时优化调度进行了研究。 1 2 水库群防洪调度国内外研究概况和发展趋势 1 2 1 国内外研究概况 水库洪水调度，亦称水库洪水控制运用，其目的是根据规划设计 的意图和规范、要求，结合具体实际情况，充分利用库容，调节洪水， 在满足工程安全和实现水库对下游的防洪任务的前提下，妥善处理蓄 泄关系，达到兴利除害，充分发挥水库综合效益的控制运用方式。而 所谓的水库群防洪调度问题就是对于由水库群和各种防洪工程措施组 成的防洪系统进行统一的整体的优化调度，使各个水库和各种工程措 施相互协调、相互补偿，达到充分发挥各库和各种工程措施的防洪能 力，或使全系统洪灾损失尽可能小，或在保证防洪安全的条件下，充 2 太原理工大学硕士学位论文 分提高利用水资源的利用程度。而所谓实时调度，主要是考虑在有洪 水预报的条件下，根据洪水预报及预见期，提前或实时采用一定洪水 调度策略，满足洪水调度要求。这即为水库群的防洪实时调度问题。 水库群防洪调度可分为常规调度和优化调度。常规的防洪调度是 半经验、办理论的方法，它以历史资料为依据，利用经典数学、水文 学、水力学和径流调节的基本理论，研究调度方式和调度规则，绘制 调度图“3 ，编制调度规程等指导水库运行，并注意到前期水文气象因 素( 如降雨等) 对预留防洪库容的影响，对预泄、错峰、补偿调度具 有一定的指导价值。但其所获结果一般是合理解而不是最优解，带有 一定经验性和局限性。此类方法对库群调度的复杂问题往往无能为力。 而水库防洪优化调度是指根据水库洪水入流过程，在一定调度准 则下，通过优化的方法来求使目标函数达到极值时的最优运行策略。 它采用系统分析的方法，以电子计算机为工具，研究防洪系统的最优 化问题。此类问题可以分为两种模式，一是在工程规划、设计阶段用 来确定工程参数，为水库未来运行提供调度模式；二是针对已建成水 库进行的结合预报的实时优化调度，为现时水库的调度及结果提供方 式及评价。 最早把优化概念引入水库调度的是马斯( m a s s e l 9 6 4 ) 、李特尔 ( l i t t l e l 9 5 5 ) 和茨维特科夫( 1 9 5 6 ) ，他们都使用随机动态规划方法 研究水库优化调度，这比动态规划方法应用于水库优化调度差不多要 早十年，他们的研究标志着系统科学方法研究水库优化调度的开始。 在水库群系统防洪联合调度方面，南非学者w i n d s o r 23 最早提出以线 性规划进行研究，系将洪峰损失费用函数之间的非线性关系进行线 性化处理，以单纯形法或混合整数规划法求解。但这个模型对水库防 洪目标函数处理得不够全面，没有体现一个具体的水库防洪目标函数 太原理工大学硕士学位论文 是随上下游具体情况而变化的，也未说明如何考虑预泄、分级调洪等 调度原则和预报误差、洪水传播历时及变形等影响因素。h e i d a r i 等 于1 9 7 1 年考虑了四个水库的实际问题，首次提出并应用离散微分动态 规划法( d d d p ) 求解问题。l a r s o n 在1 9 6 8 年用增量动态规划法( i d p ) 研究过四库问题。n o p m o g e o l 和a s k e w 在1 9 7 6 年用多重增量动态规划 技术( m i d p ) 研究此问题，1 9 7 9 年m u r r a y 和y a k o w i t z 用约束微分动 态规划法求解并把问题扩大到l o 个水库计算了最优策略。1 9 7 6 年， s c h u l t z 3 3 对某并联水库群建立了一动态规划模型，以下游削峰最大 为目标，不需要洪水损失资料，但只适于各支流洪水同时发生的情况。 1 9 8 2 年，b e c k o rn 1 运行约束法研究了一个多目标水库群的优化决策问 题。1 9 8 3 年，w a s i m ii s 以二次线性离散最优控制方法进行水库系统实 时预报和调度，该模型与方式适合于中等洪水调度。1 9 8 9 年， s i m o n o v i c 、s a v i c 6 3 研制了水库管理调度智能决策支持系统，包含了 1 1 个分析模块，综合应用了非线性规划、动态规划、线性规划和模拟 方法。1 9 9 0 年，u n v e r 、m a y sn 1 提出了一种实时防洪优化调度模型， 由防洪调度的非线性规划方法和洪水演算的模拟方法建模。1 9 9 2 年， m o h a n 、r a i p u r e 聃1 对印度包含五个水库的流域建立了一个线性多目标 模型，以约束法求优化泄水方案。1 9 9 2 年，v a l d e s 、s t r z e p e kp 1 提出 了由随机动态规划和线性规划组成的多库系统时空聚集一解集方法。 1 9 9 4 年，y a m l i a d i s 、k a r a m o u z “”以所谓需求驱动随机动态规划方 法和贝叶斯决策理论进行了探讨。1 9 9 4 年，j i c h a n g m i n g 、w a n g l i p i n g “”等运用大系统方法和多目标分析方法解决基于可靠性的水库系统 管理问题，防洪控制应用动态规划、发电和灌溉调度应用多目标随机 动态规划方法。 我国最先见到的成果是1 9 8 3 年虞锦江教授“”等提出的“水电站 太原理工大学硕士学位论文 水库洪水优化控制模型”，他的输入模型比国外先进一步，即把输入分 为两部分：预报洪水过程和概率可能洪水，应用动态规划( d p ) 原理， 以一次洪水发电量最大为目标选择最优调度方案。1 9 8 5 年王厥谋教授 m 3 建立了一个线性规划模型进行丹江口水库防洪优化调度，他首先确 定了所研究的系统，并按照防洪的要求建立目标函数，然后根据河道 特性和调度规程建立约束条件，最后运用优化方法进行求解，解出最 优的调度方案。该模型考虑了分洪区顺序、河道洪水变形及区间补偿 等问题，可进行模拟调度和进行预报洪水实时调度，但该模型存在的 最大问题是在实时调度中，需七天的入库和区间洪水过程，如果发生 连续若干阶段的错误决策，会使今后的防洪调度变得被动。许自达”q 将水库群系统的防洪联合调度的问题转变到下游河道的洪水演进上， 采用马斯京根法和槽蓄曲线推导出洪水优化调度计算式，把此式作为 水库群系统防洪优化调度的判别式，这种方法可较方便地应用于水库 数、河段数少的防洪调度，而对于水库、河段多的防洪调度，用判别 式构造的线性模型，则会出现系数不稳定、变量和约束条件增加过快 等问题，给模型求解带来一定困难。1 9 8 7 年虞锦江、管家宝”朝提出 的梯级水电站洪水优化调度模型是“水电站水库洪水优化控制模型” 的拓广。1 9 8 7 年胡振鹏、冯尚友“叫针对由水库堤防和分洪区组成的 汉江中、下游防洪系统的联合运行问题，建立了一个多状态的动态规 划模型。该模型考虑了水库下游河道对洪水的调蓄作用，在实时调度 中根据不断更新的洪水预报信息，利用这个模型不断地进行求解与决 策，形成一个“预报一决策一实施”的连续循环过程，可以获得场 洪水调度的较好策略，但该模型未涉及库群问题。 1 9 8 8 年吴保生与陈惠源教授“7 1 研究了多库防洪系统优化问题， 提出并联防洪系统优化调度的多阶段逐次优化算法模型，该模型由三 太原理工大学硕士学位论文 阶段子模型和跨阶段子模型组成，以时间向右截取的防护点过程的峰 值最小为目标函数，解决了河道水流状态的滞后影响问题。 1 9 9 0 年王本德教授m 3 等，提出了一个多目标洪水模糊优选调度 模型。根据实际洪水调度展开，以泄量设备应用工况或泄流量作为决 策变量；输入由两部分组成，即面临时刻以前实测降雨预报的洪水过 程和气象系统发布的未来2 4 h 短期分级模糊降雨预报形成的洪水过 程：模型考虑了3 5 个目标；应用多目标模糊优选原理选择满意决策。 该模型用于大伙房水库防洪模拟调度，较传统方法效果良好。 1 9 9 2 年王本德、周惠成、程春田“们提出“梯级水库防洪系统多 目标洪水调度的模糊优选”模型，将传统的优化技术与新发展起来的 模糊集合理论有机地结合起来，针对洪水实际调度的特点，提出了一 个梯级水库群洪水调度决策的模糊优选模型。这一模型分别在白山、 丰满梯级防洪系统，清河、南子城、才河水库群系统，淮河六库防洪 系统中应用。 1 9 9 3 年，武汉水利电力大学陈惠源教授、高似春、马勇乜叫建立 了漯河以西防洪系统大规模线性规划模型( l p 模型) 。该模型采用了 稀疏存贮技术和矩阵生成技术，并引进了有效的解算技术：改进单纯 形法的变形逆的乘积形式，解决了复杂防洪系统非线性规划的算 法问题。1 9 9 5 年，武汉水利电力大学陈惠源教授、高似春、戚晨建立 了以三峡为中心的长江防洪系统联合调度模型。该模型应用系统分析 的方法，根据大系统解耦的思想，实现了线性规划与动态规划相结合 的防洪系统联合运行迭代算法，解决了大系统中“维数灾”的问题。 1 9 9 5 年杨侃、谭培伦“等针对复杂庞大的长江防洪系统用网络模型 进行求解，建立了长江防洪系统的时空网络模型，提出了洪水演算模 型与网络模型揉和在一起的求解方法，该方法扩展了网络模型的应用 太原理工大学硕士学位论文 领域。1 9 9 5 年程春田、王本德等口2 3 从长江洪水系统的特点出发，将 长江洪水系统分解为3 个目标明确的子系统，以子系统2 为中心，建 立了“长江上中游防洪系统模糊优化调度模型”，并提出了三峡水库洪 水调度方案生成方法。1 9 9 5 年马寅午、张勇传等采用“防洪系统洪水 分类预测优化调度方法”建立了洪水优化调度总体控制模型。该模型 对历史洪水资料进行聚类分析，将洪水流量过程分为若干类型，采用 归纳演绎的方法对未来洪水作出分类预测，针对不同类型洪水以不同 调度规则进行实时调度。 1 9 9 5 年邱林、陈守煜他明酋次提出了长期优化调度的随机动态规 划( s d p ) 与逐步优化算法( p o a ) 相结合的水电站水库实时优化调度模 型，缩小了水库实时优化调度的理论与实践的差距。1 9 9 7 年傅湘、纪 昌明瞳”针对复杂防洪系统联合运行问题，建立了一个多维动态规划单 目标模型，消除了后效性的影响，利用此模型用逐步优化算法( p o a ) 连续求解与决策，可以有效地获得调度一场洪水的最优策略。 近年来，其他优化方法，例如人工神经网络理论、灰色系统理论、 对策论、耦合法、遗传算法等，大大丰富了水库群防洪系统联合调度 问题的研究途径和解决方法。如1 9 9 5 年河海大学的杨侃、谭培伦等以 网络理论为基础，研究了长江防洪系统的实时调度，建立了长江防洪 系统的时空网络模型。另外，我国近年也开展了决策支持系统( d s $ ) 方面的研究，开发了一些防洪d s s ，能根据洪水预报迅速提供不同防 洪调度方案，供防洪决策者使用，大大推动了水库群系统防洪联合调 度的研究进展。 综上所述，应用系统分析方法进行防洪系统优化调度的研究取得 了重要进展，但是在水资源系统分析的理论研究和实践间仍存在差异， 其原因为：( 1 ) 有些模型过于简化，从而偏离实况较远；( 2 ) 有的模 太原理工大学硕士学位论文 型与方法不够完善，如动态规划问题其后效性问题被忽略；( 3 ) 有些 模型局限性太大缺乏适用性；( 4 ) 模型使用不灵活，难以满足系统实 时控制的需要；( 5 ) 模型没有考虑调度人员的经验和实际系统的知识； ( 6 ) 非工程防洪措施的研究尚处于初级阶段，缺乏对工程措施与非工 程措施相结合的现代防洪系统的研究；( 7 ) 由于混联水库群求解复杂， 仍无有效方法模拟与求解，特别是对实时调度问题的研究还不成熟。 1 2 2 发展趋势 纵观水库洪水调度研究历史，在早、中期主要是针对模型与算法， 侧重于调度理论研究。近十多年来，随着理论研究的日趋成熟、完善 和不断深入，研究的目标逐渐由单目标扩展到了多目标，研究对象由 单库扩大到了多库乃至整个流域或跨流域系统的库群，其模型也由单 一模型发展到了组合模型。尤其是随着计算机及人工智能技术的发展， 与计算机及人工智能技术相结合，并引入新的理论( 如混沌学等) ，采 用先进的计算机可视化编程语言和多媒体技术，开发直观易读、方便 易行、交互能力强的水库调度应用软件，把专家知识、经验知识和决 策知识融于一体的智能型决策支持系统是未来的水库优化调度研究的 一个热点和发展趋势。 1 3 本项目研究的主要内容、特点及技术路线 1 3 1 项目研究的主要内容 本研究的目的是漳泽水库库群汛期洪水实时优化调度，其主要内 容包括： ( 1 ) 庠群洪水实时优化调度模型研究 8 - 太原理工大学硕士学位论文 根据漳泽水库库群的实际情况，研究适合漳泽水库库群工程特性 和水库所在流域的洪水特性的实时优化调度模型。 ( 2 ) 预报与实际洪水调度误差的消除 探索预报洪水与实际入库洪水引起的水库调度状态的差别，并试 图将这种差异引起的调度水量误差降低或消除，以达到预报与实际的 统一。 ( 3 ) 探索p o a 法在求解此类混联问题中的应用。 ( 4 ) 系统软件开发及实例分析 根据系统的组成特点、模型的求解方法和系统的用户对象，开发 界面友善、功能丰富、交互性强、可靠性高的库群洪水调度软件。 1 3 2 模型的特点 ( 1 ) 模型的建立针对以漳泽水库为核心的七个水库串、并联组成的水 库群系统。 ( 2 ) 采用改进的前向卷动决策法，实现洪水的实时调度，即根据预报 的实时洪水过程，利用洪水调度模型，求出该次预报下的系统运行策 略，仅取下一次洪水预报下调度决策以前的系统运行决策去实施，在 这一过程中，新的洪水预报信息又给出，在利用新的洪水预报信息进 行新一轮决策时，以水库实时蓄水状态为控制，对预报洪水洪量作处 理，并将上一时段实际调节后的水库实际库水位作为起调水位，再次 求解模型，得新的调度运行策略，以此类推，从而完成一场洪水的实 时调度。 ( 3 ) 针对漳泽水库库群的实际状况和调度过程，研究开发水库群洪水 调度软件。 太原理工大学硕士学位论文 1 3 3 研究的技术路线 本研究总体思路是全面考虑漳泽水库库群的实际情况，研究由多 个水库串、并联组成的水力联系复杂的系统实时调度问题，并本着实 用、优化、可行的原则，使实践和理论紧密结合，在分析目前漳泽水 库库群洪水调度的基础上，吸取国内外有关水库洪水调度的最新成果， 建立了水库库群实时优化调度模型，采用逐步优化解法对模型进行计 算，避免了维数高、收敛慢等常规模型算法的弊端。由改进的前向卷 动决策法实现了洪水的实时调度，并采用较高的计算机开发平台 ( w i n 9 8 w i n 2 0 0 0 + v b 6 0 ) 和系统科学的方法开发了漳泽水库库群洪水 调度软件。软件中包括常规调度和实时调度两大子系统，考虑了洪水 调度的特点，实现了洪水调度的实时性、准确性、方便性、快捷性。 其技术路线如下： ( 1 ) 建立以一场洪水动用系统总调洪库容最小的加权目标函数； ( 2 ) 建立各水库的水量及动力平衡方程； ( 3 ) 建立水库间的水力联系，河道洪水演进算法采用分段连续演算的 马斯京根方法； ( 4 ) p o a 算法在漳泽水库复杂库群中的应用研究； ( 5 ) 消除洪水预报与实际入库的差异导致水库在新一轮决策时的起始 误差，提出一种改进方案； ( 6 ) 实例演算算法为改进的前向卷动决策法，并与常规调度成果比较； ( 7 ) 开发基于w i n d o w s 系列的洪水调度软件。 太原理工大学硕士学位论文 第二章漳泽水库库群概况及基本资料 2 1 流域概况 2 i i 自然地理概况 漳泽水库枢纽位于长治市以北2 0 k m 的交漳村和淹村之间，距河口 3 1 6 k m ，控制流域面积3 1 7 6 k m 2 ，占南源河流域面积3 5 8 0 k m 2 的8 8 7 。 漳泽水库地处太行山西侧上党盆地的腹部，是山西省六个大型水库之 一，是一座以防洪、灌溉、工业给水、城市给水、养鱼等综合利用的 大( 二) 型水库。 漳泽水库是浊漳河南源上的控制性工程，水库上游已建成屯绛、 鲍家河、申村、陶清河、庄头、西堡等6 座中型水库，形成一个以漳 泽为中心的水库群。这些上游水库直接影响着漳泽水库的年径流、洪 水和泥沙。 浊漳河南源属海河流域漳卫南运河水系，地理坐标为东经1 1 2 。 4 0 1 1 3 。1 0 ，北纬3 6 。0 5 3 6 。2 0 ，发源于长子县西南太 岳山脉的发鸠山黑虎岭，流经长治县、长子县、长治市郊区、潞城市， 在襄垣县甘村与浊漳河西源汇合，全河长1 0 4 k m ，流域面积3 5 8 0 k m 2 。 流域内主要支流左岸有绛河、岚水河，右岸有陶清河、石子河注 入，支流分布呈扇形。绎河发源于沁县官道沟，于长治市西北的原交 漳村汇入南源，流域面积8 8 0 o k 砰；岚水河发源于屯留县小口庄，于 长治市店上村汇入南源，干流长4 5 k m ，流域面积4 4 2 5 k m 2 ；陶清河发 源于壶关县马鞍山，干流长6 5 k m ，流域面积7 4 0 8 k m 2 ，于长子县李未 太原理工大学硕士学位论文 村汇入浊漳河南源；石子河发源于壶关县消军岭，于长治市北寨汇入 南源，干流长5 0 k i n ，流域面积2 5 0 o l g n 2 。自1 9 5 8 年以来，先后在这 些支流和千支上建成了屯绛、鲍家河、申村、西堡、陶清河、庄头等 6 座中型水库和3 9 座小型水库，总计控制流域面积1 6 4 9 k m 2 ，占漳泽 水库控制流域面积3 1 7 6k m 2 的5 1 9 ，形成浊漳南源水库群。流域内 水系分布及各库间相互地理位置见图2 - i ： 图2 - i 漳泽水库流域水系图 流域东屏太行，西依太岳，南接丹东岭，三面环山，分别与浊漳 干流、沁河、丹河为界。流域地形东、南、西三面高，北中部低平， 中央为潞安盆地，东面卫河分水岭高程1 5 4 0 m ，南面丹河分水岭高程 1 2 、 f 太原理工大学硕士学位论文 1 2 6 0 m ，西面沁河分水岭高程1 3 3 0 m ，中央盆地高程9 0 0 9 3 0 m 。流域 内石质山区约占3 8 ，土石山区占1 9 ，平川区占4 3 。流域地形呈扇 形，平均宽度4 4 k m ，最大宽度9 8 k m ，河道平均纵坡1 ：1 6 0 0 。 流域中部经石梁、潞城、长治市东，陶清河水库至高平一线有东 北一西南向的长治大断层横亘，将流域分为两半。流域西部山区以石 炭三叠二叠纪之砂页岩为基底，隔水性熊好，河中清水常流属常流河。 流域东部石予河、陶清河一带以奥陶纪石灰岩为主，岩石风化破碎， 节理溶洞发育，地表渗漏严重。境内河道均属i i 缶时性河流，汛过河枯。 灰岩地区渗入的地下水出露在石梁以下辛安一带浊漳河干流上，故流 域的地下分水线是不闭合的。 流域内植被较差，无成片树林区。地表土壤般为第四纪红土及 黄土覆盖，地表侵蚀属中等。 浊漳南源各支流、水库流域特征值见表2 - 1 ： 表2 - 1浊漳南源各支流、水库流域特征袭 流域面积河长距河口 主河槽 河流水库备注 ( k m 2 )( k m )距离( k m ) 纵坡( ) 绛河8 8 7 - 48 1 23 7 2 2 1 系北支 之河长 屯绛4 0 5 34 0 04 1 2 3 9 及纵坡 岚水河4 6 3 ，45 8 45 0 43 ，5 鲍家河1 7 5 42 5 83 2 66 3 陶清河7 0 4 17 8 7 5 9 64 7 西堡2 2 2 52 5 05 3 7 8 5 系西支 之纵坡 陶清河6 1 5 35 1 52 7 6 4 6 石子河4 2 5 44 9 04 3 2 s 5 庄头 1 1 9 12 1 92 7 11 7 2 浊漳南源 3 5 7 9 81 0 3 90 6 申村2 3 6 22 1 98 2 o7 3 漳泽 3 1 7 6 37 233 1 6o 6 太原理工大学硕士学位论文 2 1 2 流域水文气象 流域海拔高程在8 8 7 5 1 6 4 6 8 m 之间，东以太行山为屏障形成较 强烈的暖温带大陆性气候，一年内季风环流交替明显，四季分明，冬 季寒冷干燥、春季干旱多风，雨量集中在夏季，流域全年日照时数2 6 0 0 小时左右。流域平均气温8 6 c ，极端最高气温为3 7 6 c ( 发生于1 9 6 6 年6 月2 日) ，极端最低气温为一2 9 3 c ( 发生于1 9 5 8 年1 月2 6 日) ， 最热在7 月，平均在2 2 c ，最冷在1 月，平均一8 c 。流域内2 0 c m 口 径的蒸发皿平均年蒸发量为1 7 0 0 m m 左右。流域内最大风速达2 2 m s ， 相应风向为西j e 风。 流域多年平均年降水量约6 2 0 r n m ，降水集中在七、八两月，可占 全年降雨量的5 0 以上。其年内分配大致是：冬季( 1 2 七月) 占3 ，春季( 3 5 月) 占1 4 ，夏季( 6 8 月) 占6 2 ，秋季( 9 1 1 月) 占2 1 ，其中汛期( 6 9 月) 占7 0 以上。降水以年际变化较 大，单站最大的年降水为1 9 7 1 年长子县城关的1 0 7 5 6 m m ，最小为1 9 6 0 年长子县良坪的2 8 3 4 m s 。全流域平均年最大降水为1 9 7 1 年的9 1 3 m s ， 最小为1 9 6 5 年的3 5 6 m m ，相差2 5 6 倍。 流域内曰雨量大于5 0 姗的暴雨，平均每年出现六日左右，最多出 现十四日( 1 9 7 1 年) ，最少出现日( 1 9 7 0 年) 。随着夏季的来临，太 平洋副热带高压西伸北上，至盛夏，极锋位置跃移到华北北部，大量 暖湿空气输送到华北一带，流域转受夏季东南季风和西南季风的影响， 不但降水增加，暴雨日数也明显增多。6 月出现的暴雨日数占全年的 1 1 ，7 、8 两月的暴雨日数占全年的8 0 ，到秋季，副高南撤，极锋相 应移向黄河以南，雨季结束，在1 0 月份暴雨日数迅减，其频率不足 1 。目雨量超过l o o m s 的大暴雨平均每年出现不足一日，最多可出现 太原理工大学硕士学位论文 - - 0 ：( 1 9 6 2 、1 9 7 2 、1 9 7 6 诸年) ，主要出现在7 、8 两月，占全年大暴 雨出现日数的9 0 以上。流域内年最大一日雨量为2 0 9 5 m m ( 1 9 6 2 年7 月1 5 日长子) ，最大三日雨量为2 4 7 9 m m ( 1 9 7 1 年8 月1 8 日一2 0 日西 苑) 。从实测及调查资料来看，流域洪水的主要来源有陶清河至长子县， 该区间是暴雨经常发生的雨带。以当地暴雨放大三日雨量组合和暴雨 移置等方法计算得漳泽水库三日可能最大降水为4 3 0 毫米，一日可能 最大降水为2 6 0 毫米。 浊漳南源之径流全系降水补给，其年内分配与雨量分配相似，集 中在汛期6 9 月，占年来水量的6 0 左右。流域年径流量多年平均 2 7 5 亿m 3 ，其中漳泽水库上游各水库控制1 4 亿m 3 ，漳泽水库区间1 2 5 亿m 3 ，漳泽水库以下0 1 亿矗。 2 1 3 社经情况 漳泽水库是一座以防洪、灌溉、工业给水、城市给水、养鱼等综 合利用的大( 二) 型水库。受益区为长治市城区、效区、屯留县、潞 城市和平顺县，属全国重要煤炭、能源、化工基地之一，水库的安危 直接关系到下游效区、潞城、襄垣县等3 个县( 市、区) 8 个乡6 3 万人5 9 万亩耕地1 6 9 亿元财产和长钢、五阳、漳村矿等厂矿企业的 安全。此外，水库还担负着长治市钢铁厂、漳泽发电厂、太行锯条厂 等九个国营大中型工业企业供水和长治市4 3 万居民的生活用水任务， 还担负者1 9 4 万亩农田的灌溉供水和发展水产养殖的任务。 漳泽水库枢纽自1 9 6 0 年投入运行以来，对于下游的防洪安全发挥 了重要作用，共拦蓄了6 次较大洪水，减免损失1 4 5 亿元。如1 9 6 2 年7 月1 6 日洪水，上游平均降水1 6 7 m m ，入库最大洪峰3 2 5 0 m 3 s ，洪 水历时五天，洪量8 1 2 0 万m 3 ，经过水库调蓄下泄6 6 3 m 3 s ，削减洪峰 1 5 太原理工大学硕士学位论文 9 8 ：又如1 9 7 1 年8 月2 1 日洪水，上游平均降雨2 0 6 m m ，入库最大洪 峰1 0 7 0 m 3 s ，洪水历时五天，洪量1 1 6 5 0 万m 3 ，水库调蓄后下泄1 0 7 m ；s ， 削减洪峰9 0 ，保护了下游人民生命财产的安全。 2 1 4 洪水特征 1 洪水预报 漳泽水库流域内的降雨由漳泽水库1 9 9 2 年建成的防汛水情自动 化测报系统进行实时预报，该系统由6 个中型水库站、4 个进库水文 站、2 个雨量站共1 2 个测站组成。在发生降雨时，每增加1 毫米各测 站即时向水库中心计算机传播数据，进库站根据实测进库流量通过人 工置数盒向中心台传输，计算机根据得到的数据即可进行洪水预报。 2 洪水特性 浊漳南源洪水由暴雨形成，在流域内平均一年出现大小洪峰9 次 左右。6 、1 0 月偶有出现，而7 、8 两月发生最多，峰量最大。9 月因 受天气气候影响，发生洪水亦非罕见。由于暴雨集中，洪水涨落迅猛。 过程线形状随暴雨历时长短、雨面大小而异。凡短历时高强度的暴雨， 造成峰形尖瘦如1 9 6 2 年的洪水，长历时之霪雨形成峰量相对较小的洪 水，一次洪水过程一般在两天以内，个别历时较长的洪水也在五天以 内。 从实测及调查资料来看，流域洪水的主要来源地在陶清河至长子 县暴雨中心经常发生的一带。 太原理工大学硕士学位论文 2 2 漳泽水库基本资料 2 2 1 漳泽水库工程概况 漳泽水库于1 9 5 9 年1 1 月始建，1 9 6 0 年4 月建成大坝蓄水。为提 高水库防洪标准，1 9 8 9 年至1 9 9 5 年对大坝、溢洪道、泄水洞全面进 行了改建。 现状漳泽水库枢纽为二等工程，大坝、溢洪道、泄水洞为二级建 筑物，水库设计洪水标准为1 0 0 年一遇，非常运用洪水标准为2 0 0 0 年 一遇。大坝为碾压均质土坝，坝顶高程9 1 0 0 m ，坝高2 2 5 m ，坝顶宽 7 0 m ，坝顶长度8 7 4 o r ，正常高水位9 0 2 4 m ，校核洪水位9 0 8 4 5 m ， 总库容4 2 7 亿m 3 ，汛期限制水位主汛期7 月1 5 日8 月1 5 日为9 0 1 0 m ， 非主汛期( 其他时间) 为9 0 1 5 m 。溢洪道位于大坝右端，为低驼峰堰 正槽式开放溢洪道，堰项高程8 9 7 0 m ，堰长3 6 8 m ，溢洪道全长 3 0 1 2 5 m ，进口设4 孔9 2 x 6 6 m 钢结构弧形闸门，设计泄量1 1 2 2 m 3 s ， 校核泄量2 1 0 0 靠s ：泄水洞为土基上的坝下涵洞，进口设3 4 3 7 m 平板闸门，进口底高程8 9 1 3 r a ，洞身断面为马蹄形3 2 3 5 7 5m ，洞 长9 7 o m ，出口一级削能，设计泄量9 0 m 3 s ；输水洞为坝下埋管，圆 形2 孔，直径分别为1 o m 和1 2 m ，最大输水量2 2 0 m 3 s 。 2 2 2 漳泽水库特征水位、库容 漳泽水库特征水位及相应库容见表2 2 。 2 2 3 漳泽水库水位库容面积泄量关系 根据 ( 1 9 9 9 年漳泽水库观测资料整编( 第七册) ，漳泽水库水位 太原理工大学硕士学位论文 库容面积泄量见表2 3 。 特征水位( m ) 相应库容( 亿m a ) 死水位 8 9 6 6o 1 2 汛限水位9 0 1 ( 主汛) o 8 6 正常蓄水位 9 0 2 4 1 2 6 设计洪水位 9 0 4 2 71 校核洪水位 9 0 8 4 54 2 7 表2 - 3漳泽水库库水位一库容一面积一最大泄量 库水位库容面积最大泄量( m 3 s ) ( m )( 万m 3 )( k r n 2 )泄水洞溢洪道合计 8 9 2 02 9 30 4 3 41 61 6 8 9 3 01 3 9 o1 7 5 91 0 01 0 0 8 9 4 03 6 4 72 7 5 52 0 o2 0 0 8 9 5 07 0 4 94 0 4 93 5 03 5 0 8 9 6 01 2 3 7 46 6 0 15 0 05 0 o 8 9 7 02 0 5 0 49 6 5 96 l _ 506 1 5 8 9 8 03 2 3 7 01 4 0 7 47 1 76 51 3 6 7 8 9 8 53 9 7 3 01 5 4 1 27 5 21 2 l1 9 6 2 8 9 9 0 4 7 7 8 11 6 7 4 87 9 31 8 82 6 7 3 8 9 9 55 6 5 2 01 8 1 8 48 3 o 2 6 43 4 7 0 9 0 0 06 6 0 1 o1 9 7 1 28 6 7 3 4 94 3 5 7 9 0 0 57 6 6 2 32 2 3 2 89 0 04 4 25 3 2 0 9 0 1 08 6 0 3 22 5 0 l l9 0 05 4 2 6 3 2 0 9 0 1 51 0 1 1 6 42 6 6 6 19 0 0 6 5 07 4 3 0 9 0 2 01 1 5 0 4 1 2 8 3 2 89 0 07 6 38 5 3 0 9 0 2 51 3 0 1 1 53 1 4 6 29 0 o8 8 3 9 7 3 0 9 0 3