（水文学及水资源专业论文）梯级水库汛期分期及汛限水位合理确定研究.pdf

中文摘要 论文题目：梯级水库汛期分期及汛限水位合理确定研究 学科专业：水文学及水资源 研究生：吕玉洁 指导教师：黄强教授 王义民副教授 摘要 签名：邑至诘 签名： 签名：喜洱 如何改变现行设计过于保守的汛限水位，是实现洪水资源化的一个有效途径，也是当 前的一个研究热点，但目前的研究对象多为一个水库，本文结合汉江上游石泉、喜河梯级 水库，首先进行了洪水规律分析，在此基础上，对梯级水库的主汛期分期进行了研究，并 计算不同分期的汛限水位，进而进行基于汛期分期汛限水位的梯级水库洪水联合调度研 究，根据洪水调节结果和水库电站的设计资料确定梯级水库分期汛限水位较合理的组合。 论文的主要研究成果如下： ( 1 ) 采用0 6 1 8 法划分洪水洪峰流量量级，对石泉、喜河水库实测的入库洪水资料进行 概率分析，确定各量级洪水的月、旬分布规律和年可能发生次数及相应的概率，为水库主 汛期分期和各分期汛限水位的确定提供理论依据； ( 2 ) 确定了石泉、喜河水库在主汛期的分期及相应时段。根据水库主汛期每年第一场 洪水发生时间和最后一场洪水结束时间的概率分布，采用模糊统计分析理论，对梯级水库 的主汛期进行分期，得出各分期时段：由梯级水库特性资料，拟合水库的汛期隶属度函数， 计算主汛期各分期时段的汛限水位，然后采用“跨期选样法”修正梯级水库的分期汛限水 位； ( 3 ) 对石泉水库的防洪能力进行复核。石泉水库的特性资料由于受库容淤积等因素的 影响发生了一定的改变，结合水库的设计洪水资料和现有的运行方式，采用新的特性资料 对水库的防洪、蓄泄能力进行了复核，结果表明，淤积不影响水库的防洪安全。 ( 4 ) 采用洪水地区组成原理，确定了梯级水库汛期分期下的汛限水位合理组合方式。 根据水库各分期汛限水位和梯级水库设计洪水的两种洪水频率组合对梯级水库不同分期 的汛限水位组合进行了调节运算，按照水库运行兼顾兴利较大和风险较小的原则，确定梯 级水库联合运行较合理的汛限水位组合；同时可以发现，梯级水库联合运行存在风险传递 特性。 ( 5 ) 建立梯级水库防洪库容最小模型，采用逐步优化算法( p o a ) 和逐次逼近动态 西安理工大学硕士学位论丈 规划( d p s a ) ，根据梯级水库分期汛限水位计算结果，进行梯级水库的联合优化调度研 究，为更好的进行梯级水库联合运行提供理论依据。 关键词：概率分析，汛期分期，模糊集理论，汛限水位，联合调度 本研究得到陕西省科学基金( 2 0 0 6 d 0 9 ) 资助。 2 英文摘要 t i t l e ：f l d o ds e 弧s o nd m s i o na n dr | e a n s o n a b l e d 口e r m i n 硎o no f u m 盯e d 玉酊e rl e e lo fc a s c a d er e s e 帕l r s m a j o r ：h y d r o l o g ya n dw a t e rr e s o u r c e s n a m e ：y 蝎皓l vs i g n a t u 陀：型兰盟 s u p e r v i s o r ：p 随q i a n gh u a n g s i gn a t u r e ： a s s o c i a t ep r o f 。y l m l nw a n g s i g n a t u r e ： a b s t r a c t ：帆氏 a ne f f e c t i v ew a yt or e a l i z ef l o o d w a t e ru t i l i z a t i o ni st oc h a n g et h ec o n s e r v a t i v ed e s i g n l i m i t e dw a t e rl e v e l ，o nw h i c har e s e a r c hf o c u s e sr e d e n t l y b u tn o wo n l ys i n g l er e s e r v o i rw a s s t u d i e d t h es h i q u a r t , x i h er e s e r v o i ro nu p s t r e a mo fh a n j i a n gw e r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r f i r s t l yt h ef l o o dl a ww a sa n a l y z e d ，t h ef l o o ds e a s o ns m g m gw a sp u tf o r w a r d ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n gf o o dc o n t r o ll e v e lw a sc o m p u t e d t h e nt h ej o i n to p e r a t i o no ff l o o do fs h i q u a n , x i h er e s e r v o i rw e r es t u d i e d ，a n dt h er e a s o n a b l ec o m b i n a t i o no ff l o o ds e a s o ns t a g i n go fc a s c a d e r e s e r v o i r sw e r eg i v e n t h e nm a i nc o n t r i b u t i o n sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eg o l d e n - s e c t i o na l g o r i t h mw a su s e dt oc o m p a r t m e n t a l i z et h ep e a kd i s c h a r g e ，t h e i n f l o wf l o o dd a t ao fs h i q u 臻，x i h er e s e r v o i rw e r ea n a l y z e db yt h ep r o b a b i l i t ys t a t i s t i ct h e o r y , t h ec o r r e s p o n d i n gp r o b a b i l i t yo ff l o o dd i s t r i b u t i o nl a wo fm o n t h ，t e nd a y sa n dt h et i m e so f a n n u a lp r o b a b l ew e r ec o m p u t e d a l lt h er e s u l t sp r o v i d e dc e r t a i nt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef l o o d s e a s o n sd i v i s i o na n dt h ec o m p u t a t i o no fe a c hs t a g el i m i t e dw a t e rl e v e l ( 2 ) t h em a i nf l o o ds e a s o no fs h i q u a n , x i h er e s e r v o i r sw e r ed i v i d e da n dt h ec o r r e s p o n d i n g p e r i o d sw e r eg o t 。a c c o r d i n gt ot h ep r o b a b i l i 移d i s t r i b u t i o no ft h eo c c u r r i n gt i m eo ft h ef i r s t f l o o da n dt h ee n d i n gt i m eo f t h ef i n a lf l o o df r o mj u l yt os e p t e m b e r , t h ef u z z ys t a t i s t i ca n a l y s i s w a su s e dt od i v i d et h em a i nf l o o ds e a s o no fc a s c a d er e s e r v o i r s ，a n dt h ee a c hs t a g ep e r i o dw a s g o t b yf i t t i n gt h ef l o o ds e a s o nm e m b e r s h i pf u n c t i o n sa c c o r d i n g t ot h ee a c hs t a g e p e r i o da n dt h e c h a r a c t e r i s t i cd a t ao fc a s c a d er e s e r v o i r s ，t h el i m i t e dw a t e rl e v e lo fe a c hs t a g ep e r i o dw e r e c o m p u t e d ，a n dt h ef l o o ds e a s o n sp a r t i t i o ns c h e m ew a su s e dt oc o r r e c tt h ee a c hs t a g ep e r i o d l i m i t e dw a t e rl e v e l ( 3 ) t h ef l o o dc o n t r o lc a p a c i t yo fs h i q u a nr e s e r v o i rw a sc h e c k e d 。t h ec h a r a c t e r i s t i cd a t a o fs h i q u a nr e s e r v o i rh a sc h a n g e dw h i c hi n f l u e n c e db ys o m ef a c t o r sa sr e s e r v o i rs e d i m e n t a t i o n c o m b i n i n gt h ed e s i g nf l o o dd a t aa n dt h ea c t u a lo p e r a t i o nr u l e s ，t h ef l o o dc o n t r o lc a p a c i t ya n d 2 t h es t o r a g e o u t f l o w c a p a c i t yo fs h i q u a nr e s e r v o i rw e r ec h e c k e db y a d o p t i n gt h en e w c h a r a c t e r i s t i cd a t a t h er e s u l t ss h o w st h a tt h et o o dc o n t r o ls a f e t yw a sn o t i n f l u e n c e db y r e s e r v o i rs e d i m e n t a t i o n ( 4 ) b yt h ef l o o dr e g i o nc o m p o s i t i o nt h e o r y , t h er e a s o n a b l ec o m b i n a t i o no fl i m i t e dw a t e r l e v e lu n d e rc a s c a d er e s e r v o i r sw a sp u t f o r w a r d a c c o r d i n gt oe a c hs t a g el i m i t e dw a r e rl e v e la n d t h et w of l o o d f r e q u e n c yc o m b i n a t i o no fc a s c a d er e s e r v o i r s ，t h ed i f r e r e n tc o m b i n a t i o no fl i m i t e d w a t e rl e v e lo fc a s c a d er e s e r v o i r sw e r ec a l c u l a t e d i nt e r m so ft h eb e n e f i tm a x i m i z a t i o n 锄d r i s k m l n l m u mp r i n c i p l e ，t h er e a s o n a b l ec o m b i n a t i o no fl i m i t e dw a t e rl e v e lu n d e r c a s c a d er e s e r v o j f s w a sp u tf o r w a r d ，a n dt h er i s kt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fc a s c a d er e s e r v o i r so p e r a t i o nc o u l db e f o u n d ( 扪t h ef l o o dc o n t r o l c a p a c i t ym a x i m i z a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，p o aa n dd p s a a r i t h m e t i cw e r ea p p l i e dt os t u d yt h ef l o o d j o i n to p t i m ao p e r a t i o no fc a s c a d er e s e n ，o i r s ，w h i c h w o u l dp r o v i d es o m et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e j o i n to p e r a t i o no fc a s c a d er e s e r 、，o i r s 1 i ( q 唧o r d s ：p r o b a b i l i t ya n a l y s i s ，f l o o ds e a s o nd i v i s i o n ，f u z z ys t a t i s t i ca n a l y s i sn e o l i m i t e d w a t e rl e v e l ，j o i n to p e r a t i o no fc a s c a d er e s e r v o i r s t h es t u d yw a ss u p p o r t e d b yt h es h a a x is c i e n c ef o u n d a t i o n ( 2 0 0 6 d 0 6 ) 独创性声明 秉承祖国优良遂德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所盛交的学位论文是我 个人在导师指导下进行蕊研究工俸及取褥的成暴。尽我所知，除特巍黧以标注耨致谢 鲍缝方辨，论文中不包含其德入麴研究成粱。与我一同工佟麴同志瓣本文蜃研究熬工 作和成纂的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其褶关赘辩若有不实之处，蠢本人承担切相关责饺 论文作者签名：旦，圣涟 弘套孵月如咽 学位论文使用授权声明 本人一在导师的指导下创作完成毕业论文。本人殴通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学事请博士硕士学位。本人俸为学位论文著作权拥有者，同意 授权嚣安理工大学拥有学位论文熬部分健溪投，瓣：羹) 跫获学位的磷突生按学校靓定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交蛉学位论文，可以将学使论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学泰科磷霭的，学校可以将公开蕊学位论文或解密葳麓学位论文俦鸯瓷糕在褥莓镶、 资料室等场所或在校阏网上供校内师生阅读、浏监。 本入学位论文全部或部分内容的公布( 包括千| j 登) 授裰两安瑾工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文佟者签名：蛊墨遮。导簿签名：v 6 譬年弱脚磊 1 绪论 1 绪论 1 1 研究的背景及意义 我国是世界上洪水危害严重的国家之一，有超过6 7 的地区存在着不同类型和不同 程度的洪水灾害，严重威胁人类生命财产安全，并给社会环境带来了一定的危害。在2 0 0 7 十大自然灾害中，排名第一和第七、第十的分别就是七月份淮河流域发生一九五四年以来 第二位流域性大洪水、七胃末晋、陕、豫三省遭受严重漠涝灾害和七月上訇遥媸连续遭受 严重暴雨洪涝灾害。为了防洪和兴利，建国5 0 多年来，我国修建水库8 5 万余座，整修 堤防2 7 万余公里，对洪水灾害起到了一定的控制作用。在承受洪水灾害的同时，我国又 是一个严重缺水的国家，人均水资源占有量2 2 0 0 m 3 ，仅为世界平均水平的l 4 ，是世界上 1 3 个贫水的国家之一。从2 0 世纪7 0 年代以来就开始出现水资源供需矛盾，至8 0 年代， 这种短缺由局部逐渐蔓延至全国大部分地区，在全国6 0 0 多座城市中，有4 0 0 座供水不足， 1 0 0 座严重缺水。在2 0 0 7 十大自然灾害中，排名第十的是六至八月东北地区遭受严重夏 伏旱。可见目前在我困洪涝与干旱灾害还是比较严重的。 为了满足对水资源的需求，人类加大了对水资源的开发和利用，但是，水资源的再生 需要一定的周期，在缺水形势日趋突出的今天，人们为了缓解水资源的短缺问题相继提出 了引滦入津、南水北调、洪水、污水、微藏水和海水资源纯利用的歼源措施，并提出了建 设节水型社会。在这些措旋当中，洪水资源化是实现流域水资源可持续利用的重要措施和 现实选择。依靠科技的进步、结合水利工程的调蓄潜力，如何在防止洪水灾害发生的同时， 最大程度利用洪水的水利特性，将部分洪水转化为可利用的水资源，实现洪水的资源化， 是解决水资源短缺的重要途径。 利用水库有效的调控洪水资源，实现洪水资源化是当今洪水资源有效利用的一个研究 热点。利用水库调蓄洪水资源，解决防洪和兴利的结合问题，就要重点研究水库的汛期限 制水位，即改变目前永库汛前和汛期大量弃水，丽汛后又无水可蓄的矛盾局面。目前，我 国水利部门传统描述汛期的方法是根据主要河流( 七大江河) 涨水和回落的情况，规定其 控制流域汛期患现的起讫时闯，具体规定是：黄河6 胃1 日1 0 胃3 l 磊、长江5 月1 日 1 0 月3 1 日、珠江4 月1 日9 月3 0 日、淮河6 月1 日9 月3 0 网、海河6 月1 日9 月3 0 日、松花江6 月1 日9 月3 0 日、辽河6 月1 豳9 月3 0 日。各流域水库根据 相关撬定，严格控制水库的设计汛限水位，留出较大的防洪库容准备调蓄可能会来得设计 洪水和校核洪水，但是大洪水并不经常发生，这种严格控制汛限水位的方法给水库的兴利 库容带来了极大的浪费。 随着水文测报系统的发展以及洪水预报和降雨预报精度的提高，为科学合理的利用水 库的防洪与兴利“重叠”库容提供了科学依据。防洪与兴利库容重叠的大小与水库的汛限水 西安理工太学硕士学位论灾 位的制定有着极为重要的关系。从汛期成因入手，结合流域暴雨洪水特性，采用科学的定 量划分方法，对水库的汛期进行合理的划分，改变单一的汛期设计汛限水位的局面，使分 期结果更符合客观规律，为更好的利用洪水资源提供理论依据。 石泉水库是汉江上游的座不完全年调节水库，在主汛期7 - - 9 月按照规定水库水饺 严格控制在4 0 5 m ，喜河水库是距石泉水麾下游4 0 余公里的座日调节水库，根据喜 河水电站可行性研究报告，水库在主汛期汛限水位应控制在3 5 7 m 。流域具有较好的水 帱测撮系统，大洪水预报准确率在9 5 以上，中洪水预报准确率在9 0 以上配1 。在水情 测报系统技术快速发展的今天，如果水库仍按照规定，严格控制汛期设i f 水位，必将对兴 利和洪水资源化带来困难。本文根据流域汛期洪水的发生规律，采取定量的研究方法，对 水库的汛期进行分期，在不同的时段，采取不同的汛限水位，并研究在不同分期汛限水位 下的梯级水库联合调度，为梯级水库的联合运用、如何获得更大的兴利效益和洪水资源化 提供理论依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 汛期分期的研究 汛期分期是制定和调整分期汛限水位的一个重要的前提条件，对水库的汛期进行合理 的化分，可以在不增加防洪风险的前提下增加水库的防洪与兴利效益，有利于水霹的洪水 资源化调度和水库兴利效益的发挥啜制。 针对水库“汛期”兵有确定性、随机性、过渡性的变化特征，在汛期分期的实践中众多 专家学者采用了多种方法进雩子分析计算。 a 数理统计法 数理统计法利用实测历史流量( 雨量) 资料，选择统计指标，分析指标在统计期( 年 内或汛期) 的变化规律，最后通过分析各种统计特征值的季节性变化规律得出汛期的变化 规律和特征。根据不同的统计方法，获得流域流量( 雨量) 不同的特征值，根据这些统计 特征值的不同，数理统计法可以分为以下几类： ( i ) 统计均值 统计各月( 匀) 的平均流量或降雨量，分析其变化规律，然后根据一定的标准寻找汛 期的分界点。如目前我国气象部门在进行“汛期”的起讫划分中，采用将多年平均的年降水 量均匀的分配到年内3 6 个訇，其每匈的降水量称为平均每旬降焉量，当连续二匈或二匈 以上的时段内，每旬的多年平均降水量大于或等于平均每旬降水量的1 5 倍时称为汛期7 。 冯尚友等通过分析丹江口水库的单站多年旬平均降雨量、旬平均流曩等，发现丹江口水库 在汛期呈现出前大中小后又大的“马鞍形”，进蕊分析可将水库汛期分为三段礴1 。 ( 2 ) 统计极值 2 1 绪论 按月( 旬) 统计描述汛期的指标( 暴雨量或洪峰流量) 的频率分布，点绘指标的散点 图，取其外包线；选定一定的频率标准并分析其合理性，来确定汛期的划分点。可以采用 年最大值法或者定量法来选取极值t 9 1 。麻荣生在百色水库的汛期分期中，通过统计不同 月份的降水量和洪水出现次数，德趱了汛期分裳的方法 1 0 l 。 数理统计法方法成熟，使用简单，但是在使用过程中，需要大量的的实测历史资料， 且对某一流量是不是洪水这一临界值的划定带有一定的主观性，同时也很难将汛期划分得 较细。 b 模糊分析法 模糊分析法是我国著名水文学家陈守煜教授于2 0 世纪8 0 年代提出来的，他认为汛期 属于模糊现象，但该现象的本身总是受着物理成因过程的控制与影响，通过确定汛期绝对 隶属度蘧数( 简称隶属函数) 来分析洪水的物理成医t l l l 。 具体分析方法为：首先根据流域的水文气象条件，确定控制汛期的主要物理成因指标 ( 单指标或多指标) 与主汛期的大致范围，而后给定汛期物理成因指标的区间值，当入汛 ( 或出汛) 指标值小于区间下限，汛期隶属度为0 ；指标值大于区间上限，汛期隶属度为 1 。其实质就是如何确定描述汛期( 或非汛期) 的中介过渡性和此性质的隶属函数形状或 参数。许士冒等在丰满求瘁的添裳分期实践幸，提出了一种攒述汛甥隶属度的方法t 1 2 1 。 陈守煜阐述了用模糊集描述汛期的合理性1 1 3 1 。 模糊统计法考虑了汛期在时闻上的模糊性，但是分析的结果对所选用的指标阑值比较 敏感，丽指标阂值在取值上任意性较大，同时该方法主要用于主汛期的划分，对于有多个 要求的汛期分期则尚显不足。 e 藏因分析法 ， 选取流域某一量级暴雨量、防护断面洪峰、量之间的相关密切程度，并根据成因分析 结果，以变化点作为汛期分麓的划分点。如刘秀华等采用水位高度、入库洪峰等指标，分 析这些指标在一年内的变化规律，寻求其与天气系统、大气环流之间的相关密切程度，对 音河水库的汛限水位分期进行计算1 1 4 1 郭荣文在龙溪河梯级水电站分期洪水设计中t 1 5 1 ， 也采用了此方法。这种方法可综合地区气候特征，缛出的结果比较合理可靠，在实际中应 用最多最普遍；但该方法需要对成灾天气进行大量的分析，尤其对于大流域，成灾天气有 很多组合方式，因两工作量大，同时分糍有一定的主观性，也难于将汛期划分得很细。 d 分形分析方法 分形( f r a c t a l ) 一词是由分形理论的创始入m a n d e l b o r t 首先根据系统之闻的自相似性 提出来的1 1 6 1 0 由于水文过程具有非线性和自相似性，自相似性意味着标度不变性，分形 理论将不同尺度下的水文变量通过标度转化联系起来，采用以下方法对水文过程进行研 究：( 1 ) 研究水文变量在时闻上和空间上的分布，计算其分形维数或多重分形谱；( 2 ) 研 究水文变量在不同尺度下的变化规律，以探求水文变量与尺度之间的相互关系；( 3 ) 根据 水文变量的时空分布规律，建立随机模型，进行隧机模拟；( 4 ) 应雳时间序列方法进行预 3 西安理工火学硕士学位论文 报；( 5 ) 将尺度思想引入具有物理基础的水文模型。在进行汛期分期时，通常采用容量维 数来分掇t 1 7 l 。对于时序性n 个样本序列，根据其时间跨度，确定时段长丁，取能反映该 时段样本特性的特征值( 一般取平均值) ，计算不同时间尺度疗的相对度量值n n ( e ) ，通 过绘制i n n n ( e ) i n e 相关线，计算其中赢线部分的斜率b 得到容量维数d b = 2 一b ，若容 量维数d b 在某时段r 内基本相等，则这个时段丁即为确定的一个分期。 e 变点分析法 变点分辑法是一种基于统计理论、用于检测时闻序列突变性质的划分方法，一般包括 均值变点和概率变点分析。其中均值变点是使分割前后序列的均值发生明显变化的一些 点，可用最d x - - 乘法估计褥患。对于一个时闻序列样本，初步估计| 出交点的个数和大体位 置，然后基于最小二乘法原理定义一个极小化函数，取其极值达到极小时的点作为均值变 点的估计。水文学手册指出：季节性检验可采用跳跃( 变点) 的检验分析方法。说明 汛期分期的实质是确定洪水序列中的突变时间点，可采用基于变点( 跳跃) 的分析方法。 武汉大学刘攀等采用该方法进行隔河岩水库汛期的划分f l g l 。交点分析法理论性强，结论 合理，划分汛期可精确到尽，并且在一定程度上曼为客观，可靠。僵是该方法需要较长的 实测径流、雨量资料。 f 系统聚类法 目前国内外进行聚类分析中使用较多的系统聚类法是以多元统计分析为基础的。其基 本思想是：首先认定所研究的样本和指标之间存在着程度不同的相似性( 亲疏关系) ，然 焉根据这批样本的多个理测指标，找出一些能够度量样本或指标之闻相似程度的统计量， 称之为距离，以这些距离作为分类的依据，选择距离最小的一对并成一个新类，计算新类 与其它类之间的距离，再将距离最小的两类合并成一类，这样每次计算减少一类，壹至所 有的样本都聚合完毕，构成一个由大n d , 的分类系统，然后把整个分类系统的亲疏关系用 图表的形式表示出来，根据实际问题的具体情况，确定合理的分类数目和结果。河海大学 高波、胡四一等曾采用该方法进孑亍滦河潘家口水库的汛期划分1 1 9 1 系统聚类法采用多因子样本进行聚类分析，避免了采用单因子进行分析的片面性，利 溺样本之闻的距离最近原则进行聚类，排除了选取指标阂值带来豹人为影响，使汛期分期 的结果更加合理。但是系统聚类法没有考虑样本的时序分布，对于具有较大时序性的汛期 分期问题来说，结果可麓会出现将非连续时段归为一类的不合理现象。 舀f i s h e r 最优分割 最优分割法是聚类分析的一种，它是f i s h e r 于1 9 5 8 年首先提出，所以又称f i s h e r 法耽。 它是对有序样本进行分类的一种统计方法，该方法进行分类的依据是：使得各段( 类) 内 部样本之间的差异最小，而各段( 类) 之间的差异最大。其基本思想是：对于，2 个有序样 本，采用湃个指标攒述其样本特性，对样本特蔹值葺，岛，x 。进行分类，求其各类的均 值向量及直径，根据匿径的大小判断各类之间的差异，直径越大，差异越大。最后通过误 差函数和分类数相关曲线确定最优分类数。 毒 1 绪论 f i s h e r 最优分割法考虑了多指标聚类，具有不破坏样本原有顺序等优点，并能够根据 定义的样本蕊数确定分凡期最优，能够较好蠹冬应用于水库汛期的划分，如吉林大学丁元芳 等采用该方法对星星哨水库汛期进行分期 2 1 1 ) 南京水科院刘克琳等采用该方法对潮白河 流域密云水库进行了汛期分期1 2 2 1 0 但是浚方法计算量大，计算过程比较繁琐。 1 2 2 梯级水库洪水联合调度研究 梯级水库的洪水调度是以单库洪水调度的理论和方法为基础的，研究方法分为常规方 法和系统分辑法，国内外大量的学者采用这器种方法对梯级水库的联合调度做出了许多的 研究工作，取得了一定的成果。 馥常规方法 借助各水库的抗洪能力图、防洪调度图等经验型图表，以设计调洪原则为依据，进而 实旋水库的防洪调度，这种调度方法考虑了水库前期的一些水文气象因子对预留防洪库容 的影响，对预泄、错峰和补偿调度等具有定的搔导价值，但是不能考虑预报因予，所以 仅适用于中小型水库的调度。此种方法通常称为半经验半理论方法。 b 系统分析法 系统分析法是先确定水库群防洪调度的目标函数，建立相应的约束条件，运用一定的 优化方法求目标函数，然后得到水库群控制运用的最佳调度运行方式。该方法是随着系统 工程理论的迅速发展和应用丽逐渐出现的，具体可分为模拟和优化两种方法。 ( 1 ) 模拟方法 模拟方法将磅究的对象转化为数学模型，利用计算机对数学模型进行有计划、多步骤 地模拟运算，通过一定的优化技术，通过分析每次模拟运行的特性，选出最优策略。针对 水库群谣言，首先建立水库群防洪调度模型，将系统的内在运动规律以数学模型来表示， 而后利用数字计算机技术对所建模型进行有步骤地多次模拟运行，得到水库群的运行策 略。 啥佛水规划( h a r v a r dw a t e rp r o g r a m ) 可称之为最早的模拟模型，之后针对特定水库系 统的模拟模型不断出现。其中比较有名的当属美囡陆军工程师兵团西南师研制的 s w d ( s o u t h w e s t e md i v i s i o n ) 模型，该模型对多嚣标水库系统墨调度进行了模拟。其水文 工程中心在1 9 7 3 年也推出了h e c 1 模型，并予1 9 8 2 年更新到了h e c 5 ，对防洪和管理 系统加以模拟1 2 3 1 该模型可用于薪建工程规划和已有水库的调度修正，还支持水库实时 调度、防洪与调度能力比前几代h e c 模型更为强大。m a y s 和t u n g 称之为应用最为广泛 的水库系统模拟模型。李会安、黄强等建立了黄河干流上游梯级水量实时调度自优化模拟 模型，并给出了求解方法，结果证明该模型简单、灵活2 4 1 ，谢柳青等建立了水库群系统 得逐级优化模拟复合模型，调度结果与动态规划法的计算结果相近1 2 5 1 。 ( 2 ) 优化方法 5 西安理工大学硕士学位论文 水库的防洪优化调度指根据洪水入流过程，在一定的调度规则下，采用某种优化方法， 根据相关约束条 孛，通过确定一缰决策变量豹值，来使蹬标丞数达到极值。般根据数学 规划技术来建立优化模型，采用现代计算机技术，来研究防洪系统的最优化问题。在水库 群系统的防洪联合调度中，经常采剐酌方法有线性规划、动态规翔、多目标分析和大系统 分解协调以及以上这贱方法与遗传算法等其他算法相耦合的方法。 a 线性规划 针对水库群系统防洪联合调度，南非学者w i n d s o r 最早提出了线性规划法，该方法将 洪峰损失费用函数之间的非线性关系线性化，以单纯形法或混合照数规划法求解1 2 6 1 。 餐是该模型对防洪霉标函数处理不够全面，没有考虑具体水库的防洪目标蘧数是随上下游 具体情况而定的事实，且没有说明考虑预泄、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。武汉水利电力大学的马勇、高似春、陈惠源针对由混联水库群 和多分蓄洪区组成的复杂防洪系统，研究和建立了一个防洪系统联合运行的大规模线形规 划模型，提出了判断扒口分洪界点及其相应的分阶段解算的处理方法1 2 7 1 。 线性规划法具有求解成熟、处理方便等优点，在满足线性和连续性等假定下具有广泛 的应用价值。 b 动态规划法 动态规划法是美国数学家r 。e b e l l m a n 于1 9 5 7 年提出，主要是用来解决多阶段决策 过程优化方法，这种方法在科研、生产、管理中得到了广泛的应用。如r o s s m a n l 于1 9 7 9 年将l a g r a n g e 乘子理论雳予随机约束问题的动态规划解。管家宝、虞锦江把梯级电站洪 水调度问题转化为二次动态规划，应用分解协调理论和极小值原理求解t 2 8 1 。武汉水利电 力大学谢柳青、易淑珍提出了一种离散微分动态规划与马颠京根洪水演进相结合的多西标 优化算法1 2 9 1 。傅湘、纪昌明针对复杂防洪系统联合运用，建立了一个多维动态规划单因 标模型，消除了后效性的影响，采用p o a 算法连续求解与决策，可以有效地获得调度一 场洪水的最优策略1 3 0 1 0 动态规划法在使用的过程中容易出现“维数灾”的阏题，针对此问 题，各囡学者提出了许多改进方法，如n o p m o g c 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 ) 研究水库群优纯调度，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1 0 个水库计算了最优策略。1 9 7 6 年，s c h u l t z 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，僵只适于各支流洪水 同时发生的情况1 3 1 1 0v a l d e s 、s t r z e p e k 提出了幽随机动态规划和线性规划组成的多库系 统时空聚集解集方法t 3 2 1 0v a s i 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t 3 3 1 。 动态规划具有供选算法多、适用于水库调度多阶段决策的特点，但是容易出现“维数 灾”。通过不同途径对动态规划进行改进能较好的解决“维数灾”问题，或者将动态规划法 与其它优化方法相结合，也能较好的解决这个问题。 c 多目标分析方法 6 l 绪论 多目标分析法的求解技术分为：生成技术、结合偏好的决策评价技术、交互决策技术， 可以看漱多目标分析方法的决策过程需要考虑决策者哟偏好和要求。1 9 8 2 年，b e c k o r 运 用约束法研究了一个多目标水库群的优化决策问题 3 4 1 01 9 9 2 年，m o h a n 、r a i p u r e 对印度 包含五个水库的流域建立了一个线性多西标模型，以约束法求优化泄水方案玎 。国内， 王本德、周惠成、程春田结合白山一丰满梯极水库群的洪水联合调度，提出了“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模糊集合理论进行 了有机的结合1 3 6 1 。贺北方、丁大发以臼优化模拟技术求解了两水库多目标长系列运行 优化调度问题1 3 7 1 。 多强标分析方法与单隧标分析相比，可考虑不可公度隧标的组合以及更多的实际 影响因素，明晰获得权衡系数，但理论与实际应用方法均需迸一步完善。 d 大系统分解协调法 对于具有多级谱系结构的水库群这样一个相互关联的复杂大系统，采用将复杂的大系 统分解为若干简单的子系统，首先实现子系统的局部最优化，而后根据大系统的总任务和 强标，使各系统相互配合，实现全局最优化的大系统分解协调法，熊较好的考虑各个目标 之间的耦合，实现全局的最优化 3 8 1 0 在8 0 年代，董增川研究了大系统分解原理在水库群 优化调度中的应用 3 9 1 。针对澧承流域，黄志中、周之豪提出了基于分解协调法的水瘴 群实时防洪调度多目标决策模型 4 0 1 0 王义民针对黄河上游梯级水库群的防洪调度，建 立了梯级水库联合防洪调度的“聚合分解协调”模型 4 1 1 。 大系统分解协调算法是通过逐次协调迭代达到收敛，在实际的求解过程中，由于 受迭代次数、计算工作量、计算时间等因素的限制，所得出的优化解是兼顾计算时问 翻精度的满意解。 近年来，人工神经网络、模糊数学、灰色系统理论、排队论、存贮论、对策论，遗传 算法、层次分析法等优化方法的弓l 入及各种方法褶互之闯的耦合，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 3 年邱林、陈守煜提出了随机动态规划 ( s d p ) 与非线性规划和模糊优选理论相结合的水电站水库多目标模糊优选随机动态规划 模型，并将其用于黄河梯级水电站的优化调度1 4 2 1 。邹进、张勇传则采用模糊集理论进行 了洪水调度方案的多目标决策1 6 1 1 。胡铁松研究了h o p f i e l d 网络在水库群优化调度中的应 用，进行三个并联水库的调度，麓够有效克服维数灾，但存在参数的不稳健性等阆题 4 3 1 。 加拿大s o l i m a n 、c h r i s t e n s e n 综合了多种优化方法，对多水库水电站系统的长期运行提出 了多交量空闻优化模型漆1 。 1 3 研究存在的问题 目前，虽然有学者对特定的水库进行了汛期分期的研究，并且还有部分水库已经在尝 试进行添麓分期的运行，但是，研究重点主要针对的是单个水库，对多个水库的联合分期 7 西安理工大学硕士学位论文 运行及在各个分期内抬高汛限水位的研究涉及很少，本文主要就梯级水库的汛期分期及各 分期汛限永位的合理缀合的确定进行研究，希望能绘梯级水库的联合分期运行提供一定的 依据。 1 4 本文的主要内容 本文以汉江上游石泉、喜河水库为研究对象，进行水库的洪水规律分梃，然后采用模 糊集理论对两水库主汛期分期，求出不同分期内各水库的分期汛限水位，并进行基于汛期 分期的梯级水库联合调度，以期在现代水文测报系统耩度较高的基础上，能够充分琴| l 焉水 库的防洪库容，获得更大的防洪与兴利效益。本文的主要内容有： ( 1 ) 利用石泉和喜河水库1 9 5 4 - , - - 2 0 0 0 年入库洪水资料，采用数理统计方法进行洪水 次数的概率分析和洪水次数的年内各月分布规律； ( 2 ) 由洪水规律分析结果和水库4 7 年实测入库资料，选取划分汛期的指标，采用模 糊统计分析方法，对石泉、喜河两水库主汛期进行分期；根据石泉、喜河两水库主汛期分 期的结果、水库的特性资料拟合汛期隶属函数，求梯级水库各分期的分期汛限水位； ( 4 ) 根据石泉水库2 0 0 4 年复核的水位库容曲线，在不考虑下游喜河水库安全麴情况 下，采用石泉水库的设计洪水过程对石泉水库的防洪能力进行复核，分析水库淤积对水库 防洪能力的影响； ( 5 ) 将梯级水库不同的分期汛限水位组合，进行梯级水库洪水联合调度分析研究， 寻求在梯级联合调度下，梯级水库主汛期分期汛限水位的较优组合。 ( 6 ) 建立梯级水库防库容最小模型，采用逐步优化算法( p o a ) 和逐次逼近动态规 划( d p s a ) 进行梯级水库洪水优化调度研究。 1 5 研究的技术路线 石泉水库是位于汉江上游的一鏖以发电为主、兼有灌溉、养殖等综合效益的不完全年 调节水库，喜河水库是位于石泉水库下游4 4 公里处的座日调节水库，主要用于电网的 调峰调频。本文研究梯级水霹的主汛期分期及各分期的汛限水位的确定，进焉进行基于分 期汛限水位梯级水库联合调度研究，是一个极其复杂的问题。研究的技术路线如图1 1 。 s 1 绪论 图1 1 研究技术路线示意图 f i g 1 1t h ef l o wc h a r to f t e c h n o l o g yr o u t e 9 西安理工失学硕士学位论史 2 基本资料 2 1 汉江流域概况 2 1 1 自然概况 汉江是长江的一级支流，发源于陕珏省宁强县潘冢山，由透向东流经陕疆的汉中、安 康市，于白河县出陕西进入湖北，经襄樊折向东南，在武汉市汇入长江，全长1 5 6 7 k m ， 落差1 9 6 4 m ，流域面积为1 5 9 0 0 0 k m 2 。予流在丹江墨以上称上游，援江口至镑祥称中游， 钟祥以下为下游。汉江流域地势西北高，东南低，流域内山地5 5 ，主要分布在西部， 为中低山；丘陵占2 1 ，主要分布于南襄盆地，江汊平原周缘；平原占2 3 ，主要为南 襄盆地、江汉平原及汉江河谷阶地、湖泊占1 ，主要分布在江汉平原，流域水系呈叶脉 状，支流众多。 2 1 2 水文气象条件 流域属北弧热带攀风气侯区，具有四季温暖，雨量充沛，千湿分明的气侯特点，多年 平均气温1 2 1 6 ，极端最高气温4 2 ，极端最低气温1 3 ，多年平均相对湿度7 4 ， 最大风速2 1 m s ，多年平均蒸发量为8 4 8 m m 。 经统计计算，流域内年平均蒸发量在6 0 0 1 0 0 0 m m 之间，受气侯及地形影响，汉江 于流的j | | 道盆地本面蒸发量大，丽南j | ：高山区域蒸发量小，年内变化与气温关系密切，冬 季气温低，蒸发量小，最小月蒸发量不足年蒸发量的3 ，随着气温增高，风速加大，蒸 发量显著增高，最大月蒸发量占年蒸发量的1 8 以上。 汉江流域属大陆性气候地区，降水量的年际变化很大，在流域面上，南北存在一定差 异，南郑县喜神坝多年实测最大降水量为2 0 9 6 m m ，年最小降水量9 4 2 m m ，最大、最小 僮相差2 2 3 倍；石泉最大年降水量为1 4 7 6 。l m m ，年最小降水量6 2 0 m m ，相差2 。3 8 倍； 安康最大降水量为1 3 9 2 m m ，年最小降水量5 0 i m m ，最大为最小的