（水文学及水资源专业论文）融江流域水库群调度运行系统应用研究.pdf

摘要 本文针对广西融江流域的实际应用需要，对水库群的调度运行决策系统进行了研 究。论文共分四个部分。 第一部分，探索了入库径流短期预报方法，在综述了现行常用的短期水文预报模 型的基础上，分别用新安江模型、萨克模型和水箱模型对融江流域实际资料进行模拟 计算。对模拟结果进行了比较分析。 第二部分，水电站厂内经济运行理论的实例应用研究，将相关最新研究成果应用 于融江流域水电站。研究了水电站厂内经济运行问题，重点研究了最佳负荷分配方法， 并将水电站厂内经济运行动态规划模型应用于麻石水电站和浮石水电站。利用麻石水 电站资料进行了实例验证，结果显示经济运行模型能够提高水电站的经济效益。 第三部分，研究和建立了一个集发电调度模型、水位控制模型和流量控制模型于 一体的水库单库调度模型集成系统。该模型集成系统对原有调度系统作了较大的技术 改进，可在洪水期和非洪水期根据来水的不同情况，进行相应的发电调度或防洪调度。 该模型为水电站合理调度提供了决策支持。 第四部分，在已有研究成果基础上，提出了种水库群发电优化调度的系统分解 协调方法，应用大系统分解协调方法对串联水库群优化调度问题进行分析和研究建 立了库群系统分解协调决策模型。该模型适用于多个串联水库的联合调度问题，考虑 了水流传播影响，并进行有效地降维计算。利用该模型进行了麻石水库和浮石水库的 联合调度模型实例计算，所得结果较为合理。 关键词：水库群、优化调度、联台调度、负荷分配、分解协调 a b s t r a c t t h eo p t i m a lo p e r a t i o nm o d e lf o rt h em u l t i s t o r a g es y s t e mi ss t u d i e d 丽t hr e q u i r e m e n t o f g u a n g x ir o n 9 3 i a n g t h i st h e s i si sd i v i d e d i n t of o u r p a r t s n f i r s tp a r t ：s h o r t - t e r m h y d r o l o g i e f o r e c a s tm e t h o d so fr e s e r v o i rr u n o f fa l e r e s e a l c h e d o nt h eb a s eo ft h ep o p u l a rs h o r t - t e r mh y d r o l o g i cf o r e c a s tm o d e l s ，x i n a n j i a n g m o d e l 。t h es a c r a m e n t om o d e la n dt h et a n km o d e la r eu s e dt os i m u l a t ea n da n a l y z et h e r o n g i i a n g r i v e rb a s i na n dr e s u l ta l ea n a l y z e d e o n t r a s t i v e l y t h es e c o n dp a r t ：t h ee c o n o m i cr u n n i n gp r o b l e m sa r es t u d i e di nt h ew a t e rp o w e r s t a t i o n a n d 也en e w e s tr e s u l t sa l eu s e di nt h ew a t e r p o w e r s t a t i o ni nr o n g i i a n gr i v e rb a s i n l o a do p t i m u ma l l o c a t i o nm e t h o d sa l es t u d i e ds p e c i a l l y t h ee c o n o m i cr u n n i n gp r o b l e m s 眦u s e di nm a s h ia n df u s h ip o w e rs t a t i o mi ti st e s t e dw i t hd a t ao fm a s h ih y d r o e l e c t r i c s t a t i o n , t h er c s u i ts h o wt h a tt h ee c o n o m i co p c t a t i o nc a ni n c r e a s ee c o n o m i cb e n e f i to f h y d r o e l e c t r i cs t a t i o n t h et h i r d p a r t ：ar e s e r v o i ro p e r a t i o ns y s t e m i sb u i l tu p i ti n c l u d e sw a t e rl e v e lc o n t r o l m o d e l d i s e h a r g ec o n t r o lm o d e la n dg e n e r a t i o nm o d e l t 1 1 i ss y s t e mc a nb eu s e df o r g e n e r a t i o no p e r a t i o no rf l o o dc o n t r o lo p e r a t i o ni nd i f f e r e n tr u n o f fs i t u a t i o n , w h e t h e ri n f l o o d p e r i o d o ri nn o n - f l o o d p e r i o d a 丑正i tc 蛆a l s os u p p o r t sr e a s o n a b l eo p e r a t i o no f w a t e r p o w e r s t a t i o n t h ef o u r t h p a r t ：o nt h eb a s eo fp r e s e n c ep r o d u c t i o n 。d e c o m p o s i t i o n - c o o r d i n a t i o nf o r m u l t i s t o r a g es y s t e mo p t i m a lo p e r a , o ni sp r e s e n t e d 硼 o p t i m a lo p e r a t i o no f m u l t i - s t o r a g e s y s t e mi sa n a l y z e db yu s i n gt h ed e o m p o s i t i o n - c o o r d i n a t i o nd e c i s i o nm e t h o d , i m t i a l l ys e t u pd e c o m p o s i t i o n - c o o r d i n a t i o nd e c i s i o nm e t h o d f o r m u l t i - s t o r a g es y s t e mo p t i m a lo p e r a t i o n 仰碥m o d e lt a k e sa c c o u n ti n t ot h ei n f l u e n c eo ff l o w , t h i sm o d e li sp r a c t i c e di nm a s h i r e s e r v o i ra n df u s h ir e s e r v o i ra n dr e s u l t ss h o w st h a tt h em e t h o d p r e s e n t 。di sr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：m u l t i - s t o r a g es y s t e m ，o p t i m a lo p e r a t i o n ，u n i t e do p e r a t i o n ， l o a d a l l o c a t i o n ，d e c o m p u s i t i o n - c o o r d i n a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 我国的水库调度工作，经历了从无到有，逐步发展的过程。解放前，修建的水库 既少又小，谈不上系统的水库调度工作。建国以来，我国共兴建了大、中、小型水库 8 万多座。水库调度工作也由浅入深，逐步走上正轨。水库调度工作关系到国民经济 各部门的发展，调度得当，其增加的效益十分可观。如果调度失误，将造成十分严重 的损失。根据有关资料，水库( 群) 的优化调度和补偿调节可比常规调度增加效益 4 - - 1 0 左右。现在全国大中型水库都已经或将要建立以遥测、遥感和电算技术为基础 的自动测报系统，根据许多水库水务工作人员的反映，不少水库的优化调度工作还没 有开展，因此水库优化调度的推广应用有着广阔的发展前景，本文的研究有较强的实 用性。 1 1 1 水库( 群) 的类型、作用和特点 为了从全流域的角度研究防灾和兴刹的双重目的，需要在河流的干支流上布置一 系列的水库，形成一定程度上能互相协调、共同调节径流，满足流域整体中各部门的 多种需要。这样一群共同工作的水库整体称为水库群。水库群的类型，按照各库的相 互位置和水力联系的有无，可以分为下列三种类型，即串联水库、并联水库及混联水 库三种水库群。水库群的工作特点主要表现在下列四个方面。( 1 ) 库容大小和调节程 度上的不同。库容大、调节程度高的就常可帮助调节性能差的一些水库，发挥所谓“库 容补偿”调节的作用，提高总的开发效果或保证水量。( 2 ) 水文情况的差别。由于各 库所处的河流在径流年内和年际变化的特性上可能存在的差别，在相互联合时，就可 能提高总的保证供水量或保证出力，起到所谓“水文补偿”的作用。( 3 ) 径流和水力 上的联系。在梯级水库，这种联系影响到下库的入库水量和上库的落差等，使各库无 论在参数( 如正常蓄水位、死水位、装机容量) 选择或控制运用时，均有密切的相互 联系，往往需要统一公平确定。( 4 ) 水利和经济上的联系。一个她区的水利任务，往 往不是单一水库所能解决的。这就需要由同地区的各水库来共同解决，或共同解决 效果更好，这就使组成梯级水库群的各库间具有了水利和经济上的联系。 第一章绪论 1 1 2 入流预报概述 由于水库群的调度与水文情况密切相关，为了确保水库的安全，充分发挥水库群 的兴利减灾作用，必须作好水库群的入流预报工作。水文预报分中长期水文预报和短 期水文预报。目前在短期水文预报工作中使用最多的是确定性概念模型，即把预报对 象的自然水文过程抽象为一个系统，根据对系统行为物理过程的概化，用一系列数学 方程式来描述，进而由系统的输入做出对输出的数字模拟，这就是流域水文模型。 水文模型是由传统的水文学方法发展而来的，它具有原先方法所没有的些明显 特点。第一，水文模型将流域作为一个有机联系的系统，从系统学的角度研究系统的 输入，输出和各状态变量的时序过程及内在联系，因此可以得到三者函数关系。模型 的输出除了出口断面流量外，还有系统内的各种状态变量及其过程，如土壤蓄水量、 蒸发量和各河段的流量等。第二，水文模型能解决实测资料范围以外的外延问题。第 三，水文模型有助于认识流域水文规律，并提高模拟精度。 模型的模拟与实际情况之间必然会有误差，它可能是由模型本身不完善或输入资 料的误差等原因产生的。但不论是何种原因造成的，都需要改进。在水文预报应用中 必须设法减少误差，于是实时校正被提出并很快发展了。国外8 0 年代初，将概念性 模型与实时校正技术相结合，组成联机实时预报系统，用于工程管理等领域并取得成 功，目前这一途径国内外都在研究并付之实际应用。近二十年来，我国水情自动远传 遥测和作业预报自动化与实时校正等技术方面都有长足进步，水文自动测报系统技术 及水平有较大提高，覆盖面日益增大。利用遥感遥测( r s ) 、地理信息系统( g i s ) 和全球定位系统( g p s ) ( 即3 s ) 的分布式流域水文模型开始实用性研究，将水文预 报用于工程化调度和决策支持系统的研究也日臻完善。 1 1 3 水库群调度的特点 1 、高维性 对于复杂和庞大的水库群系统优化调度问题，需要引入若干个状态变量，状态变 量数目的增加，使每阶段各状态的组合数目随状态变量的数目呈指数关系增加。 2 、关联复杂性 2 第一章绪论 水库群结构主要可分串联水库群、并联水库群和混联水库群三类，处在同河流 的梯级水电站不仅有电力方面的联系，而且水量水头之间关系也十分密切。 3 、不确定性 水库的天然入库流量过程是一种随机过程，而入库流量是水库群调度的基础，由 于来水是一个不完全确定的量，必然给水库群的调度带来一系列不确定的因素和困 难。 4 、多目标性 水库一般都具有综合利用任务，产生防洪、发电、灌溉、航运等多种效益，水库 的各个目标之间是相互影响、相互制约的，有些甚至是相互矛盾和不可公度的。 1 2 水库调度进展 1 2 1 水库调度规模的发展 1 、革库谓度 一座水库作为一个独立的系统进行调度为单库调度、对于不同用途的水库，其调 度原则也不尽相同，主要有兴利调度和药洪调度两种。综合利用水库服务目标有多个， 如发电、防洪、灌溉、供水、环保和旅游等。这些目标有些是不可公度的，甚至有些 是不可定量的目标，因此水库多目标调度成为现代水资源系统分析的一个重要组成部 分。 单库调度作为水库群联合调度的一个基本单元，是水库群联合调度的基础。进行 充分细致的研究，对于进步解决库群联合优化调度具有重要意义。因此在国内外受 到了广泛而深入的研究，并建立了大量的水库调度模型。 2 、水库群联合调度 组成水库群的各库，其水文径流情况和调节性能不同，联合调度工作可以进行各 库间的水文补偿和库容补偿调节。在规划设计中，这种相互补偿调节可以提高水库群 总的保证出力在建成后的兴利运行中，不但可提高全水库群的水量利用效益，而且 还可以提高水头利用效益。因此水库群电站的联合优化调度问题很受重视，国外从7 0 第一章绪论 年代中期开始研究库群的优化调度问题，我国从8 0 年代中期也开始研究库群的优化 调度问题，目前已取得丰富的成果。 1 2 2 水库调度方法概述 水库调度方法有常规调度方法、优化调度方法。随着调度方法的逐步发展，在进 行水库群和水利系统的联合调度时，将单一目标水库( 群) 看成一个系统，应用系统 工程的优化方法，如多目标分析方法，大系统分解协调方法和决策支持系统方法等， 水库群优化调度问题是水资源规划管理的热点方向和前沿研究领域。 1 、常规调度 常规调度是种传统的调度方法，根据水库的开发和调度准则制定出调度曲线， 按一定的调节方法计算水库任一时刻的水位并表示成运行方式的函数。即以基本调度 线体现水电站的保证运行方式；以加大出力线体现多余水量的利用方式；以降低出力 线体现水量不足时的运行方式；以防洪调度线体现洪水调度方式。调度图调度具有简 单直观和一定可靠性的优点，但是，由于调度图带有一定的经验性，因而调度结果一 般只是可行解而不是最优解。其次，由于调度图的绘制，往往不考虑短期或中长期预 报，或者即使按某些判别式进行调度，又考虑本时段的预报来水量，所得结果也只是 局部最优解而非全周期最优解。 2 、优化调度 优化调度是运用系统工程优化方法，将水库的调度问题处理成系统工程的优化问 题，用优化技术确定水库的最优决策，使水库获得最大的调度效益。优化调度根据所 研究的方法不同，又可分成确定性优化法，隐陛随机优化法和显性随机优化法。 水库优化调度动悉规划方法的基本思想建立在美国数学家r b e l l m a n 在5 0 年代 提出的动态规划( d p ) 理论基础之上的，实质上动态规划是最优化领域的一个重要 分支，这是一种研究多阶段决策过程的递推最优化方法。 采用多阶段决策过程，可把一个包含多变量的问题分解成一系列各自只包含一个 变量的问题。 4 第一章绪论 s c h u i t z 对某并联水库群建立了一个动态规划模型，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。w a s i m i 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，适合于中等洪水调度，但对于大洪水显得 无力。虞锦江等在可能最大洪水概念的基础上，提出了满足设防洪水要求的洪水调度 动态规划模型，对水库群联合调度问题有所涉及。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，但不能考虑洪 水演进的变形。胡振鹏、冯尚友建立了一个多状态动态规划模型，目标函数取为总分 洪最小或者所需调洪库容最小，并以预报。决策- 实施所谓的前向卷动决策方法求解。 许自达以时空动态规划求解水电站水库群最优洪水调度问题，以般动态规划求解整 体防洪措施最优运用问题。李文家、许自达根据经过水库群拦蓄后下游超过设防标准 洪水最小的准则，结合河道滞蓄作用大小，建立了黄河三门峡、陆浑、故县三库联合 调度防御下游洪水的动态规划模型。吴保生、陈惠源建立了一个并联水库防洪优化调 度的多阶段逐次优化算法模型，解决了河道水流状态的滞后影响问题，也易于考虑各 种约束，但所提模型是针对并联水库群，将洪水预报与水库调度作为整体也有待进一 步研究。傅湘、纪昌明针对过去使用动态规划进行防洪调度时忽略了后效性影响的缺 陷，建立了一个多维动态规划单目标模型，采用p o a 算法连续求解与决策。针对动 态规划求解的维数灾问题，v a l d e s 、s t r z e p e k 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解集方法。v 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。 动态规划方法适于水库调度的多阶段决策特点，优选算法也多，但求解都较繁琐 复杂实用上存在“维数灾”问题这就便其应用受到了一定限制，需要加以深人 研究和细化。 3 、多目标分析方法 多目标分析的度量单位多不可公度，各目标之间利益相互矛盾和竞争。多目标分 析方法的解是一组非劣解，决策过程还需要考虑决策者偏好要求。求解技术可以分为： 生成技术、结合偏好的决策评价技术和交互式决策技术。由于水库群的目标除防洪之 外，还必然涉及到发电、灌溉、环保等其它问题，所以多目标分析方法的引入是很自 然的。 第一章绪论 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。林翔岳、许丹萍、 潘敏贞研究了五个水库的多目标分层序列优化建模问题am 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目标模型，以约束法求优化泄水方案。陈守煌、周 惠成对黄河防洪调度方案应用了多目标多层次理论和模糊优选分析方法进行研究，形 成决策支持系统。王本德、周惠成、程春田结合丰满一白山梯极水库群的洪水联合调 度，以调度方案为决策，以水库泄流为状态，应用模糊优选技术选择系统洪水调度方 案。王本德、周惠成、蒋云钟等对准河流域五水库建立了多阶段多目标水库群防洪调 度模型。贺北方、丁大发、马细霞以自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。 多目标分析方法与单目标分析方法相比，可考虑不可公度目标的组合以及更多的 实际影响因素，获得权衡系数，但就目前而言，理论与实际j 呶用方法均需进一步完善。 4 、大系统分解协调方法 非线性规划问题的分解算法，在水资源系统分析领域中的应用很广泛，这主要是 由水资源系统所具有的明显时空区域性，以及分解协调技术所具有的应用灵活性所决 定的。7 0 年代起，大系统理论得到迅猛发展。大系统具有高维性、不确定性、规模庞 大、结构复杂、功能综合、因素众多等特征，分解协调方法几乎贯穿于大系统理论的 所有方面。1 9 8 3 年b e n d 等人研究了某条河流上的一个复杂系统，子系统基本上是按 目标功能来划分的。1 9 8 4 年郭元裕等人研究了湖北四湖地区的排水系统；1 9 8 6 年他 们进一步与多目标结合作了研究；1 9 8 5 年，李朝安初步设想了该法在水火电力系统 联合优化运行中的应用。同年，陈雪青等对水火电力系统短期运行作了实例研究。 水库群系统是一个相互关联的复杂大系统。目前，该理论在水电站水库群系统优 化调度领域渐受重视，在防洪水库群系统中的应用才刚刚起步。董增川在8 0 年代研 究了大系统分解原理在水库群优化调度中的应用。封玉恒以最小洪灾损失为准则确定 水库群优化调度目标函数，以分解协调方法对模型进行求解。黄志中、周之豪对澄水 流域提出了水库群实时防洪调度的多目标决策模型，以分解协调方法克服“维数灾”。 6 第一章绪论 5 、决策支持系统( d s s ) 水资源决策支持系统d s s ( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ) ，是以现代通讯设备所采集 的水资源基本数据为基础，应用决策科学、运筹学和水资源工程学等科学的有关理论 和方法，为水资源决策者提供各种决策信息，并允许水资源决策者直接干预和接受他 们的经验、直观判断或偏好的动态交互式计算机系统。 水资源系统d s s 的研究始于7 0 年代中期，到8 0 年代随着计算机的发展，d s s 才对水资源领域有了较大影响。8 0 年代美国在水资源管理d s s 方面的进展主要是采 用计算机和通讯技术的新成果，建立水资源系统管理d s s 。主控制站通过计算机、远 程终端联网，实时接收信息并发出指令或直接遥控。人机界面使用户方便地查询、 修正数据。随后。交互式图象技术和g i s 引入w r p m - - d s s 是d s s 的一个新进展。 加拿大的一批学者开发了水库分析i d s s - - r e z e s ，它包括一个由11 个水库分析模型 组成的模型库及应用图形技术于界面和成果演示。 我国对d s s 的研究始于8 0 年代末，李惕先曾研究过水电站库群长、短期优化调 度d s s 。1 9 9 3 年，问德薄等建成江西省水火电站实时优化调度d s s ，能制订水电站 群的长、中、短期优化运行计划并实时修正及对该系统的6 座水电站、1 1 座火电站的 6 0 台机组每天进行逐小时的负荷优化分配。解建仓等以跨流域水电站群中长期调度计 划问题为研究主题，通过大系统的分解协调和决策者交互方式的补充，实现综合的决 策支持算法，其充分考虑了决策者对处理问题过程的参与，并针对西北电网中的3 大 流域，8 个水电站进行了分析计算，实验证明该算法可以提高跨流域水电站群间的补 偿效益，使调度计划出力过程相对平稳，符合了合理制定调度计划的应用要求。随着 我国水电事业的发展，需要实旖水电站群联合优化调度的工具。同时水电站又是与火 电站一起在电力系统中联合运行，研制水火电站优化调度d d s ，对于提高电力系统 的经济效益和运行管理水平都有现实意义。我国已建成若干大型引水工程及许多区域 性供水系统，管好这类工程并充分发挥其效益需要一个统一管理调度的机构和管理调 度d s s 。 近年来，运筹学优化理论中的排队论、存贮论和对策论、模糊数学、灰色系统理 论、网络理论、人工神经网络理论、遗传算法等多种理论和方法的引入，也大大丰富 了水库群系统防洪联合调度问题的研究手段和途径。 7 第一章绪论 1 3 本文研究的主要内容 l 、对入库径流的短期预报方法进行了综合描述，分别用新安江模型、萨克模型 和水箱模型对融江流域实际资料进行模拟计算。对模拟结果进行了分析比较。 2 、对水电站厂内经济运行问题进行了研究，将水电站厂内经济运行动态规划模 型应用于麻石和浮石水电站，计算出各水电站全厂机组综合动力曲线和相应的最佳负 荷分配方案，并进行实例验证分析。 3 、研究和建立了一个集发电调度模型、水位控制模型和流量控制模型于一体的 水库调度模型集成系统。该模型可进行洪水期和非洪水期不同情况下的调度，可根据 来水的不同情况，进行相应的发电调度或防洪调度，改进了原有水库调度系统，提高 了系统运行的灵活性和可扩展性。 4 、在已有研究成果基础上，提出了一种水库群发电优化调度的系统分解协调方 法。针对串联水库系统，研究大系统分解协调方法在库群系统水量调度决策中的应用， 建立了相应的数学模型，并将该方法应用到融江流域水库群的优化调度中，所得结果 较为合理。 第二章洪水预报 第二章洪水预报 洪水预报是预见未来水情变化的一种科学情报工作，它不仅是水库进行科学管 理，搞好水库调度的重要依据，而且对确保水库和下游安全，充分发挥水库的综合利 用效益起着重要作用。 水库洪水预报是水库调度的基础和关键，有了准确的洪水预报，才能在调度和管 理运用中做到心中有数，取得主动权，可靠的洪水预报对防止洪水灾害具有特别重要 的作用。洪水预报得到越来越广泛的重视。近些年来，一方面尽量利用水文气象预报， 增加预见期，同时广泛使用近代技术，如遥感遥测技术、电子计算机技术等，提高了 预报的计算速度和精度，使预报的有效期增长，为防洪决策和抢险争取了宝贵的时间 和主动权。 根据洪水形成和运动规律，利用过去和当前的水文气象资料，预测未来洪水预报 大体上有两部分内容。其一是脱机编制预报方案，其中包括历史水文数据处理、预报 模型的选择、模型参数率定和综合。在这方面，世界各国的水文科技工作者己研制建 立了多种多样的流域水文模型，用来进行水文预报。这些流域水文模型可分为物理模 型、概念性模型和系统( 黑箱) 模型三大类。在应用于进行洪水预报时，概念性模型 和系统模型应用较多，效果较好。其二是联机实时预报和调度，其中包括实时数据的 处理和显示、模型预报计算及实时校正和调度。 2 1 流域洪水预报模型 流域水文模型的研究和应用，国外开展较早，如5 0 年代末期美国的斯坦福模型， 6 0 年代日本的水箱模型，7 0 年代美国的萨克模型等。我国水文模型的推广应用始于 7 0 年代。其中新安江模型适用于湿润半湿润地区，应用较广泛。现分别介绍几种常用 的概念性洪水预报模型。 第二章 共水预报 1 、新安江模型 新安江模型是1 9 7 3 年由赵人俊等提出，是一个分布式的概念性流域降雨径流模 型，并在实践中不断完善。8 0 年代中期发展改进成为新安江( 三水源) 模型。 新安江模型是一个完善的降雨径流流域模型，可用于湿润地区与半湿润地区。目 前该模型在国内外得到广泛的应用。模型主要由四部分组成，即蒸散发计算、蓄满产 流计算、流域水源划分和汇流计算。模型计算流程如图2 1 所示： 图2 1 新安江模型示意图 i 输出j 涮 i j 新安江模型三水源模型共有1 5 个参数，可分为四类：第一类为蒸散发计算i 第 l o 第二章洪水预报 二类为产流量计算；第三类为分水源计算：第四类为汇流计算。有些参数很敏感，参 数值稍有改变对输出的影响都较大；有些参数则反映迟钝，参数值的改变对输出的影 响不大。因此，在确定模型参数时可以根据情况来分别处理。对敏感的参数要仔细优 选率定，对不敏感的参数可根据一般经验确定，不参加参数优选识别。 2 、水箱模型 水箱模型( t a n km o d e l ) 子6 0 年代由日本国立防灾科学研究中心提出。目前，日 本各河流的水箱模型基本上都己建立。7 0 年代在不少国家作了应用。1 9 8 0 年以来我 国有关单位也作了一些研究和试用。 水箱模型由一系列具有侧孔或底孔的水箱直列而成，一个最简单的水箱如图2 - 2 所示，水箱模型假定每个水箱中任意一个出流孑l 的出流量与其中蓄量呈线性关系，因 此在图2 - 2 所示的情况下，侧孔与底孔的出流量可分别按下式计算 y - a l x ( 2 1 ) z 2 a o x f 2 - 2 ) 式中，x 为水箱中任时刻的蓄量；a o ，a 1 分别为底孔和侧孔的出流系数；z 、 y 分别为底孔和侧孔的出流量。 图2 2 水箱模型示意图 y 从物理意义上讲，底孔出流可模拟下渗，侧孔出流可模拟径流。 第二章洪水预报 降雨从最上面的水箱进入，蒸发能力作为负降水处理( 但不累计) 。各水箱侧面 和底部设有出流孔和渗透孔。各水箱的蓄水或从侧孔流出，或从底孔向下一个水箱渗 透，每孔的出流量与它所在水箱的蓄量呈线性关系。各侧孔出流之和即为流量。在四 层水箱模型中，第一层水箱出流相当于地面径流，当第一层水箱多于一个侧孔时可用 于模拟地面径流的非线性性质。其余三层水箱分别用于模拟壤中流、准基流、基流。 水箱模型包括的参数是蒸散发折算系数、侧孔和底孔高度与出流系数。由于它f f 的物理意义不很明确，故主要依靠调试的方法来率定。根据一般经验，一、二层模型 可用于模拟洪水；二、三、四层水箱可用于模拟年或多年的流量过程线。就目前国内 外应用该模型的情况看，水箱模型的结构还没有超过四层的。总的说来，该模型使用 的效果是好的。 3 、萨克模型 萨克模型是在7 0 年代初由美国加里福尼亚州萨克拉门托河流预报中心研制的一 个确定性、概念性的集总参数模型，该模型系统建立于1 9 7 1 年，1 9 7 3 年开始使用。 萨克模型结构如图2 。3 所示。模型把流域分成固定不透水面积，透水面积和可变不透 水面积三部分，径流来源有固定不透水面积上的直接径流、可变不透水面积上的直接 径流和地面径流、透水面积上的地面径流、壤中流、浅层基流和深层基流七部分，其 主体为透水面积。土壤含水量分上、下两层，每层蓄水量又分为张力水和自由水两种。 两土层之间由一条霍尔顿( h o r t o n ) 型下渗曲线沟通，这条曲线是模型的核心。流域 的蒸散发也有五部分组成，即透水面积的上层张力水蒸散发、透水面积的上层自由水 蒸散发、透水面积的下层张力水蒸散发、可变不透水面积上的蒸散发、河道中的水面 蒸发。 第二章洪水预报 图2 - 3萨克模型示意图 在图2 3 中： p c t i m 河槽( 包括直接连通的湖泊、水库) 及其相联的不透水面积占全流 域的比重，称永久性不透水面积； a d m m 一当上层张力水饱和，变成的不透水面积占全流域面积的比重，可变 的不透水面积； 第二章泱水预报 u z t w 上层土壤所含张力水( m m ) ； u z f w 上层土壤所含自由水( m m ) ； z p e r c 下渗系数，决定下层最干旱时的最大下渗率； r e x p 下渗指数，决定下渗率随上层蓄水量变化的函数形成： p f r e e 从上层向下层下渗水量中直接补给下层自由水的比例； l z t w 下层土壤所含张力水( m m ) ： l z f p 下层深层土壤所含自由水( m m ) ； l z f s 下层浅层土壤所含自由水( r a m ) ； r s e r v 下层自由水中不蒸发部分所占比例； u z k 上层自由水日出流系数； l z p k 下层深层自由水日出流系数； l z s k 下层浅层自由水日出流系数； s i d e 阱未观测到的基流对观测到的基流的比值数计； s s o u t 河槽总径流中径流损失系数。 萨克模型中有1 7 个参数，但主要参数有7 个：u z t w m ，u z f w m ，l z t w m l z f s m ，l z f p m ，r e x p ，z p e r c ，表2 1 给出了这7 个参数对洪水的影响情况。 表2 1 萨克模型中几个主要参数对洪水的影响 参数相应值变化主要 符号变化峰值 k sr s u b r s r影响项 u z t w mfjlij4r u z f w mtl lfl 过程线 l z t ，mf ；li；r l z f s mtlji ，f4 过程线 l z f p mfllfj过程线 r e x p。fi 过程线 z p e r cfiitl过程线 1 4 第二章洪水预报 2 2 几种流域模型的应用与检验比较 世界气象组织( w m o ) 在7 0 年代初期首先组织对概念性模型的比较，8 0 年代 中期和9 0 年代初又先后组织了对融雪模型和实时校正模型的比较。爱尔兰国立大学 水文系在举办多期的国际河流洪水预报研讨班中，也对模型进行了分析比较。水 利部水文司、信息中心1 9 9 7 年1 2 月在武汉组织了全国水文预报竞赛。另外还有许多 研究者也对模型进行了分析比较。模型的比较，都是利用统一的标准资料系列，进行 模型参数的率定和模拟计算。 国家电力调度中心在1 9 9 7 年曾组织了全国水电系统水文预报情况的调查。从4 7 个单位的反馈情况看，已开展中长期预报工作的有1 0 个，采用的方法有：统计法、 时间序列法、径流相关多因子法、成因分析法、模糊分析法、周期分析和回归等。 短期水文预报是每个水电厂必须开展的工作。采用的模型主要有：新安江模型( 占 总数的5 3 ) 、大型水电系统实时洪水预报与调度模型( 占总数的1 9 ) 、其余有指数 分流非线性洪水预报模型( 东北电网调度中心) 、水箱模型、萨克模型等。 虽然目前国内外各种流域水文模型不尽相同，但它们都应包括两个基本部分。第 一是水量平衡部分。在总体结构中，这一部分主要处理降雨损失，即产流，它决定着 径流总量的大小。例如，斯坦福模型就是用超渗产流的概念来处理产流问题的；新安 江模型是用蓄满产流的概念处理产流问题的；萨克模型是综合蓄满产流和超渗产流的 概念处理产流问题的。此处在各种水源中，也有水量平衡问题。第二是流域调蓄部分， 这部分决定着径流的时程分配，即汇流部分。它包括坡面调蓄和河网调蓄，合起来就 是流域调蓄。坡面漫流、壤中流和地下水流等各种水流在进入河塘以前都受到坡面的 调蓄，在模型中坡面调蓄多与水量平衡部分同时处理。各种水源在进入河网后，构成 河网总入流，共同接受河网的调蓄。例如在斯坦福模型中坡面漫流的坡面调蓄用非线 性函数，在新安江模型中单位线法进行调蓄。 本论文利用融江流域资料，对新安江模型、萨克模型和水箱模型进行比较分析。 麻石水电厂，位于广西融水县，东径1 0 9 0 2 9 ，北纬2 5 0 2 9 。控制融江流域面积 1 9 4 2 2 k m 2 。流域处于广西北部、贵州东南部，气候温暖，湿润多雨。麻石站年平均雨 量约2 2 0 0 毫米( 1 9 8 8 至1 9 9 4 年) 。汛期雨量集中，多暴雨及特大暴雨。雨强大，历 时长，分布极不均匀，加上山高坡陡，汇流很快，常形成大洪水。麻石以上暴雨中心 常常在中下游，因而洪水预见期短，对防洪极不利。 第二章洪水预报 本论文选用该流域内有代表性的5 个水文站，1 1 个雨量站的1 9 8 1 1 9 8 8 年的水 文资料进行研究。这些水文站和雨量站的分布如图2 - 4 所示。图中或v 代表水文站， o 代表雨量站。分别用新安江模型、水箱模型和萨克模型对各水文站1 9 8 卜1 9 8 4 年的 逐日流量、蒸发量及其控制范围内的雨量站的逐日雨量进行日模拟计算，得到蒸发折 算系数。又选用该流域1 9 8 1 年一1 9 8 4 年l o 场洪水进行参数率定。这l o 场洪水包含有 大、中、小洪水。最后用1 9 8 5 年一1 9 8 8 年1 0 场洪水进行了参数的验证。 图2 4 融江流域图 1 6 第二章洪水预报 图2 5 融江流域新安江模型日模模拟图 图2 - 6 融江流域萨克模型日模模拟图 第二章洪水预报 图2 7 融江流域水箱模型日模模拟图 第二章洪水预报 因篇幅所限，提供对萨克模型进行验证时的次洪模拟结果如图2 8 、图2 - 9 、图 2 1 0 所示。 图2 - 88 6 0 6 0 5 次洪水模拟图 图2 - 98 7 0 6 1 4 次洪水模拟图 1 9 第二章洪水预报 图2 1 08 8 0 5 0 2 次洪水模拟图 2 3 成果分析 在上一节的计算中输入是日雨量与日蒸发量实测值。日蒸发量实测值乘k 成为蒸 散发能力。输出是流域出口流量过程。选用麻石8 1 年到8 4 年的逐日流量、蒸发量、 各站逐日雨量迸行日模型计算，目的是确定部分预报模型参数和次洪水计算开始时刻 的土壤含水量。计算出的年径流误差如表2 - 2 所示： 表2 - 2 日模误差统计表( 单位：) 芷 新安江模型萨克模型水箱模型 1 9 8 17 1 05 8 79 o o 1 9 8 21 2 5o 9 625 3 4 1 9 8 32 5 363 475 2 1 9 8 41 2 32 5 935 6 从上一节的次洪模拟图中可以看出，洪后退水曲线高于洪前退水曲线。几场洪水 的模拟，形状和峰值都拟合的较好。在几场洪水的模拟中，实测洪峰与计算洪峰的误 第二章洪水预报 差都在误差允许范围之内。 本论文中对模型结构作进一步的对比分析，在三个模型中河网汇流计算方案都取 为相同，而蒸散发计算、产流与分水源计算等部分则采用模型各自的结构a 目标函数 都取下式计算： m 盯 o b = a b s ( l o g ( m ( i ) q ( i ) ) ) l o g ( m ( 1 ) ) m ( d 1 ( 2 - 4 ) i - 1 i l l 式中m u ) 实测流量过程； q q ) 计算流量过程； 表2 - 3 薪安江、萨克、水箱模型计算结果比较表 模型o bkr s r i r g 新安江 o 1 70 5 50 5 9 5o 3 0 7 0 0 9 8 萨克 o 1 5 o 5 6 0 5 3 50 3 6 9o 0 9 6 水箱 o 1 60 5 60 5 9 30 2 9 9 0 1 0 8 从表2 3 可看出，三个模型计算出的精度很相近，蒸散发参数k 很相近。三个模 型的水源划分结果( 地面径流、壤中流、地下径流占总径流的比r s 、r i 、r g ) 大体 一致。由于新安江有三水源，萨克和水箱有四种水源，比较时进行了折算。折算中萨 克的慢地下水计入地下径流r g ，快地下水与壤中流合计为壤中流r i 。水箱模型中的 第二水箱出流计入r i ，第三、四水箱出流合计为r g 。由于折算不确切，可能存在有 误差。 对于其相近的原因。文献【4 2 】中有如下描述： 1 、蒸散发模型都根据蒸散发能力作计算，并都分为几个土层，蒸散发由上层到 下层逐层递减。递减的函数各模型有所不同，但差别不大。 2 、产流结构都具有蓄满产流的性质。新安江模型中明确采用蓄满结构，水箱模 型的结构也是蓄满型的，不存在下渗曲线函数。萨克模型虽然具有蓄满与超渗两种结 构，但它通用于湿润与干旱地区，对湿润地区超渗结构的作用不大。 3 、分水源的结构基本相同。包气带分为几个土层，地面径流是在表层土自由水 蓄量达至n 饱和后产生的，地下径流与壤中流都是由自由水蓄量排出而形成的。三个模 2 1 第二章洪水预报 型的自由水库都用线性水库模拟，水源划分决定于两个条件，一是地面径流超蓄的标 准，即表层土的自由水容量，二是每个土层的分流比例，线性水库都有两个并联的出 流孔，决定了土层的分流比例。 4 、三个模型的汇流结构性质都是河网汇流。在水源划分以后，得到的是河网总 入流，以后的汇流就是河网汇流。河网汇流的计算方法比较单纯，而且与其它结构之 间没有交叉。 在模型的计算中，发现新安江模型的参数都具有明确的物理意义，因此它们的数 值大体上可以根据经验定下来，然后再用资料对个别较敏感的参数进行调试。新安江 模型的四类参数中，各类参数有各自的作用与目标，相互之间的独立性是比较好的。 而同类之间的各参数由于目标相同，相互之间的相关性就大一些。 萨克模型中参数多，相互关系复杂，调试工作要比新安江模型困难。水箱模型结 构在物理上有缺陷，但精度甚高，原因也在于水源划分处理得好。水箱模型包括的参 数是蒸散发折算系数、侧孔和底孔高度与出流系数。由于它们的物理意义不很明确， 主要依靠调试的方法来率定，所以参数不易确定。 2 4 实时联机预报概述 实时联机预报是当今水文预报的一门综合新技术，它是指利用水文遥测系统，实 时收集流域内的雨量和水位等水文信息，并将信息直接输入计算机进行同步数据处 理，做出预报。这种预报技术的特点是快速和准确，信息的收集、传递、数据处理和 做出预报几乎是同时进行的，因此增长了有效预见期。同时，由于利用反馈的信息， 可对预报进行实时校正，所以又可提高预报精度。 众所周知，由于模型输入输出信息的量测误差、模型结构对实际水文现象概括的 差异等原因，预报总可能出现误差。据分析，其中既能有系统偏差，也有随机的偶然 误差，如何消除或降低预报误差，一直是人们探索的一个重要问题。当然，分析误差 的来源，不断地完善和改进预报模型是重要的，而另一方面，也可以通过某种方法或 手段来分析误差的产生和变化规律，对预报模型计算值进行逐时段的误差校正，或根 据预报时刻前的实测值，对预报变量或模型参数进行最优估值，期望获得预报发布值 与即将出现相应的实测值误差为最小的结果，这就是通常人们常说的实时校正概念。 它是洪水预报系统的一个重要组成部分，也是近代实时联机预报的一个重要环节。 第二章洪水预报 实时联机预报方法有多种方法，可以分为两类：( 1 ) 预报与校正模型合一。一般 的黑箱模型都是这样，如c l s 模型。通常采用的是卡尔曼滤波或者递推最小二乘法。 ( 2 ) 预报+ 校正模型。如先用概念性水文预报模型，而后用误差自回归进行实时校正。 1 、卡尔曼滤波法 卡尔曼滤波理论是由卡尔曼( r e i e 。f l m a n ) 等人于2 0 世纪6 0 年代初提出的，由 于它具有无偏最小方差估计的性质，计算采用线性递推的形式，并具有较强的模型适 应性，因而在现代科学技术领域得到了广泛的应用。7 0 年代中期国外开始将它引入到 水文领域，国内在8 0 年代也进行了不少尝试和研究，并取得了部分成果。 水文系统是一个确定一随机型系统，雨洪过程的对应，反映了它的确定型部分， 但系统的输入输出，则存在着干扰或噪声。也就是说，系统的状态，无论是过去、现 在或未来，都具有某种随机的性质，不能精确地知道。卡尔曼滤波法就是根据已有数 据对系统的过去、现在和未来的状态做出最佳的估计。卡尔曼滤波法是根据使误差协 方差矩