（水利工程专业论文）昭平台白龟山梯级水库联合防洪优化调度研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本文在对河南省沙颍河流域的昭平台、白龟山水库联合防洪潜力分析的基础上，进 行梯级水库的联合防洪优化调度研究，具体研究内容和成果概况如下： ( 1 ) 对本文的选题背景和国内外在联合调度方面的研究进展进行了概述，并确定本 研究的主要内容。 ( 2 ) 介绍本文研究的工程实例昭平台一白龟山梯级水库的基本情况，根据目前单库运 行调度存在的问题，提出本文研究的问题。 ( 3 ) 研究梯级水库的联合防洪调度。主要包括：水库群防洪调度的分类：梯级水库 联合调度方式；梯级水库联合防洪补偿调节原理。研究昭白梯级水库联合防洪调度的必 要性和可行性，确定梯级水库间的联合防洪调度方式，拟定初步的联合防洪调度规则进 行联合防洪调洪演算，并对联合防洪调度进行潜力分析。 ( 4 ) 结合工程实例，进行梯级水库的联合防洪优化调度。并根据两库所在流域的特 点和水库工程特性，采用系统分析方法，提出梯级水库防洪优化调度数学模型，建立梯 级水库防洪调度动用的总防洪( 调洪) 库容最小为目标函数，并采用马斯京根分段连续洪 水演进法建立梯级水库的耦合约束条件，采用增量动态规划算法进行模型求解，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。 ( 5 ) 进行昭平台一自龟山梯级水库联合防洪优化调度规则研究。 关键词：梯级水库；联合防洪；优化调度；增量动态规划 昭平台白龟山梯级水库联合防洪优化调度研究 s t u d yo no p t i m a lh o o dc o n t r o lo f z h a o p i n g t a i - b a i g u i s h a nc a s c a d er e s e r v o i r s a b s t r a c t b a s e d0 1 1t h ea n a l y s i so ff l o o dc o n t r o l sp o t e n t i a lo nt h ez h a o p i n g t a ia n db a i g u i s h a n c a s c a d er e s e r v o i r so fs h ar i v e ra n dy i n gr i v e rd r a i n a g ea r e ai nh e n a n p r o v i n c e ，t h eo p t i m a l f l o o dc o n t r o lo fc a s c a d er e s e r v o i r si ss t u d i e d t h em a j o rc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i ti sa b o u tt h eb a c k g r o u n do ft h es t u d ya n ds u m m a r i z et h ef l o o dc o n t r o l s d e v e l o p m e n ti ni n l a n da n do v e r s e a s t oc o n f i r mt h em a j o rc o n t e n t sb ys t u d y ( 2 ) t oi n t r o d u c et h eb a s i na n de n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fz h a o p i n g t a i - b a i g u i s b a n c a s c a d er e s e r v o i r s ，b a s e do nt h e q u e s t i o n so ft h es i n g l e r e s e r v o i r sf l o o dc o n t r o l ，t h e s e q u e s t i o n so fs t u d y i n gi sp r e s e n t e d ( 3 ) t 1 l ef l o o dc o n t r o lo fc a s c a d er e s e r v o i r si ss t u d i e d t h em a j o rc o n t e n t so ff o u rp a r t s ： t h es o r to fm u l t i - r e s e r v o i r s f l o o dc o n t r o l ；皿em o d eo ff l o o dc o n t r o lo fc a s c a d e r e s e r v o i r s ；t h ee l e m e n t so fc o m p e n s a t i o no 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 os t u d yt h ef l o o d c o n t r o lo fc a s c a d er e n ，o i 璐i fi ti sn e c e s s a r ya n df e a s i b l e t h e ns t u d yt h em o d eo ff l o o d e o n t r 0 1o fc a s c a d er e s e r v o i r sa n dc o u f l r mi t , n ee l e m e n t a r yf l o o dc o n t r o l sr e g u l a t i o ni s c o n f a l m c da n du s e di nf l o o dc o n t r o lt oa n a l y s et h ef l o o dc o n 矗o l sp o t e n t i a l ( 4 ) i ti sa b o u tt h eo p t i m a lf l o o dc o n t r o lo fc a s c a d er e s e r v o i r s b a s e d0 1 1t h eb a s i na n d e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fz b a o p i n g t a ia n db a i g u i s h a nc a s c a d er e s e r v o i r s ，a no p t i m a l f l o o dc o n t r o lm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h i ss y s t e mi sp r e s e n t e db yu s i n gt h es y s t e m sa n a l y s i s m e t h o d s 。t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sc o n s i d e r e dt h en l i n j n l n mt o t a lf l o o ds t o r a g ea so b e m i v e o n e i ta l s og i v e st h ec o u p l e dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n sf o rc a s c a d er e s e r v o i r sb yu s i n gt h e m u s k i n g u mf l o o dr o u t i n gm e t h o d 硼 s o l u t i o no ft h em o d e li sr e a c h e db yd i s c r e t e d i f f e r e n t i a ld y n a m i cp r o g r a m m i n gw h i c hw ec a l lo v e r c o m et h ed i m e n s i o n a l i t yo b s t r u c t i o n a n di 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 ( 5 )t os t u d yt h ef l o o dc o n t r o l sr e g u l a t i o no fz h a o p i n g t a ia n db a i g u i s h a nc a s c a d e r e s e r v o i r s k e yw o r d s ：c a s c a d er e s e r v o i r s ：o p t i m a lh o o dc o n t r o l ；d i s c r e t ed i f f e r e n t i a ld y n a m i c p r o g r a m m i n g i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：迹 日期：2 竺2 ：三 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 旧咖 导师签名 出上月一日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 本文的选题背景和主要研究内容 洪涝灾害是中国最为严重的自然灾害。由于特殊的自然地理和气候条件，我国的洪 涝灾害具有三个特点：一是发生频率高。平均每两年发生一次较大洪水。二是受灾范围 广。中国三分之二以上的国土都存在不同程度的洪涝灾害。三是一旦受灾，损失严重。 随着人口的增加和社会经济的不断发展，洪灾的损失也具有日益增长的趋势。美国预计 2 0 2 0 年平均洪灾损失将比1 9 8 0 年增加五倍；在我国，长江、黄河等七大江河中下游， 是中国经济最发达地区，约有全国二分之一的人口受到洪水的威胁。我国1 9 9 1 年江淮 严重洪涝，河南、浙江、黑龙江、吉林等省为局部洪灾，全国经济损失7 7 9 亿元，1 9 9 4 年上升到1 7 9 3 8 亿元，1 9 9 1 年至1 9 9 5 年平均洪灾损失1 0 5 6 亿元；1 9 9 8 年6 至8 月， 长江又发生了自5 4 年以来全流域性大洪水，湖北、江西、湖南等省都分别遭受了洪水 的袭击；嫩江流域、松花江干流也相继发生了超过历史记录的特大洪水，西江和福建闽 江发生了超过百年一遇的特大洪水，造成了巨大的经济损失f l j 。防洪问题也交得更为复 杂，传统的防洪模式受到挑战。因此，如何运用先进的技术和理论对洪水进行调度，选 择优化的调度方案，最大限度的减轻洪水威胁和洪灾损失是至关重要的。 防洪是一项复杂而艰巨的任务。解决洪水问题，其一是采用工程措施，形成以水库、 堤防、蓄滞洪区或分洪河道为主体的拦、排、滞、分相结合的防洪工程体系；其二是与 之相应的非工程防洪措施，即建立水库的防洪调度系统，以技术手段调控洪水i z j 。然而， 目前我国的水库，特别是北方的很多水库，由于不合理的水库调度管理方法，造成了水 库防洪能力利用不充分和洪水资源的太量浪费等诸多问题。 基于以上存在的问题，提出改变传统的防洪调度控制理念，研究切实可行的调度方 法，提出可操作的水库防洪调度控制方案势在必行。即在现有的防洪工程措施和洪水调 度技术水平的基础上，系统地研究防洪调度理论与方法，建立一套完善的梯级水库防洪 调度体系，在不增加投入的情况下，利用各水库进行洪水的联合调控，合理调度各水库 的蓄泄过程，从而削减洪峰，减少洪水灾害，保护下游地区人民生命财产安全，实现防 洪系统的最优调度与管理，最大限度地发挥防洪效益【3 】。这项研究对于提高水库的防洪 能力。适应区域经济发展是十分必要的，既具有重要理论意义，又具有巨大的社会价值t 本文的研究围绕河南省的昭平台和白龟山梯级水库展开。上游的昭平台水库以防洪 和农业供水为主，下游的白龟山水库以防洪为主，且两库目前都采用单库运行的防洪调 度方式。为充分发挥两库的的防洪作用，本文拟在对梯级水库联合防洪潜力分析的基础 昭平台白龟山梯级水库联合防洪优化调度研究 上，进一步对梯级水库联合防洪的调度方式、调度规则进行优化研究。 进行梯级水库联合防洪优化调度，首先需要解决的问题是水库依据什么调度方式进 行调度：其次，调度规则确定的情况下，需要分析采用哪种方法进行联合调度的优化计 算。目前，在水库群的调度方面，我们国家对有水电站的水库群优化调度研究较多，而 对其他水库群的防洪调度研究较少，尤其是水库群系统的防洪联合调度的研究有待进一 步加强与完善，以便在水库联合防洪调度中发挥更大的作用1 4 1 。本文将采用理论比较成 熟的增量动态规划方法，研究梯级水库防洪系统联合防洪优化调度问题。 1 2 国内外研究进展情况综述及本论文研究的内容 1 2 1水库群联合防洪调度研究现状 水库群防洪联合调度的研究方法有常规方法和系统分析方法 ( 1 ) 常规方法 常规方法是一种借助调度准则的半经验半理论方法。该方法利用水库的抗洪能力 图、防洪调度图等经验图表实施防洪调度操作，并考虑了前期一些水文、气象因子对预 留防洪库容的影响，此方法对预泄、错峰和补偿调度等具有一定的指导价值。但由于常 规方法是一种经验性方法，且不能考虑预报因子，所以此法仅适合于中小型水库。 ( 2 ) 系统分析方法 近5 0 年来，随着系统工程的迅速发展与广泛应用。该法是以建立水库群系统的目 标函数，拟定其满足的约束条件，然后用最优化方法求解由目标函数和约束条件组成的 系统方程组，使目标函数取得极值的水库控制运用方法。目前采用的有模拟方法和优化 方法【5 】。 模拟方法 模拟方法是通过模拟真实系统实际情况来建立一个模型，作为实际物理系统的缩体 来预测一定条件下( 入流、调度规则等) 该系统的响应( 调蓄水位、下泄流量等) 。最早的 模拟模型是2 0 世纪6 0 年代初，美国哈佛大学水规划小组采用的数学模拟方法。1 9 7 2 年，y o u n g 和b r e d h o e f t 提出了一个模拟模型，该模型是由个子模型一水文模型和经济 模型组成。美国垦务局在1 9 9 1 年也专门论述了该局在不同垦务工程中建立用的2 0 多个 模拟模型。在国内，从8 0 年代开始，利用模拟技术建立了一些调度模型，并以短时段 为计算时段，以长系列的历史数据进行模拟计算 6 - s 】。 模型方法允许水库系统的物理、经济和社会因素进行较详细的考虑，所蕴含概念易 于理解。在选用严格适合的数学型较为困难时，以功能仿真为基础的仿真方法相而言就 较为有效。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 优化方法 优化方法通过确定一组决策变量值，使得目标函数在约束条件下取得最优值。在水 库群系统防洪联合调度研究中，经常采用线性规划、动态规划等优化方法。 线性规划方法： 线性规划方法于1 9 3 9 年提出，是数学规划中应用最早并且应用最广泛的一种规划 技术，经过不断发展，线性规划的解法不断成熟并完善。大型线性规划已经可以求解数 百个变量，对于一些非线性规划也要常常转化为线性规划来进行处理。 在水库群防洪联合调度方面，7 0 年代初，w i n d s o r 最早进行了线性规划的研究。他 将洪峰一损失费用函数之间的非线性关系进行线性化处理，以单纯形法或者混合整数规 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，没有指出一个具体的水库 防洪目标函数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。后来，w i n d s o r 也做了部分改进1 9 1 。 王厥谋曾为丹江口水库建立了一个线性规划模型，可考虑河道洪水变形和区间补偿等， 但实施调度时需要长达7 d 的入库和区间洪水过程【l o 】。许自达将水库群系统防洪联合调 度的注意力转移到了下游河道的洪水演进上，分别以马斯京根法和槽蓄曲线推导了优化 调度计算式( 前者为线性规划模型，后者则为动态规划法) ，还给出了一个以线性规划方 法求解四水库并联的水库群系统防洪优化联合调度的算例【u 】。都金康、周广安分析了并 联水库群下泄流量与河道防洪控制点洪峰流量之间的内在联系，提出了水库群洪水调度 模型及其逐次优化解法【1 2 1 线性规划求解成熟，处理方便，在满足线性和连续性等假定 下具有广泛应用价值 动态规划方法： 动态规划法( m u l t i s t a g ed e c i s i o np r o c e s s i o n ) 是最优化技术中适用范围最广的基本数 学方法，数学模型和求解方法比较灵活，无论系统是连续的或离散的、线性或非线性的、 确定性的或随机性的，只要能构成多阶段决策过程，便可用此方法求解。 国乡卜最早把动态规划应用于水库优化调度的是美国的d c l i t t l e ，他于1 9 5 5 年提出 了径流为随机的水库优化调度随机数学模型。在国内，虞锦江等在最可能洪水概念的基 础上，提出了满足洪水设防要求的洪水调度动态规划模型【埘，邵东国等建立了具有模糊 约束条件的水库防洪实时优化调度模型，并提出了含罚函数的离散偏微分动态规划1 1 4 1 动态规划方法适用于水库调度的多阶段决策，在单库调度、特别是多库联合调度问 题中有着广泛的应用。但求解较繁琐，随着决策阶段数的增加，将会出现“维数灾”问 题，需借助于一定方法降维。如增量动态规划、离散动态规划、增量和连续逼近相结合 的动态规划、微分动态规划等方法 昭平台白龟山梯级水库联合防洪优化调度研究 多目标分析方法： 由于大多数水库除防洪目标之外，还涉及发电，供水、灌溉等其它目标，所以多目 标分析方法的引入是很自然的。而且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，引入多目标分析方法也是必要的。1 9 8 2 年，g l b e c k o r 运用约束扰 动法研究了水库群系统的多目标问题旧。陈守煜、周惠成对黄河防洪调度方案应用了多 目标、多层次理论和模糊分析方法进行研列坷。王本德、程春田结合丰满一白山梯级水 库群的洪水联合调度，应用模糊优选技术选择系统洪水调度方案【17 1 。王本德、周惠成、 蒋云钟等对淮河流域5 座水库建立了多目标模型i l b j 。 大系统分解协调方法： 此方法是将复杂的大系统分解为若干简单的子系统，实现子系统局部最优化，然后 根据大系统的总任务和总目标，使各子系统互相配合，实现全局最优化。水库群是一个 相互关联的复杂大系统，具有多级谱系结构，而分解协调法是解决大规模复杂模型的有 效途径之一。但目前此方法在水库群防洪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1 1 9 1 。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、周之豪对澧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” 2 1 oj 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阎。 其它方法： 陈守煜、王本德将模糊数学应用于水文水资源系统和水库模糊优化调度中，取得了 较好的效果i 捌。模糊决策方法为解决水库调度中方案的选优问题开辟了一条新途径，较 成功地解决了传统数学方法难以胜任的问题，模糊逻辑规则鲁棒性好，且易调整，好理 解，能够反映专家意见，适宜推广应用于实际工程。 同时，排队论、对策论、灰色系统理论、人工神经网络理论、遗传算法等也逐渐引 入水资源开发利用领域，大大增加了水库群系统防洪联合调度问题的研究方法。 1 2 2 水库群联合防洪调度研究展望 目前，国内外在水库群防洪联合调度研究方面已取得了很大的成绩。但水库群的联 合调度具有高度的复杂性和不确定性，仅凭一种理论是不可能研究透彻的，并且，在水 库群的调度方面，我们国家对有水电站的水库群优化调度研究较多，而对其他水库群的 防洪调度研究较少，尤其是水库群系统的防洪联合调度的研究有待进一步加强与完善， - 4 - 大连理工大学专业学位硕士学位论文 以便在水库联合防洪调度中发挥更大的作用。今后的水库群调度研究将会向着多种理论 方法的耦合研究方面发展，并且充分结合高新科技手段，实现水库群的实时联机统一调 度管理，达到流域的洪水的联合优化调度，消除或减少洪灾损失。 基于要研究的问题和未来水库群调度的发展状况，结合目前我国对于研究水库群联 合调度的现状，本文重点研究梯级水库的联合防洪调度，并研究增量动态规划方法在联 合防洪优化调度中应用 1 2 3 本论文研究的内容 为改善北方水库在运行管理上存在的问题，本文拟以昭平台白龟山水库为例，在 两库现有的防洪工程措施和洪水调度技术水平的基础上，系统地研究防洪调度理论与方 法，建立一套完善的梯级水库防洪调度体系，在不增加投入的情况下，利用各水库进行 洪水优化联合调控，合理的调度各水库的蓄泄过程，削减洪峰，减少洪水灾害，保护下 游地区人民生命财产安全，实现防洪系统的最优调度与管理，最大限度地发挥防洪效益。 具体的研究思路是：从研究昭白梯级水库联合防洪调度的必要性、可行性入手，分 析单库运行的不足，并且根据补偿调节原理制定初始联调规则进行计算，进而分析联合 防洪的潜力；基于建立的联合调度优化调度数学模型，进行优化计算，根据优化结果确 定最终的梯级水库联合调度规则，指导水库运行。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 昭白梯级水库联合防洪调度潜力分析及联合防洪补偿调度计算。 本研究在昭白梯级水库联合防洪调度的必要性和可行性分析的基础上，按照补偿调 节原理，拟定基于补偿调节的梯级水库联合防洪调度规则，通过联调计算，对联调的效 果进行初步的分析，确定梯级水库联调的防洪潜力。 ( 2 ) 梯级水库联合防洪优化调度数学模型研究 研究并建立适合梯级水库工程特性和所在流域的洪水特性的优化调度数学模型。 ( 3 ) 探索增量动态规划方法在梯级水库联合防洪优化调度中的应用 增量动态规划是一种改进的动态规划方法，本文以沙颍河流域中昭白梯级水库及其 下游河道防洪系统联合优化调度问题为背景，探索利用增量动态规划方法求解联合防洪 优化调度数学模型最优解。 ( 4 ) 昭平台白龟山梯级水库联合防洪优化调度规则研究 在对优化调度结果分析的基础上，结合水库调度的实际，寻求接近于优化调度结果 的能用于水库实际操作的联合调度方式和调度规则，指导水库运行。 一5 一 昭平台白龟山梯级水库联合防洪优化调度研究 2 昭平台一白龟山梯级水库概况及基本资料 2 1 流域概况 2 1 1 自然地理与水文气象特性 昭平台、白龟山水库位于淮河流域沙颍河水系沙河本千上，是淮河流域最大支流， 发源于伏牛山东麓，沙河在漯河以西流域面积1 2 5 8 0 k m 2 。白龟山水库下游有平顶山、 漯河、周口等城市，焦枝、平舞、京广，京深等重要铁路及1 0 7 国道，漯河以下为豫皖 平原，位置极为重要。 昭平台坝址以上为深山区，昭、白区间为浅山丘陵区，地势逐渐开阔，两岸山岭较 低，河道流入冲积台地，比降较缓约为1 8 0 0 1 1 2 0 0 ，河床为小碎石及砂，河身弯曲。 白龟山水库坝址处地面高程一般为9 0 9 2 m ，河床高程为8 6 8 7 m 。昭、白区间流域呈 扇形，主河道长5 1 k i n ，有5 条支流，流域内地形、地质差别很大，人类活动影响明显。 图2 1 昭平台一白龟山梯级水库流域图 f i g 2 1 t h ed r a i m g e & t e a sm a po fz _ a m p i n g t a _ ia n db a i s u i s i m lc a s c a d e 辩r v o i n 昭白区间流域在北纬3 3 。4 0 一3 。5 0 ，东经1 1 2 。5 07 - 1 1 3 。1 5 之间。本流 域处于亚热带和温带的交接地区，属大陆性气候。气象变化受季风影响，夏季6 月以后， 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 热带暖湿气团内移，受西部和南部高山的屏障，极易产生暴雨，是河南省常遇暴雨中心 地区。多年平均降雨量9 0 0 d 皿，多年平均径流量4 2 3 x 1 0 8 m 3 ，年内分配极不均匀，6 0 集中在汛期六、七、八三个月。年际变化较大，最大最小值可差5 倍。受暴雨和地形条 件，洪水暴涨暴落，极易造成灾害。 水库下游马湾安全流量为2 8 5 0 m 3 s ，漯河铁路桥安全流量为3 0 0 0 m ，周口安全流 量为3 0 0 0 m 3 s ，漯河以上集水面积超过1 0 0 0 k i n 2 的较大支流有北汝河、澧河。 表2 1 水库自然地理水文气象特征值 t a b 2 1t h e e i g e n v a l u eo f p h y s i c a lg e o g r a p h ya n dh y d r o m e t e o r 2 1 2 社会经济概况 自龟山水库是淮河流域沙颖河水系沙河干流上的一座大( ) 型年调节半平原水库， 它与上游同等规模的昭平台水库( 多年调节水库) 形成梯级水库。两水库自建成以来已获 得了巨大的社会效益、经济效益和环境效益。水库保护了下游平顶山、漯河、周口等重 要城市，焦枝、平舞、京广等重要铁路及1 0 7 国道及豫皖平原的安全和下游6 0 0 万人民 昭平台一白龟山梯级水库联合防洪优化调度研究 和8 0 0 万亩耕地的安危。此外，水库还担负着城市工业、生活用水和农业灌溉用水的任 务，范围涉及三市七县1 7 个乡。目前，白龟山水库城市年供水已经达到1 1 8 5 亿m 3 ， 灌溉平均年用水量o 6 3 亿m 3 ，解决了城市工农业生产和人民生活用水困难等问题，同 时有效地改善了水库周边的生态，对当地水文情势有较好的影响。 2 1 3 洪水特性 ( 1 ) 洪水预报 水库于1 9 9 3 年建成的水情测报自动化系统，设有遥测雨量站1 2 个，水位遥测站1 个，其中设人工雨量报汛站5 个。系统运行以来，设备性能稳定，运行可靠，数据的采 集和传输准确，每年汛期及时为水库防汛调度提供可靠的流域内各站降雨量和水库水位 资料；拥有卫星云图等气象信息收集系统，建立了洪水预报、兴利调度、防汛信息和工 程管理信息的自动化处理系统。流域洪水预报精度较高，气象部门未来2 4 h 降雨预报达 到可利用程度。 昭平台水库以上设6 个雨量站，3 个水文站，雨量站采用累计自报式雨量遥测设备， 每当降雨l m m 时，向中心站发送一次累计雨量信息，用中心站接收处理为降雨量数据。 水库已建立洪水预报、兴利调度自动化处理系统。 ( 2 ) 洪水特性 昭自流域处在南北气候的过渡地带，属于半湿润地区。流域呈扇形，气象变化受季 风影响，六月以后，由于热带暖湿气团内移，受到西部高山屏障，极易产生暴雨，且强 度大，汇流速度快，时间短。昭平台以上是河南省常遇的暴雨中心地区，年平均雨量达 9 0 0 r a m ，8 0 集中在汛期，年际变化较大，最大最小可差五倍。本地区由于暴雨和地形 条件洪水暴涨暴落，极易造成灾害 2 2 昭平台一白龟山梯级水库基本资料 2 2 1 白龟山水库基本资料 白龟山水库是淮河流域沙颍河水系沙河干流上的一座大( ) 型年调节半平原水库， 控制流域面积2 7 4 0 k m 2 。水库建成至今，防洪和兴利效益十分显著。 白龟山水库防洪标准为一百年一遇洪水设计，两千年一遇洪水校核。调洪库容 6 8 1 l o s m 3 ，兴利库容2 3 6 x l o s m 3 。水库校核洪水位为1 0 9 5 6 m ，相应库容9 2 奴1 0 3 m 3 ； 设计洪水位1 0 6 1 9 m ，相应库容5 5 4 x l o s m 3 ；兴利水位1 0 3 o o m ，相应库容3 0 2 x l o s m 3 ； 死水位为9 7 5 m ，相应库容o 6 6 x l o s m 3 ；设计汛限水位1 0 2 o o m ，相应库容2 4 0 x l o s m 3 。 白龟山水库1 9 9 8 年加固，总库容为9 2 2 亿m 3 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 1 ) 白龟山水库设计特征水位及水库水位、库容、面积、泄量关系 表2 2 白龟山水库特征水位表 t a b 2 2c h a r a c t e l s f i c w a t e r - l e v e l t a b l e o f b a i g u r e s e r v o f i r 表2 3白龟山水库水位库容、水位泄量关系 t a b 2 3 w a t e r - l e v e l - v o l u m e o f r e s e r v o i r ，w a t e r l e v e l - d i r , c h a r g e c o n l l e c t l o n o f b a i g u i s h a nr e s e r v o i r 一9 一 昭平台白龟山梯级水库联合防洪优化调度研究 ( 2 ) 白龟山水库的防洪控制运用规则 白龟山水库防洪起调水位1 0 2 o o m ，正常蓄水位1 0 3 o o m 。防洪控制运用规则为： 入库洪水 2 0 年一遇( 库水位1 0 5 3 8 m ) 。控泄6 0 0 m 3 s ： 入库洪水在2 0 - 5 0 年障水位为1 0 5 3 8 m 一1 0 5 9 0 m ) 之间控泄3 0 0 0 m 3 s ； 入库洪水大于5 0 年一遇( 即库水位超过1 0 5 9 0 m ) 泄洪闸全开； 库水位超过1 0 6 1 9 m ，除泄洪闸全开之外，北干渠也参加泄洪，增泄2 0 0 m 3 s 。 2 2 。2 昭平台水库基本资料 ( 1 ) 昭平台水库设计特征水位及水库水位、库容、面积、泄量关系 袭2 4 昭平台水库特征水位表 t a b 2 4 蛐r i s f i c w a t e r - l e v e l t a b l e o f z h a o p i n g t a ir e s e r v o i r 表2 5 昭平台水库水位库容、水位泄量关系曲线 t a b 2 , 5w a t e rl e v e l - v o l u m eo fr b c f v o 讥w a t e rl e v e l - - d i s c h a r g ec o n n e c t i o no fz h a o p i n g l a ir 嘴r v o h 大连理工大学专业学位硕士学位论文 续表2 5 昭平台水库水位库客、水位泄量关系曲线 t a b 2 5w a t e rl e v e l - v o l u m eo f r e s c r v o a t e rl e v e l - d i s c h a r g ec o n n e c t i o no fz h a o p i n g t a ir e s e r v o i r ( 2 ) 昭平台水库的防洪控制运用规则 昭平台水库防洪起调水位1 6 7 。o m ，汛后正常蓄水位1 6 9 。0 m ，水库允许最高洪水位 1 8 1 o m ，其防洪控制运用规则是： 入库洪水小于等于1 0 年一遇时( 库水位一 1 7 4 4 4 m ) ，尧沟泄洪闸全开； 超过5 0 0 年一遇，库水位达到1 8 0 6 m 时。杨家岭闸全开。 昭平台白龟山梯级水库联合防洪优化调度研究 2 3 单库运行调度存在的问题及本研究问题的提出 ( 1 ) 昭白两库竣工并投入运行以来一直都采用单库运行模式。由于上游昭平台水库 的洪水调度方式基本不考虑下游区间降雨情况，只按照自己的调度规则进行操作，这样 势必加大了下游水库的防洪压力。为保证工程安全，下游白龟山水库也同样按照白龟 山水库汛期调度运用计划向下游河道泄洪，影响下游防洪安全。 ( 2 ) 进行单库优化调度，虽能优于原调度规划设计的洪水调度方式进行水库调度， 但对于梯级的下游水库有下游防洪要求时，因没有考虑梯级水库间的补偿作用，单库调 度也就不能最大限度的发挥防洪效益。 为解决上述问题，我们需要进行昭白梯级水库的联合防洪优化调度研究，以充分利 用水库群的补偿调节作用，以充分发挥两座水库的防洪效益 2 4 本章小结 本章主要介绍昭白梯级水库所在流域的自然地理、水文气象、社会经济概况以及上 下游水库的调度基本资料，并对且前单库调度存在的问题进行分析，进而提出本文研究 的内容。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 昭平台一白龟山梯级水库联合防洪调度潜力分析 水库群除承担下游防洪任务的洪水调度之外，与单库情况相似，还有水库安全的洪 水调度问题。只不过这里应从水库群中各水库的相互关系出发着眼于研究水库群的整 体安全的洪水调度问题弘】。本研究就是在基于补偿调度的基础上，进行上下游水库考虑 整体防洪安全的梯级水库联合防洪优化调度研究。 3 1昭平台一自龟山梯级水库联合防洪谓度的必要性和可行性分析 ( 1 ) 昭白梯级水库联合防洪调度必要性分析 改变现行梯级水库调度规则，优化防洪调度的要求 防洪是水库汛期控制运用的主要任务。且蔚，在汛期。露水库只按照自己盼调度规 则进行单库操作，势必加大下游水库的防洪压力影响下游防洪安全。实行梯级水库联合 防洪调度后，可以在防洪形势紧张的情况下，昭平台水库、白龟山水库可以充分发挥其 调节作用，拦蓄洪峰流量，达到削峰、错峰的目的，减轻下游的河道及城市的防洪压力 水库本身及下游防洪安全的需要 当水库上、下流域普降大暴雨，水库本身防洪安全与下游防洪安全的矛盾非常突出， 具体表现为从下游防洪出发，要求水库多蓄水、少泄水，而从水库安全出发则要求水库 早泄水、多泄水。但是由于下游河道堤纺年久失侈、淤积等因素，降低了河道的允许安 全泄量也势必降低水库的设计标准。实行水库间的联合防洪调度，可以实现水库的提 前泄流，均匀泄流，有效减小下游水库的最大下泄流量，减小水库动用的防洪库容，保 障水库本身安全和下游河道流量在安全泄量范围之内。 有效解决防洪与兴和之间的矛盾 我国北方年降水大部分集中在汛期，为了水库防洪安全，整个汛期库水位降的较低， 不敢蓄水，导致许多水库汛后无水可蓄，无水可用，造成洪水资源的浪费。解决防洪与 兴利矛盾的关键是对未来水文规律的了解和预测，但是，目前中长期水文预报还不可靠， 未达到可利用的程度，防洪与兴利的矛盾仍将伴随着整个防洪调度过程长期存在。目前。 下游白龟山水库已进行了汛限水位动态控制方面的研究，可以在保证水库及下游防洪安 全的前提下，提高汛限水位，使工业生活用水量明显增加，效益显著，与此同时也可考 虑采用梯级水库的水资源联合调度等手段，在具体的洪水调度中利用上游水库的补偿调 节作用，把每场洪水的洪尾拦蓄下来，待洪水过后可以增加上游昭平台水库发电出力， 同时增加下游水库的入库流量，提高水量的利用率，实现梯级水库的兴利联合调度，改 善水库的兴利现状，具体研究有待下一步开展 昭平台- 白龟山梯级水库联合防洪优化调度研究 ( 2 ) 昭白梯级水库联合防洪调度可行性分析 上游昭平台水库为大型水库，防洪库容较大，补偿作用较大，下游白龟山水库 为大型年调节水库，能够对洪量起控制作用，因此可以考虑进行梯级水库的联合防洪调 度，充分利用上游昭平台水库防洪库客大的特点，对下游自龟山水库进行李 偿调节。 已建立水情铡报和洪水预报调度系统，水库原设计所依据的典型洪水过程或者 运行中实际发生的各类典型洪水过程，都具有相应的场次逐段降雨过程记录；目前，昭 白两库可利用短期降雨预报的有效预见期为2 4 小时，昭平台水库的泄洪量到白龟山水 库的洪水传播时间平均为5 - 6 小时，昭白区间洪水采用洪水预报数学模型进行洪水预报。 预报合格率达8 5 以上，预报精度为甲级。 已建设的卫星云图收集、水雨情实时遥测、预报调度系统，配备了专管技术人 员。经多年检验和考评认定“系统运行正常”：信息传递畅通率、误码率达到规范要求： 与决策机构联系的“通讯系统”，经多年运行、考评证明，系统畅通率9 9 9 。这些都为 梯级水库联合调度创造了良好的硬件条件。 昭白梯级水库的除险加固工程的完工。 根据以上分析，进行昭白梯级水库联合防浃调度不仅是必要的，而且是可行的。通 过联合优化调度可以更加合理调度洪水，最大限度地减少洪灾损失，优化水资源配置。 3 2 梯级水库联合防洪调度 3 2 1梯级水库联合调度方式 梯级水库共同承担下游防洪保护区的防洪任务时，应研究如何统一调度，充分发挥 水库整体最优的防洪效果。通常是首先按各水库所处的地理位置，控制洪水来源的比重、 所设置防洪库容的大小及担任综合利用任务的情况等，分别拟定各水库的调洪方式，然 后再根据洪水地区遭遇和组合，拟定水库群统一调度方式。 单水库的防洪调度方式通常分为固定泄量方式和补偿调度方式两种。前者适用于 水库坝址至下游防洪控制点之闯流域面积较小，下游是否受洪水威胁取决予水库泄量的 大小。后者适用于水库坝址至下游防洪控制点之间流域面积较大、且洪水组成多变的情 况，其调度方式是当区间来水大时水库少泄，区间来水小时水库多泄，使水库泄水与区 间来水的合成流量不超过下游安全泄量。如果上游水库与下游防洪地区之间有一定距 离，两者之间的区间来水又不可忽略，区间洪水有预报方案，能提供有一定预见期的较 精确的预报成果，在这种情况下，为了充分发挥水库防洪库容的作用和充分利用下游堤 防的泄洪能力，可进行补偿调度在补偿调度方式中，水库的补偿放水主要是由下游防 大连理工大学专业学位硕士学位论文 洪地区的安全泄量及区间的来水确定的，泄洪量与区间来水量可采用错时间迭加或者采 用马斯京根法进行洪水演进瞄j 。 对于梯级水库，由于上游水库距防洪控制点较远，且其下泄流量可由下级水库再调 节，因此，若梯级水库各库洪水基本上同步时，应先蓄上游水库，后蓄下游水库，以达 到防洪库容最充分利用的效果。梯级水库泄洪次序一般与水库蓄洪运用次序相反，并以 最下一级水库的泄量加区间流量不大于防洪控制点安全泄量为原则，尽快腾空各水库的 肪洪库容。若各库洪水组合遭遇多变，则应根据洪水实际发生情况确定水库的运用次序， 例如一般可根据降雨信息，确定在暴雨中心上游的水库先蓄洪，暴雨中心下游的水库后 蓄洪i 硐。下面重点阐述梯级水库间的补偿调节。 3 2 2 梯级水库联合防洪补偿调节原理 补偿调度的基本思路是：首先根据各水库的入库洪水过程，按照梯级水库联合补偿 调度原理，在考虑水库补偿的情况下，自上而下进行调洪计算：对于出现的超载水量， 可以从两方面调整各水库的泄洪策略( 预泄与拦蓄) ，以满足下游防洪要求 2 7 1 。 图3 1 ，图3 2 为补偿调节原理图。其中：q 上为上游水库入库水过程线，q ! 区为区 间洪水过程线，口上为上游水库下泄流量过程，g 安为下游河道安全泄量。 图3 1 梯级水库补偿调节原理图 f i g , 3 , 1t h ep r i n c i p l eo f c a s c a d er e s e r v o i r sc o m p e n s a t i v ed i s p a t c h i n g 昭平台白龟山梯级水库联合防洪优化调度研究 tt + a f 时间 图3 2 区间洪水过程 f i g 3 2 t h ep r o c e s so f i n t e r z o n ef l o o d 如图3 1 ，上游水库下泄流量g 上采用马斯京根法进行演进并与区间洪水q 区进行迭 加，上游水库补偿泄水流量由下式确定：日上鼋鸯一q 区，上游水库时段下泄流量应根 据区闻时段的流量凑泄，如图3 2 所示将区间入流过程向前平移岔( 演进时间) ，然后倒 置在q 安水平线之下，可得到如图所示的考虑补偿情况下的上游水库下泄流量过程 日上( a b e d ) 和实际需要的防洪库容v i + v 2 。 3 3 昭平台一白龟山梯级水库联合防洪调度暂拟定的调度方式及规则 为了验证两库梯级联调的效果，本文首先拟定一个初步的调度方式和规则，进行联 合调度初步计算，量化分析进行联合调度的成效，联调计算是基于梯级水库库补偿调节 进行的。在确定联调的基础上，本文将进一步进行水库联调的优化计算，最终确定联合 调度的方式和规则。 3 3 1 昭平台一白龟山梯级水库联合调度方式 基于梯级水库上下游防洪标准及要求和泄洪设施的控制能力，确定以白龟山水库为 “有下游防洪任务、分级有闸控制”和昭平台水库为“有下游防洪任务、分级有闸控制、 以库水位和区间补偿规则为判别条件”的梯级水库联合防洪调度方式。 3 3 2 昭平台一白龟山梯级水库联合肪洪调度规则 ( 1 ) 初始调度规则制定的思路 目前白龟山水库下游沙河的安全流量为3 0 0 0 m 3 s ，防洪标准为5 0 年一遇，在白龟 山以上遭遇5 0 年一遇洪水时，常规调度可保证下泄流量不超过3 0 0 0 m 3 s 。为了充分发 大连理工大学专业学位硕士学位论文 挥两库的防洪效果，本文考虑拟制定一套联合调度规则，以达到优于常规调度、更好地 控制洪水的目的，进而分析联合调度的潜力。 在水库遭遇2 0 年