（水利水电工程专业论文）淮河流域并联水库群防洪错峰优化调度研究.pdf

摘要 淮海楚我霆七大泼海之。浚涎流域蘧楚我瓣东都，分手长江魏黄浮嚣大流 域之问，位于东经1 1 1 95 57 1 2 19 2 5 ，北纬3 0 。5 5 3 6 。3 6 ，面积为 2 7 万k f f 。淮河流域地处我国南北气候交缓带，气候变化剧烈。年降雨量的空闻 分毒状况丈致由嘉南递减，由嚣多于平纛，浍海夫于蠹陆。这秘簿承羹专空分布 的不均匀性造成了淮河流域水旱灾鬻频发，特别是给防汛工作带来不利影响。因 此，对溅河流域并联水库群防洪错峰优化调度的研究具有特殊意义。 本文篱先获建立攀一东痒薅洪潺发懿模羧挨黧入手，运羯遗传算法辜定了河 道洪水演算方法中马斯京根法的参数c n 、c 。、c 。根据各水文站的实测资料计算 出各河段的区间径流，弗还原出各水文站的洪水过程，从而建纛了淮河流域弗联 承痒爨防洪错峰调度鹃模羧模型。箕次，狠据势联求痒群中等个瘩痒鹃特点逡用 加速遗传算法对单一水库防洪调度谶行了优化，并将此优化调度的结果作为“大 系统分锵一协调”法第一级子闯题的解，透过协调因子的协调运算最终褥到并联 承痒群防洪锘蜂调度豹优纯解。 本文还以1 9 9 1 年淮河流域洪水为例，应用本文提出的模拟与方法，进行了 实例计冀。结果表明，应用错蜂调度后正阳关控制断面的最大洪峰流量可减少 1 6 鞋上，姨丽，大大缓解正阳关撩髓| 断面豹洪水援力。 关键词：并联水库群淮河逡传算法优化调度马斯塞报 大系统 v 8 a b s t r a d a b s t r a c t h u a i h er i v e ri so n eo fs e v e nm a j o rr i v e r so fo u rc o u n t r y 。蕈h eb a s i n o fh u a i h er i v e ri sl o c a t e di nt h ee a s to fo a rc o u n t r y b e t w e e nt w om a j o r b a s i no ft h ec h a n g j i a n gr i v e ra n dt h ey e l l o wr i v e r , l i ei n1 1 1 。5 57 1 2 1 。2 5 o fe a s tl o n g i t u d e ，3 0 45 5 3 6 。3 6 o fn o r t hl a t i t u d e ，t h e a r e ai s2 7 0 0 0 0 k m 2 h u a i h er i v e rb a s i nl o c a t ei no fo u rc o u n t r yn o r t ha n d s o u t hc l i m a t eh a n di nb r i n g i n gs l o w l y ，c l i m a t i cc h a n g ei sv i o l e n t 。t h e s p a c ed i s t r i b u t i o ns t a t eo ft h ea n n u a lr a i n f a l lr o u g h l yd e c r e a s e s p r o g r e s s i v e l yf r o ms o u t ht on o r t h ，m o u n t a i na r e ai sm o r et h a np l a i n ， l i t t o r a lg r e a t e rt h a ni n l a n d 。t h ed i s p a r i t yo ft h ed i s t r i b u t i o n o f s p a c p t i m eo ft h i sk i n do fp r e c i p i t a t i o nh a sc a u s e dt h eb a s i nb l o o d sa n d d r o u g h t so fh u a i h er i v e rt ot a k ep l a c ef r e q u e n t l y ，b r o u g h ta d v e r s ee f f e c t t oa d v e r s ee f f e c tf l e dc o n t r o lj o be s p e c i a l l y t h e r e f o r e 。t h er e s e a r c h h a sp e c u l i a r s i g n i f i c a n c et oo p t i m a lr e g u l a t i o no ff l o o dc o n t r o l m u l t i r e s e r v o i ri np a r a l l e lo fh u a i h er i v e rb a s i n t h i sp a p e rp r e v e n t sf l o o df r o ms e t t i n gu pt h es i n g l er e s e r v o i ra t f i r s tt h es i m u l a t i o nm o d e lo fd e p l o y m e n ti ss t a r t e dw i t h ，u s et h eg e n e t i c a l g o r i t h mr a t et om a k et h er i v e rf l o o da n dm a k em a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o n s i nm e t h o dm u s k i n g u mp a r a m e t e rc 。，c la n dg a c c o r d i n gt os u r v e y i n gt h e i n t e r v a ls u r f a c ef l o wt h a tc a l c u l a t ee v e r ys e c t i o no ft h em a t e r i a l so f e v e r yh y d r o m e t r i cs t a t i o n ，r e d u c ef l o o dc o u r s et ot h e r ee m e r g e da h y d r o m e t r i es t a t i o n ，a n ds e tu pt h es i m u l a t i o nm o d e lo ff l o o dc o n t r o l m u l t i r e s e r v o i ri np a r a l l e lo fh u a i h er i v e rb a s i n s e c o n d l y , a c c o r d i n gt o m u l t i r e s e r v o i ri np a r a l l e le a c hr e s e r v o i ro fc h a r a c t e r i s t i c su s eg e n e t i c a l g o r i t h mc a l c u l a t i o no p t i m a lr e g u l a t i o no ff l o o dc o n t r o lo fo n e r e s e r v o i r ，a n da st h ef i r s tl a y e ro ft h et h e o r yo f 。l a r g e s c a l e ” t h i sp a p e rs t i l l t a k e sb a s i nf l o o do fh u a i h er i v e ro f1 9 9 1a s a n e x a m p l e ，e m p l o ym o d e la n dm e t h o dt h a tt h i st e x tp u t sf o r w a r d ，c a l c u l a t e t h ee m b o d i m e n t r e s u l ti n d i c a t e ，a d o p tp e a kz h e n y a n g g u a nm o s tl a r g ef l o o d a b s t r a c t c r e s tf l o wt oc o n t r o ls e c t i o nr e d u c eb ym o r et h a n1 6 b e h i n dt h eo p t i m a l r e g u l a t i o no ff l o o dc o n t r o l ，h a v er e l i e v e dz h e n y a n g g u a na n dt u r n e do f f t h ef l o o dp r e s s u r ew h i c hc o n t r o l st h es e c t i o ng r e a t l y k e yw o r d ：鞋u l t i r e s e r v o i ri np a r a l l e lh u a i h er i v e rg e n e t i ca l g o r i t h m o p t i m a lr e g u l a t i o nm u s k i n g u ml a r g e s c a l e v b 学位论文独剖往声唆： 本人所呈交的学位论文怒我个人在导师指导下进行的研究一作 及取褥的磅究成巢。尽我所知，除了文中特裂加跌舔淡和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一湖工 作的同枣对本研究所做的任何贡献均已掘论文中作了骧确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) 垒煎 2 。0 7 年岁月茹葶，丑 学位论文使慝授权说明： 河海大学、巾国科学技术信息研究所、国家图粥馆、中国学术 蘩裂( 光盘敷) 毫孚杂恚挂有校探蟹搴人所送交学位论文纂复印髂或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档盼蠹容窝纸旗论文的内容摆一致。除在保密期蠹鹣保密论文铃， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) 。2 0 0 7 年s 窍2 艿斌 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 淮河是我国七大江河之一。淮河流域地处我国东部，介于长江和黄河两大 流域之间，位于东经1 1 1 。5 5 1 2 1 。2 5 ，北纬3 0 。5 5 3 6 。3 6 ，面积 为2 7 万k m 2 。淮河流域西起桐柏山、伏牛山，东临黄海，南以大别山、江淮丘 陵、通扬运河及如泰运河南堤与长江流域分界，北以黄河南堤和泰山为界与黄 河流域毗邻。流域西部、西南部及东北部为丘陵地区，面积约占总面积的三分 之一，其余为平原、湖洼区。淮河流域地处我国南北气候交缓带，气候变化剧 烈。流域多年平均降雨量约为8 8 8 m m ，其中淮河水系9 1 0 r a m 。降雨量年际变化 较大，最大年降雨量为最小年降雨量的3 4 倍。降雨量的年内分配也极不均 匀，汛期( 6 9 月) 降雨量占年降雨量的5 0 8 0 。年降雨量的空间分布状 况大致由南向北递减，山区多于平原，沿海大于内陆。这种降水时空分布的不 均匀性造成了淮河流域水旱灾害频发， 淮河流域包括湖北、河南、安徽、 特别是给防汛带来不利影响。 山东、江苏五省3 9 个地( 市) ，1 7 7 个 县( 市) ，2 0 0 0 年总人口1 6 3 6 4 万人，其中城镇人口2 5 1 8 万人，城市化率1 5 4 。流域平均人口密度6 0 4 人k m z ，是全国平均人口密度1 3 2 人k d 的4 6 倍， 居各大江河流域人口密度之首。淮河流域耕地面积1 3 3 2 万 1 m 2 ，沿海还有5 1 4 万h m 2 滩涂可资开垦；工业主要有食品、轻纺、煤炭、化工、建材、电力、机 械制造等门类，2 0 0 0 年淮河流域工业总产值1 2 7 6 5 亿元，国内生产总值8 9 7 4 亿元，人均国内生产总值5 4 8 4 元，低于全国平均水平，属经济欠发达地区。 治淮5 0 多年来，在“蓄泄兼筹”治淮方针的指导下，经过长期不懈的努 力，淮河流域在山区修建水库，治理水土流失；中游开辟行蓄洪区、整治加固 堤防等工程；下游拓宽河道，开辟入海入江水道，增大泄量。目前，淮河流域 淮河水系建成大型水库共1 8 座，全部位于正阳关以上流域，累计总库容1 4 0 3 3 亿m 3 ，总控制面积1 6 6 0 2 k m ，占正阳关以上流域面积的1 8 7 。其中，鲇鱼山、 石山口、五岳、泼河、南湾、薄山、板桥、宿鸭湖、石漫滩、孤石滩、白沙、 昭平台、白龟山等1 3 座大型水库在河南境内，累计总库容8 0 5 8 亿m 3 ：花山水 河海大学硕l j 学位论文 库位于湖北省境内，总库容1 7 3 亿矗：梅山、响洪甸、佛子岭和磨子潭4 座大 型水库位于安徽省境内，累计总库容5 8 0 2 亿m 。以上水库中，除宿鸭湖水库 位于汝河中游，属于平原水库外，其余均为山区水库。淮河水系大型水库各特 征值见表卜1 所示： 表卜l淮河水系大型水库各特征值表 历史蛀 水库 流域面安全泄全赔高兴利水 设计水防洪库 高承位 名称积( k f )量( m 7 s )程( m )位( m )位( m )容( 亿m 3 ) ( m ) 花山 1 2 92 0 02 3 72 3 8 7 72 4 0 5 00 1 8 南湾 1 1 0 08 9 01 0 4 1 71 0 3 5 01 0 54 21 0 8 9 02 船 石山口3 0 66 0 07 9 5 07 9 5 08 0 7 58 0 6 00 6 4 五岳1 0 2 5 0 08 9 3 08 9 3 08 9 9 0 8 9 8 80 1 4 泼河2 2 21 2 5 08 2 5 0 8 2 0 08 2 1 0 8 3 4 50 2 2 鲇鱼山 9 4 22 0 0 01 l l + 1 01 0 7 0 01 0 9 3 1 1 1 1 4 02 7 5 薄山5 8 0 2 0 0 0儿o 0 01 1 6 6 01 2 2 7 5 1 2 1 32 7 l 板桥7 5 8 2 8 0 01 1 2 5 01 1 1 舳1 1 7 9 41 1 7 53 5 5 宿鸭湖 4 4 9 8 1 8 0 05 4 0 05 3 0 05 7 6 6 5 7 7 55 7 8 孤石潍 2 8 51 4 0 01 5 5 5 01 5 2 5 01 5 8 7 21 5 7 0 70 4 7 昭平台 1 4 3 02 5 0 01 7 4 ，8 l1 7 4 0 01 7 4 ，3 01 7 7 6 02 4 0 白龟山2 7 4 03 0 0 01 0 4 0 01 0 3 0 01 0 5 2 11 0 5 6 52 8 5 白沙 9 8 55 0 02 6 6 0 02 2 5 0 02 3 0 9 l2 3 3 8 0l _ 2 6 石漫潍 2 3 03 5 01 0 8 5 31 0 7 0 01 1 0 1 l 1 1 0 6 5o 2 3 响洪甸 1 4 0 02 5 0 01 2 9 0 01 2 8 0 01 3 4 1 71 3 9 i 049 3 梅山 1 9 7 01 5 0 01 2 9 0 0 1 2 6 0 0 1 3 5 7 5 1 3 9 1 74 6 1 佛于岭 1 8 4 03 7 5 01 2 8 2 61 2 5 2 61 3 0 6 4 1 2 5 9 71 6 4 磨子潭5 7 04 0 0 02 0 4 0 01 8 7 0 02 0 4 4 91 9 6 5 01 5 2 此外总长度2 3 8 k m 的淮北大堤有效的防止了洪水北泛；淮河干流现有行洪 区1 8 处，内有面积1 2 5 2 k d ，人口5 2 1 9 万，耕地8 1 6 h m ，启用标准约为4 1 8 年一遇；淮河干流有蒙洼、城西湖等4 处蓄洪区，内有面积1 8 5 3 k d ，人口 2 第一章绪论 7 7 3 9 万，耕地9 2 7 万耐，启用标准约为5 2 0 年一遇，在蓄、滞洪方面发 挥了重要作用；人工开挖的新汴河和怀洪新河等河道使北岸部分支流洪水直接 进入洪泽湖。总体而言，淮河流域现己初步形成了比较完善的防洪、除涝等工 程体系，大大改变了昔日“大雨大灾，小雨小灾，无雨旱灾”的面貌。 淮河流域已建成的大型水库在防洪中发挥了拦蓄洪水、错开恶劣洪水遭遇 的重要作用，在一定程度上缓解了下游河道的防洪压力。例如在2 0 0 3 年淮河 发生的特大的洪水中，梅山水库7 月l o 日的最大入库流量为7 4 0 0 m 3 s ，而相应 的最大出库流量仅6 7 0 m 3 s ，削减洪峰达9 1 ；响洪甸水库最大入库流量 5 8 1 0 f f s ，相应最大出库流量仅为3 0 6 $ s ，洪峰削减率高达9 5 。由于水库的 拦蓄、错峰作用，使得淮南山区洪水未与淮河干流洪水形成洪峰叠加，有力地 保护了下游行蓄洪区和淮北大堤的安全，大大减轻了防洪压力，为取得抗洪胜 利起到了至关重要的作用。 由于淮河主要支流都在中游，而南岸支流洪水汇集迅猛，加之淮河干流中 游河段比降小，洪水下泄十分缓慢，因此淮河干流中游一直是淮河治理的关键 性河段。但是现有的淮河干支流河道堤防的标准普遍偏低，正阳关以上大型水 库和行蓄洪区等工程由上而下错落分布，是一个由水库、河道、行蓄洪区和湖 泊等构成的复杂系统。在该系统中，水库的重要作用就是拦蓄洪水，为下游错 峰。特别是对于全流域性的洪水，如果能够及时、有效、合理地对系统中的水 库群进行联合洪水调度，充分考虑水库的错峰作用，科学合理地制定水库的蓄 泄方案，可以降低下游的洪峰水位，减小洪水损失，最大限度地减轻淮北大堤 的洪水压力。但由于该系统规模庞大，结构复杂，洪水组合情况多变，系统运 行时水库群联合调度的难度大，工作复杂。目前对该系统联合调度中的水库错 峰调度问题仅停滞于定性的描述，运用起来难于掌握。因此需要深入研究系统 联合洪水调度中的水库错峰调度问题。 河海人学顾l j 学位论文 1 2 研究范围 淮河水系现有大型水库共1 8 座。根据各水库的工程实际情况，并非所有 水库都能对淮河干流的j 下阳关控制断面发挥很好的错峰作用。其中，白沙、昭 平台、白龟山、孤石滩水库位于沙颍河上游，距离淮河干流相对较远，洪水波 由水库下游传播到淮河干流时，由于河道、闸坝等的调蓄作用，基本上坦化消 失殆尽，对于淮河干流基本无影响。板桥、薄山水库位于宿鸭湖水库上游，其 瞄峰作用通过宿鸭湖水库体现，而不能直接错峰；石山口、五岳、泼河水库距 离淮河干流相对较近，但由于本身防洪库容较小，错峰作用不明显；花山水库 位于南湾水库上游，同时南湾水库位于信阳市和京广铁路上游，具有城市防洪 等要求，且水库下游河道安全泄量小，距离淮河干流也相对较远，其错峰作用 亦不明显；磨子潭水库位于佛子岭水库上游，但由于佛子岭水库属于病险水库， 目前加固工程尚未完成，且其上游白莲崖水库正在兴建，从水库本身安全考虑， 也不具备错峰的条件。此外，研究错峰调度时，还应根据降水分布情况确定水 库错峰的可能性。如果某水库坝址以上流域降水较小或根本没有降水，则它也 不具备错峰的条件。 根据历年水库实际调度情况，水库自身安全要求，并考虑水库泄洪对下游 防洪的影响，最终确定具有错峰作用的水库为宿鸭湖水库、鲇鱼山水库、梅山 水库和响洪甸水库。其中宿鸭湖水库位于汝河流域，控制流域面积4 4 9 8 k m 2 ； 鲇鱼山水库位于灌河流域，控制流域面积9 4 2 k m 2 ；梅山水库位于史河流域，控 制流域面积1 9 7 0 k m 2 ；响洪甸水库位于淠河西源，控制流域面积1 4 0 0 k m 2 。四大 水库控制的流域面积总计s 8 1 0 k m 2 ，总的防洪库容为1 8 0 7 亿m 3 。因此，确定 本次研究的范围是：宿鸭湖、鲇鱼山、梅山和响洪甸四大水库对淮河干流正阳 关断面的洪水错峰调度。 4 第一章绪论 1 3 本文研究的主要内容 在确定了本次研究的范围之后，研究的主要内容可分为以下三个部分： 1 、系统模拟研究 根据系统的结构特点和既定的水库调度规则及调度方案，进行系统运行模 拟研究。模拟模型既反映水库蓄泄水过程，又反映河道洪水的演迸过程、区间 洪水汇入及行蓄洪区的运用情况。通过系统的模拟，计算干、支流各个相关断 面的流量过程和特点，为以后的系统防洪优化调度提供依据。 2 、单一水库防洪优化调度研究 水库防洪优化调度研究一直是防洪减灾非工程措施中的热点研究课题，已 经取得了大量的理论和应用成果，其中以动态规划( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) 、 逐次优化算法( p o a ) 等多阶段决策问题的数学规划方法应用的较为广泛。但 是，这些算法也有其自身的不足之处，例如，动态规划算法就可能出现“维数 灾”的问题，而逐次优化方法的计算时问较长。随着近年来一些新的算法的出 现，以及在水库防洪优化调度研究中得到了成功的应用，使得水库防洪优化调 度更具实时性和可操作性。单一水库防洪优化调度是水库群错峰调度的基础， 很好地解决了单一水库的防洪问题使各水库在防洪系统中充分发挥自己的作 用，从而实现整个系统的防洪效果最佳。在本次研究中，将使用遗传算法的改 进型加速遗传算法对单一水库防洪进行优化调度。 3 、并联水库群防洪错峰调度系统优化研究 本系统由宿鸭湖、鲇鱼山、梅山和响洪甸等四座并联水库以及蒙洼、邱家 胡、姜唐湖、城西湖和城东湖蓄洪区组成。鉴于系统的复杂性，本次研究将选 用大系统分解一协调法求解水库群的错峰调度问题。由于本系统的公共防护断 面是正阳关断面，为了使正阳关断面洪水压力最小，就要对系统中四个水库进 行合理的调度。 1 1 i 海人学硕i 学位论文 第二章水库防洪优化调度及其研究进展 2 1 水库防洪优化调度 水库调度，又称水库控制运用，是根据水库承担的水利水电任务的主次 和规定的运用原则，凭借水库的调蓄能力，在保证大坝安全的前提下，有计划 地对水库的入库水量过程进行调节，改善天然径流的时空分配，达到除水害兴 水利、提高水资源的综合利用率、最大限度地满足人民生活和社会经济发展目 的的一种控制运用水库技术。它是水库运行管理的核心内容，是保障水库安全 和充分发挥水库综合效益的重要环节。水库调度方案是否得当直接关系到国民 经济各部门的发展，如果方案切实合理可行，那么将带来十分可观的经济效益 和社会效益；反之，将给社会经济发展带来无法弥补的巨大损失。因此，进一 步加强水库调度工作就更加具有重要意义。 根据水库调度的1 7 1 的，一般可将其分为兴利调度和防洪调度，而根据水库 调度方案编制中采用的分析计算方法的不同，通常把水库调度又可分为常规调 度和优化调度两类。前者以调度规则为依据，利用水文资料，选择典型的来水 过程为代表年，取包络线绘制时历法调度图来指导水库运行，原则上不考虑面 临时段的径流预报，这种方法虽然简单实用，但是缺少灵活性，经济效益比较 差。优化调度则是种建立以水库为中心的水利水电系统的目标函数，拟定其 应满足的约束条件，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式。 水库防洪优化调度一般分为单一水库防洪优化调度和水库群防洪优化调 度两类0 1 ，水库群防洪优化调度又根据水库地理位置和水力联系的不同分为串 联水库群、并联水库群和混联水库群。到目前为止有关水库群防洪优化调度问 题的研究基本上是围绕这三种水库群类型展开的。在研究水库优化调度的问题 时，一般主要集中在两个方面：一是如何建立水库优化调度数学模型；二是如 何选择求解这种数学模型的最优化方法。 水库群的联合洪水调度，主要表现为各水库间的空间补偿，具体体现在两 个方面，一是不同水库来水不同步，根据各水库洪水发生的时差，安排各水库 6 第二章水库防洪优化调度及其研究进展 的蓄泄方案，使防洪控制点防洪效益最大( 过水流量最小或成灾历时最短) ； 另一方面表现为各水库到防洪控制点的距离不同，通过调度方案的实施，避免 或减轻不同支流的洪峰叠加，以提高防洪控制点的安全度。 并联水库群系统作为一种典型的水库群形式，其水库群中各个水库之间并 无水力联系：在地理位置的特征方面，各水库位于不同的河流上；各水库承担 的防洪任务不尽相同，被保护对象的重要性有所差别并且是相互独立的。但是 在整个流域内各并联水库可能还同时为某一个共同的防洪保护对象承担防洪 功能。因此，如何系统地处理好各水库自身的防护对象与公共防护对象的关系 就成为并联水库群防洪优化调度的一个重点内容。如果流域中各水库各自为 战，则难以实现全流域水库系统防洪效益的最大化。但由于流域中水库群规模 庞大，结构复杂，洪水组合情况多变，水库群防洪优化调度的难度大，工作繁 杂，这样就要求研究人员能够结合各流域的实际情况对系统作一定的简化。本 文所研究的淮河水系现有大型水库1 8 座，其中梅山、鲇鱼山、宿鸭湖和响洪 甸四座水库对正阳关控制断面防洪起关键性作用。因此，本文为了降低系统的 复杂程度，仅将上述四座水库作为研究对象。同时，这些水库都运行了多年， 历史洪水资料丰富，为本文水库群的错峰调度研究提供了必要的基础。 7 河海人学硕i + 学位论文 z 2 水库防洪优化调度的研究进展 z 2 1 单一水库优化调度 最早把优化概念引入单一水库调度的是美国人m a a s s ( 1 9 6 2 ) 。我国开展 单一水库优化调度研究与应用是上世纪六十年代，首先应用于水库兴利调度， 其主要研究成果有： 1 9 6 3 年，谭维炎、黄守信等根据动态规划与m a r k o v 过程理论，建立了一 个长期调节水电站水库的优化调度模型，并在狮子滩水电站的优化调度中得到 立用”1 。 1 9 8 3 年，鲁子林等应用增量动态规划，并结合短期洪水预报模型，实现 了富春江水电站的优化调度，获得了平均每年增发电能2 4 7 0 万k w h 的效益“1 1 9 8 5 年，董子敖、闫建生等在研究刘家峡水电站水库的优化调度时，提 出了国民经济效益最大的目标函数，在寻优技术方面，采用满足保证率要求的 玫变约束法，以控制破坏程度0 1 。 1 9 9 8 年，龙子泉、卓四清根据湖北省某多年调节水库的水文特征，提出 了水库长期优化调度的非线性规划模型n l p 模型，并采用多变量直接搜索法 一复形法( b o x c o m p l e xm e t h o l d ) 求解该模型埘。 在水库防洪优化调度方面主要研究成果有： 1 9 8 8 年陈守煜提出多目标、多阶段模糊优化模型的基本理论和解法，并 邕立了新的水库防洪调度的优化方法嘲。 1 9 9 0 年，王本德编写的水库模糊优化调度重点介绍了水库模糊防洪 院化调度的基本原理、基本概念和一些模型求解的要点“1 。 1 9 9 0 年，许自达编著的优化技术在防洪中的应用一书重点介绍了动 蠡规划方法在水库防洪调度中的应用，并建立了水库防洪优化调度模型及求解 拘方法”1 。 2 0 0 3 年，郭纯一运用遗传算法建立了水库防洪调度决策支持系统，并以 大伙房水库为实例，阐述了遗传算法如何在水库防洪调度中建模及求解。 2 0 0 5 年，刘翼，王丽学，王振运用离散微分动态规划法对大伙房水库进 8 第一二章水库防洪优化调度及其研究进展 行了防洪优化调度，并取得了理想效果“。 2 2 2 水库群优化调度 所谓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，达到充分发挥各水库和各种工程措施的防洪能力，或使全系统洪灾 损失最小，或在保证防洪安全的条件下，充分提高水资源的利用程度。 国外从上世纪七十年代中期开始研究水库群的优化调度问题，南非的 w i n d s o r 最早提出以线性规划进行研究，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的不够全面，没有提出一个随上下游具体情况变化而变 化的水库防洪目标函数，也未说明如何考虑预泄等影响因素。随着电子计算机 技术和优化算法理论的不断提高与完善，使得水库群优化调度的研究工作得到 了快速的发展。水库群优化调度的求解方法主要有动态规划法、层次优化法、 逐次优化法和大系统方法等。其主要研究成果有： 1 9 7 6 年，s c h u l t z 对某并联水库群建立了动态规划模型，以下游削峰量最 大为目标，但此模型只适用于各支流洪水同时发生的情况“”。 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“”。 1 9 8 3 年，w a s i m i 以二次线性离散最优控制方法进行水库群系统实时预报 与调度，该模型与方法适合于中等洪水调度“”。 1 9 9 0 年，u n v e r 和m a y s 提出了一种实时防洪优化调度模型，该模型由防 洪调度的非线性规划方法和洪水演算的模拟方法组成“”。 我国从上世纪八十年代中期开始研究水库群的优化调度问题，主要研究成 果有： 刘鑫卿、钟琦在进行发电水库群优化调度中，采用随机统计迭代算法，通 过计算最优余留效益函数，从而得出最优调度规则函数，其最优性与随机动态 规划方法相同“”。为保证迭代的收敛性，陈森林等提出了定界迭代法求解水库 调度方程组。 1 9 8 2 年，熊斯毅、邴风山根据系统分析的方法，提出水库群优化调度的 9 河海大学硕i ：学位论文 偏离损失系数法。该法采用马尔可夫模型描述径流过程，偏离损失系数是通过 逐时段求解最优递推方程求得的，因此能反映面临时段效益和余留期影响“”。 1 9 8 6 年，董子敖等人提出了计入径流时空相关关系的多目标多层次优化 方法，其基本思想为：采用分区推求条件频率曲线和隐相关相结合的方法计入 径流的时空相关关系。把一维动态规划逐步逼近法用于二维状态，并采用参数 迭代法实现降维求单目标最优解，以克服维数灾的障碍“。 1 9 8 8 年吴保生、陈惠源研究了多水库防洪系统优化问题，提出了并联防 洪系统优化调度的多阶段逐次优化算法模型，该模型由三阶段子模型和跨阶段 子模型组成“”。 1 9 9 3 年，都金康，周广安提出了水库群防洪调度的逐次优化方法。针对 防洪系统的具体问题，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，根据“先泄、后蓄、再分洪”的一般洪水调度原则，提出了 水库群洪水调度模型及其逐次优化解法。该方法成功地实现了水库群之间以及 水库群与区间汇流的错峰，为洪水实时调度及防洪系统规划提供了一套简捷、 高效而又符合实际的模型和方法”1 。 大系统分解概念最早是由d a n t z i g 和w o l f e ( 1 9 6 0 年) 在处理大型线性规 划问题时提出的。上世纪七十年代初，m e s a r o v i c 提出了大系统递阶控制理论， 其基本思想是将复杂的大系统分解为若干个简单的子系统，以实现系统局部最 优化扭。 大系统理论所要研究的就是按照整个系统的最优指标与各子系统之间的 关系，最优地分配各子系统的指标，并以此控制各子系统，使整个系统达到最 优化。“分解一协调”算法是大系统设计和优化中一种很自然也是很有效的方法。 其中最常用的是两级结构：第一级是下级子系统，解决各子问题的优化；第二 级是上级协调器，解决各子系统的相互耦合，实现大系统的优化。 黄益芬提出在求解并联水库群优化调度问题时，采用系统分析方法，提出 了偏优损失系数法，将水库群视为一个大系统，其中各水库视为既相互独立又 相互制约的子系统。这个系统的优化分为两步来完成：首先将系统进行分解， 对各子系统进行优化，然后在子系统优化的基础上，在子系统间建立某种联系， 按照总的要求进行协调，最后得出系统最优解。”。 1 0 第二章水库防洪优化调度及其研究进展 1 9 8 8 年，胡振鹏、冯尚友提出了动态大系统多目标递阶分析的分解一聚合 方法，将水库群多年运行的整体优化问题分解为按时间划分的一系列运行子系 统，在各个子系统优化的基础上，将各水库提供的年运行策略集合到上一系统， 并由聚合模型描述和确定水库群的多年运行过程和策略。”。 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调度问题的研究途径和解决方法。 j 海人学硕l + 学位论文 第三章淮河流域并联水库群防洪系统模拟研究 系统模拟是对实际物理系统的描述，它以大量的数学关系式描述系统参数 和变量之间的数字关系，并在计算机上反复逼真地再现系统运行策略的模型方 法，它用于重演系统对于给定条件下的响应。 在防洪系统的调度中，当问题的规模较大，影响因素较多，非线性程度较 高时，解析方法的应用受到严重制约，过度简化与概化的模型往往使解析法获 得的不但不是最优解，甚至连合理性都无法保证，在这种情况下，模拟模型就 显示出较大的优越性。”。 本文中的系统模拟就是根据淮河流域并联水库群的结构特点，模拟系统运 行工况，为系统优化模型的求解做好准备。系统模拟共由三个部分组成：其一 是单一水库运行模拟，它是根据各水库现有的运用方式，利用典型年水库的入 库洪水实际资料，模拟出各水库的水位变化过程和下泄流量变化过程；其二是 河道洪水模拟，它是利用马斯京根法岫“对河道洪水演进进行演算，从而模 拟出洪水在河道内的演进过程：其三是系统运行模拟，它是结合各水库运行模 拟结果及河道洪水模拟结果而进行对整个并联水库群防洪系统运行状况的模 拟。 3 1 系统结构及其特性 本文研究的淮河流域并联水库群是由4 座并联水库，5 个蓄洪区所组成的 复杂水利系统。该系统的具有以下三个特征：首先，每个水库都有自身的防洪 对象；其次，各水库有共同的防护对象( 本系统中为正阳关断面) ；最后，每 个水库到防洪点之间的区间径流过程均不可忽略。系统结构如图3 - 1 所示。 第三章淮河流域并联水库群防洪系统模拟研究 图3 - 1系统结构图 本文所研究的宿鸭湖水库、鲇鱼山水库、梅山水库和响洪甸水库4 座水库 的基本特性表见表3 - 1 、表3 - 2 、表3 - 3 和表3 4 ； 表p 1宿鸭湖水库基本特性表 坝顶高程 流域防浪墙顶溢洪道底下游河道全赔 移民兴利历史最高 面积 设计现有高程高程安全泄量高程高程水位水位 ( k 0 ) ( m )( m ) ( m )( m ) ( m v s )( m )( m )( m )( m ) 4 4 9 85 9 2 05 9 2 06 0 6 04 8 0 01 8 0 05 45 6 5 05 3 o o 5 7 6 6 洪峰 防洪频率最高水位相应库容最大泄量主坝下游保护城镇、铁路、 流量 标准 ( )( m ) ( 亿m b ( m 3 s ) 坝型人口，耕地等 ( m 3 s ) 设 汝南、早舆、新蔡三县 1 1 2 6 6 15 7 7 51 2 7 25 8 5 0 规 计 城， 均质 划 校人口2 6 0 万，耕地4 4 5 o 12 1 0 8 95 8 8 71 6 5 67 7 0 0 土坝 核 万亩下游距汝南县城 现有o 12 1 0 8 95 8 8 71 6 5 67 7 0 08 公里 汛限水位( m )5 2 5 0 相应库容( 亿m 3 ) 2 1 l l 海人学硕i ：学位论文 表3 - 2鲇鱼山水库基本特性表 坝顶高程 流域防浪墙 溢洪道f 游河道全赔移比兴利历史最高水 面积 设计现有 项高程底高程安全泄量高程 高程 水位 位 ( k 一)( m )( m ) ( m )( m )( m 3 s )( m )( m )( r e ) ( 0 1 ) 9 4 21 1 5 5 01 1 5 5 01 1 6 6 59 7 o o2 0 0 01 l l - 1 c1 1 1 1 01 0 7 0 01 0 9 3 1 相戍库 洪峰最高水 防洪频率容最人泄量主坝下游保护城镇、铁路， 流量位 标准( )( 亿( m v s )坝型 人口、耕地等 ( m 3 s ) ( m ) i b s ) 设 l7 3 3 01 1 1 47 3 44 6 2 0 粘土 规计 商城、同始两县城及8 个乡镇， 心墙 划 校人口近百万，耕地3 9 万亩。 0 0 21 4 3 2 0i 1 4 59 1 65 6 6 0 砂壳 核下游距商城县5 公里 坝 现有0 0 21 4 3 2 01 1 4 59 1 65 6 6 0 汛限水位( m )1 0 6相应库容( 亿m 3 )4 7 表3 - 3梅山水库基本特性表 流域 坝顶高程 防浪墙溢洪道下游河道全赔移民兴利历史最高水 面积设计现有顶高程底高程安全泄量高程高程水位位 ( k 曩2 ) ( m )( m )( 幔)( m )( m s s )( m )( m )( m )( 皿) 1 9 7 01 4 0 1 71 4 0 1 71 4 1 2 71 2 9 8 71 5 0 01 2 9 0 c 1 2 6 o o1 3 5 7 5 防洪频率洪峰流最高水相应库最大泄量主坝 下游保护城镇、铁路、 标准 ( )量( m 3 s )位( m )容( 亿岔) ( m 3 s )坝型人口、耕地等 设 0 11 9 3 5 01 3 9 1 72 1 9 6 规 计 混凝 金寨县城，固始县城，人口 划校土连 0 0 l 3 2 l l o1 4 0 7 72 3 3 7 6 8 2 01 0 0 万，耕地5 0 0 万亩。 核拱坝 现有0 0 2 2 7 0 9 01 3 9 9 32 2 65 9 5 0 汛限水位( m ) 1 2 5 2 7相应库容( i zm 3 ) 1 1 9 8 1 4 第三章淮河流域并联水库群防洪系统模拟研究 表3 - 4响洪甸水库基本特性表 坝顶高程 流域防浪墙顶 溢洪道底下游河道全赔移民兴利历史最高 面积设计 现有 高程高程安全泄量高程高程水位水位 ( k m 2 ) ( m )( m ) ( m )( m ) ( 舻s ) ( m )( m )( m )( m ) 1 4 0 01 4 3 4 91 4 3 4 01 4 4 5 0无2 5 0 01 2 9 0 ( 31 3 2 7 01 2 8 0 01 3 4 1 7 洪峰 防洪频率最高水位 相应库容最大泄量主坝下游保护城镇、铁路、 流量 标准( ) ( m ) ( 亿m 3 )( m 3 s )坝型人口、耕地等 ( m s s ) 设 0 11 4 5 2 01 3 9 1 02 2 2 8 6 0 9 规计 重力 划 校 六安市，3 1 2 国道 o 0 12 0 4 4 01 4 3 6 02 6 3 26 1 8拱坝 核 现有 0 0 12 0 4 4 01 4 3 6 02 6 3 26 1 8 汛限水位 m )1 2 5 0 0 相应库容( 亿_ 3 ) 1 2 2 7 系统中各蓄洪区的基本特性见表3 5 所示： 表3 - 5蓄洪区的基本特性表 社会经济设计指标一 蓄洪区 所在所在总面积总人口设计蓄总库容 名称 控制站调度权限 河流地区 ( k m 2 ) ( 万人)水位( m )( 亿m 3 ) 蒙洼淮河安徽1 8 0 41 5 2 1王家坝2 7 6 6 7 5 0 国家防总 城东湖淮河安徽3 8 01 3 2 6正阳关2 5 5 0 1 5 9 0 安徽防指 城西湖淮河安徽5 1 71 7 9 9正阳关2 6 5 0 2 9 5 0 国家防总 邱家湖淮河安徽2 5 1o 5 1 正阳关 2 6 9 0 1 8 2 安徽防指 姜唐湖 淮河 安徽 1 1 4 93 7 正阳关 2 6 4 07 6 0 安徽防指 河海人学顾 ：学位论义 3 2 洪水特性分析 淮河流域地处南北气候过渡带，气候复杂，降雨常以暴雨形式出现。地形 呈周边山丘高地围绕广阔平原，而平原地势低平，蓄水困难，排水也困难。历 史上黄河长期南泛夺淮，打乱水系，堵塞河道，加重了淮河流域洪水灾害。受 气候和地理条件的影响，淮河流域暴雨的范围广、强度大，暴雨和特大暴雨在 全流域都可能发生。 3 2 1 洪水类型 淮河洪水大致可分为三类： 由连续一个月左右的大面积暴雨形成的全流域性洪水，量大而集 中，对中下游威胁最大，如淮河1 9 3 1 年、1 9 5 4 年洪水。1 9 5 4 年淮 河干流i f 阳关3 0 天洪量3 3 0 亿m 3 ，接近多年平均值的4 倍，鲁台子 最大实测洪峰流量1 2 7 0 0 m 3 s 。 由连续两个月以上的长历时降水形成的洪水，整个汛期洪水总量很 大但不集中，对淮河干流的影响不如前者严重，如1 9 2 1 年和1 9 9 1 年洪水。 由一、二次局部大暴雨形成的局部地区洪水，洪水在暴雨中心地区 很突出，但全流域洪水总量不算很大，如1 9 6 8 年淮河上游洪水， 1 9 7 5 年洪汝河、沙颍河洪水。 淮河干流的洪水特性是洪峰持续时间长、水量大，正阳关以下一般情况是 一次洪峰历时一个月左右。每当汛期大暴雨时，淮河上游及两岸支流山洪汹涌 而下，首先在王家坝形成洪峰；由于洪河口至正阳关河道弯曲、平缓，泄洪能 力小，加上绝大部分山丘区支流相继汇入，河道水位迅速抬高，洪水经两岸行 蓄洪区调蓄后至正阳关，洪峰的峰形既高又胖。支流洪水分两种情况：一是山 丘区河道，暴雨多、径流系数大、汇流快，在河槽不能容纳时就泛滥成灾；另 一种是平原河道，暴雨较大、汇流时间较长，地面坡降平缓，河道防洪标准低， 受干流洪水顶托，常造成严重的洪涝灾害。 1 6 第三章淮河流域