水库实时防洪调度技术

水库防洪调度技术 河海大学钟平安教授2006年12月15日 一 洪灾与防洪 1991年水灾损失779亿元1994年达1797亿元1995年为1653亿元1996年达2200亿元1998年竟达2700亿元 水库 群 分滞洪区 河道堤防 二 调节周期水库分类 调节周期水库一次蓄泄循环经历的时间T 空满空 无调节水库 T 0常见于发电 上游有龙头电站 和航运 各水库水头衔接示意图 日调节水库 白天 黑夜需水 电 差异 将多水时段的水调剂到少水时段使用 周调节水库 工作日与休息日需水 电 差异 将休息日的水调剂到工作日使用 年 季 调节水库 将汛期的多余水量调剂到枯季使用 多年调节水库 将丰水年的多余水量调节到枯水年使用 反调节水库 日调节水电站下游有水位变幅限制 航运 灌溉 防洪 时 需对上游电站调节过的水电站放水进行一次重新调节 称为反调节 对调节的调节 三 水库设计标准 设计保证率 水库在多年工作期间正常供水得到保证的程度 三种衡量方式 年保证率 破坏不论时间长短 数量多少 历时保证率 历时根据需要可以是月 旬 日或其他时短长 水量保证率 重现期表示法 T年一遇 频率表示法 P 两类 三种 标准 1 水工建筑物正常运用标准 设计标准当发生的洪水低于该标准时 水库运行维持正常状态 2 水工建筑物非常运用标准 校核标准当发生校核标准洪水时时 容许次要建筑物短时间破坏 3 下游保护对象的防护标准 防洪标准当发生的洪水低于该标准时 保证保护区不成灾 水库防洪标准 四 水库特征水位与相应库容 死水位与死 垫底 库容 水库在正常运用时 允许消落的最低水位 称死水位 库空死水位以下的库容 称死库容 泥沙淤积 水库经济使用寿命 综合利用要求航深自流引水渔业旅游等水轮机工作水头最小工作水头 正常高 蓄 水位与兴利 有效 调节 库容 水库在正常运用时 允许回蓄的最高水位 称正常高水位Z正 死水位至正常高水位之间的库容称兴利库容 Z正 Z死称工作深度或消落深度 兴利需求地形限制移民淹没上下游衔接 防洪 汛期 限制水位与结合 公用 重叠 库容 水库汛期允许蓄水的上限水位 称防洪限制水位 汛限水位 汛限水位至正常高水位之间的库容称为结合库容 1 完全结合 V结 V兴 兴利库容是防洪库容的一部分 或V结 V防 防洪库容是兴利库容的一部分 或V结 V兴 V防 兴利库容与防洪库容相同 2 部分结合 V结 V兴且V结 V防 3 完全不能结合V结 0 防洪高水位与防洪库容 当发生下游防护标准的洪水时 水库经调洪后 坝前达到的最高水位 称防洪高水位 汛限水位至防洪高水位之间的库容称防洪库容 设计洪水位与拦洪库容 当发生设计标准的洪水时 水库经调洪后 坝前达到的最高水位 称设计洪水位 汛限水位至设计洪水位之间的库容称拦洪库容 校核洪水位与调洪库容 当发生校核标准的洪水时 水库经调洪后 坝前达到的最高水位 称校核高水位 汛限水位至校核水位之间的库容称调洪库容 总库容与坝顶高程 校核洪水位之下的全部库容称总库容坝高与坝顶高程是两个不同的概念 坝顶高程的确定 五 水库调洪作用 滞洪作用将超过安全泄量的洪水临时滞蓄在水库中 当洪水减小时 再将蓄积的洪水渲泄掉 腾空库容 迎接下一场洪水 滞洪只能起削峰作用 不能减少洪水总量 单纯防洪的水库其作用就是滞洪蓄洪作用汛期将洪水蓄积在水库中 供汛后兴利之用 防洪与兴利结合的水库这样运行错峰作用当下游区间或支流来大洪水时 可利用上游的水库临时控制下泄流量 使干流洪水不与支流或区间洪水遭遇 使洪峰错开 孔流 堰流 六 水库防洪调度进展 1 洪水大小2 调度规则 水位或标准调度规则制订 1水库设计洪水 设计洪水是依据某实际洪水 典型洪水 加工而成的 虚拟 洪水对典型洪水分段重构 洪峰流量 时段洪量 1日 3日 同倍比放大法 峰比 放大 量比 放大 2固定泄流 单级或多级 3防洪多级调节 先下游防洪标准 防洪设计标准 校核标准 七 实时防洪调度 开始 实时洪水预报 选择方案生成模式 输入调度控制条件 生成方案集 方案评价与选择 方案灵敏度分析 选择实施方案 泄洪设备操作 次洪结束否 结束 N Y N Y 实时调度流程 用新的更高精度的预报信息替代原先相应时段的预报值 信息修正采用当前水库实际值 初始状态 重作调度 得到新的实施方案 状态修正 实时洪水调度 前向滚 卷 动 特征 预报 调度 实施 预报 前向滚 卷 动 特征有利于实时校正 实时防洪调度目标 不增加防洪风险的前提下 追求兴利效益最大化经济指标 发电收入供水收入实物指标 发电量供水量不影响兴利效益前提下 追求防洪效益最大化或防洪风险最小化削峰率超过特定流量的时间实时空闲库容超额洪量 实时防洪调度约束条件 洪水调度关心三个主要指标水库的最高水位水库自身和上游防洪 如果库区有淹没 的效益最大下泄量体现了下游的防洪效益调度期末的水库控制水位调度期末的水位反应水库兴利与防洪的协调关系在调度期末控制水位给定时 水库最高水位最低与最大下泄量最小是相互矛盾的 实时防洪调度约束条件 调度期末水位约束 最高水位约束 泄流能力约束 泄量变幅约束 最大出库流量约束 水量平衡约束 实时防洪调度与决策者偏好 水库防洪调度是对决策者心理素质的考验艺高胆大糊涂胆大决策者不同季节与不同时期关注的重点不同洪水初期关注水库的安全洪峰附近关注下游安全洪水后期关注兴利要求 回蓄 常见的几种决策态度乐观决策悲观决策折衷决策 实时防洪调度注意事项 实时调度结果应当优于至少不劣于设计调度规则实际洪水比设计洪水 温和 实时洪水的起调水位多数情况低于汛限水位实际调度中可以获得更多的决策支持信息实时调度方案不得破坏原设计上下游的协调关系下游安全泄量人造洪峰 实时洪水预报与实时防洪调度 入库洪水过程是水库防洪调度的基础实时洪水预报是实时洪水的支撑条件实时洪水调度不能没有实时洪水预报 也不能完全依靠实时洪水预报洪峰流量洪水总量峰现时间确定性系数 实时洪水预报的局限无法获知未来洪水的全过程水库工程设计防洪库容依据于完整信息 调度期最高库水位实时控制 最高水位出现方式 调度期最高库水位实时控制 水位逐步松弛法 水库最高水位的允许变幅 将水位可能变幅分成n等份 级差为 n的值根据决策者心理素质 水库的调节能力和工程质量综合选择在当前水位基础上增加一倍的级差作为本次调洪演算的上限控制水位 直至达到校核洪水位 调度期最高库水位实时控制 入库累计水量确定 计算入库洪水的累计水量过程 计算校核洪水的洪水总量 计算调洪库容实时分配值 由计算最高控制水位 调度期最高库水位实时控制 相似洪水外延法 洪水发生地的防洪专家 凭借长期积累的经验 往往能捕捉到洪水发展的某些 征兆 可以为相似洪水的选择提供 知识 支持 调度期最高库水位实时控制 后续降雨预留法 八 汛限水位动态控制 汛限水位动态控制 汛限水位动态控制实用技术必须能回答 实时超蓄水量的大小每场洪水过程中防洪形势不同 允许超蓄量应有差别 超蓄风险的消化途径保证原设计参数 校核洪水位或调洪库容 不变 汛限水位动态控制 汛限水位动态控制支撑条件卫星云图可以全天候监视台风的运行路径 配合地理信息系统技术 可以根据历史台风运动轨迹 给出台风登陆可能性预报 对于台风影响为主的水库 适时的预泄为应对台风雨的侵害创造了充裕的时间水雨情自动化测报系统和防洪决策支持系统的广泛建立 大大提高了调度决策的时效 福建省闽江流域6万平方公里的流域面积上 已建立200余遥测站点 所有站点的遥测信息均能传输到省防汛办公室 利用遥测系统 可以在3 8分钟内收集全流域所有的水雨情信息 在2分钟内完成22个主要节点和防洪断面的流量过程预报 在1分钟内完成库群调度方案的计算 在30分钟内能发布经过多方案比选的调度指令 其效率比手工操作提高近10倍 实时超蓄水量的确定 汛限水位动态控制 关闸时机的选择 晚蓄方案 汛限水位动态控制 关闸时机与水位回蓄过程示意图 九 预报误差对调度影响 预报误差对调度的影响 预报误差对调度的影响 预报误差与水库调洪风险洪水预报时段误差是累积的在无系统误差或只存在有限时段的系统偏差时 预报误差造成的调洪风险是可以 自免疫 的对于水库而言 洪量的误差 流量过程的误差有系统性 才有可能影响水库水位 影响水库安全水库的良好控制性能 对洪量误差造成的风险有较强的 抵抗力 入库过程与出库过程在很多时候是 脱节 的 预报误差对调度的影响 预报误差与下游防洪收集水雨情 作出方案 领导决策 到下达操作命令和执行 需要相当长的时间下游防洪断面的来水包含两部分影响因素区间洪峰流量大小水库最大出库流量的大小区间洪水的峰现时间水库放水的峰现时间峰现时间影响范围分析 预报误差对调度的影响 峰现时间比预计的提前不利 比预计的滞后则有利 峰现时间的变化区间 水库放水峰现时间的变化区间 区间峰现时间的变化区间 防洪断面组合流量过程 防洪断面洪峰流量变化区间 其中 其中 实时防洪调度预见性与不确定性 水库防洪调度是对未来一段时间水库的计划与安排必须预见洪水的动态与发展趋势不能够机械地执行调度规则调度决策结果 发布调度指令 必须高度确定调度失误造成的后果严重调度依据条件不完全确定雨情 水情多变在特殊情况下 工情 如出现险情 也会发生难以预料的突然变化预报误差 实时防洪调度不确定性分析 不确定性是 会商 的根本原因会商关注因子集 入库洪水洪峰预报精度 不同时间段的入库洪水总量的预报精度 入库洪水过程形状的变化 被补偿区间洪水预报精度 水库实时最高控制水位 调度期末预留防洪库容 下游防洪断面的允许过流量 十 水库群防洪调度 水文补偿 水力补偿 库容补偿 降雨和洪水过程空间不同步 各水库到防洪点的传播时间不同 各水库调节性能与空闲库容的大小 十一 高新技术应用 淹