洪水预报与调度PPT课件

.,1,洪水预报与调度,2012.10.22,授课人：俞淞,.,2,姓名：俞淞,教育背景：,籍贯：安徽省滁州市定远县,自我介绍,1999.92003.7武汉大学水文与水资源工程专业本科2003.92005.7武汉大学水文学及水资源专业硕士2005.92008.7武汉大学水文学及水资源专业博士（直博）,出生年月：1982年3月,.,3,.,4,樱花烂漫,.,5,.,6,Email:yusongQQ：85283180,联系方式,.,7,本次课程及应用实例,.,8,.,9,.,10,.,11,.,12,.,13,洪水预报实时校正方法介绍：残差回归、自适应反馈、卡尔曼滤波等方法,水文预报，流域产汇流计算,主要内容,水库洪水调节计算：主要介绍水库的调洪作用，设计标准，调洪计算基本原理和方法。,水库汛期分期方法介绍：数理统计、变点分析、模糊集合分析、矢量统计等方法的比较及应用。,.,14,引言,水孕育了生命，然而从各种自然灾害发生的次数来看，每年有60以上是洪水灾害，特别是亚洲、北美发生的次数更多。我国是世界上受洪涝灾害影响最大的国家之一，频繁的洪水灾害每年都给社会经济和人民的生命财产造成巨大损失。据历史记载，从公元前206年到1949年中华人民共和国成立，共2155年间，中国就发生过较大的水灾1092次，较大的旱灾1056次，平均几乎每年都有较大水旱灾害。,.,15,研究的主要意义,随着社会经济的高速发展，水库在防洪中的地位和作用越来越突出。水库不仅要确保自身的安全，还要担负发电等多种综合利用任务，洪水预报和调度任务越来越艰巨而复杂。,.,16,概述（一）洪水预报与调度在水库防洪中的作用,水库特征水位与特征库容：死水位Z死与死库容V死正常蓄水位Z蓄与兴利库容V蓄防洪限制水位Z限与结合库容V结防洪高水位Z防与分洪库容V防设计洪水位Z设与拦洪库容V拦校核洪水位Z校与调洪库容V调,水库特征水位及其相应库容示意图,.,17,Z死、Z蓄、Z防、Z设、Z校建设时已经确定，Z限设计时一般对于正常蓄水位Z蓄，即Z限=Z蓄。由于后来的工程质量、水文情况变化等，常使Z限Z蓄1保证自身安全设计洪水来临时，水库Z=Z限，最高洪水位Z设校核洪水来临时，水库Z=Z限，最高洪水位Z校考虑预报时预泄：在保证兴利的条件下，适当腾空部分兴利库容，提高水库的抗洪标准,.,18,超蓄：保证安全的条件下，在洪水尾部适当超蓄临时多拦蓄部分洪水（超蓄的洪水能在预见期内腾空），提高水库的兴利作用2.保证下游安全下游洪水防洪标准时，水库ZZ防,下游防洪点QQ安考虑预报时通过防洪调度，与下游防洪点错峰，提高下游的防洪标准,.,19,（二）洪水复核与汛限水位设计洪水复核：新情况下的设计洪水、校核洪水、调洪规则洪水分期工程任务与工程质量（三）防洪预案研究对于不同标准的洪水对于不同情况的实际特大洪水,.,20,（四）基本步骤洪水预报离线预报：流域降雨径流预报河段洪水预报在线预报实时洪水预报：最小二乘方法卡尔曼滤波方法水库调度,.,21,流域降雨径流预报,.,22,水文循环示意图,.,23,流域降雨径流预报,.,24,一、产流计算,.,25,.,26,净雨过程计算一个流域的Wm、b一定，可按上式由降雨、蒸发连续预报W、RR进一步划分为二水源：地面净雨RS、地下净雨Rg三水源：地面净雨、壤中流净雨、地下净雨,.,27,二、汇流计算,1地面汇流（或河网汇流）时段单位线（经验单位线）瞬时单位线J.E.Nash单位线纳希瞬时单位线仅有两个参数n和K，便于进行单站和地区综合，故在洪水预报和设计洪水计算中应用较为普遍2地下汇流（包括攘中流净雨汇流）按地下水库进行演算,.,28,预报方案评定,我国颁布的SD1382000水文情报预报规范采用以下误差评定方法1评定标准（1）确定性系数dy,.,29,（2）合格率m预报值误差许可误差的场数；n预报的总场数，一般不少于40次许可误差：对于降雨径流预报，净雨深的许可误差采用实测值的20%，许可误差大于20mm时，以20mm为上限；许可误差小于3mm时，以3mm为下限。洪峰流量的许可误差取实测值的20%，并以流量测验误差为下限。洪峰流量出现时间的许可误差，取预报根据时间至实测峰现时间间距的30%，并以3h或一个计算时段为下限。,.,30,a)确定性系数b)洪峰合格率c)峰现时差合格率,.,31,2预报方案的评定标准（1）按确定性系数评定有效性评定（检验）方案的有效性时按下列标准进行。,.,32,（2）按许可误差评定合格率预报方案合格率是评定（检验）中计算值与实测值之差不超过许可误差的次数（m）占全部次数（n）的百分率（m/n100）。按其合格率将预报方案划分为以下3个等级。预报方案经评定达到上述甲、乙两个等级者，即可用于作业预报；达到丙等的方案用于参考性预报；丙等以下的方案不能用于作业预报，只能作参考性估报。,.,33,3.作业预报的评定,.,34,三、河段洪水预报,.,35,.,36,河槽蓄水量与泄流量关系方程蓄泄方程W=f（Q上，Q下）=f(Q)(3-2)马斯京根法将该方程表达为Q上，Q下的线性组合联解式（3-1）、（3-2），即可求得Q下t2.马斯京根法(1)马斯京根流量演算方程该法将槽蓄量S分为二部分柱蓄和锲蓄组成：柱蓄量=河段通过稳定流量Q下的槽蓄量SQ下=KQ下，K为稳定流情况下的河段流量传播时间锲蓄量=x(SQ上-SQ下)=x(KQ上-KQ下)x楔蓄系数，或称流量比重因数,.,37,则槽蓄量S=SQ下+x(SQ上-SQ下)=KQ下+x(KQ上-KQ下)亦S=KxQ上+(1-x)Q下=KQ(3-3)Q=xQ上+(1-x)Q下=Q下+x(Q上-Q下)(3-4)Q示储流量（表示槽蓄量S相应的稳定流流量）式（3-1）式、（3-3）联解，即得马斯京根流量演算方程（3-5）,.,38,(2)K和x的确定马斯京根蓄泄方程的S和Q呈线性关系，表明Q是S下的稳定流流量，所以，可假设x，作S和Q关系线，当为直线时，如图，x即为所求，此时的直线斜率即为K值。,.,39,.,40,(3)马斯京根法的几个问题与处理方法（1）K值的综合分析多次洪水的K值，如果变化不大，可取平均值如果K值变化较大，一般可按流量分级，应用时，随预报流量的变化取相应的K值（2）x值的综合x值一般变化不大，约0.20.45，可取多次洪水分析的平均值（3）的选取一般，最好取等于河段的洪水传播时间K。如果难以满足，则可将整个河段按n=K/分为n个河段，采用分段连续演算法计算（4）马斯京根法本身无预见期，一般利用降雨径流法预报出上断面Q上t，再用马法计算Q下t。但取=2Kx时，C0=0，则有的预见期,.,41,洪水预报实时校正方法,.,42,洪水预报实时校正方法,水文预报是人类对自然界水文现象的模拟和预测，影响因素众多。一般来讲，洪水预报方案是根据以往的实测资料编制的，其中洪水预报模型的参数，反映的都是以往资料情况下平均而言的最优值，但在作业预报时，当实际情况偏离方案的状态时，就会使预报结果发生偏差。如果我们能够利用作业预报过程中随时得到的误差信息（新息），恰当的调整下一步用产汇流预报方案推算所得的数值，将会提高预报精度，这种利用新息进行预报校正的方法称为实时校正预报。,.,43,洪水预报校正模型主要采用了两种类型，一是采用相关分析校正模型，二是采用自回归校正模型。采用的校正技术主要有，利用最小二乘分析技术建立的定常参数校正模型方法；利用递推最小二乘分析技术建立的自适应反馈洪水实时预报校正模型方法和利用卡尔曼滤波技术建立的洪水流量实时校正方法，经比较后，选择一种适合水库情况的校正模型和方法。,.,44,模型预报流量与实测流量相关校正方法,选取湖北省漳河水库利用19902002年汛期反推的入库洪水过程和产汇流预报模型模拟计算的流量过程资料，模型预报流量与实时校正后的预报流量相关分析校正方程为：其相关系数r=0.91745。,.,45,多阶自回归洪水实时校正方法,概念性流域水文预报模型使得水文模型呈现为较复杂的“隐式”结构，模型参数识别存在着计算的复杂性，很难用实测数据实时修正模型参数，成为定常参数的流域水文模型。目前在利用定常参数的流域水文模型进行洪水实时预报时，采用的有效方法是用确定性流域水文模型加上实时校正处理算法进行洪水实时校正预报。即利用流域水文模型的预报流量序列与实时观测的流量序列的残差序列dQ(j),j=1,.,t，建立残差预报模型，将预报的残差dQ(j),j=t+1,.叠加到预报流量上，完成流域洪水预报校正，从而提高洪水预报精度。,.,46,对于漳河水库一阶残差自回归洪水预报校正模型为：二阶残差自回归洪水预报校正模型为：,.,47,自适应反馈洪水实时校正方法,1.洪水实时预报校正方法与技术在洪水实时预报中，目前阶段采用的自适应反馈洪水信息实时校正的方法主要有：递推最小二乘法和卡尔曼滤波方法。这些实时校正的方法共同特点是，能实时地处理水文系统最新出现的预报误差，以此作为修正预报模型参数、状态或预报输出值的依据，从而使预报系统迅速适应现时状况。,.,48,2.自适应洪水实时校正模型将一阶自回归洪水预报校正模型改写为时变参数的模型，其结构形式为：将上述时变参数的模型，结合改进的可变遗忘因子最小二乘参数估计自适应递推算法，从而得到一阶自适应洪水实时校正模型具体结构形式为：,.,49,（1）一阶自适应洪水实时校正模型递推算法为：预报：参数估计：增益因子：协方差阵：可变遗忘因子：上述表达式中:,.,50,（2）二阶自适应洪水实时校正模型递推算法为：预报：参数估计：增益因子：协方差阵：可变遗忘因子：上述表达式中:,.,51,卡尔曼滤波洪水实时校正方法,卡尔曼滤波是卡尔曼和布西在60年代初提出的，它是具有完整的严密理论体系的实时预报方法，在自动控制等领域应用取得很好的效果。自从70年代被引入到洪水实时预报以来，人们进行了许多探索性的研究工作。卡尔曼滤波是根据对水文系统建立的状态方程和观测方程，采用线性递推的算法进行实时预报的。即由现时段的预报值和获得的观测值作滤波计算，然后预报下一时段的系统状态，待下一时段的观测值出现后，再滤波，再预报下一个时段的状态，如此连续循环和预报。,.,52,卡尔曼滤波洪水实时预报校正模型,本课中的卡尔曼滤波洪水实时预报研究，是以自回归残差预报模型为基础，进一步导出卡尔曼滤波洪水实时预报模型和计算方法。其中自回归残差预报模型，可表示为：将自回归残差预报模型，改写成状态方程和观测方程的表达形式，有,.,53,（1）状态方程可进一步简写为：其中状态变量、噪声分配矩阵、状态转移矩阵、噪声方差矩阵为：，,.,54,（2）观测方程在t+1时刻流量是可观测的，此时可推求得到流量预报误差，假设测量的流量值受到误差影响，从而有：可简写为：式中，的方差取R=147。,.,55,实时校正方法比较与选用,漳河水库洪水预报校正模型及算法结果综合表,.,56,水库调度,.,57,电网调度管理条例实施办法（1994年10月11日中华人民共和国电力工业部令第3号发布自发布之日起施行）,第四条电网调度机构一般应当进行下列主要工作：（一）、组织编制和执行电网的调度计划（运行方式）；（二）、指挥调度管辖范围内的设备的操作；（三）、指挥电网的频率调整和电压调整；（四）、指挥电网事故的处理，负责进行电网事故分析，制订并组织实施提高电网安全运行水平的措施；（五）、编制调度管辖范围内的设备的检修进度表，批准其按计划进行检修；（六）、负责本调度机构管辖的继电保护和安全自动装置以及电力通信和电网调度自动化设备的运行管理；负责对下级调度机构管辖的上述设备和装置的配置和运行进行技术指导；（七）、组织电力通信和电网调度自动化规划的编制工作，组织继电保护及安全自动装置规划的编制工作；（八）、参与电网规划编制工作，参与电网工程设计审查工作；（九）、参加编制发电、供电计划，监督发电、供电计划执行情况，严格控制按计划指标发电、用电；（十）、负责指挥全电网的经济运行；（十一）、组织调度系统有关人员的业务培训；（十二）、统一协调水电厂水库的合理运用；（十三）、协调有关所辖电网运行的其他关系。,.,58,第十八条调度机构应当按年、月、日编制并下达发电调度计划。凡由调度机构统一调度并纳入电网进行电力、电量平衡的发电设备，不论其产权归属和管理形式，均必须纳入发电调度计划的范围。月度发电调度计划，须在年度发电预期计划的基础上，综合考虑用电负荷需求、月度水情、燃料供应、核燃料的燃耗、供热机组供热等情况和电网设备能力、设备检修情况等因素进行编制。日发电调度计划在月发电调度计划的基础上，综合考虑日用电负荷需求、近期内水情、燃料供应情况和电网设备能力、设备检修情况等因素后，编制出日发电（有功、无功功率或者电压）曲线，下达各发电厂执行。第二十二条跨省电网管理部门和省级电网管理部门编制发电、供电计划以及调度机构编制发电、供电调度计划时，对具有综合效益的水电厂（站）的水库，不论其产权归属和管理形式，均应当根据批准的水电厂（站）的设计文件，合理运用水库蓄水，保证其正常运用，不允许发生水库长期处于降低出力区运行的情况。多年调节水库在蓄至正常蓄水位后，供水期末水位一般应当控制在年消落水位附近。遭遇连续枯水年时，需降至死水位运行，必须按规定报批。年调节水库一般在每年汛末应当蓄至正常蓄水位。多年调节水库和年调节水库的最低运行水位，均不允许低于死水位，不得破坏水库的调节能力。调节性能差的水库一般也不能低于死水位运行。第二十四条跨省电网管理部门和省级电网管理部门遇有下列情形之一，而且不能在短期内解决，需要调整年、月度发电、供电计划指标时，可以适当调整。调整后，应当立即通报有关地方人民政府的有关部门，并与上述有关部门共同研究协调，采取有效措施：、大、中型水电厂（站）水库实际来水与编制发电计划依据的来水预计相差较大；、火电厂的燃料库存低于规定的火电厂最低燃料库存量警戒线；、其他需调整发电、供电计划的情形。,.,59,水调自动化系统概述,一、建立水调自动化系统的目的与意义社会主义市场经济体制的健康发展，加速了电力系统的建设步伐,我国电力工业正在形成投资、产权、利益主体多元化的格局，如何建立高效的电力市场机制，优化网内资源配置、降低电网运行成本、保证电力系统经济可靠性、提高水电站水库调度自动化程度，是各水电厂、网局乃至国家电力公司普遍关注和亟需解决的重大课题。因此，实现水电站水库及水电系统调度高度自动化，开发实用型高级应用软件，建立专家决策支持系统，确保电厂、电网安全、稳定、优质、经济运行，达到无人或少人值班的高度集成自动化调度，对于提高科学管理水平、提高全网水电厂的水能利用率，增加发电效益，获取整体最佳的国民经济效益，促进工农业发展，为市场经济条件下水库（群）优化调度提供切实可行的途径，无疑具有重大的科技意义和广阔的应用前景。水电作为一种洁净的可再生能源，具有运行费用低廉、机组启停灵活、调峰能力强的优势，早已成为国际国内首选开发的能源，正因为如此，水电在整个电网中的作用与地位越来越重要和突出。可见尽快实现水电系统调度自动化及专家决策支持系统势在必行，其社会和经济效益不可低估。,.,60,二、水调自动化系统现状水电系统调度自动化及专家决策支持系统是一个集水库调度专业知识，自动化硬件设备与接口、计算机及网络通讯技术、决策支持理论为一体的大规模集成系统，其研究需要花费大量的人力、物力和财力。国外由于自动化技术和计算机通信技术水平较高,其水调自动化系统研究起步早,实用化程度高。从我们收集到国外10余个水调自动化系统研究报告看,主要依据数据库、模型库和计算机交互式图形界面来确定水库长、中、短期运行计划。如美国加利福尼亚中央河谷工程（C）长、中、短期优化调度、美国田纳西流域（）的水资源系统周和日的调度，加拿大马尼托巴大学开发的水库调度决策支持系统等。但是由于体制、管理模式等差异，以及实际客观条件和经费等限制，近年来国内一些水电站引进的水调自动化系统主要集中在硬件，引进的软件因汉化等原因使用的效果并不理想。显然，水调自动化系统的核心-应用软件的开发研制，必须在汲取世界先进经验的基础上立足于国内科技力量开发。,.,61,国内，自年代末开展水库优化调度以来，在理论和应用方面都取得了长足发展，尤其是应用确定性和随机性优化模型编制水电站水库（群）中长期调度方案，结合水文预报开展短期预报调度（防洪及发电）和实时调度，创造了巨大的经济效益（例如柘溪水库优化调度、白山与丰满水库联合优化调度、闽江流域梯级水电站联合经济调度等）。大系统理论、多目标理论及神经网络理论等新的理论方法也不断用来研究和解决水电站水库（群）优化调度问题，但主要是模型构造和求解方法的研究，成功的、成熟的、实用的库群优化调度软件较少。“八五”期间，以北京水利水电科学研究院自动化研究所和南京自动化研究院为主研制的水情自动测报系统取得了可喜的成就，在全国电力行业已建和在建的水情自动测报系统达60多个；在此期间，水调自动化工作也取得了一定的进展，一些网局，省局初步实现了水调信息的自动采集和监视功能，1996年由武汉水利电力大学和东北电力集团公司联合进行了东北电网水库调度自动化系统总体规划，1997年由武汉水利电力大学和中国水科院联合研制的西北电网水调自动化系统，已投入试运行。1999年东北电力集团公司与武汉水利电力大学签署协议，联合开展东北电网水库调度自动化系统软件开发工作。河海大学、大连理工大学、清华大学、华中理工大学等在水电站综合自动化系统及有关模型理论方法等方面也取得了可喜的成果。,.,62,水库防洪调度,（一）任务根据调洪规则由入库洪水过程推求出库洪水过程、库水位变化过程、最高库水位等（二）水库调洪计算原理1泄洪建筑物的泄流能力闸门全开情况q=f(Z)或q=f(V)溢洪道堰流公式泄洪洞孔口出流公式,.,63,（二）水库调洪计算基本原理,根据初始、边界条件，逐时段联介式水库水量平衡方程(14-1)和蓄泄方程(14-2):（14-1）式中-分别为计算时段始,末入库流量-分别为计算时段始,末出库流量-分别为计算时段始,末的水库蓄水量-计算时段,洪水陡涨陡落时,取短些.,.,64,（14-2）,通过逐时段联解,就可以求得水库下泄流量过程线,最大下泄流量,这场洪水所需的防洪库容和水库最高洪水位.如图14-3所示.,.,65,3.调洪计算,.,66,（四）水库防洪调度1.控制泄流与自由泄流相结合调度无下游防洪任务，入库流量Q泄流能力q，使q=Q入库流量Q泄流能力q，敞开泄流2.固定泄流或分级控制泄流调度下游有防洪任务，按下游安全泄量Q安的情况，或固定泄流，或分若干级控制泄流,.,67,3.,错峰调度,根据下游防洪点的安全泄量,Q,安,的要求，应,Q,c,t,-,tca,=Q,安t,-,Q,B,t,-,tBA,-,Q,ABC,t,-,t,区,或,Q,c,t,=Q,安t+tca,-,Q,B,t,-,tBA+tca,-,Q,ABC,t,-,t,区,+tca,=Q,安,-,Q,B,t+,-,Q,ABC,t+,区,4.,防洪预报调度,.,68,水库汛期分期方法研究,.,69,研究的背景及意义,我国是世界上严重缺水的国家之一，人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4，是世界上13个贫水国之一。我国又是世界上用水量最多的国家之一，据统计，仅2002年，全国淡水取用量达到5497亿m3，约占世界年取用量的13%。我国从20世纪70年代以来就开始出现水资源供需矛盾，并由局部逐渐蔓延至全国大部分地区。随着人口增长和社会经济的发展，污水排放量也在不断增加，水质恶化加剧了水资源短缺矛盾。已成为国民经济可持续发展的制约因素。,.,70,静态控制法,设计理念,动态控制法,汛期分期,固定汛限水位,分期汛限水位,.,71,气候成因分析法：对流域气候分析。经验统计法：利用多年各月、旬或日的实测雨量、洪峰、洪量等资料，选择统计指标，通过数理统计方法得出汛期的变化规律，从而确定汛期的划分点。有多年降雨；多年径流；超定量洪峰；年最大旬径流分析等。模糊分析法：经验隶属度法和理论隶属度法。,汛期分期研究,.,72,结论：结合以上各种方法作分析比较，前汛期46月，5月和6月为主汛期，4月为前期过渡期（归为前汛期）；后汛期79月，7月为后期过渡期；相邻月份间有明显变化。,.,73,一般地说，变点就是“模型中的某个或某些量起突然变化之点”。这种突然变化往往反映事物的某种质的变化，在自然界、社会及各种领域中很常见且具有重要性。,变点分析方法,.,74,采用如下符号表示整个水文序列和前、后两部分。,变点分析的任务就是检验变点最有可能发生的时间位置和所研究的统计特征值的变化幅度。,.,75,均值变点分析方法,.,76,.,77,逐月分期及其汛限水位计算,由报告中的调洪规则一和规则二分别调洪演算，其中7月和8月为后汛期，其调洪规则与前汛期采用相同调洪规则，更趋于安全。调洪规则二控制条件相对于调洪规则一较少，则计算的最高水位应高于调洪规则一计算的最高水位，但由于规则二调洪演算中可能比规则一提前敞泄，部分最高水位会低于规则一最高水位。,.,78,逐日滑动汛限水位,.,79,逐日滑动动态汛限水位,在多年资料基础上，通过统计汛期中每日为起点的最大来水量，求出固定频率的设计来水量，选择合适的典型洪水过程线进行调洪计算后得到每天的汛限水位,优点：有效地节约了水资源不足：工作人员每天控制一个水位，操作过程中比较麻烦,水库汛期分期方法比较,.,80,统计旬月一日或三日最大值序列，采用峰量综合控制法经过调洪计算求得相应的各旬和各月的汛限水位,优点：一定程度上考虑了季节变化的物理成因不足：较逐日法不够细,旬月划分,.,81,根据防洪安全和兴利蓄水要求、河道及水库工程状态，利用水文气象和统计规律分析流域“汛期”或“主汛期”的确切涵义,优点：结果比较合理，有较高的可靠性而被普遍采用不足：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，因而工作量大，同时分期有一定的主观性，也难于将汛期分到较细的时段（如日）,成因分析,.,82,利用实测历史流量（雨量）资料，选择统计指标，分析指标在年内（或汛期）的变化规律，最后通过数理统计理论得出汛期的变化规律,优点：简单实用不足：在分析过程中，对是不是洪水这一临界值带有一定的主观性；同时也很难将汛期划分得较细,数理统计法,.,83,采用模糊集理论，使用融成因分析、数理统计、模糊统计为一体的模糊集合综合分析法对水库的汛期划分进行研究,优点：考虑了汛期在时间上的模糊性，在理论上有了较大的发展，具有先进性不足：分析结果对所选用的指标阈值