万安水库后汛期实时防洪预报优化调度策略研究
时间：2023-01-25 10:05:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
程颖新，何中政，2，陈济天，刘孟桦，熊芳金，，尹 恒
（1.南昌大学工程建设学院，江西南昌 330031；
2.南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，江西南昌 330031；
3.江西省水文监测中心，江西南昌 330002；
4.江西水利职业学院，江西南昌 330013）
水库（群）防洪调度是流域防洪重要的非工程措施［1］，也是目前防洪非工程措施研究的热点，国内外诸多学者已做了大量研究［2］。针对确定性来水条件下水库（群）防洪优化调度问题的研究主要集中在优化方法，如：线性规划、动态规划类优化方法［3］和智能优化算法［4］等。优化方法研究对象从单个水库、梯级水库群、混联水库群，研究目标也从单个防洪目标拓展到多重防洪优化目标或汛期洪水资源综合利用目标［5］。
除确定性优化方法研究外，来水不确定性条件下水库（群）防洪调度随机优化方法的研究也是热点之一。而随着地理信息系统技术、测雨雷达和卫星云图技术应用，各时效预报“定点、定时、大量”的准确率都有很大提高［6］。钟华昱等［7］耦合集合预报信息开展了“参数-模拟-优化”框架的水库多目标优化调度规则研究；
宋君辉等［8］根据净雨过程与入库流量过程拟定水库预报调度规则，但上述研究主要聚焦于结合径流特性和预报信息来制定调度规则。而在发电调度研究领域，长中短实时嵌套预报优化调度［9］和短期预报优化调度研究［10］已取得了一定成效，而在防洪调度研究领域涉及实时防洪预报优化调度相关内容较少。因此，以水库针对下游控制点防洪优化调度问题为例，提出了一种水库实时防洪预报优化调度策略，结合预报信息开展优化调度拦蓄洪水，并以江西省赣江中游大型控制性水库万安对下游吉安站后汛期防洪调度开展了相关实例研究。
1.1 水库防洪优化调度模型
针对下游控制点的水库防洪调度问题中，大坝自身的防洪控制安全目标可以转化为运行水位、水位变幅、流量和流量变幅等约束进行表示。考虑最大削峰准则的水库防洪优化调度模型可以表示为：
式中：T为水库防洪调度时段数；
分别表示下游防洪控制点t时段初、末时刻流量，m3∕s；
此外，还需要考虑一些安全调度约束：
（1）水库水量平衡。
（2）库容约束。
（3）水位变幅约束。
（4）流量约束。
（5）流量变幅约束。
（6）下游防洪控制点安全流量约束。
式中：It表示在t时段的入库流量；
Qt-1和Qt分别表示t时段初、末时刻的出库流量，m3∕s；
ΔT表示调度时间步长，s；
Vt、和分别表示在t时刻的水库库容及其上下限，m3；
Zt表示在t时刻运行水位，而ΔZt表示在t时段水位变幅限制，m；
分别表示在t时刻下泄流量上下限，m3∕s；
ΔQt表示在t时段的下泄流量变幅限制，m3∕s；
表示水库下泄流量Qt演进到下游防洪控制点流量，m3∕s，研究选用马斯京根法来进行河道流量演算；
qt表示水库到下游防洪控制点的区间来水，m3∕s；
Qfc为下游防洪控制点安全泄量，m3∕s。
1.2 水库防洪实时预报优化调度策略
不同于洪水过程已知的确定性防洪优化调度，水库实时防洪预报优化调度往往只能获取到存在预报误差的有限预见期内的预报洪水过程。实时防洪调度除依据调度规则开展外，还可以通过滚动地实施“预报-优化-调度”过程，辅助水库防洪调度实时运行。以洪水预报预见期为τ个时段为例，防洪实时预报调度的优化目标需要从式（1）的全时段优化，修改为从当前时段t到时段t+τ进行优化，模型输入也仅采用预见期时段t到时段t+τ内的预报洪水过程。
由于水库针对下游控制点防洪调度需要考虑河道洪水演进，使得上述防洪优化调度问题存在时滞特性。而POA 主要用于解决多阶段的动态决策问题，针对非线性、时滞问题仍具有全局最优收敛的能力［11］，研究采用POA求解上述问题。
在预见期内，首先获得预报信息，然后开展水库防洪优化调度计算，依据优化调度方案指导水库实际调度。综上，研究提出的水库防洪实时预报优化调度策略流程如图1 所示，具体实施步骤为：①标记当前面临时段为t，获得到时段t+τ-1 预见期内的预报洪水过程；
②考虑约束条件，根据式（9）建立预见期内的预报优化调度模型，采用POA 求解该模型，获得最优决策序列；
③在面临的时段t，水库按照优化结果进行下泄；
④到下一时段，令t=t+1，重复步骤（1）～（3）。
图1 实时防洪调度预报优化调度策略流程图Fig.1 Flow chart of o forecast optimization operation strategy for real-time flood control operation
1.3 洪水预报误差随机模拟
洪水预报误差受不同预报模型影响，其分布和特征各不相同。部分学者将其简化视为正态分布，从预报精度评定等级出发［12］，考虑服从正态分布的预报误差，入库洪水过程及其各时段标准差可表示为：
2.1 研究区域概况
万安水库坝址坐落在赣江中游上段，位于万安县城以上约2 km，坝址多年平均径流量299 亿m3，约占赣江总流域面积的44.2%，占赣江入湖水量的43.5%。枢纽主要以发电为主，兼有防洪、航运、灌溉、养殖等综合效益，大坝在设计时安全系数较高，坝顶高程105.0 m，汛限水位（死水位）为90.0 m，正常蓄水位为100.0 m。但因移民问题及投资等因素的制约，检验水库蓄水后对赣州市淹没和泥沙淤积的影响，将初期运行时的汛后蓄水位定为96.0 m，汛限水位和死水位为85.0 m，防洪高水位93.6 m，总库容11.17 亿m3（96.0 m），防洪库容5.7 亿m3，调洪库容7.98 亿m3，水库调节系数0.026 7，属于不完全年调节水库，是赣江流域防洪的主要控制性工程之一，万安水库区域概况如图2所示。
图2 研究对象万安水库区域概况图Fig.2 Spatial profile of Wan"an Reservoir
2.2 万安水库现行后汛期洪水调度方式
根据2017年江西省防办批复的《万安水库汛期调度运行方案》，万安水库的防洪任务是在确保枢纽自身防洪安全条件下，不加重上游赣州市的防洪影响，兼顾下游的防洪安全，其中下游万安县城安全泄量为8 800 m3∕s。万安水库后汛期为6 月21日至9 月30 日，运行水位按93.5～96.0 m 动态控制，在后汛期洪水来临前，将库水位预泄至93.5 m 以下，其洪水调度方式如表1所示。当流域发生大雨，或预报24 h 内有暴雨及以上天气时，其后汛期预泄调度方式如表2所示。
表1 万安水库后汛期防洪调度规则Tab.1 Flood control regulation operation of Wan′an reservoir in late flood period
表2 万安水库后汛期预泄调度规则Tab.2 Pre-discharge regulation of Wan′an reservoir in late flood season
建立万安水库防洪实时预报优化调度模型，时段步长设定为6 h，水库下泄演进到下游吉安站的时滞约18 h。实例研究设定了6 种洪水预见期：24、30、36、48、60、72 h，即τ=4、5、6、8、10、12。分析万安水库后汛期预泄调度规则模拟结果，设定流量变幅约束为6 000 m3∕（s·6 h），水位变幅约束为1.5 m∕（6 h）。
3.1 不考虑预报误差的实例分析
在本次实例实验中不考虑预报误差，预见期内的预报信息采用实际来水进行模拟。对比分析中加入了现行调度规则模拟和POA 确定性优化结果。输入洪水选用了1992 年7 月和2019 年7 月两场50 年一遇典型设计洪水。POA 优化结果使用了全过程的洪水信息，此处仅作为对比分析中削峰率的理论上限值。表3给了不同方案得到的吉安站洪峰流量和削峰率统计结果，实验结果表明：依据现行调度规则，万安水库对吉安的拦洪削峰作用较弱，削峰率分别为0.15%、0.64%；
以预见期τ=8为例，实时预报优化调度策略两场洪水的削峰率分别为8.43%和13.84%，与POA 优化结果存在差距，但明显优于现行调度规则。
表3 设计洪水条件下不同方法的调度结果统计Tab.3 Statistical results of flood control operation by different methods under design flood conditions
此外，当τ≥5 时预报实时优化调度策略才会有削峰效果。这是未来4 个时段内吉安站流量过程只有第4 个时段受万安水库第1 个时段的下泄影响（万安水库到下游吉安站时滞为3 个时段），当τ<5 且预报未来有洪水时，水库执行预泄只会增加未来4 个时段内下游吉安站的流量过程，使得在预报实时优化调度策略中水库无法开展预泄。这表明水库对下游控制点进行实时防洪预报优化调度时，洪水预见期至少要比洪水演进时滞多2个时段。
图3 和图4 给出了1992 年7 月型洪水条件下不同调度方式的调洪水位过程和下游吉安站流量过程。已知全过程洪水信息的确定性优化过程和考虑预见期内洪水信息的实时预报优化调度的水位过程趋势基本一致，仅在预泄和部分拦蓄洪水时机选择上不同。结合图4 吉安站流量过程可知，现行调度规则仅针对面临时段洪水进行调度，对吉安站洪峰的拦蓄缺乏针对性，使得削峰效果较差。
图3 万安水库水位过程Fig.3 Water level process of Wan"an Reservoir
图4 吉安站流量过程Fig.4 Flow process of Ji"an hydrological station
3.2 考虑预报误差的实例分析
进一步考虑预报误差，分析预报实时优化调度策略的应用效果。根据1.3 小节中描述的预报误差随机模拟方法，运用蒙特卡洛方法随机模拟10 000 次，针对2019 年7 月型洪水甲、乙、丙3种不同预报精度下的实时预报优化调度结果如表4所示。
表4 不同预报精度下预报优化调度策略调度结果Tab.4 Application effect of forecast optimal dispatching under different forecast accuracy
当τ=5 时不同预报精度下削峰率约为6.60%，当τ≥6 时削峰率维持在12%～13%。而在相同洪水预见期下，随着预报精度的提高，削峰率呈较小幅度的增大趋势，吉安站洪峰流量标准差越大。综上所述，预报误差降低了实时预报优化调度的削峰效果，并增加了吉安站洪峰流量不确定性，但相比现行调度规则模拟结果仍具有较大优势，研究成果具有实际意义。
（1）万安水库现有的后汛期防洪调度规则针对1992 年7 月和2019年7月两场50年一遇典型洪水过程拦洪削峰效果较弱，仅实现了不加重下游防洪压力的效果。
（2）若要结合预报信息开展防洪预报实时优化调度，洪水预报有效信息至少要比洪水传播时滞多2 个时段，即万安水库针对下游吉安站开展防洪预报优化调度至少需要30 h 有效洪水预报信息。
（3）结合预报信息，研究提出的预报优化调度策略指导万安水库开展实时防洪调度，与确定性优化结果存在一定差距，但相比现行调度规则提高削峰率约10%。
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