一种水库群防洪调度预泄库容分配方法及预泄调度系统

1.本发明涉及水库群防洪调度技术领域，尤其涉及一种水库群防洪调度预泄库容分配方法及预泄调度系统。


背景技术：

2.水库群防洪调度是对多个有水利关联的水库进行联合调度，以满足水库防洪安全，同时结合兴利效益，寻求水库群总效益最佳。水库群防洪预泄调度是水库群防洪调度的一部分，是基于水文预报信息，在洪水来临前有计划地将各水库水位下泄至汛限水位以下，以腾出库容来调蓄洪水。随着我国各大流域水库群系统已经基本建成，流域防洪能力大大增强，但由于流域中各水库的上下游关系以及调蓄洪水能力存在差异，水库群防洪调度过程中存在各水库预泄库容大小不协调，使用频率不均衡等问题。现有防洪预泄库容分配研究成果在预泄库容分配机制创新和分配规则的推广应用上仍显不足，如何科学管理和优化分配水库群的预泄库容是流域防洪安全亟待解决的重要科学问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足之处，本发明提供了一种水库群防洪调度预泄库容分配方法及预泄调度系统，可结合中短期水文预报，对于梯级、并联和混联水库群都具有适应性。
4.第一方面，提供了一种水库群防洪调度预泄库容分配方法，包括：
5.将流域水库群系统等效为一个虚拟水库，当需要启用预泄调度时，计算当前时段的总预泄目标水量；
6.基于流域水库群系统内各个水库的功效计算各个水库对应的分配权重；
7.基于总预泄目标水量及各个水库对应的分配权重得到各个水库的预泄目标水量。
8.进一步地，所述基于流域水库群系统内各个水库的功效计算各个水库对应的分配权重，包括：
9.在流域水库群系统中应用如下一种或两种方式计算各个水库对应的分配权重：
10.方式一：采用风险均担规则计算各个水库的分配权重，计算公式如下：
[0011][0012]
式中，λi表示第i个水库的分配权重，fi、pi以及vi分别为第i个水库所控制区域的集水面积、预报累计净雨以及防洪库容；
[0013]
方式二：采用能者多劳规则计算各个水库的分配权重，计算公式如下：
[0014][0015]
式中，φi、分别为第i个水库干支流排序因子和防洪库容排序因子。
[0016]
进一步地，流域水库群系统内第i个水库的预泄目标水量通过下式计算：
[0017]vpre_i
＝λ
ivpre
[0018]
式中，v
pre_i
表示第i个水库预泄目标水量，λi表示第i个水库的分配权重，v
pre
表示当前时段的总预泄目标水量。
[0019]
进一步地，所述当前时段的总预泄目标水量通过如下方法计算得到：
[0020]
将流域水库群系统等效为一个虚拟水库，获取该流域水库群系统的预报信息，结合该流域水库群系统的当前蓄水状态，计算当前时段的实时预泄指数r
t
；
[0021]
将实时预泄指数r
t
与预设的预泄启动阈值r
st
及预泄终止阈值r
nd
进行比较；
[0022]
当r
t
≥r
st
时，流域水库群系统启动预泄调度，通过下式计算预泄目标水量；
[0023][0024]
其中，v
t-pre
为t时段的流域水库群系统总预泄目标水量，v
p-pre
为预泄深度阈值，是若干场频率为p的洪水的最大预泄深度。
[0025]
进一步地，所述预泄指数r
t
通过如下公式计算得到：
[0026][0027]
其中，t为时段编号；r
t
为流域水库群系统t时段的预泄指数，v
obj
为流域水库群系统t时段的目标蓄水量总和；d为预报峰现时间距离现在的时段数；qd为预报洪峰流量；q
p
为流域水库群系统中各水库设计洪峰流量的最大值；w
t
为预报洪水的洪量；w
p
为流域水库群系统中各水库设计洪水的洪量的最大值；α1，α2，α3为权重系数，α1 α2 α3＝1。
[0028]
进一步地，所述预泄启动阈值r
st
、预泄终止阈值r
nd
及预泄深度阈值v
p-pre
通过如下方法得到：
[0029]
获取k场水库历史洪水过程数据，其中k为预设值；
[0030]
基于目标函数和约束条件构建水库防洪优化调度模型；其中，所述目标函数为水库蓄水安全目标函数与下游防洪安全目标函数的加权和；所述约束条件包括水量平衡约束、库容约束、下泄能力约束；
[0031]
将k场流域水库群系统历史洪水过程数据作为水库防洪优化调度模型的输入，逐场次进行数值模拟计算，得到各场次流域水库群系统历史洪水的防洪优化调度结果；
[0032]
分析第k场流域水库群系统历史洪水的防洪优化调度结果，逐时段计算洪水调度期间的预泄指数k-r
t
；获取洪水来临前流域水库群系统中各水库水位第一次低于防洪限制水位的最早时刻k-ts并作为预泄开始时刻，并获取该时刻的预泄指数k-r
st
；获取洪峰过后流域水库群系统中各水库水位第一次下降的最晚时刻k-t
p
，在流域水库群系统防洪调度的k-ts至k-t
p
阶段，预泄指数k-r
t
取得最小值的时刻为第k场洪水预泄终止时刻，获取该时刻的预泄指数k-r
nd
；k-ts至k-t
p
阶段中水库群系统总预泄水量最大值记为k-v
p-pre
；其中，k＝1，2，3，
…
k；
[0033]
计算所有场次流域水库群系统历史洪水的预泄开始时刻的预泄指数k-r
st
的平均值，得到预泄启动阈值r
st
；计算所有场次流域水库群系统历史洪水的预泄终止时刻的预泄指数k-r
nd
的平均值，得到预泄终止阈值r
nd
；对所有场次流域水库群系统历史洪水以频率进行划分，分别取不同频率下历史洪水的k-v
p-pre
中最大值，得到洪水频率为p的预泄深度阈值v
p-pre
。
[0034]
第二方面，提供了一种水库群预泄调度系统，包括：
[0035]
总预泄目标水量计算模块，用于将流域水库群系统等效为一个虚拟水库，当需要启用预泄调度时，计算当前时段的总预泄目标水量；
[0036]
权重获取模块，用于基于流域水库群系统内各个水库的功效计算各个水库对应的分配权重；
[0037]
分配模块，用于基于总预泄目标水量及各时刻对应的分配权重得到各个水库的预泄目标水量；
[0038]
预泄调度模块，用于在启用预泄调度时，根据各个水库的预泄目标水量将各个水库水量下泄。
[0039]
有益效果
[0040]
本发明提出了一种水库群防洪调度预泄库容分配方法及预泄调度系统，该方案结合水库群结构特性、水力特性、库容特性以及功能特性，建立了水库群预泄库容分配准则，明确了各水库预泄量的协同与分配机制，且对于梯级、并联和混联水库群都具有适应性，可以有效解决水库群防洪调度过程中存在各水库预泄库容大小不协调，使用频率不均衡等问题，对实现各水库防洪库容的科学利用和降低流域整体防洪风险有重要意义。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1是本发明实施例提供的水库群防洪调度预泄库容分配方法流程图；
[0043]
图2是本发明实施例提供的水库群等效为虚拟水库的示意图。
具体实施方式
[0044]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
[0045]
实施例1
[0046]
如图1所示，本实施例提供了一种水库群防洪调度预泄库容分配方法，包括：
[0047]
s1：将流域水库群系统等效为一个虚拟水库，当需要启用预泄调度时，计算当前时段的总预泄目标水量。具体地包括：
[0048]
s11：将流域水库群系统等效为一个虚拟水库，如图2所示，即为将1、2、3、4四个水库构成的流域水库群系统等效为一个虚拟水库的示意图，获取该流域水库群系统的预报信息，结合该流域水库群系统的当前蓄水状态，计算当前时段的实时预泄指数r
t
；
[0049]
s12：将实时预泄指数r
t
与预设的预泄启动阈值r
st
及预泄终止阈值r
nd
进行比较；
[0050]
当r
t
《r
st
时，不启动预泄调度，进行常规调度，此时不需要计算预泄目标水量；
[0051]
当r
t
≥r
st
时，流域水库群系统需启动预泄调度，通过下式计算预泄目标水量；
[0052][0053]
其中，v
t-pre
为t时段的流域水库群系统总预泄目标水量，v
p-pre
为预泄深度阈值，是若干场频率为p的洪水的最大预泄深度；
[0054]
在预泄调度过程中，当出现r
t
≤r
nd
时，流域水库群系统终止预泄调度，进行常规调度，此时不需要计算预泄目标水量。
[0055]
s2：基于流域水库群系统内各个水库的功效计算各个水库对应的分配权重。具体包括：
[0056]
在流域水库群系统中应用如下一种或两种方式计算各个水库对应的分配权重：
[0057]
方式一：采用风险均担规则计算各个水库的分配权重，第i个水库的预泄目标水量分配权重λi可简化表示为各水库所处的局部流域的降雨大小、流域面积及产汇流等地貌河道特性的函数，分配权重计算公式如下：
[0058][0059]
式中，λi表示第i个水库的分配权重，fi、pi以及vi分别为第i个水库所控制区域的集水面积、预报累计净雨以及防洪库容；
[0060]
方式二：采用能者多劳规则计算各个水库的分配权重，即干流的水库、防洪库容大的水库的分配权重大，分配权重计算公式如下：
[0061][0062]
式中，φi、分别为第i个水库干支流排序因子和防洪库容排序因子。
[0063]
s3：基于总预泄目标水量及各个水库对应的分配权重得到各个水库的预泄目标水量，计算公式如下：
[0064]vpre_i
＝λ
ivpre
[0065]
式中，v
pre_i
表示第i个水库预泄目标水量，λi表示第i个水库的分配权重，v
pre
表示当前时段的总预泄目标水量。
[0066]
需说明的是，本实施例中，所述预泄指数r
t
通过如下公式计算得到：
[0067][0068]
其中，t为时段编号；r
t
为流域水库群系统t时段的预泄指数，v
obj
为流域水库群系统t时段的目标蓄水量总和；d为预报峰现时间距离现在的时段数；qd为预报洪峰流量；q
p
为流域水库群系统中各水库设计洪峰流量的最大值；w
t
为预报洪水的洪量；w
p
为流域水库群系统中各水库设计洪水的洪量的最大值；α1，α2，α3为权重系数，α1 α2 α3＝1。
[0069]
所述预泄启动阈值r
st
、预泄终止阈值r
nd
及预泄深度阈值v
p-pre
通过如下方法得到：
[0070]
获取k场水库历史洪水过程数据，其中k为预设值；
[0071]
基于目标函数和约束条件构建水库防洪优化调度模型；其中，所述目标函数为水库蓄水安全目标函数与下游防洪安全目标函数的加权和；所述约束条件包括水量平衡约束、库容约束、下泄能力约束；
[0072]
将k场流域水库群系统历史洪水过程数据作为水库防洪优化调度模型的输入，逐场次进行数值模拟计算，得到各场次流域水库群系统历史洪水的防洪优化调度结果；
[0073]
分析第k场流域水库群系统历史洪水的防洪优化调度结果，逐时段计算洪水调度期间的预泄指数k-r
t
；获取洪水来临前流域水库群系统中各水库水位第一次低于防洪限制水位的最早时刻k-ts并作为预泄开始时刻，并获取该时刻的预泄指数k-r
st
；获取洪峰过后流域水库群系统中各水库水位第一次下降的最晚时刻k-t
p
，在流域水库群系统防洪调度的k-ts至k-t
p
阶段，预泄指数k-r
t
取得最小值的时刻为第k场洪水预泄终止时刻，获取该时刻的预泄指数k-r
nd
；k-ts至k-t
p
阶段中水库群系统总预泄水量最大值记为k-v
p-pre
；其中，k＝1，2，3，
…
k；
[0074]
计算所有场次流域水库群系统历史洪水的预泄开始时刻的预泄指数k-r
st
的平均值，得到预泄启动阈值r
st
；计算所有场次流域水库群系统历史洪水的预泄终止时刻的预泄指数k-r
nd
的平均值，得到预泄终止阈值r
nd
；对所有场次流域水库群系统历史洪水以频率进行划分，分别取不同频率下历史洪水的k-v
p-pre
中最大值，得到洪水频率为p的预泄深度阈值v
p-pre
。
[0075]
实施例2
[0076]
本实施例提供了一种水库群预泄调度调度系统，包括：
[0077]
总预泄目标水量计算模块，用于将流域水库群系统等效为一个虚拟水库，当需要启用预泄调度时，计算当前时段的总预泄目标水量；
[0078]
权重获取模块，用于基于流域水库群系统内各个水库的功效计算各个水库对应的分配权重；
[0079]
分配模块，用于基于总预泄目标水量及各时刻对应的分配权重得到各个水库的预泄目标水量；
[0080]
预泄调度模块，用于在启用预泄调度时，根据各个水库的预泄目标水量将各个水库水量下泄。
[0081]
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
[0082]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或技术描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0083]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。