工程科学与技术   2020, Vol. 52 Issue (5): 151-160
梯级水库群泄洪设施联合调控研究
陈仕军, 黄炜斌, 马光文     
四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 水利水电学院,四川 成都 610065
基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFB0905204;2016YFC0402205;2016YFC0402208);四川大学专职博士后研发基金(2018SCU12062);四川大学博士后交叉学科创新启动基金
摘要: 洪水灾害是中国最严重的自然灾害之一,水库防洪调度是有效避免或减轻洪水灾害的重要手段。当前水库防洪调度主要是运用优化算法获得水库的优化调度决策方案,鲜有考虑水库泄洪设施的运行控制,往往导致优化调度结果难以付诸实施。鉴于此,本文通过开展梯级水库群泄洪设施运用数字化,构建梯级水库群泄洪设施运用数据库,建立梯级水库群联合防洪调度模型,研究梯级水库群泄洪设施联合调控策略,并以雅砻江下游梯级水库群泄洪设施联合运行为例进行验证。结果表明:优化调度方案充分利用防洪库容调蓄,其出库流量过程比常规调度更加均匀,极大程度的削减了出库洪峰流量,其中锦屏一级水电站出库流量过程变化范围由1 712~5 375 m3/s减小为3 181~3 713 m3/s,变化次数也由10次减少为5次,出库洪峰流量减幅达到22%;同时,优化调度方案中梯级水库群泄洪设施变化总次数较常规调度明显减少,由182次减少至153次,泄洪设施组合方案调整的频率明显降低。研究成果对于推动梯级水库群防洪优化调度向泄洪设施运行控制的精细化和智能化转变,提升梯级水库群防洪调度管理水平具有重要的理论意义和工程实践价值。
关键词: 梯级水库群    泄洪设施运用数字化    联合防洪调度模型    组合方案选取原则    联合调控策略    
Joint Regulation and Control of Cascade Reservoirs Flood Discharge Facilities
CHEN Shijun, HUANG Weibin, MA Guangwen     
State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Eng., College of Water Resource & Hydropower, Sichuan Univ., Chengdu 610065, China
Abstract: Flood disaster is one of the most serious natural disasters in China, and flood control of reservoirs is an important means to effectively avoid or mitigate flood disasters. Currently, flood control dispatching of reservoirs mainly uses optimization algorithm to obtain the optimal dispatching decision-making scheme, rarely considering the operation control of reservoir flood discharge facilities, which often leads to the deviation of the actual flood dispatching results from the optimal dispatching results. In this paper, by studying the digitalization of cascade reservoirs flood discharge facilities, the database of flood discharge facilities usage is established. Combining with the joint flood control model of cascade reservoirs, the joint control strategy of cascade reservoirs flood discharge facilities is studied. Taking the joint operation of cascade reservoirs flood discharge facilities in the lower reaches of Yalong River as an example, the discharge process of optimal dispatching scheme is more uniform than that of conventional dispatching, which greatly reduces the peak flow. For example, the variation range of discharge process of Jinping-I hydropower station is reduced from 1 712~5 375 m3/s to 3 181~3 713 m3/s, and the variation number is also reduced from 10 to 5, with the peak flow being reduced by 22%. At the same time, the total number of cascade reservoirs flood discharge facilities changes in the optimal dispatching scheme is significantly reduced from 182 to 153 times when compared with the conventional operation scheme, which shows that the frequency of flood discharge facilities combination scheme adjustment is significantly reduced. The research results have important theoretical significance and engineering practical value for promoting the refinement and intellectualization of cascade reservoirs flood control optimal operation to the operation control of flood discharge facilities.
Key words: cascade reservoirs    digitalization of flood discharge facilities usage    joint flood control dispatching model    selection principle of combination scheme    joint regulation strategy    

洪灾是世界上最主要、最常见的自然灾害[1]。中国降水分布极不均衡,夏季暴雨洪水突出,近2/3的国土面积存在着不同程度的洪灾[2]。洪灾引起的经济损失排在众多灾害的首位[3],给经济发展和人民的生命财产安全造成重大威胁。例如,2016年7月,长江流域共发生4次强降雨过程[4-5],中下游河段全面超过警戒水位[6],长江中下游5省共有323个县、3 394万人、3 072 khm2农作物受灾,倒塌房屋11.6万间,造成的直接经济损失达到1 193亿元[7-8]。为了避免和减轻洪灾,人们开始修水库以迎接洪水,通过水库进行洪水调节可以发挥其调蓄作用,进一步减轻洪水灾害[9]。梯级水库群联合防洪优化调度能够更全面的考虑流域整体防洪要求,更充分地利用梯级水库群的调节库容,避免或减轻洪灾[10]

国内外学者围绕水库防洪调度问题开展了大量的研究和探索。Wasimi等[11]建立了基于流域洪水损失最小化的流域防洪调度模型,Vogel等[12]构建了水库防洪与兴利调度的效用函数,Unver等[13]基于最优控制框架建立了河库联合实时防洪调度模型,Chang等[14]应用GA算法研究水库防洪优化调度问题,Karamouz等[15]建立了洪灾损失最小化和防洪成本最低化的水库防洪优化调度模型,王有香等[16]提出了基于同频率地区组成法的联合防洪预报调度模型,金羽[17]建立了并联水库群错峰调度模型,Guo等[18]运用改进逐次渐进优化算法求解梯级防洪补偿调度模型,Qin[19]、Qi[20]等深入研究了水库多目标防洪优化调度问题。

上述学者们的研究,很少考虑水库泄洪设施的运行控制问题。由于泄洪设施运行控制的影响因素复杂,往往导致优化调度方案难以实施。刘攀[21]、刘心愿[22]等在传统的水库防洪优化调度模型中,加入了泄洪设施运用的约束条件,对单个水库泄洪设施控制问题进行了有益探索。随着各流域梯级水库群逐渐形成,如何利用梯级各水库间泄洪设施的上下游联动规律,实现梯级水库群泄洪设施的联合动态调控,是水库防洪调度研究的重要发展方向之一。

作者通过梯级水库群泄洪设施运用数字化研究,建立梯级水库群泄洪设施运用数据库,并将其与梯级水库群防洪优化调度理论相结合,提出梯级水库群泄洪设施联合调控策略。最后,以雅砻江下游梯级水库群为例,验证了梯级水库群泄洪设施联合运行控制的可行性,研究成果对推动梯级水库群防洪优化调度向泄洪设施运行控制的精细化和智能化转变,增强防洪优化调度成果的可操作性,提升梯级水库群防洪调度管理水平具有重要的参考价值。

1 泄洪设施运用数字化原理 1.1 泄洪设施运用数字化的提出

水库泄洪设施的下泄流量随着水库水位和泄洪设施开度等因素的变化而变化,不同的水库水位和泄洪设施开度组合对应不同的下泄能力。一个水库往往具有多个表孔、中孔、底孔、泄洪洞或泄洪闸等泄洪设施[22],水库的泄流能力随着其泄洪设施开度和水位组合的变化而变化,对于梯级水库群而言,随着泄洪设施数量和种类的增多,其组合变化也变得更加复杂。在汛期防洪调度中如何合理地选择泄洪设施开度组合,实现防洪调度的精细化和智能化是梯级水库群防洪调度研究的重要发展方向。

目前,在水库防洪调度中,对于泄洪设施的操作主要是依靠经验进行人工操作,工作繁琐且误差较大。这主要是由于各水库泄洪设施的泄流曲线精度比较低,且缺乏总体泄流能力对应的曲线及其各泄洪设施开度组合,水库的泄洪设施运行规则往往只是通过文字定性描述,因此,凭借人工经验难以实现下泄流量的准确控制。针对这一现实难题,本文提出泄洪设施运用数字化的概念,首先通过离散运行规则中精度较低的单一泄洪设施的泄流能力曲线提升其精度,然后根据各水库泄洪设施运行规则,对水库所有泄洪设施的泄流能力曲线进行组合,得到不同水位下水库总的泄流能力曲线以及相应下泄流量下可行的泄洪设施组合方案,建立泄洪设施运用数据库,以指导水库,特别是梯级水库群防洪调度中泄洪设施的精细化运行。

1.2 泄洪设施运行规则分析

梯级水库群各个泄洪设施的运行原则和要求各不相同[22],为了更好地指导梯级水库群泄洪设施联合运用控制,提高梯级水库群泄洪设施运用管理水平,需要对梯级水库群各个泄洪设施的运行要求进行全面系统的分析总结。通过分析梯级各水库泄洪设施构成及其运行规则,系统归纳梯级各水库潜在的泄洪设施组合方案,明确各组合方案中的控制条件、启闭顺序等要求,建立梯级水库群在不同水位下可采用的泄洪设施组合方案表。

对精度较低的各水库泄洪设施泄流能力曲线,分别选择合适的精度从水位间距、开度间距两个维度进行离散处理,以提升各条泄流能力曲线的精度。例如,某水库设计资料中某泄流设施现有的泄流能力曲线的水位间距是0.1 m、开度间距是1 m或10%,可以根据实际需要,采用等间距离散的方法将其进一步离散为水位间距0.01 m、开度间距0.1 m或1%。通过对水库现有泄流能力曲线的精度逐条进行离散提升,为梯级水库群泄洪设施运用数据库提供尽可能详实、精确的基础数据。

1.3 泄洪设施运用数据库构建

由于各个水库的泄洪设施数量往往比较多,如果采用启发式算法搜索泄洪设施组合方案,则计算量将呈指数增加,计算的难度非常大。本文通过分析发现:在相同水位和流量条件下,虽然能够满足泄洪设施运行要求的组合方案有多个,但从完成下泄任务的角度来说,这些组合方案都是等效的。因此,本文采用分类计算法进行泄洪设施组合方案数字化,以降低计算的难度[23]

本文所提出的分类计算法以某水库水位下、特定流量范围内的泄洪设施组合方案为一个单元主要考虑使水库下泄流量偏差在较小的范围内,对水库防洪安全不会明显的影响,例如,需要下泄90 m3/s,实际下泄了100 m3/s,但通过采用流量范围却可以大大的减小计算量;对于特定的水库,按照其泄洪设施运用规则和要求,在给定单元中泄洪设施的组合类型是确定的;随后对各组合类型,列出几种有代表性的组合方案,通过调整泄洪设施的不同开度,采用式(1)进行计算,从而迅速地确定同种组合类型下的所有泄洪设施组合方案;最后依次调整水库水位、流量范围遍历有所可行的情况,将得到的所有泄洪设施组合方案依次按照水库水位、流量范围、泄洪设施启用数量和开度等指标从小到大的顺序进行存储,由此,建立该水库的泄洪设施运用数据库。

$q = \sum\limits_{i = 1}^I {{O_i}\left( {{\textit{Z}},j} \right)} $ (1)

式中: $I$ 为水库的泄洪设施总数; $q$ 为在该组合方案下所有泄洪设施的下泄流量; ${O_i}\left( {{\textit{Z}},j} \right)$ 为第 $i$ 个泄洪设施在开度为 $j$ 、水位为 ${\textit{Z}}$ 时的下泄流量; $j$ 为泄洪设施的开度,其取值从0到泄洪设施全开。

对梯级各水库都结合自身的泄洪设施运行规则,采用上述分类计算法进行数字化,建立梯级各水库的泄洪设施运用数据库,将其按照水库编号进行排序,即可得到完整的梯级水库群泄洪设施运用数据库,为梯级水库群防洪优化调度中泄洪设施运行控制决策提供重要支撑。

2 梯级水库群联合防洪调度模型构建及求解 2.1 梯级水库群联合防洪调度模型 2.1.1 目标函数

本文在梯级水库群联合防洪调度模型构建时,以最小化下游防洪控制点最大洪峰流量为目标函数[24-26],如式(2)所示:

$\min \sum\limits_{t = 1}^M {\sum\limits_{n = 1}^T {{{\left( {{q_{t,n}} + {Q_{{\text{区}},t,n}}} \right)}^2}} } \Delta t$ (2)

式中: $t$ 为时段数, $t = 1,2, \cdots ,M$ $M = \dfrac{{{t_{\rm{d}}} - {t_0}}}{{\Delta t}}$ ,其中, ${t_0}$ ${t_{\rm{d}}}$ 分别为洪水的开始和结束时刻; $\Delta t$ 为计算时间间隔; $n$ 为梯级水库序号, $n = 1,2, \cdots ,T$ $T$ 为梯级中水库的个数; ${q_{t,n}}$ 为第 $n$ 个水库第 $t$ 时段的出库流量; ${Q_{{\text{区}},t,n}}$ 为第 $n$ 个水库至第 $n + 1$ 个水库之间第 $t$ 时段区间流量[27]

2.1.2 约束条件

1)防洪库容约束:

$\sum\limits_{t = 1}^M {\left( {{Q_{t,n}} - {q_{t,n}}} \right)\Delta t} = \Delta {V_n} \le {V_{{\text{防}},n}}$ (3)

2)水库水量平衡约束:

$\frac{{{Q_{t,n}} + {Q_{t + 1,n}}}}{2} - \frac{{{q_{t,n}} + {q_{t + 1,n}}}}{2} = \frac{{\Delta {V_{t,n}}}}{{\Delta t}}$ (4)

3)水库水位约束:

${\textit{Z}}_{t,n}^{\min } \le {{\textit{Z}}_{t,n}} \le {\textit{Z}}_{t,n}^{\max }$ (5)

4)出库流量约束:

$\left\{ \begin{array}{l} q_{t,n}^{\min } \le {q_{t,n}} \le q_{t,n}^{\max } ,\\ {q_{t,n}} = \displaystyle\sum\limits_{a = 1}^{{I_n}} {{O_{t,a}}({{\textit{Z}}_{t,n}},size)} \\ \end{array} \right.$ (6)

5)流量平衡约束:

${Q_{t,n + 1}} = {q_{t{\rm{ - }}{\tau _n},n}} + {Q_{{\text{区}},t,n}}$ (7)

6)非负条件约束:

上述所有变量均为非负变量( $ \ge 0$ )。

式(3)~(7)中: ${Q_{t,n}}$ ${Q_{t + 1,n}}$ 分别为第 $n$ 个水库第 $t$ 时段的初、末入库流量; ${q_{t,n}}$ ${q_{t + 1,n}}$ 分别为第 $n$ 个水库第 $t$ 时段的初、末出库流量; $\Delta {V_n}$ 为第 $n$ 个水库的库容变化; ${V_{{\text{防}},n}}$ 为第n个水库的防洪库容; $\Delta {V_{t,n}}$ 为第 $n$ 个水库第 $t$ 时段的库容变化; ${{\textit{Z}}_{t,n}}$ 为第 $n$ 个水库第 $t$ 时段平均水位; ${\textit{Z}}_{t,n}^{\min }$ 为第 $n$ 个水库第 $t$ 时段允许的最低水位; ${\textit{Z}}_{t,n}^{\max }$ 为第 $n$ 个水库第 $t$ 时段允许的最高水位; $q_{t,n}^{\min }$ 为第 $n$ 个水库第 $t$ 时段允许的最小出库流量; $q_{t,n}^{\max }$ 为第 $n$ 个水库第 $t$ 时段允许的最大出库流量; $a$ 为泄洪设施的编号, $a = 1, 2, \cdots ,{I_n}$ ${I_n}$ 为第 $n$ 个水库泄洪设施的总个数,包括机组、表孔、中孔、底孔、深孔、泄洪洞等; $size$ 为泄洪设施的开度; ${O_{t,a}}({{\textit{Z}}_{t,n}},size)$ 为第 $a$ 个泄洪设施第 $t$ 时段在水位 ${{\textit{Z}}_{t,n}}$ 和开度 $size$ 下的下泄流量; ${\tau _n}$ 为第 $n$ 个水库至第 $n + 1$ 个水库之间洪水传播时间。

2.2 逐步优化算法

利用常规动态规划算法求解梯级水电站优化调度问题,“维数灾”将成为实际计算中难以克服的障碍[28-29];而人工智能算法求解防洪优化调度模型时,虽然能克服“维数灾”问题[30],但其算法具有较大的不确定性。因此,本文采用求解梯级水库群优化调度问题较成熟的逐步优化算法(POA算法)进行模型求解[31-32]

3 梯级水库群泄洪设施联合调控策略 3.1 泄洪设施组合方案查询

结合梯级水库群泄洪设施运用数据库中数据存储的结构特点,本文选用折半查找算法进行泄洪设施组合方案查询。根据水库编号、水位和下泄流量的流量级等指标采用折半查找算法从梯级水库群泄洪设施运用数据库中搜索出所有潜在可行的泄洪设施组合方案。以流量级 $Q$ 的搜索为例,折半查找算法的搜索过程见式(8),主要步骤如下:

1)结合数据库中该水库当前水位下最大流量、最小流量所在行的序号ac,确定其中间行的行号 $b$ ,进而确定中间行的流量 ${Q_b}$

2)比较搜索的流量级 $Q$ ${Q_b}$ 的大小。若 ${Q_b}$ 大于流量级 $Q$ ,则以中间行作为新的最大流量行 $a$ ,返回步骤1);若 ${Q_b}$ 小于流量级 $Q$ ,则以中间行作为新的最小流量行 $c$ ,返回步骤1)。

3)重复上述步骤,直至找到与流量级 $Q$ 相等的 ${Q_b}$ ,则该流量级对应的泄洪设施组合方案均为潜在可行的方案。

$\left\{ \begin{array}{l} b = [(a{\rm{ + }}c)/2]; \\ {\rm{if}}\;\;Q{\,_b} > Q, a = b,\;b = \left[ {(c + b)/2} \right]; \\ {\rm{else\;if}}\;\;Q{\,_b} < Q, c = b,\;b = \left[ {(b + a)/2} \right]; \\ {\rm{end}}\quad Q{\,_b} = Q \\ \end{array} \right.$ (8)

式中, $\left[ {\;} \right]$ 为取整运算。

3.2 泄洪设施组合方案选取原则

由于泄洪设施的操作频率是影响其使用寿命的一个重要因素,在水库防洪调度中需要尽可能减少水库泄洪设施的操作频率[33],因此,本文以相邻时段泄洪设施开度离差平方和最小与泄洪设施开度变化个数最少为原则,从搜索确定的方案中选取与上一个时段泄洪设施开启方式最接近的方案作为最终的泄洪设施组合方案,其中泄洪设施开度变化个数最少原则优先级高于泄洪设施开度离差平方和最小原则。两个原则的具体计算如式(9)和(10)所示。

$\min S = \sum\limits_{a = 1}^I {{{\left( {{O_{t + 1,{{a}}}} - {O_{t,a}}} \right)}^2}} $ (9)
$\min N = \sum\limits_{a = 1}^I {\rm{B OOL}}\left( {\left| {{O_{t + 1,{{a}}}} - {O_{t,a}}} \right|} \right)$ (10)

式中: $S$ $t + 1$ 时段与 $t$ 时段泄洪设施开度离差平方和; ${O_{t + 1,{{a}}}}{\text{、}}{O_{t,a}}$ 分别为泄洪设施 $a$ $t + 1$ $t$ 时段的开度; $I$ 为水库泄洪设施总个数; $N$ $t + 1$ 时段与 $t$ 时段泄洪设施开度变化个数; ${\rm{BOOL}}\left( i \right)$ 为逻辑运算符号,当 $i$ 为0时,其取值为0,否则为1。

3.3 泄洪设施联合调控

实际水库洪水调度过程中,泄洪设施状态若在短时间内发生较大变化,必将引起坝的流场的巨大变化,对大坝的安全直接构成威胁,而且非稳定流的骤增对下游的防洪安全十分不利[34],因此,实际调度操作中,不能任意频繁地变动泄洪设施的开度状态,泄洪设施操作需满足一定的时间间隔要求。同时,泄洪设施在工作一定时间后,需要进行相应的维护保养,也不能连续长时间运行。本文将泄洪设施运行状态的最小保持时间 ${d_{\min }}$ 和最大保持时间 ${d_{\max }}$ 作为泄洪设施操作时间间隔约束。

采用有序聚类分析法[35]对整场洪水进行分段,直至每个分割点时长在最小保持时间 ${d_{\min }}$ (如12 h)和最大保持时间 ${d_{\max }}$ (如72 h)之间,计算出分割后整个洪水过程中各部分的平均流量和平均水位;再采用折半查找算法根据平均水位和平均流量从泄洪设施运用数据库中搜索出所有潜在可行的泄洪设施组合方案;最后,根据泄洪设施开度离差平方和最小与泄洪设施开度变化个数最少等原则,结合泄洪设施当前运行状态,确定梯级各水库最终的泄洪设施组合方案。对各部分的平均水位和平均流量重复上述步骤,理论上便可得到整场洪水过程中的泄洪设施控制策略。但实际操作中,由于是根据平均流量和平均水位来确定的泄洪设施组合方案,泄洪设施按照该组合方案控制时的下泄流量过程势必与优化计算得到的下泄流量过程有所偏差。因此,需要按照泄洪设施的组合方案和该部分第一个时段起始水位与入库洪水过程,逐时段计算水库的下泄流量和时段末水位,直至该部分的最后一个时段,并与优化算法计算得到的水位和下泄流量进行比较,确定具体的偏差;再将相应的偏差分摊到下一个部分,直到计算出所有时段的泄洪设施组合方案,完成整场洪水的泄洪设施联合调控方案编制。泄洪设施联合调控的具体流程如图1所示。

图1 泄洪设施联合调控流程图 Fig. 1 Joint regulation and control process of flood discharge facilities

4 实例计算及结果分析 4.1 研究区域基础资料

雅砻江起源于青海境内的巴颜喀拉山南麓,在攀枝花市下游汇入金沙江,干流河道全长1 570 km,流域面积约占金沙江集水面积的27.3%,是长江上游金沙江的第一大支流。本文以雅砻江下游锦屏一级、锦屏二级、官地和二滩4个梯级水库为研究对象,其基本参数如表1所示。

表1 梯级各水库基本参数 Tab. 1 Basic parameters of cascade reservoirs

本文采用1998年8月底至9月上旬的一场洪水为例进行计算,由于锦屏一级坝址和锦屏二级坝址相距很近,区间流量可忽略不计,取值为0,锦屏一级水库入库流量以及各水库之间的区间流量如图2所示。根据实际运行资料,锦屏二级至官地水库的洪水传播滞时约为6 h,官地至二滩水库的洪水传播滞时约为3 h,锦屏一级至锦屏二级水库洪水传播滞时可忽略不计。

图2 锦屏一级入库流量及各水库间的区间流量 Fig. 2 Inflow of Jinping I and interval flow

4.2 边界条件设置

根据《长江流域防洪规划》[36]的要求,锦屏一级水库和二滩水库共预留25×108 m3防洪库容配合承担长江中下游防洪调度任务,锦屏一级水库和二滩水库的限制水位分别为1 859 m和1 190 m。锦屏二级水库和官地水库库容小,末水位的取值均设为一个水位范围。本文从充分利用汛期洪水资源出发,防洪调度过程中按发电机组满负荷运行考虑,发电流量取发电机组的最大发电引用流量。梯级各水库联合防洪调度计算的边界条件如表1所示。

4.3 计算结果及分析

按照上述资料和边界条件,采用逐步优化算法进行联合防洪调度模型求解,得到梯级各水库的防洪调度运行方式后,利用泄洪设施运用数据库实现梯级各水库下泄流量的分配,确定雅砻江下游梯级水库群泄洪设施联合调控方案,并将其与雅砻江公司当前调度工作中常规调度方法的调度结果进行比较。梯级各水库出库流量和水位过程对比结果如图34所示。

图3 梯级各水库出库流量过程对比 Fig. 3 Discharge processes comparison in cascade reservoirs

图4 梯级各水库水位过程对比 Fig. 4 Water level processes comparison in cascade reservoirs

图34中梯级各水库常规调度和优化调度的水位、出库流量过程对比分析可知:

1)优化调度的出库流量过程比常规调度更加均匀合理,优化调度方案充分利用了梯级水库的防洪库容进行洪水调蓄,极大程度的削减了洪峰流量,降低了下游水库和防洪控制点的防洪压力。

2)优化调度方案中,锦屏一级水库调节能力强,在洪水前期降低水库水位,腾出库容拦蓄中后期洪水,削减出库洪峰流量,确保水库出库流量更加均匀平稳;虽然锦屏二级和官地水库库容小,调蓄洪水的能力较弱,但在锦屏一级水库的调蓄作用下,其优化调度的出库流量也比常规调度更均匀平稳,且水位变幅也优于常规调度;二滩水库在锦屏一级调蓄的基础上,利用自身库容进一步调蓄来水流量,削减洪峰流量,使得其出库流量更加均匀平稳,进一步降低下游防洪压力。

3)由出库流量过程可知,锦屏二级和官地水库的出库流量过程呈现较频繁的小幅波动,这主要是由于锦屏二级和官地水库库容小,水位变化敏感,需要及时改变泄洪设施开度来调整下泄流量。

常规调度和优化调度方案下锦屏一级水库泄洪设施开度变化如表23所示。由于篇幅所限,本文仅列出锦屏二级、官地和二滩水库常规调度和优化调度方案下泄洪设施开度变化情况统计结果如表4所示。在常规调度和优化调度方案下梯级各水库泄洪设施开度变化的总次数统计结果如表5所示。

表2 锦屏一级水库常规调度泄洪设施开度变化 Tab. 2 Number of Jinping I flood discharge facilities changes in the conventional dispatching scheme

表3 锦屏一级水库优化调度泄洪设施开度变化 Tab. 3 Number of Jinping I flood discharge facilities changes in the optimal dispatching scheme

表4 锦屏二级、官地和二滩水库泄洪设施开度变化次数对比 Tab. 4 Comparison of Jinping Ⅱ, Guandi & Ertan flood discharge facilities changes

表5 梯级各水库泄洪设施开度变化总次数对比 Tab. 5 Comparison of cascade reservoirs flood discharge facilities changes

通过对比分析表25中梯级各水库常规调度和优化调度方案下的泄洪设施开度情况可知:

1)优化调度方案的梯级水库群泄洪设施变化总次数明显小于常规调度,这主要是由于优化调度方案中梯级各水库的出库流量更加平稳均匀,泄洪设施组合方案调整的频率明显降低。

2)锦屏一级水库优化调度方案较常规调度方案少启用了1#深孔和5#深孔,泄洪设施变化次数将少了近73%。由此可见,利用防洪调度模型和泄洪设施运用数据库进行泄洪设施运行控制能够减少泄洪设施启用数量和操作次数,有利于提升泄洪设施操作控制水平。

3)优化调度方案下锦屏二级和官地水库的泄洪设施开度变化次数较常规调度中泄洪设施变化次数有所减少,但减幅不大。这主要是由于锦屏二级和官地水库库容小,在优化调度中水库库容对洪水的调蓄能力比较弱,为了确保水库水位在合理区间运行,势必需要比较频繁的调整泄洪设施开度。

5 结论与建议

针对当前水库防洪调度鲜有考虑泄洪设施的运行要求,而泄洪设施运行控制影响因素复杂且容易导致洪水实际调度结果偏离理论优化调度结果,甚至会完全脱离实际而无法实施等问题。本文通过开展泄洪设施数字化研究,建立泄洪设施运用数据库,同时结合梯级水库群洪水调度理论,提出梯级水库群泄洪设施联合调控策略,并进行实例验证。主要研究成果和结论如下:

1)本文通过泄洪设施数字化研究,建立泄洪设施运用数据库,并结合梯级水库群洪水调度理论,提出梯级水库群泄洪设施联合调控策略,对梯级水库群泄洪设施联合控制方案进行了有益探索,显著提升梯级水库群泄洪设施运行控制的精细化和智能化水平。

2)本文以雅砻江下游梯级水库群为例,对其梯级水库群泄洪设施联合运行控制方案进行研究,验证了所提泄洪设施联合调控策略的合理性和有效性。研究成果对各大流域梯级水库群泄洪设施运行控制具有重要参考价值。

3)本文提出了泄洪设施运用数据库中泄洪设施组合方案查询方法及其选取原则,但关于泄洪设施运用数据库的应用策略还有待进一步完善。在今后的研究中,可引入深度学习方法挖掘梯级水库群泄洪设施联动规律,并结合泄洪设施运用数据库,迅速确定最合适的泄洪设施组合方案,以进一步提高泄洪设施运行控制的智能化水平。

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