水库群联合优化调度研究进展与展望

系统阐述了线性规划、非线性规划、网络流、大系统、动态规划、启发式算法等主要的水库群联合优化调度方法,对近年来国内外水库群优化调度理论及应用进展进行综述;重点分析了库群联合调度的基本原则、目标函数、优化算法及在防洪调度、兴利调度和多目标调度中的应用;展望了水库群联合优化调度的多目标技术,决策支持系统和效益分配等研究的方向。     

基于库容分区运用的水库群生态调度模型

在不影响防洪、供水等现有利益格局的前提下,通过改善水库调度方式、发挥库群联合调控作用,提高生态供水保证率,是当前中国北方缺水地区流域水资源管理中的重大科学问题。把河流生态系统作为一个独立用水户,制订多用户分区运用水库群调度模拟规则,同时考虑调度方案对生态与发电的影响,建立水资源系统仿真模型,结合保证各用户供水保证率最大且尽可能均衡的目标函数,构建基于库容分区运用的水库群生态调度模型。将模型应用于海河流域滦河水系,提出了现状供水条件下潘家口、大黑汀和桃林口三大水库联合调度方案,绘制了水库群分区运用调度图,评价了调度方案对水力发电和下游生态系统的影响。结果表明,所提出的模型有效,水库群生态调度方案较之现行调度,可在不降低兴利和防洪效益的前提下,将河流生态系统供水保证率由46.9%提高到93.8%,生态水文改变度指标改善明显。     

动态汛限水位研究及在沭河青峰岭水库的应用

动态汛限水位控制是指水库在汛期,根据实时雨、水、墒情,利用暴雨、洪水预报成果,在不降低水库防洪标准,确保水库、上下游地区防洪安全的前提下,按照水库动态汛限水位控制方案确定的控制范围对汛限水位进行浮动的调度过程.结合防汛指挥系统建设,采取动态汛限水位,在保证安全的前提下尽可能多蓄水充分利用雨洪资源、发挥防洪与兴利的最佳结合效益.     

三峡水库围堰发电期调度模拟优化研究

汛限水位是协调综合利用水库防洪和兴利矛盾的重要参数。三峡水库围堰发电期调度规则将汛期水库水位控制在134．9-135．4m运行,本文将汛期(6-9月)按旬划分为12个分期,建立模拟模型和动态规划模型;采用宜昌站120年实测日流量序列,通过所建模型计算,得到了优化的分期汛限水位方案。模型实现了模拟和优化的有机结合,将带机遇约束的多目标优化问题转化为确定性约束条件下的单目标优化问题,降低了复杂性。结果表明,模型在不增加防洪风险的前提下,发电效益增加了2．21％(2005 年)和2．32％(2006年)。     

三峡库区提升库水位下降速率条件下沟边上滑坡稳定性评价

三峡库区对非汛期库水位下降速率（0.6 m/d）的严格控制,预防了近千处涉水库岸滑坡大规模下滑入江,但控制消落期库水位下降速率在某种程度上却限制了防洪和蓄水发电效益的发挥,本文主要通过研究在非汛期时候,增加库水位下落速率是否具有可行性,使用Geo-studio中的SEEP/W、SLOPE两个模块对沟边上滑坡进行渗流分析和稳定性分析评价,以计算结果来确定库水位消落期的水位下降速率,对库区调控水位下降速率的调整有重大现实意义和科学价值。     

三峡水库汛期控制水位及运用条件

随着长江上游梯级水库的陆续建成投运，三峡水库的水文情势和功能需求与设计条件相比发生了显著变化，仍维持固定的汛限水位运行已不能适应新形势需求。本文通过辨析三峡水库设计阶段汛限水位的设置条件，挖掘流域洪水特性和洪水遭遇规律，论证三峡水库汛期运行水位动态控制的可行性。结果表明:①三峡水库设计推求的汛限水位145 m的适用条件是应对流域性大洪水，而流域性洪水发生概率小且特征明显，可以通过水文水情分析提前预判。②根据流域洪水类型、洪水分期和遭遇规律，预判发生区域性大洪水时，三峡水库6月初至梅雨期结束汛限水位按145 m设置，从梅雨期结束后逐渐提高水位，8月20日后过渡到155 m。③在考虑上游水库群联合调度和气象水文预报的配合下，正常年份三峡水库汛期运行水位可在155 m上下浮动，并考虑提前蓄水。④三峡水库汛期运行水位动态控制，不会增加防洪风险和库区淤积风险，对中下游江湖关系和水文情势有利，可显著提高发电、航运、生态保护和供水等综合利用效益。     

基于遗传算法的分级预泄调度方案优化研究

采用分级预泄进行汛限水位动态控制,综合考虑洪水、预报系统、调度决策系统等不确定性因素影响,留有余地地选择浮动库容、预泄级数、相应泄流及流量控制点。此种调度方案能在保证防洪安全的前提下获得较大的兴利效益。实例表明,借助于遗传算法良好的全局优化搜索能力,合理设置参数约束范围和适应度函数,可以得出比较满意的调度方案。     

复杂防洪系统联合优化调度模型

建立以水库群系统安全度最大、行蓄洪区系统损失最小为目标函数,将河道堤防安全行洪考虑为约束条件的复杂防洪系统多目标递阶优化调度模型(MoHOOM),以行蓄洪区总分洪流量为协调变量,将河道水流连续方程解耦,基于大系统分解协调法建立协调层和基于粒子群算法求解底层子系统优化问题,形成三级递阶分解协调结构和相应求解方法。以淮河中游防洪系统为背景进行了实例研究,给出了水库群泄流和行蓄洪区分洪最优方案,在相同初始计算条件下,优化模型结果比实际调度降低了鲇鱼山和梅山水库0.37和0.01的安全度指标,减小下游蒋家集和润河集河段超过安全泄量以上100 m3/s和720 m3/s的洪峰流量,启用南润段行洪区致损1 256.1万元;比规则调度降低了鲇鱼山和梅山水库0.24和0.21的安全度指标,减小下游蒋家集河段超过安全泄量以上750 m3/s的洪峰流量,避免南润段行洪区损失341.6万元。模型有利于挖掘上游水库群的防洪能力,在保障河道堤防安全行洪条件下,减少下游不必要的行蓄洪区分洪损失,以系统全局寻优方式进行复杂防洪系统联合调度。     

三峡水库汛期控制水位及运用条件

随着长江上游梯级水库的陆续建成投运，三峡水库的水文情势和功能需求与设计条件相比发生了显著变化，仍维持固定的汛限水位运行已不能适应新形势需求。本文通过辨析三峡水库设计阶段汛限水位的设置条件，挖掘流域洪水特性和洪水遭遇规律，论证三峡水库汛期运行水位动态控制的可行性。结果表明：① 三峡水库设计推求的汛限水位145 m的适用条件是应对流域性大洪水，而流域性洪水发生概率小且特征明显，可以通过水文水情分析提前预判。② 根据流域洪水类型、洪水分期和遭遇规律，预判发生区域性大洪水时，三峡水库6月初至梅雨期结束汛限水位按145 m设置，从梅雨期结束后逐渐提高水位，8月20日后过渡到155 m。③ 在考虑上游水库群联合调度和气象水文预报的配合下，正常年份三峡水库汛期运行水位可在155 m上下浮动，并考虑提前蓄水。④ 三峡水库汛期运行水位动态控制，不会增加防洪风险和库区淤积风险，对中下游江湖关系和水文情势有利，可显著提高发电、航运、生态保护和供水等综合利用效益。     

人类活动对鄱阳湖水位变化的影响

进入21世纪以来,长江干流上游水库群运行和鄱阳湖区采砂等人类活动对鄱阳湖与长江之间水沙交换过程产生了重要影响,加速了江湖关系演变。主要采用Mann-Kendall趋势检验法和其他统计分析法,分析了近50年来鄱阳湖水位变化阶段性和趋势性特征,并探讨了长江干流上游水库群调节和湖区采砂活动对鄱阳湖水位变化的影响机制。结果显示:2000～2014年鄱阳湖水位分阶段降低,2006～2014年水位降至最低,比2000年前低了1.08m。2000年之后,鄱阳湖全年、汛期和枯季平均水位都有减少趋势,特别是10月份平均水位有非常显著的减少趋势;不同季节主湖区与入江水道水位变化趋势不一致。长江干流上游水库群调节对鄱阳湖水位影响存在时空差异,水库群蓄水期加剧了鄱阳湖水位下降的幅度。人工采砂活动对鄱阳湖水位的影响在枯季尤其是冬季影响更明显。合理调度长江干流上游水库群及湖区采砂活动对维护鄱阳湖和长江关系的健康维持具有重要意义。     

碧流河水库后汛期汛限水位及控制运用方式

水库汛期分期后上下游防洪标准的确定是水库分期运用的难点,针对北方地区后汛期来水特点,提出从防洪、兴利与两者权衡3个角度通过优化推求汛限水位备选方案,并协调方案中各指标间的复杂关系,建立汛限水位多方案分层模糊优化决策模型。经应用于碧流河水库表明,该方法在不改变水库原防洪标准的前提下,抬高水库后汛期汛限水位。研究结果为决策提供了技术支持,对北方缺水地区的其它水库有指导意义。     

渭南市涧峪水库安全度汛与科学调度浅析

涧峪水库位于秦岭北麓西涧峪口的中型水利工程,由堆石面板坝、溢洪洞、输水洞、泄洪洞、东涧峪引水洞等组成,坝高81 m,坝顶长196 m,正常蓄水位786.5 m、防洪限制水位781.5 m、校核洪水位789.53 m、总库容1284万m3,滞洪库容314万m3,水库枢纽工程于2007年9月建成蓄水试运行。本文在收集水库设计和实际运行资料的基础上,结合实际运行度汛与调度经验,保证水库安全运行与度汛,兼顾水库上下游防洪保安,分析计算水库流域内的径流与洪水、调节与调洪计算,结合水库设计工况与实际运行经验,展开水库运行的科学调度分析,得出安全可靠、科学有效的调度运行方案,从而指导水库运行管理各项工作的开展,以达到充分发挥水库工程的综合效益的目的。     

岳城水库汛期洪水资源化分析研究

在对岳城水库的常规防洪调度方案进行分析的基础上,研究了水库进行防洪预报调度的可行性,利用模糊集分析法计算了水库汛期经验隶属度值,对汛限水位进行了动态分析计算,拟定了基于防洪预报调度的洪水调度优化方案,利用防洪预报和常规水位双重约束条件,规避了由于防洪预报误差带来的风险.经过计算与分析,岳城水库防洪预报调度优化方案不但可以在一定程度上提高防洪标准,而且随汛限水位的提高,有效增加了兴利库容.     

基于条件风险价值理论的水库群防洪库容协同作用

将经济学条件风险价值(CVaR)理论引入防洪评价领域,提出基于CVaR的水库群防洪库容协同作用研究方法,辨识各水库防洪库容值对库群系统防洪损失的影响程度及各水库间协同防洪的互馈方式。以汉江流域五库群系统为案例研究,结果表明：(1)库群系统防洪损失CVaR对各水库防洪库容变动的敏感度排序依次为三里坪、鸭河口、丹江口、安康、潘口水库;(2)当总防洪库容不变时,变动各水库防洪库容组合方案所对应的防洪损失CVaR不一定相同,且各水库防洪库容组合存在可行区间;(3)若选取相同CVaR为约束条件,相比于两库系统(安康-丹江口水库),五库系统由于考虑了更多水库(潘口、三里坪、鸭河口水库)的防洪协调作用,丹江口水库自身防洪库容可调节的灵活空间更大。     

三峡水库蓄水初期寸滩站洪水预报方法研究

寸滩站作为长江上游重要控制站,承担着上游防汛和三峡蓄水的双重任务。基于三峡蓄水初期寸滩站水力学特性发生改变和该时段“高水位、低流量”现象,发现Q≤25 000 m3/s时,寸滩受顶托显著,Z—Q关系线发生“左偏”。在此变化条件下,分别研究了平水期、涨水期的水位、流量预报方法,即先由河道演算的流量查询预报综合线得到水位预报,进而通过水位反查报汛综合线（或绳套、临时关系线）获得流量预报。平水期,依适用条件采用落差指数或多元门限回归开展预报,成果基本能够满足防汛和蓄水需求;涨水期,以“嘉陵江2021年第3号洪水”寸滩预报为例,分析了洪水组成、Z—Q关系绳套化、洪峰水位流量错时出现、水库实时调度和下游顶托等多种因素,采用多源、多尺度水文气象耦合与预报调度一体化辅以主客观融合的人工校正技术实时预警预报,支撑长江上游水库群联合调度,降低寸滩水位约1～2.5 m。研究可为长江上游秋汛防洪和保障三峡蓄水提供支撑。     

库水位涨落对库岸滑坡稳定性的影响

三峡水库正常蓄水后, 库水位在175~145m之间周期性波动, 滑坡地下水渗流状态将会发生较大的改变, 可能导致滑坡失稳.因此, 研究库水位周期性波动下滑坡的稳定性具有十分重要的意义.提出了土水特征曲线的多项式约束优化模型和采用饱和-非饱和渗流数值模型.以赵树岭滑坡为例, 利用有限元数值计算了库水位在175~145m之间波动下地下水渗流场, 将计算得到的孔隙水压力用于滑坡的极限平衡分析, 探讨了库水位上升和下降对库岸滑坡稳定性的影响.研究表明: 多项式优化模型可以很好地拟合非饱和土的土水特征曲线; 库水位上升时滑坡稳定性系数总体逐渐增大, 库水位下降时滑坡稳定性系数总体逐渐减小; 无论是库水位上升还是下降到库水位155m时, 其稳定性系数最小; 同一库水位下, 库水位上升时的稳定性系数比下降时的稳定性系数大.      

三峡水库动态汛限水位洪水调度风险指标及综合评价模型研究

汛限水位是综合利用水库运行和调度的重要参数之一,也是协调防洪和兴利矛盾的焦点所在。现行的汛限水位过多地考虑了小概率洪水事件,不能充分挖掘水库汛期的兴利效益,因此,采用动态汛限水位进行调度,对综合利用水库的运行具有重要的理论意义和实用价值。根据三峡水库围堰发电期的调度规程,建立预报预泄调度模型,采用宜昌站1882-2001年汛期实测日流量资料,实现了考虑预报信息的动态汛限水位洪水调度模拟;提出了多目标风险指标体系;计算了9种动态汛限水位方案下的风险指标值,通过综合评价模型对各方案进行比较和优选,得到了相对合理的动态汛限水位方案。     

洪水资源利用风险适度性分析

洪水资源利用有助于缓解北方地区的水资源紧缺形势,风险适度性作为洪水资源利用三大适度性之一,用于指导洪水资源的合理开发与安全利用。在水库汛限水位调整中,提出采用不同频率设计洪水进行不同汛限水位条件下的洪水调节计算,并结合水库的经济与生态供水目标进行长系列用水调度模拟和供水效益分析,综合确定风险适度性的方法。对密云水库的计算分析表明,主汛期汛限水位从原设计的147.00 m安全抬高至目前的152.00 m是可靠的,其风险阈值上限为153.20 m;后汛期汛限水位可从目前的154.00 m安全抬高至155.40 m。两种情况下水库供水保证率可以分别提高0.30%和0.01%,且大坝和下游防护区的防洪风险率分别为0.01%和1%,与原设计一致,满足洪水资源安全利用的风险适度性要求。     

基于CSMR的露天坑尾矿库水位设计研究

以山东三山岛仓上金矿露天坑尾矿库为研究对象,在高陡岩质边坡CSMR评分基础上,通过岩石力学饱水实验,对岩石力学参数进行弱化,对尾矿库边坡四个典型剖面处边坡在无水、-100m水位、-50m水位和-40m水位下的CSMR动态评分,将487和503剖面动态CSMR评分与矿坑库水位之间的关系进行指数函数拟合,研究其评分和矿坑库水位之间的动态关系。结果表明:边坡RMR值降低,直接致使CSMR值的降低;487和503剖面的CSMR评分相较于483和507对于水位的上升更为敏感,且487和503剖面在水位的上升过程中,CSMR评分率先跌破40分,使边坡处于不稳定状态;库水位在-48.302m时,边坡487和503剖面发生小规模滑动,与CSMR评分结果一致;边坡在当前-47.643m库水位工况下具有一定的安全性,并据此推算边坡的临界库水位在-42.37m~-40.62m之间。通过对露天矿坑库水位临界值的研究,为矿坑边坡的安全稳定性提供有力依据。     

三峡工程库水位降与红层岸坡稳定性变化的响应关系研究

三峡工程水库运营中,库水位在145～175 m间周期性变化必将引起岸坡地下水位的波动,从而导致岸坡稳定性的响应变化。为此,根据布辛涅斯克非稳定渗流微分方程,采用多项式拟合初始浸润线,求得了库水位匀速下降和定幅度下降时岸坡的浸润线方程;在运用剩余推力法求解岸坡稳定性时考虑了对应的渗透力。以千将坪滑坡北东侧的红层岸坡为实例,分别考虑库水位由156 m匀速下降至145 m和库水位由156 m定幅度下降时岸坡的稳定性。结果表明：库水位以不同速度匀速下降时,降速越大,稳定性系数下降速率越大;地下水的时间滞后效应随降速的增大而明显延迟,但随着库水位的下降,滞后效应将达到一个最大值;库水位定幅度下降时,降幅与岸坡稳定性系数关系曲线呈现下降速率不同的3段;对于千将坪滑坡北东侧的红层岸坡在库水位匀速下降时,其临界降速为1.2 m/d,在库水位定幅度下降时,其临界单次降幅不超过6.0 m。研究结果对三峡工程库区类似岸坡地质灾害预警预报具有一定的指导意义。