基于径流预报的供水型水库调度图动态控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于径流预报的供水型水库调度图动态控制方法，涉及水资源管理和水利工程管理领域。它包括如下步骤：首先对所有年份逐时段进行供水调度计算，避免了典型年选取的差异和因样本偏少造成保证率偏低的问题；然后在采用常规的供水调度线推求方法的基础上，引入来水情势的控制因子，以长、中、短期水文径流预报为指导选择调度图中的调度线的相对位置，实现不同丰、枯来水情势下调度线的动态控制。它克服了现有方法存在的典型年代表性不足、未考虑预报来水的问题。能较为全面的涵盖水库供水调度中可能出现的来水、需水情况，并根据预报来水的丰、枯动态控制供水方式，实现水资源优化利用的目标。
【专利说明】
基于径流预报的供水型水库调度图动态控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及水资源管理和水利工程管理领域，更具体地说它是一种基于径流预报 的供水型水库调度图动态控制方法。
【背景技术】
[0002] 水库供水调度图系指导年或多年调节供水水库运行的工具，供水调度图根据水库 历史径流统计资料和相应设计需水流量资料拟定。供水调度图一般以时间为横坐标，水库 水位(或蓄水量)为纵坐标，由控制供水方式的指导线划分出不同的供水区，其数学描述可 表示为：
[0003] Qs = f(Z,T)
[0004] 其中，QS、Z、T分别表示水库供水流量、水库水位和相应时间。
[0005] 供水调度图是依据供水型水库工程规划设计的供水调度任务及原则要求，以满足 供水对象、供水水量和供水保证率为目标，采用历史径流资料进行调节计算，以不同供水情 况可能出现的水库水位的外包线作为调度线，组合形成水库供水调度图。根据《水库调度设 计规范》(GB/T 50587-2010)要求，水库供水调度图由水库特征水位和水库调度线划分为保 证供水区、降低供水区和加大供水区等供水区域:当水库水位位于保证供水区时，水库按保 证供水量方式供水;当水库水位位于降低供水区时，水库按照降低供水量方式供水；当水库 水位位于加大供水区时，水库可视需要按加大供水量方式供水。
[0006] 然而，常规供水调度图的编制方法存在一定局限和不足。常规供水调度图确定方 法通常选择设计保证率对应某一典型年或几个典型年，通过水量平衡原理推求。即假定调 度期内入库径流已知，以确定性调度的方式进行调度计算，编制供水调度图，并以此指导水 库供水运行。
[0007] 在实际调度运行中，由于供水水库的年内来水或年际来水分布存在极大随机性， 当预报来水偏丰时，按照供水调度图指导运行将造成水库弃水较大，水量利用率低下；当预 报来水偏枯时，按照供水调度图正常调度可能造成后期供水不足甚至出现极端破坏情况。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是为了克服【背景技术】的不足之处，而提供一种基于径流预报的供水 型水库调度图动态控制方法，并根据预报来水的丰、枯动态控制供水方式，实现水资源优化 利用的目标。
[0009] 为了实现上述目的，本发明的技术方案为:基于径流预报的供水型水库调度图动 态控制方法，包括以长系列径流资料作为入库径流，其特征在于：它包括如下步骤:首先对 所有年份逐时段进行供水调度计算，避免了典型年选取的差异和因样本偏少造成保证率偏 低的问题;然后在采用常规的供水调度线推求方法的基础上，引入来水情势的控制因子，以 长、中、短期水文径流预报为指导选择调度图中的调度线的相对位置，实现不同丰、枯来水 情势下调度线的动态控制。
[0010]在上述技术方案中，所述基于径流预报的供水型水库调度图动态控制方法，其具 体实现步骤如下：
[0011] (1)采用长系列入库径流修正系列
[0012] 选取长系列入库径流系列中设计保证率对应的入库水量作为典型年，并按典型年 年水量控制修正长系列径流分配，即按长系列年入库水量与典型年水量比值将长系列径流 过程进行缩小，使得各年水量等于典型年入库水量，作为推求基本调度图的入库径流修正 系列，
[0013] 长系列入库径流修正计算方式如公式①所示：
[0015] 其中，胞为设计保证率，wna为设计保证率对应典型年的入库水量，别表 示长系列中第i年入库总水量及第i年第j时段入库流量，为修正后入库流量；
[0016] (2)常规供水调度线的推求和修正
[0017]拟定供水期末水库供水水位，分析供水型水库多个供水对象的供水需求，通过水 量平衡计算，分别推求满足多个供水对象不同供水要求的供水调度线，组合形成基本调度 图，然后进行长系列供水调度计算，校核供水对象的供水量及供水保证率，修正基本供水调 度图，
[0018]采用水量平衡法逆时序推求供水调度线的计算方法如公式②所示：
[0020] 其中，=分别表示第i年第j时段的初、末库容，qi,j为该时段水库下泄流量， ef为供水型水库第k供水方向的供水流量，△ t为时段长度；
[0021] (3)基于径流预报的动态控制
[0022] 在基本调度图的基础上，为实现"大水多供、小水少供、动态控制"的目标，将调度 线扩展为一定宽度的调度带，以径流预报为控制参数对供水调度线相对位置进行动态控 制：当来水频率大于50%时，取调度带取上边界，从而在来水偏枯时减少供水，保证后续的 供水安全;当来水频率小于50%时，取调度带取下边界，从而增加供水，减少不必要的弃水；
[0023] 基于径流预报的调度线动态控制方法如公式③所示：
[0025] 其中，P(Wi)表示第i年来水频率，LineUp、LineD_分别表示调度带的上下限。
[0026]本发明具有如下优点：（1)以长系列入库径流修正系列代替样本较少的典型年法 推求供水调度图，可避免因典型年选取不同、年内分布样本偏少造成调度图有所不同、供水 保证率偏低的问题；（2)引入来水情势的控制因子，通过预报径流的丰、枯动态控制供水型 水库调度图中调度线的相对位置，从而实现大水多供、小水少供、动态控制的目标。
【附图说明】
[0027]图1为基于径流预报的供水型水库调度图动态控制方法流程图，
[0028]图2为丹江口水库供水调度初始调度图，
[0029]图3为丹江口水库供水调度图，
[0030]图4为基于径流预报的丹江口水库动态供水调度图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅 作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
[0032] 本发明基于径流预报的供水型水库调度图动态控制方法，包括以长系列径流资料 作为入库径流，其特征在于：它包括如下步骤:首先对所有年份逐时段进行供水调度计算， 避免了典型年选取的差异和因样本偏少造成保证率偏低的问题;然后在采用常规的供水调 度线推求方法的基础上，引入来水情势的控制因子，以长、中、短期水文径流预报为指导选 择调度图中的调度线的相对位置，实现不同丰、枯来水情势下调度线的动态控制。
[0033] 所述的基于径流预报的供水型水库调度图动态控制方法，其具体实现步骤如下：
[0034] (1)采用长系列入库径流修正系列
[0035]选取长系列入库径流系列中设计保证率对应的入库水量作为典型年，并按典型年 年水量控制修正长系列径流分配，即按长系列年入库水量与典型年水量比值将长系列径流 过程进行缩小，使得各年水量等于典型年入库水量，作为推求基本调度图的入库径流修正 系列，
[0036]长系列入库径流修正计算方式如公式①所示：
[0038] 其中，Ρ?呆为设计保证率，Wna为设计保证率对应典型年的入库水量，WiUi.j分别表 示长系列中第i年入库总水量及第i年第j时段入库流量，为修正后入库流量；
[0039] (2)常规供水调度线的推求和修正
[0040]拟定供水期末水库供水水位，分析供水型水库多个供水对象的供水需求，通过水 量平衡计算，分别推求满足多个供水对象不同供水要求的供水调度线，组合形成基本调度 图，然后进行长系列供水调度计算，校核供水对象的供水量及供水保证率，修正基本供水调 度图，
[0041 ]采用水量平衡法逆时序推求供水调度线的计算方法如公式②所示：
[0043] 其中，If、分别表示第i年第j时段的初、末库容，qi,j为该时段水库下泄流量， ef为供水型水库第k供水方向的供水流量，△ t为时段长度；
[0044] (3)基于径流预报的动态控制
[0045] 在基本调度图的基础上，为实现"大水多供、小水少供、动态控制"的目标，将调度 线扩展为一定宽度的调度带，以径流预报为控制参数对供水调度线相对位置进行动态控 制：当来水频率大于50%时，取调度带取上边界，从而在来水偏枯时减少供水，保证后续的 供水安全;当来水频率小于50%时，取调度带取下边界，从而增加供水，减少不必要的弃水；
[0046] 基于径流预报的调度线动态控制方法如公式③所示：
[0048] 其中，P(Wi)表示第i年来水频率，LineUp、LineD°wn分别表示调度带的上下限。
[0049]本发明以汉江流域丹江口水库供水调度图动态控制方法作为实施例来进行详细 说明，对于其它流域的水库供水调度图动态控制方法同样具有指导意义，其中的汉江中下 游、清泉沟枢纽(湖北唐西引丹灌区）和陶岔枢纽（南水北调中线一期工程)等仅作为供水 点，对于不同的水库供水点肯定不相同。
[0050] 丹江口水库位于湖北省丹江口市汉江干流、丹江汇口下游约800m处，具有防洪、供 水、发电、航运等综合利用效益。水库正常蓄水位170m，死水位150m(极限死水位145m)。丹江 口水库是南水北调中线的供水水源工程之一，作为一个典型供水型水库，其供水对象包含 汉江中下游、清泉沟枢纽(湖北唐西引丹灌区）和陶岔枢纽(南水北调中线一期工程)三个部 分，其供水调度图的编制关系到汉江中下游、清泉沟用水安全和南水北调中线工程的正常 运行。
[0051] 为丹江口水库调度图编制过程中典型年代表性不足、没有考虑预报来水的问题， 本发明以长系列径流资料作为入库径流，对所有年份逐时段进行供水调度计算，避免了典 型年选取的差异和因样本偏少造成保证率偏低的问题;然后采用常规的供水调度线推求方 法的基础上，引入来水情势的控制因子，以长、中、短期水文径流预报为指导选择调度图中 的调度线的相对位置，实现不同丰、枯来水情势下调度线的动态控制。基于径流预报的丹江 口水库调度图动态控制方法，按如下步骤进行：
[0052] 步骤一:采用长系列入库径流修正系列
[0053] 选取1956年5月~1998年4月长系列入库径流系列中设计保证率为95%的入库水 量作为典型年，并按典型年年水量控制修正1956年5月~1998年4月径流分配，即按1956年5 月~1998年4月入库水量与95%频率来水量比值将长系列径流过程进行缩放，使1956~ 1998年得各年水量等于95 %频率来水量，作为推求基本调度图的入库径流修正系列。
[0054]步骤二:常规供水调度线的推求和修正
[0055] ①依据不同来水情况下水库蓄水情势，分别拟定相应年份、不同供水对象的供水 流量，拟定供水期末水库供水水位，以旬为时段进行逆时序的径流调节计算，分别推求满足 不同供水要求加大供水线、正常供水线、多年平均供水线、降低供水线4条供水调度线，组合 形成初始调度图，如图2所示。
[0056] ②采用初始调度图，以1956年5月~1998年4月长系列入库径流和汉江中下游、清 泉沟和陶岔三个供水对象设计需水过程为基础，进行长系列供水调度计算，并校核供水对 象的供水量及供水保证率，分析供水破坏时段及原因，据此修正供水调度线，形成基本供水 调度图，如图3所示。
[0057] 步骤三:基于径流预报的动态控制
[0058] 在基本调度图的基础上，为达到"大水多供、小水少供、动态控制"的目的，将调度 线扩展为一定宽度的调度带，以径流预报为控制参数对供水调度线相对位置进行动态控 制：当来水频率大于50%时，取调度带取上边界，从而在来水偏枯时减少供水，保证后续的 供水安全;当来水频率小于50%时，取调度带取下边界，从而增加供水，减少不必要的弃水。 [0059]由基本调度图计算结果可知，在丹江口水库三个供水对象（汉江中下游、清泉沟、 陶岔中），汉江中下游多年平均下泄水量203.55亿m 3、补偿下泄163.07亿m3,清泉头、陶岔多 年平均供水水量6.64亿m3、94.93亿m 3,均满足南水北调中线一期工程设计供水要求。然而， 部分枯水年供水水量较设计需水仍有较大差距，95 %来水典型年丹江口供水对象汉江中下 游、清泉沟、陶岔设计需水分别为166.72亿m3、8.3亿m 3、71.94亿m3，而本方案分别供水 151.92亿m3、5.65亿m 3、75.04亿m3，仅陶岔满足设计供水要求，水源区供水仍有较大差距。为 此，在基本调度图中引入来水情势控制因子，以长、中、短期水文径流预报为指导选择调度 图中的调度线的相对位置，实现基于径流预报的动态控制。
[0060] 综合上述分析，对加大供水调度线进行动态控制，将该调度线扩展为带宽为3m的 调度带。再此基础上，以来水情势为判断依据，当来水频率大于50%时，取调度带取上边界， 从而在来水偏枯时减少供水，保证后续的供水安全;当来水频率小于50%时，取调度带取下 边界，从而增加供水，减少不必要的弃水。在基本调度图中采用动态控制方法后形成动态调 度图如图4。
[0061] 为了能够更加清楚的说明本发明所述的基于径流预报的供水型水库调度图动态 控制方法与现有的方法相比所具有的优点，工作人员将丹江口水库动态调度图与基本方案 调度图进行了对比，结果见表1。
[0062]表1丹江口动态调度图与基本调度图供水情况比较
[0063]
[0064] 由上表可知，考虑径流预报的丹江口动态调度图不仅提高了供水型水库供水对象 多年平均供水水量，而且显著提高了枯水年供水水量。75%来水年份清泉沟、陶岔分别提高 供水2.78、20.81亿m 3，95 %来水年份汉江中下游、清泉沟、陶岔分别提高供水13.95、1.37、 7.98亿m3。由于丹江口水库为多年调节水库，年内和年际间来水丰枯差异较大，通过径流预 报来水动态控制供水调度线的相对位置，既能在丰水年增加供水，提高水量利用率，又能在 枯水年控制供水水量，减少破坏深度，有力保障了供水水库的供水效益发挥。 [0065]其它未说明的部分均属于现有技术。
【主权项】
1. 基于径流预报的供水型水库调度图动态控制方法，包括W长系列径流资料作为入库 径流，其特征在于：它包括如下步骤:首先对所有年份逐时段进行供水调度计算，避免了典 型年选取的差异和因样本偏少造成保证率偏低的问题;然后在采用常规的供水调度线推求 方法的基础上，引入来水情势的控制因子，W长、中、短期水文径流预报为指导选择调度图 中的调度线的相对位置，实现不同丰、枯来水情势下调度线的动态控制。2. 根据权利要求1所述的基于径流预报的供水型水库调度图动态控制方法，其具体实 现步骤如下： (1) 采用长系列入库径流修正系列 选取长系列入库径流系列中设计保证率对应的入库水量作为典型年，并按典型年年水 量控制修正长系列径流分配，即按长系列年入库水量与典型年水量比值将长系列径流过程 进行缩小，使得各年水量等于典型年入库水量，作为推求基本调度图的入库径流修正系列， 长系列入库径流修正计算方式如公式①所示：⑩ 其中，Pf呆为设计保证率，W廻为设计保证率对应典型年的入库水量，Wi、Ii,j分别表示长系 列中第i年入库总水量及第i年第j时段入库流量，为修正后入库流量. (2) 常规供水调度线的推求和修正 拟定供水期末水库供水水位，分析供水型水库多个供水对象的供水需求，通过水量平 衡计算，分别推求满足多个供水对象不同供水要求的供水调度线，组合形成基本调度图，然 后进行长系列供水调度计算，校核供水对象的供水量及供水保证率，修正基本供水调度图， 采用水量平衡法逆时序推求供水调度线的计算方法如公式②所示：感 其中，哼、巧:分别表示第i年第j时段的初、末库容，为该时段水库下泄流量，终为 供水型水库第k供水方向的供水流量，At为时段长度； (3) 基于径流预报的动态控制 在基本调度图的基础上，为实现"大水多供、小水少供、动态控制"的目标，将调度线扩 展为一定宽度的调度带，W径流预报为控制参数对供水调度线相对位置进行动态控制：当 来水频率大于50%时，取调度带取上边界，从而在来水偏枯时减少供水，保证后续的供水安 全;当来水频率小于50%时，取调度带取下边界，从而增加供水，减少不必要的弃水； 基于径流预报的调度线动态控制方法如公式③所示：感 其中，P(Wi)表示第i年来水频率，LineUp、LineD°?分别表示调度带的上下限。
【文档编号】E02B1/00GK106087847SQ201610435139
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】张利升, 张睿, 饶光辉, 余蔚卿, 孟明星, 蔡淑兵, 胡向阳, 陈永生, 邹幼汉
【申请人】长江勘测规划设计研究有限责任公司