一种梯级水库分级分期旱限库容的计算方法与流程

本发明涉及水库抗旱调度技术领域，尤其涉及一种梯级水库分级分期旱限库容的计算方法。

背景技术：

旱灾是我国主要自然灾害，且风险日益加大。旱灾是我国灾害防御中的老问题。随着社会经济布局密度的快速增加，同等级别的旱灾所造成的损失显著增强。旱灾防御又面临新挑战，是灾害防御中的新问题。长期以来旱灾防御等缺乏旱灾识别关键指标。干旱事件的发生过程的不确定性，导致旱灾预警是长期以来一个无法逾越的障碍。但是，随着气象、水文监测站网的不断完善，加之气象、水文模型预报精度的提高，缺乏科学有效的旱灾预警指标成为制约旱灾防御的新障碍。

水库作为拦洪蓄水和调节水流的水利工程建筑物，在区域防洪抗旱中有非常重要的地位。现阶段有关水库抗旱关键性控制水位的研究尚不成熟，研究成果相对于汛限水位而言较少。水库作为供水系统，部分水库处于库群系统中，在区域防洪抗旱过程中，往往采用水库群协同优化调度。亟待深入开展梯级水库旱限(警)水位(流量)等关键指标的研究。在《旱限水位(流量)确定办法》中，首次提出了旱限水位的概念，并出台了“办旱[2011]32号文件”。在上述两个文件中，均采用唯一的旱限水位值作为干旱预警指标，存在一定的局限性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种梯级水库分级分期旱限库容的计算方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种梯级水库分级分期旱限库容的计算方法，包括如下步骤，

s1、分析多个单一水库的特征库容，对多个水库串联得到的梯级水库进行聚合概化，获取聚合概化后的梯级水库的特征库容；

s2、根据流域降水、径流、用户需求和水库调蓄，确定梯级水库干旱预警分期；

s3、分析单一水库来水情况，通过对单一水库来水进行叠加，计算聚合概化后梯级水库的来水量；

s4、分析梯级水库的供水保障目标，并通过叠加单一水库的设计供水量计算梯级水库的设计供水量；

s5、根据实际干旱预警需求将旱限水位划分为两级，分别为旱警水位和旱保水位，对分级的旱限水位设置供水保障系数实现干旱预警限制供水的目的；

s6、基于逆序递推的水库调度技术对梯级水库的旱限库容进行综合推算。

优选的，步骤s1具体为，基于调查收集多个水库的调度资料，获得每个水库的特征库容信息，进而采用单个水库的特征库容叠加方法，对串联的梯级水库进行聚合概化，获得概化后梯级水库的特征库容；计算公式为，

其中，z′dj为第j个水库死库容；z′lj为第j个水库汛限库容；z′nj为第j个水库兴利库容；zd、zl、zn分别为概化后梯级水库的死库容、汛限库容和水库兴利库容。

优选的，步骤s2具体为，根据流域降水、径流、用户需求和水库调蓄，确定梯级水库干旱预警分期，所述梯级水库的干旱预警分期分为汛期、非汛期和农业灌溉期。

优选的，步骤s3具体为，通过分别叠加单个水库一般枯水年和特枯年的逐月入库水量，分别获取梯级水库一般枯水年和特枯年的逐月入库水量；计算公式分别为，

其中，qji为一般枯水年第j个水库的i月的入库水量；q′ji为特枯年第j个水库的i月的入库水量；di为梯级水库一般枯水年第i月的入库水量；d′i为梯级水库特枯年第i月的入库水量。

优选的，步骤s4具体包括如下内容，

s41、计算各行业需水量，社会经济需水和环境生态需水计算需参考《水资源规划规范》(gbt51051-2014)和《河湖生态环境需水计算规范》(sl/z712-2014)，采用用水定额结合社会经济指标进行需水计算；重要工业需水量应结合当地实际情况确定，或者按破坏深度要求确定调整系数，由调整系数与设计需水量需求的乘积进行确定；

s42、通过叠加单一水库设计供水量计算梯级水库设计供水量，计算公式为，

式中：wt为概化后梯级水库的设计供水量；ws,j、wg,j、wir,j分别为第j个水库t月的生活供水量、工业供水量、农业供水量。

优选的，步骤s5具体为，针对梯级水库旱限水位，通过设置不同的供水保障系数对行业供水进行限供，以达到不同等级干旱预警的目的；计算公式为，

其中，wt为t月预警对象“一级限供”后的梯级水库供水量；wt′为t月预警对象“二级限供”后的梯级水库供水量；a、b分别为调整系数，调整系数可参考《国家防汛抗旱应急预案》，根据实际情况进行调整。

优选的，步骤s6具体为，以设计枯水年入库径流水量以及分级保障供水过程为输入，假定供水期末水量恰好达到水库死库容，考虑干旱过程的连续性，依据水库兴利调节原理，逆序递推得到不同干旱级别下各月初水量；选取各分期内最高月初水量作为该分期的旱警或旱保库容，则各月旱警库容和旱保库容分别计算如下，

zt＝wt+wloss,t-dt+zt+1

z′t＝w′t+wloss,t-d′t+z′t+1

z^t+1＝zs

其中，zt和z′t分别为水库t月的旱警库容和旱保库容；zt+1和z′t+1分别为水库t+1月的旱警库容和旱保库容；wloss,t为水库t月蒸发、渗漏损失水量；dt为一般枯水年t月的水库来水量；d′t为特枯年份t月的水库来水量；z^t+1为设计枯水年末水量。

优选的，各月旱警库容和旱保库容应分别满足相应约束条件，所述约束条件为，

zt≥z′t

式中，zd为梯级水库死库容；zl为梯级水库汛限库容；zn为梯级水库兴利蓄水量。

本发明的有益效果是：1、在综合梯级水库的供水保障目标后，累加单个水库一般枯水年和特枯年的入库水量，通过逆时序递推方法得到梯级水库旱限库容抗旱指标，为抗旱预警工作科学有序展开提供直接支撑。所以，本发明通过分区、分类、分级确定全国典型梯级水库的旱限库容，满足抗旱水源保障需求，对于水利工程群的优化调度提供参考。2、针对水库群旱限库容可根据库群使用原则将库群概化为梯级水库，确定梯级水库的各用户供水需求及保证等级，同时结合干旱期生产、生活、生态用水需求优先级和保证率，研究旱限库容指标分类、分期、分级的确定方法，针对不同地区特点制定旱限库容，为旱灾防御指挥决策提供科学依据和技术支撑。

附图说明

图1是本发明实施例中梯级水库旱限库容计算方法的流程图；

图2是本发明实施例中不同时期水库分级旱限水位示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1所示，本实施例中，提供了一种梯级水库分级分期旱限库容的计算方法，包括如下步骤，

s1、分析多个单一水库的特征库容，对多个水库串联得到的梯级水库进行聚合概化，获取聚合概化后的梯级水库的特征库容；

s2、根据流域降水、径流、用户需求和水库调蓄，确定梯级水库干旱预警分期；

s3、分析单一水库来水情况，通过对单一水库来水进行叠加，计算聚合概化后梯级水库的来水量；

s4、分析梯级水库的供水保障目标，并通过叠加单一水库的设计供水量计算梯级水库的设计供水量；

s5、根据实际干旱预警需求将旱限水位划分为两级，分别为旱警水位和旱保水位，对分级的旱限水位设置供水保障系数实现干旱预警限制供水的目的；

s6、基于逆序递推的水库调度技术对梯级水库的旱限库容进行综合推算。

本实施例中，本发明提供的计算方法主要包括六部分内容，分别为获取聚合概化后梯级水库的特征库容、确定梯级水库的干旱预警分期、计算聚合概化后梯级水库的来水量、计算梯级水库的设计供水量、对分级后的旱限水位设置保障系数限制供水、对梯级水库的旱限库容进行推算。下面分别针对上面六部分内容作详细解释。

一、获取聚合概化后梯级水库的特征库容

该部分内容为步骤s1；步骤s1具体为，基于调查收集多个水库的调度资料，获得每个水库的特征库容信息，进而采用单个水库的特征库容叠加方法，对串联的梯级水库进行聚合概化，获得概化后梯级水库的特征库容；计算公式为，

其中，z′dj为第j个水库死库容，m³；z′lj为第j个水库汛限库容，m³；z′nj为第j个水库兴利库容；zd、zl、zn分别为概化后梯级水库的死库容(m³)、汛限库容(m³)和水库兴利库容(m³)。

二、确定梯级水库的干旱预警分期

该部分对应步骤s2；步骤s2具体为，根据流域降水、径流、用户需求和水库调蓄，确定梯级水库干旱预警分期，所述梯级水库的干旱预警分期一般分为汛期、非汛期和农业灌溉期。

三、计算聚合概化后梯级水库的来水量

该部分对应步骤s3；步骤s3具体为，通过分别叠加单个水库一般枯水年和特枯年的逐月入库水量，分别获取梯级水库一般枯水年和特枯年的逐月入库水量；计算公式分别为，

其中，qji为一般枯水年第j个水库的i月的入库水量，m³；q′ji为特枯年第j个水库的i月的入库水量，m³；di为梯级水库一般枯水年第i月的入库水量，m³；d′i为梯级水库特枯年第i月的入库水量，m³。

其中，选取来水频率为75％的年份作为一般枯水年；选取来水频率为95％的年份作特枯水年。

四、计算梯级水库的设计供水量

该部分对应步骤s4；步骤s4具体包括如下内容，

s41、计算各行业需水量，社会经济需水和环境生态需水计算需参考《水资源规划规范》(gbt51051-2014)和《河湖生态环境需水计算规范》(sl/z712-2014)，采用用水定额结合社会经济指标进行需水计算；重要工业需水量应结合当地实际情况确定，或者按破坏深度要求确定调整系数，由调整系数与设计需水量需求的乘积进行确定；

s42、通过叠加单一水库设计供水量计算梯级水库设计供水量，计算公式为，

式中：wt为概化后梯级水库的设计供水量，m³；ws,j、wg,j、wir,j分别为第j个水库t月的生活供水量(m³)、工业供水量(m³)、农业供水量(m³)。

五、对分级后的旱限水位设置保障系数限制供水

该部分对应步骤s5；步骤s5具体为，针对梯级水库旱限水位，通过设置不同的供水保障系数对行业供水进行限供，以达到不同等级干旱预警的目的；计算公式为，

其中，wt为t月预警对象“一级限供”后的梯级水库供水量；wt′为t月预警对象“二级限供”后的梯级水库供水量；a、b分别为调整系数，调整系数可参考《国家防汛抗旱应急预案》，根据实际情况进行调整。供水保障系数如下，

六、对梯级水库的旱限库容进行推算

该部分内容对应步骤s6；步骤s6具体为。以设计枯水年入库径流水量以及分级保障供水过程为输入，假定供水期末水量恰好达到水库死库容，考虑干旱过程的连续性，依据水库兴利调节原理，逆序递推得到不同干旱级别下各月初水量；选取各分期内最高月初水量作为该分期的旱警或旱保库容，则各月旱警库容和旱保库容分别计算如下，

zt＝wt+wloss,t-dt+zt+1

z′t＝w′t+wloss,t-d′t+z′t+1

z^t+1＝zs

其中，zt和z′t分别为水库t月的旱警库容和旱保库容；zt+1和z′t+1分别为水库t+1月的旱警库容和旱保库容；wloss,t为水库t月蒸发、渗漏损失水量；dt为一般枯水年t月的水库来水量；d′t为特枯年份t月的水库来水量；z^t+1为设计枯水年末水量。

其中，各月旱警库容和旱保库容应分别满足相应约束条件，所述约束条件为，

zt≥z′t

式中，zd为梯级水库死库容；zl为梯级水库汛限库容；zn为梯级水库兴利蓄水量。

实施例二

本实施例中，结合具体的实例具体说明本发明提供的计算方法的实施过程。某水库b为水库a下游串联水库，某水库a主要向水库b输水。

一、获取聚合概化后梯级水库的特征库容

水库a和水库b为梯级水库，联合向城市、灌区等用户供水，将两个水库概化为一个梯级水库，梯级水库库容为两个水库之和。基于调查收集水库a和水库b的调度资料，获得每个水库的特征库容信息等水库设计参数，进而采用单个水库的特征库容叠加方法，对串联的梯级水库进行聚合概化，获得概化后梯级水库的特征库容。

二、确定梯级水库的干旱预警分期

根据流域降水、径流、用户需求和水库调蓄，确定梯级水库干旱预警分期，所述梯级水库的干旱预警分期一般分为汛期、非汛期和农业灌溉期。

三、计算聚合概化后梯级水库的来水量

通过分别叠加单个水库一般枯水年和特枯年的逐月入库水量，分别获取梯级水库一般枯水年和特枯年的逐月入库水量。

通过水库a和水库b一般枯水年和特枯年的入库径流得到对应入库水量，通过累加的方法可以获得梯级水库入库水量设计枯水年系列，见表1。

表1一般枯水年和特枯年入库水量(亿m³)

四、计算梯级水库的设计供水量

确定水库a和水库b的供水保障目标，水库a供水目标为城市生活用水、区间农业灌溉用水、环境生态用水。水库b为城市生活用水、工业用水、农业灌溉用水、生态用水。

计算各行业需水量，社会经济需水和环境生态需水计算需参考《水资源规划规范》(gbt51051-2014)和《河湖生态环境需水计算规范》(sl/z712-2014)，采用用水定额结合社会经济指标进行需水计算；重要工业需水量应结合当地实际情况确定，或者按破坏深度要求确定调整系数，由调整系数与设计需水量需求的乘积进行确定。最终通过叠加单一水库设计供水量计算梯级水库设计供水量。

水库a的需水量计算参考水库a水库调度方案、调度图等资料，采用用水调查统计法重点调查统计城乡供水、企业生产、农业灌溉及环境生态等用水数据，对各个行业，计算一般枯水年组中逐月平均用水量，作为该行业在干旱年份河道外需水量，见表2。

表2水库a干旱年份设计供水量(亿m³)

水库b需水量计算，根据各行业供水需求、保障等级，设计不同预警级别供水过程。参考水库b的水库调度方案、调度图等资料，采用用水调查统计法重点调查统计城乡供水、企业生产、农业灌溉及环境生态等用水数据，对各个行业，计算一般枯水年组中逐月平均用水量，作为该行业在干旱年份河道外需水量，见表3。

表3水库b干旱年份设计供水量(亿m³)

通过叠加单一水库设计供水量计算梯级水库设计供水量，水库a和水库b梯级水库的设计供水量为两个水库供水量之和。则水库a-水库b梯级水库一般枯水年(75％)设计供水量和水库a-水库b梯级水库特枯水年(95％)设计供水量，分别如表4和表5

表4水库a-水库b梯级水库一般枯水年(75％)设计供水量(亿m³)

表5水库a-水库b梯级水库特枯水年(95％)设计供水量(亿m³)

五、对分级后的旱限水位设置保障系数限制供水

针对梯级水库旱限水位，通过设置不同的供水保障系数对行业供水进行限供，以达到不同等级干旱预警的目的。供水保障系数具体参见表6。

表6针对不同限供等级的各个供水保障系数

六、对梯级水库的旱限库容进行推算

针对梯级水库进行不同来水频率的逆序计算，计算梯级水库旱限库容，梯级水库旱限库容推算结果，见表7。

表7水库a-水库b梯级水库旱限库容

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明提供了一种梯级水库分级分期旱限库容的计算方法，在综合梯级水库的供水保障目标后，累加单个水库一般枯水年和特枯年的入库水量，通过逆时序递推方法得到梯级水库旱限库容抗旱指标，为抗旱预警工作科学有序展开提供直接支撑。所以，本发明通过分区、分类、分级确定全国典型梯级水库的旱限库容，满足抗旱水源保障需求，对于水利工程群的优化调度提供参考。针对水库群旱限库容可根据库群使用原则将库群概化为梯级水库，确定梯级水库的各用户供水需求及保证等级，同时结合干旱期生产、生活、生态用水需求优先级和保证率，研究旱限库容指标分类、分期、分级的确定方法，针对不同地区特点制定旱限库容，为旱灾防御指挥决策提供科学依据和技术支撑。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。