本发明属于洪水资源化技术领域，具体涉及一种基于库容补偿法的梯级水库洪水资源化利用方法。
背景技术：
洪水本身是一种自然现象，是否造成灾害除了洪水的自然属性外，在很大程度上还决定于人类活动的强度与方式。也就是说，并不是所有的洪水都会造成灾害，当洪水的量级还未超过一定的临界值时，它就是一种资源，通过一系列措施，洪水可以转化为水资源，这就是洪水资源化。目前，水库广泛采用的洪水资源化方法主要有以下几类：
(1)汛末拦蓄洪尾法。水库在洪水退水段拦洪超汛限水位蓄水,其容许蓄洪量根据水库的下泄能力确定，认为水库可以利用歇洪间期将水位消落至汛限水位，从而可由歇洪间期反推出可超蓄水位。其实施难点是下场洪水的发生时刻和量级事先不能准确预知,因而超蓄运用将带来一定风险，拦蓄水位过高会增加下一场洪水防洪调度的风险，拦蓄水位过低会减少拦尾调度产生的经济效益。
(2)分期静态汛限水位。很多水库采用汛限水位分期控制，把原来的主汛期一分为二或一分为三，各期采用不同的汛限水位，这样有利于水库的洪水资源化调度和水库经济效益的发挥。但其不考虑预报信息，属传统的“静态控制”方式，并在一定程度上提高了防洪的风险。
(3)采用水库防洪预报调度方式，适当抬高汛限水位。水库防洪预报调度方式选择产流预报的“累积净雨量”或汇流预报的“洪峰流量”或短时“晴雨”预报信息等前期信息作为判断水库遭遇洪水的量级、改变泄流量的判断指标，使洪水经过水库调节达到提前均匀泄流，提高洪水资源利用率。但该方式对洪水预报方案精度和水情自动测报系统的稳定性要求高，可操作性有可能受到影响。
(4)汛限水位动态控制法。根据水库特性、汛期历史洪水以及水雨情预报信息精度等数据进行统计分析，确定汛期水库汛限水位动态控制域。应用时，依据实时水雨情预报，将水库水位动态控制在该控制域内。具体操作时又分预蓄预泄法和预泄回充法。基本思想是在洪水预见期内有多大泄洪能力就将汛限水位上浮多少，这是考虑洪水与降雨预报信息的洪水资源化的方法。但目前研究成果只着眼于单个水库，未考虑水库群之间的防洪库容补偿关系。
技术实现要素：
针对目前现有洪水资源化技术的不足，本发明提出一种基于库容补偿法的梯级水库洪水资源化利用方法。其目的在于通过利用梯级水库中其他水库的汛期水位常常低于汛限水位值的特点，将该水位至汛限水位的部分库容作为补偿库容，考虑库容补偿条件下提高被补偿水库的汛限水位，增加洪水资源化利用率。
基于库容补偿法的梯级水库洪水资源化利用方法，针对梯级水库群中其他水库的起调水位均为汛限水位,通过预报调度方式或对分期设计洪水的调洪演算确定目标水库的汛限水位动态控制域或分期汛限水位值，而实际上水库群中其他水库的汛期水位常常低于汛限水位值,该水位至汛限水位的部分库容实际上起到补偿作用的特点,通过考虑库容补偿条件下，来提高被补偿水库的汛限水位，以此来达到梯级水库洪水资源化利用的目的。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于库容补偿法的梯级水库洪水资源化利用方法，包括以下步骤：
1)计算上游水库的富余库容；
2)根据上游水库的水位运行状态来确定下游水库的水位运行状态；
3)通过梯级水库之间防洪库容的补偿关系来实现洪水资源化利用。
进一步，步骤1)所述上游水库的富余库容为：
δv＝v(za，限)-v(za，0)
式中，δv为富余库容；za,限、za,0分别为上游水库汛期限制水位和现状蓄水位；v(·)为上游水库的由水位计算库容的函数。
进一步，步骤2)中所述下游水库的水位利用下库涨水阶段的入库流量减小，将汛限水位提高。
进一步，步骤2)中所述下游水库水位的汛限水位值为：
z′b，0＝z(v(zb，0)+δv)
式中，v(·)表示由水位计算库容的函数，z(·)表示由库容计算水位的函数。从公式看出，若保持区间径流不变，上库有多少富余的防洪库容，就可将下库的汛限水位抬升多少的水量
进一步，步骤3)中所述梯级水库群的总防洪库容不变。
(1)基于水库群洪水补偿调度的动态汛限水位基本原理。
水库之所以能够承担防洪任务和调蓄洪水，是因为水库通常设有防洪库容和调洪库容。在水库规划设计中，水库的防洪库容和调洪库容均是从汛限水位算起的，即防洪高水位与汛限水位之间的库容为防洪库容，设计洪水位与汛限水位之间的库容为调洪库容。在水库运行阶段，由于降雨在地区分布的不均匀性，大流域的水库群的蓄水状态往往是有较大的变化，在洪水来临前，水库群中各水库的汛期蓄水位往往不能同时都达到汛限水位，水库群总的实际防洪库容和调洪库容往往大于规划设计时的防洪库容和调洪库容。因此，在水库运行中，可以通过考虑补偿库容来挖掘这部分潜力，动态抬高汛限水位。
图1直观表述了库容补偿提高下库汛限水位的原理：qa,in(t)、qa,out(t)、qa,out’(t)分别表示上库a的设计洪水过程、设计调度规则下的出库过程和为下游预留防洪库容后的出库过程。qb,in(t)、qb,in’(t)、qb,out(t)分别表示下库b的设计洪水过程、利用上库补偿调节的入库过程和设计调度规则下的出库过程。
洪水来临时，上库a尽快使用富余库容δv，尽量减少上库涨水期间的出库流量。假设上库a在t0—t1之间减小出库以利用富余库容δv，t1时刻之后两种调度方式的入库流量和库水位均相同，两者的出库过程完全重合。所以，在整个调度期内出库过程变为：
式中，
qb，in(t)＝qa，out(t-τ)+qj(t)，t＝t0+1，t0+2，…，n(2)
其中，τ为上库至下库与区间来水至下库的洪水传播时间之差，qj(t)为区间流量。下库b原汛限水位的调洪高水位为zb,max，利用下库涨水阶段的入库流量减小，将汛限水位从zb,0提高到zb,0’，提高后的调洪高水位为zb,max’。若保持下游出库流量和调洪高水位不变：
zb，max＝z′b，max(6)
联立式(1)—(6)得到，提高后的汛限水位：
z′b，0＝z(v(zb，0)+δv)(7)
式中，v(·)表示有水位计算库容的函数，z(·)表示有库容计算水位的函数。从式(7)看出，若保持区间径流不变，上库有多少富余的防洪库容，就可将下库的汛限水位抬升多少的水量。
(2)水库群之间补偿关系的建立。
基于库容补偿的梯级水库洪水资源化利用，必须进行库群防洪补偿调度，使尽可能抬高下库汛限水位，使洪水资源化利用率最大化。
①离散化处理上游水库的蓄水状态。由于蓄水是一个连续不断的过程，为了进行计算，将上游水库的蓄水状态离散化为若干个水位，而对每一个离散化处理后的水位可以通过水位—库容函数v＝f(h)求出所对应的库容，进而将这个水位所对应的补偿库容移置到下游的串联水库中，最后通过下游水库的库容—水位函数h＝f(v)粗算出其可以抬高的汛限水位。
②水库群之间补偿关系的建立。对上游水库每一个离散化处理的水位状态，可以求出一个对应的下游水库初始汛限水位，代入梯级水库防洪库容补偿调度模型中进行调整，直到求出满足流域防洪控制点防洪要求的下游水库的动态汛限水位，将上游水库汛期水位与下游水库汛期运行水位之间点绘出图，见图2。从图2可以看到，随着上游水库汛期水位距离其汛限水位越远，下游水库的汛限水位可以动态地抬高得越多，但上游水库总存在一个临界水位，当其汛期水位达到或低于它时，下游水库的汛限水位不可以再多抬高。
(3)基于库容补偿的梯级水库洪水资源化调度运用。
基于库容补偿的梯级水库洪水资源化调度在实际运行中，运用如下：上游水库仍保持原防洪调度运行方式，下游水库的汛限水位抬高仅与上游水库的蓄水状态有关，根据模型计算的成果，每一个上游水库汛期水位都对应有一个下游水库的动态汛限水位。
本发明方法根据上游水库的不同实时水位情况，通过上游水库的补偿作用，建立不同方案的下游水库动态汛限水位过程线，该动态汛限水位过程线可操作性强，使用方便，有以下优点：
1)本发明对洪水预报的要求不高，无需考虑下场洪水的发生时刻，只需要根据上游水库的水位运行状态来确定下游水库的水位运行状态，无需担忧洪水预报带来的不确定性，可操作性高。
2)本发明将梯级水库纳入考虑范围，通过梯级水库之间防洪库容的补偿关系来实现洪水资源化利用；同时，相较于传统分期静态汛限水位，梯级水库群的总防洪库容不变，没有额外增加防洪的风险。
3)本发明可不同程度地抬高下游水库整个汛期的运行水位，提高发电水头，从而在发电水量相同的情况下增加发电效益；前汛期不必过早地降低水库水位，后汛期可以较快地抬升水库水位，更容易抓住时机尽量早蓄水，提高水库蓄满率；尽可能多利用汛期洪水资源，增加发电效益，同时也为下游水库以下流域提供更多的可利用水资源，可产生巨大的经济和社会效益。
附图说明
图1为本发明出入库变化示意图。
图2为本发明上下游汛期水位关系图。
图3为刘家峡各旬汛限水位动态控制水位图。
图4为刘家峡各旬汛限水位动态控制域图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
图1为出入库变化示意图。
图2为上下游汛期水位关系图。
图3为刘家峡各旬汛限水位动态控制水位图(龙羊峡运行水位2594方案)
图4为刘家峡各旬汛限水位动态控制域图。
基于上述库容补偿法的梯级水库洪水资源化利用方法的整体流程，本发明以黄河上游龙羊峡和刘家峡梯级水库为例进行说明。
多年来，黄河上游梯级电站的运行调度(尤其防洪调度)一直建立在龙羊峡～刘家峡两库联合运行调度的基础上的。但在汛期，为了防洪安全的目的，刘家峡水库为预留防洪库容，严格按单一汛限水位控制，库水位必须限制在汛限水位以内，致使汛期大量弃水，而汛后又因来水少，运行水位长期偏低，造成了很大的电量损失和用水用电的矛盾。与此同时，由于黄河上游来水的持续偏枯和向下游过多补水造成龙羊峡水库蓄满率很低，大部分库容空闲，没有很好的发挥其多年调节和龙头水库的作用，亦没有更好体现梯级水电站联合运行调度的效益。
为此，根据刘家峡、龙羊峡水库水电站及其联合运行调度的实际情况，以龙羊峡水库可利用的富余库容补偿刘家峡水库由于汛期不同时间(旬为单位)提高不同汛限水位所带来的风险，即以库容补偿法实现刘家峡水库的洪水资源化利用，挖掘其洪水调度的潜力，提高水头效益，增加发电效益。
(1)分旬汛限水位过程线确定
a)典型洪水选择
刘家峡水库的入库洪水来自黄河干流和区间洮河、大夏河主要支流等，因此，确定各分旬汛限水位过程线所需的入库洪水过程线也由黄河干流和区间入流两部分叠加而成。黄河干流部分为龙羊峡水库出库洪水过程线；区间入流分两步得到：先求设计洪水总量，再选典型洪水。总量部分由刘家峡的设计代表站上诠站资料与龙羊峡的设计代表站贵德站资料相减得到，并以“典型年分配”和“上下游同频，区间相应”两种不同地区组成得到的总量中的最大者确定为区间入流水量；典型洪水则在占区间总来水量80％左右的洮河红旗站与大夏河折桥站资料中进行选择，每月选出选出两条区间典型洪水过程线。
b)典型洪水放大
按照各旬多年平均径流量占各旬多年平均径流量中的最大值的比例对区间典型洪水过程线进行缩放，然后再采用同倍比放大法进行放大，得到不同洪水地区组成的各旬、各频率区间设计洪水过程线。再将由1964、1967典型洪水得到的设计入库洪水经龙羊峡调洪演算后的出库洪水过程线与不同洪水地区组成的各旬、各频率区间设计洪水过程线分别叠加组合，并进行适当的修匀，得到刘家峡水库的各旬入库设计洪水过程线。
c)分旬汛限水位确定
对刘家峡水库进行调洪计算，取各旬最低的起调水位作为各旬汛限水位，见表1。以旬为横坐标，汛限水位为纵坐标，将各旬的汛限水位点绘在坐标纸上，得到汛限水位过程线，见图3。
表1刘家峡水库各旬相应的汛限水位表(龙羊峡水库汛限水位2594m)
(2)基于库容补偿法的梯级水库洪水资源化利用
根据刘家峡、龙羊峡水库水电站及其联合运行调度的实际情况，尤其是上游龙羊峡水库又有富余库容可利用的条件，可基于库容补偿法实现刘家峡水库的动态汛限水位控制，依次来达到洪水资源化利用的目的，即利用龙羊峡的富余库容计算刘家峡相应的汛期限制水位，作为汛限水位动态控制上限值，原设计汛限水位作为动态控制下限值。
根据7月上旬至9月上旬龙羊峡、刘家峡两库各旬设计洪水过程线及其两库联合防洪调度规则，分别推求龙羊峡各旬不同运行水位下的刘家峡水库各旬不同汛限水位。
a)确定上游水库富余库容
龙羊峡设计汛限水位为：2594m，各旬运行水位计算方案确定为：2594m，2593m，2592m，2591m，2590m，2589m，2588m，2587m，2586m，2585m，2584m，2583m，2582m，2581m，2580m，2579m，2578m，2577m，2576m，2575m，2574m，2573m，2572m，2571m，2570m共计25个方案，相应地，其富余库容即可确定。在上述各方案中，龙、刘两库按一定的库容比同时蓄洪，考虑到龙羊峡水库在各方案下的起调水位较低，当调洪水位低于汛期限制水位2594m时，水库按发电要求流量下泄，当调洪水位高于汛期限制水位2594m时，水库按不同频率的限制泄量下泄。
为了充分发挥两库设置防洪库容的蓄洪作用，龙、刘两库蓄洪需要按一定比例控制两库的蓄水量，利用龙羊峡水库富余库容对刘家峡水库进行补偿，以达到两库协调调节洪水与联合防洪的目的。根据各方案调蓄情况，龙、刘两库蓄洪的比例在(2.5～4.0)∶1.0的范围进行计算控制。实际调度中，可根据两库的蓄水位，结合洪水组合情况，按此比例进行控制与调整，保证龙羊峡、刘家峡水库防洪安全，协调蓄水，充分发挥各水库调节库容的作用。
b)根据上游水库的水位运行状态来确定下游水库的水位运行状态
由于龙羊峡水库及龙羊峡、刘家峡区间各旬均有2条不同的设计洪水过程线相组合，各旬共形成4条刘家峡入库设计洪水过程线。因此，在每一方案下，刘家峡水库调洪计算得到4个汛限水位值，从防洪安全角度考虑，选取最小值作为该旬刘家峡汛限水位。这样，在每一方案下，得到从7月上旬至9月上旬共有7个值组成的汛限水位控制线，25个方案就形成25条汛限水位控制线。由于选取最小值的方式会使个别汛限水位值产生波动，根据同一旬刘家峡汛限水位随着龙羊峡运行水位降低而提高的规律，对个别值进行修正，修正后的刘家峡水库各旬动态汛限水位见表2。
表2刘家峡7月上旬至9月上旬动态汛限水位控制方案修正表
以不同方案的25条汛限水位控制线作为刘家峡水库汛限水位动态控制上限值，原设计汛限水位作为动态控制下限值，得到各方案下的刘家峡水库汛期动态汛限水位控制运行域，见图4。从图4中可以看出：1)动态汛限水位控制线不同于常规方法计算的原设计汛限水位线，而是若干条汛中之前逐渐降低，汛中之后逐渐抬升的渐变曲线；2)满足设计千年一遇和校核pmf洪水标准的动态汛限水位控制线最低点为1726.3m，仍比常规方法计算的原设计汛限水位1726m高出0.3m，可多蓄水0.356亿m3；3)可操作性强，只需根据汛期各旬龙羊峡水库的实时水位，就可相应确定刘家峡水库该旬的汛限水位，只要把库水位控制在该旬汛限水位控制线以下，就能满足水库防洪标准。
c)梯级水库洪水资源化利用
根据刘家峡、龙羊峡水库水电站及其联合运行调度的实际情况，以龙羊峡水库可利用的富余库容补偿刘家峡水库由于汛期不同时间(旬为单位)提高不同汛限水位所带来的风险，提高水头效益，增加发电效益。针对龙羊峡水库不同运行水位(2570m～2594m)下(即补偿库容不同)的刘家峡水库25条汛限水位控制线，利用刘家峡水库1972年4月～2006年3月共34个水文年的各旬入库径流系列，分别计算刘家峡水库不同汛限水位控制线下的汛期多年平均最大发电量以及汛期多年平均增加电量与相应的电量效益，见表3。从表1可以看出，当龙羊峡水库在汛期运行实时水位在2570与2594之间时，刘家峡水库采用动态汛限水位控制方案所增加的汛期多年平均发电量在0.1124亿kw·h与1.4575亿kw·h之间，平均提高发电量0.7853亿kw·h，提高率为1.32％，如果按现在刘家峡水电站的上网电价0.15元/kw.h计算，年增加收入在169万元至2186万元之间，多年平均收入增加1178万元。
表3刘家峡水库汛期(7-9月上旬)不同汛限水位增发电量及效益计算表
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。