一种考虑下游河道水力安全的水电站泄洪优化调控方法与流程

本发明属于水利水电工程的技术领域，具体涉及一种考虑下游河道水力安全的水电站泄洪优化调控方法。

背景技术：

中低水头、大引用流量水电站下游是容易发生冲蚀淘刷破坏的重灾区。我国因为泄洪引发冲蚀淘刷问题造成泄水建筑物破坏的水电站比比皆是：如马迹塘水电站闸坝下游河床出现较大的冲刷坑，南津渡水电站在下游回流区发生了明显冲蚀破坏，长湖水电站下游两岸发生了严重的淘刷破坏。

申请人发现：导致这些问题的原因在于泄洪流量峰值高、波动大，使得下游水流无法正常消能；并且，闸门间开度组合不当，容易造成下游流速分布与流态不好。因此，亟需一种新型的水电站泄洪优化调控方法来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种考虑下游河道水力安全的水电站泄洪优化调控方法，提高了日调节水电站的防冲安全度，通过上游枢纽水电站的调蓄库容削弱洪水流量峰值，并合理配置日调节水电站的下游水位与各个闸门的泄流量，有效地提高了下游易冲刷位置的水力安全度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种考虑下游河道水力安全的水电站泄洪优化调控方法，包括：

步骤一：选取枢纽水电站下游的具有防冲安全问题的日调节水电站作为调控对象，获取所述枢纽水电站与所述日调节水电站的区间来流量获取所述枢纽水电站调蓄前的所述日调节水电站的上游来流量获取所述枢纽水电站调蓄前第t时段的下泄流量

步骤二：分别以所述日调节水电站的洪水流量峰值最小及以所述日调节水电站的闸门调控工作量最小为目标函数建立优化调控模型，并设置所述优化调控模型的约束条件；

步骤三：生成下泄流量序列qzxxt,所述qzxxt由若干个所述组成，以所述qzxxt为决策变量进行优化，获得以所述日调节水电站的洪水流量峰值最小为优化导向的所述日调节水电站的洪水流量峰值及对应的闸门调控总工作量，或获得以所述日调节水电站的闸门调控工作量最小为优化导向的闸门调控总工作量及对应的所述日调节水电站的洪水流量峰值。

进一步地，所述步骤二中，还包括：以所述日调节水电站的洪水流量峰值最小建立所述优化调控模型的目标函数k1，所述目标函数k1满足关系式：

其中，k1表示所述日调节水电站的洪水流量峰值最小目标，t表示所述优化调控模型的总时段数，t表示所述优化调控模型的第t时段，t＝1,2,…,t，表示经过所述枢纽水电站调蓄后的所述日调节水电站的洪水流量，所述优化调控模型的第t时段和所述的第t时段相同，所述的单位为m³/s。

进一步地，所述步骤二中，还包括：以所述日调节水电站的闸门调控工作量最小建立所述优化调控模型的目标函数k2，所述目标函数k2满足关系式：

其中，k2表示所述日调节水电站的闸门调控工作量最小目标，t表示所述优化调控模型的总时段数，t表示所述优化调控模型的第t时段，t＝1,2,…,t，所述优化调控模型的第t时段和所述的第t时段相同，k表示所述优化调控模型的第k号闸门，ngate表示所述优化调控模型的总闸门数；表示第k号闸门在第t时段初的开度，表示第k号闸门在第t时段末的开度；其中，开度的单位为m。

进一步地，所述步骤二中，还包括：将水量平衡设置为所述优化调控模型的约束条件，所述水量平衡满足关系式：

其中，表示所述枢纽水电站在第t时段末的库容，表示所述枢纽水电站在第t时段初的库容；表示所述枢纽水电站第t时段的上游来流量，其单位为m³/s；表示所述日调节水电站在第t时段末的库容，表示所述日调节水电站在第t时段初的库容，表示所述日调节水电站的发电流量，表示所述日调节水电站的闸门下泄流量，δt表示时间步长；其中，库容的单位为亿立方米。

进一步地，所述的上限为所述枢纽水电站的发电流量与溢弃流量之和，所述的下限为所述枢纽水电站的发电流量。

进一步地，所述步骤二中，还包括：将所述枢纽水电站的调蓄限度设置为所述优化调控模型的约束条件，所述枢纽水电站的调蓄限度满足关系式：

其中，表示所述枢纽水电站对所述削峰所动用的调蓄库容，其单位为亿立方米；分别表示所述枢纽水电站能够动用的调蓄库容的上限和下限。

进一步地，所述步骤二中，还包括：对所述设置n个(n>1)流量等级，将所述日调节水电站的闸门开度限度设置为所述优化调控模型的约束条件，所述日调节水电站的闸门开度限度满足关系式：

其中，表示所述属于第n个(n∈n)流量等级时的第k号闸门所对应的开度；表示所述属于第n个(n∈n)流量等级时的下限；表示所述属于第n个(n∈n)流量等级时的上限，下限和上限的单位均为m³/s。

进一步地，所述步骤二中，还包括：将所述枢纽水电站的水位和库容、所述日调节水电站的水位和库容设置为所述优化调控模型的约束条件，该约束条件满足关系式：

其中，分别表示所述枢纽水电站的库容的上限和下限；分别表示所述日调节水电站的库容的上限和下限；表示所述枢纽水电站在第t时段末的水位，表示所述日调节水电站在第t时段末的水位，水位的单位为m；分别表示所述枢纽水电站的水位的上限和下限；分别表示所述日调节水电站的水位的上限和下限；fa^v～z()表示所述枢纽水电站的库容与水位之间所满足的正相关函数；表示所述日调节水电站的库容与水位之间所满足的正相关函数，f^v～z为水位库容的关系曲线。

进一步地，所述步骤二中，还包括：将所述枢纽水电站的尾水位和所述日调节水电站的尾水位设置为所述优化调控模型的约束条件，该约束条件满足关系式：

其中，表示所述枢纽水电站在第t时段的尾水位，表示所述日调节水电站在第t时段的尾水位，尾水位的单位为m；表示所述枢纽水电站的尾水位与总下泄流量之间所满足的正相关函数；表示所述日调节水电站的发电流量及闸门下泄流量与尾水位之间所满足的正相关函数。

进一步地，所述步骤三中，还包括：生成若干组满足所述约束条件的所述qzxxt，运用遗传算法对若干组所述qzxxt进行迭代寻优计算。

进一步地，所述遗传算法中的交叉和变异步骤的交叉概率和变异概率分别设置为0.1。

本发明的有益效果在于：本发明分别以所述日调节水电站的洪水流量峰值最小及所述日调节水电站的闸门调控工作量最小为目标函数建立优化调控模型，生成下泄流量序列qzxxt，以所述qzxxt为决策变量进行优化，最大化地对洪水削峰，保障了下游水力防冲安全，并显著地降低了闸门调控的总工作量，有效地提高了日调节水电站的防冲安全度和下游易冲刷位置的水力安全度。

附图说明

图1为本发明实施例1的流程示意图。

图2为本发明实施例1日调节水电站上游来流量和上下游两电站区间来流量的示意图。

图3为本发明实施例1闸门开度限度的示意图。

图4为本发明实施例1遗传算法的流程示意图。

图5为本发明实施例2遗传算法的流程示意图。

图6为本发明实施例1和实施例2的解集图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件，本领域技术人员应可理解，制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1～2所示，一种考虑下游河道水力安全的水电站泄洪优化调控方法，包括：

步骤一：选取枢纽水电站下游的具有防冲安全问题的日调节水电站作为调控对象，其中，以二滩水电站为枢纽水电站，以桐子林水电站为日调节水电站，桐子林水电站在初始时段的来流量约为11000m³/s，以15天为调控周期，根据水文预报获取枢纽水电站与日调节水电站的区间来流量以及枢纽水电站调蓄前的日调节水电站的上游来流量获取枢纽水电站调蓄前第t时段的下泄流量t的取值范围为1～120，每个时段包含3个小时。

步骤二：分别以日调节水电站的洪水流量峰值最小及以日调节水电站的闸门调控工作量最小为目标函数建立优化调控模型，并设置优化调控模型的约束条件。

以日调节水电站的洪水流量峰值最小建立优化调控模型的目标函数k1，目标函数k1满足关系式：

其中，k1表示日调节水电站的洪水流量峰值最小目标，t表示优化调控模型的总时段数，总时段数为120；t表示优化调控模型的第t时段，t＝1,2,…,t，每个时段包含3个小时；表示经过枢纽水电站调蓄后的日调节水电站的洪水流量。

以日调节水电站的闸门调控工作量最小建立优化调控模型的目标函数k2，目标函数k2满足关系式：

其中，k2表示日调节水电站的闸门调控工作量最小目标，t表示优化调控模型的总时段数，总时段数为120；t表示优化调控模型的第t时段，t＝1,2,…,120，每个时段包含3个小时；k表示优化调控模型的第k号闸门，ngate表示优化调控模型的总闸门数；表示第k号闸门在第t时段初的开度，表示第k号闸门在第t时段末的开度。

在步骤二中，首先将水量平衡设置为优化调控模型的约束条件，水量平衡满足关系式：

其中，表示枢纽水电站在第t时段末的库容，表示枢纽水电站在第t时段初的库容；表示枢纽水电站第t时段的上游来流量；表示日调节水电站在第t时段末的库容，表示日调节水电站在第t时段初的库容，表示日调节水电站的发电流量，表示日调节水电站的闸门下泄流量，δt表示时间步长。

然后，将枢纽水电站的调蓄限度设置为优化调控模型的约束条件，枢纽水电站的调蓄限度满足关系式：

其中，表示枢纽水电站对削峰所动用的调蓄库容；分别表示枢纽水电站能够动用的调蓄库容的上限和下限。

接着，将枢纽水电站的水位和库容、日调节水电站的水位和库容设置为优化调控模型的约束条件，该约束条件满足关系式：

其中，分别表示枢纽水电站的库容的上限和下限；分别表示日调节水电站的库容的上限和下限；表示枢纽水电站在第t时段末的水位，表示日调节水电站在第t时段末的水位；分别表示枢纽水电站的水位的上限和下限；分别表示日调节水电站的水位的上限和下限；fa^v～z()表示枢纽水电站的库容与水位之间所满足的正相关函数；表示日调节水电站的库容与水位之间所满足的正相关函数。

最后，将枢纽水电站的尾水位和日调节水电站的尾水位设置为优化调控模型的约束条件，该约束条件满足关系式：

其中，表示枢纽水电站在第t时段的尾水位，表示日调节水电站在第t时段的尾水位；表示枢纽水电站的尾水位与总下泄流量之间所满足的正相关函数；表示日调节水电站的发电流量及闸门下泄流量与尾水位之间所满足的正相关函数。

在步骤二中，还对设置n个(n>1)流量等级，以桐子林水电站的第5号、第6号和第7号闸门为例，记录桐子林水电站的明渠段在各泄洪流量等级下的能够保障下游水力安全闸门开度，桐子林水电站明渠段泄洪闸开度情况如表1所示。

表1桐子林水电站明渠段泄洪闸开度情况

将日调节水电站的闸门开度限度设置为优化调控模型的约束条件，日调节水电站的闸门开度限度满足关系式：

其中，表示属于第n个(n∈n)流量等级时的第k号闸门所对应的开度；表示属于第n个(n∈n)流量等级时的下限；表示属于第n个(n∈n)流量等级时的上限，因此，桐子林水电站的闸门开度限度设置为如图3所示，当设置好闸门开度限度之后，可以根据目标函数k2计算满足日调节水电站的闸门开度限度约束的闸门调控总工作量。

步骤三：如图4所示，生成100组满足约束条件的下泄流量序列qzxxt，100组qzxxt构成初始群体，每组qzxxt为初始群体的初始个体，每组qzxxt包含100个运用遗传算法对100组qzxxt进行迭代寻优计算，并设置100个进化代，每代群体均包含100个个体，其中，的上限为枢纽水电站的发电流量与溢弃流量之和，的下限为枢纽水电站的发电流量，遗传算法中的交叉和变异步骤的交叉概率和变异概率分别设置为0.1；再以qzxxt为决策变量进行优化，本实施例以目标函数k2为优化导向，获得以日调节水电站的闸门调控工作量最小为优化导向的闸门调控总工作量，及对应的日调节水电站的洪水流量峰值，对应的日调节水电站的洪水流量峰值由目标函数k1求得，优化结果如表2所示。

表2以目标函数k2为优化导向的优化结果

从上述步骤可以发现，本实施例通过模型试验手段保证每个泄洪流量等级下的泄洪闸下游形成淹没式水跃，并寻求满足流速流态安全要求的明渠段的最大泄流量，由此确定明渠段在各泄洪流量等级下的闸门开度；在明渠段按照上述要求最大化分担河床段泄洪压力后，再寻求河床段河道导墙内侧临底流速的闸门开度最优组合，从而得到各泄洪流量等级下满足水力安全要求的闸门开度最优组合。

本实施例中，还可以运用优化调控模型获得以日调节水电站的闸门调控工作量最小为优化导向的枢纽水电站的下泄流量序列。

实施例2

如图5所示，本实施例与实施例1不同的是，步骤三中，以目标函数k1为优化导向，获得优化后的枢纽水电站的下泄流量序列，并获得以日调节水电站的洪水流量峰值最小为优化导向的日调节水电站的洪水流量峰值，及对应的闸门调控总工作量，对应的闸门调控总工作量由目标函数k2求得，优化结果如表3所示。

表3以目标函数k1为优化导向的优化结果

如图6所示，以15天为调控周期，获得以目标函数k1为优化导向和以目标函数k2为优化导向的解集，其中，以目标函数k1为优化导向的枢纽水电站的下泄流量的波动程度要小于以目标函数k2为优化导向的枢纽水电站的下泄流量。

由上述实施例可知，本发明可以通过目标函数k1为导向或通过目标函数k2为导向获得优化结果，本发明的泄洪优化方法最大程度上对洪水进行了削峰，保障了下游水力防冲安全，并显著地降低了闸门调控的总工作量，提高了日调节水电站的防冲安全性能，提高了下游易冲刷位置的水力安全度。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。