一种水库流域洪水起调水位分型设计与控制的方法与流程

本发明属于水库调度技术领域，特别涉及一种水库流域洪水起调水位分型设计与控制的方法。

背景技术：

我国水资源人均占有量少，且时空分布极其不均，气候变化、人类活动等更是加剧了区域性水资源短缺，同时水质恶化和水环境污染问题，一方面使可用水量减少，另一方面增加了治污需水量，使区域水资源短缺问题变得尤为突出，已成为制约区域经济社会发展的重要影响因素。为缓解我国水资源短缺问题，流域(区域)洪水资源化是最为有效的非工程措施之一，主要是通过科学的水库调度将原本作为弃水排放入库的洪水加以合理利用。然而，实现洪水资源化的科学水库调度，必然需要依靠可靠的、具有一定预见期等的水文、气象信息。目前，考虑流域水文、气象预报信息的水库洪水资源化相]关研究成果已有很多，如水库汛期分期、水库汛限水位动态控制等，为缓解区域水资源短缺问题提供了可靠的技术支撑，并在一些水库的调度实际中得到了应用，获得了一定的水库兴利效益。

以实现区域洪水资源化为目的的科学水库调度研究，主要集中在汛限水位的设计与运用方向上，即在规划设计阶段，研究水库汛期分期和分期汛限水位；在实时运行阶段，研究利用水文气象信息进行水库的预报调度，主要包括水库汛限水位动态控制等。水库汛期分期和分期汛限水位研究，是利用流域汛期洪水在整个汛期内时间上变化规律，将汛期划分为两个或多个时段，根据各时段内的洪水特征，分别确定相应的汛限水位，水库实时调度时根据所处汛期时期按照相应的汛限水位进行控制，与水库按单一汛限水位进行控制相比，可以实现一定的洪水资源化。水库汛限水位动态控制是在实时运行阶段，综合利用现代科学技术提供的遥测、统计与预报等水文气象信息，结合面临时刻的水情、雨情、工情等，下调、上浮或保持原汛限水位等，以更好地完成水库的防洪任务，或在不增加设计防洪风险的情况下挖掘水库的兴利潜力等，实现一定程度的水库洪水资源化。

实际上，流域汛期洪水特征除了具有时间分布差异、可以进行汛限水位分期设计外，还具有成因差异，如王本德、张静以暴雨洪水对应的天气系统为标准，将大伙房水库流域洪水分类为台风型和气旋冷锋型，将碧流河水库流域洪水分类为台风型、气旋型和冷锋型^[1-2]，党红梅等分析了汉江流域暴雨发生时的高空分布图，将致灾暴雨天气模型分类为西南气流型、低槽型和低涡切变型^[3]，姚章民等通过统计分析探求了珠江流域各水系产生暴雨的天气系统、暴雨类型、洪水成因及发生时间的相互联系，分析出影响暴雨发生的主要天气系统有副热带高压、槽、锋面、切变线、西南低涡和热带气旋，将珠江流域暴雨分类为锋面暴雨和台风暴雨^[4]。目前几乎所有的水库在规划设计阶段确定汛期洪水起调水位时，从偏防洪安全角度出发，都不考虑这一差异，采用最不利典型洪水的调节计算成果，限制了水库的洪水资源化利用。本发明根据形成流域暴雨洪水的天气系统，将暴雨洪水分型，并进行汛期洪水起调水位分型设计分析。水库在实时运行时，可根据形成暴雨洪水的天气系统类型，进行相应类型的洪水起调水位，可进一步提高洪水资源化程度。该发明不同于已有的主要利用流域无雨或小雨预报信息、在洪水退水段通过科学的水库泄水调度实现洪水资源化的汛限水位动态控制研究，而是研究流域有洪水发生、在洪水起涨时，如何根据拟发生洪水类型，确定安全合理的洪水起调水位，作为水库洪水资源化的另一途径，是对目前水库洪水资源化非工程措施研究的重要补充和完善。

文中涉及的参考文献如下：

[1]王本德,张静.考虑暴雨成因的大伙房水库洪水分类研究[j].水文,2008,1(28):15-20.

[2]张静.水库防洪分类预报调度方式研究风险分析[d].大连:大连理工大学,2008.

[3]党红梅,周义兵,李定安,胡国玲,石明生.汉江流域致灾暴雨的天气学分析[j].陕西气象,2011,5:14-17.

[4]姚章民,杜勇,张丽娜.珠江流域暴雨天气系统与暴雨洪水特征分析[j].水文,2015,35(2):85-89.

技术实现要素：

针对目前几乎所有的水库在规划设计阶段确定洪水起调水位时，从偏防洪安全角度出发，都不考虑洪水的成因差异，采用最不利典型洪水的调节计算成果，一定程度上限制了水库的洪水资源化利用，本发明提供了一种利用形成暴雨洪水的天气系统类型进行水库流域洪水起调水位分型设计与控制的方法，不同于以往基于水库流域无雨或小雨预报信息的汛限水位动态控制研究，本发明是利用有雨预报情况下的天气系统和暴雨特征等信息开展水库流域洪水调度起调水位设计与控制研究，可进一步提高洪水资源化程度。

本发明所采用的技术方案是：

本发明揭示了一种水库流域洪水起调水位分型设计与控制的方法，首先找出研究水库流域典型洪水与暴雨、天气系统之间的响应关系，从而得到分型典型洪水并进而确定分型洪水起调水位，然后给出分型洪水起调水位在实时调度中运用控制时可获得的兴利效益，最后利用天气预报、暴雨预报和洪水预报等存在响应关系的预报信息进行实时洪水调度的洪水起调水位运用控制方案，并同时给出由于预报信息的不确定性给方案实施带来的防洪影响、预报信息更新时的调整方案等，便于防洪调度决策。包括如下步骤：

步骤1，在分析水库的暴雨洪水特征及其形成的天气系统特征等基础上，对典型暴雨洪水按照天气系统成因进行分型；

步骤2，通过典型洪水调节计算确定分型洪水起调水位，并分析该分型洪水起调水位运用时可实现的洪水资源化量；

步骤3，考虑分型洪水起调水位运用时效益与不确定性因素对防洪的影响程度，建立水库调节计算模型，以权衡或调整分型洪水起调水位取值；

步骤4，在实时洪水调度中，根据天气系统判别未来入库洪水的类型，并采用相应类型的起调水位作为该场次洪水的起调水位。

步骤1的典型洪水分类的方法可分为三类，即基于天气系统的物理成因分析法、数理统计法和聚类分析法。

步骤2的对应的场次洪水利用同倍比方法法推求设计洪水过程的典型洪水。

步骤3的效益与不确定性因素对防洪的影响程度主要利用的是调节计算法。

本发明对比现有技术有如下有益效果：本发明充分考虑了暴雨洪水的成因差异，根据形成流域暴雨洪水的天气系统，将暴雨洪水分型，并进行洪水起调水位分型设计，可在流域有洪水发生、在洪水起涨时，根据拟发生洪水类型，确定安全合理的洪水起调水位，作为水库洪水资源化的另一途径，可进一步提高洪水资源化程度，是对目前水库洪水资源化非工程措施研究的重要补充和完善。

附图说明

图1是本发明方法总体技术框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。

一种水库流域洪水起调水位分型设计与控制的方法，包括如下步骤：

步骤1，在分析水库的暴雨洪水特征及其形成的天气系统特征等基础上，对典型暴雨洪水按照天气系统成因进行分型。

典型洪水的分型方法主要包括基于天气系统的物理成因分析法、数理统计法和聚类分析法三类。物理成因分析法即由观测资料，从物理成因上研究洪水变化规律，将具有相似成因条件的洪水分为同一类。每种大气环流形势都有其相应的天气过程和天气分布，一种大气环流稳定维持时，相似的天气变化过程将反复出现，而且各尺度的天气系统可以直接或者间接决定暴雨可能发生的落区、强度和维持时间，因此物理成因分析法主要是分析流域形成洪水的暴雨天气系统及大气环流演变特征，寻求暴雨洪水特征与天气系统、大气环流之间相关密切程度等。数理统计法是以概率论与数理统计为基础，运用统计学的方法对数据进行分析、研究，统计分析出洪水的变化规律，如统计汛期暴雨洪水洪量或洪峰流量的频率分布等。聚类分析法是采用聚类分析模型，通过距离函数和相似系数描述各典型洪水特征及其形成条件的相似性，样本较多时可考虑使用该方法，样本偏少时可作为上述两种分析方法分型结果的合理、可靠性分析手段。

步骤2，通过典型洪水调节计算确定分型洪水起调水位，并分析该分型洪水起调水位运用时可实现的洪水资源化量。

流域对应的场次洪水是利用同倍比方法推求设计洪水过程的典型洪水，同倍比方法的基本步骤为：

1)整理水库调查、实测等历史洪水系列，统计洪水系列的洪峰与时段洪量等特征量；分别对各特征量进行频率分析，得到各特征量设计频率标准值。

2)若选择典型洪水需要考虑m个场次洪水特征量，则建立特征量设计频率标准值向量为：

s′g＝[s′1s′2…s′i…s′m](1)

其中i＝1,2,…,m。

向量(1)为场次洪水特征量频率标准模式，为识别典型洪水的标准优模式。

3)分别计算各历史场次洪水的洪峰、时段洪量等特征量x′ij，j＝1,2,…,n为历史场次洪水样本数。则n个样本的特征量矩阵为：

4)不同的水库，对防洪起控制性作用的特征量会有所不同，因而场次洪水的各特征量应当给予适当的权重。设场次洪水特征量的权重向量为：

w＝(w1w2…wm)＝(wi)(0≤wi≤1)

5)将各样本x′j按权重最大的特征量x′ij进行放大，放大倍比k′j＝s′i/x′ij，可得设计标准的n个样本特征量矩阵为：

6)对标准优模式向量(1)、样本特征量矩阵(3)分别进行规格化处理。与标准优模式相差越小越优，因此规格化公式可为：

得到的规格化标准优模式向量、样本特征量矩阵分别为向量(5)、矩阵(6)：

sg＝[11…1…1](5)

7)令规格化标准劣模式向量为：sb＝[00…0…0]。由可变模糊模式识别模型(式7)，通过变换模型中的可变参数α、p，可计算得到一组各样本对标准优模式的相对隶属度u′j，进行综合分析得到最终的相对隶属度uj。

8)将最大相对隶属度uj对应的场次洪水作为该设计频率标准的典型洪水。

步骤3，考虑分型洪水起调水位运用时效益与不确定性因素对防洪的影响程度，建立水库调节计算模型，以权衡或调整分型洪水起调水位取值。

步骤3的效益与不确定性因素对防洪的影响程度主要利用的是调节计算法。

目前，对汛限水位控制的效益进行分析，常用的计算方法为考虑防洪和兴利效益的长系列调节计算法。效益分析的指标，通常根据水库的具体运行情况而定，若水库以发电为主，则主要分析该水库实施分型汛限水位控制时，其发电量的变化；若水库以供水为主，则主要分析该水库实施分型汛限水位控制，其供水量及供水保证率的变化；若两者兼顾，则须同时考虑。

1)发电效益指标的计算

发电效益指标包括电站出力、发电量和多年平均发电量等，具体定义如下：

(1)电站出力n

水电站的出力是指发电机组出线端送出的功率，单位kw。计算公式如下：

n＝9.81ηqh＝aqh(kw)(8)

式中，q为通过水电站水轮机的流量；h指电站净水头，等于上下游水位差减去各种水头损失；η为电站效率，等于水轮机效率、发电机效率及机组传动效率的乘积；a为系数，根据水电站规模的大小采用下列值：大型水电站(n＞25万kw)，a＝8.5；中型水电站(n＞2.5～25万kw)，a＝8～8.5；小型水电站(n＜2.5万kw)，a＝6～8。

(2)电站发电量e

水电站发电量为水电站的出力与相应时间的乘积，单位kwh。水电站在不同时刻t的出力，常因为电力系统负荷的变化、国民经济各部门用水量的变化或天然来水流量的变化而不断变化着。因此，水电站在t1到t2的发电量计算应该为：

在实际运用中，水电站发电量采用下列公式计算：

式中，为水电站在某一时段δt的平均出力；δt为计算时段长，δt取值由水库调节类型、水电站出力变化情况及计算精度影响，一般可取一日(24小时)、一旬(243小时)或一个月(730小时)。

(3)电站多年平均发电量e

水电站多年平均发电量计算是指一个调节周期内，水电站各年发电站的均值，计算公式为：

式中，n为水电站的发电年数；en为水电站第n年的发电量；

2)供水效益指标的计算

供水效益取决于汛限水位抬高后洪水资源的利用率，利用率越大，被利用的洪水资源越多，效益越大，反之越少。将洪水资源利用率作为供水效益的一个评价指标，计算公式为：

v＝w/(wl-ws)(12)

式中：w为由于汛限水位太高而产生的洪水中被利用的水量；wl为抬高后的汛限水位对应的库容；ws为原汛限水位对应的库容。

步骤4，在实时洪水调度中，根据天气系统判别未来入库洪水的类型，并采用相应类型的起调水位作为该场次洪水的起调水位。

现选取我国汉江丹江口水库流域作为研究区域，采用本发明方法进行丹江口水库流域洪水起调水位分型设计与控制运用。分析水库暴雨洪水的水文气象成因，建立洪水类型与天气系统类型之间的对应关系，由此确定分类选择典型洪水，丹江口水库洪水分类总结表如下表1所示，根据调节计算结果分析，按照不同典型放大得到的设计洪水反推得到的汛限水位不尽相同，其变化幅度较原夏季汛限水位高0.5米，并在风险与效益综合评价的基础上，推求不同类型洪水的汛限水位，得到分型汛限水位，由此可得本发明可保证在不增加水库防洪风险的前提下，实施安全可靠的洪水分型调度，增加水库洪水资源化利用程度。

表1丹江口水库洪水分类总结表