一种水库分级分期旱限水位设计与控制方法

1.本发明属于抗旱调度技术领域，涉及到一种水库分级分期旱限水位设计与控制方式。


背景技术：

2.受气候变化与强人类活动影响，近年来我国极端干旱事件趋多趋强。同时，随着经济社会的快速发展，用水需求迅速增加，水资源供需矛盾愈发突出，严重制约了我国经济社会发展(屈艳萍,吕娟,苏志诚,等.抗旱减灾研究综述及展望[j].水利学报,2018,49(01):115-125.)。水库是重要的蓄水工程，制定水库抗旱特征指标，指导水资源合理分配，有助于降低缺水事件的发生频率、减轻缺水的严重程度，对实现抗旱减灾具有重要意义。2011年，国家防汛抗旱总指挥部办公室在《旱限水位(流量)确定办法》(国家防洪抗旱总指挥部办公室.旱限水位(流量)的确定办法[z].2011.)中首次提出以旱限水位作为水库抗旱关键性控制水位，并给出了相应的计算方法。该办法首先通过逐月滑动计算得到各月水库应供水量，再将各月水库应供水量与死库容之和最大值对应的水库水位确定为旱限水位。
[0003]
该方法全年设置单一旱限水位。而水库来水、蓄水、用水均存在季节特性，年内不同时期枯水具有不同特点。全年设置相同的旱限水位对于年内某些时期可能偏高而造成不必要的供水破坏，对于年内某些时期可能偏低使得预蓄水量不足。为此，刘攀等(刘攀,李立平,吴荣飞,等.论水库旱限水位分期控制的必要性与计算方法探讨[j].水资源研究,2012(1):51-55.)首次提出对旱限水位进行分期控制的理念，之后宋树东(宋树东,朱文才.水库旱限水位分期确定的研究[j].长春理工大学学报(自然科学版),2014(3):160-163.)提出了分期旱限水位滑动计算方法。该方法简单易用，但在计算旱限水位后，未能进行合理性分析，忽略了设置旱限水位对供水系统的影响，不能确保初步设置旱限水位的调控效果。近年来，一些学者从不同角度定义了旱限水位，基于模拟-优化思想提出了相应的计算方法，从而考虑了设置旱限水位对供水系统的影响，保证了设置旱限水位后系统供水性能符合预期，进行有效的旱灾防御。张礼兵等(张礼兵,伍露露,金菊良,等.大型灌区骨干水库分期旱限水位研究[j].水利学报,2018,49(6):757-766.)将旱限水位定义为水库水位较低时，应削减供水的临界水位，提出在满足各行业供水保证率前提下，使系统供水经济效益最大化的旱限水位优化计算方法。彭少明等(彭少明,王煜,张永永,等.多年调节水库旱限水位优化控制研究[j].水利学报,2016,47(4):552-559.)针对多年调节水库跨年度补水问题，将旱限水位定义为水库年末应蓄水量对应的水位，提出年际缺水均衡控制的旱限水位优化计算方法，有效减小了连枯水年供水破坏深度。chang等人(chang j,guo a,wang y,et al.reservoir operations to mitigate drought effects with a hedging policy triggered by the drought prevention limiting water level[j].water resources research,2019,55(2):904-922.)将旱限水位定义为不同程度干旱发生时水库的最低运行水位，综合历史水文气象情况与使系统总缺水程度最小的水位过程，确定旱限水位。
[0004]
然而，以上研究在确定旱限水位时仅考虑了供水保证率或系统整体缺水程度中某
一方面供水要求，没有全面考虑工程应用中对系统供水保证率、破坏深度的要求。同时，上述旱限水位的确定均依赖优化方法，在推广应用时有较高的技术门槛与难度。为此，本发明全面考虑系统供水保证率、破坏深度要求，提出一种快速、便捷，适于工程推广的旱限水位简便计算方法，为水利部门指导水库抗旱运行，制定抗旱预案提供技术支撑。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术的不足，本发明提供了一种水库分级分期旱限水位设计与控制方法。
[0006]
本发明采用的技术方案如下：
[0007]
一种水库分级分期旱限水位设计与控制方法，流程图见附图1，其主要包括以下步骤：
[0008]
步骤一：分析供水保障目标及设计供水需求。
[0009]
(1)分析规划水平年水库生态环境保护和经济社会保障目标，包括供水对象、供水时段、供水范围及其供水保障优先级。
[0010]
(2)计算河道内、河道外各用户规划水平年需水量和需水过程，并明确各用水户设计供水保证率、供水破坏深度要求。河道外需水包括工业、农业、生活经济社会发展需水与生态环境需水，总量为各用户需水量之和；河道内需水包括生态、航运、生产等，总量按一水多用的原则，取各用户需水量的外包值。河道外经济社会发展需水计算参考gbt 51051-2014《水资源规划规范》，生态环境需水计算参考sl 429-2008《水资源供需预测分析技术规范》。河道内生态环境需水计算参考sl/z 712《河湖生态环境需水计算规范》，交通航运需水计算参考gb 50139《内河通航标准》，其他生产需水量根据生产过程对流量、流速、水位等要求综合确定。
[0011]
步骤二：设计不同预警级别的入库径流过程。
[0012]
审查长系列水文资料的可靠性、一致性、代表性，设计不同预警级别的设计枯水年(系列)径流过程，包括水文频率为75％的一般枯水年(系列)径流过程和水文频率为95％的特枯年(系列)径流过程。
[0013]
上述设计枯水年径流过程推求方法分为以下两种情况：
[0014]
(1)对于年调节、季调节水库，采用水文频率分析方法设计枯水年径流量及其年内分配，径流频率曲线线型、统计参数及代表年的选取参考sl/t 278—2020《水利水电工程水文计算规范》。
[0015]
(2)对于多年调节水库，采用扣除允许破坏年数法确定设计枯水系列。具体为：
[0016]
首先，按式(1)计算设计保证率条件下正常工作允许破坏的年数tf。然后，在实测资料中选出最枯连续枯水年组，从该最枯连续枯水年组最后一年起逆时序扣除允许破坏年数，余下的即为初步确定的设计枯水系列。本发明采用连续枯水年组的平均年径流量、年径流量变差系数、连续枯水年数三个指标评估枯水的严重程度，三个指标按重要性排序依次是：平均年径流量、连续枯水年数、年径流量变差系数。
[0017]
tf＝n-pd(n+1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0018]
式中，n表示水文系列总年数，pd为设计保证率。
[0019]
步骤三：确定干旱预警分期。
[0020]
综合考虑入库径流、水库运行水位(库容)、供水需求等因素的季节性特点，采用fisher最优分割法、成因分析法、模糊分析法、分形分析法等方法对水文年进行干旱预警分期，如图2所示。
[0021]
步骤四：确定分级分期的旱限水位供水规则。
[0022]
根据步骤一确定的设计需水过程、供水保障优先级，确定分级分期旱限水位供水规则，如附图3所示。
[0023]
水库旱警水位指水库水位持续偏低，影响城乡生活、工农业生产、生态环境等用水安全，应采取一般抗旱应急措施的水位。该水位是能够在一般枯水年份(一般取年径流频率75％)保障城乡生活需水量、工业生产需水量、重要农业生产需水量、河道生态环境需水量的水库水位。
[0024]
(1)当水库水位高于旱警水位时，水库采取“充分供水”的供水措施，不限制供水，“充分供水”供水量的计算公式如下所示：
[0025]wa,t
＝d
agr,t
+d
ind,t
+d
life,t
+max{d
eco,t
,d
ship,t
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0026]
式中，w
a,t
为水库t时段“充分供水”供水量；d
agr,t
为水库t时段正常灌溉需水量；d
ind,t
为水库t时段正常工业需水量；d
life,t
为水库t时段正常生活需水量；d
eco,t
为水库t时段生态需水量；d
ship,t
为水库t时段航运需水量。航运需水和生态需水都属于河道内需水，可共用，两者取大。
[0027]
水库旱保水位指水库水位显著偏低，严重影响城乡生活、工农业生产、生态环境等用水安全，应采取高级别抗旱应急措施的水位。该水位指能够在特枯年份(一般取年径流频率95％)保障城乡生活需水量、重要工业需水量、重要农业需水量、河道基本生态环境需水量的水库水位。
[0028]
(2)当水库水位在旱警水位以下，旱保水位以上时，水库采取“一级限供”的供水措施，轻度限制供水，“一级限供”供水量的计算公式如下所示：
[0029]wb,t
＝d
agr,t
·vagr,t
+d
ind,t
+d
life,t
+max{d
eco,t
,d
ship,t
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0030]
式中，v
agr,t
为水库t时段农业限制供水系数。
[0031]
(3)当水库水位在旱保水位以下时，水库采取“二级限供”的供水措施，进一步限制供水，“二级限供”供水量的计算公式如下所示：
[0032]wc,t
＝d
agr,t
·vagr,t
+d
ind,t
·vind,t
+d
life,t
+max{d
eco,t
,d
ship,t
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0033]
式中，v
ind,t
为水库t时段工业限制供水系数。
[0034]
上式中的工业、农业限制供水系数均需结合各用水户的允许破坏深度与当地抗旱应急预案，综合分析确定，也可直接采用用水户允许破坏深度，对用水需求进行折减。
[0035]
步骤五：初步确定分级分期旱限水位。
[0036]
基于步骤一确定的设计需水过程、步骤二确定的设计入库径流过程，以及步骤四确定的旱限水位供水规则，采用逆序递推方法初步确定分级分期旱限水位。计算旱警水位时，以一般枯水年(系列)径流过程及“充分供水”供水过程作为输入，计算旱保水位时，以特枯年(系列)径流过程及“一级限供”供水过程作为输入。
[0037]
以供水期末水位恰好达到水库死水位或允许消落的最低水位(见公式6)，以旬或月为计算时段，依据水库兴利调节原理，逆序递推得到各月(旬)初水位，递推公式如公式(5)所示。
[0038]
逆序递推过程中，水库水位要满足基本约束：库水位在死水位和兴利蓄水上限水位之间，其中汛期兴利蓄水上限水位为水库汛限水位，非汛期兴利蓄水上限水位为正常蓄水位，见式(7)；各月(旬)旱警水位不应低于同期旱保水位。满足以上约束的各月(旬)初水位即为各月(旬)旱限水位和旱警水位。
[0039][0040]zt+1
＝z
dead
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0041][0042]
式中，z
hj,t
、z
hj,t+1
分别为水库t、t+1月(旬)的旱警水位；f()为水库库容-水位曲线；f'()为水库水位-库容曲线；w
a,t
为t月(旬)“充分供水”供水量；w
b,t
为t月(旬)“一级限供”供水量；w
loss,t
为水库t月(旬)蒸发、渗漏损失水量；w
p1,t
、w
p2,t
分别为一般枯水年和特枯水年t月(旬)的水库来水量；z
hb,t
、z
hb,t+1
别为水库t、t+1月(旬)的旱保水位；z
t+1
为水文年末水位；z
dead
为水库死水位或考虑水质要求允许取水的最低水位；z
limit
为水库汛限水位；z
normal
为水库正常蓄水位。
[0043]
在上一步推求的各月(旬)旱限水位和旱警水位的基础上，基于步骤三确定的干旱预警分期，取各分期内最低月(旬)旱限水位、旱警水位作为该分期旱限水位、旱警水位。
[0044]
步骤六：分级分期旱限水位合理性分析与调整。
[0045]
具体包括如下内容：
[0046]
(1)基于步骤四确定的旱限水位供水规则以及步骤五确定的分级分期旱限水位，对历史长系列径流过程进行模拟，统计各用户供水保证率rel、最大供水破坏深度vul，计算公式如下：
[0047][0048]
vul＝max(def
t
/dem
t
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0049]
式中，n为总的统计时段数；z
t
为t时段供水状态，若当前时段满足供水需求，则z
t
＝1，若当前时段未满足供水需求，即发生供水破坏，z
t
＝0；def
t
为时段t的缺水量；dem
t
为时段t的需水量。
[0050]
(2)判别供水保证率、破坏深度是否符合规划设计要求：若各用水户供水保证率、供水破坏深度指标均满足规划设计要求，则说明初步确定的旱限水位科学合理。若有任意指标不满足规划设计要求，则需要对初步确定的旱限水位进行反馈修正与调整，直至指标达标。
[0051]
(3)分级分期旱限水位反馈修正方法：
[0052]
若供水保证率不达标，首先采用更换典型枯水年(系列)方式进行反馈修正，接着按照“据旱限水位年内变化规律，调整对系统供水保证率、破坏深度影响大的旱限水位”思路进行反馈修正。本发明提出提升高用水时期旱警水位、降低枯水期旱保水位的反馈修正方法。
[0053]
若供水保证率达标而供水破坏深度不达标，则采用提升高用水时期旱警水位、降低枯水期旱保水位的反馈修正方法。
[0054]
若无法通过修正使得各用水户供水保证率、供水破坏深度指标达标，则说明水库供水系统无法承担当前设计需水量，应对设计需水量进行调整，直至各用水户供水保证率、供水破坏深度达到设计要求。
[0055]
与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：
[0056]
本发明综合考虑各行业供水的保障优先级、保证率、破坏深度以及入库径流特性，结合干旱径流设计技术、水库模拟调度技术，制定了科学合理的水库分级分期旱限水位确定方法，提出了基于长系列径流过程模拟的合理性分析方法及水库分级分期旱限水位反馈修正方法。该方法综合考虑了工程应用中对系统供水保证率与破坏深度的要求，计算快速、便捷、适于工程推广应用，为水利部门制定水库旱限水位，指导水库抗旱调度提供了一套科学便捷的方法。
附图说明
[0057]
图1是水库分级分期旱限水位计算流程图。
[0058]
图2是水库干旱预警分期确定示意图。
[0059]
图3是水库分级分期旱限水位供水规则示意图。
[0060]
图4是清河水库旱警(保)水位反馈调整前后对比图。
具体实施方式
[0061]
本发明以清河水库为例，结合技术方案和附图详细叙述具体实施方式。具体包括以下步骤：
[0062]
第一步，供水保障目标及供水需求分析。
[0063]
清河水库近景规划水平年供水任务包括工业生产供水、城市生活供水、农业灌溉及生态环境供水，年需水量分别为30百万m3、20百万m3、300百万m3、32百万m3。其中，农业灌溉设计保证率为75％，工业供水设计保证率为95％。农业灌溉供水破坏深度一般情况下应不超过0.3，极端枯水时应不超过0.5，工业、城乡生活供水破坏深度应不超过0.1。各用户规划水平年需水过程如表1所示。
[0064]
第二步，设计不同预警级别的入库径流。
[0065]
采用mann-kendall趋势检验对清河水库1950-2017共68年入库年径流量序列作趋势检验，采用pettitt变点检验法作突变点检验。检验结果表明，清河水库入库径流符合一致性要求。采用多年调节水库设计枯水系列方法确定清河水库不同预警级别的枯水系列过程。扣除17年最严重的连续枯水年组，对应水文频率为75％的一般枯水系列为2006～2007年(水文年)。扣除3年最严重的连续枯水年组，对应水文频率为95％的特枯水系列为1999～2001年(水文年)。
[0066]
第三步，确定干旱预警分期。
[0067]
综合考虑清河流域多年月平均降水量、入库流量、库水位、供水量，本发明采用fisher最优分割法对清河水库进行干旱预警分期，将一个水文年分为5个时期，6月为灌溉期，7～8月为主汛期，9～10月为汛后蓄水期，11月～翌年4月为枯水期，5月为灌溉用水高峰
期。
[0068]
第四步，确定分级分期旱限水位供水规则。
[0069]
清河水库农业灌溉取水口在水库下游，农业灌溉用水与河道生态环境用水可共用，故当清河水库农业灌溉供水流量高于生态流量时，清河水库不需要额外给生态环境供水，否则按生态流量要求进行生态补水。当水库采取“一级限供”的供水措施时，限制农业供水，保障生活、工业、生态供水。当水库采取“二级限供”的供水措施时，限制农业、工业供水，保障生活、生态供水。各用水户限制供水量由允许破坏深度确定，农业供水折减系数取0.7，工业供水折减系数取0.9。清河水库不同预警级别设计供水过程如表1所示。
[0070]
表1清河水库不同预警级别设计供水过程表单位：百万m3[0071][0072]
第五步，初步确定分级分期旱限水位。
[0073]
各月旱警水位：一般枯水系列2006～2007年(水文年)，采用“充分供水”的供水过程，由死水位逆序递推得到各月初水位，枯水系列中各月最低水位为该月旱警水位。各月旱保水位：特枯水系列1999～2001(水文年)，采用为“一级限供”供水过程，由死水位逆序递推得到各月初水位，特枯枯水系列中各月最低水位为该月旱保水位。初步确定的清河水库各月旱警(保)水位如表2所示。
[0074]
表2初步确定的清河水库各月旱警(保)水位表单位：m
[0075][0076]
各分期旱警(保)水位为该分期最低月旱警(保)水位，初步确定的清河水库分期旱
警(保)水位如表3所示。
[0077]
表3初步确定的清河水库各分期旱警(保)水位表单位：m
[0078][0079]
第六步，分级分期旱限水位合理性分析与调整。
[0080]
在初步确定的旱警(保)水位控制运行下，对清河水库进行长系列径流过程进行供水模拟，各项供水指标如表4所示。虽然各用水户供水保证率满足设计要求，但农业供水最大破坏深度与工业供水最大破坏深度均不达标。按照本发明所提方法，当供水保证率达标而破坏深度不达标时，采用提高需水高峰期旱警水位方式进行反馈修正。同时，为了便于工程实际操作，将其余不参与修正的旱限水位进行四舍五入取整。经过试算，按该方法适当提高旱警水位后，各用水户供水保证率与最大破坏深度均满足要求。调整前后清河水库旱警(保)水位如图4所示。
[0081]
表4长系列模拟后各项供水指标
[0082][0083][0084]
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。