基于防洪调度的流域梯级水电站决策系统

2018年6月

6期

水电姑机电技术

Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station

VoL41 No.6 Jun.2018

1

基于防洪调度的流域梯级水电站决策系统

张仁贡、钱镜林2,黄林根\\赓亚洲

S

巫地禄\\鲍敏1

(1.浙江禹贡信息科技有限公司，浙江杭州310009 ; 2.浙江水利水电学院，浙江杭州310000)

摘要：通过对衢州衢江流域的调研和初步探索,做了初步的方案研究，认为可以通过现有的水雨情观测系统，通 过梯级调度建模，结合现代化的技术，开发一款基于防洪调度的流域梯级水电站决策系统，实现衢江流域实时水雨 情共享系统、流域重点控制断面洪水预报系统、流域水库群联合防洪调度系统、流域水库群联合兴利调度系统等非 常有必要，也是科学和可行的。

关键词：流域；防洪;调度;水电站;梯级;决策系统

中图分类号：TV697.1+1

文献标识码：A

文章编号= 1672-5387(2018)06-0001-04

DOI ： 10.13599/j.cnki.ll-5130.2018.06.001

铜山源、碗窑、白水坑、沐尘5座，中型水库有黄坛

1总述1.1水系概况

衢江为钱塘江南源的干流，发源于安徽省休宁 县青芝埭尖(海拔1 144 )东麓，东南流至齐溪进入 我省，开化县马金以下称马金溪;与池淮溪在华埠汇 合后，称常山港;常山港由西向东行，左纳芳村溪，至 衢州市柯城区双港口与江山港汇合后称衢江;衢江 沿东北方向下泄，接纳了众多支流，呈羽状水系，其 中较大的有右岸的乌溪江和灵山港，左岸的铜山源、 芝溪，至兰溪市上华，右纳金华江后称兰江;兰溪市 以下折向北流,至建德市梅城与新安江汇合(表1)。

表1

河流名称

马金溪常山港衢江池淮溪龙山溪马廷溪芳村溪江山港乌溪江铜山源芝溪灵山港1.2工程概况

河长/km102.2175.9257.953.845.757.450.6137.4155.945.463.0.6

主要河流特征值

集水面积/km2

1011

3 3851147741833227535719462 577247350727

河道比降/%C

7.14.4

3.112.113.915.315.57.37.514.315.112.6

口、周公畈、社阳、峡口、芙蓉、千家排、狮子口、齐溪、 茅岗9座，小(一）型水库73座，小(二）型水库371 座。全市有1~1〇万3山塘1 687座,1万

mm3以下

m

山塘约2.2万座，堰顼3 011条。各主要江河上都兴 建了水利枢纽工程,其中常山港上有长风、天马、恒 丰等水利枢纽工程，江山港上有双塔、棠村水利枢纽 工程，衢江上有塔底、安仁铺、红船豆、小溪滩水利枢 纽工程。另外，衢州市建有防洪堤480多50年一遇标准城市防洪堤88.16

表2

水库名称湖南镇水库铜山源水库碗窑水库白水坑水库沐触库黄坛口水库峡口水库社阳水库周公畈水库齐溪水库茅岗水库芙蓉水库千家排水库狮子口水库

集水面积/km2

2151

180212.53303972 388339.384.414.1182.65301262784.43

km,其中

km。

所在地区衢江市湖南镇衢江区杜泽镇江山市碗窑乡江山市峡口镇龙游县沐尘乡衢江区黄坛口乡江山市峡口镇龙游县社阳乡龙游县小南海镇开化县马金溪开化县中村乡常山县芙蓉乡常山县球川镇常山县天马镇

大中型水库工程

库容/万m3206 70017 14922 30024 80912 5718 2006198123710184 5171 1169 58019351518

收稿日期：2018-04-18

作者简介：张仁贡(1979-),男，教授级高级工程师，研究方向:水利 水电信息化技术。

衢州市水库众多，到目前为止，全市共有小(二) 型以上水库458座(表2)，其中大型水库有湖南镇、

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水电姑机电技术

第41卷

1.3水雨情观测系统

衢州市自2003年7月开始建设衢州市中小型 7JC库自动测报系统工程,2004年5月完成工程建设。 2〇〇7年年初开始建设重要小(二）型水库和重要小 流域自动测报系统。到目前为止，已经建成251个 自动雨量站，146个自动水位站，形成了一个较为完 善的水雨情观测体系。1.4各主要支流洪水情况

各主要支流一般洪水情况下，洪峰传播时间大 致如下：

乌溪江:湖南镇水库至黄坛口水库为1 h

，黄坛 口水库至樟树潭为2.5 h

;

江山港:白水坑水库至峡口水库为3 h,峡口水 库至江山双塔底水文站为5 h

,碗窑水库至江山双塔 底水文站为3 h

;

常山港:齐溪水库至开化水文站为3 h,开化水 文站至常山水文站为6 h

;

衢江:常山水文站至衢州水文站为6 h

，江山水 文站至衢州水文站为6.5 h

，衢州水文站至樟树潭为 2_5 h，樟树潭至龙游水文站为5_5 h

。

衢江最不利的洪水组合有:常山港与江山港最 大洪峰叠加;乌溪江与衢江最大洪峰叠加;暴雨中心 随洪峰向下游移动和复峰洪水等。如1992年“7.4” 洪水、1998年“7.24”洪水等灾情较重的洪灾，均由 上游两港洪峰叠加和暴雨中心长时间跟着洪峰移动 所形成，使下游洪峰越来越大,且难以用常规的水文 预报方法作出准确的洪水预报。而1955年“6.20” 洪水是复峰洪水,对大中型水库防洪调度极为不利。 1.5历史洪水

衢州市是洪灾多发地区，历史上曾发生15、 1915、1942年特大洪水，其中15年洪水衢江衢州 市水文站洪峰流量11 600 m

3/s，超过百年一遇洪水 标准。1915、1942年洪水达到或接近50年一遇洪 水标准。建国后衢江出现超危急水位洪水的共有

13 次，分别为 1952(6.1 m)年、1955 年(6.20 m

)、1967

年(6.20 m)、1971 年(6.3 m)、1973 年(6.26 m)、1982 年 (6.21 m)、1992 年(7.4 m)、1993 年(6.20 m)、1994 年 (6.11 m)、1995 年(6.24 m)、1997 年(7.9 m)和 1998 年 (6.19m、8.24m)。其中1955年洪水为最大，衢江(衢 州市水文站)实测的洪峰流量为8 500 m3/S(包括德 坪坝、亭川分洪流量880 m3/s)，洪峰水位达65.68 m (吴淞高程67_56 m)，超过衢州危急水位2.06 m，超过

20年一遇洪水标准。其次是1967年“6.20”洪水和 1998年“7.24”洪水，衢州市水文站洪峰流量分别为 7 070 m3/s和7 080 m3/s

,略高于10年一遇洪水标准。

1.6必要性分析

⑴“防洪水”是“五水共治”中的主要内容，也 是历来水利工作的重要部分。本项目从非工程措施 出发，以衢江流域为研究对象，开发衢江流域实时水 雨情信息共享系统，通过该系统对流域的防洪形势 进行分析，对未来的洪水形势进行实时预报，建立一 套统一的衢江流域防洪调度方案，为“防洪水、排涝 水，，决策提供有力的技术支持。

⑵实时水雨情信息存在行政区划内“壁垒”。 在过去较长时间内，水文资料按《水文专业有偿服 务收费管理试行办法》进行收费，尽管2001年9月 17日，水利部颁发了《关于公开提供公益性水文资 料的通知》，规定了提供公益性水文资料的范围和收 取印刷工本费的原则，但总的来说比较笼统，具体实 施还有一定的困难，县与县之间水文数据还不能有 效共享。因此,建立一套衢江流域实时水雨情信息 共享系统，让客观上互联互通的衢江水，通过互联网 的形式达到上下游水雨情情势互联互通，真正意义 上实现“互联网+衢江流域防洪调度”。

(3)

目前衢江上已建的水文数据信息还不够完

善。近年来,通过不断投入，一些大中型水库、小⑴ 型水库、重要的小(2)型水库和重要小流域内均建立 了自动水雨情测报设施。但由于流域综合开发，在 河道内建设了大量的橡胶坝或翻板门型堰坝，这些 工程中的绝大部分均未建设配套的水雨情设施。由 于这些工程泄放水过程对下游影响较大，甚至会危 及到下游工程以及人民生命财产安全。因此，有必 要补充建设相应的水雨情设施提供实时水雨情信息 和预警信息。

(4)

经过多年建设,流域内水利工程梯级开发已

初具规模，大大促进了当地社会经济发展。这些水 利工程虽然也制定了相应的调度原则，但由于开发 具有先后性，到目前为止并未形成一个统一的蓄放 水调度原则。上游水库放水往往具有随意性，这使 得下游水库的调度非常困难。这种调度方式，不仅 不能达到整体水利工程兴利效益最优，而且还可能 危及到下游水库的防洪安全。因此,有必要以整个 衢江流域为研究对象,制定一套衢江流域综合调度 方案，建立衢江流域洪水预报及防洪调度系统，在对

第6期

张仁贡，等:基于防洪调度的流域梯级水电站决策系统

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各重要防洪工程和控制断面进行实时洪水预报的前 提下，以综合调度方案为依据进行科学调度、整体调度。

(5)

水库、塔底、安仁铺、红船豆、小溪滩水利枢纽以及江 山水文站、常山水文站、衢州水文站和龙游水文站洪 水预报系统，以达到及时准确地提供流域的实时暴

衢江上经过梯级开发，修建了多座电站，发 雨洪水情报，更好地为防洪决策提供支持。

电调度从计划制定到实时调度均采用经验调度，上 游电站放水发电往往以“友情提示”的方式告知下 游电站，下游电站因此作出相应的蓄放水决策。这 种调度方式不仅预见期较短、而且难以从流域的角 度综合考虑。同时，由于信息的“不可强制性”，也 为下游的水利工程埋下了严重的安全隐患。因此， 有必要建立一套兴利调度信息共享和决策系统，以 规范各工程的兴利调度方式。

(6)

本项目的实施可以提高水利工程科学管理

及调度水平，为流域充分利用水资源、促进流域或地 区社会经济和生态环境系统的可持续发展,进一步 为“治污水、保供水”提供重要的技术支持。

2研究目标

补充完善重要控制断面的水雨情监测设施，整 合已有水雨情监测设施，建设衢江流域实时水雨情 信息共享系统;建立重要水利工程(14座大中型水 库以及塔底、安仁铺、红船豆、小溪滩水利枢纽)及 水文站(江山站、常山站、衢州站和龙游站）洪水预 报系统;开展衢江流域水库群联合调度研究,制定统 一的流域防洪调度原则和兴利调度原则。通过上述 研究，以达到衢江流域统一调度，科学调度，从而充 分保障衢江流域防洪安全。

3研究内容

3.1实时水雨情信息共享系统建设

本系统建设主要包括两方面内容:①接人已建 的实时水雨情监测信息;②通过现场调研，掌握已建 的翻板门和橡胶坝等水利工程，建立可以反映其运 行特征的实时水情监测设施,同时具备预警功能。 3.2开发洪水预报系统

开发洪水预报系统的基本出发点是致力于提高 洪水预报精度、增长洪水预报的有效预见期、扩大预 报范围，提高预报作业速度，为各级防汛抗旱部门提 供预报精度和预见期均满足防洪调度决策要求的洪 水预报成果。

本次进行系统研究、开发的目标,是在相对 的计算机网络环境下，开发衢江流域内14座大中型

洪水预报系统的功能组成如下：

(1)预报模型。预报模型是预报系统的核心，目 前在实时洪水预报方面，比较实用的是确定性概念 模型。按照模型对象的不同可分为流域产流模型、 流域汇流模型、河道汇流模型等。

⑵模型参数率定。基于建立的预报模型，选用 一定时间的连续资料进行模拟计算，根据计算结果 与实测结果进行比较，求出误差。再调整参数值，比

较其结果和误差，直到误差满足精度要求。(3)

实时预报。洪水预报涉及信息读取、处计算、分析、发布等各环节，实时预报就是在计算机 上完成洪水预报各环节，加快预报作业速度。

(4)

实用模块。完成洪水预报、提高预报精度,

需要许多辅助实用模块，如数据查错、数据等时段化 处理、数学优化方法、实时校正方法、图形交互技术 等。

3.3建立水库群联合防洪调度方案

防洪调度系统的主要任务是在保证防洪工程安 全的前提下，以损失最小、可操作性好为原则，根据

单个水库防洪最优、从而分析流域整体防洪最优的 原则，确定流域整体调度方案。

以设计洪水为研究依据,以历史典型洪水确定 洪水地区组成，建立数学模型,通过优化算法计算出 水库群最优调度方案。

对于《个水库，》个防洪点，考虑区间来水的防 洪系统的最大削峰准则的目标函数为：

min F = ^) t=l (l J

f=l

^ • [?i (〇 + at ■ Q& i

(〇]2}

J

式中为调度期时段数；

以〇为第/库第r时段的出库流量演算到防洪 断面的过程；

&.刈为第消到自身防洪点之间的区间流量过程;

A为第/库到自身防洪点的重要性系数；

为第/库调度模式指示变量。考虑如下约束条件：⑴水量平衡约束

v{t) = v{t-\\)+ g(〇+g(^-1)_g(〇+^~1)七理、

4

水电姑机电技术

第41卷

式中：

F(f-l)为第f时段始末的水库蓄

水量；2(0、淡-1)为第（时段始末的人库流量; 《(〇、吣-1)为第（时段始末的出库流量；&为时段长。

(2) 水库最高水位约束

zmzm(t)式中：z(〇为第f时段末的计算水库水位; Zm(，)为第f时段末的允许最高库水位。

(3) 调度期末水位约束

Zenrf =

式中：

为调度期末计算库水位；Z

£为调度

期末的控制水位。

⑷水库泄流能力约束

qmq(Z(t))式中：冲)为第^才段末的出库流量；？(Z

«)为 第f

时段末相应于水位的下泄流量；

(5)上下库之间的水力联系

邮

) =《“，)+2区，必

式中：込(0为下游水库的人库流量；9z(〇为上

游水库的下泄流量；，奶为区间流量。

3.4建立水库群联合兴利调度方案

为建立梯级水库群优化调度模型，要把实际的 流域水资源系统概化为由节点和有向线段等元素构 成的网络。计算单元是基本而重要的节点,各种水 源的供水都是在计算单元的基础上进行的。有向线 段则代表了河道或渠道，它们反映了节点之间的水 流传输关系。本项目概化原则是以水库为计算单位， 以衢江干流为主线，涵盖整个兴利调度研究范围。

(1)目标函数

根据梯级水库调度实际，以供水量和发电效益 最大为目标：

1) 供水 @标:FI = 瓜

2) 发电目标：

F2 = maxZ=1J t=l

Z(风(办)，作))/ 化 x

a + gdit {q' (t), r' (t)) /Taxb)式中：识《、私,+,、允„分别为水库？时段的供水

量、谷电量和峰电量；

、作)分别为第水库第f

时段的

入库量、m供水量和下泄量；

= rflx；r。，m

为分析计算的总时段数，

为分析计算年数，％为每年内的时段数，确定每天 为一个时段；

a为峰电单价;6为谷电电价。⑵约束条件1) 水位约束

zLmzU

^KA^zLit)式中：

t

(〇分别为第〖水库第f时段

水位取值下限(死水位或发电水位)和上限(非 汛期为正常蓄水位，汛期为汛限水位)。

、尤(0、分别为第/水库第f时段

水位取值、水位、加大水位。

2) 水电站出力约束式中：I

、t

分别为第/水库保证出力和

预想出力。

3) 水量平衡约束

VQ\ +1) = r (0 + Q{t) - [g-'(〇 + r'-(〇] - EFl(t)

Q\) = q\)2{t) = q\) + r\)式中：+1)、r (〇分别为第/水库第（时段 蓄水量；

〇)、

分别为第z_水库第f时段入库总

水量、蒸发渗漏量。蒸发损失由顼址以上流域蒸发 及水库水面面积求得，渗漏损失采用经验公式求得。

4) 保证率约束

p(k)^p (A:)

式中：尸(幻、凡(幻分别为第A：行业供水计算保

证率和设计保证率。

5) 非负约束

上述各式中的各决策变量大于等于零。

4结论

通过探索和研究,笔者认为建设该系统是可行 的，也是必要的，可以达到以下成果：

(1) 可以建立衢江流域实时水雨情共享系统。(2) 可以建立衢江流域重点控制断面洪水预报

系统。

(3) 可以建立衢江流域水库群联合防洪调度系统。

(4) 可以建立衢江流域水库群联合兴利调度系统。