基于水库旱限水位的大型灌区水资源空间均衡优化调控

由于自然地理特征和经济社会活动的差异,大型灌区水资源分布和利用在时空上是不平衡的,尤其是受水文气象波动影响的农业灌溉供水,需要借助水利工程进行水资源空间均衡调控。目前按典型水平年制订的常规调配水方案无法展现水资源空间均衡状态在年内的变化响应过程,也无法考虑水资源在年际间调配的需求。鉴此,本文基于灌区水资源系统空间均衡评价模型和半分布式水资源系统模拟模型,以干旱年缺水时段平均水资源系统空间均衡度最大为目标,以骨干水库分期分级旱限水位和灌区分单元分用水户限供比例为调控变量,运用遗传算法开展大型灌区水资源系统空间均衡优化调控研究。淠河灌区应用结果显示:骨干水库的分级分期旱限水位能够实现水资源在年内和年际时间上的均衡调节,而分单元分用水户的限制供水措施能够使水资源在空间上得到合理配置。二者共同作用能更好地协调灌区供需水在时程分布和空间均衡间的关系,相较于运行现状能大幅提升水资源系统空间均衡度,增强灌区的可持续发展能力,为基于旱限水位的复杂水资源系统管理和应用提供新的思路。

控制性供水湖泊旱限水位确定方法——以洱海为例

旱限水位作为干旱预警以及工程抗预案的重要指标和依据,对科学指导湖泊开展抗旱调度具有重要的作用。本文针对控制性供水湖泊的特征,在充分考虑湖泊自身生态健康稳定的同时,结合湖泊兴利调节逆序递推计算,提出了一种控制性供水湖泊旱限水位计算方法,以洱海为例,验证了该方法的合理性。结果表明:通过设定旱限水位,在考虑湖泊最小生态需求的基础上,通过在干旱前期预留水量,可有效缓解干旱年份的湖泊周边地区的严重缺水情况;在设置旱限水位后,连旱最不利年份下洱海环湖供水缺水量减少1023万m^(3),引洱入宾农业灌溉用水减少1016万m^(3),环湖城市供水、引洱入宾灌溉严重缺水月数分别减少11、10个,低于最低生态水位月数减少15个。本研究为水旱灾害防御部门制定湖泊旱限水位、指导湖泊开展抗旱调度提供了一套通用算法,能够为干旱防御决策提供科学依据和技术支撑。

江河断面分级分期旱限水位(流量)确定方法

江河断面旱限水位(流量)是流域干旱预警的重要指标,可作为启动流域抗旱应急响应、指导水利工程开展抗旱调度的重要依据。本文针对江河断面旱限水位的相关概念和技术问题,完善了江河断面旱限水位(流量)的内涵,指出其是表征河流进入低枯状态即将产生社会经济与生态环境缺水风险的水位(流量)阈值。考虑不同干旱程度及干旱期用水规律,从分级分期的角度提出适用于不同类型河段的江河断面分级分期旱限水位(流量)确定方法。通过对渭河临潼断面和抚河廖家湾断面的实例应用,验证了算法对资源约束型和综合约束型断面的适用性和合理性。本研究为水旱灾害防御部门制定江河断面旱限水位(流量)提供了通用算法,能够为干旱预警决策提供科学依据和技术支撑。

供需双侧调控下水稻灌区水-能源-粮食系统耦合协调评价与优化研究

对于水资源主要消耗用户和粮食重要生产基地的大型灌区,进行供需双侧调控是缓解灌区水资源供需矛盾、提高区域高质量可持续发展的重要途径之一。为了揭示灌区水-能源-粮食复杂的协调关系,针对性地开展系统优化调控。首先基于系统评价理论构建大型灌区水-能源-粮食系统耦合协调度评价模型,再基于灌区水资源系统模拟模型,以灌区水-能源-粮食耦合协调度最大为目标,以灌区主要作物水稻种植比例、水库分级分期旱限水位、水稻需水关键期限制供水比例作为优化调控变量,结合加速遗传算法,开展基于水资源供需双侧优化调控的灌区水-能源-粮食系统耦合协调评价与优化调控研究。杭埠河灌区应用结果显示:优化调控确定的灌区水稻种植比例、水库分级分期旱限水位、水稻需水关键期限供比例,相较于灌区运行现状能提高水-能源-粮食系统耦合协调水平,双季稻种植面积一定程度恢复使粮食产量明显提高,优化的水库旱限水位及水稻需水关键期水库限供比例,可在提升灌区干旱年份水资源利用效率的同时,较好地降低粮食作物因旱减产损失。可见,开展灌区供需双侧优化调控能显著提高灌区水-能源-粮食系统耦合协调性和适配性,可为提高水资源利用效率、布局主要粮食作物生产以及落实灌区水利高质量发展实施途径提供参考。

再论水库汛期水位动态控制的必要性和可行性

汛限水位是水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位,在防洪中具有法定地位,是协调水库防洪与兴利的关键参数,直接影响水库效益发挥。近年水利和应急管理部门落实强监管措施的过程中,出现了强制要求水库汛期不超汛限水位的情况,导致相当多的水库汛期过度弃水、汛后无水可蓄。我国许多省份发生干旱时出现无水可供的困局,2022年长江流域历史性特大干旱情况尤甚。本文通过回顾汛限水位动态控制试点工作,论述汛限水位设置依据和实际监管中存在的问题,阐述开展汛期水位动态控制的必要性和可行性;归纳总结梯级水库运行期设计洪水、分期汛限水位和汛期水位动态控制的理论及方法;提出需要继续深入研究的科学问题和关键技术;最后建议加强水利工程基础措施建设,修改完善现有的法律法规和设计洪水计算等规范,建立符合新阶段水利高质量发展的运行机制,统筹协调防汛抗旱和洪水资源高效利用,实现水库汛期水位动态控制。

基于宽浅式破坏原则的水库旱限水位优化方法

针对旱限水位计算过程中干旱期需水多采用经验性调整系数确定存在主观性较强、合理性不足等问题,基于宽浅式破坏原则,以枯水年内月缺水率均值及其标准差最小为目标优化干旱期分行业需水,提出了水库旱限水位优化方法。以汾河水库与汾河二库为例进行优化效果分析,验证方法的合理性和可行性,结果表明:以优化后的旱限水位指导水库调度,可降低枯水年内的月缺水率均值及标准差;以50%作为严重缺水率阈值,优化后的旱限水位能够有效降低严重缺水月数;在连枯水年内,优化后旱限水位控制水库调度效果明显优于未优化的旱限水位,优化后旱限水位能够降低严重缺水情况的发生频率,符合枯水年内宽浅式破坏要求;旱限水位的设置保障了枯水年内各行业的用水安全,可减少极端缺水情况的发生,为旱灾防御指挥决策提供依据。

考虑径流非一致性的水库分期旱限水位优化研究

【目的】分析变化环境下水文序列的非一致性,为龙羊峡水库分期旱限水位优化调度模型的建立提供参考。【方法】采用Mann-Kendall检验法、有序聚类分析法和水文序列振动中心重构法,对龙羊峡水库年径流序列进行一致性分析及修正,然后利用水库旱限水位分级和Fisher最优分割法,对径流序列修正前后不同干旱等级下的水库分期旱限水位进行确定,最后通过耦合分期旱限水位建立以缺水指数最小为目标函数的龙羊峡水库优化调度模型,对径流序列修正前后两种情况下的分期旱限水位进行对比研究。【结果】一致性检验发现,龙羊峡水库径流序列具有明显下降的趋势,并在1989年发生突变。经一致性修正后计算龙羊峡水库7-10月、11-12月、1-4月、5-6月4个分期的旱限水位,在轻旱条件下分别为2530.00,2534.91,2539.10和2535.13 m,中旱条件下分别为2530.00,2535.44,2539.80和2536.70 m,重旱条件下分别为2530.00,2535.87,2540.35和2537.89 m;特旱条件下分别为2530.00,2536.06,2540.58和2538.12 m。采用不同调度模型对龙羊峡水库进行优化调度,结果显示修正后的调度效果较好,其总缺水量、缺水指数相比修正前分别降低5.37%和6.03%,其中枯水时段平均缺水量降低了10.71%,缺水程度改善明显。【结论】非一致性径流对龙羊峡水库旱限水位的确定有一定影响,一致性修正后的径流使水库旱限水位的确定更加可靠,水库的抗旱能力得以提升,可为水库供水、抗旱应急管理决策提供参考。

大浪淀水库旱限水位初步分析

本文结合近年来大浪淀水库旱情发展趋势,采用典型年法、生活用水总量法、取水口设施高程分析法等确定了一系列有分析价值的水位,按照资料年限统计了各种水位的出现频次和重现期,结合现有资料绘制了理论频率曲线,与本文所计算的重现期进行对比,确定最为接近的水位作为大浪淀水库旱限水位。可为其他水库旱限水位的初步确定提供思路。

大型灌区骨干水库分期旱限水位研究

水库作为常见的重要水利工程设施,在区域水资源承载力水量、水质、水生态和水流更新等要素调控中具有举足轻重的地位和作用,在降水径流减少的枯水季节显得尤其重要。旱限水位是水库在低水位调度运行的控制性特征水位,其合理设置与科学运用对区域水资源高效利用意义重大。为此以淠史杭灌区梅山水库的来水特性和用户需水特性为基础,首先采用Hausdorff维数分形方法划分了梅山水库入库径流干旱预警时段,进而通过不同水平年各预警期内来水、供水调节计算了初始旱限水位:旱警水位和旱枯水位,并以水库灌区水资源系统长系列模拟模型及优化模型为依托,优化确定了梅山水库不同预警期的旱限水位,最后分别从水库运行、灌区灌溉、生产生活供水、生态用水以及水力发电等多角度评估了旱限水位的合理性,为水利部门指导水库灌区抗旱运行,制订相应抗旱预案提供技术参考。

基于双层滑动的水库旱限水位确定算法

旱限水位是水库抗旱预警的重要指标,可作为水库开展抗旱调度的重要依据,开展不同类型水库旱限水位确定算法研究,对水库旱限水位的推广及提升干旱主动防御能力有重要意义。本文探讨了水库旱限水位的概念内涵,认为水库旱限水位是在干旱缺水条件下水库供水系统达到临界平衡的水位阈值。通过引入调度期、保证期等双层控制期,提出了适用于多年调节、年调节、季调节水库的旱限水位双层滑动算法,并且形成了旱限水位控制下的水库抗旱调度策略。通过对张峰水库与和川水库进行案例分析,验证了双层滑动算法对于多年调节水库和季调节水库的可行性与合理性,结果表明,通过设定旱限水位,可以在干旱前期预留水量,有效缓解干旱年份的严重缺水情况,各个行业的缺水率和严重缺水时段均有显著减少。本研究为水旱灾害防御部门制定水库旱限水位、指导水库抗旱调度提供了一套通用算法,能够为干旱防御决策提供科学依据和技术支撑。

基于模糊集对分析的灌区水库旱限水位及供水策略优化研究

随着经济社会发展和气候条件改变,我国区域干旱问题日益突出,水库在抗旱减灾过程中的作用越来越凸显,旱限水位的提出与应用对有效发挥大中型水库在抗旱中的调控作用、缓解流域旱情具有重要意义。针对旱限水位研究现状,本文以史河灌区梅山水库为例,首先考虑城乡供水、农业灌溉、水力发电和生态环境等诸多因素,构建基于模糊集对分析法的水库灌区水资源系统运行效果综合评价模型,并以水资源系统综合运行等级最优为目标,以分期分级旱限水位、灌溉限供措施(基于水库来水特征和作物生长特性)为优化变量,运用免疫遗传算法进行系统优化求解,最后对比有无旱限水位下水库水资源系统综合运行效果,并分析了不同控制方式下水库供水变化和灌区作物因旱减产风险。结果显示:该优化方法相较于以水库供水经济效益为目标旱限水位确定方法,多项年均指标都有较大改善,其中梅山水库经济效益提高了46万元,充反调节水库水量增加了555万m^(3),而水库弃水量减少了566万m^(3);史河灌区塘坝供水量增加了253万m^(3),而作物减产率下降了3.32%,同时作物因旱减产风险降低了3.15%。可见,运用系统综合评估决策方法有利于改善水库灌区系统综合运行效果,提高系统水资源利用效率和水库灌区经济效益;优化的旱限水位控制和与作物生长特性相适应的优化供水策略相对于经验性控制能有效减少灌区中稻因旱减产率,为保障旱限水位的顺利实施和干旱时期农业灌溉抗旱提供有力支撑。

一种湖泊分级分期旱限水位确定与动态控制方法

在抗旱领域,我国至今尚未建立起可用于抗旱应急管理工作的水位(流量)等干旱特征指标,水文报旱、旱情预警、抗旱会商、应急响应、水量调度等抗旱应急管理工作往往缺乏科学依据。在2011年水利部制定的《旱限水位(流量)确定办法》中,首次提出了旱限水位的概念,但没有具体针对湖泊制定旱限水位确定方法,且参照江河和水库旱限水位确定方法,全年采用唯一的旱限水位作为干旱预警指标,缺少分级、分期标准,实际运用中缺乏可操作性。为此,本文综合考虑不同时期生产、生活、生态用水需求优先级和保障等级的差异性,结合湖泊来水特征,制定了湖泊旱限水位分级、分期标准,针对不同湖泊类型,建立了一套通用的湖泊分级分期旱限水位确定方法,并在此基础上提出一种实用性较强、可靠性较高的湖泊旱限水位预警与动态控制方法,为旱灾防御指挥决策提供科学依据和技术支撑。本文提出的湖泊分级分期旱限水位确定与动态控制方法在洪湖试点得到了成功应用。

基于改进人工鱼群算法的旱限水位优化控制

针对人工鱼群算法全局搜索和局部搜索平衡能力较弱、算法运行后期搜索盲目性加大等问题,提出了人工鱼视野和步长的动态自适应调整、年际间缺水率均衡的动态控制等改进措施,建立了求解多年调节水库旱限水位的改进人工鱼群算法。通过黄河连续枯水段1990—1999年的实例研究,应用基于改进人工鱼群算法优化龙羊峡水库旱限水位,并与实际调度进行了对比。结果表明:优化控制可以合理预留调度期末水库蓄水量,流域缺水率均控制在10%左右,实现了年际间缺水均衡。

黄河流域旱情监测与水资源调配技术框架

针对黄河水资源短缺、干旱频发、旱灾损失大等重大问题,以应对干旱的黄河流域水资源调配为切入点,开展大型灌区旱情实时监测、应对干旱的径流洪水预报、大型梯级水库群优化调度以及干旱风险管理等关键技术研究,提出干旱评估与演变特征识别、灌区干旱实时监测、洪水/径流预报、多年调节水库旱限水位最优控制、水库多分期汛限水位优化、梯级水库群协同优化调度、干旱应对与风险管理等关键技术,形成大型灌区旱情实时监测、径流/洪水预报以及黄河梯级水库群调度等技术平台,集成黄河流域旱灾监测与预警、抗旱水源调度等综合技术体系框架,实现黄河流域干旱的有序应对,显著提升应对干旱的黄河水资源调配技术水平。

基于水库群预报调度的黄河流域干旱应对系统

为有效应对日益严重的流域干旱问题,有必要开展面向干旱全过程的黄河流域干旱应对系统研究。基于干旱演变过程设计了干旱指数,通过天气预报模型、回归分析等进行干旱、需水与径流预报;设置多年调节水库旱限水位,实现水资源年际补偿;识别洪水和泥沙分期特征,采用分期汛限水位增加洪水资源利用量;建立了梯级水库群协同优化调度模型,调配抗旱水源。算例结果显示:黄河流域干旱应对系统能够平衡年际间的干旱损失以避免重度破坏,与实际情况相比,在重旱的2014年增加抗旱水源22.40亿m^3。建立的干旱应对系统已应用于黄河流域抗旱实践,提升了流域应对干旱的水资源调控能力。

棉花适宜土壤水分下限和干旱指标研究

通过研究确定了在节水灌溉条件下棉花生育阶段适宜土壤水分下限（为田间最大持水量百分数）苗期为５５％、蕾期为６０％、花铃期为７０％、成熟期为５５％。干旱指标以棉花受旱程度分等，当各生育阶段土壤水分比适宜土壤水分下限值低１０％～１５％时为中等干旱，小于１０％时为轻度干旱，大于１５％时为重度干旱。

有闸控制湖泊分期分级旱限水位研究

干旱灾害是主要的自然灾害之一,严重影响了居民生活、工农业生产和生态环境用水安全。旱限水位是做好水源工程抗旱调度决策的重要依据。本文综合考虑湖泊上游来水、区间用水、通航等因素,提出了有闸控制湖泊分期旱限水位和旱枯水位的划分方法,并以女山湖为典型区域开展应用研究。结果表明:旱限水位和旱枯水位的划分基本符合女山湖的实际情况,能够为区域防旱抗旱提供一定的技术支撑。

水库分级分期旱限水位设计与控制研究

水库旱限水位的合理设置与科学运用对实现水资源安全高效利用、减轻旱灾损失具有重要意义。针对现有方法确定旱限水位时未全面考虑用户对供水保证率、破坏深度的要求,借助优化方法计算而在推广应用时有较高的技术门槛与难度等问题,本文明确了水库分级分期旱限水位定义,以各用户供水保证率最大、最大供水破坏深度最小为目标,构建了旱限水位优化计算模型,提出了旱限水位的多目标优化计算方法;在此基础上,通过分析旱限水位年内变化规律,识别影响供水效果的旱限水位关键时期,提出了一种快速、便捷、适于工程推广应用的旱限水位简便计算方法。结果表明:旱限水位年内变化规律与用水量年内分布规律一致,且高用水时期的旱警水位、枯水期的旱保水位对系统供水目标影响大,为简便计算方法中初步确定旱限水位的反馈调整提供了依据。不设置旱限水位以及按现有方法设置旱限水位,供水系统均发生严重缺水事件,而按本文提出的优化计算方法及简便方法设置旱限水位后,水库可通过提前恰当限制供水,有效避免后续严重缺水事件的发生,使得系统缺水事件发生的几率及严重程度满足设计要求,有效提升了抗旱能力。本文研究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优化计算方法及一套科学便捷的方法。

基于逆序递推的水库分级分期旱限水位确定方法研究

开展水库旱限水位确定技术研究,对于科学指导水库抗旱调度具有重要的意义。因此本文在旱限水位内涵解析的基础上,提出一种水库分级分期旱限水位计算新方法,充分考虑不同的干旱等级、不同行业年内需水过程的差异,采用逆序递推算法得到水库分级分期旱限水位。以山西省张峰水库作为研究对象,计算得到汛期、枯水期、农业灌溉期的旱警水位分别为756.5 m,756.2 m,754.5 m,旱保水位分别为735.8 m,730.7 m,728.2 m。通过方法对比分析,发现新的计算方法能够对更多的行业、更长的时段进行供水改善,在指导水库抗旱调度,提升水利工程群干旱防御能力方面具有显著优势。

基于水库旱限水位动态控制的供水策略研究

为了克服现行水库旱限水位确定方法和功能定位上存在的不足,更好地为水库抗旱调度提供技术支持,通过结合供水系统水文干旱识别方法,用汛末蓄水量、干旱期设计来水量及供水规则计算干旱预警期。并根据实际来水逐月修改来水系列,对当年潜在干旱期和干旱预警期进行再计算,实现旱限水位的动态控制,由此提出了用“预警期/旱限水位”数对的形式(Td,DL)来表示的旱限水位动态控制方法。将旱限水位与限制供水策略相关联,用水库旱限水位作为触发水库限制供水的特征水位。并以水库累计缺水指数最小为目标,以限制供水系数为优化变量,建立水库进入干旱预警后的供水模拟-优化模型。以天津市于桥水库为实例研究,结果表明,旱限水位动态控制方法对水库干旱的预警不仅更加合理,且具有较好的可操作性;旱限水位与限制供水策略相关联,避免了潜在干旱期内水库出现程度更加严重的缺水,对不同蓄水条件下的限制供水系数进行分析,发现限制供水系数最优值一般取在0.5~0.75。